第2章MCS-51单片机的结构和原理

1、第第2 2章章 MCS-51MCS-51单片机的结构和原理单片机的结构和原理第第2 2章章 MCS-51MCS-51单片机的结构和原理单片机的结构和原理uMCS-51MCS-51是是IntelIntel公司生产的一个单片机系列的名称。公司生产的一个单片机系列的名称。uMCS-51MCS-51系列属高档系列属高档8 8位单片机属于这一系列的单片位单片机属于这一系列的单片机芯片有许多种，如机芯片有许多种，如8051,8031,8751,80C51BH,80C31BH8051,8031,8751,80C51BH,80C31BH等等等。等。u它们的基本组成、基本性能和指令系统都是相同的。它们的基本组成

2、、基本性能和指令系统都是相同的。u为了叙述方便，则常用为了叙述方便，则常用80518051代表代表MCS51MCS51系列单片机。系列单片机。2.1.1 MCS51单片机的基本组成单片机的基本组成2.1.2 MCS51单片机内部结构单片机内部结构2.1.3 MSP430系列单片机的系列单片机的特点特点2.1.4 DSP-TMS320F2812的的特点特点 89C51CPU振荡器和时序振荡器和时序OSC64KB 总线总线扩展控制器扩展控制器数据存储器数据存储器256B RAM/SFR216位位定时器定时器/计数器计数器可编程可编程I/O程序存储器程序存储器4KBROM可编程全双工可编程全双工串行

3、口串行口外中断外中断内中断内中断控制控制并行口并行口串行通信串行通信外部时钟源外部时钟源外部事件计数外部事件计数u u 80518051片内为掩膜片内为掩膜ROMROM，内部程序不能改写，不便于实验和开发如内部程序不能改写，不便于实验和开发如在实验调试中使用在实验调试中使用80518051，需在片外扩展可改写的，需在片外扩展可改写的EPROMEPROM 87518751具有片内具有片内EPROMEPROM，是真正的单片机，但由于价格较贵，所以用是真正的单片机，但由于价格较贵，所以用得较少。得较少。 80318031片内没有片内没有EPROMEPROM，但它在市场上的价格很低，只需在片外扩展但它

4、在市场上的价格很低，只需在片外扩展一片一片EPROMEPROM就可构成就可构成87518751，所以使用非常广泛。，所以使用非常广泛。u u MCS-51MCS-51系列单片机的温度适用范围也较微处理器芯片系列单片机的温度适用范围也较微处理器芯片Z80Z80，80808080等宽其温度范围为：等宽其温度范围为： 民品民品( (商业用商业用) 0) 070 70 工业品工业品 -40-408585 军用品军用品 -55-55125 125 89C51/S5189C51/S51单片机单片机 51系列单片机有多种型号的产品，如普通型（系列单片机有多种型号的产品，如普通型（51子系列）子系列）80C5

5、1、80C31、87C51和和89C51等，增强型（等，增强型（52子系列）子系列）80C32、80C52、87C52和和89C52等。它们的结构基本相同，其主要差别反映在存储器的配置上。等。它们的结构基本相同，其主要差别反映在存储器的配置上。n80C31片内没有程序存储器，片内没有程序存储器，n80C51内部设有内部设有4 KB的掩膜的掩膜ROM程序存储器。程序存储器。n87C51是将是将80C51片内的片内的ROM换成换成EPROM，n89C51则换成则换成4 KB的闪速的闪速E2PROM。51增强型的程序存储器容量为普通型的增强型的程序存储器容量为普通型的2倍。倍。通常以通常以8C51代

6、表这一系列的单片机，代表这一系列的单片机，其中其中=0掩膜掩膜ROM = 7EPROM/OTPROM = 9Flash ROMp AT89C51/P89C51/SST89E554（以下简称为（以下简称为89C51)为典型机，为典型机，讲述单片机的硬件结构、原理、接口技术、编程及其应用技讲述单片机的硬件结构、原理、接口技术、编程及其应用技术。舍弃术。舍弃80C31扩展扩展EPROM的传统模式，而依据目标任务的传统模式，而依据目标任务选择所需不同档次（片内不同存储器容量）的选择所需不同档次（片内不同存储器容量）的89系列单片机。系列单片机。p AT89C系列单片机属常规类型，只能用通用编程器进行编

7、辑，系列单片机属常规类型，只能用通用编程器进行编辑，不能进行下载编程，不能进行下载编程，AT89S系列单片机主要特点是具有系列单片机主要特点是具有ISP功能，也就是说，对功能，也就是说，对AT89S芯片进行编程时，不需要将芯片芯片进行编程时，不需要将芯片从目标板上取下，只需用一根下载线即可对从目标板上取下，只需用一根下载线即可对AT89S单片机进单片机进行下载编程。行下载编程。80C51CPU振荡器和时序振荡器和时序OSC64KB 总线总线扩展控制器扩展控制器数据存储器数据存储器256B RAM/SFR216位位定时器定时器/计数器计数器可编程可编程I/O程序存储器程序存储器4KB FLASH

