第2讲MCS-51单片机结构---陈裕国 - 副本 (2)

1、第第2章章 MCS-51单片机单片机的的结构结构1 1 MCS51单片机的单片机的片内结构片内结构2 2 MCS51单片机的单片机的引脚引脚3 MCS51单片机的单片机的最小系统最小系统4 MCS51单片机的单片机的存储器结构存储器结构作业作业5 MCS51单片机的单片机的工作原理工作原理1 MCS51单片机的片内结构单片机的片内结构 51子系列子系列（2个定时器、个定时器、128字节字节RAM）：）：8031（无（无ROM）、）、8051（OTPROM ：4K）、）、8751（EPROM：4K）52子系列子系列（3个定时器、个定时器、256字节字节RAM） ：8032 （ 无（ 无 R O

2、M ） 、 8 0 5 2 （OTPROM ：4K）其他其他 增强型：如增强型：如C8051F系列、系列、upsd3200系列系列 简化版：如简化版：如89C2051共同点：共同点：有有MCS51的的CPU内核内核有此结构才能称为51单片机返回2 MCS51单片机的引脚单片机的引脚4040脚分类脚分类（教材以功能进行归（教材以功能进行归纳！）纳！） ：I/O 端口：端口： P0P3（32pin） （ P0数据总线数据总线，也可作为访问，也可作为访问外部地址的外部地址的低八位地址低八位地址【分时复分时复用口用口】 P2通用通用IO，通常也用作访问，通常也用作访问外部地址的外部地址的高八位地址高八

3、位地址（H） P1通用通用IO P3通用通用IO，有第二功能有第二功能）控制相关控制相关（4pin） 地址锁存地址锁存 ALE 复位输入复位输入 RST 外存选择外存选择 /PSEN 外存控制外存控制 /EA（编程脉冲输（编程脉冲输入入/PORG）时钟时钟（2pin） XTAL1、XTAL2电源电源（2pin） VCC、VSS、返回“单片机的最小系统单片机的最小系统”概念概念 单片机能运行起来单片机能运行起来的最简单的硬件配的最简单的硬件配置，称为置，称为最小系统最小系统。即包括了即包括了复位电路复位电路、时钟电路时钟电路及及单片机单片机在内的硬件结构在内的硬件结构接下页 时钟电路时钟电路（内

4、部/外部时钟；频率范围1.2M12Mhz）（a） 内部时钟电路；内部时钟电路； （b） 外部振荡源外部振荡源（HMOS）接下页 时序及相关概念时序及相关概念 振荡周期振荡周期: 也称时钟周期也称时钟周期, 是指为单片机提供时钟脉冲是指为单片机提供时钟脉冲信号的振荡源的周期。（即信号的振荡源的周期。（即 晶振的频率）晶振的频率） 状态周期状态周期: 每个状态周期为时钟周期的每个状态周期为时钟周期的 2 倍倍, 是振荡周是振荡周期经二分频后得到的。期经二分频后得到的。 机器周期机器周期：完成一个基本操作所需要的时间。：完成一个基本操作所需要的时间。一个机一个机器周期由器周期由1212个时钟周期组成

5、。个时钟周期组成。 指令周期：指令周期：一条指令的执行时间。一条指令的执行时间。以机器周期为单位以机器周期为单位：单、双周期和四周期指令。（！无单、双周期和四周期指令。（！无3周期指令）周期指令） （思考题：设应用单片机晶振频率为（思考题：设应用单片机晶振频率为12MHz，问机器周期，问机器周期为多长时间？指令周期分别为多长时间？为多长时间？指令周期分别为多长时间？ ）接下页MCS - 51 指令的取指指令的取指/执行时序执行时序 但访问外部RAM时例外接下页 指令字节与指令周期：指令字节与指令周期： MCS51的指令系统中，指令的长度为的指令系统中，指令的长度为13字字节，除节，除MUL（乘

6、）、（乘）、DIV（除）指令外，（除）指令外，单字单字节、双字节指令可能是单周期也可以是双周期节、双字节指令可能是单周期也可以是双周期的；三字节指令都是双周期的；只有乘法和除的；三字节指令都是双周期的；只有乘法和除法指令为四周期！法指令为四周期！接下页访问外部访问外部ROM的时序的时序（MOVC指令）指令） PCLPCHCODE接下页读外部数据读外部数据RAM时序时序 （MOVX）下一周期丢失一个ALE脉冲不再是PCL接下页 复位电路复位电路 （在单片机的（在单片机的RST引脚上输入两个机器周期以上的高电平，引脚上输入两个机器周期以上的高电平，即可完成一次复位操作）即可完成一次复位操作）（a）

