第1章-MCS-51單片機結(jié)構(gòu)

1、彭周華11.1 MCS-51單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)1.2 存 儲 器1.3 特殊功能寄存器1.4 時鐘電路與復(fù)位電路 1.5 引腳功能1.6 小 結(jié) 2 2nMCS-51系列單片機型號：普通型普通型（5151子系列）子系列）80318031、80518051、87518751、89C5189C51、89S5189S51等。等。增強型增強型（5252子系列）子系列）8032、8052、8752、89C52、89S52等。n它們的結(jié)構(gòu)基本相同，其主要差別反映在存儲器的配置上。增強型的存儲容量為普通型的一倍。n本課以 8XX51 系列的單片機為代表講授。3 3P3P1 P2 可編程可編程 串行串行I/O口口

2、P0外部中斷外部中斷基準(zhǔn)頻率源基準(zhǔn)頻率源控制控制 128B數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)存儲器CPU 4KB程序存儲器程序存儲器 2個個16位位定時定時/計數(shù)器計數(shù)器 64KB總線擴展控制總線擴展控制 可編程可編程并行并行I/O口口內(nèi)部中斷內(nèi)部中斷計數(shù)脈沖計數(shù)脈沖串行輸出串行輸出串行輸入串行輸入振蕩器及振蕩器及時鐘時鐘電路電路4 4nCPU是單片機的核心部件，由運算器和控制器等部件組成運算器的功能： 算術(shù)運算：加、減、乘、除、加1、減1、比較、BCD碼十進制調(diào)整等。 邏輯運算：與、或、異或、求反、循環(huán)等邏輯操作。 位操作：內(nèi)部有布爾處理器，它以進位標(biāo)志位C為位累加器，用來處理位操作。置 1、清0 、取反、位判

3、斷等。5 5n程序計數(shù)器PC是16位的寄存器，用來存放即將要執(zhí)行的指令地址，可對64KB程序存儲器直接尋址。n執(zhí)行指令時，PC內(nèi)容的低8位經(jīng)P0口輸出，高8位經(jīng)P2口輸出。n指令寄存器中存放指令代碼。nCPU執(zhí)行指令時，將程序存儲器中讀取的指令代碼送入指令存儲器，經(jīng)指令譯碼器譯碼后，由時鐘與控制電路發(fā)出相應(yīng)的控制信號，完成指令功能。6 6n用于存放程序和數(shù)據(jù)。 n存儲器由許多單元組成，每個單元有一個編號（地址）。n一個單元存放一個8位二進制數(shù)（內(nèi)容），當(dāng)一個數(shù)據(jù)多于8位時，就需要多個單元來存放。FFH90H02H00H01H 3AH00H78H7 7n存儲器分為兩種類型 ROM：用來存放程序、

4、常數(shù)-程序存儲器程序存儲器； RAM：存放程序運行中所需的變量或運算結(jié)果-數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)存儲器8 8n普林斯頓結(jié)構(gòu)：只有一個地址空間，RAM和ROM安排在一個空間的不同區(qū)域，CPU訪問RAM和訪問ROM使用相同的指令。如8086、奔騰系列微機、ARM7。FFFFHRAMROM0000H9 9馮-諾依曼(1903-1957)n哈佛結(jié)構(gòu)：RAM和ROM有兩個不同的地址空間，RAM和ROM可以有相同的地址，CPU訪問RAM和訪問ROM使用不同的指令、不同的控制信號。 如51系列單片機,ARM9 FFFFHRAM0000HFFFFHROM0000H1010哈佛結(jié)構(gòu)（Harvard）是哈佛大學(xué)物理學(xué)家A

5、Howard于1930年提出來的。n 從物理空間看，MCS-51單片機有四個存儲器地址空間 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器、片內(nèi)程序存儲器 片外數(shù)據(jù)存儲器、片外程序存儲器 8XX51MCS-51存儲器物理結(jié)構(gòu)1111n從邏輯上看,MCS-51有三個存儲器空間： 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器 片外數(shù)據(jù)存儲器 片內(nèi)、片外的程序存儲器（統(tǒng)一編址）8XX5100H7FH0FFFH0000H1000HFFFFH0000HFFFFH (EA=1)8XX5100H7FH0000HFFFFH0000HFFFFH (EA=0) 圖1.3 MCS-51單片機的存儲器邏輯結(jié)構(gòu)1212n用來存放編制好的始終保留的固定程序、表格、常數(shù)。程序存儲器以

