2.3 外部数据存储器
当单片机需要外加RAM存储器时（扩展系统），必须使用专用的MOVX指令，此时单片机的端口功能就要发生相应的改变：
① P0、P2作为外部RAM的地址和数据总线；
② 使用MOVX指令进行读写操作。
③ MOVX指令在执行时，会自动地产生/RD或/WR信号对 外部RAM实现控制。
指令通过P0、P2输出DPTR中的16位地址信号。这里使用了16位的寄存器DPTR，其寻址范围为64KB。
此时： P0口做低8位地址总线和数据的“复用”总线；
P2口做高8位地址总线。
2.4 小结
MCS-51单片机的存储器的配置
片内4K的程序存储器ROM；
片内256B的数据存储器RAM；
片外可以扩展64K的ROM和RAM.
1.程序存储器
当引脚EA=1时， CPU从片内ROM的0000H单元运行程序；
若引脚EA=0时， CPU从片外ROM的0000H单元运行程序。
当引脚EA=1，且PC值大于0FFFH时， CPU会自动从内部ROM转到片外ROM的1000H单元运行程序。
无论是片内还是片外, ROM有六个单元是有特定意义的：
1.0000H单元:上电,复位后的启动地址；
2.0003H单元:外部中断INT0的入口地址；
3.000BH单元:定时器T0的中断入口地址；
4.0013H单元:外部中断INT1的入口地址；
5.001BH单元:定时器T1的中断入口地址；
6.0023H单元:串行口中断的入口地址。
2.内部数据存储器RAM
低128B： 1,工作寄存器区;2,位寻址区;3,便笺区；
高128B： 做特殊功能寄存器SFR用。
注意:
1.SFR不同于一般的数据RAM,它不是用于存储数据,而是用来控制和 表征单片机内部几个逻辑部件的特征,状态等重要信息。
2.在使用RAM时,要注意字节地址和位地址的概念.
3.访问内部RAM的指令为 MOV 指令。
3.外部数据存储器
1.在硬件具备的条件下,MCS-51单片机可以使用64KB的外部数据存储器.如果要访问外部数据存储器RAM时,只能使用间址的寻址方式.
2.间址寄存器有R0,R1或DPTR.前者寻址范围为256KB(00H-FFH);后者为64KB(0000H-FFFFH).使用的指令是 MOVX。
三、单片机的引脚功能
3.1 51单片机的外形和逻辑符号
3.2 51单片机的引脚定义
3.2.1 主电源引脚
主电源引脚：Vcc（+5V— 40脚）和 Vss （GND 20脚）；
3.2.2 外接晶体引脚
外接晶体引脚：XTAL1（19脚）、XTAL2（18脚）
两脚之间接入一个晶体震荡器，单片机就以此晶体的频率开始工作（其频率范围为：0～24MHz）。
频率越高，单片机的工作速度就越快，但单片机的功耗就要增加，其产生的高次谐波也会对系统内部的模拟电路（如ADC）产生严重的干扰。
3.2.3 控制与电源复用引脚
RST / V pd（9脚）
RST / V pd（9脚）：复位信号输入，高电平有效。
复位操作可以确保CPU从程序的开始端运行程序；
微处理器在“上电”时必须对其施行“复位”操作，以避免电源从0V至5V时电源的过度性造成系统“混乱”。而MCS-51单片机不具备“上电复位”功能。因此，必须通过外部对此引脚施加一个（大于两个时钟周期的）高电平使单片机复位。
在复位状态下：
1.程序指针PC=0000H；
2.堆栈指针SP=07H；
3.SFR的内容全变为“0”；
4.P0～P3四个端口输出“全1”（FFH）；
5.RAM内容不变。
【思考题】PC=0000H 意味着什么？
意味着程序从头开始执行
Vpd 功能：当单片机掉电时，此引脚可以接入备用电源向单片机内部的RAM供电，防止RAM中的数据丢失。
ALE/PROG（30脚）
以系统时钟 fosc 的1/6的频率，周期性输出方波脉冲。
1.系统扩展时，作为外部存储器低八位地址的锁存信号；
2.可为系统提供一个频率为 fosc/6 的方波信号；
3.EPROM型单片机编程时编程输入脉冲（第二功能）。
/PSEN（29脚）
/PSEN（29脚）：外部程序程序存储器的选通输出信号。
当单片机使用外部程序存储器时，此脚在一个机器周期内产生两次负脉冲，作为外部程序存储器ROM的选通信号；
访问外部数据存储器 RAM 时，此信号无效。
/EA / Vdd （31脚）
/EA / Vdd （31脚）：程序存储器的选择控制端
CPU 执行片内ROM还是外部ROM中的程序，由硬件设计者通过对EA引脚的设置来决定：
/EA=“1” 时：单片机使用内部的程序存储器ROM；
/EA=“0” 时：单片机使用外部的程序存储器ROM。
【注意】：如果EA=1既使用单片机内部的程序存储器时，如果程序计数器PC的值超过0FFFH时，单片机将自动转向外部程序存储器1000H开始的单元。
