第3章MCS51單片機的結構和原理

單片機原理及應用1課程特點及要求課程特點歸屬專業(yè)基礎課，理論和實踐性強，知識點多、內容抽象。課程要求先修課程：數(shù)字電路、微機原理要求：課前預習、認真聽課、課后復習、動手實踐課程安排總學時：32課堂：24實驗：8課程考核方式平時：10%實驗：10%期末：80%

教學要求掌握內容

單片機基本工作原理

單片機匯編語言程序設計

單片機接口技術教學目標

具備單片機軟/硬開發(fā)的基本能力3單片機概念將CPU、RAM、ROM、定時/計數(shù)器和多種I/O接口電路等都集成一塊集成電路芯片上的微型計算機稱為單片機或微控制器。

單片機是經(jīng)典的嵌入式系統(tǒng)，具有唯一的專門為嵌入式應用設計的體系結構及指令系統(tǒng)。現(xiàn)代計算機技術通用計算機系統(tǒng)的技術要求：高速、海量的數(shù)值計算發(fā)展方向：總線速度的無限提升，存儲容量的無限擴大

嵌入式計算機系統(tǒng)的技術要求：對象的智能化控制能力發(fā)展方向：與對象系統(tǒng)密切相關的嵌入性能、控制能力與控制的可靠性單片機的基本結構CPU字長：4位、8位、16位、32位

存儲器ROM(程序存儲器，容量大)和RAM(數(shù)據(jù)存儲器，容量小)I/O接口串行和并行

特殊功能部件定時器/計數(shù)器、A/D、D/A單片機的發(fā)展初始階段（74-76年）：4位單片機，功能較簡單探索階段（76-78年）：低中檔8位單片機Intel公司的MCS-48系列單片機完善階段（78-82年）：高檔8位Intel公司的MCS-51系列單片機鞏固發(fā)展階段（82-90年）：推出16位單片機Intel公司的16位MCS-96系列單片機全面發(fā)展階段（90年到今）：推出適合不同領域要求的單片機各種高速、大存儲容量、強運算能力的8位/16位/32位通用型單片機及用于單一領域的專用型單片機。

單片機的發(fā)展趨勢CMOS化：單片機將具有更低的功耗、更低的電壓片內存儲器大容量化高性能化：RISC結構和流水線技術將廣泛應用外圍電路內裝化（微型單片化）：把各種外圍功能器件（如：ADC，DAC，PWM等）集成在片內串行擴展技術：引入SPI、I2C、MICROWIRE等串行總線，使單片機的引腳設計得更少，結構更簡化高可靠性：提高單片機抗電磁干擾能力

單片機的特點及其應用單片機的特點性價格比高集成度高、體積小、可靠性高控制功能強系統(tǒng)功能擴展性強、配置較典型、規(guī)范外部總線豐富低功耗器件10單片機的類型

通用型單片機

特點

常用芯片

硬件電路設計簡單，軟件開發(fā)容易用單芯片就可完成系統(tǒng)設計11單片機的類型

專用型單片機

根據(jù)特殊要求而設計的單片機

在單片中加入更強的數(shù)據(jù)處理能力（DSP）

常用芯片TI公司用于信號處理單片機TMS320系列

AD公司用于信號處理單片機ADSP2106系列注:本課程講授通用型單片機的原理與應用單片機的應用機電一體化設備的控制核心數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的前端采集單元分布式控制系統(tǒng)的前端控制單元智能化儀器儀表的控制機芯消費類電子產品的控制機芯終端及外部設備的控制機芯單片機系統(tǒng)的開發(fā)過程設計硬件電路制作PCB板器件的安裝焊接編寫應用程序調試軟硬件燒寫程序實際應用14第三章MCS-51單片機的結構和原理

MCS-51系列單片機的結構8051單片機的引腳及其功能MCS-51單片機的工作方式MCS-51單片機的工作時序MCS-51單片機外部存儲器的擴展MCS-51單片機的分類兩個子系列和4種類型51子系列是基本型，而52子系列屬于增強型16§3.1MCS-51系列單片機的結構

MCS-51單片機的基本結構（圖3-1）

CPU及內部總線內部ROM和內部RAM

4個8位I/O口——P0、P1、P2、P3

可屏蔽中斷系統(tǒng)

MCS-51單片機結構上的兩個特點I/O端口與三總線（AB、DB、CB）共用ROM（程序存儲器）和RAM（數(shù)據(jù)存儲器）分開17§3.1MCS-51系列單片機的結構

