第2章 MCS-51單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 安徽理工大學

第2章MCS-51單片機的硬件結(jié)構(gòu)2.1MCS-51單片機的硬件結(jié)構(gòu)CPU運算部件控制部件BRAMP0口P2口ROM(EPROM)串行口

C/T中斷系統(tǒng)SFRP1口8P3口888XTAL1XTAL2PSENALEEARESETVccVss按功能可分成8個部件，通過片內(nèi)單一總線連接起來1.微處理器2.數(shù)據(jù)存儲器3.程序存儲器4.I/O口5.串行口6.定時/計數(shù)器7.中斷系統(tǒng)8.特殊功能寄存器控制方式：SFR對各功能部件集中控制片內(nèi)總線各功能部件：1.CPU（微處理器）2.數(shù)據(jù)存儲器（RAM）片內(nèi)為128個字節(jié)（52子系列的為256個字節(jié)）3.程序存儲器（ROM/EPROM）

8031:無此部件；8051:4K字節(jié)ROM；8751:4K字節(jié)EPROM；

89C51/89C52/89C55:4K/8K/20K字節(jié)閃存。4.P1口、P2口、P3口、P0口：為4個并行8位I/O口。5.串行口1個全雙工的異步串行口6.定時器/計數(shù)器7.中斷系統(tǒng)

8.特殊功能寄存器（SFR）共有21個，是一個具有特殊功能的RAM區(qū)。

2.2MCS-51的引腳

40只引腳雙列直插封裝（DIP）44只引腳方形封裝方式（4只未用）引腳邏輯圖8051單片機為40條引腳雙列直插式封裝引腳可分為三個部分控制引腳并行I/O口引腳電源及時鐘引腳（1）電源及時鐘引腳:Vcc、Vss；XTAL1、XTAL2。（2）控制引腳：PSEN*、EA*、ALE、RESET

（3）I/O口引腳：P0、P1、P2、P3，4個8位I/O口2.2.1電源及時鐘引腳

1．電源引腳

（1）Vcc（40腳）：+5V電源；（2）Vss（20腳）：接地。2．時鐘引腳

（1）XTAL1（19腳）：采用外接晶體振蕩器時，此引腳應(yīng)接地。（2）XTAL2（18腳）：接外部晶體的另一端。2.2.2控制引腳

(1)RST/VPD(9腳)：復位與備用電源(2)ALE/PROG*（30腳）：第一功能ALE：地址鎖存允許第二功能PROG*：編程脈沖輸入端。(3)PSEN*（29腳）：讀外部程序存儲器的選通信號?？梢则?qū)動8個LS型TTL負載。(4)EA*/VPP(31腳)：EA*為內(nèi)外程序存儲器選擇控制EA*=1，訪問片內(nèi)程序存儲器，EA*=0，單片機則只訪問外部程序存儲器。第二功能VPP，用于施加編程電壓。2.2.3I/O口引腳(1)P0口：雙向8位三態(tài)I/O口，地址總線（低8位）及數(shù)據(jù)總線分時復用口，可驅(qū)動8個LS型TTL負載。(2)P1口：8位準雙向I/O口，可驅(qū)動4個LS型TTL負載。(3)P2口：8位準雙向I/O口，與地址總線（高8位）復用，可驅(qū)動4個LS型TTL負載。(4)P3口：8位準雙向I/O口，雙功能復用口，可驅(qū)動4個LS型TTL負載。注意:準雙向口與雙向三態(tài)口的差別。當3個準雙向I/O口作輸入口使用時，要向該口先寫“1”，另外準雙向I/O口無高阻的“浮空”狀態(tài)。2.3MCS-51的CPU

由運算器和控制器所構(gòu)成2.3.1運算器

對操作數(shù)進行算術(shù)、邏輯運算和位操作。1．算術(shù)邏輯運算單元ALU2．累加器A

使用最頻繁的寄存器，可寫為Acc。A的作用：（1）是ALU單元的輸入之一，又是運算結(jié)果存放單元。（2）數(shù)據(jù)傳送大多都通過累加器A。（3）A的進位標志Cy同時又是位處理機的位累加器。3、寄存器B

