第3章MCS-51單片機的結(jié)構(gòu)與原理

1、第3章 MCS-51單片機的結(jié)構(gòu)與原理 3.1 MCS-51單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 表3-1 MCS-51系列芯片及制造工藝ROM型無ROM型EPROM型片內(nèi)ROM/KB片內(nèi)RAM/B16位定時器制造工藝80518031875141282HMOS8051AH8031AH8751H41282HMOS8052AH8032AH8752BH82562HMOS80C51BH80C31BH87C5141282CHMOS3.1.1 存儲器結(jié)構(gòu) MCS-51的存儲器不僅有ROM和RAM之分，而且有片內(nèi)和片外之分。 存儲器的地址分配有三個地址空間：ROM存儲器地址空間（包括片內(nèi)ROM和片外ROM），地址范圍是0000

2、HFFFFH；片內(nèi)RAM地址空間，地址范圍是00HFFH；片外RAM地址空間，地址范圍是0000HFFFFH，如圖3-2所示。 （a）ROM存儲器地址分配 （b）RAM存儲器地址分配 圖3-2 MCS-51存儲器地址分配外部ROM片內(nèi)ROM (=1)外部ROM(=0)FFFFH1000H0FFFH0000HFFH80HFFH80H高128BRAM區(qū)(8051無)SFR區(qū)低128BRAM區(qū)7FH00H外部RAMFFFFH1000H1ROM 不論是8031還是8051，都可以外接外部ROM，但片內(nèi)和片外之和不能超過64KB。8051和87C51都有64KB ROM的尋址區(qū)，其中OOOOHOFFFH

3、的4KB地址區(qū)可以為片內(nèi)ROM和片外ROM公用，但不能為兩者同時占用。為了指示機器的這種占用，器件設計者為用戶提供了一條專用的控制引腳。若接+5V高電平，則機器使用片內(nèi)4KB ROM，而當指令地址超過0FFFH后，就自動地轉(zhuǎn)向片外ROM取指令；若接低電平，則機器自動使用片外ROM，1000HFFFFH的60KB地址區(qū)為片外ROM所專用。由于8031片內(nèi)無ROM，故它的應接地。 2片內(nèi)RAM 8051的片內(nèi)RAM雖然字節(jié)數(shù)并不很多，但卻起著十分重要的作用。256個字節(jié)被劃分為兩個區(qū)域：OOH7FH為片內(nèi)RAM的低128字節(jié)區(qū)，是真正的RAM區(qū)，可以讀寫各種數(shù)據(jù)； 80HFFH為片內(nèi)RAM的高12

4、8字節(jié)區(qū)，專門用作特殊功能寄存器（SFR）的區(qū)域。符號物理地址名 稱*ACCE0H 累加器 *BF0H B寄存器*PSWD0H 程序狀態(tài)字 SP81H 堆棧指針DPL82H 數(shù)據(jù)寄存器指針(低8位)DPH83H 數(shù)據(jù)寄存器指針(高8位) *P080H 通道0*P190H 通道1*P2A0H 通道2*P3B0H 通道3*IPB8H 中斷優(yōu)先級控制器*IEA8H 中斷允許控制器TMOD89H 定時器方式選擇 PCON87H 電源控制器 表3-2 特殊功能寄存器一覽表 *TCON88H 定時器控制器 *+T2CONC8H 定時器2控制器TH08CH 定時器0高8位TL0 8AH 定時器0低8位TH1

5、 8DH 定時器1高8位TL1 8BH 定時器1低8位+TH2CDH 定時器2高8位+TL2CCH 定時器2低8位 +RCAP2HCBH定時器2捕捉寄存器高8位 +RCAP2LCAH定時器2捕捉寄存器低8位 *SCON98H 串行控制器 SBUF99H 串行數(shù)據(jù)緩沖器 在OOH7FH這個低128字節(jié)區(qū)內(nèi)，根據(jù)不同的功能又可劃分為工作寄存器區(qū)、位尋址區(qū)和便箋區(qū)三個子區(qū)域 。（1）工作寄存器區(qū)(OOH1FH) 這32個RAM單元共分4組，每組占8個RAM單元，分別用代號ROR7表示。（2）位尋址區(qū)(20H2FH) 既可以像普通RAM單元一樣按字節(jié)存取，也可以對每個RAM單元中的任何一位單獨存取，這