MCS-51單片機的基本組成

芯片寄存器由內部RAM的特定單元構成

4個8位I/O口應用靈活

P0~P3用于輸入/輸出并可位操作

P0口可為外部存儲器的8位數(shù)據(jù)線

P0、P2口可為外部存儲器的16位地址線

P3口可用于定時/計數(shù)器中斷、外部中斷、

串行通信中斷及讀寫控制

ROM、RAM分別尋址

18§3.1

MCS-51系列單片機的結構

MCS-51單片機系列芯片

按片內ROM、RAM容量分

按是否有片內ROM分

按制造工藝材料分

按特殊要求分8051芯片的片內ROM為4KB、RAM為128B8052芯片的片內ROM為8KB、RAM為256B8051有4KB的片內ROM8031無片內ROMTTL型高功耗8051CMOS型低功耗80C518051有2個16位計數(shù)器，可有5個中斷源8052有3個16位計數(shù)器，可有6個中斷源19§3.1：MCS-51系列單片機的結構

51單片機系列

原始版

Intel公司的MCS-48、MCS-51系列

兼容版

Atmel公司的AT89XX系列

Philips公司的PCF80C5XX系列已不用大量用20§3.1

MCS-51系列單片機的結構

熟悉8051內部結構框圖掌握8051片內ROM、RAM結構掌握8051片內寄存器與RAM的關系掌握程序狀態(tài)字（寄存器）PSW的作用掌握堆棧指針SP的特點掌握P0、P1、P2、P3口的功能和應用

8051單片機芯片的內部結構21§3.1：MCS-51系列單片機的結構

8051內部結構框圖（圖3.2）

與其它CPU的共同點

與其它CPU的不同點運算器、控制器、寄存器、總線接口

無獨立寄存器硬件（除TMP外），由片內RAM中的特定單元組成可尋址64KB的ROM和64KB的RAM

程序指針為16位的PC寄存器數(shù)據(jù)指針為16位的DPTR寄存器標志寄存器與程序狀態(tài)寄存器其它CPU將運算結果狀態(tài)放入標志寄存器FR

8051將運算結果狀態(tài)放入程序狀態(tài)字（寄存器）PSW22§3.1

MCS-51系列單片機的結構

8051系統(tǒng)RAM結構RAM的分配RAM的使用

256字節(jié)的片內RAM，地址范圍為00H~FFH

64KB的片外RAM，地址范圍為0000H~FFFFH

訪問片內RAM用指令MOV類訪問片外RAM用指令MOVX類注:片內外RAM分別獨立，使用不同的指令尋址23

8051

RAM（數(shù)據(jù)存儲器）配置圖片外RAM控制信號：/RD、/WRMOV指令訪問MOVX指令訪問片內數(shù)據(jù)存儲器片外數(shù)據(jù)存儲器低128B高128B24§3.1：MCS-51系列單片機的結構

8051的系統(tǒng)ROM結構ROM的分配ROM的使用

4KB的片內ROM，地址范圍為0000H~0FFFH

64KB的片外ROM，地址范圍為0000H~FFFFH

當控制線/EA=1時，片內外

ROM統(tǒng)一編址

PC≤0FFFH時訪問片內ROM

PC≥1000H時訪問片外ROM

當控制線/EA=0時，僅訪問片外ROM

片外ROM地址范圍為0000H~FFFFH

注:片內外ROM統(tǒng)一使用，控制線/EA選擇控制258051

ROM（程序存儲器）配置圖ROM片內外識別控制信號：/EA/EA=1時，從片內外ROM取指令；/EA=0時，只從片外ROM取指令外部ROM26§3.1：MCS-51系列單片機的結構

8051的系統(tǒng)RAM、ROM結構總結

訪問片內外RAM用不同指令識別

訪問片內外ROM用控制線/EA識別

訪問片內RAM用——MOV

訪問片外RAM用——MOVX

訪問片內外

ROM時——/EA=1

僅訪問片外

ROM時——/EA=027§3.1：MCS-51系列單片機的結構

8051片內RAM的分配00H1FH20H2FH30H7FH80HFFH00H1FH工作寄存器組可位尋址區(qū)僅字節(jié)尋址區(qū)寄存器借用區(qū)00HFFH256個字節(jié)單元注意：在任何時刻CPU只能使用其中一組工作寄存器（當前寄存器組）28§3.1：MCS-51系列單片機的結構

