MCS硬件體系結構課件

第二章

MCS-51硬件體系結構第二章

MCS-51硬件體系結構2本章目錄8051的芯片封裝與內部功能模塊8051內部結構MCS-51的基本時序MCS-51的工作方式2本章目錄8051的芯片封裝與內部功能模塊8051內部結構M32.1MCS-51的特點

MCS-51單片機是在一塊硅片上集成了中央處理器(CPU)、隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、輸入輸出端口(I/O)等主要計算機功能部件的微型計算機，8051的內部功能模塊如圖所示。32.1MCS-51的特點MCS-51單片機是4單片機8051的內部功能模塊8位的CPU，其作用是實現(xiàn)各種算術運算、邏輯運算以及判斷控制等功能。片內振蕩器及時鐘電路。片內RAM，共有128B，用來存放數(shù)據(jù)，又稱為片內數(shù)據(jù)存儲器。片內ROM，共有4KB，用來存放程序，又稱為片內程序存儲器。在MCS-51系列單片機中，8051有ROM，而8031沒有ROM。4單片機8051的內部功能模塊8位的CPU，其作用是實現(xiàn)各種5單片機8051的內部功能模塊特殊功能寄存器(SFR)，共有21個，是一組特殊用途的寄存器。32根I/O線，分為4組8位的雙向輸入輸出端口。2個16位的定時器/計數(shù)器，具有四種工作方式。一個全雙工串行通信接口，具有四種工作方式。5個中斷源，2級中斷優(yōu)先權。布爾處理器。5單片機8051的內部功能模塊特殊功能寄存器(SFR)，共有6MCS-51的芯片封裝MCS-51單片機大多采用40只引腳的雙列直插DIP封裝，引腳如圖所示；也有采用44只引腳的方形封裝。6MCS-51的芯片封裝MCS-51單片機大多采用40只引腳7MCS-51的芯片引腳定義Pin39~Pin32：P0.0~P0.7，雙向8位三態(tài)I/O口，為低8位地址總線及數(shù)據(jù)總線分時復用口。Pin1~Pin8：P1.0~P1.7，準雙向8位I/O口。Pin21~Pin28：P2.0~P2.7，準雙向8位I/O口，可作為高8位地址總線復用。Pin10~Pin17：P3.0~P3.7，雙功能復用，第一功能是準雙向8位I/O口。Pin9：RST/VPD，復用。第一功能RST是復位腳；第二功能是VPD，即備用電源輸入腳。Pin18：時鐘XTAL2，片內振蕩電路的輸出腳，接外部晶體的一個引腳。如果采用外部振蕩器時，此引腳則接收振蕩器的信號。Pin19：時鐘XTAL1，片內振蕩電路的輸入腳，接外部晶體的另一個引腳。如果采用外部振蕩器時，此引腳應接地。Pin20：VSS，接地。7MCS-51的芯片引腳定義Pin39~Pin32：P0.8MCS-51的芯片引腳定義Pin29：PSEN，片外程序存儲器的選通信號，低電平有效。Pin30：ALE/PROG，復用。第一功能ALE是地址鎖存信號輸出端。在訪問片外存儲器時，若ALE為有效高電平，則P0口輸出16位地址的低8位，可以用ALE信號做外部地址鎖存器的鎖存信號。當ALE端輸出一個1/6時鐘頻率的正脈沖信號時，可做系統(tǒng)中其他芯片的時鐘源。第二功能PROG是針對EPROM型單片機（8751等），在EPROM編程期間，此引腳用來輸入編程脈沖。Pin31：EA/VPP，復用。第一功能EA是內外部程序存儲器的選通信號腳。第二功能VPP是針對EPROM型單片機，在EPROM編程期間，此引腳用于施加編程電壓。Pin40：VCC，接+5V電源。8MCS-51的芯片引腳定義Pin29：PSEN，片外程序92.2MCS-51內部結構MCS-51系列單片機片內結構如圖所示，可劃分為CPU、存儲器、并行口、串行口、定時器/計數(shù)器和中斷邏輯幾個部分。若將4KB的ROM存儲器部分用EPROM替換，則單片機就由8051變?yōu)?751，而去掉ROM存儲器則成為8031.92.2MCS-51內部結構MCS-51系列單片機片內結102.2.1中央處理器

中央處理器是單片機內部的核心部件，它決定了單片機的主要功能特性。中央處理器由運算器和控制器等部件組成，其中包括若干特殊功能寄存器（SFR）。1.運算器運算器包括算術邏輯部件ALU、布爾處理器、累加器ACC、寄存器B、暫存器TMP1和TMP2、程序狀態(tài)字寄存器PSW以及十進制調整電路等。運算器的功能是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的算術邏輯運算、位變址處理和數(shù)據(jù)傳送操作。102.2.1中央處理器中央處理器是單片11運算器算術邏輯部件ALUMCS-51單片機的ALU功能十分強，它不僅可對8位變量進行邏輯“與”、“或”、“異或”、循環(huán)、求補、清零等基本操作，還可以進行加、減、乘、除等基本運算。為了乘除運算的需要，設置了寄存器B，在執(zhí)行乘法運算指令時，用來存放其中一個乘數(shù)和乘積的高8位數(shù)；在執(zhí)行除法運算指令時，存入除數(shù)及余數(shù)。

MCS-51單片機的ALU還具有布爾處理功能。單片機指令系統(tǒng)中的布爾指令集、存儲器中的位地址空間與CPU中的位操作構成了片內的布爾功能系統(tǒng)，它可對位（bit）變量進行布爾處理，如置位、清零、求補、測試轉移及邏輯“與”、“或”等操作。在實現(xiàn)位操作時，借用程序狀態(tài)字（PSW）中的進位標志CY作為位操作的“累加器”。11運算器算術邏輯部件ALU12運算器累加器

運算部件中的累加器ACC是一個8位的累加器。從功能上看，它與一般微處理器的累加器相比沒有什么特別之處，但需要說明的是ACC的進位標志CY就是布爾處理器進行位操作的累加器。12運算器累加器13運算器程序狀態(tài)字PSW

