單片機(jī)第二章

1、第2章 MCS-51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)2.1 MCS-51單片機(jī)總體結(jié)構(gòu)2.2 MCS-51存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)及位處理器2.3 MCS-51工作方式和時(shí)序2.4 MCS-51單片機(jī)的時(shí)序2.5 單片機(jī)最小系統(tǒng)本章重點(diǎn)內(nèi)容：1 MCS-51單片機(jī)硬件的功能結(jié)構(gòu)及內(nèi)部組成 2 單片機(jī)引腳功能及應(yīng)用特點(diǎn) 3 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和特殊功能寄存器的組織特點(diǎn) 4 單片機(jī)的工作方式和典型的CPU時(shí)序 2.1 MCS-51單片機(jī)總體結(jié)構(gòu)單片機(jī)總體結(jié)構(gòu) MCS-51系列單片機(jī)可分為兩大系列：51子系列（普通型）和52子系列（增強(qiáng)型）。51子系列單片機(jī)的典型產(chǎn)品有8031、8051、8751、80C51、80C31、89C51、8

2、9S51等。它們的結(jié)構(gòu)基本相同，其主要差別反映在片內(nèi)存儲(chǔ)器的配置上有所不同 。52子系列及兼容單片機(jī)的典型產(chǎn)品有8032、8052、8752、89C52、89S52等，其中，8052、8752內(nèi)含8KB的掩模ROM程序存儲(chǔ)器和256B的RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。增強(qiáng)型的存儲(chǔ)容量為普通型的一倍。 2.1.1 MCS-51單片機(jī)總體結(jié)構(gòu)框圖及功能單片機(jī)總體結(jié)構(gòu)框圖及功能8051單片機(jī)內(nèi)部由CPU、4KB的ROM、128B的RAM、4個(gè)8位的I/O并行端口、一個(gè)串行口、兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器及中斷系統(tǒng)等組成。其內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示。圖2-2為8051單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖。 圖2-1 8051單片

3、機(jī)內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)框圖 圖2-2 8051單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖 下面對(duì)各功能部件的作用分述如下：1. CPUCPU是單片機(jī)內(nèi)部的核心部件，是單片機(jī)的指揮和控制中心。CPU可分為運(yùn)算器和控制器兩大部分。 (1) 控制器控制器控制器的功能是：接受來自程序存儲(chǔ)器ROM存儲(chǔ)單元的指令，并對(duì)其進(jìn)行譯碼，通過定時(shí)和控制電路，按時(shí)序規(guī)定發(fā)出指令功能所需要的各種（內(nèi)部和外部）控制信息，使各部分協(xié)調(diào)工作，完成指令功能所需的操作?？刂破髦饕ǔ绦蛴?jì)數(shù)器、指令寄存器、指令譯碼器及定時(shí)控制電路等。 (2) 運(yùn)算器運(yùn)算器ALU運(yùn)算器的功能是：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。計(jì)算機(jī)對(duì)任何數(shù)據(jù)的加工、處理必須由運(yùn)算器完成。

4、2. RAMRAM為單片機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。其存儲(chǔ)空間包括隨機(jī)存儲(chǔ)器區(qū)、寄存器區(qū)、特殊功能寄存器及位尋址區(qū)。3. ROMROM為單片機(jī)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。4. 并行并行I/O口口P0P3是四個(gè)8位并行I/O口，每個(gè)口既可作為輸入，也可作為輸出。單片機(jī)在與外部存儲(chǔ)器及I/O端口設(shè)備交換信息時(shí)，必須由P0P3口完成。 5. 定時(shí)器定時(shí)器/計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器定時(shí)器/計(jì)數(shù)器用于定時(shí)和對(duì)外部事件進(jìn)行計(jì)數(shù)。 6. 中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng)MCS-51單片機(jī)有5個(gè)中斷源，中斷處理系統(tǒng)靈活、方便，使單片機(jī)處理問題的靈活性和工作的效率大大提高。 7. 串行接口串行接口串行接口提供對(duì)數(shù)據(jù)各位按序一位一位地傳送。 8. 時(shí)鐘電路時(shí)鐘電

