第2章 MCS-51单片机硬件结构1

1、第第2章章MCS51单片机硬件结构单片机硬件结构 1.1 MCS-51单片机主要功能特点单片机主要功能特点1、主要功能特点（、主要功能特点（12点）点）2、 51系列中几种主要型号的单片机的主要区别系列中几种主要型号的单片机的主要区别8051片内程序存储器为掩膜ROM，在单片机制造时，一次性固化进去，适用于完全成熟而批量大的产品。 8031内部无ROM，使用时，需外接EPROM，可直接进行编程，多次固化。8751片内程序存储器为EPROM，能方便的改写。 2.2MCS51单片机内部结构分析单片机内部结构分析8微处理器微处理器控制逻辑控制逻辑RAMP0P2EPROM/ROM8特殊特殊功能功能寄存

2、寄存器器SFRXTAL1XTAL2P0.0P0.7P2.0P2.7P1口口P3并并行行口口实时实时计数器计数器中断系统中断系统P1.0P1.7P3.0P3.7ALERESET也是也是RAM的一部分的一部分2.3MCS51单片机的引脚功能单片机的引脚功能 见图2-4分为分为3部分：部分：电源及时钟：Vcc，Vss，XTAL1，XTAL2 I/O接口线：P0，P1，P2，P3控制线：RST，ALE。另一部分与P3口复用 RDWRTTINTINTTXDRXD,1010路来获得外时钟：由外部时钟电获得路，外接晶振内时钟：靠内部振荡电)126(MHZ2.3.1 时钟电路（图时钟电路（图2-5） 2.3.

3、2 控制信号控制信号1、RST/VPD： 复位信号（当该引脚的信号持续2个机器周期以上的高电平，即完成单片机的初始化操作。象PC机一样，复位总是把一些寄存器或I/O置成一个确定的状态，有些是不定的！）/+5V备用电源 （片内RAM信息保护）开始执行程开始执行程序序PC指针总是指向指针总是指向0000H上电复位：上电复位：开关复位：开关复位：上电复位：上电复位：电容C的电压不能突变，反相器输出高电平之后，电源 5V通过R1给电容充电，电容上的电压逐渐升高，反相器输出低电平完成一个完整的正脉冲。开关复位：开关复位：按下开关 ，反相器输出高电平，复位有效，放开，反相器输出低电平开始执行程序。2、AL

4、E地址锁存信号地址锁存信号 P0采用分时复用的地址/数据总线，即一根线既做地址线又做数据线，如何来区别它们，不使它们出现总线竞争，由ALE端来定义，实现地址和数据的隔离。一般：ALE高电平期间，P0口上出现地址信息，ALE下降沿时，将P0口上的地址信息锁存到地址锁存部中。在ALE低电平期间P0口上一般出现指令和数据信息。另外：平时不访问片外数据存储器时，该端以晶振1/6的固定频率输出脉冲，可用作其它芯片的时钟源。 3、 片外程序存储器选通片外程序存储器选通 有效时（低电平时），8031访问的是片外程序存储器。 作为程序存储器的读信号，把存储单元的指令读到CPU内。 PSENPSENPSEN 片

5、外程序存储器选通片外程序存储器选通(单片机的硬件结构一般有两种单片机的硬件结构一般有两种)程序程序存储器存储器ALU控制控制单元单元CPU输入输入和和输出输出单元单元数据数据存储器存储器哈佛结构哈佛结构MCS51RDWR,PSENALU控制控制单元单元CPU输入输入输出输出单元单元存储器存储器普林斯顿普林斯顿MCS196WRRD, 内部和外部程序存储器选择信号内部和外部程序存储器选择信号 对MCS-51系统的芯片来说，其内部实际上是有4K字节的程序存储器的。当/EA接地时总是访问外部程序存储器（8031的须接地）当/EA接高时 访问外部程序存储器地址大于访问内部程序存储器地址小于4K4K2.3

6、.3I/O口口 单片机有4个双向8位I/O口。P0P3 ）器必须先写（用作输入时，口锁存为准双向口口为三态双向口1PP310P1. P0口为三态双向口（口为三态双向口（8位）位） DQ锁存器锁存器CL内部总线内部总线写锁存器写锁存器 MUXVCCT0P0.X引脚引脚T1地址地址/数据数据控制控制 读锁存器读锁存器读引脚读引脚 P0口作地址/数据复用总线 输出地址或数据，控制端为1 口的引脚上。数据传递到此时地址管。又通过反相器去驱动与门去驱动的地址或数据信号通过与门开锁，内部总线上管接通端为输出级多路开关将反相器输出0101P/TTT输入指令或数据：引脚信号从输入三态缓冲器进入内部总线。 器读

