第3章MCS-51单片机的结构与原理

1、第3章 MCS-51单片机的结构与原理 3.1 MCS-51单片机的内部结构 表3-1 MCS-51系列芯片及制造工艺ROM型无ROM型EPROM型片内ROM/KB片内RAM/B16位定时器制造工艺80518031875141282HMOS8051AH8031AH8751H41282HMOS8052AH8032AH8752BH82562HMOS80C51BH80C31BH87C5141282CHMOS3.1.1 存储器结构 MCS-51的存储器不仅有ROM和RAM之分，而且有片内和片外之分。 存储器的地址分配有三个地址空间：ROM存储器地址空间（包括片内ROM和片外ROM），地址范围是0000

2、HFFFFH；片内RAM地址空间，地址范围是00HFFH；片外RAM地址空间，地址范围是0000HFFFFH，如图3-2所示。 （a）ROM存储器地址分配 （b）RAM存储器地址分配 图3-2 MCS-51存储器地址分配外部ROM片内ROM (=1)外部ROM(=0)FFFFH1000H0FFFH0000HFFH80HFFH80H高128BRAM区(8051无)SFR区低128BRAM区7FH00H外部RAMFFFFH1000H1ROM 不论是8031还是8051，都可以外接外部ROM，但片内和片外之和不能超过64KB。8051和87C51都有64KB ROM的寻址区，其中OOOOHOFFFH

3、的4KB地址区可以为片内ROM和片外ROM公用，但不能为两者同时占用。为了指示机器的这种占用，器件设计者为用户提供了一条专用的控制引脚。若接+5V高电平，则机器使用片内4KB ROM，而当指令地址超过0FFFH后，就自动地转向片外ROM取指令；若接低电平，则机器自动使用片外ROM，1000HFFFFH的60KB地址区为片外ROM所专用。由于8031片内无ROM，故它的应接地。 2片内RAM 8051的片内RAM虽然字节数并不很多，但却起着十分重要的作用。256个字节被划分为两个区域：OOH7FH为片内RAM的低128字节区，是真正的RAM区，可以读写各种数据； 80HFFH为片内RAM的高12

4、8字节区，专门用作特殊功能寄存器（SFR）的区域。符号物理地址名 称*ACCE0H 累加器 *BF0H B寄存器*PSWD0H 程序状态字 SP81H 堆栈指针DPL82H 数据寄存器指针(低8位)DPH83H 数据寄存器指针(高8位) *P080H 通道0*P190H 通道1*P2A0H 通道2*P3B0H 通道3*IPB8H 中断优先级控制器*IEA8H 中断允许控制器TMOD89H 定时器方式选择 PCON87H 电源控制器 表3-2 特殊功能寄存器一览表 *TCON88H 定时器控制器 *+T2CONC8H 定时器2控制器TH08CH 定时器0高8位TL0 8AH 定时器0低8位TH1

5、 8DH 定时器1高8位TL1 8BH 定时器1低8位+TH2CDH 定时器2高8位+TL2CCH 定时器2低8位 +RCAP2HCBH定时器2捕捉寄存器高8位 +RCAP2LCAH定时器2捕捉寄存器低8位 *SCON98H 串行控制器 SBUF99H 串行数据缓冲器 在OOH7FH这个低128字节区内，根据不同的功能又可划分为工作寄存器区、位寻址区和便笺区三个子区域 。（1）工作寄存器区(OOH1FH) 这32个RAM单元共分4组，每组占8个RAM单元，分别用代号ROR7表示。（2）位寻址区(20H2FH) 既可以像普通RAM单元一样按字节存取，也可以对每个RAM单元中的任何一位单独存取，这

6、就是位寻址。 20H2FH用作位寻址时，每位都分配了一个特定地址，即OOH7FH，这些地址称为位地址，如图3-3所示。 位地址可以直接使用位寻址区的物理地址表示，也可以采用字节地址和位数相结合的表示方法 在21个特殊功能寄存器中，也有相当一部分是可以进行位寻址的。进行位寻址时，可用“寄存器名.位”来表示位地址（3）便笺区(30H7FH) 便笺区共有80个RAM单元，用于存放用户数据或作堆栈区使用。MCS-51对便笺区中每个RAM单元是按字节存取的。 3片外RAM 如果片内RAM容量太小，不能满足控制需要，也可以外接片外RAM。但片外RAM的最大容量不能超过64KB，地址范围为OOOOHFFFF