5、路OSC時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)中最基本的時(shí)間單位。 2.1.2 MCS-51引腳功能引腳功能MCS-51單片機(jī)采用40腳雙列直插式封裝，其引腳排列及邏輯符號(hào)如圖2-3所示。 1主電源引腳主電源引腳VCC和和VSSVCC：接主電源+5V。VSS：電源接地端。2時(shí)鐘電路引腳時(shí)鐘電路引腳XTAL1和和XTAL2 XTAL1是片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸入端，XTAL2是片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸出端，也是內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。 圖2-3 MCS-51單片機(jī)引腳圖 3. 控制信號(hào)引腳控制信號(hào)引腳(1) RST/VPDRST/VPD為復(fù)位/備用電源輸入端。 (2) ALE/ALE/為低8位地址鎖存使能輸出/

6、編程脈沖輸入端。 (3) 為外部程序存儲(chǔ)器控制信號(hào)，即讀選通信號(hào) (4) /VPP為外部程序存儲(chǔ)器允許訪問/編程電源輸入。 4. 并行并行I/O口口P0P4端口引腳端口引腳(1) P0口（口（P0.0P0.7）P0口內(nèi)部是一個(gè)8位漏極開路型雙向I/O端口。 P0口在作通用I/O口使用時(shí)應(yīng)外接10千歐的上拉電阻。在端口進(jìn)行輸入操作（即CPU讀取端口數(shù)據(jù)）前，應(yīng)先向端口的輸出鎖存器寫“1”。PSENEA(2) P1口（口（P1.0P1.7）P1口是一個(gè)內(nèi)部帶上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O端口。當(dāng)P1輸出高電平時(shí)，能向外部提供拉電流負(fù)載，因此，不需再外接上拉電阻。 (3) P2口（口（P2.0P2.7）

7、P2口也是一個(gè)內(nèi)部帶上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O端口。當(dāng)CPU訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，P2口自動(dòng)用于輸出高8位地址，與P0口的低8位地址一起形成外部存儲(chǔ)器的16位地址總線。 (4) P3口（口（P3.0P3.7）P3口是一個(gè)內(nèi)部帶上拉電阻的8位多功能雙向I/O端口。 2.2 MCS-51存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)及位處理器存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)及位處理器2.2.1 MCS-51存儲(chǔ)器的特點(diǎn)存儲(chǔ)器的特點(diǎn)MCS-51的存儲(chǔ)器把程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間嚴(yán)格區(qū)分開。 MCS-51存儲(chǔ)器的劃分方法如下：(1) 從物理結(jié)構(gòu)上劃分，有4個(gè)存儲(chǔ)空間。 片內(nèi)程序存儲(chǔ)器。 片外程序存儲(chǔ)器。 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。(2) 從邏輯上劃分，有3個(gè)存儲(chǔ)

8、器地址空間。 片內(nèi)外統(tǒng)一編址的64KB的程序存儲(chǔ)器地址空間。 片內(nèi)（128+128）B數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間。 片外64KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間。 在訪問不同的邏輯存儲(chǔ)空間時(shí)，MCS-51提供了不同形式的指令： MOV指令用于訪問內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 MOVC用于訪問片內(nèi)外程序存儲(chǔ)器。 MOVX用于訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 MCS-51（8051）存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如圖2-4所示。圖2-4 MCS-51(8051)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu) 2.2.2 程序存儲(chǔ)器程序存儲(chǔ)器程序存儲(chǔ)器用于存放已編制好的程序及程序中用到的常數(shù)。 程序存儲(chǔ)器由ROM構(gòu)成，單片機(jī)掉電后ROM內(nèi)容不會(huì)丟失。 2.2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用于存放

