第2章單片機基本原理

第2章單片機基本原理2.1MCS-51系列單片機簡介MCS-51系列單片機是美國Intel公司在1980年推出的高性能8位單片機，它包含51和52兩個子系列。對于51子系列，主要有8031、8051、8751三種機型，它們的指令系統(tǒng)與芯片引腳完全兼容，僅片內(nèi)程序存儲器有所不同，8031芯片不帶ROM，8051芯片帶4KROM，8751芯片帶4KEPROM。51子系列的主要特點為：◆8位CPU?！羝瑑?nèi)帶振蕩器，頻率范圍1．2~12MHZ?！羝瑑?nèi)帶128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器。◆片內(nèi)帶4K的程序存儲器?！舫绦虼鎯ζ鞯膶ぶ房臻g為64K字節(jié)。◆片外數(shù)據(jù)存儲器的尋址空間為64K字節(jié)?！?28個用戶位尋址空間?！?1個字節(jié)特殊功能寄存器?！?個8位的并行I/O接口：P0、P1、P2、P3?！?個16位定時器/計數(shù)器◆2個優(yōu)先級別的5個中斷源?！?個全雙工的串行I/O接口，可多機通信?！?11條指令，含乘法指令和除法指令。◆片內(nèi)采用單總線結(jié)構(gòu)?！粲休^強的位處理能力?！舨捎脝我?5V電源。對于52子系列，有8032、8052、8752三種機型。52子系列與51子系列相比大部分相同，不同之處在于：片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器增至256字節(jié)；8032芯片不帶ROM，8052芯片帶8KROM，8752芯片帶8KEPROM；有3個16位定時器/計數(shù)器；6個中斷源。本書以51子系列的8051介紹MCS-51單片機的基本原理CPUROM/EPROMRAM定時/計數(shù)器并行接口串行接口中斷系統(tǒng)P0P1P2P3TXDRXDINT0INT1T0T1XTAL1XTAL2時鐘電路2.2MCS-51系列單片機的結(jié)構(gòu)原理2.2.1MCS-51系列單片機的基本組成PSENALERESETXLAT1P0.0~P0.7P2.0~P2.7RAM地址寄存器RAMP0鎖存器P2鎖存器EPROM或ROM程序地址寄存器緩沖器B寄存器ACC暫存器2暫存器1ALUPSWSPPC增量器PCDPTRP0驅(qū)動器P2驅(qū)動器特殊功能寄存器指令寄存器定時及控制P1鎖存器P3鎖存器P1驅(qū)動器P3驅(qū)動器振蕩器VssP1.0~P1.7P3.0~P3.7EAXLAT2Vcc2.2.2MCS-51系列單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)2.2.3MCS-51系列單片機的中央處理器（CPU）一．運算部件運算部件以算術邏輯運算單元ALU為核心，包含累加器ACC（簡稱A）、B寄存器、暫存器、標志寄存器PSW等許多部件，它能實現(xiàn)算術運算、邏輯運算、位運算、數(shù)據(jù)傳輸?shù)忍幚?。標志寄存器PSW是一個8位的寄存器，它用于保存指令執(zhí)行結(jié)果的狀態(tài)，以供程序查詢和判別。D7D6D5D4D3D2D1D0CACF0RS1RS0OV-PC（PSW.7）：進位標志位。AC（PSW.6）：輔助進位標志位。F0（PSW.5）：用戶標志位。RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）：寄存器組選擇位。RS1RS0工作寄存器組000組（00H-07H）011組（08H-0FH）102組（10H-17H）113組（18H-1FH）OV（PSW.2）：溢出標志位。P（PSW.0）：奇偶標志位（偶）。若累加器A中1的個數(shù)為奇數(shù)，則P置位，若累加器A中1的個數(shù)為偶數(shù)，則P清零。

【例2-1】

試分析下面指令執(zhí)行后，累加器A，標志位C、AC、OV、P的值？MOVA，#67HADDA，#58H加法運算過程如下：67H=01100111B58H=01011000B01100111B+01011000B10111111=0BFH

則執(zhí)行后累加器A中的值為0BFH，由相加過程得C=0、AC=0、OV=1、P=1。二．控制部件

控制部件是單片機的控制中心，它包括定時和控制電路、指令寄存器、指令譯碼器、程序計數(shù)器PC、堆棧指針SP、數(shù)據(jù)指針DPTR以及信息傳送控制部件等。它先以振蕩信號為基準產(chǎn)生CPU的時序，從ROM中取出指令到指令寄存器，然后在指令譯碼器中對指令進行譯碼，產(chǎn)生指令執(zhí)行所需的各種控制信號，送到單片機內(nèi)部的各功能部件，指揮各功能部件產(chǎn)生相應的操作，完成對應的功能。2.2.4MCS-51系列單片機的存儲器結(jié)構(gòu)