為了執(zhí)行乘法和除法操作設(shè)置。4、位處理器

所有具有位處理能力的寄存器。3．程序狀態(tài)字寄存器PSW

（1）Cy（PSW.7）進位標志位（2）Ac(PSW.6)輔助進位標志位（3）F0（PSW.5）標志位由用戶使用的一個狀態(tài)標志位。（4）RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）：4組工作寄存器區(qū)選擇控制位1和位0。工作寄存器區(qū)的選擇18～1FH3區(qū)1110～17H2區(qū)1008～0FH1區(qū)0100～07H0區(qū)00R0～R7地址寄存器組RS1RS0（5）OV（PSW.2）溢出標志位

指示運算是否產(chǎn)生溢出。各種算術(shù)運算指令對該位的影響情況較復雜，將在第3章介紹。（6）PSW.1位:保留位，未用（7）P(PSW.0)奇偶標志位

P=1，A中“1”的個數(shù)為奇數(shù) P=0，A中“1”的個數(shù)為偶數(shù)2.3.2控制器

單片機的指揮控制部件任務(wù)：識別指令，根據(jù)指令的性質(zhì)控制單片機各功能部件，保證單片機自動協(xié)調(diào)的工作。工作流程：

首先，從程序存儲器中讀出指令，送指令寄存器保存。然后，送指令譯碼器進行譯碼，結(jié)果送定時控制邏輯電路，由定時控制邏輯產(chǎn)生各種定時信號和控制信號最后，送到單片機各個部件進行相應(yīng)操作。

1．程序計數(shù)器PC（ProgramCounter）存放下一條要執(zhí)行的指令在程序存儲器中的地址?；竟ぷ鬟^程：讀指令時，PC將其中的數(shù)作為所取指令的地址，輸出給程序存儲器，然后程序存儲器按此地址輸出指令字節(jié)，同時PC本身自動加1，指向下一條指令在程序存儲器中的地址

基本工作方式：

（1）程序計數(shù)器自動加1

（2）執(zhí)行有條件或無條件轉(zhuǎn)移指令時，程序計數(shù)器將被置入新的數(shù)值，從而使程序的流向發(fā)生變化。（3）執(zhí)行子程序調(diào)用或中斷調(diào)用時完成下列操作： ①PC的當前值保護②將子程序入口地址或中斷向量的地址送入PC。2．指令寄存器IR、指令譯碼器及控制邏輯電路

2.4MCS-51存儲器的結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu)（Harvard）:哈佛結(jié)構(gòu)是一種并行體系結(jié)構(gòu)將程序和數(shù)據(jù)存儲在不同的存儲空間中，即程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是兩個獨立的存儲器，每個存儲器獨立編址、獨立訪問。

存儲器空間可劃分為5類：1.程序存儲器空間8031無內(nèi)部程序存儲器。2.內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器空間3.特殊功能寄存器4.位地址空間

211個可尋址位。5.外部數(shù)據(jù)存儲器空間片外可擴展64K字節(jié)RAM。

內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（a）外部數(shù)據(jù)存儲器（b）MCS-51單片機存儲器空間分配特殊功能寄存器00H1FH20H2FH30H7FH80HFFH80H88H90H98HA0HA8HB0HB8HD0HE0HF0H特殊功能寄存器中位尋址外部ROM內(nèi)部ROM(EA=1)外部ROM(EA=0)0000H0000H0FFFH0FFFH1000HFFFFH外部RAM(I/O口地址)0000HFFFFH程序存儲器（c）工作寄存器區(qū)位尋址區(qū)通用

RAM區(qū)返回2.4.1程序存儲器（片內(nèi)0000H～0FFFH）8051單片機內(nèi)部有4KB的掩膜ROM、8751單片機內(nèi)部有4KB的EPROM，而8031內(nèi)部沒有程序存儲器，必須外接程序存儲器。當引腳接高電平時，CPU將首先訪問內(nèi)部程序存儲器，在PC超過0FFFH單元時，CPU將自動轉(zhuǎn)入訪問外部程序存儲器。當引腳接低電平時，所有取指操作均指向外部程序存儲器。對于8031/8032，必須接低電平（接地）。從0003H～002AH單元被保留專用于中斷服務(wù)程序。

存放應(yīng)用程序和表格之類的固定常數(shù)。分為片內(nèi)和片外兩部分，由EA*引腳上所接電平確定

程序存儲器中的0000H地址是系統(tǒng)程序的啟動地址

一些單元具有特殊用途1）0000H-0002H2)5個中斷源地址區(qū)

