8051的結(jié)構(gòu)和原理-文檔資料

1、8051 有關(guān)MCS-51機的性能特點，在第一章已作了簡單介紹，本節(jié)將進一步詳細介紹它的結(jié)構(gòu)，使大家對它的性能有更深入的了解。 MCS-51的典型產(chǎn)品是8051、8031、8751。8051是ROM型單片機，內(nèi)部有4KROM；8031無片內(nèi)ROM，8751片內(nèi)有4KEPROM；89C51片內(nèi)有4KEEPROM。除此以外，它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳完全相同。 本章將以MCS-51系列的80518051為典型例子，詳細介紹單片機的結(jié)構(gòu)、性能、存儲器結(jié)構(gòu)及工作原理等內(nèi)容。通過對這些內(nèi)容的掌握，可以起到舉一反三、觸類旁通的作用。2.1 MCS-51單片機的結(jié)構(gòu)以以80518051為例給出的單片機功能方塊圖如

2、下：為例給出的單片機功能方塊圖如下：MCS-51單片機組成框圖時鐘OSCCPU并行接口定時/計數(shù)器ROMRAMP0中斷系統(tǒng)T0T1P1 P2 P3串行接口TXD RXDINT0 INT18051的內(nèi)部結(jié)構(gòu)展開圖1281288 8RAMRAMRAM地址寄存器地址寄存器P3P3口口P1P1口口P2P2口口P0P0口口鎖存器鎖存器鎖存器鎖存器鎖存器鎖存器鎖存器鎖存器中斷控制中斷控制定時定時/ /計數(shù)器計數(shù)器串行串行I/OI/O口口SP寄存器寄存器B B累加器累加器A A暫存器暫存器1 1 暫存器暫存器2 2程序狀態(tài)程序狀態(tài)字字PSWPSW指令寄存器指令寄存器IRIR指令譯碼器指令譯碼器ID數(shù)據(jù)指針數(shù)

3、據(jù)指針DPTRDPTR緩沖器緩沖器程序計數(shù)器程序計數(shù)器PCPC增增1 1程序地址寄存器程序地址寄存器ARAR定時與控制定時與控制4K8ROMALUCPUCPU2.1.1 CPU運算器CPU算術(shù)/邏輯部件ALUALU(Arithmetic Logic Unit)累加器ACCACC (Accumulator)程序狀態(tài)字寄存器PSWPSW(Program Status Word)暫存寄存器寄存器B B控制器定時控制與條件轉(zhuǎn)移邏輯電路程序計數(shù)器PCPC指令寄存器IRIR指令譯碼器IDID1.8051的時鐘 時鐘可以由兩種方式產(chǎn)生：內(nèi)部方式和外部方式。XTAL1內(nèi)部方式XTAL2XTAL2外部方式XTA

4、L1VSS外部時鐘（1）內(nèi)部方式： 在XTAL1和XTAL2端外接石英晶體作定時元件； 時鐘發(fā)生器對振蕩脈沖二分頻，即若石英頻率fosc=6MHz,則時鐘頻率=3MHz； fosc可在1.2MHz12MHz選擇； 小電容可以取30pF左右。 （2）外部方式： 通過XTAL2接入外部時鐘。2.8051的基本時序周期 計算機工作要有嚴(yán)格的時序。事實上，計算機更象一個大鐘，什么時候分針動，什么時候秒針動，什么時候時針動，都有嚴(yán)格的規(guī)定，一點也不能亂。基本時序單位： 3.機器周期：一個機器周期包括6個時鐘周期。 4.指令周期：執(zhí)行一條指令的時間。1.振蕩周期：晶體振蕩器的周期。2.狀態(tài)周期：振蕩周期2