128字節(jié)用戶可尋址片內RAM的分配30H~7FH（共80字節(jié)）00H~1FH（共32字節(jié)）20H~2FH（共16字節(jié)）用于通用工作寄存器組，共四組，每組8個工作寄存器，R0~R7（同名）用于可位尋址的RAM操作用于僅字節(jié)尋址的RAM操作29§3.1：MCS-51系列單片機的結構

128字節(jié)特殊功能片內RAM的分配--(SFR)80H~FFH（共128字節(jié)）用于定義功能各異的寄存器

寄存器名、對應RAM地址值、功能表（51頁表3.2）通用寄存器累加器——ACC

乘法寄存器——B

程序狀態(tài)字（寄存器）——PSW指針寄存器8位堆棧指針寄存器——SP16位數(shù)據(jù)指針寄存器——DPTR

（低8位為DPL、高8位為DPH）

注:程序計數(shù)器（指針）PC未占用RAM單元6個30§3.1：MCS-51系列單片機的結構

128字節(jié)特殊功能片內RAM的分配（續(xù)）

專用（特殊功能）寄存器(15個)

8位I/O口專用寄存器——P0、P1、P2、P3

8位中斷允許寄存器——IE

8位中斷優(yōu)先級寄存器——IP

8位串行控制寄存器——SCON

8位電源控制和波特率選擇——PCON

8位串行數(shù)據(jù)緩沖器——SBUF

8位定時控制寄存器——TCON

8位定時方式選擇寄存器——TMOD

16位定時數(shù)據(jù)寄存器——TL0、TH0、TL1、TH131§3.1：MCS-51系列單片機的結構

片內RAM的使用特點128字節(jié)用戶RAM的使用128字節(jié)特殊RAM的使用

工作寄存器R0~R7可用寄存器名訪問工作寄存器R0~R7也可用字節(jié)地址訪問

20H~2FH空間可用字節(jié)地址訪問

20H~2FH空間也可用位地址訪問

30H~7FH空間僅用字節(jié)地址訪問

按寄存器名訪問A、B、P0

按對應存儲器地址訪問E0H、F0H、80H32§3.1：MCS-51系列單片機的結構

片內RAM的位操作

位尋址區(qū)（20H~2FH）的位操作

某些特殊功能寄存器的位操作

字節(jié)地址定義——20H~2FH

位地址定義——00H~7FH

條件——寄存器RAM地址值能被8整除例：累加器A的字節(jié)地址為E0H

位地址為E0H~E7H33片內RAM區(qū)從20H~2FH的位地址表

20H34某些特殊功能寄存器的位地址表

35§3.1：MCS-51系列單片機的結構

位操作中位地址的表示

直接使用位地址

用字節(jié)地址．位表示位地址

用寄存器名．位表示位地址00H——為字節(jié)地址20H中b0位的位地址20H．0——為字節(jié)地址20H中b0位的位地址83H——為P0口中b3位的位地址P0．3——為P0口中b3位的位地址80H．3——為P0口中b3位的位地址好用36

PSW——程序狀態(tài)字（寄存器）CY——無符號數(shù)加減法運算的進位、借位標志

AC——半字節(jié)進位、借位標志

OV——有符號數(shù)加減法運算的溢出標志

P——奇偶校驗標志

F0、F1——用戶自定義標志位

RS0、RS1——工作寄存器組選擇控制注：對應于8086CPU的CF、AF、OF、PF，但無SF、ZF。沒有控制標志位。37

RS1、RS0——工作寄存器的組選擇標志

通用工作寄存器組的RAM地址為00H~1FH

每組工作寄存器的8個8位寄存器名為R0~R7

RS1、RS0與工作寄存器的組名及寄存器地址38

SP——堆棧棧頂指針寄存器

8位堆棧棧頂指針寄存器SPSP的使用特點

定義堆棧深度最大為256個字節(jié)堆棧區(qū)地址為片內RAM的00H~7FH之間堆棧棧頂指針SP的初值為07H（單片機復位時）

MCS-51的堆棧為地址增長型堆棧數(shù)據(jù)入棧時，堆頂指針SP自動加1，即SP=SP+1

數(shù)據(jù)出棧時，堆頂指針SP自動減1，即SP=SP–1一般設置SP=30H或以上（避免切換工作寄存器組時產生沖突）39MCS-51

堆棧操作8051堆棧結構向上生長型（堆棧朝高地址方向發(fā)展）棧底

07HSP=0BH8位操作入棧：先SP←SP＋1，再數(shù)據(jù)入棧出棧：先數(shù)據(jù)出棧，再SP←SP－1箭頭表示數(shù)據(jù)入棧時的存儲器的占用情況正方向40

