MCS-51單片機的基本結構與工作原理

單片機原理及應用第二章MCS-51單片機的根本結構與工作原理華中科技大學電氣與電子工程學院2021年秋季學期1第二章MCS-51單片機的根本結構與工作原理2.1MCS-51單片機的總體結構2.2MCS-51單片機的CPU及其特點2.3MCS-51單片機的封裝與引腳功能2.4MCS-51單片機的存儲空間2.5MCS-51單片機輔助電路及CPU時序2.6MCS-51單片機主要硬件資源2第二章MCS-51單片機的根本結構與工作原理2.1MCS-51單片機的總體結構2.2MCS-51單片機的CPU及其特點2.3MCS-51單片機的封裝與引腳功能2.4MCS-51單片機的存儲空間2.5MCS-51單片機輔助電路及CPU時序2.6MCS-51單片機主要硬件資源32.1MCS--51系列單片機MCS-51系列單片機是美國Intel公司在1980年推出的8位單片微型計算機，包含51和52兩個子系列。51子系列的典型產品有8031，8051，8751和8951四種機型。52子系列包括8032，8052，8752和8952四種主要機型，為51子系列的增強型。每種型號包含帶“C〞的CMOS低功耗版本。4MCS-51系列單片機分類表子系列片內ROM形式片內ROM容量片內RAM容量尋址范圍I/O特性中斷源無ROMEPROM計數(shù)器并行口串行口51子系列8031805187514KB128B2×64KB2×164×81580C3180C5187C514KB128B2×64KB2×164×81552子系列8032805287528KB256B2×64KB3×164×81680C3280C5287C528KB256B2×64KB3×164×8165MCS-51系列又分為51和52兩個子系列，并以芯片型號的最末位數(shù)字作為標志。其中，51子系列是根本型，而52子系列那么屬增強型。52子系列功能增強的具體方面，從表1-1所列內容中可以看出：(1)片內ROM從4KB增加到8KB。(2)片內RAM從128B增加到256B。(3)定時/計數(shù)器從2個增加到3個。(4)中斷源從5個增加到6個。51子系列和52子系列6MCS-51單片機片內程序存儲器有三種配置形式，即掩膜ROM、EPROM和無ROM。這三種配置形式對應三種不同的單片機芯片,它們各有特點，也各有其適用場合，在使用時應根據(jù)需要進行選擇。一般情況下，片內帶掩膜型ROM適用于定型大批量應用產品的生產；片內帶EPROM適合于研制產品樣機；外接EPROM的方式適用于研制新產品。最近，Intel公司又推出片內帶EEPROM型的單片機，可以在線寫入程序。片內ROM存儲器配置形式72.1MCS-51單片機的總體結構

89第二章MCS-51單片機的根本結構與工作原理2.1MCS-51單片機的總體結構2.2MCS-51單片機的CPU及其特點2.3MCS-51單片機的封裝與引腳功能2.4MCS-51單片機的存儲空間2.5MCS-51單片機輔助電路及CPU時序2.6MCS-51單片機主要硬件資源101．中央處理器〔CPU〕〔2〕運算器運算器由ALU〔算術及邏輯運算單元〕、A〔累加器〕、B存放器、PSW〔程序狀態(tài)字存放器〕和暫存器等組成，主要功能用于實現(xiàn)算術運算和邏輯運算?！?〕控制器控制器由程序計數(shù)器PC、指令存放器、指令譯碼器、堆棧指針SP、數(shù)據(jù)指針DPTR、定時與控制邏輯電路等組成。單片機的執(zhí)行指令是在控制下進行的。2.2MCS-51單片機的CPU及其特點