MCS-51單片機的程序狀態(tài)字PSW是一個8位寄存器，其中的7位用來寄存本次運算的狀態(tài)信息。各位的含義如下：CY：進位標志。有進位/借位時，CY=1；否則CY=0。AC：半進位標志。當D3位向D4位有進位/借位時，AC=1；否則AC=0。常用于十進制調整運算中。F0：用戶可設置的標志，可用軟件來置位或復位，編程時供測試用。RS1、RS2：四個通用寄存器組的選擇位。這兩位的四種組合狀態(tài)用來選擇0~3寄存器組。OV：溢出標志。當帶符號數(shù)運算結果超出-128~+127范圍時，OV=1；否則OV=0。當無符號數(shù)乘法結果超過255時，或無符號數(shù)除法的除數(shù)為0時，OV=1；否則OV=0。P：奇偶校驗標志。每條指令執(zhí)行完，若累加器A中1的個數(shù)為奇數(shù)時，P=1；否則P=0，即偶校驗方式。13運算器程序狀態(tài)字PSW14控制器

控制器主要包括定時與控制邏輯、程序計數(shù)器PC、指令寄存器IR、譯碼器ID以及地址指針DPTR等。

(1)定時與控制邏輯

①時鐘電路

8051片內設有一個由反向放大器構成的振蕩電路，XTAL1和XTAL2分別為振蕩電路的輸入和輸出端，時鐘可以由內部或外部產(chǎn)生。片內產(chǎn)生方式的時鐘電路如圖所示。14控制器控制器主要包括定時與控制邏輯、程序計數(shù)15控制器②時序

MCS-51典型的指令周期為一個機器周期，一個機器周期由6個狀態(tài)（12個振蕩周期）組成，每個狀態(tài)又被分成P1和P2兩拍。通常算術邏輯操作在P1拍進行，而內部寄存器傳送在P2拍進行。圖2.6給出了8051單片機的取指和執(zhí)行指令的定時關系。15控制器②時序16控制器(2)程序計數(shù)器PC

用來存放即將要執(zhí)行的存放在程序存儲器中的指令地址，共16位，可對64K程序存儲器直接尋址。執(zhí)行指令時，PC內容的低8位經(jīng)P0口輸出，高8位經(jīng)P2口輸出。(3)指令寄存器IRCPU執(zhí)行指令時，由程序存儲器中讀取的指令代碼送入指令寄存器，經(jīng)譯碼后由定時與控制電路發(fā)出相應的控制信號，完成指令功能。(4)指令譯碼器IDID對IR中指令操作碼進行分析解釋，產(chǎn)生相應的控制信號。(5)數(shù)據(jù)指針DPTRDPTR是16位地址寄存器,可以尋址64KB地址空間,既可用于尋址外部數(shù)據(jù)寄存器,也可尋址外部程序存儲器中的表格數(shù)據(jù)。16控制器(2)程序計數(shù)器PC172.2.2存儲器組織單片機的存儲器結構有兩種類型:哈佛（Harvard）結構:程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器普林斯頓（Princeton）結構:程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器合二為一

MCS-51系列單片機采用哈佛結構的形式，而后續(xù)產(chǎn)品16位的MCS-96系列單片機則采用普林斯頓結構。

MCS-51單片機的存儲器結構在物理上可劃分為片內ROM、片外ROM、片內RAM、片外RAM。其中，ROM存儲器地址空間的地址范圍為0000H~FFFFH，片內RAM地址空間的地址范圍為00H~FFH，片外RAM地址空間的地址范圍為0000H~FFFFH。172.2.2存儲器組織單片機的存儲器結構有兩種類型:18程序存儲器ROM

在單片機處理問題之前必須事先將編好的程序、表格、常數(shù)匯編成機器代碼后存入單片機的存儲器中，該存儲器稱為程序存儲器。程序存儲器可以放在片內或片外，亦可片內片外同時設置。由于PC程序計數(shù)器為16位，使得程序存儲器可用16位二進制地址，因此，內外存儲器的地址可從0000H到FFFFH。

8051片內有4KB的程序存儲單元，其地址為0000H~0FFFH。單片機啟動復位后，程序計數(shù)器的內容為0000H，如果程序不是從0000H單元開始，則應在這三個單元中存放一條無條件轉移指令，讓CPU直接去執(zhí)行用戶指定的程序。在程序存儲器中有些特殊的單元，其中一組特殊單元是0000H~0002H單元，另一組特殊單元是0003H~002AH。這40個單元被分為5段，定義如下：

0003H~000AH，外部中斷0中斷地址區(qū)。

000BH~0012H，定時器/計數(shù)器0中斷地址區(qū)。

0013H~001AH，外部中斷1中斷地址區(qū)。

001BH~0022H，定時器/計數(shù)器1中斷地址區(qū)。

0023H~002AH，串行中斷地址區(qū)。18程序存儲器ROM在單片機處理問題之前必須事19數(shù)據(jù)存儲器RAM

數(shù)據(jù)存儲器通常用隨機存取存儲器。MCS-51單片機的數(shù)據(jù)存儲器在物理上和邏輯上都分為兩個地址空間，一個內部數(shù)據(jù)存儲區(qū)和一個外部數(shù)據(jù)存儲區(qū)。MCS-51內部RAM是128或256個字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器，用于存放執(zhí)行的中間結果和過程數(shù)據(jù)。MCS-51的數(shù)據(jù)存儲器均可讀寫，部分單元還可以位尋址。8051內部RAM共有256個單元，分為兩部分:地址為00H~7FH的存儲單元（共128個字節(jié)）是用戶數(shù)據(jù)RAM;地址從80H~FFH的存儲單元（也是128個字節(jié)）為特殊寄存器（SFR）單元。19數(shù)據(jù)存儲器RAM數(shù)據(jù)存儲器通常用隨機存取存20數(shù)據(jù)存儲器RAM00H~1FH共32個單元被均勻分為4個區(qū)，每個區(qū)包含8個8位寄存器，都稱為R0~R7。通過定義程序狀態(tài)字寄存器PSW的RS0和RS1，即可從4個區(qū)選擇進入某一工作寄存器區(qū)。