6、程序計數(shù)器PC作為地址指針，通過16位地址總線，可尋址的地址空間為64KB。n在8051/8751/89C51片內(nèi)，分別內(nèi)置最低地址空間的4KB ROM/EPROM程序存儲器。n在8031片內(nèi)，則無內(nèi)部程序存儲器，必須外部擴展EPROM（外部程序存儲器）。1313n8031單片機無內(nèi)部程序存儲器，地址從0000HFFFFH都是外部程序存儲空間。EA引腳應(yīng)始終接地。n訪問外部程序存儲器使用MOVC指令。n對于內(nèi)部有ROM的單片機,EA引腳接高電平，使程序從內(nèi)部ROM開始執(zhí)行。當(dāng)PC值超出內(nèi)部ROM的容量時，會自動轉(zhuǎn)向外部程序存儲器空間。外部程序存儲器地址空間為1000HFFFFH。1414n 5

7、1系列單片機執(zhí)行程序時，由程序計數(shù)器PC指示指令地址，單片機復(fù)位后，PC=0000H，因此系統(tǒng)從0000H單元開始取指令，并執(zhí)行程序。 地址 用途 0000H 復(fù)位操作后的程序入口 0003H 外部中斷0服務(wù)程序入口 000BH 定時器0中斷服務(wù)程序入口 0013H 外部中斷1服務(wù)程序入口 001BH 定時器1中斷服務(wù)程序入口 0023H 串行口中斷服務(wù)程序入口1515nMCS-51單片機最多可擴展64KB外部數(shù)據(jù)存儲器(RAM)和外部I/O端口地址。nMCS-51單片機的外部數(shù)據(jù)存儲器和外部I/O端口實行統(tǒng)一編址 ，并使用相同的RD,WR作選通控制信號，均使用MOVX指令訪問。1616n內(nèi)部

8、數(shù)據(jù)存儲器是使用最多的地址空間，所有操作指令（算術(shù)運算、邏輯運算、位操作運算等）的操作數(shù)只能存儲在此地址空間或特殊功能寄存器地址空間中。n51系列單片機，只有128BRAM，地址00H7FH， 80HFFH 為SFR（特殊功能寄存器）地址空間。8XX51基本型00H7FH80HFFH1717n52 系列單片機（增強型），有256BRAM，地址00HFFH，高128字節(jié)RAM和SFR的地址重合。8XX528XX52增強型增強型80HFFH地址重合00H7FH80HFFH1818n靠尋址方式來區(qū)分訪問的區(qū)域： 高128B RAM采用寄存器間接尋址方式； SFR只能采用直接尋址方式； 低128B R

9、AM兩種方式均可。n地址范圍為007FH的低128BRAM使用分配如表1.1。1919n分四組（03組），每組有8個寄存器R0R7。 用途： 作通用寄存器R0R7。 R0與R1可作間址寄存器使用。32個單元的寄存器區(qū)分為四組，使用時只能選其中一組寄存器。 一旦選中一組，其它三組只能作為通用RAM使用，而不能作為寄存器使用。2121n寄存器的選組由程序狀態(tài)字PSW的RS1和RS0位定。 RS1 RS0 選寄存器組 0 0 0組 0 1 1組 1 0 2組 1 1 3組 n初始化時或復(fù)位時，自動選中0組。n設(shè)置多組寄存器可以方便2222n 共16個單元，每單元有八個位，共128位，每位有一個位地址

10、，位地址范圍為00H7FH，該區(qū)既可位尋址，又可字節(jié)尋址。如 MOV 20H，C (這里C是Cy進位標(biāo)志位），該指令是將Cy內(nèi)容送20H位,如果Cy1，位20H值為“1”。而MOV A，20H是將地址為20H單元的內(nèi)容送至累加器A。23238XX51單片機的設(shè)在內(nèi)部RAM區(qū)，深度不大于128字節(jié)初始化時堆棧指針SP指向07H。2424P2,P5,P7,P8n 51單片機共有21個字節(jié)的特殊功能寄存器(SFR Special Function Register）(80H-FFH)n 設(shè)置電路運行方式，記錄電路運行狀態(tài)，并表明相關(guān)標(biāo)志，并行和串行I/O端口映射到特殊功能寄存器。n 21個SFR不連

11、續(xù)地分布在80HFFH128個字節(jié)地址空間。25251-26272721個特殊功能寄存器的名稱及主要功能:1.A-Accumulator-累加器: 帶有全零標(biāo)志Z，A=0則Z=1；A0則Z=0。該標(biāo)志常用于程序分支轉(zhuǎn)移的判斷條件。2.B-寄存器: 常用于乘除法運算。3.PSW-Program Status Word-程序狀態(tài)字:主要起著標(biāo)志寄存器的作用，其8位定義見表1-2。 D7 D7 D6 D6 D5 D5 D4 D4 D3 D3 D2 D2 D1 D1 D0 D0 CY CY AC AC F0 F0RS1RS1RS0RS0OVOV P P位名稱位名稱位地址位地址2828 D7 D7 D6