表2-15種中斷源的中斷入口地址 外中斷00003H 定時器T0000BH 外中斷10013H 定時器T1001BH 串行口0023H2.4.2內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器

共256個單元，低128單元：00H～7FH高128單元：80H～FFH00H～1FH：32個單元，是4組通用工作寄存器區(qū)20H～2FH：16個單元，可進行128位的位尋址30H～7FH：用戶RAM區(qū)，只能進行字節(jié)尋址，用作數(shù)據(jù)緩沖區(qū)以及堆棧區(qū)。工作寄存器區(qū)一共4組，編號：工作寄存器組0～4一組8個字節(jié)，用同一組編號R0～R7表示，某一時刻只能選用一組作為當前工作寄存器，由RS1，RS0決定。地址：00H～1FH（32個字節(jié)）兩種使用方法：MOVA，R0或MOVA，00H（1）內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲區(qū)低128單元位尋址區(qū)字節(jié)地址：20H～2FH（16個字節(jié)）位地址：00H～7FH（為位操作指令準備，是位處理器的數(shù)據(jù)存儲空間）例如：清除位地址00H單元 CLR 00H而對片內(nèi)的00H字節(jié)清零，則 MOV 00H，＃00H或 ANL 00H，＃00H用戶RAM區(qū)供用戶使用的一般RAM區(qū)，30H～7FH。字節(jié)地址使用，堆棧區(qū)一般常開辟在這個區(qū)內(nèi)?！敬鎯ζ鲄^(qū)的低128字節(jié)】2.4.3特殊功能寄存器（SFR）CPU對各種功能部件的控制采用特殊功能寄存器集中控制方式，共21個。有的SFR可進行位尋址，其字節(jié)地址的末位是0H或8H。表2-2SFR的名稱及其分布

SFR中的某些寄存器1．堆棧指針SP

指示出堆棧頂部在內(nèi)部RAM塊中的位置

復位后，SP中的內(nèi)容為07H。

（1）保護斷點 （2）現(xiàn)場保護 堆棧向上生長2.數(shù)據(jù)指針DPTR

16位特殊功能寄存器，高位字節(jié)寄存器用DPH表示，低位字節(jié)寄存器用DPL表示。

3.程序計數(shù)器PC

16位，控制程序的順序執(zhí)行。地址不在SFR，不計做專用寄存器。

4.寄存器B為執(zhí)行乘法和除法操作設(shè)置的。在不執(zhí)行乘、除的情況下，可當作一個普通寄存器來使用。5.累加器A8位，最常用，功能強大，可放操作數(shù)或中間結(jié)果。6.程序狀態(tài)字PSW8位，存放程序運行中的各種狀態(tài)信息。某些位根據(jù)程序結(jié)果又硬件自動設(shè)置，有些使用軟件設(shè)定。7.I/O端口P0～P3

8.串行數(shù)據(jù)緩沖器SBUF

存放欲發(fā)送或已接收的數(shù)據(jù)，一個字節(jié)地址，物理上是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。9.定時器/計數(shù)器

兩個16位定時器/計數(shù)器T1和T0，各由兩個獨立的8位寄存器組成：TH1、TL1、TH0、TL0，只能字節(jié)尋址，但不能把T1或T0當作一個16位寄存器來尋址訪問。

2.4.4位地址空間

211個（128個+83個）尋址位。位地址范圍為：00H～FFH。內(nèi)部RAM的可尋址位128個(字節(jié)地址20H～2FH)。特殊功能寄存器SFR為83個可尋址位。表2-3內(nèi)部的可尋址位及位地址表2-4SFR中的位地址分布2.4.5外部數(shù)據(jù)存儲器由于MCS-51系列單片機內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器只有128字節(jié)，往往不夠用，這就需要擴展外部數(shù)據(jù)存儲器，外部數(shù)據(jù)存儲器最多可擴至64KB。外部數(shù)據(jù)存儲器的訪問地址可由工作寄存器Ri（8位）或數(shù)據(jù)指針DPTR（16位）提供，前者的尋址空間256字節(jié)，后者可尋址64KB。Ri由P0口輸出；DPTR的DPL由P0口輸出，DPH由P2口輸出。讀/寫操作的數(shù)據(jù)由P0口輸入/輸出，P0口為分時復用。最多可外擴64K字節(jié)的RAM或I/O。幾點注意：(1)地址的重疊性程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器全部64K字節(jié)地址空間重疊程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器在使用上是嚴格區(qū)分的(3)位地址空間共有兩個區(qū)域(4)片外與片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器由指令來區(qū)分(5)片外數(shù)據(jù)存儲區(qū)中，RAM與I/O端口統(tǒng)一編址。 所有外圍I/O端口的地址均占用RAM地址單元，使用與訪問外部數(shù)據(jù)存儲器相同的傳送指令。內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（a）外部數(shù)據(jù)存儲器（b）MCS-51單片機存儲器空間分配特殊功能寄存器00H1FH20H2FH30H7FH80HFFH80H88H90H98HA0HA8HB0HB8HD0HE0HF0H特殊功能寄存器中位尋址外部ROM內(nèi)部ROM(EA=1)外部ROM(EA=0)0000H0000H0FFFH0FFFH1000HFFFFH外部RAM(I/O口地址)0000HFFFFH程序存儲器（c）工作寄存器區(qū)位尋址區(qū)通用

