第02講：MCS-51單片機結(jié)構(gòu)原理M

單片機技術(shù)電氣學(xué)院：陳裕國第02章：MCS-51單片機結(jié)構(gòu)原理主要內(nèi)容：硬件編程結(jié)構(gòu)及引腳CPU主要部件與特殊功能寄存器（SFR）片內(nèi)外存儲器的組織結(jié)構(gòu)和編址并行I/O口中斷及中斷系統(tǒng)（第5章）定時/計數(shù)器、串行口（外設(shè)）（第5章）1、概述（1）：MCS51單片機的編程結(jié)構(gòu)

51子系列（2個定時器、128字節(jié)RAM）：8031（無ROM）、8051（OTP－ROM：4K）、8751（EPROM：4K）52子系列（3個定時器、256字節(jié)RAM）：8032（無ROM）

、8052（OTP－ROM：4K）其他增強型：如C8051F系列、upsd3200系列簡化版：如89C2051共同點：有MCS51的CPU內(nèi)核有此結(jié)構(gòu)才能稱為51單片機1、概述（2）：標準51單片機的引腳？★40腳分類（教材以功能進行歸納?。篒/O端口：

P0~P3（32pin）（P0－數(shù)據(jù)總線，也可作為訪問外部地址的低八位地址【時分復(fù)用口】P2－通用IO，通常也用作訪問外部地址的高八位地址（H）

P1－通用IO

P3－通用IO，有第二功能）控制相關(guān)（4pin）地址鎖存ALE復(fù)位輸入RST

外存選擇/PSEN外存控制/EA（編程脈沖輸入/PORG）時鐘（2pin）XTAL1、XTAL2電源（2pin）VCC、VSS、2、中央處理器（CPU）①由運算器、控制（定時）器、寄存器組成②運算器功能部件包括算術(shù)邏輯運算部件ALU，累加器A，寄存器B、暫存器TR，程序計數(shù)器PC、程序狀態(tài)寄存器PSW，堆棧指針SP，數(shù)據(jù)指針寄存器DPTR（16bit）以及布爾處理器等。控制器功能部件包括指令寄存器、指令譯碼器、定時與控制邏輯及時鐘電路、復(fù)位電路等（1）算術(shù)/邏輯運算部件ALU——對應(yīng)用開發(fā)人員“透明”ALU的作用：算術(shù)/邏輯運算操作——對對傳送到CPU的8位數(shù)據(jù)進行+、-、*、/算術(shù)運算和與、或、異或等邏輯操作，移位、置位、清零、取反，加1/減1操作。位處理功能（51MCU的特點）：置位、清零、取反、邏輯與、邏輯或、條件判斷轉(zhuǎn)移等（這在控制中特別有用，因為一些控制中常需要進行按位運行，位操作指令提供了把邏輯等式直接變換成軟件的簡單明了的方法，使得不使用過多的數(shù)據(jù)傳送、字節(jié)屏蔽/組合和測試分支樹等編程方法，也能實現(xiàn)較為復(fù)雜的組合邏輯功能，從而簡化了程序邏的編制。為此，它獲得了布爾處理器的稱號）累加器A（Acc）－8位

CPU工作最頻繁的reg，用于提供操作數(shù)和存放運算的中間結(jié)果（與“加法”的意義區(qū)分開?。?/p>

MCS51系列MCU，結(jié)構(gòu)上仍以累加器A作為基礎(chǔ)（許多指令都以Acc為基礎(chǔ)，特別是與外部存儲器打交道的指令，都需在Acc中進行）。但由于內(nèi)部電路采取了措施，使得累加器A在數(shù)據(jù)傳送、邏輯控制等方面的核心作用受到了削載，數(shù)據(jù)可以在片內(nèi)直接/間接地址的存儲器之間直接傳送而不必經(jīng)過累加器A。直接地址存儲器也可和常量直接進行邏輯運算（2）寄存器——要求能記能背

一般用于乘除法指令，通常與A配合使用。B存放乘積的高位字節(jié)或除法運算后的余數(shù)部分。例如：MULAB；A×B（8位無符號數(shù)）→BADIVAB；A/B商→A，A/B余數(shù)→B

也可作為普通的reg來使用，如暫存中間結(jié)果等

B寄存器程序狀態(tài)字寄存器PSW（特別重要！）

程序狀態(tài)字PSW是指令可以訪問的、單片機中各有關(guān)標志寄存器的集合體?？梢砸宰止?jié)來訪問，也可以直接訪問某一位，如：setbF0；//將F0位置1

要求掌握其中每一位的含義！PSW（字節(jié)地址：F0H）——凡字節(jié)地址可被8整除的均可按位訪問PSW狀態(tài)字PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0

