單片機東3-第02章mcs51結構

第二章

MCS-51單片機的結構MCS-51單片機的組成和總體結構處理單元（CPU）存多儲器并行I/O接口單片機最小系統(tǒng)MCS-51單片機的組成和總體結構處理單元MCS-51單片機的

器MCS-51單片機的并行I/O接口MCS-51單片機最小系統(tǒng)本章知識點器、輸入設備、單片機和一般微型機比較：共同點：均由CPU(包括運算器和控制器)、輸出設備組成不同點：單片機是將CPU、RAM、ROM、定時計數(shù)器，以及輸入輸出（I/O）接口電路等計算機的主要部件集成在一小塊硅片上的單片微型計算機(Single

Chip

puter)。

單片機特點：體積小、可靠性高、性價比高等應用領域：工業(yè)檢測與控制、計算機外設、智能儀器儀表、通訊設備、家用電器、機電

產品等領域。2.1

MCS-51單片機的組成和總體結構CPU器并行I/O口串行I/O口定時器/計數(shù)器中斷邏輯發(fā)送數(shù)據(jù)接收數(shù)據(jù)外部計數(shù)脈沖外部中斷源輸入輸出設備MCS-51系列單片機注意：今后將會經常提到ATMEL的AT89C2051/51/52等MCU！系列片內器（字節(jié)）定時器計數(shù)器并行I/O串行I/O中斷源片內ROM片內RAM無有ROM有EPROMInMCS-51子系列803180C31805180C51(4K字節(jié))875187C51(4K字節(jié))128字節(jié)2x164x8位15InMCS-52子系列803280C32805280C52(8K字節(jié))875287C52(8K字節(jié))256字節(jié)3x164x8位161051(1K)/

2051(2K)/

4051(4K)（20條引腳DIP封裝）1282151ATEML89C系列(常用型)589C51(4K)/

89C52(8K)（40條引腳DIP封裝）128/2562/33215/62.1.1

MCS-51單片機結構框圖器，高128位包含2l8051單片機在一塊

中集成了：＊一個面向控制的8位CPU*

256B片內RAM(低128B作數(shù)據(jù)個特殊功能寄存器SFR)4KB片內程序

器ROM。4個8位并行I/O接口l個全雙工作串行I/O接口。2個16位定時器/計數(shù)器T0/Tl。為五個中斷源配套的兩級優(yōu)先級嵌套的中斷結構40個引腳雙排直插DIP封裝,分為4類：電源、時鐘、控制和I/O引腳。2.1.2

MCS-51單片機引腳功能12345678910111213141516171819204039383736353433323130292827262524232221P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/VPDP3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RDXTAL2XTAL1VssVCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VPPALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.080C51/89C51⒈電源:⑴VCC-

電源，接⑵VSS-接地端；+5V/3.3V/2.7V；2.輸入/輸出引腳(32條)

P.0-P0.7:在不接片外器與不擴展I/O接口時，作準雙向輸入/輸出接口。在接片外

器或擴展I/O接口時，分時復用為低8位地址總線和雙向數(shù)據(jù)總線。P1.0-P1.7:作為準雙向通用I/O接口使用。P2.0-P2.7:作為準雙向I/O接口；當接有片外器或擴展I/O接口且尋址范圍超過256個字節(jié)時，P2口用作高8位地址總線。P3.0-P3.7:有兩種功能。第一，做準雙向通用I/O口使用；第二，用于串行口、中斷源輸入、計數(shù)器、片外RAM選通等功能。注意：由于第二功能信號都是單片機的重要控制信號，因此在實際使用時，總是先按需要優(yōu)先選用它的第二功能，剩下不用的才作為通用I/O接口線使用。⑶RST/VPD:復位/備用電源。①RST（Reset）功能：復位信號輸入端。