內部RAM的20H~2FH單元為位尋址區(qū)，既可作為一般單元用字節(jié)尋址，也可對它們的位進行尋址。位尋址區(qū)有16個字節(jié)共128個位，位地址為00H~7FH。位地址分配如表2.2所示，CPU能直接尋址這些位，執(zhí)行例如置“1”、清“0”、求“反”、轉移、傳送和邏輯等操作。MCS-51具有布爾處理功能，布爾處理的存儲空間就是這些位尋址區(qū)。RS1RS0選擇工作寄存器區(qū)RS1RS0選擇工作寄存器區(qū)000區(qū)（00H～07H）102區(qū)（10H～17H）011區(qū)（08H～0FH）113區(qū)（18H～1FH）20數(shù)據(jù)存儲器RAM00H~1FH共32個單元21特殊功能寄存器

也稱為專用寄存器，特殊功能寄存器反映了MCS-51單片機的運行狀態(tài)，很多功能也通過特殊功能寄存器來定義和控制程序的執(zhí)行，因而特殊功能寄存器實際上是8051的狀態(tài)字及控制字寄存器。特殊功能寄存器的地址范圍為80H～FFH。在MCS-51中，除程序計數(shù)器PC和四個工作寄存器區(qū)外，還有21個特殊功能寄存器，其中5個是雙字節(jié)寄存器，共占用了26個字節(jié)。主要的SFR寄存器有：與ALU相關的SFR

累加器A（Accumulator）：大部分單操作數(shù)指令的操作數(shù)取自累加器，很多雙操作數(shù)指令中的一個操作數(shù)也取自累加器。寄存器B：常用于乘除法指令。程序狀態(tài)字(ProgramStatusWord)：是一個8位寄存器，用于存放程序運行的狀態(tài)信息。21特殊功能寄存器也稱為專用寄存器，特殊功能寄22特殊功能寄存器與指針相關的SFR堆棧指針SP：是一個8位寄存器，指示堆棧頂部在內部RAM中的位置。數(shù)據(jù)指針DPTR：由兩個8位寄存器DPH和DPL組成，其中DPH為高8位，DPL為低8位。與中斷相關的SFRI/O口專用寄存器(P0、P1、P2、P3)：分別是MCS51單片機的四組I/O口鎖存器。電源控制及波特率選擇寄存器PCON：用于設置電源工作方式，以及串行通信中的波特率。串行口控制寄存器SCON：用于設置串口工作模式、數(shù)據(jù)格式、發(fā)送和接收中斷標志等。串行數(shù)據(jù)緩沖器SBUF：用于存放需發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)，它由兩個獨立的寄存器組成，一個是發(fā)送緩沖器，另一個是接收緩沖器。發(fā)送和接收操作其實都是針對串行數(shù)據(jù)緩沖器進行。22特殊功能寄存器與指針相關的SFR23特殊功能寄存器與定時器/計數(shù)器相關的SFR定時器/計數(shù)器控制寄存器TCON：用于設置中斷請求方式、定時模式、啟動停止等。定時器/計數(shù)器工作方式寄存器TMOD：定時器/計數(shù)器有四種工作模式，通過設置TMOD來決定工作方式。定時器/計數(shù)器TH0、TL0、TH1和TL1：MCS-51單片機中有兩個16位的定時器/計數(shù)器T0和T1，它們各自由兩個8位寄存器組成。兩個16位定時器/計數(shù)器完全獨立，可以單獨對這四個寄存器尋址，但不能把T0和T1當作一個16位寄存器來使用。23特殊功能寄存器與定時器/計數(shù)器相關的SFR242.2.3

I/O接口MCS-51單片機設有4個8位雙向I/O端口（P0、P1、P2、P3），每一條I/O線都能獨立地用作輸入或輸出。P0口為三態(tài)雙向口，能驅動8個LS型TTL負載電路。P1、P2、P3口為準雙向口（在用作輸入線時，各口對應的鎖存器必須先寫入“1”，故稱為準雙向口），負載能力為4個LS型TTL電路。。P0端口功能（P0.0～P0.7，32～39引腳）P0口的位結構包括1個輸出鎖存器，2個三態(tài)緩沖器，1個輸出驅動電路和1個輸出控制端。輸出驅動電路由一對場效應管組成，其工作狀態(tài)受輸出端的控制，輸出控制端由1個與門、1個反相器和1個轉換開關MUX組成。242.2.3I/O接口MCS-51單片機設有4個8位雙向25P0端口功能P0口作地址/數(shù)據(jù)復用總線使用若從P0口輸出地址或數(shù)據(jù)信息，此時控制端應為高電平，轉換開關MUX將反相器輸出端與輸出級場效應管V2接通，同時與門開鎖，內部總線上的地址或數(shù)據(jù)信號通過與門去驅動V1管，又通過反相器去驅動V2管，此時內部總線上的地址或數(shù)據(jù)信號傳送到P0口的引腳。工作時低8位地址與數(shù)據(jù)線分時使用P0口，低8位地址由ALE信號的負跳變使它鎖存到外部地址鎖存器中，而高8位地址由P2口輸出。P0口作通用I/O端口使用對于有內部ROM的單片機，P0口也可以作通用I/O，此時控制端為低電平，轉換開關把輸出級與鎖存器的Q端接通，同時因與門輸出為低電平，輸出級V1管處于截止狀態(tài)，輸出級為漏極開路電路，在驅動NMOS電路時應外接上拉電阻；作輸入口用時，應先將鎖存器寫“1”，此時輸出級兩個場效應管均截止，可作高阻抗輸入，通過三態(tài)輸入緩沖器讀取引腳信號，從而完成輸入操作。25P0端口功能P0口作地址/數(shù)據(jù)復用總線使用26P0端口功能P0口線上的“讀—修改—寫”功能圖中設置一個三態(tài)緩沖器是為了讀取鎖存器Q端的數(shù)據(jù)，Q端與引腳的數(shù)據(jù)一致，以滿足“讀—修改—寫”指令的需要。這類指令的特點是先讀口對應的鎖存器，隨之可能對讀入的數(shù)據(jù)進行修改，再寫入到端口上。這類指令同樣適合于P1～P3口，其操作是先將口字節(jié)的全部8位數(shù)讀入，再通過指令修改某些位，然后將新的數(shù)據(jù)寫回到口鎖存器中。26P0端口功能P0口線上的“讀—修改—寫”功能27I/O接口P1口（P1.0～P1.7，1～8腳）準雙向口P1口作通用I/O端口使用