对于EPROM型的单片机，此脚还是用于写程序时，加入21伏的编程电压。
四、单片机的I/O口
4.1 P0
P0.0 - P0.7： P0端口线（39-32脚）
输出能力最强的端口，可带动8个TTL负载；
具有两种工作方式：
①普通的I/O方式；
②系统扩展时的总线方式。
当处于I/O方式时：端口内部输出电路呈“开路结构”，所以当驱动MOS负载时，应接一个10K左右的上拉电阻，否则无法输出高电平。
当处于扩展方式时：P0口成为外部存储器提供低八位地址和数据的“复用总线” （此时不能作为通用的I/O端口）。
4.2 P1
P1.0 - P1.7： P1端口线（1 – 8脚）：
负载能力4个TTL负载。
MCS-51单片机中唯一“功能单一”的I/O端口。在系统设计中只能设计为“通用的I/O端口”；
4.3 P2
P2.0 – P2.7： P2端口线（21 – 28脚）：
同P0端口类似：具有两种工作方式：
①普通的I/O方式；
②系统扩展时的总线方式（高八位地址总线）。
4.4 P3
P3.0 – P3.7 P3端口线 （10 – 17脚）：
P3口的引脚具有两种用途：
①做通用的I/O端口，负载能力为4个TTL ；
②引脚具有第二功能。
4.4.1 小结
【注意】： 在系统设计中，P3端口原则上不作I/O端口，而是尽量保留其第二功能；
如：串行通信中所使用的发送TXD、接收RXD以及外部中断的两个输入信号INT0、INT1等。
**这种方法利于系统设计中最大限度的调用MCS-51单片机的内部硬件资源，以简化外部电路的设计。**
4.5 片外总线结构
4.5.1 地址总线(AB)
地址总线的宽度是16位，因此可以寻址的范围是64 KB。采用分时复用技术，可以对外部64 KB的数据存储器或程序存储器直接寻址。它由P0口提供16位地址总线的低8位(A0～A7)，由P2口提供地址总线的高8位(A8～A15)。
4.5.2 数据总线(DB)
数据总线的宽度是8位，它由P0口提供。
4.5.3 控制总线(CB)
控制总线由P3口的第二功能(RXD、TXD、INT0、INT1、T0、T1、RD、WR)和4根独立的控制线(RST、EA、ALE、PSEN)组成。
4.6 小结
1.MCS-51单片机的四个端口其功能在芯片设计中各不相同，所以其内部结构和特点也不一样；
2.P0～P3四个端口都可以作为普通的具有双向传输功能的I/O端口；
3.当系统硬件设计中如果采用外部存储器（ROM或RAM）扩展方式时，P0、P2端口变为系统总线。在此时P0、P2不能再做I/O端口。
4.P3口在系统设计上，尽可能的保留其第二功能，以可充分利用单片机的内部系统资源。
5.对程序存储器ROM的使用选择取决于引脚EA的设定：EA=1使用片内4K的ROM；EA=0时使用外部ROM。
6.一个微处理器在上电时，必须进行“复位”操作，而MCS-51单片机不具备“上电复位”功能，所以必须外加一个上电复位电路，其复位时间大于2个机器周期即可；
7.单片机的工作频率 fosc 取决于外接晶体的振荡频率。如何选择晶体的振荡频率不单纯考虑系统的工作速度，还要考虑到系统的功耗、工作的稳定向和可靠性，而这些都与外接晶体的振荡频率有着直接的关系；
五、单片机内部看门狗定时器
看门狗定时器(WDT)简介
WDT是为了解决CPU运行时可能进入混乱或死循环而设置的，AT89S51的WDT由一个14bit计数器和看门狗复位SFR（WDTRST）构成。
**外部复位时，WDT默认为关闭状态，要打开WDT，用户必须顺序将01EH和0E1H写到WDTRST寄存器（SFR地址为0A6H）中。**
当启动WDT后，它会随晶体振荡器在每个机器周期计数，除硬件复位或WDT溢出复位外没有其它方法关闭WDT。
WDT溢出将使RST引脚输出**高电平的复位脉冲**，复位脉冲持续时间**98个时钟周期**
六、单片机复位工作方式
6.1 介绍
复位：将单片机系统置成特定初始状态的操作，复位后程序从头（0000H单元）开始执行程序。
系统刚接通电源或重新启动时均进入复位状态。
当系统处于正常工作状态时，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期(24个振荡周期)以上，则CPU就可以实现可靠复位，如图2-17所示，其中TCY为机器周期，等于12个时钟周期。各寄存器和程序计数器PC的状态见表2-11所示。
6.2 两种上电复位电路
6.2.1 上电复位电路
上电复位电路:当接通电源的瞬间，RST端与VCC同电位，随着电容上的电压逐渐上升，RST端的电压逐渐下降，于是在RST端便形成了一个正脉冲，只要该正脉冲的宽度持续两个机器周期的高电平，就可实现系统自动复位。