當該引腳上至少保持連續(xù)兩個機器周期(24個振蕩器周期)的高電平就可實現(xiàn)系統(tǒng)復位。復位期間不產生ALE及PSEN信號。②

VPD功能：在Vcc掉電時，接備用電源。VPD:對HMOS

為片內RAM掉電保護備用電源，Vcc掉電期間，該引腳如接備用電源VPD（＋5V＋0.5V）復位后單片機內寄存器的狀態(tài)PC：0000HTMOD：00HAcc：00HTCON：00HB：00HTH0：00HPSW：00HTL0：00HSP：07HTH1：00HDPTR：0000HTL1：00HP0～P3：FFHSCON：00HIP：×××00000BSBUF：不定IE：0××00000BPCON：0×××0000B圖2-4(a)加電自動復位電路圖2-4(b)按鍵手動復位電路⑷EA/Vpp:內外ROM選擇/片內EPROM編程電源。①EA功能：內外ROM選擇端。80C51單片機ROM尋址范圍為64KB，其中4KB在片內，60KB在片外(80C31

無內ROM，全部在片外)。當EA保持高電平時，先

內ROM；當PC(程序計數(shù)器)值超過4KB(0FFFH)時，自動轉向執(zhí)行外ROM中的程序。當EA保持低電平時，則只

外ROM，不管內有否內ROM。對80C31

，片內無ROM，EA接地。②

Vpp功能：片內有EPROM的

，在EPROM編程期間，施加編程電源Vpp。2.2處理單元8051的結構展開圖128×8RAMRAM地址寄存器P3口P1口P2口P0口鎖存器鎖存器鎖存器鎖存器中斷控制定時/計數(shù)器串行I/O口SP寄存器B累加器A暫存器1暫存器2程序狀態(tài)字PSW指令寄存器IR指令譯

ID數(shù)據(jù)指針DPTR緩沖器程序計數(shù)器PC增1程序地址寄存器AR定時與控制4K×8ROMALUCPU處理器CPU程序器ROM數(shù)據(jù)

器RAM接口控制電路算術邏輯運算單元ALU累加器ACC、寄存器陣列、PSW棧指針SP棧區(qū)、數(shù)據(jù)指針DPTR程序指針PC、、指令寄存器和指令譯碼邏輯時鐘振蕩器及時序控制邏輯運算器控制器中斷：1個串行口中斷、2個計數(shù)器中斷外部中斷：2個外部中斷INT0、INT1——

128B

RAM以及特殊寄存器SFR塊并行輸入輸出接口：4個8位I/O接口串行輸入輸出接口：1個UART復位邏輯RST：高電平復位（＞10ms）中斷控制邏輯：2個外部和3個

中斷內部組成——最多4KB

ROM或EPROMCPU包括運算器和控制器二大部分。2.2.1運算器功能：進行算術運算和邏輯運算?？梢詫Π胱止?jié)（4位）、單字節(jié)（8位）等數(shù)據(jù)進行操作。組成：由8位ALU、兩個8位的暫存器

TMP1和TMP2、8位累加器ACC、寄存器B和

PSW組成。ALU:可對4位、8位數(shù)據(jù)進行操作和處理。如加、減、乘、除、增量、減量、十進制數(shù)調整、比較、邏輯與、或、異或、求補循環(huán)移位等操作。累加器A：累加器（Accumulator）是使用最頻繁的寄存器，它既可用于存放操作數(shù)，也可用來存放運算的中間結果。指令系統(tǒng)中字節(jié)操作指令一般用A作為累加器的助記符，當進行位操作時，一般用ACC表示。通用寄存器B：8位，主要用于乘除運算。乘法運算時，B是乘數(shù)。乘法操作后，乘積的高8位存于B中。除法運算時，B是除數(shù);除法操作后，余數(shù)存于B中。不作乘除用時，可作為一般數(shù)據(jù)寄存器使用。PSW：8位寄存器，用于反映程序執(zhí)行的狀態(tài)信息。在狀態(tài)字中，有些位狀態(tài)是根據(jù)指令執(zhí)行結果，由硬件自動完成設置的，而有些狀態(tài)位則必須通過方法設定。表2-3PSW的各位定義位序PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0位標志CYACF0RS1RS0OV/PCY：進位標志。用于表示Acc.7有否向更