7、上电复位电路；）上电复位电路；(b) 开关复位电路开关复位电路返回4 存储器结构（存储器结构（两个存储空间两个存储空间）接下页程序存储器空间程序存储器空间数据存储器空间数据存储器空间1）程序存储器空间程序存储器空间 片内片内程序存储器程序存储器 /EA引脚接高电平，引脚接高电平，CPU从片内从片内0000H开始取指令执行，当开始取指令执行，当PC值超出值超出0FFFH时自动转向片外程序存储器取指时自动转向片外程序存储器取指令执行。令执行。 片外片外程序存储器程序存储器 /EA引脚接地电平，单片机只能从片引脚接地电平，单片机只能从片外程序存储器取指令执行。外程序存储器取指令执行。接下页2）数据存

8、储器空间数据存储器空间 片内片内数据存储器数据存储器 地址为地址为8 8位！位！ 分为两个区：分为两个区： (1) 00H7FH 又分三个区：又分三个区： 00H1FH 工作寄存器组区工作寄存器组区 20H2FH 位寻址区，位寻址区，亦可像亦可像30H7FH一样字节寻址一样字节寻址 30H7FH 字节字节RAM区区 (2)80HFFH 特殊功能寄存器区特殊功能寄存器区 片外片外数据存储器数据存储器 地址为地址为1616位！位！ 地址范围0000HFFFFH 接下页2）数据存储器空间数据存储器空间-片内片内数据存储器数据存储器00H1FH 工作寄存器组区工作寄存器组区 接下页 通过设置通过设置P

9、SW特殊功能寄存器特殊功能寄存器的的RS1 RS0来来选择一组选择一组 2）数据存储器空间数据存储器空间-片内片内数据存储器数据存储器 20H2FH 位寻址区，位寻址区，亦可像亦可像30H7FH一样字节寻址一样字节寻址 接下页2）数据存储器空间数据存储器空间-片内片内数据存储器数据存储器 30H7FH 字节字节RAM区区 用于堆栈和存放数据。字节访问。用于堆栈和存放数据。字节访问。接下页2）数据存储器空间数据存储器空间-片内片内数据存储器数据存储器 80HFFH 特殊功能寄存器区特殊功能寄存器区接下页地址地址符号符号名称名称地址地址符号符号名称名称F0HB寄存器寄存器98HSCON串行控制串行

10、控制/状态寄存器状态寄存器E0HA累加器累加器90HP1口口1D0HPSW程序状态字程序状态字8DHTH1定时器定时器1高高8位位CDHTH2定时器定时器2高高8位位8CHTL1定时器定时器1低低8位位CCHTL2定时器定时器2低低8位位8BHTH0定时器定时器0高高8位位CBHRCAP2H定时器定时器2陷阱寄存器高陷阱寄存器高8位位8AHTL0定时器定时器0低低8位位CAHRCAP2L定时器定时器2陷阱寄存器低陷阱寄存器低8位位89HTMOD定时器方式寄存器定时器方式寄存器C8HT2CON定时器定时器2控制寄存器控制寄存器88HTCON定时器控制寄存器定时器控制寄存器B8HIP中断口优先级控

11、制寄中断口优先级控制寄存器器存器器87HPCON电源控制寄存器电源控制寄存器B0HP3口口383HDPH数据指针高数据指针高8位位A8HIE中断允许控制寄存器中断允许控制寄存器82HDPL数据指针低数据指针低8位位A0HP2口口281HSP堆栈指针堆栈指针99HSBUF串行数据缓冲器串行数据缓冲器80HP0口口0表2-3 特殊功能寄存器映像8051、8751、8031有有21个个特殊功能寄存器。特殊功能寄存器。8052、8032则有则有26个个SFR。大致可分为以下几类：大致可分为以下几类： 1)算术运算寄存器算术运算寄存器 A：累加器（：累加器（E0H） B：寄存器（：寄存器（F0H） PS