5、分頻，也稱時鐘周期。 INTEL對每一條指令都給出了它的指令周期數(shù)， MCS-51單片機的所有指令中，有一些完成得比較快，只要一個機器周期就行了，有一些完成得比較慢，得要2個機器周期，還有兩條指令要4個機器周期才行。 若fosc=6MHz，則8051的： 振蕩周期1/6us； 時鐘周期1/3us； 機器周期2us； 指令周期28us。 2.1.2 8051的片內(nèi)片內(nèi)存儲器 8051單片機與一般微機的存儲器配置方式很不相同。 一般微機通常只有一個邏輯空間，可以隨意安排ROM或RAM。訪問存儲器時，同一地址對應(yīng)唯一的存儲單元，可以是ROM也可以是 RAM，并用同類訪問指令，這種結(jié)構(gòu)稱為普林斯頓結(jié)構(gòu)

6、（馮諾依曼結(jié)構(gòu)）。而MCS-51則不同： 8051在物理結(jié)構(gòu)上設(shè)計成程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器獨立分開的哈佛結(jié)構(gòu)： 片內(nèi)程序存儲器4KB （ROM 0000H0FFFH) 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器128B（RAM 00H7FH）2.1.3 8051的I/O端口8051有四個8位并行雙向I/O口P0、P1、P2、P3， 一個串行口2.1.4 8051的特殊功能寄存器SFR 8051內(nèi)部有21個特殊功能寄存器，分別叫SP、IE、IP、PCON.（與內(nèi)部RAM統(tǒng)一編址80HFFH）2.2 MCS-51單片機的存儲器組織8051在物理結(jié)構(gòu)上有四個存儲空間： 片內(nèi)程序存儲器、片外程序存儲器、 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器、片外數(shù)據(jù)

7、存儲器。new64KBROMEA=0EA=10000H0FFFH1000HFFFFH4KBROMFFH80H7FH00H SFRRAM64KBRAM(I/O)0000HFFFFH片內(nèi)片外片外程序存儲器數(shù)據(jù)存儲器 8051在邏輯上，即從用戶角度上8051有三個存儲空間： 片內(nèi)外統(tǒng)一編址的程序存儲器 片內(nèi)外不統(tǒng)一編址的數(shù)據(jù)存儲器 特殊功能寄存器（片內(nèi)）一、程序存儲器及地址空間作用-程序存儲器用于存放編好的程序和表格常數(shù)。8051片內(nèi)有4K字節(jié)ROM，片外用16位地址線最多可擴展64K字節(jié)ROM，兩者是統(tǒng)一編址的。如果EA端保持高電平，8051執(zhí)行片內(nèi)前4KB ROM地址(0000H0FFFH) 中

8、的程序。當(dāng)尋址范圍超過4KB（1000HFFFFH）時，則從片外存儲器取指令。當(dāng)EA端保持低電平時，8051的所有取指令操作均在片外程序存儲器中進行，這時片外存儲器可以從 0000H開始編址。在程序存儲器中，有6個單元具有特殊功能0003H0003H：外部中斷0入口。000BH000BH：定時器0溢出中斷入口。0013H0013H：外部中斷1入口。001BH001BH：定時器1溢出中斷入口。0023H0023H：串行口中斷入口。 使用時，通常在這些入口地址處存放一條絕對跳轉(zhuǎn)指令，使程序跳轉(zhuǎn)到用戶安排的中斷程序起始地址，或者從0000H起始地址跳轉(zhuǎn)到用戶設(shè)計的初始程序上。0000H0000H:

9、8051復(fù)位后，PC0000H，即程序從0000H 開始執(zhí)行指令。二、數(shù)據(jù)存儲器及地址空間數(shù)據(jù)存儲器片外RAM64KB，地址范圍0000HFFFFH片內(nèi)RAM128B，地址范圍00H7FH片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器空間分布圖通用RAM區(qū) (80B) 位地址區(qū) (16B)寄存器區(qū)4組(32B)7FH7FH寄存器3組寄存器2組寄存器1組寄存器0組寄存器區(qū)4組(32B). . . . . . . . . .由PSW中的2位RS1、RS0來決定選 哪一組為當(dāng)前工作寄存器： RS1、RS0=00 選0組 RS1、RS0=01 選1組 RS1、RS0=10 選2組 RS1、RS0=11 選3組在位地址區(qū)，每一個BIT