進位。加減運算時，保存最

進位、借位狀態(tài)。AC：半進位標志。用于表示Acc.3有否向Acc.4進位。例：78H+97H0111

10001

0000

1111D7HD6HD5HD4HD3HD2HD1HD0HCYACF0RS1RS0OVPPSW位地址有進位CY=1沒有半進位AY=0P：奇偶校驗位，它用來表示累加器A內容中二進制數(shù)位“1”的個數(shù)的奇偶性。若為奇數(shù)，則P=1，否則為0。例：某運算結果是78H（01111000），P=0。D7HD6HD5HD4HD3HD2HD1HD0HCYACF0RS1RS0OVPPSW位地址RS1、RS0：工作寄存器組選擇位。RS1

RS0寄存器組片內RAM地址00第0組00H~07H01第1組08H~0FH10第2組10H~17H11第3組18H~1FHF0：用戶標志位。作為標志，由編程決定何時使用。F0、F1—用戶標志OV：溢出標志位。有符號數(shù)運算時，如果發(fā)生溢出，OV置“1”，否則清“0”。D7HD6HD5HD4HD3HD2HD1HD0HCYACF0RS1RS0OVPSW位地址，在物理結構1)．程序計數(shù)器PC※

PC不屬于特殊功能寄存器，不可上是獨立的?！?/p>

16位的地址寄存器，用于存放將要從ROM中讀出的下一字節(jié)指令碼的地址，可尋址64KB的程序

器空間。※

PC的基本工作方式有：⑴自動加1。CPU從ROM中每讀一個字節(jié)，自動執(zhí)行PC+1→PC；⑵執(zhí)行轉移指令時，PC會根據(jù)要求修改地址；⑶執(zhí)行調用子程序或發(fā)生中斷時，CPU會自動將當前PC值壓入堆棧，將子程序地址或中斷地址裝入PC；子程序返回或中斷返回時，恢復原有被壓入堆棧的PC值，繼續(xù)執(zhí)行原順序程序指令。圖

2-5(a)

方式時鐘電路

圖

2-5(b)

外部方式時鐘電路外部方式時鐘電路如圖2-5(b)所示，主要用于多單片機系統(tǒng)。引入唯一的公用外部脈沖信號作為各單片機的振蕩脈沖。這時外部的脈沖信號是經XTAL2引腳注入，而將XTAL1接地。②時序時序就是進行某種操作時，各種數(shù)據(jù)、控制信號先后出現(xiàn)的順序。時序是用定時單位來描述的，MCS—51系列單片機的時序定時單位共有四個，從小到大依次是振蕩周期，狀態(tài)，機器周期，指令周期。時鐘周期:80C51振蕩器產生的時鐘脈沖頻率的倒數(shù)，是最基本最小的定時信號。狀態(tài)周期:它是將時鐘脈沖二分頻后的脈沖信號。狀態(tài)周期是時鐘周期的兩倍。狀態(tài)周期又稱S周期。在S周期內有兩個時鐘周期，即分為兩拍，分別稱為P1和P2指令周期:指CPU執(zhí)行一條指令占用的時間(用機器周期表示)。80C51指令可分為三類：單機周指令、雙機周指令和四機周指令。MCS-51典型的指令周期為一個機器周期，少數(shù)是單字節(jié)雙周期、雙字節(jié)雙周期指令，只有乘法和除法指令占用4個機器周期。單周期指令：當操作碼被送入指令寄存器時，便從S1P2開始執(zhí)行指令。雙字節(jié)單機器周期指令，在同一機器周期的S4期間讀入第二個字節(jié)單字節(jié)單機器周期指令，在S4期間仍進行讀，但所讀的這個字節(jié)操作碼被忽略，程序計數(shù)器也不加1，在S6P2結束時完成指令操作。雙字節(jié)單機器周期指令，在一個機器周期內從程序

器中讀入兩個字節(jié)，唯有MOVX指令例外。在執(zhí)行MOVX指令期間，外部數(shù)據(jù)