6、就是位尋址。 20H2FH用作位尋址時，每位都分配了一個特定地址，即OOH7FH，這些地址稱為位地址，如圖3-3所示。 位地址可以直接使用位尋址區(qū)的物理地址表示，也可以采用字節(jié)地址和位數(shù)相結(jié)合的表示方法 在21個特殊功能寄存器中，也有相當一部分是可以進行位尋址的。進行位尋址時，可用“寄存器名.位”來表示位地址（3）便箋區(qū)(30H7FH) 便箋區(qū)共有80個RAM單元，用于存放用戶數(shù)據(jù)或作堆棧區(qū)使用。MCS-51對便箋區(qū)中每個RAM單元是按字節(jié)存取的。 3片外RAM 如果片內(nèi)RAM容量太小，不能滿足控制需要，也可以外接片外RAM。但片外RAM的最大容量不能超過64KB，地址范圍為OOOOHFFFF

7、H，在地址上是和片外ROM重疊的。8051通過不同的控制信號來選通片外ROM或片外RAM 3.1.2 CPU結(jié)構(gòu) 8051內(nèi)部CPU是一個字長為二進制8位的中央處理單元。1. 算術(shù)邏輯部件(ALU) 性能極強的運算器，它既可以進行加、減、乘、除四則運算，也可以進行與、或、非、異或等邏輯運算，還具有數(shù)據(jù)傳送、移位、判斷和程序轉(zhuǎn)移等功能。 由一個加法器ACC、兩個8位暫存器（TMP1與TMP2）和一個性能卓著的布爾處理器（在圖3-1中未畫出）組成。 2定時控制部件 定時控制部件起著控制器的作用，由定時控制邏輯、指令寄存器IR和振蕩器OSC等電路組成。 圖3-4 HMOS型單片機內(nèi)部振蕩器 3專用寄

8、存器組（1）程序計數(shù)器PC(Program Counter) 程序計數(shù)器PC是一個二進制16位的程序地址寄存器，專門用來存放下一條將要執(zhí)行指令的內(nèi)存地址，能自動加1。 CPU執(zhí)行指令時，它是先根據(jù)PC中的地址從存儲器中取出當前需要執(zhí)行的指令碼 。 （2）累加器A( Accumulator) 累加器A又記作ACC，是一個具有特殊用途的二進制8位寄存器，專門用來存放操作數(shù)或運算結(jié)果。 （3）通用寄存器B(General-Purpose Register) 通用寄存器B是專門為乘法和除法設置的寄存器，也是一個二進制8位寄存器。 （4）程序狀態(tài)字PSW(Program Status Word) PSW

9、是一個8位標志寄存器，用來存放指令執(zhí)行后的有關(guān)狀態(tài)。PSW中各位狀態(tài)通常是在指令執(zhí)行過程中自動形成的，但也可以由用戶根據(jù)需要采用傳送指令加以改變。它的各標志位定義如下：PSW7PSW6PSW5PSW4PSW3PSW2PSW1PSW0CyACF0RS1RS0OV-P進位標志位Cy(Carry)：用于表示加減運算過程中最高位A7（累加器最高位）有無進位或借位。輔助進位位AC( Auxiliary Carry)：用于表示加減運算時低4位（即A3）有無向高1位（即A4）進位或借位。用戶標志位FO( Flag zero)：FO標志位的狀態(tài)由用戶根據(jù)程序執(zhí)行的需要通過傳送指令確定的。寄存器選擇位RS1和R

10、SO：用戶通過改變RS1和RSO的狀態(tài)可以方便地決定ROR7的實際物理地址。RS1、RS0R0R7的組號R0R7的物理地址00000H07H01108H0FH10210H17H11318H1FH溢出標志位OV(OVerflow)：可以指示運算過程中是否發(fā)生了溢出，由機器執(zhí)行指令過程中自動形成。奇偶標志位P(Parity)：用于指示運算結(jié)果中1的個數(shù)的奇偶性。若P=1，則累加器A中1的個數(shù)為奇數(shù)；若P=O，則累加器A中1的個數(shù)為偶數(shù)。（5）堆棧指針SP(Stack Pointor) 堆棧指針SP是一個8位寄存器，能自動加1或減1，專門用來存放堆棧的棧頂?shù)刂贰６褩^(qū)按“先進后出”或“后進先出”規(guī)律