標志位CYACF0RS1RS0OV—P例：10101010B如何影響Cy、AC？

＋01011000B———————————CY（PSW.7）：進位標志，如果操作結(jié)果在最高位有進位輸出（加法）或借位輸入（減法）時置位，否則清零。AC(PSW.6)：輔助進位標志，是低半字節(jié)的進位位（累加器A中A3向A4位的進位），BCD碼調(diào)整時用。PSW（字節(jié)地址：F0H）——凡字節(jié)地址可被8整除的均可按位訪問PSW狀態(tài)字PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0

標志位CYACF0RS1RS0OV—PF0(PSW.5)：用戶定義的狀態(tài)標志位，可通過軟件對它置位/復(fù)位或測試。OV（PSW.2）：溢出標志位，用于表示有符號數(shù)算術(shù)運算溢出。當(dāng)次高位發(fā)生向最高位進位而最高位不發(fā)生進位時，發(fā)生溢出，OV便由硬件置位，否則清零。P(PSW.0)：奇偶標志位，它是每一指令周期累加器A中8位按位模2和的結(jié)果。因此P總是表示累加器A中內(nèi)容的奇偶性，而與PSW中其它標志的變化無關(guān)。PSW（字節(jié)地址：F0H）——凡字節(jié)地址可被8整除的均可按位訪問PSW狀態(tài)字PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0

標志位CYACF0RS1RS0OV—PRS1(PSW.4)RS0(PSW.3)：工作寄存器組選擇位，用于選擇四組工作寄存器之一。及通用寄存器R0～R7映射到內(nèi)部RAM中的具體位置：

RS1/RS0寄存器組對應(yīng)的ＲＡＭ地址

0

0組000H~07H

01組108H~0FH

1

0組210H~17H

11組318H~1FH

例：MOVPSW，＃08H

選中寄存器組1（即R0～R7映射到RAM的08H～0FH單元20H~18H~1FH10H~17HR7（0FH）R6（0EH）R5（0DH）R4（0CH）R3（0BH）R2（0AH）R1（09H）R0（08H）00H～07H片內(nèi)RAM的部分字節(jié)用于通用寄存器組堆棧指針SP

（堆棧與中斷系統(tǒng)是計算機的兩大特征）

以“堆”的方式工作的“?！?。遵循“先進后出、后進先出”的原則，堆棧是按該工作方式工作的、用來暫時存放數(shù)據(jù)的寄存器或存儲單元。是只在一端進行存取的一塊特別的存儲區(qū)。堆棧的作用：在CPU響應(yīng)中斷或調(diào)用了程序時，需要把斷點處的PC值以及現(xiàn)場的一些數(shù)據(jù)保存起來，在微型計算機中，它們就是保存在堆棧中的。同樣，當(dāng)發(fā)生中斷嵌套（高級中斷中斷低級中斷）或子程序嵌套（在執(zhí)行一個子程序中，又調(diào)用另一個子程序）時，也要把各級斷點的PC值以及一些現(xiàn)場數(shù)據(jù)都要保護起來，為了能保證逐級正確返回，要求后保存的值先取回即符合“先進先出、后進后出”的原則。堆棧正是為此目的而設(shè)計的。

堆棧的實現(xiàn)方式：①硬件堆棧在CPU內(nèi)部設(shè)置一組專用的按堆棧工作方式存取數(shù)據(jù)的寄存器，稱為硬件堆棧。其優(yōu)點是工作速度快，缺點是不能做得容量太大。②軟件堆棧在RAM區(qū)中開辟一個任意大的區(qū)域用作為棧區(qū)，棧區(qū)可設(shè)置在RAM的任意區(qū)，在CPU內(nèi)僅由一個專用的寄存器來管理堆棧的棧頂，這個寄存器叫做堆棧指示器（常稱為堆棧指針，SP）。

堆棧的生長方向：堆棧的生長方向有兩種，當(dāng)棧底設(shè)在RAM中地址號小的地方，堆棧指針增加后壓入一個數(shù)據(jù)堆棧向地址號大的方向伸展，這叫做堆棧是向下生長的；反之為向上生長（MCS51的生長方式為“向下生長”）

MCS51的堆棧（指針8位）——MCS51的堆棧指針是一個8位的地址寄存器，它指向RAM中的一個存儲單元。堆棧指針的初值稱為棧區(qū)的棧底，每當(dāng)一個數(shù)據(jù)送到堆棧中（稱為壓入堆棧）或從堆棧中取出（稱為彈出堆棧），堆棧指針都要隨之作相應(yīng)的變化，它始終指向棧區(qū)的頂端（棧頂）。

工作過程：需要入棧時（中斷或執(zhí)行PUSH或CALL指令時），CPU首先把SP加1，再把數(shù)據(jù)壓棧；當(dāng)需要把數(shù)據(jù)彈出時（為執(zhí)行POP或返回指令時），CPU先把數(shù)據(jù)彈出，然后SP減1，這樣保證SP所指的棧頂總是滿的。