器被

且被選通時跳過兩次取指操作80C51的哈佛結構：程序

器和數(shù)據(jù)

器分開，各有自己的尋址系統(tǒng)、控制信號和功能。普林斯頓結構：程序和數(shù)據(jù)共用一個

器編址。器配置器4KB（ROM

0000H~0FFFH）邏輯空間，80C51的片內程序片內數(shù)據(jù)器128B（RAM

00H~7FH）2.3

器器配置方式屬哈佛結構8051在物理結構上有四個空間：片內程序片內數(shù)據(jù)器、片外程序器、片外數(shù)據(jù)器、器。64KBROMEA=00000H1000H0FFFHFFFFH4KBROMEA=1FFH80H7FH00HSFRRAM0000HFFFFH64KBRAM(I/O)片內片外片外程序器

數(shù)據(jù)器8051在邏輯(組織結構)上，即從用戶角度上空間：器(ROM),包括片內ROM和片8051有三個⑴64KB程序外ROM；功能寄存器）。⑵64KB外部數(shù)據(jù)⑶256B

數(shù)據(jù)器（外RAM）；器(內RAM)(包括特殊2.3.1

程序

器※作用:用于存放編好的程序和表格、常數(shù)?！萘浚?051片內有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

編址的?！刂贩秶?000H～FFFFH，共64KB。其中:低段4KB：0000H～0FFFH

,80C51和87C51在片內，80C31在片外。高段60KB：1000H～FFFFH。在片外?！?/p>

：用MOVC指令※空間指針：以PC作為16位地址指針，每讀一個字節(jié)，

PC+1→PC，這是CPU自動形成的?！刂菩盘?PSEN和EA。※選擇方法:

★如果EA端保持高電平，8051執(zhí)行片內前4KBROM地址(0000H～0FFFH)

中的程序。當尋址范圍超過4KB（1000H～FFFFH）時，則從片外

器取指令。

★當EA端保持低電平時，8051的所有取指令操作均在片外程序

器中進行，這時片外

器可以從0000H開始編址。地址※特殊單元:是5個中斷源中斷服務程序0003H：外部中斷0

。000BH：定時器0溢出中斷

。0013H：外部中斷1

。001BH：定時器1溢出中斷

。0023H：串行口中斷

。使用時，通常在這些

地址處存放一條絕對跳轉指令，使程序跳轉到用戶安排的中斷程序起始地址，或者從0000H起始地址跳轉到用戶設計的初始程序上。共128B?！?/p>

:MOV指令※空間分配:工作寄存器區(qū)位尋址區(qū)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)1.

數(shù)據(jù)

器※地址范圍：00H～FFH80C51內RAM的三個物理空間：工作寄存器區(qū)、位尋址區(qū)和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。地址區(qū)域功能名稱00H~1FH00H～07H工作寄存器0區(qū)08H～0FH工作寄存器1區(qū)10H～17H工作寄存器2區(qū)18H～1FH工作寄存器3區(qū)20H～2FH位尋址區(qū)30H～7FH數(shù)據(jù)緩沖區(qū)128B

RAM地址分配寄存器區(qū)布爾區(qū)片內數(shù)據(jù)通用RAM區(qū)(80B)位地址區(qū)(16B)寄存器3組寄存器2組寄存器1組寄存器0組7FH位地址區(qū)2FH2EH2DH2CH2BH2AH29H28H27H26H25H24H23H22H21H20H7FH............78H77H70H6FH68H67H60H5FH58H57H50H4FH48H47H40H3FH38H37H30H2FH28H27H20H1FH1FH17H10H0FH............08H07H06H05H04H03H02H01H00H器空間分布圖D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0.........30H2FH20H1FH...00H數(shù)據(jù)緩沖區(qū)(字節(jié)尋址區(qū))范圍：內RAM中30H～7FH功能：存放各種數(shù)據(jù)和中間結果，起到數(shù)據(jù)緩沖的作用。堆棧也建立在其中數(shù)據(jù)

