第三章MCS51單片機的結(jié)構(gòu)和原理3

第三章

MCS-51單片機的結(jié)構(gòu)與原理

MCS-51是Intel公司的一種單片機系列的名稱，屬于這一系列的單片機芯片有許多種。后來，Intel公司將MCS-51的核心技術(shù)授權(quán)給了很多公司，從而產(chǎn)生了許多以MCS-51為核心的單片機。所以，現(xiàn)在MCS-51已經(jīng)不僅僅是一種單片機系列的名稱，而是一種典型的單片機結(jié)構(gòu)的名稱。這些單片機的具體功能會有很多不同，但它們的基本組成和基本性能都是相同的。1第三章

MCS-51單片機的結(jié)構(gòu)與原理3.1MCS-51系列單片機的結(jié)構(gòu)3.28051單片機的引腳及其功能3.3MCS-51單片機的工作方式3.4MCS-51單片機的時序3.5MCS-51單片機外部存儲器的擴展

23.1MCS-51系列單片機的結(jié)構(gòu)一、

MCS-51單片機的基本組成

3一、

MCS-51單片機的基本組成中央處理器；內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器(RAM)；內(nèi)部程序存儲器(ROM)；4個8位的并行輸入／輸出端口；2個或者3個定時／計數(shù)器；內(nèi)部中斷控制系統(tǒng)；一個串行接口電路；內(nèi)部時鐘產(chǎn)生電路；各個部分通過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線相連接。

4一、

MCS-51單片機的基本組成可通過三總線與外設(shè)或者外部存儲器相連接；數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。沒有單獨的地址總線和數(shù)據(jù)總線，而是和P0口、P2口共用的。P0口分時地作為低8位地址線和8位數(shù)據(jù)線；P2口則作為高8位地址線用。16條地址線和8條數(shù)據(jù)線。5一、

MCS-51單片機的基本組成16條地址線和8條數(shù)據(jù)線。程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是分開的。用同樣的16條地址線，加上不同的控制信號，可以分別尋址64KRAM和64KROM。擴大了尋址容量。6二、MCS-51系列產(chǎn)品與性能帶“c”：工藝為CM0S，故具有低功耗的特點。如8051功耗約為620mw，而80C51的功耗只有120mw。后兩組為“52系列”，性能要高于51系列，除了存儲器配置等差別外，8052片內(nèi)ROM中還掩腥了BASIC解釋程序，因而可以直接使用BASIC程序。此外，87C51和87C252還具有兩級程序保密系統(tǒng)。7二、MCS-51系列產(chǎn)品與性能51單片機都采用哈佛結(jié)構(gòu)，具有和8051單片機相同的指令集?？梢赃\行805l的程序代碼，具有更好的性能體現(xiàn)在以下幾個方面。(1)更快的速度(2)更大、更靈活的存儲器配置(3)更豐富的接口8三、

8051單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和一般微處理機相比，除了增加了接口部分外，基本結(jié)構(gòu)是相似的，有的只是部件名稱不同。存儲器的設(shè)計☆程序計數(shù)器PC91、中央處理器CPU（8位）由運算器、控制器和若干個特殊功能寄存器組成。運算器可以完成加、減及各種邏輯運算，還可以直接完成乘、除運算。8051的位操作功能也很強，包括位傳送、運算以及轉(zhuǎn)移等多項功能。8051的控制器在單片機內(nèi)部協(xié)調(diào)各功能部件之間的數(shù)據(jù)傳送并，對單片機外發(fā)出若干控制信息，如PSEN，ALE，RD，WR等。（時序節(jié)詳解）CPU中使用的特殊功能寄存器有ACC、B、PSW、SP和DPTR。10CPU中的特殊功能寄存器（1）A——累加器。（2）B——B寄存器，主要乘、除法運算用，通用寄存器。（3）PSW——程序狀態(tài)字：相當于一般的標志寄存器，包含程序運行狀態(tài)、信息。11CPU中的特殊功能寄存器CY：進位/借位標志；位累加器。最高位有進位或借位時，為1。AC：輔助進/借位標志；用于十進制調(diào)整。D3向D4位有進位或借位時，為1。F0：用戶定義標志位；軟件置位/清零。OV：溢出標志；當有符號數(shù)運算結(jié)果超出范圍時為1