8、 ROM可编程全双工可编程全双工串行口串行口外中断外中断内中断内中断控制控制P0 P2 P1 P3串行通信串行通信外部时钟源外部时钟源外部事件计数外部事件计数地址地址/数据数据2.1.2 MCS51单片机内部结构单片机内部结构P0驱动器驱动器P2驱动器驱动器P0锁存器锁存器P2锁存器锁存器RAM地址地址寄存器寄存器128BRAM4KBROMB寄存器寄存器暂存器暂存器1暂存器暂存器2ACCSP程序地址程序地址寄存器寄存器 缓冲器缓冲器PC增增1PCDPTR中断、串行口和定时器中断、串行口和定时器PSWP1锁存器锁存器P1驱动器驱动器P3锁存器锁存器P3驱动器驱动器定定时时控控制制指指令令寄寄存存

9、器器指指令令译译码码器器OSCALUP0.0-P0.7P2.0-P2.7P3.0-P3.7P1.0-P1.7XTAL1 XTAL2PSENALEEARESET运算器运算器控制器控制器存储器存储器I/O接口接口2种基本的总线结构种基本的总线结构:Von Neumann- 冯冯.诺依曼诺依曼Harvard 哈佛哈佛Von Neumann:数据、代码共享内存空间数据、代码共享内存空间数据、代码共享内存总线数据、代码共享内存总线Example: Intels x86 Pentium Processor familyHarvard:数据、代码独立存储空间数据、代码独立存储空间数据、代码独立存储总线数据、

10、代码独立存储总线一个由多一个由多ICIC构成的处理系统的核心器件构成的处理系统的核心器件( (芯片芯片) )普林斯顿结构普林斯顿结构冯冯诺曼（诺曼（Van Neuman）u 805180518751875180318031芯片的外部引脚和指令系统完全兼容，其芯片的外部引脚和指令系统完全兼容，其内部结构除内部结构除ROMROMEPROMEPROM不同外，其余完全相同。不同外，其余完全相同。u 一个完整的计算机应该由运算器、控制器、存储器一个完整的计算机应该由运算器、控制器、存储器(ROM(ROM及及RAM)RAM)和和I I0 0接口组成。接口组成。u 运算器包括一个可进行运算器包括一个可进行8

11、 8位算术运算和逻辑运算的单元位算术运算和逻辑运算的单元ALUALU，8 8位的暂存器位的暂存器1 1、暂存器、暂存器2 2，8 8位的累加器位的累加器ACCACC，寄存器，寄存器B B和程序状和程序状态寄存器态寄存器PSWPSW等。等。u 控制器包括程序计数器控制器包括程序计数器PCPC、指令寄存器、指令寄存器IRIR、指令译码器、指令译码器IDID、振荡器及定时电路等。振荡器及定时电路等。 u80518051片内有片内有ROM(ROM(程序存储器，只能读程序存储器，只能读) )和和RAM(RAM(数据存储器，数据存储器，可读可写可读可写) )两类，它们有各自独立的存储地址空间，与一般微机两

12、类，它们有各自独立的存储地址空间，与一般微机的存储器配置方式不同。的存储器配置方式不同。u 80518051有四个有四个8 8位并行接口，即位并行接口，即P0-P3P0-P3它们都是双向端口，每它们都是双向端口，每个端口各有个端口各有8 8条条I IO O线，均可输入输出。线，均可输入输出。P0-P3P0-P3口四个锁存器口四个锁存器同同RAMRAM统一编址，可以把统一编址，可以把I IO O口当作一般特殊功能寄存器来寻口当作一般特殊功能寄存器来寻址址19961996年，年，TITI公司推出了公司推出了MSP430MSP430系列单片机，该系列单片系列单片机，该系列单片机具有极低的功耗、丰富的

13、片内外设和方便灵活的开发手段，机具有极低的功耗、丰富的片内外设和方便灵活的开发手段，可以方便地构成各种超低功耗的单片机应用系统。可以方便地构成各种超低功耗的单片机应用系统。 MSP430MSP430系列单片机的发展过程可以大致分为四个阶段。系列单片机的发展过程可以大致分为四个阶段。 不同系列的不同系列的MSP430单片机性能虽有不同，但是总体特单片机性能虽有不同，但是总体特性相似，概括如下：性相似，概括如下： 五种省电模式，五种省电模式，6 s内从待机模式唤醒；内从待机模式唤醒； 低电压供电：低电压供电：1.83.6 V；耗电电流：；耗电电流：0.1400 A (掉电工作模式：掉电工作模式：0