MCS-51單片機存儲器結(jié)構(gòu)與一般微機的存儲器結(jié)構(gòu)不同，分為程序存儲器ROM和數(shù)據(jù)存儲器RAM。程序存儲器存放程序、固定常數(shù)和數(shù)據(jù)表格。數(shù)據(jù)存儲器用作工作區(qū)及存放數(shù)據(jù)。一．程序存儲器1．程序存儲器的編址與訪問

MCS-51單片機的程序存儲器，從物理結(jié)構(gòu)上分為片內(nèi)和片外程序存儲器，而對于片內(nèi)程序存儲器，在MCS-51系列中，不同的芯片各不相同，8031和8032內(nèi)部沒有ROM，8051內(nèi)部有4KBROM，8751內(nèi)部有4KBEPROM，8052內(nèi)部有8KBROM，8752內(nèi)部有8KBEPROM。對于內(nèi)部沒有ROM的8031和8032，工作時只能擴展外部ROM，最多可擴展64K，地址范圍為0000H—FFFFH對于內(nèi)部有ROM的芯片，根據(jù)情況外部可以擴展ROM，但內(nèi)部ROM和外部ROM共用64K存儲空間，其中，片內(nèi)程序存儲器地址空間和片外程序存儲器的低地址空間重疊。51子系列重疊區(qū)域為0000H—0FFFH，52子系列重疊區(qū)域為0000H—1FFFH。片外ROMEA=0片外ROMEA=0片內(nèi)ROMEA=1片外ROM0000HFFFFH0000H0FFFH1000HFFFFH片外ROMEA=0片內(nèi)ROMEA=1片外ROM0000H1FFFH2000HFFFFH（a）片內(nèi)無ROM（b）片內(nèi)有4KROM（c）片內(nèi)有8KROM2．程序存儲器的7個特殊地址中斷源入口地址外部中斷00003H定時/計數(shù)器0000BH外部中斷10013H定時/計數(shù)器1001BH串行口0023H定時/計數(shù)器2（僅52子系列有）002BH復位地址0000H，二．數(shù)據(jù)存儲器從物理結(jié)構(gòu)上分為片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器和片外數(shù)據(jù)存儲器。1．片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器 對于51子系列，片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器RAM有128字節(jié)，編址為00H—7FH；對于52子系列，片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器有256字節(jié)，編址為00H—FFH；除了RAM塊外，還有特殊功能寄存器（SFR）塊，編址為80H—FFH，與52系列RAM后128字節(jié)編址重疊的。后者也有128字節(jié)，編址為80H—FFH；后者與前者的的。訪問時通過不同的指令相區(qū)分。片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器按功能分成以下幾個部分：工作寄存器組區(qū)、位尋址區(qū)、一般RAM區(qū)，其中還包含堆棧區(qū)。SFR00H1FH20H2FH30H7FH80HFFH80HFFH工作寄存器組區(qū)位尋址區(qū)一般RAM區(qū)一般RAM區(qū)僅52子子系列工作寄存器組區(qū)

00H—1FH單元為工作寄存器組區(qū)，共32個字節(jié)。工作寄存器也稱為通用寄存器，用于臨時寄存8位信息。工作寄存器共有4組，稱為0組、1組、2組和3組，每組8個，分別依次用R0~R7表示2.位尋址區(qū)

20H—2FH為位尋址區(qū)，共16字節(jié)，128位。這128位每位都可以按位方式使用，每一位都有一個位地址，位地址范圍為00H—7FH字節(jié)單元地址D7D6D5D4D3D2D1D020H070605040302010021H0F0E0D0C0B0A090822H171615141312111023H1F1E1D1C1B1A191824H272625242322212025H2F2E2D2C2B2A292826H373635343332313027H3F3E3D3C3B3A393828H474645444342414029H4F4E4D4C4B4A49482AH57565554535251502BH5F5E5D5C5B5A59582CH67666564636261602DH6F6E6D6C6B6A69682EH77767574737271702FH7F7E7D7C7B7A79783.一般RAM區(qū)