。P：奇偶標志；A中1的個數(shù)為奇數(shù)P=1；否則為0。12CPU中的特殊功能寄存器RS1、RS0：工作寄存器組選擇控制。13CPU中的特殊功能寄存器（4）堆棧指針SP堆棧是在內(nèi)存中專門開辟出來的按照“先進后出，后進先出”原則進行數(shù)據(jù)存取的區(qū)域。堆棧指示器SP就是用來指示堆棧位置的。在使用堆棧之前，先給SP賦值，以規(guī)定堆棧的起始位量，稱為棧底。當數(shù)據(jù)存人堆棧后，堆棧指示器的值也隨之而變化。主要用于數(shù)據(jù)傳送；子程序調(diào)用及返回和中斷處理斷點的保護及返回。8051單片機使用內(nèi)部RAM區(qū)域作為堆棧。復(fù)位后，SP=07H，用戶可根據(jù)需要通過指令改變SP的值，從而改變堆棧的位置。14CPU中的特殊功能寄存器堆棧有兩種類型：向上生長型和向下生長型。805l的堆棧屬于向上生長型，數(shù)據(jù)壓入堆棧時指針加1.15CPU中的特殊功能寄存器（5）數(shù)據(jù)指針DPTR是一個16位寄存器，由高位字節(jié)DPH和低位字節(jié)DPL組成。DPTR主要用來存放16位地址,當對64KB外部數(shù)據(jù)存儲器空間尋址時,作為間址寄存器用。在訪問程序存儲器時,用作基址寄存器。162．定時／計數(shù)器

8051內(nèi)部有兩個16位可編程定時／計數(shù)器，記為定時器To和T1。在定時工作時，時鐘由單片機內(nèi)部提供，即系統(tǒng)時鐘經(jīng)過12分頻后作為定時器的時鐘。計數(shù)工作作時，兩個計數(shù)器的時鐘脈沖(計數(shù)脈沖)由T0和T1(即P3．4和P3．5)兩個引腳輸入。可以產(chǎn)生中斷。173．串行口

8051單片機內(nèi)部有一個可編程的、全雙工的串行接口。使得數(shù)據(jù)可以一位一位串行地在計算機和外設(shè)之間傳送。4．中斷系統(tǒng)8051的中斷系統(tǒng)允許接受5個獨立的中斷源，即兩個外部中斷申請，兩個定時／計數(shù)器中斷以及一個串行口中斷。可以設(shè)置兩個中斷優(yōu)先級，即高優(yōu)先級和低優(yōu)先級，由中斷優(yōu)先控制寄存器IP來控制。18四、51單片機存儲器配置（結(jié)構(gòu)）8051片內(nèi)有256B的RAM和4KB的ROM。還可以在片外擴展RAM和ROM，并且各占64KB的尋址范圍。也就是最多可以在外部擴展2×64KB存儲器。程序存儲器數(shù)據(jù)存儲器191、物理、邏輯上的分區(qū)物理上分為：4個空間，即片內(nèi)ROM、片外ROM片內(nèi)RAM、片外RAM邏輯上分為:

3個空間，即程序內(nèi)存（片內(nèi)、外）統(tǒng)一編址MOVC

數(shù)據(jù)存儲器（片內(nèi)）MOV

數(shù)據(jù)存儲器（片外）MOVX20程序存儲器數(shù)據(jù)存儲器物理上分為：4個空間，即片內(nèi)ROM、片外ROM片內(nèi)RAM、片外RAM21程序存儲器數(shù)據(jù)存儲器邏輯上分為:

3個空間，即程序內(nèi)存（片內(nèi)、外）統(tǒng)一編址MOVC

數(shù)據(jù)存儲器（片內(nèi)）MOV

數(shù)據(jù)存儲器（片外）MOVX222、程序存儲器程序存儲器：EA的作用；當EA接低電平時，CPU只從片外ROM取指令。程序存儲器的某些單元是保留給系統(tǒng)使用的（有固定的作用）。程序存儲器數(shù)據(jù)存儲器232、程序存儲器尋址范圍：0000H~FFFFH容量64KB，即地址長度：16位