P0、P1、P2、P3口的功能和特點

可作4個8位并行I/O口使用

可對各口中的某一位進行位操作

存儲器擴展時P0、P2口具有AB/DB第二功能P3口的第二功能為外部中斷、定時中斷、串口中斷、外部RAM、I/O的R/W控制常規(guī)用特殊用41

P0口的功能和特點

當8051僅使用片內RAM、ROM時（最小系統(tǒng)）

當8051要使用片外RAM、ROM時（擴展系統(tǒng)）

P0口作為一般I/O口使用字節(jié)操作時的名——P0

P0口的字節(jié)地址——80H

位操作時的名——P0.0~P0.7

P0口的位地址——80H~87H

P0口作8位數(shù)據(jù)線和16位地址線的低8位即AD0~AD7

需解決數(shù)據(jù)/地址復用線的分離42

P1口的功能和特點

僅作一般I/O口使用

字節(jié)操作時的名——P1

P1口的字節(jié)地址——90H

位操作時的名——P1.0~P1.7

P1口的位地址——90H~97H注：P0~P3口中唯有P1無第二功能43

P2口的功能和特點

當8051僅使用片內RAM、ROM時（最小系統(tǒng)）

當8051要使用片外RAM、ROM時（擴展系統(tǒng)）

P2口作為一般I/O口使用字節(jié)操作時的名——P2

P2口的字節(jié)地址——A0H

位操作時的名——P2.0~P2.7

P2口的位地址——A0H~A7H

P2口作16位地址線的高8位即A8~A15

由于未復用，可直接使用44§3.1：MCS-51系列單片機的結構

P3口的功能和特點

作一般I/O口使用

字節(jié)操作時的名——P3

P2口的字節(jié)地址——B0H

位操作時的名——P3.0~P3.7

P2口的位地址——B0H~B7H

作特殊I/O口使用（按位定義）

P3.0——RXD串行口的輸入

P3.1——TXD串行口的輸出

P3.2——/INT0外部中斷0的中斷請求輸入，低有效

P3.3——/INT1外部中斷1的中斷請求輸入，低有效

P3.4——T0計數(shù)器0的計數(shù)輸入

P3.5——T1計數(shù)器1的計數(shù)輸入

P3.6——/WR外部RAM的寫選通輸出，低有效

P3.7——/RD外部RAM的讀選通輸出，低有效記清楚45§3.1：MCS-51系列單片機的結構

P0~P3口的硬件電路特點（作一般I/O口使用時：準雙向口）

作輸出口使用時內部帶鎖存器作輸入口使用時內部帶緩沖器均具有讀端口和讀引腳功能46§3.1：MCS-51系列單片機的結構

P1口的位硬件電路（54頁圖3.6B）

VCCGND讀引腳控制讀端口控制外引腳內總線DQ/Q上拉電阻47§3.1：MCS-51系列單片機的結構

P1口的位輸出

L電平VCCGND0DQ/Q01場效應管飽和048§3.1：MCS-51系列單片機的結構

P1口的位輸出

H電平VCCGND1DQ/Q10場效應管截止149§3.1：MCS-51系列單片機的結構

P1口的位輸入（場效應管必須截止）

VCCGND讀引腳控制0/11DQ/Q

先寫1

后讀取100/150

P1口的位硬件電路特點總結

當寫入鎖存器Q=H時，讀引腳有效

當寫入鎖存器Q=L時，讀引腳無效

Q=H、/Q=L

場效應管截止，不影響輸入引腳電平

Q=L、/Q=H

場效應管飽和，輸入引腳電平恒為低(常稱“被鎖”)

引腳有內部上拉電阻注：寫操作可直接用寫指令讀操作必須先寫1（解鎖）后用讀指令51

P0口的位硬件電路特點（54

頁圖3.6A）

當控制端使兩路開關MUX在下面時（控制＝0）

當控制端使兩路開關MUX在上面時（控制＝1）P0口作一般I/O口用（同P1口）P0口作數(shù)據(jù)/地址復用線AD0~AD7用

引腳無內部上拉電阻52§3.1：MCS-51系列單片機的結構

P0口的位為一般I/O（控制=0）VCCGND讀引腳控制外引腳內總線DQ/Q053P0口的位為一般I/O（控制=0）

GND讀引腳控制外引腳內總線DQ/Q54

P0口的位為一般I/O輸出（同P1口，為準雙向口）GND外引腳內總線DQ/Q0/10/？VCCP1口作為一般I/O時需外接上拉電阻55P0口的位為一般I/O輸入（先寫1）