30H—7FH是一般RAM區(qū)，也稱為用戶RAM區(qū)，共80字節(jié)，對于52子系列，一般RAM區(qū)從30H—FFH單元。另外，對于前兩區(qū)中未用的單元也可作為用戶RAM單元使用。4.堆棧區(qū)與堆棧指針堆棧是按先入后出、后入先出的原則進行管理的一段存儲區(qū)域。MCS-51單片機中，堆棧是用片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器的一段區(qū)域，在具體使用時應避開工作寄存器、位尋址區(qū)，一般設在2FH以后的單元，如工作寄存器和位尋址區(qū)未用，也可開辟為堆棧。5.特殊功能寄存器CPU專用寄存器：累加器A（E0H），寄存器B（F0H），程序狀態(tài)寄存器PSW（D0H），堆棧指針SP（81H），數(shù)據(jù)指針DPTR（82H、83H）。并行接口：P0~P3（80H、90H、A0H、B0H）。串行接口：串口控制寄存器SCON（98H），串口數(shù)據(jù)緩沖器SBUF（99h），電源控制寄存器PCON（87H）。定時/計數(shù)器：方式寄存器TMOD（89H），控制寄存器TCON（88H），初值寄存器TH0、TL0（8CH、8AH）/TH1、TL1（8DH、8BH）。中斷系統(tǒng)：中斷允許寄存器IE（A8H），中斷優(yōu)先級寄存器IP（B8H）。定時/計數(shù)器2相關寄存器：定時/計數(shù)器2控制寄存器T2CON（CBH），定時/計數(shù)器2自動重裝寄存器RLDL、RLDH（CAH、CBH），定時/計數(shù)器2初值寄存器TH2、TL2（CDH、CCH）。（僅52子系列有）特殊功能寄存器名稱符號地址位地址與位名稱D7D6D5D4D3D2D1D0P0口P080H8786858483828180堆棧指針SP81H數(shù)據(jù)指針低字節(jié)DPL82H數(shù)據(jù)指針高字節(jié)DPH83H定時/計數(shù)器控制TCON88HTF18FTR18ETF08DTR08CIE18BIT18AIE089IT088定時/計數(shù)器方式TMOD89HGATEC/TM1M0GATEC/TM1M0定時/計數(shù)器0低字節(jié)TL08AH定時/計數(shù)器0高字節(jié)TH08BH定時/計數(shù)器1低字節(jié)TL18CH定時/計數(shù)器1高字節(jié)TH18DHP1口P190H9796959493929190電源控制PCON97HSMODGF1GF0PDIDL串行口控制SCON98HSM09FSM19ESM09DREN9CTB89BRB89ATI99RI98串行口數(shù)據(jù)SBUF99HP2口P2A0HA7A6A5A4A3A2A1A0中斷允許控制IEA8HEAAFET2ADESACET1ABEX1AAET0A9EX0A9P3口P3B0HB7B6B5B4B3B2B1B0中斷優(yōu)先級控制IPB8HPT2BDPSBCPT1BBPX1BAPT0B9PX0B8定時/計數(shù)器2控制T2CONC8HTF2CFEXF2CERCLKCDTCLKCCEXEN2CBTR2CAC/T2C9CP/RL2C8定時/計數(shù)器2重裝低字節(jié)RLDLCAH定時/計數(shù)器2重裝高字節(jié)RLDHCBH定時/計數(shù)器2低字節(jié)TL2CCH定時/計數(shù)器2高字節(jié)TH2CDH程序狀態(tài)寄存器PSWD0HCD7ACD6F0D5RS1D4RS0D3OVD2D1PD0累加器AE0HE7E6E5E4E3E2E1E0寄存器BBF0HF7F6F5F4F3F2F1F0在表中，字節(jié)地址能被8整除的既能按字節(jié)方式處理，也能夠按位方式處理。2．片外數(shù)據(jù)存儲器擴展的外部數(shù)據(jù)存儲器最多64KB，地址范圍為0000H—0FFFFH，通過DPTR作指針間接方式訪問，對于低端的256字節(jié)，可用兩位十六進制地址編址，地址范圍為00H—0FFH，可通過R0和R1間接方式訪問。說明：第一，64K的程序存儲器和64K的片外數(shù)據(jù)存儲器地址空間都為0000H—0FFFFH，地址空間是重疊的，它們?nèi)绾螀^(qū)分呢？第二，片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器和片外數(shù)據(jù)存儲器的低256字節(jié)的地址空間是重疊的，它們?nèi)绾螀^(qū)分呢？2.2.5MCS-51系列單片機的輸入/輸出接口