11、存取數(shù)據(jù)的RAM區(qū)域（8051片內(nèi)RAM共有128B，地址范圍為OOH7FH，可用作堆棧） 。 8051的堆棧屬于向上生長型，在數(shù)據(jù)壓入堆棧時，SP的內(nèi)容自動加1，作為本次進棧的地址指針，然后再存入信息。 8051單片機復位后，堆棧指針SP總是初始化到內(nèi)部RAM地址07H。從08H開始就是8051的堆棧。 （6）數(shù)據(jù)指針DPTR（Data Pointer） 數(shù)據(jù)指針DPTR是一個16位的寄存器，由兩個8位寄存器DPH和DPL組成。其中，DPH為DPTR的高8位，DPL為DPTR的低8位。 3.1.3 I/O端口 I/O端口又稱為I/O接口，也叫做I/O通道或I/O通路。I/O端口是MCS-51

12、單片機對外部實現(xiàn)控制和信息交換的必經(jīng)之路，是一個過渡的集成電路，用于信息傳送過程中的速度匹配和增強它的負載能力。 1并行I/O端口 8051有4個并行I/O端口，分別命名為PO、Pl、P2和P3，在這4個并行I/O端口中，每個端口都有雙向I/O功能。 4個端口在進行I/O方式時，特性基本相同，共有寫端口、讀端口和讀引腳三種操作方式： 作為輸出口用時，內(nèi)部帶鎖存器，故可以直接和外設相連，不必外加鎖存器。 作為輸入口用時，都有兩種工作方式，即“讀端口”和“讀引腳”。 讀端口時實際上并不是從外部讀入數(shù)據(jù)，而只是把端口鎖存器中的內(nèi)容讀入到內(nèi)部總線，經(jīng)過某種運算和變換后，再寫回到端口鎖存器。屬于這種方式

13、的指令稱為“讀-改-寫”指令。 讀引腳時才真正地把從外部加到引腳上的輸入數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)部總線。 注意，在從外部讀入數(shù)據(jù)時，也就是讀引腳時，要先通過指令，將端口鎖存器置1，然后再進行讀引腳操作，否則就可能讀入出錯。 PO口、P2口和P3口除可用作通用的I/O外，還具有特殊的功能。例如，當向外部存儲器讀寫信號時，PO口就分時地作為低8位地址線和數(shù)據(jù)總線使用，P2口可用作高8位地址線使用，等等。P3口除可以作為通用I/O口使用外，每位都有各自的第二功能。P3口的位第二功能注釋P3.0RXD串行數(shù)據(jù)接收口P3.1TXD串行數(shù)據(jù)發(fā)送口P3.2外中斷0輸入P3.3外中斷1輸入P3.4T0 計數(shù)器0計數(shù)輸入P

14、3.5T1 計數(shù)器1計數(shù)輸入P3.6外部RAM寫選通信號P3.7外部RAM讀選通信號 2串行I/O端口 8051內(nèi)部有一個全雙工的可編程串行I/O端口。 3.1.4 定時/計數(shù)器 8051內(nèi)部有兩個16位可編程定時計數(shù)器，記為T0和T1。T0由兩個8位寄存器THO和TLO拼裝而成，其中THO為高8位，TLO為低8位。 可編程是指它們的工作方式可以由指令來設定：或者當計數(shù)器用，或者當定時器用，并且計數(shù)（定時）的范圍也可以由指令來設置。對TO和T1的控制由兩個8位特殊功能寄存器完成：一個稱為定時器方式選擇寄存器TMOD，用于確定是定時器還是計數(shù)器工作模式；另一個叫做定時器控制寄存器TCON，可以決