12、 D6 D5 D5 D4 D4 D3 D3 D2 D2 D1 D1 D0 D0 CY CY AC AC F0 F0RS1RS1RS0RS0OVOV P P位名稱位名稱位地址位地址3.7.CY-Carry-進/借位標(biāo)志。反映最高位的進位/借位情況，加法為進位；減法為借位。 CY=1：有進/借位 ； CY=0：無進/借位。3.6.AC-Acid Carry-輔助進/借位標(biāo)志。反映高半字節(jié)與低半字節(jié)之間的進/借位，AC=1：有進/借位； AC=0：無進/借位 。 3.5.F0-Flag 0-用戶標(biāo)志位?？捎捎脩粼O(shè)定其含義。3.4,3.RS1，RS0-Register Selection 1,0-工作

13、寄存器組選擇位。 2929 D7 D7 D6 D6 D5 D5 D4 D4 D3 D3 D2 D2 D1 D1 D0 D0 CY CY AC AC F0 F0RS1RS1RS0RS0OVOV P P位名稱位名稱位地址位地址3.2.OV-OVER-溢出標(biāo)志。反映補碼運算的運算結(jié)果有無溢出n有溢出 OV=1；無溢出OV=0。3.1.-：無效位。3.0.P-Parity-奇偶標(biāo)志。反映A累加器中1個數(shù)的奇偶。n有奇數(shù)個1：P=1；有偶數(shù)個1：P=0。30304.SP-Stack Pointer-堆棧指針。8XX51單片機的堆棧設(shè)在片內(nèi)RAM， 對堆棧的操作包括壓入（PUSH）和彈出（POP）兩種方式

14、，并且遵循后進先出的原則，按字節(jié)進行操作。n復(fù)位后SP=07Hn指示堆棧棧頂n向上生長先加后壓，先彈后減3131RAM07HSP堆棧區(qū)07H5.DPTR-Data Pointer-數(shù)據(jù)指針寄存器。用來存放16位地址值，以便用間接尋址或變址尋址片外存儲器。DPTR可分成DPL和DPH兩個8位寄存器分別使用。6.P0-P3-Port0-Port3-I/O端口寄存器。稱為四個并行I/O端口的映射寄存器。通過對該寄存器的讀/寫，可實現(xiàn)從相應(yīng)I/O端口的輸入/輸出。實際為P0-P3口的鎖存器。3232例：指令 MOV P1，A n 實現(xiàn)了把A累加器中的內(nèi)容從P1端口輸出。例：指令 MOV A，P3n 實

15、現(xiàn)了把P3端口上的信息輸入到A中。33337.IP-Interrupt Priority-中斷優(yōu)先級控制寄存器8.IE-Interrupt Enable-中斷允許控制寄存器 3434 D7 D7 D6 D6 D5 D5 D4 D4 D3 D3 D2 D2 D1 D1 D0 D0 PSPSPT1PT1PX1PX1 PT0 PT0 PX0 PX0IPIPB8HB8HIEIEA8HA8H D7 D7 D6 D6 D5 D5 D4 D4 D3 D3 D2 D2 D1 D1 D0 D0 EA EA ESESET1ET1EX1EX1 ET0 ET0 EX0 EX09.TMOD-Timer Mode-定時/

16、計數(shù)器方式控制寄存器10.TCON-Timer Control-定時/計數(shù)器控制寄存器11.TH0-TL0-Timer High-Timer Low-定時/計數(shù)器012.TH1-TL1-定時/計數(shù)器13535兩個16位的定時器T1,T0,各自由兩個8位的寄存器組成。TH0,TL0,TH1,TL1只能按字節(jié)尋址，不能把T1,T0當(dāng)成一個十六位的寄存器來訪問。13.SCON-Serial Control-串行端口控制寄存器14.SBUF-Serial Buffer-串行數(shù)據(jù)緩沖器15.PCON-Power Control-電源控制寄存器3636存放欲發(fā)送或已接受的數(shù)據(jù)，一個字節(jié)地址。物理上是由兩個

17、獨立的寄存器組成，一個是發(fā)送緩沖器，一個是接受緩沖器。n211個尋址位（內(nèi)部RAM128+SFR中83個）位地址范圍00H-FFHn內(nèi)部RAM中可尋址128個（字節(jié)地址20H-2FH）nSFR中可位尋址83個（不連續(xù)分布）。373738383939寄存器區(qū)位尋址區(qū)通用RAM區(qū)SFR區(qū)00H-1FH20H-2FH30H-7FH80H-FFHF0HE0HD0HB8HB0HA8HA0H98H90H88H80H可位尋址的SFR外部RAM區(qū)與I/O口地址0000HFFFFH外部ROM區(qū)內(nèi)部ROM區(qū)(EA=1)外部ROM區(qū)(EA=0)0000H0FFFH1000HFFFFH0000H0FFFHn時鐘電路：