14、.1 A；待机模式：；待机模式：0.8 A)； 16位位RISC结构的结构的CPU通过总线连接到存储器和外围通过总线连接到存储器和外围模块；模块； 三个时钟模块可提供三种时钟信号：三个时钟模块可提供三种时钟信号：ACLK、MCLK、SMCLK； 多达多达64 KB寻址空间，包括寻址空间，包括ROM、RAM、Flash； 多个多个I/O口：口：P0P10； 仅仅3种指令格式，全部为正交结构；种指令格式，全部为正交结构； 共共7种寻址模式，可字或者字节寻址；种寻址模式，可字或者字节寻址； 具有多达具有多达16个中断源个中断源(如定时器、串行口、如定时器、串行口、P1、P2、WDT等等)，多级优先级

15、，可以实现中断嵌套；，多级优先级，可以实现中断嵌套； 串行通信接口串行通信接口USART可设置为同步可设置为同步(SPI)、异步、异步(UART)或或I2C模式，发送与接收有各自的中断入口地址；模式，发送与接收有各自的中断入口地址； 定时器有基本定时器、定时器定时器有基本定时器、定时器A、定时器、定时器B和看门狗定时和看门狗定时器，能实现事件定时、计数、器，能实现事件定时、计数、PWM等功能；等功能； 具有具有16位看门狗功能；位看门狗功能； 具有具有A/D转换器和转换器和12位的位的D/A转换器；转换器； 集成集成LCD驱动器、硬件乘法器、比较器、驱动器、硬件乘法器、比较器、DMA控制器控制

16、器及及Scan IF模块。模块。 图示图示 MSP430X14X系列结构框图系列结构框图 2.1.4 DSP-TMS320F2812的的特点特点哈佛结构哈佛结构 流水线操作流水线操作 专用的硬件乘法器专用的硬件乘法器 特殊的特殊的DSP指令指令快速的指令周期快速的指令周期 单片机单片机(微控制器微控制器): 用于不太复杂的数字信号处理。结构较简单用于不太复杂的数字信号处理。结构较简单，没有乘法器，没有乘法器，I/O接口多，位控制能力强，成本低，使用方便。接口多，位控制能力强，成本低，使用方便。如如51系列，系列，AVR系列，系列，PIC系列等系列等 嵌入式微处理器：嵌入式微处理器：基于通用计算

17、机基于通用计算机CPU，具有较高的抗干扰能，具有较高的抗干扰能力，可靠性高，地址线较多，存储空间大，可配备实时操作系统力，可靠性高，地址线较多，存储空间大，可配备实时操作系统，如，如，ARM7/ARM9等，多用于控制系统。等，多用于控制系统。 DSP：结构复杂，片内设计有硬件乘法器及累加器，多处理单结构复杂，片内设计有硬件乘法器及累加器，多处理单元，多总线结构，流水线技术，专门的指令系统，能够高速、实元，多总线结构，流水线技术，专门的指令系统，能够高速、实时地实现具有乘积累加特点的、复杂的数字信号处理算法。如时地实现具有乘积累加特点的、复杂的数字信号处理算法。如TI的的TMS320系列等。系列

18、等。 DSPDSP芯片是一种特别适合于进行数字信号处理运算芯片是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，主要用于实时快速实现各种数字信号处理的微处理器，主要用于实时快速实现各种数字信号处理的算法。的算法。 2020世纪世纪8080年代以前，由于受实现方法的限制年代以前，由于受实现方法的限制, ,数字信数字信号处理的理论还不能得到广泛的应用。直到世界上第一号处理的理论还不能得到广泛的应用。直到世界上第一块块DSPDSP芯片的诞生，才使理论研究成果广泛应用到实际芯片的诞生，才使理论研究成果广泛应用到实际的系统中，并且推动了新的理论和应用领域的发展。的系统中，并且推动了新的理论和应用领域的发展

19、。DSPDSP芯片的诞生及发展对近芯片的诞生及发展对近2020年来通信、计算机、控制年来通信、计算机、控制等领域的技术发展起到十分重要的作用。等领域的技术发展起到十分重要的作用。 典型的典型的DSPDSP算法算法 DSPDSP芯片的主要应用领域芯片的主要应用领域（1）信号处理）信号处理（2）图像处理）图像处理（3）仪器）仪器（4）声音）声音/语言语言（5）控制）控制（6）军事应用）军事应用（7）电信）电信（8）无线电）无线电数字滤波数字滤波卷积卷积相关相关希尔伯特变换希尔伯特变换FFT自适应滤波自适应滤波加窗加窗波形产生波形产生如：数字滤波、自适应滤波、如：数字滤波、自适应滤波、 快速傅氏变换