，尋址內(nèi)部ROM；

，尋址外部ROM。

當PC值超過片內(nèi)ROM容量時會自動轉(zhuǎn)向外部存儲器空間。8031單片機接低電平。作用：

存放程序及程序運行時所需的常數(shù)。24七個具有特殊含義的單元是：

0000H——

系統(tǒng)復(fù)位，PC指向此處；

0003H——

外部中斷0入口

000BH——T0溢出中斷入口

0013H——

外中斷1入口

001BH——T1溢出中斷入口

0023H——

串口中斷入口

002BH——T2溢出中斷入口

253、數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)存儲器：片內(nèi)、片外片內(nèi)RAM256個字節(jié)被分為兩個區(qū)域：00H~7FH：是真正的RAM區(qū)，可以讀寫各種數(shù)據(jù)；80H~FFH：是專門用做特殊功能寄存器(SFR)的區(qū)域。8051：21個8位SFR。128個字節(jié)并沒有全部利用。程序存儲器數(shù)據(jù)存儲器26內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器物理上分為兩大區(qū)域：00H~7FH即128B內(nèi)RAM區(qū)

80H~FFH即SFR區(qū)。R0、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7既可位操作，又可字節(jié)操作數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、堆棧區(qū)、工作單元27(1)工作寄存器區(qū)工作寄存器區(qū)：從00H~1FH安排了4組工作寄存器，每組占用8個RAM字節(jié)，記為R0~R7。在某一時刻，只能使用其中的一組工作寄存器，其選擇則由程序狀態(tài)字寄存器PSW中的兩位來確定。工作寄存器的作用就相當于一般微處理器中的通用寄存器28位尋址區(qū)（20H—2FH）16個字節(jié)。16*8=128位，每一位都有一個位地址，范圍為：00H—7FH，位地址區(qū)也可作為一般RAM使用。SFR也有一部分是可以位尋址的。特點是字節(jié)地址可以被8整除。(2)位尋址區(qū)29(3)特殊功能寄存器SFR為特殊功能寄存器。其尋址空間：80H--FFH其中，51子系列有18個寄存器，占有21個字節(jié)；52子系列有21個寄存器，占有26個字節(jié)。

51子系列SFR的地址分配見下頁表：3051子系列SFR一覽表31五、并行I/O端口8051有4個8位并行輸入／輸出端口，記作P0、P1、P2和P3，共32條I／O線，實際它們就是特殊功能寄存器中的4個。它們都是雙向通道，每一條I／O線都能獨立地用做輸入或輸出。作輸出時數(shù)據(jù)可以鎖存；作輸入時數(shù)據(jù)可以緩沖；但這4個通道的功能不完全相同。4個通道特性上的差別主要是通道0、通道2和通道3都還有第二功能，而通道1則只能用做I／O口。3251的并行I/O口邏輯圖33作為IO方式時基本特性相同作為輸出口：內(nèi)部帶鎖存器，故可以直接和外設(shè)相連，不必外加鎖存器。作為輸入口：都有兩種工作方式，即所謂讀端口和讀引腳。每個端口各有兩個輸入緩沖器，CPU根據(jù)不同的指令，分別發(fā)出“讀端口”或“讀引腳”信號，以完成兩種不同的讀操作。讀端口時實際上并不從外部讀入數(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。如對端口內(nèi)容取反等。有時稱為“讀—改—寫”指令。讀引腳時才真正地把從外部加到引腳上的數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)部總線，“準雙向”口。34讀引腳輸入操作時的附加準備動作讀引腳時，要先通過指令，把端口鎖存器置1，然后再進行讀引腳操作，否則就可能讀入出錯。場效應(yīng)管導(dǎo)通，可能讀到的永遠是0。若不先對端口置1，端口鎖存器中原來狀態(tài)有可能為0，加到輸出驅(qū)動場效應(yīng)管柵極的/Q信號為1，使得場效應(yīng)管導(dǎo)通，對地呈現(xiàn)低阻抗。這時即使引腳上輸入的是1信號，也會出端口的低阻抗而使信號變低，使得外加的1信號讀入后不一定是1。若先執(zhí)行置1操作，則/Q＝0可以驅(qū)動場效應(yīng)管截止，引腳信號直接加到三態(tài)緩沖器，實現(xiàn)正確的讀人。由于在輸入操作時還必須附加一個準備動作，所以這類IO口被稱為“準雙向”口。35P0口邏輯圖作地址/數(shù)據(jù)時，控制=1.總結(jié)特點：（1）P0口既可作通用I/O口使用，又可作地址/數(shù)據(jù)總線口；（2）P0既可按字節(jié)尋址，又可按位尋址；（3）作地址/數(shù)據(jù)總線口時，P0是一真正雙向口。而作通用I/O口時，只是一個準雙向口（4）P0作為輸入口使用時：是準雙向口；（5）作通用I/O口輸出時：是開漏輸出，