MCS-51系列單片機有4個8位的并行I/O接口：P0、P1、P2和P3口。它們是特殊功能寄存器中的4個。這4個口，既可以作輸入，也可以作輸出，既可按8位處理，也可按位方式使用。輸出時具有鎖存能力，輸入時具有緩沖功能。一．P0口P0口是一個三態(tài)雙向口，可作為地址／數(shù)據(jù)分時復用口，也可作為通用的I/O接口。它包括一個輸出鎖存器、兩個三態(tài)緩沖器、輸出驅(qū)動電路和輸出控制電路組成，它的一位結(jié)構(gòu)如圖：21&DQCLK鎖存器讀鎖存器寫鎖存器內(nèi)部總線讀引腳地址／數(shù)據(jù)控制VccGNDP0.xV2V13MUX10當P0口作通用I/O接口時，應注意以下兩點：（1）在輸出數(shù)據(jù)時，由于V2截止，輸出級是漏極開路電路，要使“1”信號正常輸出，必須外接上拉電阻。（2）P0口作為通用I/O口輸入使用時，在輸入數(shù)據(jù)前，應先向P0口寫“1”.

另外，P0口的輸出級具有驅(qū)動8個LSTTL負載的能力，輸出電流不大于800

A

二．P1口

P1口是準雙向口，它只能作通用I/O接口使用。P1口的結(jié)構(gòu)與P0口不同，它的輸出只由一個場效應管V1與內(nèi)部上拉電阻組成，如圖21DQCLK鎖存器讀鎖存器寫鎖存器內(nèi)部總線讀引腳VccGNDP1.xV1內(nèi)部上拉電阻輸入輸出原理特性與P0口作為通用I/O接口使用時一樣，當其輸出時，可以提供電流負載，不必像P0口那樣需要外接上拉電阻。P1口具有驅(qū)動4個LSTTL負載的能力。三．P2口