12、W：程序状态字寄存器（：程序状态字寄存器（D0H） 2)指针寄存器指针寄存器 SP：堆栈指针（：堆栈指针（81H） DPTR：数据指针（：数据指针（16位）。可拆分为两个位）。可拆分为两个8位位reg独立操作（独立操作（DPH/高高8位和位和DPL/低低8位）位）（83H、82H）2）数据存储器空间数据存储器空间-特殊功能寄存器区特殊功能寄存器区接下页 3)并行并行I/O口口 P0：口：口0（80H） P1：口：口1（90H） P2：口：口2（A0H） P3：口：口3（B0H） 4)串行串行I/O口口 SCON：串行控制：串行控制/状态寄存器（状态寄存器（98H） SBUF：串行数据缓冲区（：

13、串行数据缓冲区（99H） PCON：电源控制（：电源控制（97H）接下页5) 中断系统中断系统 IP：中断优先级控制寄存器（：中断优先级控制寄存器（B8H） IE：中断允许控制寄存器（：中断允许控制寄存器（A8H）6）定时）定时/计数器计数器 TMOD：定时器方式寄存器（：定时器方式寄存器（98H） TCON：定时器控制寄存器（：定时器控制寄存器（88H） TH0：定时器：定时器0高高8位（位（8CH） TL0：定时器：定时器0低低8位（位（8AH） TH1：定时器：定时器1高高8位（位（8DH） TL1：定时器：定时器1低低8位（位（8BH） T2CON：定时器：定时器2控制寄存器高控制寄存

14、器高8位（位（CBH） RCAP2L：定时器：定时器2陷阱寄存器低陷阱寄存器低8位（位（CAH）接下页 累加器累加器A（Acc）8位位 CPU工作最频繁的工作最频繁的reg，用于提供操作数和，用于提供操作数和存放运算的中间结果（与存放运算的中间结果（与“加法加法”的意义区分的意义区分开！）开！） MCS 51系列系列MCU，结构上仍以累加器，结构上仍以累加器A作作为基础（许多指令都以为基础（许多指令都以Acc为基础，特别是与为基础，特别是与外部存储器打交道的指令，都需在外部存储器打交道的指令，都需在Acc中进中进行）。行）。 但由于内部电路采取了措施，使得累加器但由于内部电路采取了措施，使得累

15、加器A在数据传送、逻辑控制等方面的核心作用受到在数据传送、逻辑控制等方面的核心作用受到了削载，数据可以在片内直接了削载，数据可以在片内直接/间接地址的存储间接地址的存储器之间直接传送而不必经过累加器器之间直接传送而不必经过累加器A。直接地址。直接地址存储器也可和常量直接进行逻辑运算。存储器也可和常量直接进行逻辑运算。接下页 一般用于乘除法指令，通常与一般用于乘除法指令，通常与A配合使用。配合使用。B存放乘积的高位字节或除法运算后的余数部分。存放乘积的高位字节或除法运算后的余数部分。 例如：例如：MUL AB ；AB （8位无符号数）位无符号数）BA DIV AB ；A/B商商A，A/B余数余数

16、B 也可作为普通的也可作为普通的reg来使用，如暂存中间结果等来使用，如暂存中间结果等 B寄存器寄存器接下页 程序状态字寄存器程序状态字寄存器PSW（特别重要！）（特别重要！） 程序状态字程序状态字PSW是指令可以访问的、单片机中各有关是指令可以访问的、单片机中各有关标志寄存器的集合体。标志寄存器的集合体。 可以以字节来访问，也可以直接访问某一位，如：可以以字节来访问，也可以直接访问某一位，如： setb F0；/将将F0位置位置1 要求掌握其中每一位的含义！要求掌握其中每一位的含义！接下页PSW（字节地址：F0H）凡字节地址可被凡字节地址可被8整除的均可按位访问整除的均可按位访问PSW状态字

17、PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0 标志位CYACF0RS1RS0OVP例： 1010 1010B 如何影响Cy、AC？ 0101 1000B CY（PSW.7）：进位标志，如果操作结果在最高位有进位输出（加法）或借位输入（减法）时置位，否则清零。AC(PSW.6)：辅助进位标志，是低半字节的进位位（累加器A中A3向A4位的进位），BCD码调整时用。接下页PSW（字节地址：F0H）凡字节地址可被凡字节地址可被8整除的均可按位访问整除的均可按位访问PSW状态字PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0 标志位CY