6.2.2 上电复位及按钮复位
上电复位和按钮复位:(也称为手动复位)的组合，当人工按下P按钮后就可实现系统复位。单片机复位后，各寄存器和程序计数器PC的状态见表2-11所示。
6.3 复位的初始状态
七、单片机低功耗方式
7.1 介绍
AT89系列单片机提供了两种省电工作方式：空闲方式和掉电方式。其目的是尽可能地降低系统的功耗。
在空闲工作方式中(IDL=1)，振荡器继续工作，时钟脉冲输出到中断系统、串行口以及定时器模块，但却不提供给CPU。在掉电方式中(PD=1)，振荡器停止工作。
两种工作方式都是由SFR中的电源控制寄存器PCON的控制位来定义的，PCON寄存器的控制格式如图2-19所示。
SMOD：串行口波特率倍率控制位。
GF0，GF1：通用标志位。
PD：掉电方式控制位。PD=1，进入掉电工作方式。
IDL：空闲方式控制位。IDL=1，进入空闲工作方式。
PCON寄存器的复位值为0XXX000，PCON.4～PCON.6为保留位，用户不要对它们进行写操作。
7.2 空闲工作方式
当CPU执行完置IDL=1( ORL PCON，#01H，PCON.0=1)的指令后，系统进入了空闲工作方式。
这时，内部时钟不提供给CPU，而只供给中断、串行口、定时器部分。CPU的内部状态维持不变，即包括堆栈指针SP、程序计数器PC、程序状态字PSW、累加器ACC等其他所有的内容保持不变，端口状态也保持不变。ALE保持逻辑高电平。
有两种方法可以使系统退出空闲工作方式:
1、**任何的中断请求都可以由硬件将PCON.0(IDL)清0而中止空闲工作方式。**当执行完中断服务程序返回时，从置空闲工作方式指令的下一条指令开始继续执行程序。
2、**硬件复位。**RST端的复位信号直接将PCON.0(IDL)清0，从而退出空闲状态，CPU则从进入空闲方式的下一条指令开始重新执行程序。
7.3 掉电工作方式
当CPU执行一条置PCON.1位(PD)为1的指令后，系统进入掉电工作方式。
在这种工作方式下，内部振荡器停止工作。由于没有振荡时钟，因此所有的功能部件都停止工作，但内部RAM区和特殊功能寄存器的内容被保留，而端口的输出状态值都保存在对应的SFR中，ALE和都为低电平。
**退出掉电方式的惟一方法是硬件复位。**复位后将所有的特殊功能寄存器的内容初始化，但不改变内部RAM区的数据。
而在准备退出掉电方式之前，**Vcc必须恢复到正常的工作电压值，并维持一段时间(约10 ms)，**使振荡器重新启动并稳定后，方可退出掉电方式。
八、单片机的时序
8.1 介绍
单片机取出指令后要对指令进行译码产生各种操作信号，所谓时序，就是指各种操作信号的时间序列，它表明了指令执行中各种信号之间的相互关系。为达到同步协调工作的目的，各操作信号在时间上有严格的先后次序，这些次序就是CPU的时序。
CPU执行指令的一系列动作都是在时序电路控制下一拍一拍进行的，为了便于对CPU时序进行分析，人们按指令的执行过程规定了几种周期，即时钟周期、状态周期、机器周期和指令周期，也称为时序定时单位。
8.2 基本时序
8.2.1 时钟周期
也称为振荡周期，定义为时钟脉冲频率（fosc）的倒数，是计算机中最基本的、最小的时间单位。
在一个时钟周期内，中央处理器CPU仅完成一个最基本的动作。一个振荡周期也称为一个节拍，用P表示，通常称为P节拍，如图2.20所示。
8.2.2 状态周期
时钟周期经2分频后成为内部的时钟信号，用作单片机内部各功能部件按序协调工作的控制信号，称为状态周期，用S表示。
**一个状态周期包含两个时钟周期，前半状态周期相应的时钟周期定义为P1，后半周期对应的时钟周期定义为P2。**一般情况下，CPU中的算术逻辑运算在P1有效期间完成，在P2有效期间进行内部寄存器间的信息传送。
8.2.3 机器周期
机器周期：完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期。
51单片机有固定的机器周期，规定一个机器周期有6个状态，分别表示为S1～S6，而一个状态包含两个时钟周期，那么一个机器周期就有12个时钟周期，可以表示为S1P1, S1P2, …, S6P1, S6P2，一个机器周期共包含12个振荡脉冲，即机器周期就是振荡脉冲的12分频。
8.2.4 指令周期
指令周期：指CPU执行一条指令所需要的时间，一般由若干个机器周期组成，指令不同，所需要的机器周期数也不同。51系统中，一个指令周期通常含1～4个机器周期。大多数指令是单字节单周期指令，还有一些指令是单字节双周期指令和双字节双周期指令，而乘法指令MUL和除法指令DIV都是单字节四周期指令(参见附录B)。