P2口也是準雙向口，它有兩種用途：通用I/O接口和高8位地址線。它的1位的結(jié)構(gòu)如圖，與P1口相比，它只在輸出驅(qū)動電路上比P1口多了一個模擬轉(zhuǎn)換開關MUX和反相器3。21DQCLK鎖存器讀鎖存器寫鎖存器內(nèi)部總線讀引腳地址控制VccGNDP2.xV1MUX內(nèi)部上拉電阻310四．P3口P3口1位的結(jié)構(gòu)如圖2.9。它的輸出驅(qū)動由與非門3、V1組成，輸入比P0、P1、P2口多了一個緩沖器4。21DQCLK鎖存器讀鎖存器寫鎖存器內(nèi)部總線讀引腳VccGNDP3.xV1內(nèi)部上拉電阻&34第二功能輸入第二功能輸出P3口除了作為準雙向通用I/O口使用外，它的每一根線還具有第二種功能。P3口第二功能P3.0RXD串行口輸入端P3.1TXD串行口輸出端P3.2INT0外部中斷0請求輸入端，低電平有效P3.3INT1外部中斷1請求輸入端，低電平有效P3.4T0定時/計數(shù)器0外部計數(shù)脈沖輸入端P3.5T1定時/計數(shù)器0外部計數(shù)脈沖輸入端P3.6WR外部數(shù)據(jù)存儲器寫信號，低電平有效P3.7RD外部數(shù)據(jù)存儲器讀信號，低電平有效2.3MCS-51系列單片機的外部引腳及片外總線2.3.1外部引腳P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/VpdP3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7XTAL2XTAL1VssVccP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VppALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.012345678910111213141516171819204039383736353433323130292827262524232221803180518751RXDTXDINT0INT1T0T1WRRDP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7PSENEAALERST用戶I/O控制總線(CB)鎖存器A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0D7D6D5D4D3D2D1D0地址總線數(shù)據(jù)總線(AB)(DB)VccVssVccVss一．輸入/輸出引腳（1）P0口（39~32腳）：P0.0~P0.7統(tǒng)稱為P0口。在不接片外存儲器與不擴展I/O口時，作為準雙向輸入/輸出口。在接有片外存儲器或擴展I/O口時，P0口分時復用為低8位地址總線和雙向數(shù)據(jù)總線。（2）P1口（1~8腳）：P1.0~P1.7統(tǒng)稱為P1口，可作為準雙向I/O口使用。對于52子系列，P1.0與P1.1還有第二功能：P1.0可用作定時器/計數(shù)器2的計數(shù)脈沖輸入端T2，P1.1可用作定時器/計數(shù)器2的外部控制端T2EX。（3）P2口（21~28腳）：P2.0~P2.7統(tǒng)稱為P2口，一般可作為準雙向I/O口使用；在接有片外存儲器或擴展I/O口且尋址范圍超過256字節(jié)時，P2口用作高8位地址總線。（4）P3口（10~17腳）：P3.0~P3.7統(tǒng)稱為P3口。除作為準雙向I/O口使用外，還可以將每一位用于第二功能，而且P3口的每一條引腳均可獨立定義為第一功能的輸入輸出或第二功能。二．控制線（1）ALE/PROG（30腳）：地址鎖存信號輸出端。ALE在每個機器周期內(nèi)輸出兩個脈沖。（2）PSEN（29腳）：片外程序存儲器讀選通信號輸出端，低電平有效。（3）RST/VPD（9腳）：RST即為RESET，VPD為備用電源。當單片機振蕩器工作時，該引腳上出現(xiàn)持續(xù)兩個機器周期的高電平，就可實現(xiàn)復位操作，使單片機回復到初始狀態(tài)。上電時，考慮到振蕩器有一定的起振時間，該引腳上高電平必須持續(xù)10ms以上才能保證有效復位。（4）/VPP（31腳）：EA為片外程序存儲器選用端。該引腳低電平時，選用片外程序存儲器，高電平或懸空時選用片內(nèi)程序存儲器。三．主電源引腳VCC（40腳）：接+5V電源正端。VSS（20腳）：接+5V電源地端。四．外接晶體引腳XTAL1、XTAL2（19、18腳）：當使用單片機內(nèi)部振蕩電路時，這兩個引腳用來外接石英晶體和微調(diào)電容，如圖2-10（a）。在單片機內(nèi)部，它是一個反相放大器的輸入端，這個放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。當采用外部時鐘時，對于HMOS單片機，XTAL1引腳接地，XTAL2接片外振蕩脈沖輸入（帶上拉電阻）；對于CHMOS單片機，XTAL2引腳接地，XTAL1接片外振蕩脈沖輸入（帶上拉電阻），如圖2-11（b）和（c）。XTAL1XTAL2外部振蕩信號XTAL1XTAL2VccVssR外部振蕩信號XTAL2XTAL1VccVssR（a）內(nèi)部時鐘方式（b）HMOS工藝外接時鐘（c）CHMOS工藝外接時鐘2.3.2片外總線結(jié)構(gòu)一．地址總線地址總線寬度為16位，尋址范圍都為64KB。由P0口經(jīng)地址鎖存器提供低8位（A7~A0），P2口提供高8位（A15~A8）而形成?？蓪ζ獬绦虼鎯ζ骱推鈹?shù)據(jù)存儲器尋址。二．數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線寬度為8位，由P0口直接提供。三．控制總線控制總線由第二功能狀態(tài)下的P3口和4根獨立的控制線RST、EA、ALE和PSEN組成。2.4MCS-51系列單片機的工作方式2.4.1復位方式在時鐘電路工作以后，當外部電路使得RST端出現(xiàn)2個機器周期（24個時鐘周期）以上的高電平，系統(tǒng)內(nèi)部復位。復位有兩種方式：上電復位和按鈕復位。如圖所示。VccRSTVssMCS-51VccRSTVssMCS-511k1k200

（a）上電復位電路（b）按鈕復位電路特殊功能寄存器初始內(nèi)容特殊功能寄存器初始內(nèi)容A00HTCON00HPC0000HTL000HB00HTH000HPSW00HTL100HSP07HTH100HDPTR0000HSCON00HP0~P3FFHSBUFXXXXXXXXBIPXX000000BPCON0XXX0000BIE0X000000BTMOD00H2.4.2程序執(zhí)行方式2.4.3單步執(zhí)行方式所謂單步執(zhí)行，是指在外部單步脈沖的作用下，使單片機一個單步脈沖執(zhí)行一條指令后就暫停下來，再一個單步脈沖再執(zhí)行一條指令后又暫停下來。它通常用于調(diào)試程序、跟蹤程序執(zhí)行和了解程序執(zhí)行過程。單片機沒有單步執(zhí)行中斷，MCS-51單片機的單步執(zhí)行也要利用中斷系統(tǒng)完成。MCS-51的中斷系統(tǒng)規(guī)定，從中斷服務程序中返回之后，至少要再執(zhí)行一條指令，才能重新進入中斷。將