7、H，在地址上是和片外ROM重叠的。8051通过不同的控制信号来选通片外ROM或片外RAM 3.1.2 CPU结构 8051内部CPU是一个字长为二进制8位的中央处理单元。1. 算术逻辑部件(ALU) 性能极强的运算器，它既可以进行加、减、乘、除四则运算，也可以进行与、或、非、异或等逻辑运算，还具有数据传送、移位、判断和程序转移等功能。 由一个加法器ACC、两个8位暂存器（TMP1与TMP2）和一个性能卓著的布尔处理器（在图3-1中未画出）组成。 2定时控制部件 定时控制部件起着控制器的作用，由定时控制逻辑、指令寄存器IR和振荡器OSC等电路组成。 图3-4 HMOS型单片机内部振荡器 3专用寄

8、存器组（1）程序计数器PC(Program Counter) 程序计数器PC是一个二进制16位的程序地址寄存器，专门用来存放下一条将要执行指令的内存地址，能自动加1。 CPU执行指令时，它是先根据PC中的地址从存储器中取出当前需要执行的指令码 。 （2）累加器A( Accumulator) 累加器A又记作ACC，是一个具有特殊用途的二进制8位寄存器，专门用来存放操作数或运算结果。 （3）通用寄存器B(General-Purpose Register) 通用寄存器B是专门为乘法和除法设置的寄存器，也是一个二进制8位寄存器。 （4）程序状态字PSW(Program Status Word) PSW

9、是一个8位标志寄存器，用来存放指令执行后的有关状态。PSW中各位状态通常是在指令执行过程中自动形成的，但也可以由用户根据需要采用传送指令加以改变。它的各标志位定义如下：PSW7PSW6PSW5PSW4PSW3PSW2PSW1PSW0CyACF0RS1RS0OV-P进位标志位Cy(Carry)：用于表示加减运算过程中最高位A7（累加器最高位）有无进位或借位。辅助进位位AC( Auxiliary Carry)：用于表示加减运算时低4位（即A3）有无向高1位（即A4）进位或借位。用户标志位FO( Flag zero)：FO标志位的状态由用户根据程序执行的需要通过传送指令确定的。寄存器选择位RS1和R

10、SO：用户通过改变RS1和RSO的状态可以方便地决定ROR7的实际物理地址。RS1、RS0R0R7的组号R0R7的物理地址00000H07H01108H0FH10210H17H11318H1FH溢出标志位OV(OVerflow)：可以指示运算过程中是否发生了溢出，由机器执行指令过程中自动形成。奇偶标志位P(Parity)：用于指示运算结果中1的个数的奇偶性。若P=1，则累加器A中1的个数为奇数；若P=O，则累加器A中1的个数为偶数。（5）堆栈指针SP(Stack Pointor) 堆栈指针SP是一个8位寄存器，能自动加1或减1，专门用来存放堆栈的栈顶地址。堆栈区按“先进后出”或“后进先出”规律

11、存取数据的RAM区域（8051片内RAM共有128B，地址范围为OOH7FH，可用作堆栈） 。 8051的堆栈属于向上生长型，在数据压入堆栈时，SP的内容自动加1，作为本次进栈的地址指针，然后再存入信息。 8051单片机复位后，堆栈指针SP总是初始化到内部RAM地址07H。从08H开始就是8051的堆栈。 （6）数据指针DPTR（Data Pointer） 数据指针DPTR是一个16位的寄存器，由两个8位寄存器DPH和DPL组成。其中，DPH为DPTR的高8位，DPL为DPTR的低8位。 3.1.3 I/O端口 I/O端口又称为I/O接口，也叫做I/O通道或I/O通路。I/O端口是MCS-51

12、单片机对外部实现控制和信息交换的必经之路，是一个过渡的集成电路，用于信息传送过程中的速度匹配和增强它的负载能力。 1并行I/O端口 8051有4个并行I/O端口，分别命名为PO、Pl、P2和P3，在这4个并行I/O端口中，每个端口都有双向I/O功能。 4个端口在进行I/O方式时，特性基本相同，共有写端口、读端口和读引脚三种操作方式： 作为输出口用时，内部带锁存器，故可以直接和外设相连，不必外加锁存器。 作为输入口用时，都有两种工作方式，即“读端口”和“读引脚”。 读端口时实际上并不是从外部读入数据，而只是把端口锁存器中的内容读入到内部总线，经过某种运算和变换后，再写回到端口锁存器。属于这种方式