9、程序運(yùn)算的中間結(jié)果、狀態(tài)標(biāo)志位等。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器由RAM構(gòu)成，一旦掉電，其數(shù)據(jù)將丟失。 1. 通用寄存器區(qū)通用寄存器區(qū)在低128B的RAM區(qū)中，將地址001FH共32個(gè)單元設(shè)為工作寄存器區(qū)，這32個(gè)單元又分為4組，每組由8個(gè)單元按序組成通用寄存器R0R7。通用寄存器R0R7不僅用于暫存中間結(jié)果，而且是CPU指令中尋址方式不可缺少的工作單元。 2. 可位尋址區(qū)可位尋址區(qū)地址為20H2FH的16個(gè)RAM（字節(jié)）單元，既可以像普通RAM單元按字節(jié)地址進(jìn)行存取，又可以按位進(jìn)行存取，這16個(gè)字節(jié)共有128(168)個(gè)二進(jìn)制位，每一位都分配一個(gè)位地址，編址為00H7FH 。3. 只能字節(jié)尋址的只能字節(jié)尋址的R

10、AM區(qū)區(qū)在30H7FH區(qū)的80個(gè)RAM單元為用戶RAM區(qū)，只能按字節(jié)存取。所以，30H7FH區(qū)是真正的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。 2.2.4 專用寄存器區(qū)（專用寄存器區(qū)（SFR）在片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的80HFFH單元（高128B）中，有21個(gè)單元作為專用寄存器（SFR），又稱特殊功能寄存器。 下面對(duì)部分特殊功能寄存器（SFR）作一簡介：(1) 累加器ACC：字節(jié)地址為E0H，并可對(duì)其D0D7各位進(jìn)行位尋址。D0D7位地址相應(yīng)為E0HE7H。(2) 寄存器B：字節(jié)地址為F0H，并可對(duì)其D0D7各位進(jìn)行位尋址。D0D7位地址相應(yīng)為F0HF7H。主要用于暫存數(shù)據(jù)。(3) 程序狀態(tài)字PSW：字節(jié)地址為D0H，并可對(duì)其D

11、0D7各位進(jìn)行位尋址。D0D7數(shù)據(jù)位的位地址相應(yīng)為D0HD7H。主要用于寄存當(dāng)前指令執(zhí)行后的某些狀態(tài)信息。 (4) 堆棧指針SP：字節(jié)地址為81H，不能進(jìn)行位尋址。(5) 端口P1：字節(jié)地址為90H，并可對(duì)其D0D7各位進(jìn)行位尋址。D0D7數(shù)據(jù)位的位地址相應(yīng)為90H97H（也可表示為P1.0P1.7）。 2.2.5 位處理器位處理器MCS-51片內(nèi)CPU還是一個(gè)性能優(yōu)異的位處理器，也就是說MCS-51實(shí)際上又是一個(gè)完整而獨(dú)立的1位單片機(jī)（也稱布爾處理機(jī)）。該布爾處理機(jī)除了有自己的CPU、位寄存器、位累加器（即進(jìn)位標(biāo)志Cy）、I/O口和位尋址空間外，還有專供位操作的指令系統(tǒng)，可以直接尋址對(duì)位存儲(chǔ)

12、單元和SFR的某一位進(jìn)行操作。MCS-51單片機(jī)對(duì)于位操作（布爾處理）有置位、復(fù)位、取反、測(cè)試轉(zhuǎn)移、傳送、邏輯與和邏輯或運(yùn)算等功能。2.3 MCS-51工作方式工作方式MCS-51單片機(jī)的工作方式包括：復(fù)位方式、程序執(zhí)行方式、節(jié)電方式和EPROM的編程和校驗(yàn)方式，在不同的情況下，其工作方式也不相同。2.3.1 復(fù)位方式復(fù)位方式單片機(jī)在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)需要復(fù)位，使CPU以及其他功能部件處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作，單片機(jī)應(yīng)用程序必須以此作為設(shè)計(jì)前提。2.3.2 程序執(zhí)行工作方式程序執(zhí)行工作方式程序執(zhí)行方式通?？煞譃檫B續(xù)執(zhí)行和單步執(zhí)行兩種工作方式。 1. 連續(xù)執(zhí)行方式連續(xù)執(zhí)行方式連續(xù)執(zhí)行