20、、快速傅氏变换、Hilbert变换、变换、 相关运算、频谱分析、相关运算、频谱分析、 卷卷 积、模式匹配、积、模式匹配、 窗函数、波形产生等；窗函数、波形产生等； 如：调制解调器、自适应均衡、如：调制解调器、自适应均衡、 数据加密、数据压缩、数据加密、数据压缩、 回波抵消、多路复用、回波抵消、多路复用、 传真、扩频通信、传真、扩频通信、 移动通信、纠错编译码、移动通信、纠错编译码、 可视电话、路由器等；可视电话、路由器等； 如：语音编码、语音合成、如：语音编码、语音合成、 语音识别、语音增强、语音识别、语音增强、 语音邮件、语音存储、语音邮件、语音存储、 文本文本语音转换等；语音转换等； 如：

21、二维和三维图形处理、如：二维和三维图形处理、 图像压缩与传输、图像压缩与传输、 图像鉴别、图像增强、图像鉴别、图像增强、 图像转换、模式识别、图像转换、模式识别、 动画、电子地图、动画、电子地图、 机器人视觉等；机器人视觉等； 如：保密通信如：保密通信 雷达处理雷达处理 声纳处理声纳处理 导航导航 导弹制导导弹制导 电子对抗电子对抗 全球定位全球定位GPS 搜索与跟踪搜索与跟踪 情报收集与处理等情报收集与处理等 如：频谱分析、函数发生、如：频谱分析、函数发生、 数据采集、锁相环、数据采集、锁相环、 模态分析、暂态分析、模态分析、暂态分析、 石油石油/地质勘探、地质勘探、 地震预测与处理等；地震

22、预测与处理等； 如：引擎控制如：引擎控制 声声 控控 发动机控制发动机控制 自动驾驶自动驾驶 机器人控制机器人控制 磁盘磁盘/光盘伺服控制光盘伺服控制 神经网络控制等神经网络控制等如：助听器如：助听器 X-射线扫描射线扫描 心电图心电图/脑电图脑电图 超声设备超声设备 核磁共振核磁共振 诊断工具诊断工具 病人监护等病人监护等 如：高保真音响如：高保真音响 音乐合成音乐合成 音调控制音调控制 玩具与游戏玩具与游戏 数字电话数字电话/电视电视 高清晰度电视高清晰度电视HDTV 变频空调变频空调 机顶盒等机顶盒等 如：震裂处理器如：震裂处理器 图形加速器图形加速器 工作站工作站 多媒体计算机等多媒体

23、计算机等 C64xC55x,C547xC28x30/31/32C55+ARM 四个工作平台四个工作平台TMS320C2000: TMS320C2000: 用于优化用于优化和控制系统和控制系统TMS320C5000: TMS320C5000: 省电型处省电型处理器、用于通信理器、用于通信TMS320C6000: TMS320C6000: 业内最快业内最快的处理器提高单片的多通的处理器提高单片的多通道的处理能力道的处理能力TMS320C3X TMS320C3X 浮点处理器浮点处理器用于图像处理和工业控制用于图像处理和工业控制定点式：定点式：动态范围小，易溢出，需利用定标防止溢出；功耗低。动态范围小

24、，易溢出，需利用定标防止溢出；功耗低。浮点式：浮点式：动态范围大，没有溢出风险；功耗较大。动态范围大，没有溢出风险；功耗较大。 TMS320C28X指令周期指令周期（ns）片内片内RAM（字）（字）片内片内FLM（字）（字）12bitA/D串行口串行口PWMC28126.6720K16ch216C28116.6720K16ch216F28126.6718K128K16ch216F28116.6718K128K16ch216F28106.6718K64K16ch216F28081018K64K16ch216C281x Block Diagram（1）事件管理模块）事件管理模块EVA/EVB（2）

25、串行通信模块）串行通信模块SCI（3）串行外设接口）串行外设接口 SPI（4） eCAN 总线模块总线模块（5）多通道缓冲串行接口）多通道缓冲串行接口 McBSP（6）模数转换器）模数转换器 ADCF2812F2812主要的外设模块主要的外设模块 F2812提供了提供了2个结构和功能相同的事件管理器个结构和功能相同的事件管理器EVA和和EVB模块，具有强大的控制功能，特别在运动控制和电机控模块，具有强大的控制功能，特别在运动控制和电机控制领域。制领域。 每个事件管理器模块都包含：每个事件管理器模块都包含： (1) 通用定时器通用定时器(General-Purpose timers) (2) 全