10、都有一個 地址，共168=128位00H00H30H30H2FH2FH20H20H1FH1FH. . . .片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器空間分布圖通用RAM區(qū) (80B) 位地址區(qū) (16B)7FH7FH寄存器3組寄存器2組寄存器1組寄存器0組寄存器0組寄存器區(qū)4組(32B). . . . . . . . . .RS1RS1、RS0=RS0=0000R7R6R5R4R3R2R1R000H00H01H01H02H02H03H03H04H04H05H05H06H06H07H07H00H00H30H30H2FH2FH20H20H1FH1FH. . . .片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器空間分布圖通用RAM區(qū) (80B) 位地址區(qū)

11、(16B)7FH7FH寄存器3組寄存器2組寄存器1組寄存器0組寄存器1組R7R6R5R4R3R2R1R008H08H09H09H0AH0AH0BH0BH0CH0CH0DH0DH0EH0EH0FH0FH寄存器區(qū)4組(32B). . . . . . . . . .RS1RS1、RS0=RS0=010100H00H30H30H2FH2FH20H20H1FH1FH. . . .片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器空間分布圖通用RAM區(qū) (80B) 位地址區(qū) (16B)7FH7FH寄存器3組寄存器2組寄存器1組寄存器0組寄存器2組R7R6R5R4R3R2R1R010H10H11H11H12H12H13H13H14H14H15

12、H15H16H16H17H17H寄存器區(qū)4組(32B). . . . . . . . . .RS1RS1、RS0=RS0=101000H00H30H30H2FH2FH20H20H1FH1FH. . . .片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器空間分布圖通用RAM區(qū) (80B) 位地址區(qū) (16B)7FH7FH寄存器3組寄存器2組寄存器1組寄存器0組寄存器3組R7R6R5R4R3R2R1R018H18H19H19H1AH1AH1BH1BH1CH1CH1DH1DH1EH1EH1FH1FH寄存器區(qū)4組(32B). . . . . . . . . .RS1RS1、RS0=RS0=111100H00H30H30H2FH2FH2

13、0H20H1FH1FH. . . .片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器空間分布圖通用RAM區(qū) (80B) 位地址區(qū) (16B)7FH7FH寄存器3組寄存器2組寄存器1組寄存器0組位地址區(qū)20H20H21H21H22H22H23H23H24H24H25H25H26H26H27H27H28H28H29H29H2AH2AH2BH2BH2CH2CH2DH2DH2EH2EH2FH2FH00H00H01H01H02H02H03H03H04H04H05H05H06H06H07H07H08H08H0FH0FH10H10H7FH7FH78H78H70H70H68H68H60H60H58H58H50H50H48H48H40H40H3

14、8H38H30H30H28H28H20H20H77H77H6FH6FH67H67H1FH1FH5FH5FH57H57H4FH4FH47H47H3FH3FH37H37H2FH2FH27H27H1FH1FH17H17H.D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0. . . . . . . . . .00H00H30H30H2FH2FH20H20H1FH1FH. . . .片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器空間分布圖通用RAM區(qū) (80B) 位地址區(qū) (16B)00H00H30H30H2FH2FH20H20H1FH1FH7FH7FH寄存器3組寄存器2組寄存器1組寄存器0

15、組通用RAM區(qū). . . . . . . . . . . . .共80個字節(jié)，作為一般的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)并可設(shè)置堆棧區(qū)三、特殊功能寄存器（21個字節(jié)）SFR (Special Functional Register) 見書P6表1-3與與ALUALU相關(guān)的（相關(guān)的（3 3個）個） A Register (AccA Register (Accumulatorumulator) )：累加器。：累加器。 累加器，通常用A A或ACCACC表示?？勺止?jié)尋址(E0H)， 也可位尋址(E0HE7H) 它是一個寄存器，而不是一個做加法的部件。 在運算器做運算時其中一個數(shù)一定是在ACCACC中。 B Registe