7、取引脚信号。入，通过三态输入缓冲可作高阻抗输，）两个场效应管均截止（控制端还是为低电平输入时：先将锁存器写）（逻辑关系端的数据阻。把时，外接上电在推动别电路截止，输出漏极开路，平，输出时：控制端为低电口使用作通用 1DQPxPQT/P0000 xOIP0P3口线上的“读修改写”功能 上面一个缓冲器读取锁存器Q端的数据，Q端的数据实际上与引脚处的数据是一致的。这样的安排是为了适应“读修改写”这类指令的需要。例：ANLP0，A；ORLP0，A 先读入口锁存器，随之可以对读入的数据进行修改，然后再写入到端口上。不直接读引脚上的数据而读锁存器Q端上的数据是为了避免可能错读引脚上的电平信号。 例：用一条

8、口线去驱动一个晶体管的基极，当向此口线写1时，晶体管导通并把引脚上的电平拉低，这时，若从引脚上读取数据，就把该数错读为0（实际上为1），而从锁存器Q端读入，则得到正确的结果。 P1口作通用的I/O口使用 P1口是有内部上拉电阻的准双向口。输出时：写“1”写入锁存器，输出管截止。输出线由内部上拉电阻提升为高电平（并不是直接输出）输出为1。写0时，输出管导通，输出为0。输入时：先将“1”写入锁存器，T1管截止，该口线由内部上拉电阻拉成高电平，同时也能被外部输入源拉成低电平，即输入为1时，该口线为高电平，输入为0时，该口线为低电平。2P1口准双向口口准双向口3. P2口准双向口口准双向口 P2口作地

9、址总线口使用 系统接外部存储器时，P2口用于输出高8位地址，A15A8，控制端为1，接通地址总线，P2口的口线状态取决于片内输出的地址信息。在8031系统中，P2口一般只作地址总线口使用，不再作I/O口直接连接外设。 P2口作通用I/O口使用（控制端为0），操作同P1口4P3口双功能口口双功能口P3口作为第一功能口使用 第二输出功能线保持为高电平，与非门的输出取决于锁存器的状态。Q端的状态与引脚状态是一致的，操作同P1口。 P3口作第二功能口 相应位的锁存器须为“1”。与非门的输出由第二输出线的状态确定。 P3口线的状态取决于第二功能输出线的电平。 输入时：相应位的锁存器和第二输出功能端都为1

10、，第二功能的输入信号取自第一缓冲器的输出端，第二缓冲器是第一功能的读引脚信号缓冲器。 P3口的第二功能定义：P3.0 RXD （串行输入）P3.1 TXD（串行输出）P3.2（外部中断0）P3.3（外部中断1）P3.4T0（外部计数器0输入）P3.5T1（外部计数器1输入）P3.6（外部RAM写选通P3.7（外部RAM读选通） 对8031的的应用系统来说， ， 总是要有的，其余的可根据需要选用，不用时，可做一般的I/O口线用。 0INT1INTWRRDWRRD2.3.4MCS51单片机管脚的应用特性单片机管脚的应用特性 1. 驱动能力2系统扩展逻辑设计的三总线结构地址总线A15A0（16位，2

11、162621064KB）数据总线D7D0（8位） XTAL1 XTAL2P1口 P2口P3.0 ALEP3.1 P3.2 8031 P0口P3.3P3.4 8051P3.5P3.6 8751P3.7 Vcc VssRSTI/O口373888 D0D7数据总线DB8AB07815地址总线AAAACB控制总线2.4MCS51的存储器组织（采用哈佛结构）的存储器组织（采用哈佛结构） 采用不同的指令形式和寻址方式，可以访问不同的逻辑空间。 2.4.1 MCS-51程序存储器 程序存储器：当 接高电平时，程序从内部ROM开始运行，当PC指针超过0FFFH自动转到外部程序存储器去执行程序。若接低电平，程序

12、从外部0000H开始执行，地址从 ， 有效，从外部ROM中取指令执行。 RDWRPSEN，相应的硬件有效为20PPCHPPCLPSENEA 64KB程序存储器中有7个地址具有特殊功能，即机器占用这些地址，用户不得使用。通常在这些入口安放一条绝对跳转指令，跳转到相应的中断服务程序入口去执行中断服务程序。 复位后，（PC）0000H，故程序须从0000H单元开始，故是复位入口地址。 6个外部中断源入口地址： 外部中断0: 0003H定时器0溢出：000BH外部中断1：0013H定时器1溢出：001BH串行口中断：0023H定时器2溢出：002BH 2.4.2 MCS-51数据存储器数据存储器: ）