GND讀引腳控制外引腳內總線DQ/Q56

P0口的位為一般I/O輸入（先寫1后等效圖）

讀引腳控制外引腳內總線DQ/Q0/10/157

P0口的位為AB/DB（控制=1）：真正的雙向口

VCCGND讀引腳控制外引腳內總線DQ/Q&控制=1AB/DB58

AB/DB輸出0

VCCGND外引腳&控制=1AB/DB001059

AB/DB輸出1

VCCGND外引腳&控制=1AB/DB110160

DB輸入

讀引腳控制外引腳內總線DQ/Q0/10/161

P0口的位硬件電路特點總結

當控制端=0（MUX在下）

當控制端=1（MUX在上）P0口作一般I/O口用（同P1口）：“準雙向”口P0口作數(shù)據(jù)/地址復用線AD0~AD7用：雙向口

引腳無內部上拉電阻P0口作一般I/O口使用時需外加上拉電阻P0口作數(shù)據(jù)/地址復用線使用時無需外加上拉電阻注：上拉電阻在應用中非常重要，實際工程應用中，P0口很少用作I/O口62

P2口的硬件電路特點（54

頁圖3.6C）

當控制端使兩路開關MUX在下邊時

當控制端使兩路開關MUX在上邊時P2口作一般I/O口用（同P1口）P2口作地址線A8~A15用

引腳有內部上拉電阻63

P0~P3口的應用特點總結P0～P3作一般I/O口時，是“準雙向”口，即P0~P3

口寫引腳直接用輸出指令，讀引腳時，先對口寄存器寫1，再讀,例如：

MOVP1,＃0FFH

MOVA,P1P1口僅作I/O口用系統(tǒng)擴展時，P0作AB/DB，是真正的雙向口系統(tǒng)擴展時，P2、P0分別提供高、低8位地址線系統(tǒng)擴展時，P3口的第二功能，提供必要的控制信號64§3.2

8051單片機的引腳及其功能ATMEL單片機AT89S51實物圖65§3.2

8051單片機的引腳及其功能雙列直插式40腳DIP封裝GNDVCC(DualIn－linePackage)

66§3.2

8051單片機的引腳及其功能8051單片機的電路邏輯圖

p30p31p32p33p34p35p36p3767§3.2

8051單片機的引腳及其功能

I/O口

P0——8條I/O引線

P1——8條I/O引線

P2——8條I/O引線

P3——8條I/O引線（特殊定義）注：共32條引腳68

控制線(4條)

1、復位線——RST（輸入、高有效）

2、外部存儲器選擇控制線——/EA（輸入）

當RST端獲得兩個機器周期（24個振蕩周期）的高電平時，8051單片機系統(tǒng)將進入復位狀態(tài)。即高復位低工作。/EA=H時，8051單片機系統(tǒng)用片內外ROM

/EA=L時，8051單片機系統(tǒng)僅用片外ROM注：VPD為第二功能，提供編程電壓，僅8751有效69

控制線/EA（最小系統(tǒng)電路）

70§3.2：8051單片機的引腳及其功能

3、地址鎖存允許線——ALE（輸出、高有效）

當8051單片機系統(tǒng)擴展外部存儲器時，用于對P0口輸出的數(shù)據(jù)/地址信息的低

8位地址信息進行鎖存

當8051單片機系統(tǒng)無外部存儲器時,

輸出1/6主頻的定時信號（可用作8051是否工作的判斷標志）注：PROG為第二功能，提供編程脈沖71§3.2

8051單片機的引腳及其功能

4、外部ROM讀選通線——/PSEN（輸出、低有效）

僅用于外部ROM中信息的讀取控制注:外部RAM的讀/寫控制線為/RD和/WR

（P3口的第二功能）

當使用MOVC類指令時，/PSEN輸出低電平注:MCS-51僅單獨提供4條控制線

RST、/EA、ALE、/PSEN72§3.2：8051單片機的引腳及其功能

時鐘輸入線（2條）XTAL1和XTAL2（第19、18引腳）

由外部晶體和內部振蕩電路獲得主頻，系統(tǒng)常用

由外部直接輸入時鐘獲得主頻，特殊系統(tǒng)用（第18引腳可用作8051是否工作的判斷標志）73§3.2：8051單片機的引腳及其功能

電源線

VCC和GND引腳總結

I/O口線——32條

控制線——4條時鐘線——2條電源線——2條

共計40條好記！注：可根據(jù)ALE、/PSEN、XTAL2輸出端有否信號輸出判斷8051是否在工作！74§3.3

MCS-51單片機的工作方式掌握MCS-51單片機的復位方式掌握MCS-51單片機的程序執(zhí)行方式了解MCS-51單片機的單步執(zhí)行方式了解MCS-51單片機的掉電和節(jié)電方式了解MCS-51單片機的編程和校驗方式75