26、比较全比较/PWM单元单元(Full-compare units) (3) 捕获单元捕获单元(Capture Unit) (4) 正交编码脉冲电路正交编码脉冲电路 (Quadrature-encode Pulse Circuit) 通过一个三相逆变桥来满足功率管的互补控制，同时还通过一个三相逆变桥来满足功率管的互补控制，同时还可以提供可以提供2个非互补的个非互补的PWM信号。信号。2.2 MCS51单片机的引脚及其功能单片机的引脚及其功能u MCS-51MCS-51系列中各种芯片的引脚是互相兼容的，如系列中各种芯片的引脚是互相兼容的，如80518051，87518751和和80318031均采

27、用均采用4040脚双列直插封装脚双列直插封装(DIP)(DIP)方方式。式。u 当然，不同芯片之间引脚功能也略有差当然，不同芯片之间引脚功能也略有差异异80518051单片机是高性能单片机，因为受到引脚数单片机是高性能单片机，因为受到引脚数目的限制，所以有不少引脚具有第二功能。目的限制，所以有不少引脚具有第二功能。uMCS51MCS51单片机的引脚及其功能单片机的引脚及其功能如下图所示。如下图所示。2.3 8051存储器配置存储器配置u 一般微机通常只有一个地址空间，一般微机通常只有一个地址空间，ROMROM和和RAMRAM可以随意安排在可以随意安排在这一地址范围内不同的空间，这一地址范围内不

28、同的空间，CPUCPU访问存储器时，一个地址对应访问存储器时，一个地址对应唯一的存储器单元，可以是唯一的存储器单元，可以是ROMROM，也可以是，也可以是RAMRAM，此种存储器结，此种存储器结构称为构称为普林斯顿结构普林斯顿结构。u 80518051的存储器在物理结构上分为程序存储器空间和数据存的存储器在物理结构上分为程序存储器空间和数据存储器空间，共有四个存储空间：储器空间，共有四个存储空间：片内程序存储器、片外程序存片内程序存储器、片外程序存储器、片内数据存储器和片外数据存储器空间储器、片内数据存储器和片外数据存储器空间。 这种程序存储器和数据存储器分开的结构形式，称为这种程序存储器和数

29、据存储器分开的结构形式，称为哈佛哈佛结构结构。2.3.1 程序存储器地址空间程序存储器地址空间2.3.2 数据存储器地址空间数据存储器地址空间u 地址空间分为三类地址空间分为三类: : 片内、片外统一编址片内、片外统一编址0000H-FFFFH0000H-FFFFH的的64KB64KB程序存储器地址程序存储器地址空间。空间。 64KB64KB片外数据存储器地址空间，地址也从片外数据存储器地址空间，地址也从0000H-FFFFH0000H-FFFFH地地址空间。址空间。 256B256B数据存储器地址空间数据存储器地址空间( (用用8 8位地址位地址) )。u 80518051存储器空间配置如图

30、存储器空间配置如图2424所示。所示。u u 80518051的指令系统设计了不同的数据传送指令：的指令系统设计了不同的数据传送指令： CPUCPU访问片内、片外访问片内、片外ROMROM指令用指令用MOVCMOVC； 访问片外访问片外RAMRAM指令用指令用MOVXMOVX； 访问片内访问片内RAMRAM指令用指令用MOVMOV。u 80518051程序存储器用于存放编好的程序和表格常数。程序存储器通过程序存储器用于存放编好的程序和表格常数。程序存储器通过1616位程序计数器寻址，寻址能力为位程序计数器寻址，寻址能力为64KB64KB。u 指令能在指令能在64KB64KB地址空间内任意跳转，

31、但不能使程序从程序存储器空间地址空间内任意跳转，但不能使程序从程序存储器空间转移到数据存储器空间转移到数据存储器空间u 8051805187518751片内片内ROMROMEPROMEPROM的容量为的容量为4KB4KB，地址为，地址为0000H-0FFFH0000H-0FFFH，片外，片外最多可扩至最多可扩至64KBROM64KBROMEPROMEPROM，地址为，地址为1000H-FFFFH1000H-FFFFH，片内外统一编址。，片内外统一编址。u 当引脚当引脚EAEA接高电平时，程序计数器接高电平时，程序计数器PCPC在在0000HOFFFH0000HOFFFH范围内范围内( (即前即

32、前4KB4KB地址地址) )执行片内执行片内ROMROM中的程序，当指令地址超过中的程序，当指令地址超过OFFFHOFFFH后，后，就自动转向片外就自动转向片外ROMROM中去取指令。中去取指令。u 当引脚当引脚EAEA接低电平时，接低电平时，80518051片内片内ROMROM不起作用，不起作用，CPUCPU只能从片只能从片外外ROMROMEPROMEPROM中取指令，地址可以从中取指令，地址可以从0000H0000H开始编址。这种接法特开始编址。这种接法特别适用于采用别适用于采用80318031单片机的场合。单片机的场合。u 80518051从片内程序存储器和片外程序存储器取指时执行速度相