應(yīng)外接上拉電阻。36P1口邏輯圖只能作I/O口用，且是一個準雙向口。內(nèi)部已有上拉電阻，不是開漏輸出口?？砂醋止?jié)尋址，也可按位尋址。特點：37P2口邏輯圖特點：（1）當P2口作為通用I/O時，是一準雙向口；（2）可位尋址，也可按字節(jié)尋址；（3）可輸出地址高8位。（即使有空余，也不能作通用I/

O口）

38P3口邏輯圖特點：（1）作通用I/O時，“第二輸出功能”保持高電平；（2）工作于第二功能時，該位鎖存器應(yīng)置1；（3）作輸入口時，輸出鎖存器和選擇輸出功能端都應(yīng)置1；（4）第二功能專用輸入，取自輸入通道第一緩沖器（G1）輸出端，通用輸入信號取自“讀引腳”。

39P3口的第二功能40在系統(tǒng)需要外部擴展時小結(jié)：1、P0口：地址低8位與數(shù)據(jù)線分時使用端口，2、P1口：按位可編址的輸入輸出端口，3、P2口：地址高8位輸出口4、P3口：用第二功能。若不用第二功能，也可作通用I/O口。5、按三總線劃分：

地址線：P0低八位地址，P2高八地址；數(shù)據(jù)線：P0輸入輸出8位數(shù)據(jù)；控制線：P3口的8位加上/PSEN、ALE共同完成控制總線。41外接上拉問題及負載能力系統(tǒng)采用CMOS輸入時，P0口應(yīng)外加上拉電阻（5.1K或者4.7K

），P1、P2、P3口無需外加上拉電阻即可驅(qū)動。P0口能驅(qū)動8個LSTTL負載，

P1、P2、P3口只能驅(qū)動4個系統(tǒng)復(fù)位后，鎖存器均自動置“1”，不需作任何設(shè)置即可正常工作。423.28051單片機的引腳及其功能40線雙列直插式封裝許多引腳具有雙功能

43引腳分類：1、主電源引腳Vss、Vcc2、外接晶振引腳XTAL1、XTAL2在使用單片機內(nèi)部振蕩電路時，這兩個端子用來外接石英晶體和微調(diào)電容。使用外部時鐘時，用來輸入時鐘脈沖443、輸入/輸出引腳P0.0~P0.7；P1.0~P1.7；P2.0~P2.7；P3.0~P3.7四個I/O口，每口八條線；還兼作地址/數(shù)據(jù)線。第二功能。454、控制與復(fù)位引腳=0時，只訪問外部程序存儲器,即外ROM=1時，訪問內(nèi)部程序存儲器,即內(nèi)ROM

/Vpp——內(nèi)\外ROM選擇端

EAEAEAALE/PROG--------ALE地址鎖存控制端提供1/6fosc振蕩頻率；---------PROG為8751內(nèi)的EPROM輸入編程脈沖。PSEN——外部程序存儲器的讀選通信號端。Vpp8751的21v編程電源輸入。46復(fù)位引腳RST/VPD——復(fù)位/備用電源輸入。當出現(xiàn)兩個機器周期高電平時，單片機復(fù)位。復(fù)位后，P0~P3輸出高電平；SP寄存器為07H；其它寄存器全部清0；不影響RAM狀態(tài)。參考復(fù)位電路如下：47參考復(fù)位電路如下48MCS-51對外三總線的形成MCS-51對外三總線的形成外部程存讀選通外部數(shù)存讀選通外部數(shù)存寫選通493.3MCS-51單片機的工作方式3.3.1復(fù)位方式3.3.2程序執(zhí)行方式3.3.3單步執(zhí)行方式3.3.4掉電和節(jié)電方式3.3.5編程和校驗方式503.4MCS-51單片機的時序