MCS-51單片機的復位方式

復位時各芯片寄存器的初值

復位時程序指針PC的特點

PSW=00H

初始化時使用通用寄存器0組的R0~R7

SP=07H

初始化時棧頂在0組R7，入棧從08H開始

P0~P3=FFH

初始化時并口輸出為高電平其余寄存器為00HPC=0000H76

MCS-51單片機的上電復位電路

保持復位端RESET高電平兩個機器周期

常用上電復位電路

根據(jù)主頻選擇R、C值，一般R=10K、C=10uF77§3.3：MCS-51單片機的工作方式

MCS-51單片機的手動復位電路

直接按鍵方式放電電流太大，按鍵壽命短RSTVCCGND78§3.3：MCS-51單片機的工作方式

MCS-51單片機的手動復位電路

限流按鍵方式RSTVCCGND放電電流限止，延長按鍵壽命電阻合理選擇，保證可靠復位79最小系統(tǒng)分解80最小系統(tǒng)組合81

MCS-51單片機的程序執(zhí)行方式

程序指針PC從初始值0000H處執(zhí)行指令

在PC=0000H處通常有直接跳轉指令

LJMPmain；將PC轉移到主程序main處執(zhí)行

程序指針PC執(zhí)行指令時會完成自動加1操作注：程序不能訪問PC，PC值的范圍：0000H~FFFFH82

MCS-51單片機的單步執(zhí)行方式

用于應用程序的調試

需用單步調試命令

是程序設計的重要步驟注:一般MCS-51單片機仿真開發(fā)系統(tǒng)均有此功能83

MCS-51單片機的掉電和節(jié)電方式

掉電方式——單片機深睡眠狀態(tài)(電源喚醒)

節(jié)電方式——單片機淺睡眠狀態(tài)（中斷喚醒）

當Vcc下降，RST/VPD供電，進入掉電方式此時，RAM中的數(shù)據(jù)不丟失，時鐘停止工作當Vcc正常，單片機又進入程序執(zhí)行方式

CPU暫時不工作時鐘振蕩電路工作，各種狀態(tài)保持可由中斷請求隨時喚醒84

MCS-51單片機的編程和校檢方式

從源程序到機器碼——編輯與匯編

編程——將匯編產生的機器碼寫入ROM

校驗——對寫入ROM的機器碼進行檢查注：編程和校驗方式一般用專門的編程器完成注：編程時應在ALE/PROG端提供編程脈沖85§3.4

MCS-51單片機的工作時序

掌握振蕩周期、機器周期、指令周期的概念

理解取指令、執(zhí)行指令的概念

理解取指令時序、執(zhí)行指令時序的概念

了解指令字節(jié)數(shù)與指令周期數(shù)的概念

掌握時序與控制線ALE的關系86

MCS-51單片機的振蕩、機器、指令周期

振蕩周期（時鐘周期）—由晶振頻率確定(4、6、12MHz)

