第二章-MCS-系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)秀文檔

第二章MCS—51系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)2.1MCS—51的結(jié)構(gòu)和引腳2.28051單片機(jī)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)及其用途2.3并行I/O口2.4時(shí)鐘電路2.1.1引腳定義及功能8051單片機(jī)芯片采用40引腳，雙列直插封裝（DIP）方式引腳和邏輯符號(hào)如圖2-1-2所示。其中某些引腳具有雙重功能簡(jiǎn)要說(shuō)明如下：1．電源引腳：VCC（40腳）：供電電源+5V。VSS（20腳）：接地線。2．時(shí)鐘電路引腳。XTAL2（18腳）和XTAL1（19腳）。利用內(nèi)部時(shí)鐘電路時(shí)，XTAL1與XTAL2之間接一晶體振蕩器，XTAL1為內(nèi)部放大電路輸入端，XTAL2為輸出端。采用外部時(shí)鐘時(shí)，對(duì)于HMOS型單片機(jī)，XTAL1接地，XTAL2端接外部輸入時(shí)鐘脈沖。而對(duì)于CHMOS型單片機(jī)XTAL1為驅(qū)動(dòng)端，XTAL2懸空。3．控制信號(hào)引腳。RST/VPD（9腳）：RST是復(fù)位信號(hào)輸入端，高電平有效，此端保持兩個(gè)機(jī)器周期（24個(gè)時(shí)鐘周期）以上的高電平時(shí)，就可以完成復(fù)位操作。RST引腳的第二功能是VPD，即備用電源的輸入端。當(dāng)主電源VCC發(fā)生故障降低到低電平規(guī)定值時(shí)，將+5V電源自動(dòng)接入RST端為RAM提供備用電源，以保證存儲(chǔ)在RAM中的信息不丟失，從而使復(fù)位后能繼續(xù)正常運(yùn)行。ALE/PROG（30腳）地址鎖存允許信號(hào)端。在訪問(wèn)外部存儲(chǔ)時(shí)，ALE用來(lái)鎖存P0擴(kuò)展地址低8位的地址信號(hào)。在不訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE也以時(shí)鐘振蕩頻率的1/6的固定速率輸出，因而它又可用作外部定時(shí)或其它需要。如果想確定8051/8031芯片好壞，可用示波器查看ALE端是否有脈沖信號(hào)輸出，如有，則8051/8031基本上是好的。ALE端的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力為8個(gè)LS型TTL負(fù)載。ALE腳的第二功能PROG在對(duì)片內(nèi)帶有4KBEPROM的8751編程寫(xiě)入（固化程序時(shí)）作為編程脈沖輸入端。PSEN（29腳）程序存儲(chǔ)允許輸出信號(hào)端。當(dāng)訪問(wèn)片外程序存儲(chǔ)器時(shí)，此腳輸出負(fù)脈沖作為讀選通信號(hào)。EA/VPDEA訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器控制信號(hào)。對(duì)8051和8751，它們片內(nèi)有4KB的程序存儲(chǔ)器，當(dāng)EA為高電平時(shí)，分兩種情況。若訪問(wèn)的地址空間在0~4K范圍內(nèi)，CPU訪問(wèn)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器。訪問(wèn)的地址超出4K時(shí)，CPU將自動(dòng)執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器，即訪問(wèn)外部ROM。當(dāng)EA接低電平時(shí)，CPU只訪問(wèn)外部EPROM/ROM，而不管是否有片內(nèi)程序存儲(chǔ)器。對(duì)8031，EA必須接地。第二功能VPD為對(duì)8751的EPROM的21V編程電源輸入。