13、的指令称为“读-改-写”指令。 读引脚时才真正地把从外部加到引脚上的输入数据读入到内部总线。 注意，在从外部读入数据时，也就是读引脚时，要先通过指令，将端口锁存器置1，然后再进行读引脚操作，否则就可能读入出错。 PO口、P2口和P3口除可用作通用的I/O外，还具有特殊的功能。例如，当向外部存储器读写信号时，PO口就分时地作为低8位地址线和数据总线使用，P2口可用作高8位地址线使用，等等。P3口除可以作为通用I/O口使用外，每位都有各自的第二功能。P3口的位第二功能注释P3.0RXD串行数据接收口P3.1TXD串行数据发送口P3.2外中断0输入P3.3外中断1输入P3.4T0 计数器0计数输入P

14、3.5T1 计数器1计数输入P3.6外部RAM写选通信号P3.7外部RAM读选通信号 2串行I/O端口 8051内部有一个全双工的可编程串行I/O端口。 3.1.4 定时/计数器 8051内部有两个16位可编程定时计数器，记为T0和T1。T0由两个8位寄存器THO和TLO拼装而成，其中THO为高8位，TLO为低8位。 可编程是指它们的工作方式可以由指令来设定：或者当计数器用，或者当定时器用，并且计数（定时）的范围也可以由指令来设置。对TO和T1的控制由两个8位特殊功能寄存器完成：一个称为定时器方式选择寄存器TMOD，用于确定是定时器还是计数器工作模式；另一个叫做定时器控制寄存器TCON，可以决

15、定定时器或计数器的启动、停止以及进行中断控制。 3.1.5 中断系统 计算机中的中断是指CPU暂停原程序执行转而为外部设备服务（执行中断服务程序），并在服务完后回到原程序执行的过程。中断系统是指能够处理上述中断过程所需要的那部分电路。 中断源是指能产生中断请求信号的源泉。8051的中断系统允许接受5个独立的中断源：外部中断源有两个，通常指外部设备；内部中断源有三个，两个定时计数器中断源和一个串行口中断源。 8051的中断系统主要由中断允许控制寄存器IE (Interrupt Enable)和中断优先级控制器IP等电路组成。 3.2 MCS-51单片机的引脚及其功能 8051有40条引脚，共分为

16、端口线、电源线和控制线三类。 1端口线（48=32条）P0.7PO.0：这组引脚共有8条，为PO口所专用。这8条引脚共有两种不同的功能，第一种作为通用I/O口使用，用于传送CPU的输入输出数据。第二种在CPU访问片外存储器时先是用于传送片外存储器的低8位地址，然后传送CPU对片外存储器的读写数据。 Pl.7P1.O：当Pl口作为通用I/O使用时，Pl.7P1.O的功能和PO口的第一功能相同，也用于传送用户的输入输出数据。 P2.7P2.0：这组引脚的第一功能和上述引脚相同，即它可以作为通用I/O使用。它的第二功能用于输出片外存储器的高8位地址。 P3.7P3.0：这组引脚的第一功能和其余三个端

17、口的第一功能相同。第二功能作控制用，每个引脚并不完全相同，如表3-4所示。 2电源线（2条） VCC为+5V电源线，VSS为接地线。 3控制线（6条） ALE/ ：地址锁存允许编程线，配合P0口引脚的第二功能使用。即在访问片外存储器时其下降沿用于把这个片外存储器低8位地址锁存到外部专用地址锁存器。/EA/VPP：允许访问片外存储器编程电源线。它可以控制8051使用片内ROM还是使用片外ROM。若/EA =1，则允许使用片内ROM；若/EA =0，则允许使用片外ROM。 /PSEN：片外ROM选通线。在执行访问片外ROM的指令MOVC时，8051自动在 /PSEN线上产生一个负脉冲，用于为片外R

18、OM芯片的选通。 RSTVPD：复位备用电源线，可以使8051处于复位（即初始化）工作状态。 RSTVPD的第二功能是作为备用电源输入端。当主电源VCC发生故障而降低到规定低电平时，RSTVPD线上的备用电源自动投入，以保证片内RAM中信息不丢失。XTAL1和XTAL2：在使用单片机内部振荡电路时，这两个引脚用来外接石英晶体和微调电容（图3-9）。在使用外部时钟时，则用来输入时钟脉冲，常用的几种电路结构如图3-10所示。3.3 MCS-51单片机的工作方式 3.3.1 复位方式 条件：RST引脚是高电平，并且持续时间要有24个时钟周期以上。 中央处理器CPU以及其他功能部件都处于一个确定的初始