112.2MCS-51單片機的CPU及其特點

121．程序計數(shù)器〔PC，ProgramCounter〕〔重要〕控制器PC是16位的程序計數(shù)器，其內容是將要執(zhí)行的下一條指令的地址，8051對程序存儲器的尋址范圍為64KB。單片機工作時，自動將PC中的內容送到總線上，作為存放指令的地址，找到存放下一條要執(zhí)行指令的單元，并取出指令送到指令存放器IR中。51單片機上電或復位時，PC值被置為0000H。PC有自動加1功能，從而實現(xiàn)程序的順序執(zhí)行?？梢酝ㄟ^轉移、調用、返回等指令改變其內容，以實現(xiàn)程序的轉移。132.指令存放器〔IR，InstructionRegister〕IR是一個8位存放器，用于暫存從存儲器中取出來等待解釋和執(zhí)行的指令，其中的指令會送到指令譯碼器。3.指令譯碼器〔ID，InstructionDecoder〕對存儲于指令存放器中的指令實現(xiàn)翻譯〔譯碼〕，并將指令轉變?yōu)閳?zhí)行此指令所需要的電信號。控制器144．數(shù)據(jù)指針〔DPTR〕數(shù)據(jù)指針DPTR為16位存放器。它的功能是存放16位的地址，作為訪問外部程序存儲器和外部數(shù)據(jù)存儲器時的地址。編程時，DPTR既可按16位存放器使用，也可以按兩個8位存放器分開使用。即：DPH DPTR的高8位DPL DPTR的低8位5.堆棧指針(SP，8位)SP的內容就是堆棧棧頂?shù)拇鎯卧刂贰２还苁菙?shù)據(jù)進棧還是數(shù)據(jù)出棧，都是對堆棧的棧頂單元進行的，即對棧頂單元的寫和讀操作?？刂破?56.振蕩器及定時控制電路〔TimingCircuit&ControlCircuit〕MCS-51單片機內部集成有振蕩電路，只需外接石英晶體和頻率微調電容，其頻率范圍為1.2–12MHz〔兼容51單片機時鐘頻率有所不同〕，該時鐘頻率脈沖作為單片機工作的根本節(jié)拍，即時間的最小單位?？刂破?61.算術邏輯單元〔ALU，ArithmeticLogicUnit〕ALU可實現(xiàn)對8位二進制數(shù)數(shù)據(jù)信息的算術〔加減乘除等〕和邏輯〔與、或、非、異或、清零、置1等〕運算。此外，ALU還支持循環(huán)移位以及對數(shù)據(jù)中的每一位進行單獨的位處理。運算器172.累加器〔ACC或A，Accumulator〕〔重要〕ACC是一個8位存放器，在ALU進行運算時用于提供操作數(shù)和存放中間結果，是CPU中最常用的專用存放器。3.存放器B為執(zhí)行乘法和除法而設置，通常與ACC配合使用。在乘除法運算時，一般將被乘數(shù)或被除數(shù)存放于ACC中，將乘數(shù)或除數(shù)存放于B中。運算得到的結果也分別存入ACC和B中。如乘法，ACC中存放乘積結果的低位，B存放高位。如除法，ACC為運算結果的商，B為余數(shù)。運算器184.程序狀態(tài)字存放器PSW〔ProgramStatusWord〕PSW是一個8位的專用存放器，用于存程序運行中的各種狀態(tài)信息。它可以進行位尋址。PSW各位的定義如下:D7HD6HD5HD4HD3HD2HD1HD0HCYACF0RS1RS0OVF1PPSW位地址運算器19字節(jié)地址D0HCY(PSW.7)：進位標志，在進行加或減運算時，如果操作結果最高位有進位或借時，CY由硬件置“1〞，否那么清“0〞。AC(PSW.6)：輔助進位標志〔又稱半進位〕，在進行加或減運算時，低四位數(shù)向高四位產生的進位或借位，將由硬件置“1〞，否那么清“0〞。AC位可用于BCD碼調整時的判斷位。F0(PSW.5)：用戶標志位，由用戶置位或復位。它可作為用戶自行定義的一個狀態(tài)標記。運算器D7HD6HD5HD4HD3HD2HD1HD0HCYACF0RS1RS0OVF1P20RS1RS0與工作存放器組的對應關系運算器RS1RS0(PSW.4PSW.3)：工作存放器組指針，用以選擇CPU當前工作的存放器組。MCS-51內部有8個可供用戶自由使用的存放器R0-R7，稱為工作存放器。可以作為工作存放器的存儲單元在單片機內部有四組，由RS0、RS1決定哪一組為當前工作存放器。21OV(PSW.2)：溢出標志，當進行算術運算時，如果產生溢出，那么由硬件將OV位置1，否那么清“0〞。F1(PSW.1)：用戶標志位，同F(xiàn)0。P(PSW.0)：奇偶標志位，該位始終跟蹤累加器A內容中“1〞的奇偶性。當累加器A內容中有奇數(shù)個“1〞時，P置1；否那么，P置“0〞。改變累加器A中內容的指令均會影響P標志位。運算器D7HD6HD5HD4HD3HD2HD1HD0HCYACF0RS1RS0OVF1P22第二章MCS-51單片機的根本結構與工作原理2.1MCS-51單片機的總體結構2.2MCS-51單片機的CPU及其特點2.3MCS-51單片機的封裝與引腳功能2.4MCS-51單片機的存儲空間2.5MCS-51單片機輔助電路及CPU時序2.6MCS-51單片機主要硬件資源23MCS-51單片機的封裝