15、定定時器或計數(shù)器的啟動、停止以及進行中斷控制。 3.1.5 中斷系統(tǒng) 計算機中的中斷是指CPU暫停原程序執(zhí)行轉(zhuǎn)而為外部設備服務（執(zhí)行中斷服務程序），并在服務完后回到原程序執(zhí)行的過程。中斷系統(tǒng)是指能夠處理上述中斷過程所需要的那部分電路。 中斷源是指能產(chǎn)生中斷請求信號的源泉。8051的中斷系統(tǒng)允許接受5個獨立的中斷源：外部中斷源有兩個，通常指外部設備；內(nèi)部中斷源有三個，兩個定時計數(shù)器中斷源和一個串行口中斷源。 8051的中斷系統(tǒng)主要由中斷允許控制寄存器IE (Interrupt Enable)和中斷優(yōu)先級控制器IP等電路組成。 3.2 MCS-51單片機的引腳及其功能 8051有40條引腳，共分為

16、端口線、電源線和控制線三類。 1端口線（48=32條）P0.7PO.0：這組引腳共有8條，為PO口所專用。這8條引腳共有兩種不同的功能，第一種作為通用I/O口使用，用于傳送CPU的輸入輸出數(shù)據(jù)。第二種在CPU訪問片外存儲器時先是用于傳送片外存儲器的低8位地址，然后傳送CPU對片外存儲器的讀寫數(shù)據(jù)。 Pl.7P1.O：當Pl口作為通用I/O使用時，Pl.7P1.O的功能和PO口的第一功能相同，也用于傳送用戶的輸入輸出數(shù)據(jù)。 P2.7P2.0：這組引腳的第一功能和上述引腳相同，即它可以作為通用I/O使用。它的第二功能用于輸出片外存儲器的高8位地址。 P3.7P3.0：這組引腳的第一功能和其余三個端

17、口的第一功能相同。第二功能作控制用，每個引腳并不完全相同，如表3-4所示。 2電源線（2條） VCC為+5V電源線，VSS為接地線。 3控制線（6條） ALE/ ：地址鎖存允許編程線，配合P0口引腳的第二功能使用。即在訪問片外存儲器時其下降沿用于把這個片外存儲器低8位地址鎖存到外部專用地址鎖存器。/EA/VPP：允許訪問片外存儲器編程電源線。它可以控制8051使用片內(nèi)ROM還是使用片外ROM。若/EA =1，則允許使用片內(nèi)ROM；若/EA =0，則允許使用片外ROM。 /PSEN：片外ROM選通線。在執(zhí)行訪問片外ROM的指令MOVC時，8051自動在 /PSEN線上產(chǎn)生一個負脈沖，用于為片外R

18、OM芯片的選通。 RSTVPD：復位備用電源線，可以使8051處于復位（即初始化）工作狀態(tài)。 RSTVPD的第二功能是作為備用電源輸入端。當主電源VCC發(fā)生故障而降低到規(guī)定低電平時，RSTVPD線上的備用電源自動投入，以保證片內(nèi)RAM中信息不丟失。XTAL1和XTAL2：在使用單片機內(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（圖3-9）。在使用外部時鐘時，則用來輸入時鐘脈沖，常用的幾種電路結(jié)構(gòu)如圖3-10所示。3.3 MCS-51單片機的工作方式 3.3.1 復位方式 條件：RST引腳是高電平，并且持續(xù)時間要有24個時鐘周期以上。 中央處理器CPU以及其他功能部件都處于一個確定的初始

19、狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。 寄存器名內(nèi) 容寄存器名內(nèi) 容 PC 0000H TCON 00H ACC 00H TH0 00H B 00H TL0 00H PSW 00H TH1 00H SP 07H TL1 00H DPTR 0000H TH2（8052） 00H P0P3 FFH TL2（8052） 00HIP（8051）00000BRCAP2H（8052） 00HIP（8052） 000000BRCAP2L（8052） 00HIE（8051）000000B SCON 00HIE（8052） 0000000B PCON（HMOS）0B SBUF 不定PCON（CHMOS） 00000B T