16、rB Register：暫存寄存器暫存寄存器。 暫存寄存器。在做乘、除法時放乘數(shù)或除數(shù)及結(jié)果。 PSW (PPSW (Programrogram S Statustatus W Wordord ）：程序狀態(tài)字。）：程序狀態(tài)字。 PSW是8位寄存器，用于作為程序運行狀態(tài)的標(biāo)志。這是一個很重要的部件，里面存放了CPU工作時的很多狀態(tài)，借此，我們可以了解CPU的當(dāng)前狀態(tài)，并作出相應(yīng)的處理。它的各位功能如下： 當(dāng)CPU進行各種邏輯操作或算術(shù)運算時，為反映操作或運算結(jié)果的狀態(tài)，把相應(yīng)的標(biāo)志位置1或清0。這些標(biāo)志的狀態(tài)，可由專門的指令來測試，也可通過指令來讀出。它為計算機確定程序的下一步進行方向提供依據(jù)。

17、PSW寄存器中各位的名稱及位置如下表所示，下面說明各標(biāo)志位的作用。D7D6D5D4D3D2D1D0 CY AC F0 RS1 RS0 OV PPSW位地址 CYCY：進位標(biāo)志。 加減運算時，保存最高位進位、借位狀態(tài)。 AC：半進位標(biāo)志。 例：78H+97H 0111 1000 +1001 0111 1 0000 1111 D7D6D5D4D3D2D1 D0 CY AC F0 RS1 RS0 OV PPSW位地址有進位CY=1沒有半進位AC=0 RS1、RS0：工作寄存器組選擇位。 0 0 選擇工作寄存器0組 0 1 選擇工作寄存器1組 1 0 選擇工作寄存器2組 1 1 選擇工作寄存器3組 P

18、：奇偶校驗位，它用來表示累加器A內(nèi)容中二進制數(shù)位 “1”的個數(shù)的奇偶性。若為奇數(shù)，則P=1，否則為0。 例：某運算結(jié)果是78H（01111000），則P=0。D7D6D5D4D3D2D1 D0 CY AC F0 RS1 RS0 OV PPSW位地址F0：用戶標(biāo)志位。作為軟件標(biāo)志，由編程人員決定 何時使用。OV：溢出標(biāo)志位。 有符號數(shù)運算時，如果發(fā)生溢出，OV置“1”，否 則清“0”。D7H D6H D5H D4HD3HD2HD1H D0H CY AC F0 RS1 RS0 OV PPSW位地址與指針相關(guān)的（與指針相關(guān)的（2 2個）個） SP (SSP (Stacktack P Pointero

19、inter) )： 堆棧指針，8位寄存器，用來指定堆棧的棧頂位置，初值為07H07H。它是加1計數(shù). DPTR (DDPTR (Data ata P Poinoint te er)r)（分成DPHDPH、DPLDPL兩個）：）： 數(shù)據(jù)指針可以用它來訪問外部數(shù)據(jù)存儲器中的任一單元，也可以作為通用寄存器來用，由我們自已決定如何使用。P0P0、P1P1、P2P2、P3P3： 四個并行輸入四個并行輸入/ /輸出口的寄存器。它里面的內(nèi)容對應(yīng)著輸出口的寄存器。它里面的內(nèi)容對應(yīng)著管腳的輸出。管腳的輸出。SCON (SSCON (Serialerial C Controlontrol R Registereg

20、ister) ) 串行口控制器。串行口控制器。SBUFSBUF (S(Serialerial D Date ate B Bufferuffer) ) 串行數(shù)據(jù)緩沖器。串行數(shù)據(jù)緩沖器。 PCON (PPCON (Powerower C Controlontrol R Registeregister) ) 電源控制及波特率選擇。電源控制及波特率選擇。 與端口相關(guān)的（與端口相關(guān)的（7 7個）個）與定時與定時/ /計數(shù)器相關(guān)的（計數(shù)器相關(guān)的（6 6個）個）TMOD (TTMOD (Timer/Counterimer/Counter Mod Mode Registere Register) ) 定時器工