24MCS-51單片機的封裝:雙排直插DIP

25MCS-51單片機的封裝:貼片式TQFP26MCS-51單片機的引腳27主電源引腳Vss、Vcc

外接晶振引腳XTAL1、XTAL2

輸入/輸出引腳P0、P1、P2、P3

P0.0～P0.7：P0口的8個引腳，P0口是8位雙向I/0端口，在接有片外存儲器或I/0擴展接口時，P0.0～P0.7分時復用，作低8位地址總線與雙向8位數(shù)據(jù)總線

P1.0～P1.7：P1口的8個引腳，P1口是8位雙向I/O口。

P2.0～P2.7：P2口的8個引腳，P2口是8位雙向I/O口，在訪問片外存儲器或擴展I/O接口時，還用于提供高8位地址。

P3.0～P3.7：P3口的8個引腳，P3口也是一個帶上拉電阻的I/O口，除可以作雙向的輸入輸出口外，還具有第2功能。MCS-51單片機的引腳28MCS-51單片機的引腳29

MCS-51單片機的引腳30

MCS-51單片機的引腳31第二章MCS-51單片機的根本結構與工作原理2.1MCS-51單片機的總體結構2.2MCS-51單片機的CPU及其特點2.3MCS-51單片機的封裝與引腳功能2.4MCS-51單片機的存儲空間2.5MCS-51單片機輔助電路及CPU時序2.6MCS-51單片機主要硬件資源32MCS-51的存儲器總體分布

51單片機的程序存儲空間和數(shù)據(jù)存儲空間是完全獨立分開的。程序存儲器專門用來配置存放程序和始終要保存的常數(shù)。數(shù)據(jù)存儲器用來配置存放程序運行中所需要的常數(shù)或變量。哈佛結構普林斯頓結構物理上，MCS-51有4個不同的存儲器空間：片內程序存儲器〔ROM/EPROM〕片內數(shù)據(jù)存儲器〔RAM/SFR〕片外程序存儲器〔EPROM/EEPROM)片外數(shù)據(jù)存儲器〔RAM/EEPROM〕33邏輯上，分成3個獨立的存儲器空間：片內/片外統(tǒng)一編址的程序存儲器空間：64KB片內數(shù)據(jù)存儲器空間：128B的RAM〔8052/8032為256B〕和特殊功能存放器塊SFR〔SpecialFunctionRegisters)片外數(shù)據(jù)存儲器空間：64KBMCS-51的存儲器總體分布34MCS-51的存儲器總體分布35外部程序存儲器（60KB）FFFFH1000H?

??外部程序存儲器（EA=0）（4KB）0000H0FFFH?

??0FFFH

內部程序存儲器（EA=1）（4KB）0000H0FFFH?