P1口是一個有內部上拉電阻的準雙向口，位結構如圖所示。P1口的每一條口線能獨立用作輸入線或輸出線。用作輸出時，如將“0”寫入鎖存器，場效應管導通，輸出線為低電平，即輸出為“0”。用作輸入時，必須先將“1”寫入口鎖存器，使場效應管截止。該口線由內部上拉電阻提拉成高電平，同時也能被外部輸入源拉成低電平。P1口用作輸入時，可被任何TTL電路和MOS電路驅動，P1口可驅動4個LS型TTL門電路。27I/O接口P1口（P1.0～P1.7，1～8腳）準雙向口28I/O接口P1口其他功能

P1口在EPROM編程和驗證程序時，輸入低8位地址；在8032/8052系列中P1.0和P1.1是多功能的，P1.0可作定時器/計數(shù)器2的外部計數(shù)觸發(fā)輸入端T2，P1.1可作定時器/計數(shù)器2的外部控制輸入端T2EX。28I/O接口P1口其他功能29I/O接口P2口（P2.0～P2.7，21～28腳）準雙向口

P2口的位結構如圖2.11所示，口線上的內部上拉電阻同P1口。在結構上，P2口比P1口多一個輸出控制部分P2口作通用I/O端口使用

P2口作通用I/O端口使用時是一個準雙向口，此時轉換開關MUX倒向左邊，輸出級與鎖存器接通，引腳可接I/O設備，其輸入輸出操作與P1口相同29I/O接口P2口（P2.0～P2.7，21～28腳）準雙30I/O接口P2口作地址總線口使用當系統(tǒng)中接有外部存儲器時，P2口用于輸出高8位地址A15～A8。此時在CPU的控制下，轉換開關MUX倒向右邊，接通內部地址總線。P2口的口線狀態(tài)取決于片內輸出的地址信息，這些地址信息來源于PCH、DPH等。在外接程序存儲器時，由于訪問外部存儲器的操作連續(xù)不斷,P2口不斷送出地址高8位。因此，在8031構成的系統(tǒng)中，P2口一般只作地址總線口使用，不再作I/O端口直接連外部設備。30I/O接口P2口作地址總線口使用31I/O接口P3口（P3.0～P3.7，10～17腳）雙功能口

P3口是一個多用途的端口，也是一個準雙向口。作為第一功能使用時，其功能同P1口，P3口的位結構如圖所示。31I/O接口P3口（P3.0～P3.7，10～17腳）雙功32I/O接口P3口的第二功能實際上就是系統(tǒng)具有控制功能的控制線。此時相應的口線鎖存器必須為“1”狀態(tài)，與非門的輸出由第二功能輸出線的狀態(tài)確定，從而P3口線的狀態(tài)取決于第二功能輸出線的電平。在P3口的引腳信號輸入通道中有兩個三態(tài)緩沖器，第二功能的輸入信號取自第一個緩沖器的輸出端，第二個緩沖器仍是第一功能的讀引腳信號緩沖器。P3口可驅動4個LS型TTL門電路。端口功能

第二功能

引腳名

引腳功能P3.0RXD串行輸入（數(shù)據(jù)接收）口P3.1TXD串行輸出（數(shù)據(jù)發(fā)送）口P3.2INT0外部中斷0，輸入P3.3INT1外部中斷1，輸入P3.4T0定時器0，外部輸入P3.5T1定時器1，外部輸入P3.6WR外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通信號，輸出P3.7RD外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通信號，輸出32I/O接口P3口的第二功能實際上就是系統(tǒng)具有控制功能的控332.2.4

內部資源串行端口

8051有一個全雙工的可編程串行I/O端口。這個串行I/O端口既可以在程序控制下將CPU的8位并行數(shù)據(jù)變成串行數(shù)據(jù)一位一位地從發(fā)送數(shù)據(jù)線TXD發(fā)送出去，也可以把從接收數(shù)據(jù)線RXD串行接收到的數(shù)據(jù)變成8位并行數(shù)據(jù)送給CPU。串行端口的這種串行發(fā)送和串行接收操作可以單獨進行，也可以同時進行。

8051串行發(fā)送和串行接收利用了P3口的第二功能，即利用P3.1引腳作為串行數(shù)據(jù)的發(fā)送線TXD，利用P3.0引腳作為串行數(shù)據(jù)的接收線RXD。串行I/O口的電路結構還包括串行口控制器SCON、電源及波特率選擇寄存器PCON和串行數(shù)據(jù)緩沖器SBUF等，都屬于特殊功能寄存器SFR。其中，PCON和SCON用于設置串行口工作方式，確定數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收波特率；SBUF實際上由兩個8位寄存器組成，一個用于存放將要發(fā)送的數(shù)據(jù)，另一個用于存放剛接收到的數(shù)據(jù)，起著數(shù)據(jù)緩沖作用。332.2.4內部資源串行端口342.2.4

內部資源中斷系統(tǒng)中斷的概念中斷是通過硬件來改變CPU的運行方向。計算機在執(zhí)行程序的過程中，當出現(xiàn)CPU以外的某種情況，由服務對象向CPU發(fā)出中斷請求信號，要求CPU暫時中斷當前程序的執(zhí)行而轉去執(zhí)行相應的處理程序，待處理程序執(zhí)行完畢后，再繼續(xù)執(zhí)行原來被中斷的程序。這種程序在執(zhí)行過程中由于外界的原因而被中間打斷的情況稱為“中斷”。

“中斷”之后所執(zhí)行的相應的處理程序通常稱為中斷服務或中斷處理子程序，原來正常運行的程序稱為主程序。主程序被斷開的位置（或地址）稱為“斷點”。引起中斷的原因，或能發(fā)出中斷申請的來源，稱為“中斷源”。中斷源要求服務的請求稱為“中斷請求”（或中斷申請）。調用中斷服務程序的過程類似于調用子程序，其區(qū)別在于調用子程序是在程序中事先安排好的；而何時調用中斷服務程序事先無法確定，因為“中斷”的發(fā)生是由外部因素決定的，在程序中無法事先安排調用指令，因此，調用中斷服務程序的過程是由硬件自動完成的。342.2.4內部資源中斷系統(tǒng)352.2.4

內部資源MCS-51中斷系統(tǒng)的結構框圖中斷過程是在硬件基礎上再配以相應的軟件而實現(xiàn)的，不同的計算機其硬件結構和軟件指令不完全相同，因此，中斷系統(tǒng)也不相同。