21、作模式寄存器。定時器工作模式寄存器。TCON (TTCON (Timer/Counterimer/Counter ConControltrol RegisterRegister) ) 定時器控制寄存器。定時器控制寄存器。TH0TH0、TL0 TL0 、TH1TH1、TL1TL1：分別是分別是T0T0、T1T1的記數(shù)初值寄存器。的記數(shù)初值寄存器。IP (IIP (Interruptnterrupt P Priorityriority RegisteRegister r) ) 中斷優(yōu)先控制器。中斷優(yōu)先控制器。 IE (IIE (Interruptnterrupt E Enable Registen

22、able Register r) ) 中斷允許控制器。中斷允許控制器。 與中斷相關(guān)的（與中斷相關(guān)的（2 2個）個）課堂練習(xí)及思考題補充題： 下列是關(guān)于8051單片機存儲空間的描述,分析其對錯： a.a.特殊功能寄存器容量為21B, 沒有位地址。 b.b.外部數(shù)據(jù)存儲器容量可達64kB, 字節(jié)地址和位地址范圍均為0000HFFFFH c. c.程序存儲器容量可達64kB, 字節(jié)地址和位地址范圍均為0000HFFFFH 課堂練習(xí)及思考題補充題： 下列是關(guān)于8051單片機存儲空間的描述,分析其對錯： d.d. 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器容量為128B, 字節(jié)地址和位地址范圍均為00H7FH e.特殊功能寄存器容

23、量為21B, 有一部分特殊功能寄存器具有位地址。 f.f.程序存儲器容量可達64kB,地址范圍為0000HFFFFH。 2.MCS-51單片機的工作寄存器組如何選擇？若PSW 的RS1、RS0位的內(nèi)容是01，那么此時工作寄存器R1的字節(jié)地址是多少？ 3.MCS-51內(nèi)部RAM的工作寄存器組一共有多少個存儲單元？分為多少組？每組有多少個存儲單元？分別以什么作為寄存器名？4.8051存儲空間的結(jié)構(gòu)與8086/8088有什么不同？它的物理結(jié)構(gòu)是怎樣的？5.MCS-51單片機的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器容量是多少？它有什么特點？2.3 MCS-51單片機的并行端口結(jié)構(gòu)與操作 8051單片機有4 4個I/O端口，每

24、個端口都是8位準(zhǔn)雙向口，共占3232根引腳。每個端口都包括一個鎖存器(即專用寄存器P0P0P3P3)、一個輸出驅(qū)動器和輸入緩沖器。通常把4個端口籠統(tǒng)地表示為P0P0P3P3。 在無片外擴展存儲器的系統(tǒng)中，這4個端口的每一位都可以作為準(zhǔn)雙向通用I/O端口使用。在具有片外擴展存儲器的系統(tǒng)中，P2口作為高8位地址線，P0口分時作為低8位地址線和雙向數(shù)據(jù)總線。下面簡單介紹一下輸入/輸出端口結(jié)構(gòu)。2.3.1 P02.3.1 P0口和口和P2P2口的結(jié)構(gòu)口的結(jié)構(gòu)下圖為P0口的某位P0.n(n=07)結(jié)構(gòu)圖，它由一個輸出鎖存器、兩個三態(tài)輸入緩沖器和輸出驅(qū)動電路及控制電路組成。從圖中可以看出，P0口既可以作為