20、MOD 00H3.3.2 程序執(zhí)行方式 程序執(zhí)行方式是單片機的基本工作方式，通?？梢苑譃閱尾綀?zhí)行和連續(xù)執(zhí)行兩種工作方式。1單步執(zhí)行方式 單步執(zhí)行方式是指單片機在控制面板上的某個按鈕（即單步執(zhí)行鍵）控制下逐條執(zhí)行用戶程序中指令的方式，即按一次鍵，執(zhí)行一條指令。單步執(zhí)行方式常常用于用戶程序的調(diào)試。LOOPl:JNB P3.2，LOOP1；若/INT0=0，則不往下執(zhí)行LOOP2:JB P3.2，LOOP2；若/INT0=1,則不往下執(zhí)行RETI并返回用戶程序中執(zhí)行一條用戶指令，這條用戶指令執(zhí)行完后，單片機又自動回到上述中斷服務程序執(zhí)行，并等待用戶再次按下單步執(zhí)行鍵。 2連續(xù)執(zhí)行方式 由于單片機復位

21、后PC= OOOOH，因此機器在加電或按鈕復位后總是轉(zhuǎn)到OOOOH處執(zhí)行程序，這就可以預先在OOOOH處放一條轉(zhuǎn)移指令，以便跳轉(zhuǎn)到真正的程序入口地址處。3.3.3 節(jié)電工作方式 節(jié)電方式是一種能減少單片機功耗的工作方式，通常可以分為空閑（等待）方式和掉電（停機）方式兩種，只有CHMOS型器件才有這種工作方式。 CHMOS型單片機的節(jié)電方式是由特殊功能寄存器PCON控制的，PCON各位定義為：PCON.7PCON.6PCON.5PCON.4PCON.3PCON.2PCON.1PCON.0SMOD-GF1GF0PDIDL 1掉電方式 80C31執(zhí)行如下指令便可進入掉電方式： MOV PCON,#0

22、2H ；PD1 片內(nèi)所有功能部件停止工作，但片內(nèi)RAM和特殊功能寄存器中的內(nèi)容保持不變 在掉電期間，VCC電源可以降為2V 80C31從掉電狀態(tài)退出的唯一方法是硬件復位 ,復位以后SFR被重新初始化，但RAM中的內(nèi)容保持不變 2空閑方式 80C31執(zhí)行如下指令可以進入空閑方式： MOV PCON,#O1H ；IDL1 CPU進入空閑狀態(tài)后是不工作的，但各功能部件保持了進入空閑狀態(tài)前的內(nèi)容，且消耗功耗很少。 CHMOS型器件退出空閑狀態(tài)有兩種方法。一種是讓被允許中斷的中斷源發(fā)出中斷請求;另一種使CPU退出空閑狀態(tài)的方法是硬件復位，圖3-12 80C31系統(tǒng)供電框圖3.3.4 編程和校驗方式 編程

23、是指利用特殊手段對單片機片內(nèi)EPROM進行寫操作的過程，校驗則是對剛剛寫入的程序代碼進行讀出驗證的過程。因此，單片機的編程和校驗方式只有EPROM型器件才有，如8751這樣的器件。 8751和8051類似，只是8751片內(nèi)的4KB程序存儲器是EPROM型的，不像8051那樣是ROM型的。8751片內(nèi)EPROM有編程、校驗和保密編程三種工作方式。3.4 MCS-51單片機的時序 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。3.4.1 機器周期和指令周期 1時鐘周期 時鐘周期T又稱為振蕩周期，由單片機片內(nèi)振蕩電路OSC產(chǎn)生，常定義為時鐘脈沖頻率的倒數(shù)，是時序中最小的時間單位。 2機器周期 機器周期定義為實現(xiàn)特定功能所需的時間，通常由若干時鐘周期T構(gòu)成。因此，微型計算機的機器周期常常按其功能來命名，且不同機器周期所包含的時鐘周期的個數(shù)也不相同。 MCS-51的機器周期沒有采用上述方案，它的機器周期時間是固定不變的，均由12個時鐘周期T組成，分為6個狀態(tài)(S1S6)，每個狀態(tài)又分為Pl和P2兩拍。 3指令周期 指令周期是時序中的最大時間單位，定義為執(zhí)行一條指令所需的時間。由于機器