MCS-51中斷系統(tǒng)的結構框圖如圖所示。352.2.4內部資源362.2.4

內部資源中斷處理過程362.2.4內部資源37中斷處理過程①中斷請求中斷源以某種方式（電平、脈沖或狀態(tài)）產(chǎn)生向CPU的請求。②中斷確認中斷請求的確認必須滿足一些條件，其中最主要的條件是當前指令執(zhí)行結束，且CPU允許中斷。③斷點保護在中斷響應過程及中斷服務程序中對斷點進行保護，以便在中斷處理結束時能返回被中斷的程序并接著中斷前的狀態(tài)繼續(xù)執(zhí)行。CPU會由硬件自動保護某些寄存器，不同的CPU保護的寄存器不一樣在中斷服務程序中還需要程序保護其他寄存器。④中斷源識別如果多個中斷源同時向CPU申請中斷，必須判斷是哪個中斷源提出的請求，以便有針對地提供服務。目前中斷源識別多采用矢量法，即為每個中斷源規(guī)定其中斷服務程序的入口(起始)地址，即中斷源的中斷矢量。⑤中斷服務中斷服務是通過CPU執(zhí)行中斷服務程序實現(xiàn)的，不同的中斷源的服務程序不同。中斷服務程序應包括斷點保護以及針對中斷源的控制管理等程序。⑥斷點恢復執(zhí)行RETI指令恢復PC值，使CPU返回斷點。⑦中斷返回中斷服務程序的最后一條指令必須是中斷返回指令RETI，其功能是將中斷響應時由CPU硬件自動保護的寄存器從堆?；謴偷皆拇嫫髦?。37中斷處理過程①中斷請求382.2.4

內部資源中斷優(yōu)先級控制通常系統(tǒng)中有多個中斷源，當多個中斷源同時發(fā)出中斷請求時，CPU應能確定哪個中斷更緊迫并首先響應。為此給每個中斷源規(guī)定了優(yōu)先級別，稱為優(yōu)先權。當多個中斷源同時發(fā)出中斷請求時，優(yōu)先權高的中斷能先被響應，只有優(yōu)先權高的中斷處理結束后才能響應優(yōu)先權低的中斷。按中斷源優(yōu)先權高低逐次響應的過程稱優(yōu)先權排隊，這個過程可通過硬件電路實現(xiàn)，也可通過軟件查詢實現(xiàn)。382.2.4內部資源392.2.4

內部資源中斷嵌套

當CPU響應某一中斷時，若有優(yōu)先權更高的中斷源發(fā)出中斷請求，則CPU中斷正在進行的中斷服務程序，并保留這個程序的斷點（類似于子程序嵌套），響應高級中斷。高級中斷處理結束后，再繼續(xù)進行被中斷的中斷服務程序，這個過程稱為中斷嵌套，如右圖所示。如果新發(fā)出中斷請求的中斷源的優(yōu)先權級別與正在處理的中斷源同級或更低時，CPU不會響應這個中斷請求，直至正在處理的中斷服務程序執(zhí)行完以后才能響應新的中斷請求。392.2.4內部資源當CPU響應某一中斷時402.2.4

內部資源中斷源

MCS-51的5個中斷源如下：INT0：外部中斷0，由P3.2腳輸入。通過TCON寄存器的IT0位來決定是低電平有效還是下跳邊有效。一旦輸入信號有效，則向CPU申請中斷，并建立IE0標志。INT1：外部中斷1，由P3.3腳輸入。通過IT1位（TCON.2）來決定是低電平有效還是下跳邊有效。一旦輸入信號有效，則向CPU申請中斷，并建立IE1標志。T0：定時器T0溢出中斷。當定時器T0產(chǎn)生溢出時，定時器T0中斷請求標志位TF0（TCON.5）置位（由硬件自動執(zhí)行），請求中斷。T1：定時器T1溢出中斷。當定時器T1產(chǎn)生溢出時，定時器T1中斷請求標志位TF1（TCON.7）置位（由硬件自動執(zhí)行），請求中斷。RI或TI：串行中斷。當接收或發(fā)送完一串行幀時，內部串行口中斷請求標志位RI（SCON.0）或TI（SCON.1）置位（由硬件自動執(zhí)行），請求中斷。402.2.4內部資源412.2.4

內部資源中斷標志

①TCON寄存器的中斷標志

TCON是定時器T0和T1的控制寄存器，同時也鎖存T0和T1的溢出中斷請求標志及外部中斷INT0和INT1的中斷標志等，TCON的各位如圖所示。

D7D6D5D4D3D2D1D0TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0412.2.4內部資源TF1TR1TF0TR0IE1IT142中斷標志與中斷有關的位如下：

TCON.7：TF1，T1的溢出中斷標志。T1啟動計數(shù)后，從初值開始加1計數(shù)，計滿溢出后由硬件置位TF1，同時向CPU發(fā)出中斷請求，此標志一直保持到CPU響應中斷后才由硬件自動清0。也可由軟件查詢該標志，并由軟件清0。TCON.5：TF0，T0溢出中斷標志。其操作功能與TF1相同。TCON.3：IE1，INT1中斷標志。IE1=1，外部中斷1向CPU申請中斷。TCON.2：IT1，INT1中斷觸發(fā)方式控制位。IT1=0，外部中斷1控制為電平觸發(fā)方式。在這種方式下，CPU在每個機器周期的S5P2期間對INT1（P3.3）引腳采樣，若為低電平，則認為有中斷申請，隨即使IE1標志置位；若為高電平，則認為無中斷申請，或中斷申請已撤除，隨即使IE1標志復位。在電平觸發(fā)方式中，CPU響應中斷后不能由硬件自動清除IE1標志，也不能由軟件清除IE1標志，所以，在中斷返回之前必須撤銷INT1引腳上的低電平，否則將再次中斷導致出錯。TCON.1：IE0，INT0中斷標志。功能與IE1相同。TCON.0：IT0，INT0中斷觸發(fā)方式控制位。功能與IT1相同。42中斷標志與中斷有關的位如下：43中斷標志②SCON寄存器的中斷標志