機器周期

——由12個時鐘周期構成

指令周期

——由1~4個機器周期構成

機器周期由6個S狀態(tài)構成，即S1~S6

每個S狀態(tài)由兩個拍即SnP1、SnP2構成，一拍為一個時鐘周期機器周期可寫為S1P1，S1P2、S2P1，S2P2、S3P1，S3P2、

S4P1，S4P2、S5P1，S5P2、S6P1，S6P2

不同指令功能所用機器周期數(shù)不同使用機器周期數(shù)愈少，指令執(zhí)行速度愈快乘、除法指令用4個機器周期，故少用乘、除法指令87

MCS-51單片機指令的取指/執(zhí)指時序

取指——CPU從ROM中讀取指令機器碼

執(zhí)指——CPU根據(jù)指令碼完成指定功能

時序——取指、執(zhí)指時三總線的時間波形ALE信號（周期性信號）的作用

在一個機器周期內，ALE信號出現(xiàn)二次取指時序總是發(fā)生在ALE有效期間

ALE有效期間并不總是取新的指令機器碼

ALE=1/6時鐘頻率88

MCS-51的指令字節(jié)數(shù)與所用機器周期數(shù)1字節(jié)指令——1機器周期2字節(jié)指令——1機器周期

第一個ALE有效期讀1字節(jié)指令機器碼第二個ALE有效期重讀

第一個ALE有效期讀第1字節(jié)指令機器碼第二個ALE有效期讀第2字節(jié)指令機器碼89

MCS-51的指令字節(jié)數(shù)與所用機器周期數(shù)（續(xù)）1字節(jié)指令——2機器周期

第一個周期的第一個ALE有效期讀1字節(jié)指令機器碼其余三個ALE有效期重讀2字節(jié)指令——2機器周期

第一個周期的第一個ALE有效期讀第1字節(jié)指令機器碼第二個周期的第一個ALE有效期讀第2字節(jié)指令機器碼90

MCS-51的指令字節(jié)數(shù)與所用機器周期數(shù)（續(xù)）3字節(jié)指令——2機器周期1字節(jié)指令——4機器周期

第一個周期的第一個ALE有效期讀第1字節(jié)指令機器碼第一個周期的第二個ALE有效期讀第2字節(jié)指令機器碼第二個周期的第一個ALE有效期讀第3字節(jié)指令機器碼

第一個周期的第一個ALE有效期讀1字節(jié)指令機器碼其余七個ALE有效期無效91

訪問外部ROM和外部RAM的時序

訪問外部ROM、RAM時16位地址信息的產生

訪問外部ROM、RAM時8位數(shù)據(jù)信息的產生

低8位地址信息由P0口復用輸出（經(jīng)鎖存器）高8位地址信息由P2口直接輸出8位數(shù)據(jù)信息經(jīng)P0口進行雙向傳送注:8位數(shù)據(jù)/低8位地址的分離控制及時序92

訪問外部ROM和外部RAM的時序（續(xù)）

訪問外部ROM、RAM時控制線ALE的作用

ALE=H

從P0口的地址/數(shù)據(jù)復用中獲得低8位地址信息

從P2口獲得高8位地址信息注:控制線ALE控制地址鎖存器芯片的觸發(fā)端

ALE=L

將從P0口獲得的低8位地址信息進行鎖存93

訪問外部ROM和外部RAM的時序（續(xù)）

訪問外部ROM時控制線/PSEN的作用

/PSEN=L

從外部ROM選定存儲單元中讀機器碼經(jīng)P0口讀入MCS-51，即讀操作有效。注:控制線/PSEN控制外部ROM芯片的讀有效端注:/PSEN和ALE控制信號的時序關系

/PSEN=H

讀操作無效。94

訪問外部ROM和外部RAM的時序（續(xù)）

訪問外部RAM時，讀寫線/RD、/WR的作用

/RD=L、/WR=H

從外部RAM選定存儲單元中將數(shù)據(jù)經(jīng)P0口讀入MCS-51，即讀操作有效。

/WR=L、/RD=H

MCS-51將數(shù)據(jù)經(jīng)P0口寫入外部RAM

選定的存儲單元中，即寫操作有效。注：控制線/RD、/WR為P3口第二功能線，控制外部RAM芯片的讀/寫有效端95§3.4:MCS-51單片機的工作時序

訪問外部ROM的時序圖ALE/PSENA8~A15P2A0~A7A0~A7指令指令P0轉第98頁96§3.4:MCS-51單片機的工作時序

訪問外部RAM的時序圖

ALE/RDA8~A15P2A0~A7數(shù)據(jù)P097§3.5：MCS-51單片機外部存儲器的擴展

最?。ɑ荆┫到y(tǒng)

最大（擴展）系統(tǒng)P0、P2口均作一般I/O口使用

為什么要擴展？常見擴展包括什么內容？如何實現(xiàn)擴展？981、光靠片內資源，大多數(shù)應用中不夠2、存儲器擴展、I/O口擴展，外部中斷源擴展3、單片機的總線結構形式，大大減少了單片機系統(tǒng)中傳輸線的數(shù)目，提高了可靠性，增加了靈活性，且使擴展易于實現(xiàn)（只要求擴展部件符合總線規(guī)范）4、先構造系統(tǒng)總線，再“掛”上擴展部件，“掛”什么芯片，就是什么擴展99