19、状态，并从这个状态开始工作。 寄存器名内 容寄存器名内 容 PC 0000H TCON 00H ACC 00H TH0 00H B 00H TL0 00H PSW 00H TH1 00H SP 07H TL1 00H DPTR 0000H TH2（8052） 00H P0P3 FFH TL2（8052） 00HIP（8051）00000BRCAP2H（8052） 00HIP（8052） 000000BRCAP2L（8052） 00HIE（8051）000000B SCON 00HIE（8052） 0000000B PCON（HMOS）0B SBUF 不定PCON（CHMOS） 00000B T

20、MOD 00H3.3.2 程序执行方式 程序执行方式是单片机的基本工作方式，通常可以分为单步执行和连续执行两种工作方式。1单步执行方式 单步执行方式是指单片机在控制面板上的某个按钮（即单步执行键）控制下逐条执行用户程序中指令的方式，即按一次键，执行一条指令。单步执行方式常常用于用户程序的调试。LOOPl:JNB P3.2，LOOP1；若/INT0=0，则不往下执行LOOP2:JB P3.2，LOOP2；若/INT0=1,则不往下执行RETI并返回用户程序中执行一条用户指令，这条用户指令执行完后，单片机又自动回到上述中断服务程序执行，并等待用户再次按下单步执行键。 2连续执行方式 由于单片机复位

21、后PC= OOOOH，因此机器在加电或按钮复位后总是转到OOOOH处执行程序，这就可以预先在OOOOH处放一条转移指令，以便跳转到真正的程序入口地址处。3.3.3 节电工作方式 节电方式是一种能减少单片机功耗的工作方式，通常可以分为空闲（等待）方式和掉电（停机）方式两种，只有CHMOS型器件才有这种工作方式。 CHMOS型单片机的节电方式是由特殊功能寄存器PCON控制的，PCON各位定义为：PCON.7PCON.6PCON.5PCON.4PCON.3PCON.2PCON.1PCON.0SMOD-GF1GF0PDIDL 1掉电方式 80C31执行如下指令便可进入掉电方式： MOV PCON,#0

22、2H ；PD1 片内所有功能部件停止工作，但片内RAM和特殊功能寄存器中的内容保持不变 在掉电期间，VCC电源可以降为2V 80C31从掉电状态退出的唯一方法是硬件复位 ,复位以后SFR被重新初始化，但RAM中的内容保持不变 2空闲方式 80C31执行如下指令可以进入空闲方式： MOV PCON,#O1H ；IDL1 CPU进入空闲状态后是不工作的，但各功能部件保持了进入空闲状态前的内容，且消耗功耗很少。 CHMOS型器件退出空闲状态有两种方法。一种是让被允许中断的中断源发出中断请求;另一种使CPU退出空闲状态的方法是硬件复位，图3-12 80C31系统供电框图3.3.4 编程和校验方式 编程

23、是指利用特殊手段对单片机片内EPROM进行写操作的过程，校验则是对刚刚写入的程序代码进行读出验证的过程。因此，单片机的编程和校验方式只有EPROM型器件才有，如8751这样的器件。 8751和8051类似，只是8751片内的4KB程序存储器是EPROM型的，不像8051那样是ROM型的。8751片内EPROM有编程、校验和保密编程三种工作方式。3.4 MCS-51单片机的时序 单片机时序就是CPU在执行指令时所需控制信号的时间顺序。3.4.1 机器周期和指令周期 1时钟周期 时钟周期T又称为振荡周期，由单片机片内振荡电路OSC产生，常定义为时钟脉冲频率的倒数，是时序中最小的时间单位。 2机器周期 机器周期定义为实现特定功能所需的时间，通常由若干时钟周期T构成。因此，微型计算机的机器周期常常按其功能来命名，且不同机器周期所包含的时钟周期的个数也不相同。 MCS-51的机器周期没有采用上述方案，它的机器周期时间是固定不变的，均由12个时钟周期T组成，分为6个状态(S1S6)，每个状态又分为Pl和P2两拍。 3指令周期 指令周期是时序中的最大时间单位，定义为执行一条指令所需的时间。由于机器