18、ACF0RS1RS0OVP硬件接下页PSW（字节地址：F0H）凡字节地址可被凡字节地址可被8整除的均可按位访问整除的均可按位访问PSW状态字PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0 标志位CYACF0RS1RS0OVP 例：MOV PSW，08H 选中寄存器组1（即R0R7映射到RAM的08H0FH单元20H18H1FH10H17HR7（0FH）R6（0EH）R5（0DH）R4（0CH）R3（0BH）R2（0AH）R1（09H）R0（08H）00H07H片内RAM的部分字节用于通用寄存器组接下页 堆栈指针堆栈指针SP （堆栈与中断系统是计算机的两大特征（

19、堆栈与中断系统是计算机的两大特征） 以以“堆堆”的方式工作的的方式工作的“栈栈”。 遵循遵循“先进后出、后进先出先进后出、后进先出”的原则，堆栈是按该工的原则，堆栈是按该工作方式工作的、用来暂时存放数据的寄存器或存储单元。作方式工作的、用来暂时存放数据的寄存器或存储单元。是只在一端进行存取的一块特别的存储区。是只在一端进行存取的一块特别的存储区。接下页 堆栈的实现方式：堆栈的实现方式：堆栈指针，堆栈指针，SP堆栈的生长方向：堆栈的生长方向：MCS51的生长的生长方式为方式为“向下生长向下生长”接下页 MCS51的堆栈（指针的堆栈（指针8位）位） MCS51的堆栈指针是一个的堆栈指针是一个8位的

20、地址寄存器，它指向位的地址寄存器，它指向RAM中的一个存储单元。堆栈指针的初值称为栈区的栈底，中的一个存储单元。堆栈指针的初值称为栈区的栈底，每当一个数据送到堆栈中（称为压入堆栈）或从堆栈中取出每当一个数据送到堆栈中（称为压入堆栈）或从堆栈中取出（称为弹出堆栈），堆栈指针都要随之作相应的变化，它始（称为弹出堆栈），堆栈指针都要随之作相应的变化，它始终指向栈区的顶端（栈顶）。终指向栈区的顶端（栈顶）。 工作过程：需要入栈时（中断或执行工作过程：需要入栈时（中断或执行PUSH或或CALL指指令时），令时），CPU首先把首先把SP加加1，再把数据压栈；当需要把数据，再把数据压栈；当需要把数据弹出时（

21、为执行弹出时（为执行POP或返回指令时），或返回指令时），CPU先把数据弹出，先把数据弹出，然后然后SP减减1，这样保证，这样保证SP所指的栈顶总是满的。所指的栈顶总是满的。 当复位时，堆栈指针初始化为当复位时，堆栈指针初始化为07H07H，因此，堆栈从地址，因此，堆栈从地址08H08H开始；开始；堆栈指针也可由指令改变，因而堆栈可设置且只堆栈指针也可由指令改变，因而堆栈可设置且只能设置在片内数据存储器能设置在片内数据存储器RAM的任何一个连续区间。的任何一个连续区间。接下页 DPTR（数据指针）（数据指针） 数据指针DPTR是一个16位的SFR，其高位字节寄存器用DPH表示、低位字节寄存器用

22、DPL表示。DPTR既可以作为一个16位的寄存器DPTR来使用，也可以作为两个独立的八位寄存器DPH、DPL来用。接下页 PC（程序计数器，程序指针）（程序计数器，程序指针） 程序计数器程序计数器PCPC用于存放下一条要执行的指令用于存放下一条要执行的指令地址，是一个地址，是一个1616位的专用寄存器，可寻址范围为位的专用寄存器，可寻址范围为0 06553565535（64K64K）。）。 PC PC在物理上是独立的，尽管与在物理上是独立的，尽管与SFRSFR关系密切，关系密切，但不属于但不属于SFRSFR。接下页 关于关于“特殊功能寄存器（特殊功能寄存器（SFR）”的小的小结结 MCS-51系列单片机将物理上分散在片内各处系列单片机将物理上分散在片内各处（离散的占用片内离散的占用片内RAM区的区的80HFFH地址地址）的具有）的具有某种特定功能的一些寄存器，在数学上把它们组织在某种特定功能的一些寄存器，在数学上把它们组织在特殊功能寄存器的地址空间中，使用统一后的特