4．輸入/輸出端口P0，P1，P2和P3。對(duì)于每個(gè)I/O口讀取端口的方法均有兩種：讀引腳和讀鎖存器。XRL（邏輯異或，如XRLP3，A）2-7ALE信號(hào)有何功用？一般情況下它與機(jī)器周期的關(guān)系如何？在什么條件下ALE信號(hào)可用作外部設(shè)備的定時(shí)信號(hào)。表2-5-1寄存器復(fù)位狀態(tài)ORL（邏輯或，如ORLP2，A）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間分成片內(nèi)和片外兩大部分，即片內(nèi)RAM和片外RAM。ALE/PROG（30腳）地址鎖存允許信號(hào)端。只能外部擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器，并且從0000H開(kāi)始編。其中某些引腳具有雙重功能簡(jiǎn)要說(shuō)明如下：因此時(shí)鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，時(shí)鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。8051也可使用外時(shí)鐘信號(hào)。INT0(外部中斷0輸入)4．輸入/輸出端口P0，P1，P2和P3。P0口（P0.0~P0.7，39~32腳）；是一個(gè)8位漏極開(kāi)路型的雙向I/O口。第二功能是在訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，分時(shí)提供低8位地址線和8位雙向數(shù)據(jù)總線。在對(duì)8751片內(nèi)EPROM進(jìn)行編程和校驗(yàn)時(shí)，P0口用于數(shù)據(jù)的輸入和輸出。P1口（P1.0~P1.71~8腳）P1口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O端口,一般可作為I/O口。在P1口作為輸入口使用時(shí)，應(yīng)先向P1口鎖存器寫(xiě)入全1，此時(shí)P1口引腳由內(nèi)部上拉電阻拉成高電平。P2口（P2.0~P2.721~28腳）P2口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O端口。在訪問(wèn)片外EPROM/RAM時(shí)，它輸出高8位地址。P3口（P3.0~P3.70~17腳）：P3口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O端口，此外P3口的每個(gè)腳還具有第二功能如表2-1-1所示。

口線第二功能P3.0RXD(串行接收)P3.1TXD(串行發(fā)送)P3.2INT0(外部中斷0輸入)P3.3INT1(外部中斷1輸入)P3.4T0(定時(shí)器0外部輸入)P3.5T1(定時(shí)器1外部輸入)P3.6WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)信號(hào)）P3.7RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀信號(hào)）2.1.2MCS—51單片機(jī)的基本組MCS—51系列以8051為例介紹其內(nèi)容結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2-1-1所示：口線第二功能P3.0RXD(串行接收)P3.1TXD(串行發(fā)送)INT0(外部中斷0輸入)INT1(外部中斷1輸入)T0(定時(shí)器0外部輸入)T1(定時(shí)器1外部輸入)WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)信號(hào)）RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀信號(hào)）

P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7每個(gè)單片機(jī)包括：8位CPU。片內(nèi)程序存儲(chǔ)器ROM/EPROM（4KB/8KB）用以存放程序，原始數(shù)據(jù)和表格。8031片內(nèi)無(wú)ROM。片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM（128B/256B）用以存放可以讀/寫(xiě)的數(shù)據(jù)，如中間結(jié)果以及欲顯示的數(shù)據(jù)等。四個(gè)8位并行I/O接口P0~P3每個(gè)口既可以用作輸入，也可以用作輸出。兩個(gè)定時(shí)器，既可以設(shè)置為計(jì)數(shù)方式，用以對(duì)外部事件進(jìn)行計(jì)數(shù)，也可以設(shè)置成定時(shí)方式，并可以根據(jù)計(jì)數(shù)或定時(shí)結(jié)果實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。5個(gè)中斷源。一個(gè)全雙工UART（異步接收發(fā)送器）的串行I/O口用于實(shí)現(xiàn)單片機(jī)間或與微機(jī)的通信。