SCON是串行口控制寄存器，各位如下圖所示。其中，低2位TI和RI鎖存串行口的接收中斷標志和發(fā)送中斷標志。

D7D6D5D4D3D2D1D0SM0SM1SM2RENTB8RB8TIRISCON.1：TI，串行發(fā)送中斷標志。CPU將數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖器SBUF時，就啟動發(fā)送，每發(fā)送完一個串行幀，硬件將使TI置位。但CPU響應中斷時并不清除TI，必須由軟件清除。SCON.0：RI，串行接收中斷標志。在串行口允許接收時，每接收完一個串行幀，硬件將使RI置位。同樣，CPU在響應中斷時不會清除RI，必須由軟件清除。

8051系統(tǒng)復位后，TCON和SCON均清0，應用時要注意各位的初始狀態(tài)。43中斷標志②SCON寄存器的中斷標志SM0SM1SM2RE44中斷標志③IE寄存器中斷的開放和禁止標志中斷系統(tǒng)有兩種不同類型的中斷：

非屏蔽中斷

可屏蔽中斷

對非屏蔽中斷，用戶不能用軟件方法加以禁止，一旦有中斷申請，CPU必須予以響應。對可屏蔽中斷，用戶則可以通過軟件方法來控制是否允許某中斷源的中斷，允許中斷稱為中斷開放，不允許中斷稱為中斷屏蔽。

MCS-51系列單片機的5個中斷源都是可屏蔽中斷，其中斷系統(tǒng)內部設有一個中斷允許寄存器IE，用于控制CPU對各中斷源的開放或屏蔽，如下圖所示。

D7D6D5D4D3D2D1D0EA--ESET1EX1ET0EX044中斷標志③IE寄存器中斷的開放和禁止標志EA--45中斷標志IE寄存器各位定義如下：

IE.7：EA，中斷允許控制位。EA=1，開放所有中斷，各中斷源的允許和禁止可通過各自的中斷允許位單獨加以控制；EA=0，禁止所有中斷。IE.4：ES，串行口中斷允許位。ES=1，允許串行口中斷；ES=0禁止串行口中斷。IE.3：ET1，定時器T1中斷允許位。ET1=1，允許T1中斷；ET1=0，禁止T1中斷。IE.2：EX1，外部中斷1（INT1）中斷允許位。EX1=1，允許外部中斷1中斷；EX1=0，禁止外部中斷1中斷。IE.1：ET0，定時器T0中斷允許位。ET0=1，允許T0中斷；ET0=0，禁止T0中斷。IE.0:

EX0，外部中斷0（INT0）中斷允許位。EX0=1，允許外部中斷0中斷；EX0=0，禁止外部中斷0中斷。

8051單片機系統(tǒng)復位后，IE寄存器中各中斷允許位均清0，即禁止所有中斷。45中斷標志IE寄存器各位定義如下：46中斷標志④IP寄存器中斷優(yōu)先級標志

8051單片機有兩個中斷優(yōu)先級，每個中斷源都可以通過編程確定為高優(yōu)先級中斷或低優(yōu)先級中斷，因此，可實現(xiàn)二級嵌套。同一優(yōu)先級別的中斷源可能不止一個，也存在中斷優(yōu)先權排隊的問題。

MCS-51系列單片機設置中斷優(yōu)先級寄存器IP，控制各中斷源的優(yōu)先級，如下圖所示。IP寄存器的每一位由軟件置1或清0，1表示高優(yōu)先級，0表示低優(yōu)先級。

D7D6D5D4D3D2D1D0

---PSPT1PX1PT0PX046中斷標志④IP寄存器中斷優(yōu)先級標志---PS47中斷標志IP寄存器各位定義如下：

IP.4：PS，串行口中斷優(yōu)先級控制位。PS=1，設定串行口為高優(yōu)先級中斷；PS=0，設定串行口為低優(yōu)先級中斷。IP.3：PT1，定時器T1中斷優(yōu)先級控制位。PT1=1，設定定時器T1為高優(yōu)先級中斷；PT1=0，設定定時器T1為低優(yōu)先級中斷。IP.2：PX1，外部中斷1中斷優(yōu)先級控制位。PX1=1，設定外部中斷1為高優(yōu)先級中斷；PX1=0，設定外部中斷1為低優(yōu)先級中斷。IP.1：PT0，定時器T0中斷優(yōu)先級控制位。PT0=1，設定定時器T0為高優(yōu)先級中斷；PT0=0，設定定時器T0為低優(yōu)先級中斷。IP.0：PX0，外部中斷0中斷優(yōu)先級控制位。PX0=1，設定外部中斷0為高優(yōu)先級中斷；PX0=0，設定外部中斷0為低優(yōu)先級中斷。

當系統(tǒng)復位后，IP寄存器低5位全部清0，所有中斷源均設定為低優(yōu)先級中斷。47中斷標志IP寄存器各位定義如下：48中斷標志

如果同一優(yōu)先級的幾個中斷源同時向CPU申請中斷，CPU通過內部硬件查詢邏輯，按自然優(yōu)先級順序確定先響應哪個中斷請求。自然優(yōu)先級由硬件形成，從高到低排列如下表所示。

中斷源

同級內部優(yōu)先級順序

外部中斷0

最高級最低級

定時器T0中斷

外部中斷1

定時器T1中斷

串行口中斷48中斷標志如果同一優(yōu)先級的幾個中斷源492.2.4

內部資源中斷響應時間

中斷響應時間是指從中斷請求標志置位到CPU開始執(zhí)行中斷服務程序的第一條指令所持續(xù)的時間。CPU并非每時每刻對中斷請求都予以響應，不同的中斷請求其響應時間不同，不同情況下CPU響應中斷的時間也是不同的，因此，中斷響應時間形成的過程較為復雜。

以外部中斷為例，CPU在每個機器周期的S5P2期間采樣其輸入引腳INT0或INT1的電平，如果中斷請求有效，則置位中斷請求標志IE0或IE1，然后在下一個機器周期再對這些值進行查詢，這就意味著中斷請求信號的低電平至少應維持一個機器周期。此時如果滿足中斷響應條件，則CPU響應中斷請求，在下一個機器周期執(zhí)行一條硬件長調用指令LCALL，使程序轉入中斷矢量入口。LCALL指令執(zhí)行時間是兩個機器周期，因此，外部中斷響應時間至少需要3個機器周期，這是最短的中斷響應時間。如果中斷請求不能滿足前面所述的三個條件而被阻斷，則中斷響應時間將延長。492.2.4內部資源502.2.4