33、从片内程序存储器和片外程序存储器取指时执行速度相同。同。u程序存储器的某些单元是留给系统使用的，见表程序存储器的某些单元是留给系统使用的，见表22222.3.2 数据数据存储器地址空间存储器地址空间u 数据存储器数据存储器RAMRAM用于存放运算的中间结果、数据暂存和缓冲标志位用于存放运算的中间结果、数据暂存和缓冲标志位 等。数据存储器空间也分成片内和片外两大部分，即片内等。数据存储器空间也分成片内和片外两大部分，即片内RAMRAM和片和片 外外RAMRAMu 80518051片外数据存储器空间为片外数据存储器空间为64KB64KB，地址从，地址从0000H-FFFFH0000H-FFFFH。

34、 片内存储器空间为片内存储器空间为256B256B，地址从，地址从0000H-00FFH0000H-00FFH。u 片内数据存储器最大可寻址片内数据存储器最大可寻址256256个单元，它们又分为两个部分：个单元，它们又分为两个部分： 低低128B(00H-7FH)128B(00H-7FH)是真正的是真正的RAMRAM区；区； 高高128B(80H128B(80HFFH)FFH)为特殊功能寄存器为特殊功能寄存器(SFR)(SFR)区，如图区，如图2525所示。所示。低低128BRAM128BRAM u 80518051的的3232个工作寄存器与个工作寄存器与RAMRAM安排在同一个队列空间里，统

35、一编址并安排在同一个队列空间里，统一编址并使用同样的寻址方式使用同样的寻址方式( (直接寻址和间接寻址直接寻址和间接寻址) )。u 00H-1FH00H-1FH地址安排为四组工作寄存器区，每组有地址安排为四组工作寄存器区，每组有8 8个工作寄存器个工作寄存器(R0-(R0-R7)R7)，共占，共占3232个单元，见表个单元，见表2424。u 通过对程序状态字通过对程序状态字PSWPSW中中RSlRSl，RS0RS0的设置，每组寄存器均可选作的设置，每组寄存器均可选作CPUCPU的当前工作寄存器组。的当前工作寄存器组。u 若程序中并不需要四组那么其余可用作一般若程序中并不需要四组那么其余可用作一

36、般RAMRAM单元。单元。u CPUCPU复位后，选中第一组寄存器为当前的工作寄存器。复位后，选中第一组寄存器为当前的工作寄存器。u 工作寄存器区后的工作寄存器区后的16B16B单元单元(20H(20H一一2FH)2FH)，可用位寻址方式访问其各位。，可用位寻址方式访问其各位。u 这这128128位的位地址为位的位地址为00H-7FH00H-7FH，其位地址分布见表，其位地址分布见表2525。u 低低128BRAM128BRAM单元地址范围也是单元地址范围也是00H-7FH00H-7FH，80518051采用不同寻址方采用不同寻址方式来加以区分，即访问式来加以区分，即访问128128个位地址用

37、位寻址方式，访问低个位地址用位寻址方式，访问低128B128B单单元用直接寻址和间接寻址。元用直接寻址和间接寻址。 MOV C,3AH;MOV C,3AH; MOV A,3AH; MOV A,R0; MOV A,3AH; MOV A,R0; 这样就可以区分开这样就可以区分开00H-7FH00H-7FH是位地址还是字节地址。是位地址还是字节地址。u 这些可寻址位，通过执行指令可直接对某一位操作，如置这些可寻址位，通过执行指令可直接对某一位操作，如置1 1、清清0 0、或判、或判l l、判、判0 0等，可用作软件标志位或用于位等，可用作软件标志位或用于位( (布尔布尔) )处理。处理。 这种位寻址

38、能力是这种位寻址能力是80518051的一个重要特点。的一个重要特点。高高128B RAM -128B RAM -特殊功能寄存器特殊功能寄存器(SFR)(SFR) u 80518051片内高片内高128BRAM128BRAM中，有中，有2121个特殊功能寄存器个特殊功能寄存器(SFR)(SFR)，它们离散地分，它们离散地分 布在布在80H80HFFHFFH的的RAMRAM空间中。空间中。u 访问特殊功能寄存器只允许使用直接寻址方式访问特殊功能寄存器只允许使用直接寻址方式u 这些特殊功能寄存器见表这些特殊功能寄存器见表2626。 (1)(1)累加器累加器ACC(EOH)ACC(EOH) 累加器累