片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器，具有最高時(shí)鐘頻率為12MHZ程序存儲(chǔ)器用于存放程序及表格數(shù)據(jù)。在8051（8751）片內(nèi)有4KB的ROM（EPROM），且通過(guò)16位地址線可擴(kuò)展64KB的EPROM。從前面所述，片內(nèi)ROM和擴(kuò)展ROM是統(tǒng)一編址的。當(dāng)EA=1時(shí)。使用的是片內(nèi)0000H~0FFFH和片外1000H~FFFFH的存儲(chǔ)器地址，當(dāng)EA=0，則所有取指令操作均在外部程序存儲(chǔ)器中進(jìn)行。這時(shí)外部擴(kuò)展的ROM可以從0000H開(kāi)始編址。對(duì)8031單片機(jī)來(lái)說(shuō)，由于片內(nèi)無(wú)ROM。只能外部擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器，并且從0000H開(kāi)始編。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間分成片內(nèi)和片外兩大部分，即片內(nèi)RAM和片外RAM。8051片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間為64KB，地址從0000H~FFFFH；片內(nèi)存儲(chǔ)器空間為256B，地址從00H~FFH。通過(guò)指令來(lái)區(qū)別內(nèi)外RAM尋址。用MOV類指令尋址片內(nèi)RAM，用MOVX類指令尋址片外RAM。2.3.1并行I/O口的結(jié)構(gòu)8051有4個(gè)8位并行雙向I/O口P0~P3,共32根I/O線.每一根I/O線能獨(dú)立用作輸入或輸出。P0口P0口有一個(gè)輸出鎖存器（D觸發(fā)器）、2個(gè)三態(tài)輸入緩沖器、輸出驅(qū)動(dòng)電路（場(chǎng)效應(yīng)管FET）及控制電路組成。(1)當(dāng)P0口作I/O使用時(shí)，見(jiàn)圖2-3-1(a)，CPU內(nèi)部發(fā)出控制信號(hào)低電平封鎖與門(mén)，使輸出驅(qū)動(dòng)電路上方的場(chǎng)效應(yīng)管截止，同時(shí)又使多路開(kāi)關(guān)MUX把鎖存器Q與驅(qū)動(dòng)電路下方的場(chǎng)效應(yīng)管的柵極接通。P0口用作輸出時(shí)，執(zhí)行“MOVP0，A”，寫(xiě)脈沖加到鎖存器CP上，內(nèi)部總線的信息就會(huì)經(jīng)鎖存器和輸出驅(qū)動(dòng)器送到P0端口引腳，而且輸出有鎖存。由于P0口用于輸出時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)器上方FET被關(guān)斷，因此P0口是漏極開(kāi)路電路（稱為開(kāi)漏輸出），若驅(qū)動(dòng)NMOS或其它拉電流負(fù)載時(shí)，需要外接提升電阻。P0口用作輸入時(shí)，應(yīng)該先向鎖存器寫(xiě)入1，使輸出驅(qū)動(dòng)電路下方FET截止，P0端口引腳處于懸浮狀態(tài)（高阻態(tài)），具有高阻抗輸入特性。因而P0口是雙向口。P1口P1口在電路結(jié)構(gòu)上與P0口有所不同，見(jiàn)圖2-3-1（b），其輸出驅(qū)動(dòng)電路場(chǎng)效應(yīng)管接有提升電阻。一般P1口作通用I/O使用。當(dāng)P1口作用輸入時(shí)，也必須先向?qū)?yīng)的鎖存器寫(xiě)入1，使場(chǎng)效應(yīng)管V截止，此時(shí)由于端口內(nèi)部的提升電阻，引腳被拉到高電平，但是它能夠被外部輸入信號(hào)的低電平拉低，所以不會(huì)對(duì)輸入的數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。因此，P1口是準(zhǔn)雙向口。當(dāng)P1口用作輸出時(shí)，能向外提供拉電流負(fù)載，不必外接提升電阻。8051的P1、P2和P3端口輸出驅(qū)動(dòng)器都接有提升電阻作負(fù)載，用作輸入時(shí)，端口引腳拉成高電平，它們都是準(zhǔn)雙向口。3.P2口P2口的位結(jié)構(gòu)比P1口多了一個(gè)控制轉(zhuǎn)換部分，見(jiàn)圖2-3-1（c）。當(dāng)P2口作通用I/O時(shí)，多路開(kāi)關(guān)MUX使縮存器輸出端Q與輸出驅(qū)動(dòng)輸入端接通，構(gòu)成一個(gè)準(zhǔn)雙向口。