內部資源定時器/計數(shù)器

MCS-51單片機內部有兩個16位可編程的定時器/計數(shù)器，即定時器T0和定時器T1（8052提供第三個定時器T2）。它們既可用作定時器方式，又可用作計數(shù)器方式。

定時器/計數(shù)器的控制字定時器/計數(shù)器的基本部件是兩個8位的計數(shù)器（其中TH1、TL1是T1的計數(shù)器，TH0、TL0是T0的計數(shù)器）拼裝而成。作定時器使用時，輸入的時鐘脈沖由晶體振蕩器的輸出經(jīng)12分頻后得到，所以定時器也可看作是對CPU機器周期的計數(shù)器，其頻率為晶振頻率的1/12。如果晶振頻率為12MHz，則定時器每接收一個輸入脈沖的時間為1μs。當用作對外部事件計數(shù)時，需外接CPU的外部輸入引腳T0（P3.4）或T1(P3.5)。在這種情況下，當檢測到輸入引腳上的電平由高跳變到低時，計數(shù)器就加1502.2.4內部資源定時器/計數(shù)器51定時器/計數(shù)器

定時器/計數(shù)器有四種工作方式，其工作方式的選擇及控制都由兩個特殊功能寄存器（TMOD和TCON）的內容來決定。用指令改變TMOD或TCON的內容后，則在下一條指令的第一個機器周期的S1P1期間起作用。

①定時器的工作方式寄存器TMOD

TMOD為定時器的工作方式寄存器，每位的定義如圖所示。高4位用于定時器1，低4位用于定時器0，其中M1、M0用于確定所選的工作方式。51定時器/計數(shù)器定時器/計數(shù)器有四種工作方式52定時器/計數(shù)器

M1、M0：4種工作方式選擇，4種編碼對應的工作方式如下表。

M1M0方式

說明00013位定時器/計數(shù)器，TH的高8位和TL的低5位01116位定時器/計數(shù)器102自動裝入時間常數(shù)的8位定時器/計數(shù)器113T0分為兩個8位獨立計數(shù)器；對T1置方式3時，停止工作（無中斷重裝8位計數(shù)器）C/T：定時器方式或計數(shù)器方式選擇位。C/T=1為計數(shù)器方式；C/T=0為定時器方式。GATE：門控位，用于確定外部中斷請求引腳（INT0，INT1）是否參與T0或T1的操作控制。當GATE=0時，只要工作方式寄存器TCON中的TR0（或TR1）置1，允許T0（或T1）開始計數(shù)；當GATE=1時，不僅要TCON中的TR0或TR1置位，還需要P3口的INT0或INT1引腳為高電平，才允許T0（或T1）計數(shù)。

TMOD寄存器在復位時每一位均清0。52定時器/計數(shù)器M1、M0：4種工作方式選擇，4種53定時器/計數(shù)器②定時器控制寄存器TCON

TCON用于控制定時器的操作以及對定時器中斷進行控制，如下圖所示。其中，TR0和TR1的定義如下：TR0：T0的運行控制位，置1或清0用于實現(xiàn)啟動計數(shù)或停止計數(shù)。TR1：T1的運行控制位，置1或清0用于實現(xiàn)啟動計數(shù)或停止計數(shù)。

D7D6D5D4D3D2D1D0TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT053定時器/計數(shù)器②定時器控制寄存器TCONTF1TR1T54定時器/計數(shù)器

定時器/計數(shù)器工作方式

MCS-51的定時器/計數(shù)器可以通過對TMOD的控制位C/T進行設置來選擇定時器方式或計數(shù)器方式。對M1M0兩位進行設置可以選擇4種工作方式。①方式0

M1M0設置為00時，定時器設定為工作方式0，此時16位寄存器只用了13位，由TH0的8位和TL0的低5位組成一個13位計數(shù)器。當GATE=0時，只要TCON中的TR0為1，TL0及TH0組成的13位計數(shù)器就開始計數(shù)；當GATE=1時，此時僅TR0=1仍不能使計數(shù)器計數(shù)，還需要INT0引腳為1才能使計數(shù)器工作。由此可知，當GATE=1和TR0=1時，計數(shù)器是否計數(shù)取決于INT0引腳的信號，當INT0由0變1時，開始計數(shù)；當INT0由1變0時，停止計數(shù)，因此可用來測量在INT0端出現(xiàn)的脈沖寬度。當13位計數(shù)器從設定的初值加1到全“1”后，再加1就產(chǎn)生溢出。此時置TCON的TF0位為1，同時計數(shù)器變?yōu)槿?”。54定時器/計數(shù)器55定時器/計數(shù)器②

方式1

方式1和方式0的工作相同，區(qū)別在于TH0和TL0組成一個16位計數(shù)器。③方式2

方式2把TL0配置成一個可以自動恢復初值的8位計數(shù)器，TH0作為常數(shù)緩沖器，由軟件預置的初值保存在TH0中。當TL0產(chǎn)生溢出時使溢出標志TF0置1，同時將TH0的8位數(shù)據(jù)重新裝入TL0中。

方式2常用于定時控制。例如，如果要求每隔250μs產(chǎn)生一個定時控制脈沖，則可以采用12MHz的振蕩器，TH0預置為6，并使C/T=0即可實現(xiàn)。方式2不用作串行口波特率發(fā)生器。④方式3

方式3對定時器T0和定時器T1很不相同。若T1設置為方式3，則立即停止工作，保持原有的計數(shù)值。所以方式3只適用于T0。

當T0設置為方式3時，此時TL0和TH0是兩個相互獨立的8位計數(shù)器，TL0利用了T0本身的一些控制（C/T、GATE、TR0、INT0和TF0）方式，其操作與方式0和方式1類似。而TH0用作定時器功能，對機器周期計數(shù)，并借用了T1的控制位TR1和TF1。在這種情況下TH0控制了T1的中斷。此時T1還可以設置為方式0、1或2，用于不需要中斷控制的場合，或用作串行口的波特率發(fā)生器。

通常，只有在T1用作串行口波特率發(fā)生器時，T0才設置為方式3，以增加一個8位計數(shù)器。55定時器/計數(shù)器56定時器/計數(shù)器

定時器/計數(shù)器的初始化

①初始化步驟

MCS-51內部定時器/計數(shù)器是可編程序的，其工作方式和工作過程均可由MCS-51通過程序進行設定和控制。因此，MCS-51在定時器/計數(shù)器工作前必須先對它進行初始化。初始化步驟為：