器高128單元范圍

：80H～FFH功能：供給

寄存器使用，※地址范圍：80H～FFH。不連續(xù)地分散在

RAM高128單元之中※數(shù)目：21個。※使用：對特殊功能寄存器只能使用直接尋址方式，書寫時既可使用寄存器符號，也可使用寄存器單元地址。2.3.3特殊功能寄存器（SFR）1、數(shù)據(jù)指針寄存器DPTR寬度：16位功能：通常在使用外部數(shù)據(jù)

器時作地址指針使用：既可作一個16位寄存器用，也可作兩個8位寄存器來用，即：DPH：

DPTR

字節(jié)，地址為83HDPL： DPTR低位字節(jié)，地址為82H與程序計數(shù)器PC的對比：PC雖為16位，但在物理上是獨立的，不屬SFR的范疇，沒有對應的RAM地址，不可尋址。2.堆棧指針SP寬度：8位功能：用來指定堆棧的棧頂位置，初值為07H。它是加1計數(shù).（向上生長）堆棧中數(shù)據(jù)存取按先進后出、后進先出的原則。用PUSH和POP指令操作MCS-51單片機堆棧最大深度為80個字節(jié)（30—7FH)堆棧的功能主要有以下三點：①保護斷點。②保護現(xiàn)場。③用于數(shù)據(jù)的臨時存放。2.4

MCS-51單片機的并行I/O接口基本情況：MCS-51單片機有4個8位并行I/O口P0、P1、P2和P3口,共32條端線：每一個I/O口都能用作輸入或輸出。2.4.1并行輸入/輸出口電路結構共同點：4個8位并行I/O口中，每個口的每一位口線都包含一個鎖存器，一個輸出驅動器和輸入緩沖器。引腳P0.X2DQCK/Q讀鎖存器寫鎖存器總線34Vcc地址/數(shù)據(jù)

控制

V1V21讀引腳P0口的某位P0.n(n=0~7)結構圖1、P0口1)、組成結構：它由一個輸出鎖存器、兩個三態(tài)輸入緩沖器和輸出驅動電路及控制電路組成2.P1口D

QCLK

QP1.nP1口的一位由一個輸出鎖存器、兩個三態(tài)輸入緩沖器和輸出驅動電路組成----準雙向口。VCC讀鎖存器R總線寫鎖存器讀引腳TP1口引腳8位準雙向I/O口，具有兩種功能。一是作通用I/O口用，與P1口相同。二是作擴展系統(tǒng)的高8位地址總線。輸出高8位地址，與P0口一起組成16位地址總線。3、P2口D

Q

CLK

QMUXP2.n地址

控制讀鎖存器總線寫鎖存器讀引腳VCCRTP2口引腳2).P2口作為地址總線在系統(tǒng)擴展片外程序

器擴展數(shù)據(jù)

器且容量超過256B

(用MOVX

@DPTR指令)時，CPU發(fā)出控制電平“1”，使多路開關MUX倒D

Q

CLK

QMUXP2.n地址

控制讀鎖存器地址線。此時，P2輸出高8位地址。VCC總線寫鎖存器讀引腳RTP2口引腳4、P3口1)、作為通用I/O口與P1口類似----準雙向口(W=1)QDCLK

QP3.n讀鎖存器總線寫鎖存器VCCRTP3口引腳讀引腳第二輸入功能第二輸出功能W四個接口工作在一般I/O方式時，具有以下基本相同的特性：作為輸出口用時，

帶鎖存器，故可以直接和外設相連，不必加鎖存器。作為輸

用時，有讀鎖存器和讀引腳兩種讀方式。讀鎖存器的指令稱為讀—修改—寫指令。而讀引腳時才真正地把外部的數(shù)據(jù)讀入到

總線。2.4.2

并行I/O口的特點總結3．當端口做輸使用時，要先將端口鎖存器置1。4.當擴展有外部

器時，P0口作為低8位地址和8位數(shù)據(jù)分時使用口，是真正的雙向口，三態(tài)，負載能力為8個LSTTL電路；P1口仍作為準雙向口，連接一般的I/O設備。P2口則根據(jù)需要全部或部分作為高8位