在擴(kuò)展系統(tǒng)中，P2口輸出高8位地址（低8位地址由P0口輸出）。此時(shí)MUX在CPU控制下轉(zhuǎn)向內(nèi)部地址線，使高8位地址碼通過(guò)輸出驅(qū)動(dòng)器送到P2口引腳上。4.P3口P3口也是個(gè)多功能口，見(jiàn)圖2-3-1（d），它既可以作為通用I/O，又具有第二功能，它們之間轉(zhuǎn)換由圖中第二功能控制端決定。當(dāng)?shù)诙敵龉δ芏吮３指唠娖綍r(shí)，打開(kāi)與非門(mén)，鎖存器輸出可通過(guò)與非門(mén)和輸出驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管送至引腳端，用作通用I/O口輸出。輸入時(shí)，仍通過(guò)三態(tài)緩沖器讀引腳信號(hào)。當(dāng)?shù)诙敵龉δ芏吮３值碗娖綍r(shí)，用作第二功能。在P3口用于第二功能（見(jiàn)表2-1-1）的情況下，輸出時(shí)，鎖存器輸出Q=1，打開(kāi)與非門(mén)，第二輸出功能端內(nèi)容通過(guò)與非門(mén)和輸出驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管送至端口引腳；輸入時(shí)，端口引腳的第二功能信號(hào)通過(guò)緩沖器送到內(nèi)部第二輸入功能端。有些指令則是讀鎖存器內(nèi)容，這類指令由讀一改一指令實(shí)現(xiàn)。CPU中執(zhí)行的命令均在時(shí)序控制下進(jìn)行，各種時(shí)序均與時(shí)鐘周期有關(guān)。例如以下一些控制I/O的指令：表2-5-1寄存器復(fù)位狀態(tài)注意：XTAL2端不是TTL電平，需加上拉電阻。2-48051如何確定和改變當(dāng)前工作寄存器組？因此時(shí)鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，時(shí)鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2-58051單片機(jī)有哪幾個(gè)特殊功能寄存器？可位尋址的SFR有幾個(gè)？對(duì)8051和8751，它們片內(nèi)有4KB的程序存儲(chǔ)器，當(dāng)EA為高電平時(shí)，分兩種情況。這樣振蕩器發(fā)出的脈沖直接送入內(nèi)部時(shí)鐘電路，如圖2-4-1所示。對(duì)于每個(gè)I/O口讀取端口的方法均有兩種：讀引腳和讀鎖存器。WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)信號(hào)）WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)信號(hào)）2-48051如何確定和改變當(dāng)前工作寄存器組？MCS—51系列以8051為例介紹其內(nèi)容結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2-1-1所示：2-9程序狀態(tài)寄存器PSW的作用是什么？常用標(biāo)志有哪些位？作用是什么？按下A則直接把+5V加到了RST/VPD端從而復(fù)位，這稱為手動(dòng)復(fù)位。對(duì)于每個(gè)I/O口讀取端口的方法均有兩種：讀引腳和讀鎖存器。在MCS-51指令系統(tǒng)中，有些指令是讀引腳內(nèi)容，這類操作有數(shù)據(jù)傳送指令實(shí)現(xiàn)。有些指令則是讀鎖存器內(nèi)容，這類指令由讀一改一指令實(shí)現(xiàn)。例如以下一些控制I/O的指令：ANL（邏輯與，如ANLP1，A）ORL（邏輯或，如ORLP2，A）XRL（邏輯異或，如XRLP3，A）JBC（測(cè)試、清零、跳轉(zhuǎn)，如JBCP1.1，NEXT）CPL（位取反，如CPLP3.0）INC(加1,如INCP2)DEC(減1,如DECP2)這些指令有一個(gè)共同的特點(diǎn),就是先讀入I/O口鎖存器中的內(nèi)容，作相應(yīng)修改后，再寫(xiě)入該口的鎖存器中，因此稱之為讀一改一寫(xiě)指令。讀一改一寫(xiě)指令之所以要讀鎖存器，而不是讀引腳，是為了避免判錯(cuò)引腳電平的可能。還有一點(diǎn)要注意：在進(jìn)行輸入操作時(shí)，應(yīng)在對(duì)應(yīng)鎖存器中先寫(xiě)入1。2.4時(shí)鐘電路時(shí)鐘是單片機(jī)的心臟，各部分都以時(shí)鐘頻率為基準(zhǔn)，有條不紊地一拍一拍地工作。