??(8051/80C/8751)片內4KB程序存儲器〔8051/80C51/8751〕36系統(tǒng)復位后，PC值為0000H，稱為復位入口地址程序存儲器的0000H—0002H的三個單元保存用于程序的起點；0003H—0032H的單元用于中斷效勞程序入口地址。002BH定時/計數(shù)器2溢出中斷（8052）0023H串行口中斷001BH定時/計數(shù)器1溢出中斷0013H外部中斷1（INT1）000BH定時/計數(shù)器0溢出中斷0003H外部中斷0（INT0）中斷服務程序入口地址中斷源37片內128B數(shù)據(jù)存儲器〔8031/8051/8751〕數(shù)據(jù)存儲器地址空間38內部RAM的可位尋址單元及位地址位地址字節(jié)地址39片內特殊功能存放器SFR地址空間FFH255～248…特…殊功…能寄…存器80H135～12840特殊功能存放器是51單片機中各功能部件對應的存放器，用于存放相應功能部件的控制命令，狀態(tài)或數(shù)據(jù)。現(xiàn)在幾乎所有51系列功能的增加和擴展都是通過增加特殊功能存放器來到達目的的。418051SFR在RAM中的分布片內特殊功能存放器SFR列表：寄存器符號寄存器名字節(jié)地址*ACC累加器E0H*BB寄存器F0H*PSW程序狀態(tài)字D0HSP堆棧指針81HDPTR數(shù)據(jù)指針（分DPH和DPL）83H，82H*P0P0口80H*P1P1口90H*P2P2口A0H*P3P3口B0H42有“*〞表示可位尋址的SFR*IP中斷優(yōu)先級控制寄存器B8H*IE中斷允許控制寄存器A8HTMOD定時/計數(shù)器方式控制寄存器89HTCON定時/計數(shù)器控制寄存器88HTH0定時/計數(shù)器0（高字節(jié)）8CHTL0定時/計數(shù)器0（低字節(jié)）8AHTH1定時/計數(shù)器1（高字節(jié)）8DHTL1定時/計數(shù)器1（低字節(jié)）8BH*SCON串行控制寄存器98HSBUF串行數(shù)據(jù)寄存器99HPCON電源控制寄存器97H有“*〞表示可位尋址的SFR43F0HF7F6F5F4F3F2F1F0BE0HE7E6E5E4E3E2E1E0ACCD0HD7D6D5D4D3D2D1D0PSWC8HCFCECDCCCBCAC9C8T2CONB8H--BDBCBBBAB9B8IPB0HB7B6B5B4B3B2B1B0P3A8HAFAEADACABAAA9A8IEA0HA7A6A5A4A3A2A1A0P298H9F9E9D9C9B9A9998SCON90H9796959493929190P188H8F8E8D9C8B8A8988TCON80H8786858483828180P0內部SFR的可位尋址單元及位地址44片外RAM地址空間?64KB???