13、方式是所有單片機(jī)執(zhí)行工作程序所需要的一種工作方式。 2. 單步執(zhí)行方式單步執(zhí)行方式用戶在調(diào)試程序時(shí)，常常要一條一條地執(zhí)行程序中的每一條指令。單步執(zhí)行方式就是為用戶調(diào)試程序而設(shè)計(jì)出的一種工作方式。 2.3.3 節(jié)電工作方式節(jié)電工作方式節(jié)電工作方式是一種能減少單片機(jī)功耗的工作方式，通常有空閑方式和掉電方式兩種。1. 掉電方式掉電方式單片機(jī)在運(yùn)行過程中，如果發(fā)生掉電，片內(nèi)RAM和SFR中的信息將會(huì)丟失。為防止信息丟失，可以把一組備用電源加到RST/VPD端，當(dāng)VCC上的電壓低于VPD上的電壓時(shí)，備用電源通過VPD端，以低功耗保持內(nèi)部RAM和SFR中的數(shù)據(jù)。 2. 空閑方式空閑方式 進(jìn)入空閑方式后，C

14、PU停止工作，但中斷、串行口和定時(shí)器計(jì)數(shù)器可以繼續(xù)工作。 2.4 MCS-51單片機(jī)的時(shí)序單片機(jī)的時(shí)序時(shí)序就是計(jì)算機(jī)指令執(zhí)行時(shí)各種微操作在時(shí)間上的順序關(guān)系。 2.4.1 時(shí)鐘時(shí)鐘計(jì)算機(jī)執(zhí)行指令的過程可分為取指令、分析指令和執(zhí)行指令三個(gè)步驟，每個(gè)步驟又由許多微操作所組成，這些微操作必須在一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)鐘脈沖的控制下才能按照正確的順序執(zhí)行。時(shí)鐘脈沖由時(shí)鐘振蕩器產(chǎn)生 。2.4.2 CPU時(shí)序時(shí)序單片機(jī)的時(shí)序是指CPU在執(zhí)行指令時(shí)所需控制信號(hào)的時(shí)間順序。時(shí)序信號(hào)是以時(shí)鐘脈沖為基準(zhǔn)產(chǎn)生的。CPU發(fā)出的時(shí)序信號(hào)有兩類：一類用于片內(nèi)各功能部件的控制，另一類信號(hào)通過單片機(jī)的引腳送到外部 。1. 時(shí)鐘周期、機(jī)器周

15、期和指令周期時(shí)鐘周期、機(jī)器周期和指令周期(1) 時(shí)鐘周期時(shí)鐘周期時(shí)鐘周期也稱振蕩周期，即振蕩器的振蕩頻率fosc的倒數(shù)，是時(shí)序中最小的時(shí)間單位。 (2) 機(jī)器周期機(jī)器周期執(zhí)行一條指令的過程可分為若干個(gè)階段，每一階段完成一規(guī)定的操作，完成一個(gè)規(guī)定操作所需要的時(shí)間稱為一個(gè)機(jī)器周期。 (3) 指令周期指令周期指令周期定義為執(zhí)行一條指令所用的時(shí)間。 2. MCS-51單片機(jī)的取指執(zhí)行時(shí)序單片機(jī)的取指執(zhí)行時(shí)序 取指令階段把程序計(jì)數(shù)器PC中的指令地址送到程序存儲(chǔ)器，選中指定單元并從中取出需要執(zhí)行的指令。指令執(zhí)行階段對(duì)指令操作碼進(jìn)行譯碼，以產(chǎn)生一系列控制信號(hào)完成指令的執(zhí)行。 3. 訪問外部訪問外部ROM時(shí)序時(shí)序 4. 讀外部讀外部RAM時(shí)序時(shí)序訪問外部RAM的操