13、（片外：）区分（彼此独立，指令片内：MOVXFFFFH0000MOVFFH00片内数据存储器空间： ，特殊功能寄存器区单元高区，片内单元低个单元，FFH80128RAM7FH00128FFH002561.内部RAM区（工作寄存器区，位寻址区和数据缓冲区） 位寻址区16个字节128位，就要对位进行编址，如何来区分是字节地址还是位地址。 例：28H表示字节8位，表示位地址，处于25H中的第0位。（用字节寻址、位节寻址指令区分） 用户RAM区一般用在307FH，只能字节寻址由于机器复位时，堆栈指针指向07H，而该地址为工作寄存器区，故一般用户使用堆栈时，要首先设置堆栈，一般在30H7FH范围之内。堆

14、栈是用来暂时存放重要数据的区域，如子程序调用和返回 。MCS51的堆栈是向上生长的，若栈指针指向07H，若要进行压栈操作，第一个压入栈的数据存放08H单元，并以此为栈顶。 栈底栈底SPSPSP+1压压栈栈出栈出栈压栈（数据写入堆栈）：SP自动加1，然后将欲压栈的数据压入SP所指示的单元。出栈（数据从堆栈中读出）：先将SP所指示的栈顶单元内的数据弹出，然后SP自动减1。 堆栈本质上是一种数据结构。只允许在其一端进行数据插入和删除操作的线性表。特点：数据按后进先出的原则进行数据操作。对栈的操作是对栈顶单元进行的。 堆栈一般设置在数据缓冲区， SP设的越大，堆栈就越浅 POPPUSH指令方式：用自动

15、方式：子程序调堆栈的使用方式栈要平衡）堆栈要有一定的深度（栈指针可由用户编程2.4.2 MCS-51专用寄存器内部数据存贮器高内部数据存贮器高128单元单元（专供寄存器使用专用寄存器区， 地址单元80FFH） 1.专用寄存器 程序计数器（PC）：PC是一个16位的计数器，其内容为将要执行的指令地址，寻址范围64KB，自动加1，但自身没有地址，不可寻址，用户无法对其读写。但可通过转换，调用返回等指令改变其内容，实现程序的转移。累加器（ACC）：为8位寄存器，在算术运算中存放操作数和运算结果。 总体上，指令系统中的操作是以累加器A为中心进行的，存在一个“瓶颈”问题，MCS96采用寄存器阵列来代替累

16、加器，解决这个问题，提高软件效率。 B寄存器：可用于乘、除法运算与累加器A配合使用，存放第二操作数，乘积的高位字节或除法的余数部分，也可作一般数据寄存器使用。 程序状态字（PSW）8位寄存器。功能：寄存当前指令执行结果的有关状态，为后续指令的执行提供状态条件。因此：a，某些指令的执行结果将自动影响PSW的有关状态标志位。b，还可由用户设置某些状态位。 例：加法溢出，自动置进位标志位自动影响做减法时，要先清进位标志位用户设置CY（PSW.7）进位标志位。表示运算结果有进位或借位 。例：（A）0C3H 相加 （R0）0AAH 1100 0011+1010 101010110 1101两个负数相加和

17、为正数，当然是溢出了。在位操作中，作累加器用例：MOVC，7FH把内部RAM中地址为2FH的单元的第7位取入进位C中。AC（PSW.6）辅助进位标志位。低半字节向高半字节产生进位或借位的标志，常用于BCD码操作。 FO（PSW.5）用户标志位，由用户软件设置（置位/复位）， 以控制程序的流向。 P（PSW.0）奇偶标志位，表示指令执行后，累加器中数“1”的 个数的奇偶性： 串行通讯中常用此位来校验数据传输的正确性OV（PSW.2）溢出标志位 （1）用于带符号数运算的溢出（补码：正数：一最高位为“0”，负 数：求反加1，最高位为“1”） 溢出：运算的结果的绝对值超过允许表示的最大值时，就溢出。O

18、V1表示，两个正数相加和为负数或两个负数相加和变成正数的情况。而一正一负相加不可能溢出！ （127128） 0111 1111 1000 00000111的个数为偶数数值为的个数为奇数数值为pp （ 2）在乘法运算中，OV1，表示乘积超过256，积在B与A中，OV0，表示积只在A中。 （3）在除法运算中，OV=1，表示除数为0，除法不能进行RS1和RS0寄存器组选择位（指令中用了R0R7 寄存器，但它与 哪个工作区对应用RS1，RS0决定）被选中的寄存器组即为当前通用寄存器组。R0R7既与实际的地址相对应。具体应用时，可能并不需要4组工作寄存器，则剩下的寄存器组，可作一般的数据缓冲区用。 DPTR数据指针：是一个16位的地址寄存器，用于访问外部数据存贮器的情况 或读取程序存储器中的表格常数 （MOVC A,A+DPTR)。 可指向64KB范围内的任一外部数据存贮器单元，它也可以分为两个8位寄存器 DPH、DPL使用。 其余不做介绍 DPTRMOVXAADPTRMOVX, 2、专用寄存器的字节寻址 几点说明：（a）21个专用寄存器，离散地分布在80FFH区内（b）凡字