首先給定時器的工作方式寄存器TMOD送一個方式控制字，設定定時器/計數(shù)器的相應工作方式。

給定時器/計數(shù)器送定時器初值或計數(shù)器初值，確定需要定時的時間和需要計數(shù)的初值。

給中斷允許寄存器IE送中斷控制字，給中斷優(yōu)先級寄存器IP送中斷優(yōu)先級字，開放相應中斷和設定中斷優(yōu)先級。

給定時器控制寄存器TCON送命令字，啟動或停止定時器/計數(shù)器的運行。56定時器/計數(shù)器首先給定時器的工作方式寄存器TMOD送57定時器/計數(shù)器

②計數(shù)器初值的計算定時器/計數(shù)器可用軟件隨時啟動和關閉，啟動后自動加“1”計數(shù)直到計滿，即全為“1”。若不停止計數(shù)，計數(shù)值從全“1”變?yōu)槿?”，同時將計數(shù)溢出位置“1”并向CPU發(fā)出定時器溢出中斷申請。對于各種不同的工作方式最大的定時時間和計數(shù)數(shù)不同。把計數(shù)器從初值開始作加1操作，到計滿為全1所需要的計數(shù)加1次數(shù)設為C，計數(shù)初值設為D，由此可得到如下的計算式：

D=M-C

式中，M為計數(shù)器模值，該值和計數(shù)器工作方式有關。在方式0時M為213，在方式1時M為216，在方式2和方式3時M為28。57定時器/計數(shù)器②計數(shù)器初值的計算58定時器/計數(shù)器

③定時器初值的計算在定時器方式下，計數(shù)器由晶振脈沖經(jīng)12分頻后計數(shù)。因此，定時器定時時間T的計算公式為：

T=（TM-TC）×12/fOSC（μs）

式中，TM為計數(shù)器從初值開始作加1計數(shù)到計滿為全1所需要的時間，TM為模值，和定時器的工作方式有關；fOSC為晶振的頻率，TC為定時器的初值。若設TC=0，則定時器定時時間為最大（初值為0，計數(shù)從全0到全1，溢出后又為全0）。由于M的值和定時器工作方式有關，因此不同工作方式下定時器的最大定時時間也不一樣。例如，若設單片機晶振脈沖頻率fOSC為12MHz，則最大定時時間為：方式0時，TMmax=213×1μs=8.192ms。方式1時，TMmax=216×1μs=65.536ms。方式2和方式3時，TMmax=28×1μs=0.256ms。58定時器/計數(shù)器③定時器初值的計算592.3.1MCS-51的基本時序

時序是系統(tǒng)總線上的地址信息、數(shù)據(jù)信息和控制信息三者在時間上的互相配合和相互制約的關系。它表明了指令執(zhí)行中各種微操作信號在時間上的順序關系。1.時序的基本單位

8051單片機以晶體振蕩器的振蕩周期（或外部引入的時鐘信號的周期）為最小的時序單位，片內的各種微操作都是以晶振周期為時序基準。下圖為8051單片機的時鐘信號。592.3.1MCS-51的基本時序時序是608051單片機的基本定時單位共有4個，它們從小到大分別是：

晶振周期：由振蕩電路產(chǎn)生的振蕩脈沖的周期，又稱節(jié)拍（如P1、P2）。

時鐘周期：是晶振周期的兩倍，也即一個時鐘周期包含兩個相互錯開的節(jié)拍，也稱S狀態(tài)周期。

機器周期：8051單片機有固定的機器周期，由晶振頻率12分頻后形成的，即1個機器周期是晶振周期的12倍寬。單片機的基本操作周期為機器周期，每個機器周期包含6個狀態(tài)，每個狀態(tài)由兩個節(jié)拍脈沖（晶振周期）組成。若單片機采用12MHz的晶體振蕩器，則一個機器周期為1μs；若采用6MHz的晶體振蕩器，則一個機器周期為2μs。

指令周期：CPU執(zhí)行一條指令所需要的時間。不同指令的執(zhí)行時間各不相同，如果用占用機器周期多少來衡量的話，8051單片機的指令可分為單周期指令、雙周期指令及四周期指令三種。2.3.1MCS-51的基本時序608051單片機的基本定時單位共有4個，它們從小到大分別是612.3.1MCS-51的基本時序2.基本時序

通常，8051系統(tǒng)的基本時序關系是：

1個時鐘周期＝2個晶振周期

1個機器周期＝6個時鐘周期＝12個晶振周期

1個指令周期＝1/2/4個機器周期其基本時序如下圖所示。612.3.1MCS-51的基本時序2.基本時序622.3.1MCS-51的基本時序8051單片機指令的時序如圖2.6所示。(1)單字節(jié)單周期指令在S1時鐘周期取指令，在S4時鐘周期空取操作，在S6時鐘周期結束操作。(2)雙字節(jié)單周期指令在S1時鐘周期取指令操作碼字節(jié)，在S4時鐘周期取指令第二字節(jié)，在S6時鐘周期結束操作。(3)單字節(jié)雙周期指令在S1時鐘周期取指令，在第一個機器周期的S4時鐘周期和第二個機器周期的S1時鐘周期和S4時鐘周期都是空取操作，在第二個機器周期的S6時鐘周期結束操作。622.3.1MCS-51的基本時序8051單片機指令的時632.3.2MCS-51的工作方式

MCS-51系列單片機的工作方式有復位方式、程序執(zhí)行方式、節(jié)電工作方式以及EPROM編程和校驗方式，不同的工作方式代表單片機處于不同的狀態(tài)。單片機工作方式的多少，是衡量單片機性能的一項重要指標。1.復位方式

復位是單片機啟動運行進入工作狀態(tài)的初始化操作，使CPU及其他部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。另外，當程序運行錯誤或由于錯誤操作而使單片機出現(xiàn)死機時，也可以通過復位進行重新啟動。632.3.2MCS-51的工作方式MCS-64復位方式復位后，單片機內部寄存器的值見表2.7。寄存器名

內容寄存器名

內容PC0000HTH000HACC00HTL000HB00HTH100H