當(dāng)復(fù)位時，堆棧指針初始化為07H，因此，堆棧從地址08H開始；堆棧指針也可由指令改變，因而堆?？稍O(shè)置且只能設(shè)置在片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器RAM的任何一個連續(xù)區(qū)間。DPTR（數(shù)據(jù)指針）

數(shù)據(jù)指針DPTR是一個16位的SFR，其高位字節(jié)寄存器用DPH表示、低位字節(jié)寄存器用DPL表示。DPTR既可以作為一個16位的寄存器DPTR來使用，也可以作為兩個獨立的八位寄存器DPH、DPL來用。PC（程序計數(shù)器，程序指針）

程序計數(shù)器PC用于存放下一條要執(zhí)行的指令地址，是一個16位的專用寄存器，可尋址范圍為0～65536（64K）。PC在物理上是獨立的，盡管與SFR關(guān)系密切，但不屬于SFR。關(guān)于“特殊功能寄存器（SFR）”的小結(jié)

MCS-51系列單片機將物理上分散在片內(nèi)各處（離散的占用片內(nèi)RAM區(qū)的80H～FFH地址）的具有某種特定功能的一些寄存器，在數(shù)學(xué)上把它們組織在特殊功能寄存器的地址空間中，使用統(tǒng)一后的直接尋址方式訪問。（這樣，大多數(shù)指令能對它們進行操作，使單片機許多不同功能的實現(xiàn)在指令形式上變得極其簡單和統(tǒng)一，從而減少了指令的種類和數(shù)量，使指令系統(tǒng)更加規(guī)整和有效。）

SFR不連續(xù)地分布在地址空間80H~FFH中，如表2-3所示。其中，地址號能被8整除的那些特殊功能寄存器單元中的位，可以直接位尋址。地址符號名稱地址符號名稱F0HB寄存器98HSCON串行控制/狀態(tài)寄存器E0HA累加器90HP1口1D0HPSW程序狀態(tài)字8DHTH1定時器1高8位CDHTH2定時器2高8位8CHTL1定時器1低8位CCHTL2定時器2低8位8BHTH0定時器0高8位CBHRCAP2H定時器2陷阱寄存器高8位8AHTL0定時器0低8位CAHRCAP2L定時器2陷阱寄存器低8位89HTMOD定時器方式寄存器C8HT2CON定時器2控制寄存器88HTCON定時器控制寄存器B8HIP中斷口優(yōu)先級控制寄存器器87HPCON電源控制寄存器B0HP3口383HDPH數(shù)據(jù)指針高8位A8HIE中斷允許控制寄存器82HDPL數(shù)據(jù)指針低8位A0HP2口281HSP堆棧指針99HSBUF串行數(shù)據(jù)緩沖器80HP0口0表2-3特殊功能寄存器映像

8051、8751、8031有21個特殊功能寄存器，8052、8032則有26個SFR。大致可分為以下幾類：1)算術(shù)運算寄存器（已介紹）A：累加器（E0H）B：寄存器（F0H）PSW：程序狀態(tài)字寄存器（D0H）2)指針寄存器SP：堆棧指針（81H）DPTR：數(shù)據(jù)指針（16位）?？刹鸱譃閮蓚€8位reg獨立操作（DPH/高8位和DPL/低8位）（83H、82H）3)并行I/O口P0：口0（80H）P1：口1（90H）P2：口2（A0H）P3：口3（B0H）4)串行I/O口SCON：串行控制/狀態(tài)寄存器（98H）SBUF：串行數(shù)據(jù)緩沖區(qū)（99H）PCON：電源控制（97H）5)中斷系統(tǒng)IP：中斷優(yōu)先級控制寄存器（B8H）IE：中斷允許控制寄存器（A8H）6）定時/計數(shù)器TMOD：定時器方式寄存器（98H）TCON：定時器控制寄存器（88H）TH0：定時器0高8位（8CH）TL0：定時器0低8位（8AH）TH1：定時器1高8位（8DH）TL1：定時器1低8位（8BH）

T2CON：定時器2控制寄存器高8位（CBH）RCAP2L：定時器2陷阱寄存器低8位（CAH）（3）控制與定時部件1、時鐘電路（內(nèi)部/外部時鐘；頻率范圍1.2M～12Mhz）（a）內(nèi)部時鐘電路；（b）外部振蕩源（HMOS）（3）控制與定時部件2、時序及相關(guān)概念振蕩周期:

也稱時鐘周期,是指為單片機提供時鐘脈沖信號的振蕩源的周期。（即晶振的頻率）狀態(tài)周期:

每個狀態(tài)周期為時鐘周期的2倍,是振蕩周期經(jīng)二分頻后得到的。機器周期：完成一個基本操作所需要的時間。一個機器周期由12個時鐘周期組成。指令周期：一條指令的執(zhí)行時