39、加器ACCACC是是80518051最常用、最繁忙的最常用、最繁忙的8 8位特殊功能寄存器，许多指令位特殊功能寄存器，许多指令的操作数取自于的操作数取自于ACCACC，许多运算中间结果也存放于，许多运算中间结果也存放于ACCACC中在指令系统中中在指令系统中用用A A作为累加器作为累加器ACCACC的助记符。的助记符。 (2)(2)寄存器寄存器B(FOH)B(FOH) 在乘、除指令中，用到了在乘、除指令中，用到了8 8位寄存器位寄存器B B。乘法指令的两个操作数分别。乘法指令的两个操作数分别取自取自A A和和B B，乘积存于，乘积存于B B和和A A两个两个8 8位寄存器中。除法指令中，位寄存

40、器中。除法指令中，A A中存放被除中存放被除数，数，B B中放除数，商存放于中放除数，商存放于A A中，中，B B中存放余数。中存放余数。 在其他指令中，在其他指令中，B B可作为一般通用寄存器或一个可作为一般通用寄存器或一个RAMRAM单元使用。单元使用。(3)(3)程序状态寄存器程序状态寄存器PSW(DOH)PSW(DOH) PSWPSW是一个是一个8 8位特殊功能寄存器，它的各位包含了程序执行后的状态位特殊功能寄存器，它的各位包含了程序执行后的状态信息，供程序查询或判别之用。各位的含义及其格式如下：信息，供程序查询或判别之用。各位的含义及其格式如下： 高高128B RAM -128B R

41、AM -特殊功能寄存器特殊功能寄存器(SFR)(SFR) PSW PSW除有确定的字节地址除有确定的字节地址(DOH)(DOH)外，每一位均有位地址，见表外，每一位均有位地址，见表2-72-7 RS0RS0和和RSl(PSW.3RSl(PSW.3和和PSW.4)PSW.4)：工作寄存器组选择控制位。由用户用软：工作寄存器组选择控制位。由用户用软件改变件改变RSlRSl和和RS0RS0值的组合，以切换当前选用的工作寄存器组其组合关值的组合，以切换当前选用的工作寄存器组其组合关系如表系如表2-82-8所示。所示。 (4)(4)栈指针栈指针SP(81H)SP(81H)u 堆栈指针堆栈指针SPSP为为

42、8 8位特殊功能寄存器，位特殊功能寄存器，SPSP的内容可指向的内容可指向80518051片内片内00H-00H-7FH RAM7FH RAM的任何单元。的任何单元。u 系统复位后，系统复位后，SPSP初始化为初始化为07H07H，即指向，即指向07H07H的的RAMRAM单元单元。u 在使用堆栈之前，先给在使用堆栈之前，先给SPSP赋值，以规定堆栈的起始位置，称为栈底。赋值，以规定堆栈的起始位置，称为栈底。当数据压入堆栈后，当数据压入堆栈后，SPSP自动加自动加l l，即，即RAMRAM地址单元加地址单元加1 1以指出当前栈顶位置。以指出当前栈顶位置。u 80518051的这种堆栈结构属于向

43、上生长型的堆栈的这种堆栈结构属于向上生长型的堆栈( (另一种属于向下生长型另一种属于向下生长型的堆栈的堆栈) )。(5)(5)数据指针数据指针DPTR(83HDPTR(83H，82H)82H) DPTRDPTR是一个是一个1616位的特殊功耗寄存器，其高位字节寄存器用位的特殊功耗寄存器，其高位字节寄存器用DPHDPH表示表示( (地地址址83H)83H)，低位字节寄存器用，低位字节寄存器用DPLDPL表示表示( (地址地址82H)82H)DPTRDPTR既可以作为一个既可以作为一个1616位位寄存器来处理，也可以作为两个独立的寄存器来处理，也可以作为两个独立的8 8位寄存器位寄存器DPHDPH

44、和和DPLDPL使用使用 DPTRDPTR主要用以存放主要用以存放1616位地址，以便对位地址，以便对64KB64KB片外片外RAMRAM作间接寻址。作间接寻址。(6)I(6)IO O端口端口P0-P3(80HP0-P3(80H，90H90H，A0HA0H，B0H)B0H) P0-P3P0-P3为四个为四个8 8位特殊功能寄存器，分别是四个并行位特殊功能寄存器，分别是四个并行I IO O端口的锁存器。端口的锁存器。它们都有字节地址，每一个口锁存器还有位地址，所以每一条它们都有字节地址，每一个口锁存器还有位地址，所以每一条I IO O线均可线均可独立用作输入或输出。独立用作输入或输出。 用作输出