18、提供時鐘信號-單片機內(nèi)各種操作的時間基準(zhǔn)。XTAL1XTAL2GND8XX51C01C02圖1-3 內(nèi)部振蕩方式n8XX51單片機的時鐘電路有兩種形式：內(nèi)部振蕩方式和外部振蕩方式。（1）內(nèi)部振蕩方式：n引腳XTAL1和XTAL2外接晶體振蕩器。4040n內(nèi)部集成了一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器n晶體的振蕩頻率6M-24MHZnC01-C02的取值范圍:5-30pfn作用：穩(wěn)定振蕩頻率，快速起振。4141XTAL1GND8XX51XTAL01C01C02圖1-3 內(nèi)部振蕩方式外部時鐘XTAL1XTAL2GND8XX51懸空外部時鐘XTAL1XTAL2GND懸空CHMOSHMOS外部振蕩方式

19、8XX51（2）外部振蕩方式n將已有的時鐘信號引入單片機,由外電路產(chǎn)生。n常用于多51單片機同時工作。nCHMOS的單片機，外部時鐘信號由XTAL1引入。nHMOS的單片機，外部時鐘信號由XTAL2引入。4242單片機的時序單位有：n時鐘周期：晶振的振蕩周期，為最小的時序單位，是單片機工作的基本時間單位。晶體的振蕩頻率為fosc,則時鐘周期為Tosc=1/fosc如fosc=6MHZ,Tosc=166.7nsn狀態(tài)周期：振蕩頻率經(jīng)單片機內(nèi)的二分頻器分頻后提供給片內(nèi)CPU的時鐘周期。因此，一個狀態(tài)周期包含2個振蕩周期。晶體的振蕩頻率為fosc,則狀態(tài)周期為Tosc=2/fosc4343n機器周期

20、（MCMachine Cycle）：是計算機執(zhí)行一種基本操作的時間單位。 1個機器周期由6個狀態(tài)周期或12個時鐘周期組成。晶體的振蕩頻率為fosc,則機器周期為Tosc=12/fosc4444n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-P2.因此一個機器周期可以表示為：S1P1, S1P2, S2P1, , S6P2.4545n指令周期：執(zhí)行一條指令所需的時間，依據(jù)指令不同而不同。通常為完成取址，譯碼，執(zhí)行三個過程所需的時間。 一個指令周期由14個機器周期組成。4646n時鐘電路nCPU時序(時鐘周期，狀態(tài)周期，機器周期)4747XTAL1XTAL2GND8XX51C01C

21、02內(nèi)部振蕩方式XTAL1XTAL2GND8XX51外部振蕩方式例：單片機外接晶振頻率6MHZ時的各種時序單位：振蕩周期=1/fosc=1/6MHZ狀態(tài)周期=2/fosc=2/6MHZ機器周期=12/fosc=12/6MHZ=2us指令周期=(14)機器周期=28us 4848n復(fù)位操作是將單片機的片內(nèi)電路初始化，使單片機從一種確定的狀態(tài)開始運行。n當(dāng)MCS-51系列單片機的復(fù)位引腳 RST出現(xiàn) 5ms以上的高電平時，單片機就完成了復(fù)位操作。如果RST持續(xù)為高電平，單片機就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。n復(fù)位操作通常有2種基本形式：上電復(fù)位: 要求接通電源后，自動實現(xiàn)復(fù)位。 開關(guān)復(fù)位: 要求在電源接通的條

22、件下，在單片機運行期間，用接鈕開關(guān)操作使單片機復(fù)位。4949n上電復(fù)位：上電后，由于電容兩端電壓不能突變，RST為高電平。電容充電，使 RST持續(xù)一段高電平時間。n通常選擇C=10-30f , R=10-1K。n開關(guān)復(fù)位：當(dāng)單片機已在運行過程中時，按下復(fù)位鍵，也能使 RST持續(xù)一段時間的高電平。RST8XX51RCVCC圖1-5 復(fù)位電路n 復(fù)位操作是使SFR寄存器進入初始化，不改變片內(nèi)RAM區(qū)中的內(nèi)容。5151n 51系列單片機有40引腳的方形封裝（PLCC）,44方型扁平式封裝（PQFP）和40個引腳的雙列直插式封裝（DIP）形式。52525353n常用51單片機封裝實物圖nRST：復(fù)位信號輸入。接備用電源，當(dāng)VCC掉電后，在低功耗條件下保持內(nèi)部RAM中的數(shù)nXTAL1-XTAL2晶振輸入接口nVCC 電源nGND 地5454nEA/VPP：EA =0單片機只訪問外部程序存儲器。EA =1單片機先訪問內(nèi)部程序存儲器，自動轉(zhuǎn)向外部存儲區(qū)。在8751單片機片內(nèi)EPROM編程期間，此引腳引入21V編程電源VPP。nALE/PROG： ALE 地址鎖存允