RAM區(qū)返回數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器分開，各有自己的尋址系統(tǒng)、控制信號和功能。存儲器有內(nèi)外之分。分開的存儲結(jié)構(gòu)更有效地使用較大而固定的程序和頻繁地處理大量的數(shù)據(jù)或變量。MCS-51單片機系統(tǒng)的存儲器結(jié)構(gòu)特點多路開關(guān)功能：用于控制選通I/O方式還是地址/數(shù)據(jù)輸出方式方式控制：由內(nèi)部控制信號產(chǎn)生輸入鎖存器兩個輸入緩沖器(BUF1和BUF2)推拉式I/O驅(qū)動器2.5并行I/O端口共有4個8位雙向I/O口，共32口線。每位均有自己的鎖存器、輸出驅(qū)動器和輸入緩沖器。2.5.1P0口位圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)BUF2BUF15、P0R2為讀引腳信號，執(zhí)行“MOVA,P0”時該信號有效6、讀引腳（端口）時，輸出鎖存器應(yīng)為“1”說明：1、當控制信號為0時，P0口做雙向I/O口，為漏極開路（三態(tài)）2、控制信號為1時，P0口為地址/數(shù)據(jù)復用總線（用于口擴展）3、P0W為端口輸出寫信號，用于鎖存輸出狀態(tài)4、P0R1為讀鎖存器信號，執(zhí)行“ANLP0,#0FH”時該信號有效QQDCVcc控制AD0P0R1

P0R2D0P0W圖1、P0口內(nèi)部結(jié)構(gòu)讀鎖存器讀引腳鎖存器內(nèi)部總線寫鎖存器地址/數(shù)據(jù)P00多路開關(guān)102.5.2P1口內(nèi)部結(jié)構(gòu)P1口內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示輸出部分有內(nèi)部上拉電阻R*約為20K。其他部分與P0端口使用相類似（讀引腳時先寫入1）。寫數(shù)據(jù)讀端口2.5.3P2口內(nèi)部結(jié)構(gòu)2、當控制信號為1時P2口輸出地址信息，此時單片機完成外部的取指操作或?qū)ν獠繑?shù)據(jù)存儲器16位地址的讀寫操作。3、當P2口作為普通I/O口使用時用法和P1口類似。說明：1、P2可以作為通用的I/O，也可以作為高8位地址輸出。2.5.4P3口內(nèi)部結(jié)構(gòu)說明：1、做普通端口使用時，第二功能應(yīng)為“1”。2、使用第二功能時，輸出端口鎖存器應(yīng)為“1”。3、變異功能（）P3.0TXDP3.4T0P3.1RXDP3.5T1P3.2INT0P3.6WRP3.3INT1P3.7RD1輸出I/O口1讀I/O口112.5.5P0～P3端口功能總結(jié)使用中應(yīng)注意的問題：P0～P3口都是并行I/O口，但P0口和P2口還可用來構(gòu)建數(shù)據(jù)總線和地址總線，所以電路中有一個MUX，進行轉(zhuǎn)換。而P1口和P3口無構(gòu)建系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線和地址總線的功能，因此，無需轉(zhuǎn)接開關(guān)MUX。只有P0口是一個真正的雙向口，P1～P3口都是準雙向口。原因:P0口作數(shù)據(jù)總線使用時，為保證數(shù)據(jù)正確傳送，需解決芯片內(nèi)外的隔離問題，即只有在數(shù)據(jù)傳送時芯片內(nèi)外才接通；否則應(yīng)處于隔離狀態(tài)。為此，P0口的輸出緩沖器應(yīng)為三態(tài)門。P3口具有第二功能。因此在P3口電路增加了第二功能控制邏輯。這是P3口與其它各口的不同之處。2.6時鐘電路與時序時鐘電路用于產(chǎn)生單片機工作所必需的時鐘控制信號。2.6.1時鐘電路時鐘頻率直接影響單片機的速度，電路的質(zhì)量直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常用的時鐘電路有兩種方式：內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。一、內(nèi)部時鐘方式