因此時(shí)鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，時(shí)鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常用時(shí)鐘電路有內(nèi)部時(shí)鐘和外部時(shí)鐘兩種。利用8051內(nèi)部一個(gè)高增益的反向放大器，把一個(gè)晶振體和兩個(gè)電容器組成自激振蕩電路接于XTAL1（19腳）和XTAL2（18腳）之間。這樣振蕩器發(fā)出的脈沖直接送入內(nèi)部時(shí)鐘電路，如圖2-4-1所示。圖中晶振體是石英晶體或陶瓷結(jié)構(gòu)，振蕩頻率可任選。一般頻率在1.2~12MHZ，電容器C1與C2在30pF左右，對(duì)于陶瓷振蕩器C1、C2約47pF左右。8051也可使用外時(shí)鐘信號(hào)。對(duì)于HMOS和CHMOS型單片機(jī)，外部時(shí)鐘電路稍有不同。1.HMOS型外部振蕩電路HMOS型單片機(jī)的外部時(shí)鐘電路如圖2-4-2所示。XTAL2端接外部時(shí)鐘信號(hào)，XTAL1端接地。注意：XTAL2端不是TTL電平，需加上拉電阻。2.CHMOS型振蕩電路CHMOS型單片機(jī)，外接時(shí)鐘信號(hào)從XTAL1端輸入，XTAL2端懸空，如圖2-4-3所示。CPU中執(zhí)行的命令均在時(shí)序控制下進(jìn)行，各種時(shí)序均與時(shí)鐘周期有關(guān)。1．時(shí)鐘周期時(shí)鐘周期是計(jì)算機(jī)基本時(shí)間單位。若時(shí)鐘的晶體振蕩頻率為 則時(shí)鐘周期。如T鐘=166.7ns。機(jī)器周期CPU完成一個(gè)基本操作所需要的時(shí)間稱為機(jī)器周期。計(jì)算機(jī)中常把執(zhí)行一條指令的過(guò)程分為若干段。每個(gè)階段為一個(gè)基本操作，如取指令、讀或?qū)憯?shù)據(jù)等等。8051單片機(jī)每12個(gè)時(shí)鐘周期為一個(gè)機(jī)器周期，即若T機(jī)=2μs；T機(jī)=1μs。

當(dāng)8051的ALE及PSEN兩引腳輸出高電平，RST引腳高電平到時(shí)，單片機(jī)復(fù)位。RST/VPD端的高電平直接由上電瞬間產(chǎn)生則為上電復(fù)位，若通過(guò)按動(dòng)按鈕產(chǎn)生高電平復(fù)位稱為手動(dòng)復(fù)位。XRL（邏輯異或，如XRLP3，A）ORL（邏輯或，如ORLP2，A）8051有4個(gè)8位并行雙向I/O口P0~P3,共32根I/O線.8051的P1、P2和P3端口輸出驅(qū)動(dòng)器都接有提升電阻作負(fù)載，用作輸入時(shí)，端口引腳拉成高電平，它們都是準(zhǔn)雙向口。2MCS—51單片機(jī)的基本組第二功能VPD為對(duì)8751的EPROM的21V編程電源輸入。JBC（測(cè)試、清零、跳轉(zhuǎn)，如JBCP1.圖2-5-1是一個(gè)簡(jiǎn)單的上電復(fù)位和按鈕復(fù)位電路。(1)當(dāng)P0口作I/O使用時(shí)，見(jiàn)圖2-3-1(a)，CPU內(nèi)部發(fā)出控制信號(hào)低電平封鎖與門(mén)，使輸出驅(qū)動(dòng)電路上方的場(chǎng)效應(yīng)管截止，同時(shí)又使多路開(kāi)關(guān)MUX把鎖存器Q與驅(qū)動(dòng)電路下方的場(chǎng)效應(yīng)管的柵極接通。在P3口用于第二功能（見(jiàn)表2-1-1）的情況下，輸出時(shí)，鎖存器輸出Q=1，打開(kāi)與非門(mén)，第二輸出功能端內(nèi)容通過(guò)與非門(mén)和輸出驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管送至端口引腳；第二章MCS—51系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)8051有4個(gè)8位并行雙向I/O口P0~P3,共32根I/O線.是一個(gè)8位漏極開(kāi)路型的雙向I/O口。輸入時(shí)，仍通過(guò)三態(tài)緩沖器讀引腳信號(hào)。時(shí)鐘周期是計(jì)算機(jī)基本時(shí)間單位。復(fù)位后寄存器的狀態(tài)見(jiàn)表2-5-1。圖2-5-1是一個(gè)簡(jiǎn)單的上電復(fù)位和按鈕復(fù)位電路。圖中，上電時(shí)，則接通電源，電容C相當(dāng)于瞬間短路，+5V加到了RST/VPD端，該高電平使8051全機(jī)復(fù)位。若運(yùn)行過(guò)程中，需要程序從頭執(zhí)行，只需按動(dòng)按鈕A即可。按下