時鐘的基本概念

啟動單片機后，指令執(zhí)行順序：

取指令

分析

執(zhí)行微型計算機的CPU實質(zhì)上就是一個復(fù)雜的同步時序電路，所有工作都是在時鐘信號控制下進行的。每執(zhí)行一條指令，CPU的控制器都要發(fā)出一系列特定的控制信號，這些控制信號在時間上的相互關(guān)系問題就是CPU的時序問題。513.4.1機器周期和指令周期機器周期和指令周期執(zhí)令周期：即從取指到執(zhí)行完，所需時間。不同機器指令周期不一樣；即使相同機器，不同的指令其指令周期也不一樣。機器周期：機器的基本操作周期。5251單片機的機器周期和指令周期MCS-51的一個機器周期包括12個振蕩周期(時鐘周期)，分為6個S狀態(tài)S1~S6，而每個狀態(tài)又分為兩拍，稱為P1和P2。在MCS-51系統(tǒng)中，有單周期指令、雙周期指令和四周期指令。

指令長度為1字節(jié)、2字節(jié)、3字節(jié)。53機器周期的計算振蕩周期：由振蕩時鐘產(chǎn)生。

振蕩周期Tosc=1/fosc

一個機器周期=12個振蕩周期=12×1/fosc。

例如：若fosc=12MHz，則一個機器周期=1μs。543.4.2

MCS-51指令的取指／執(zhí)行時序

每一條指令的執(zhí)行都包括取指令和執(zhí)行指令兩個階段。在一般所指令執(zhí)行過程中，ALE信號是周期出現(xiàn)的信號，可以給其他外設(shè)作時鐘用。對于MCS-51來說，并不是指令的字節(jié)數(shù)越多需要的執(zhí)行指令的機器周期數(shù)也越多。每個機器周期出現(xiàn)兩次ALE信號，可以讀兩次指令。在S1P2和S2P1及S4P2和S5P1期間。有效寬度為1個狀態(tài)。551字節(jié)單周期指令例：INCA2字節(jié)單周期指令例：ADDA，DATA1字節(jié)雙周期指令例：INCDPTR56（1）單字節(jié)單周期指令：INCA只需進行一次讀指令操作（指令只有一個字節(jié)），當?shù)诙€ALE有效時，由于PC沒有加1，讀出的還是原指令。屬于一次無效操作。（2）雙字節(jié)單周期指令：ADDA，#dataALE兩次讀操作都有效，第一次讀操作碼（指令第一字節(jié)），第二次讀立即數(shù)（指令第二字節(jié)）。（3）單字節(jié)雙周期指令：INCDPTR兩個機器周期共進行四次讀指令操作，但其后三次的讀操作都是無效的。573.4.3訪問外部ROM和外部RAM的時序

如果指令是從外部程序ROM中讀取，P0口和P2口提供地址和數(shù)據(jù)總線，ALE地址鎖存允許，控制信號還有PSEN。訪問外部數(shù)據(jù)RAM的時序，包括從RAM中讀和寫兩種時序，但基本過程是相同的?？刂菩盘栍蠥LE和RD(讀)／WR(寫)。P0口和P2口在取指階段用來傳送ROM地址和指令，而在執(zhí)行階段，傳送RAM地址和讀寫的數(shù)據(jù)。MCS-51對外三總線的形成外部程存讀選通外部數(shù)存讀選通外部數(shù)存寫選通581、讀外部程序存儲器ROM的時序592、外部數(shù)據(jù)RAM的讀時序外部數(shù)據(jù)RAM的寫時序是類似的。ROM地址A8~A15RAM地址A8~A15A0~7