FFFFH00000H外部RAM(64KB)45第二章MCS-51單片機的根本結構與工作原理2.1MCS-51單片機的總體結構2.2MCS-51單片機的CPU及其特點2.3MCS-51單片機的封裝與引腳功能2.4MCS-51單片機的存儲空間2.5MCS-51單片機輔助電路及CPU時序2.6MCS-51單片機主要硬件資源46單片機時序就是CPU在執(zhí)行指令時所需控制信號的時間順序。單片機本身就是一個復雜的同步時序電路，為了保證同步工作方式的實現(xiàn)，電路應在唯一的時鐘信號控制下嚴格地按時序進行工作。而時序所研究的那么是指令執(zhí)行中各信號之間的相互時間關系。在執(zhí)行指令時，CPU首先要到程序存儲器中取出需要執(zhí)行指令的指令碼，然后對指令碼譯碼，并由時序部件產生一系列控制信號去完成指令的執(zhí)行。這些控制信號在時間上的相互關系就是CPU時序。 CPU發(fā)出的時序信號有兩類：一類用于片內各功能部件的控制。這類信號很多，但對于用戶是沒有意義的，故通常不作專門介紹；另一類用于片外存儲器或I／O端口的控制，需要通過器件的控制引腳送到片外，這局部時序對于分析硬件電路原理至關重要。1.時鐘電路XTAL1〔18〕：片內振蕩電路中反相放大器輸入端XTAL2〔19〕：片內振蕩電路中反相放大器輸出端〔A〕采用外部振蕩器的外部時鐘電源48〔B〕采用外接晶體振蕩器的內部時鐘電源1.時鐘電路492.CPU時序振蕩周期〔TSOC〕：是指為單片機提供定時信號振蕩源的信號周期。當使用內部時鐘時，為外接石英晶體振蕩器〔晶振〕的固有周期；當使用外部時鐘時，為外部時鐘周期。由于常見的單片機系統(tǒng)都是使用內部時鐘，因此有時也把晶振固有周期當作振蕩周期，把振蕩周期稱為晶振周期，對應的頻率稱為晶振頻率(用P表示)。 Tsoc=1/fsoc50時鐘周期：也稱為狀態(tài)周期〔用S表示〕，是振蕩周期的兩倍。機器周期：是單片機的根本操作周期，由6個時鐘周期組成。即機器周期為時鐘周期的6倍，為振蕩周期的12倍。指令周期：CPU執(zhí)行一條指令所用的時間。一個指令周期通常1-4個機器周期組成。2.CPU時序51假設fosc=12MHz，那么一個機器周期=1μsMCS—51指令的取指/執(zhí)指時序單片機在程序的控制下，一步一步地完成程序中所規(guī)定的任務。而程序是由一條條指令組成的執(zhí)行成序就意味著執(zhí)行指令。單片機執(zhí)行任何一條指令時都可以分為取指令階段和執(zhí)行指令階段。取指令階段簡稱取指階段，單片機在這個階段里可以把程序計數(shù)器PC中的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)行階段可以對指令操作碼進行譯碼，以產生一系列控制信號完成指令的執(zhí)行。幾種典型的單片機取指/執(zhí)行指令的時序如以下圖示。MCS-51取指/執(zhí)行時序1．單字節(jié)單周期指令〔例如INCA〕由于是單字節(jié)指令，因此只需進行一次讀指令操作。當?shù)诙€ALE有效時，由干PC沒有加1，所以讀出的還是原指令，屬于一次無效的操作。2．雙字節(jié)單周期指令〔例如ADDA，＃data〕這種情況下對應于ALE的兩次讀操作都是有效的，第一次是讀指令操作碼，第二次是讀指令第二字節(jié)〔本例中是立即數(shù)〕。3．單字節(jié)雙周期指令〔例如INCDPTR〕兩個機器周期共進行4次讀指令的操作，但其中后三次的讀操作全是無效的。4．單字節(jié)雙周期〔MOVX類指令〕如前述每個機器周期內有兩次讀指令操作，但MOVX類指令情況有所不同，因為執(zhí)行這類指令時，先在ROM讀取指令，然后對外部RAM進行讀/寫操作。第一機器周期時，與其它指令一樣，第一次讀指令操作碼有效，第二次讀指令操作無效。第二機器周期時，對外部RAM訪問，不產生讀指令操作。3.復位電路RST〔Reset〕：復位信號輸入端，復位單片機，使片內存放器處于初始狀態(tài)。要求：該引腳輸入脈沖的高電平寬度≥2個機器

周期時，單片機復位一個機器周期=12×振蕩器周期=12/fosc

假設fosc=12MHz，那么一個機器周期=1μs55復位方式為：=RC=1010-6

8.2103=82ms0.10.9幅度8.2k

10μFVssRST/VpdVcc+5V8051+RC①上電復位方式如以下圖所示：56②手動復位方式如以下圖所示：57③總體復位電路如以下圖所示：+58復位后內部各存放器的狀態(tài)為：PC0000HTMOD00HA00HTCON00HB00HTH000