外部程序存儲器ROM的擴展

外部數(shù)據(jù)存儲器RAM的擴展FLASH存儲器的應用與連接

本節(jié)內容：注：

AB、DB、CB的使用是外部存儲器擴展的關鍵

ALE控制信號是數(shù)據(jù)/地址信息分離的時間基礎鎖存器是數(shù)據(jù)/地址信息分離的硬件條件100§3.5：MCS-51單片機外部存儲器的擴展P0、P2口提供地址總線AB和數(shù)據(jù)總線DB注:控制線、P3口的應用MCS-51單片機沒有獨立的三總線，如何形成獨立的AB、DB、CB？存儲器擴展工作主要是單片機三總線和存儲器芯片的連接101/PSENALE/EA/WR//RDMCS-51單片機擴展用控制信號：102三總線擴展的電路圖74LS373OEGALE80C31D7::D0Q7::Q0PSENEAP2P0ABDBCBWRRDD鎖存器103§3.5：MCS-51單片機外部存儲器的擴展P0

ALEA0~A7D0~D7/OE/PSEN/CEP2.0~P2.n8031鎖存器ROM讀控制片選控制地址鎖存控制/EAGND

外部程序存儲器ROM的擴展圖A8~An高n位地址線低8位地址線8位數(shù)據(jù)線104§3.5：MCS-51單片機外部存儲器的擴展

8031與2716ROM的硬件連接（圖3.13）

8031無片內ROM，需用片外ROM，故/EA=0

8031的P0（8位）與2716的數(shù)據(jù)線直接相連

8031的P0（8位）與8位鎖存器74LS373的D端相連，8位鎖存器74LS373的Q端與2716的低

8位地址相連，8031的控制線ALE接8位鎖存器74LS373的觸發(fā)端G。

8031的P2.0~P2.2接2716的A8~A10直接相連

8031的P2.7作2716的片選控制，低有效

注:若外部ROM僅有一片也可將2716的/CE接地

8031的/PSEN作2716的讀控制，低有效105§3.5：MCS-51單片機外部存儲器的擴展

8031與2716ROM的時序分析

當ALE=H，P0口發(fā)低8位地址信息到鎖存器D端當ALE=L，鎖存器Q端鎖存A0~A7

P2.0~P2.2接2716ROM的A8~A10

當P2.7=L，則/CE=L，ROM片選有效當/PSEN=H，P0口無指令數(shù)據(jù)讀取當/PSEN=L，P0口從鎖存地址單元中讀指令數(shù)據(jù)

注:65頁圖3.10的時序圖106§3.5：MCS-51單片機外部存儲器的擴展

2716ROM的地址范圍分析

若P2.6~P2.3=0000

則地址空間范圍為0000H~07FFH

（線選法）重復地址為24=16個107§3.5：MCS-51單片機外部存儲器的擴展P0

ALEA0~A7D0~D7/OE/RD/CEP2.0~P2.n8031鎖存器RAM讀控制片選控制地址鎖存控制

外部數(shù)據(jù)存儲器RAM的擴展圖A8~An高n位地址線低8位地址線8位數(shù)據(jù)線/WE/WR寫控制108

§3.5：MCS-51單片機外部存儲器的擴展8031與6116RAM的硬件連接（圖3.14）注:該電路譯碼輸入兩線，可片選四片61168031的/RD端接6116的讀有效端/OE

8031的/WR端接6116的寫有效端/WE8031的P2.6、P2.7經(jīng)譯碼器接6116的片選端/CS，低有效。

地址/數(shù)據(jù)復用線分離方法同ROM的擴展連法RAM數(shù)據(jù)讀/寫接法不同ROM的擴展連法

片選控制的接法用譯碼器109§3.5：MCS-51單片機外部存儲器的擴展

8031與6116RAM的時序分析

當AEL=H，P0口發(fā)低8位地址信息到鎖存器D端當AEL=L，鎖存器Q端鎖存低8位地址信息P2.0~P2.2接6116RAM的A8~A10

當P2.7=H、P2.6=L，則/CE=L，RAM片選有效

當/RD=L、/WR=H，P0口從地址單元讀數(shù)據(jù)當/RD=H、/WR=L，P0口向地址單元寫數(shù)據(jù)110§3.5：MCS-51單片機外部存儲器的擴展

6116RAM的地址范圍分析

若P2.5~P2.3=000

則地址空間范圍為8000H~87FFH

（部分譯碼法）重復地址為23=8個111§3.5：MCS-51單片機外部存儲器的擴展

單片機與FLASH存儲器的連接特點

僅作外部RAM時的連接僅作外部ROM時的連接

又作外部ROM及RAM時的