內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，其輸入端：XTAL1，輸出端：XTAL2。

C1和C2典型值通常選擇為30pF左右。晶體的振蕩頻率在1.2MHz～12MHz之間。某些高速單片機芯片的時鐘頻率已達40MHz。二、外部時鐘方式

常用于多片MCS-51單片機同時工作。

2.6.2機器周期、指令周期與指令時序一、節(jié)拍與狀態(tài)節(jié)拍：振蕩脈沖的周期,時鐘周期狀態(tài)：單片機時鐘信號的周期，振蕩脈沖二分頻二、機器周期CPU完成一個基本操作所需要的時間。執(zhí)行一條指令分為幾個機器周期。每個機器周期完成一個基本操作。MCS-51單片機每12個振蕩周期為一個機器周期，一個機器周期分為6個狀態(tài)：S1～S6。每個狀態(tài)又分為兩拍：P1和P2。因此，一個機器周期中的12個振蕩周期表示為：S1P1、S1P2、S2P1、S2P2、…、S6P2。

三、指令周期執(zhí)行一條指令時，可分為取指令階段和指令執(zhí)行階段。取指令階段，PC中地址送到程序存儲器，并從中取出需要執(zhí)行指令的操作碼和操作數(shù)。指令執(zhí)行階段，對指令操作碼進行譯碼，以產(chǎn)生一系列控制信號完成指令的執(zhí)行。ALE信號是為地址鎖存而定義的，以時鐘脈沖1/6的頻率出現(xiàn)，在一個機器周期中，ALE信號兩次有效（注意，在執(zhí)行訪問外部數(shù)據(jù)存儲器的指令MOVX時，將會丟失一個ALE脈沖）8051X2X1VssTTL外接時鐘源Vcc時鐘電路需外接晶振的頻率1.2~12MHZ，C1和C2取30±10PFX1X2C2

C1X

8051振蕩電路S1S2S3S4S5S6S1S2P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2fosc一個狀態(tài)周期一個機器周期T=12*(1/fosc)X2CPU的時序（時鐘周期、狀態(tài)周期、機器周期）若外接晶振為12MHz時，則單片機的四個周期的具體值為：

時鐘周期＝1/12MHz＝1/12μs＝0.0833μs

狀態(tài)周期＝1/6μs＝0.167μs

機器周期＝1μs

指令周期＝1～4μs可用于計算指令、程序的執(zhí)行時間，以及定時器的定時時間2.7復位操作和復位電路2.7.1復位操作單片機的初始化操作，擺脫死鎖狀態(tài)。

引腳RST加上大于2個機器周期（即24個時鐘振蕩周期）的高電平就可使MCS-51復位。復位時，PC初始化為0000H，使MCS-51單片機從0000H單元開始執(zhí)行程序。

除PC之外，復位操作還對其它一些寄存器有影響，見(P26)。SP=07H，P0-P3的引腳均為高電平。

在復位有效期間，ALE腳和PSEN*腳均為高電平，內(nèi)部RAM的狀態(tài)不受復位的影響。MCS-51單片機各寄存器的復位狀態(tài)

00HTCON0000HPC

00HTMOD0×××0000BPCON0×××0000BIE不定SBUF

×××00000BIP00HSCON0FFHP0~P300HTH10000HDPTR00HTL107HSP00HTH000HPSW00HTL000HACC復位狀態(tài)寄存器復位狀態(tài)寄存器2.7.2復位電路上電自動復位和按鈕復位

最簡單的上電自動復位電路:按鍵手動復位，有電平方式和脈沖方式兩種。電平方式脈沖方式作業(yè)2－22－42－71、單片微型計算機由CPU、存儲器和________三部分組成。2、MCS-51單片機內(nèi)部RAM的位尋址區(qū)為__________。3、MCS-51系統(tǒng)中，當信號有效時，表示