25、I/O用，也可以作為地址/數(shù)據(jù)線用。D QCLK QMUXP0.n讀讀鎖存器鎖存器內(nèi)部總線內(nèi)部總線寫寫鎖存器鎖存器讀讀引腳引腳地址地址/ /數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)控制控制VCCT1T2P0P0口口引腳引腳輸出時輸出時 若驅(qū)動NMOS或其它拉流負載時，需要外接上拉電阻。P0的輸出級可驅(qū)動8個LSTTL負載。 輸入時輸入時-分分讀引腳讀引腳或或讀鎖存器讀鎖存器讀端口讀端口時實際上并不從外部讀入數(shù)據(jù)，而只是把端口時實際上并不從外部讀入數(shù)據(jù)，而只是把端口鎖存器中的內(nèi)容讀入內(nèi)部總線，經(jīng)過某種運算和變換鎖存器中的內(nèi)容讀入內(nèi)部總線，經(jīng)過某種運算和變換后，再寫回到端口鎖存器。后，再寫回到端口鎖存器。讀引腳讀引腳時才真正地把

26、外部數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)部總線。時才真正地把外部數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)部總線。準(zhǔn)雙向口： 在端口進行輸入操作前，應(yīng)先向端口鎖存器寫“1”，使場效應(yīng)管截止，引腳處于懸浮狀態(tài)，變?yōu)楦咦杩馆斎?。這就是所謂的準(zhǔn)雙向口。 在系統(tǒng)擴展時，在系統(tǒng)擴展時，P0P0端口作為端口作為地址地址/ /數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線使用時，使用時，分為：分為： P0 P0引腳引腳輸出地址輸出地址/ /輸入數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù) P0 P0引腳引腳輸出地址輸出地址/ /數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)信息信息D QCLK QMUXP2.n讀鎖存器讀鎖存器內(nèi)部總線內(nèi)部總線寫鎖存器寫鎖存器讀引腳讀引腳地址地址控制控制VCCRTP2口引腳CPUCPU發(fā)出控制電平發(fā)出控制電平“0” 0” ，使

27、多路開關(guān)，使多路開關(guān)MUXMUX倒向鎖存倒向鎖存器器輸出輸出Q Q端，構(gòu)成一個準(zhǔn)雙向口。其功能與端，構(gòu)成一個準(zhǔn)雙向口。其功能與P1P1相同。相同。 2.P2 2.P2口作為口作為地址總線地址總線 在系統(tǒng)擴展片外在系統(tǒng)擴展片外程序存儲器程序存儲器/ /數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)存儲器且容量超過且容量超過256B256B時，時，CPUCPU發(fā)出控制電平發(fā)出控制電平“1 1”，使多路開關(guān)，使多路開關(guān)MUXMUX倒倒內(nèi)內(nèi)部地址線部地址線。此時，。此時，P2P2輸出高輸出高8 8位地址。位地址。D QCLK QMUXP2.n讀鎖存器讀鎖存器內(nèi)部總線內(nèi)部總線寫鎖存器寫鎖存器讀引腳讀引腳地址地址控制控制VCCRTP2口

28、引腳2.3.2 P12.3.2 P1口、口、P3P3口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)口的內(nèi)部結(jié)構(gòu) P1口的一位的結(jié)構(gòu) 它由一個輸出鎖存器、兩個三態(tài)輸入緩沖器和輸出驅(qū)動電路組成-準(zhǔn)雙向口。D QD QCLK QCLK QP1.nP1.n讀讀鎖存器鎖存器內(nèi)部總線內(nèi)部總線寫寫鎖存器鎖存器讀讀引腳引腳VCCRT TP1口引腳D QD QCLK QCLK QP3.nP3.n讀讀鎖存器鎖存器內(nèi)部總線內(nèi)部總線寫鎖存器寫鎖存器讀讀引腳引腳VCCRT TP3口引腳第二第二輸入功能輸入功能第二第二輸出功能輸出功能一、作為通用I/O口與P1口類似-準(zhǔn)雙向口(W=1)WD QD QCLK QCLK QP3.nP3.n讀讀鎖存器鎖存器內(nèi)部總線內(nèi)部總線寫鎖存器寫鎖存器讀讀引腳引腳VCCRT TP3口引腳第二第二輸入功能輸入功能第二第二輸出功能輸出功能二、第二功能(Q=1)此時引腳部分輸入(Q=1、W=1) ,部分輸出(Q=1、W輸