45、时，可以锁存数据；用作输入时，数据可以缓冲。用作输出时，可以锁存数据；用作输入时，数据可以缓冲。(7) (7) 除上述除上述2121个个SFRSFR以外，还有一个以外，还有一个1616位的位的PCPC，称为程序计数器，称为程序计数器, ,它是不可它是不可寻址的。寻址的。u 80518051芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。反相放大芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。反相放大器的输入端为器的输入端为XTAL1XTAL1，输出端为，输出端为XTAL2XTAL2，分别是，分别是80518051的的1919脚和脚和1818脚。脚。u 在在XTALlXTALl和和XTAL2XT

46、AL2两端跨接石英晶体及两个电容就可以构成稳定的自激两端跨接石英晶体及两个电容就可以构成稳定的自激振荡器，见图振荡器，见图2727。u 电容器电容器c1c1和和c2c2通常取通常取30pF30pF左右，对振荡频率有微调作用。振荡频率范围左右，对振荡频率有微调作用。振荡频率范围是是1.2MHz1.2MHz12 MHz12 MHz。2.4.2 时钟周期、时钟周期、机器周期和指令机器周期和指令周期周期2.4.3 CPU取指、取指、执行周期时序执行周期时序u 80518051也可使用外部振荡脉冲信号，由也可使用外部振荡脉冲信号，由XTAL2XTAL2端输人，直接送至内部时钟端输人，直接送至内部时钟电路

47、。而因为电路。而因为XTAL2XTAL2的逻辑电平与的逻辑电平与TTLTTL电平不兼容所以应接一个上拉电阻电平不兼容所以应接一个上拉电阻(5.1K(5.1K),),如图如图2828所示。所示。u 对于对于CHMOSCHMOS型型80C5180C51单片机，外部脉冲信号须从单片机，外部脉冲信号须从XTALlXTALl端输入，端输入，XTAL2XTAL2端悬端悬空。空。u 外部振荡脉冲源方式常用于多块外部振荡脉冲源方式常用于多块80518051芯片同时工作，以便于同步。芯片同时工作，以便于同步。 u 对外部脉冲信号只要求高电平的持续时间大于对外部脉冲信号只要求高电平的持续时间大于20ns20ns，

48、一般为低于，一般为低于12MHz12MHz的方波。的方波。u 晶体振荡器的振荡信号从晶体振荡器的振荡信号从XTAL2XTAL2端输入到片内的时钟发生器上，如图端输入到片内的时钟发生器上，如图2-92-9所示。所示。2.4.2 时钟周期、时钟周期、机器周期和指令周期机器周期和指令周期u 计算机的一条指令由若干个字节组成，执行一条指令需要的时间则以机计算机的一条指令由若干个字节组成，执行一条指令需要的时间则以机器周期为单位。器周期为单位。u 一个机器周期是指一个机器周期是指CPUCPU访问存储器一次所需要的时间，例如，取指令、访问存储器一次所需要的时间，例如，取指令、读存储器、写存储器等等。读存储

49、器、写存储器等等。u MCS-51MCS-51的一个机器周期包括的一个机器周期包括1212个振荡周期，分为个振荡周期，分为6 6个个S S状态：状态：S1-S6S1-S6。每。每个状态又分为两拍，称为个状态又分为两拍，称为P1P1和和P2P2。因此，一个机器周期中的。因此，一个机器周期中的1212个振荡周期表个振荡周期表示为示为S1P1S1P1，SIP2SIP2，S2P1S2P1，S6P2S6P2。u每条指令都由一个或几个机器周期组成在每条指令都由一个或几个机器周期组成在MCSMCS5l5l系统中，有单周期指系统中，有单周期指令、双周期指令和四周期指令。令、双周期指令和四周期指令。u 四周期指

50、令只有乘、除两条指令，其余都是单周期或双周期指令。四周期指令只有乘、除两条指令，其余都是单周期或双周期指令。u 指令的运算速度和它的机器周期数直接相关，机器周期数较少则执行速指令的运算速度和它的机器周期数直接相关，机器周期数较少则执行速度快。度快。u 在编程时应注意选用具有同样功能而机器周期数少的指令。在编程时应注意选用具有同样功能而机器周期数少的指令。 时钟周期、时钟周期、机器周期和指令周期机器周期和指令周期2.4.3 CPU取指、执行周期时序取指、执行周期时序u u 在取指阶段，在取指阶段，CPUCPU从内部或者外部从内部或者外部ROMROM中取出指令操作码及操作数，然后中取出指令操作码及

51、操作数，然后再执行这条指令。再执行这条指令。u 在在80518051指令系统中，根据各种操作的繁简程度，其指令可由单字节、双指令系统中，根据各种操作的繁简程度，其指令可由单字节、双字节和三字节组成。字节和三字节组成。u 从机器执行指令的速度看，单字节和双字节指令都可能是单周期或双周从机器执行指令的速度看，单字节和双字节指令都可能是单周期或双周期的，而三字节指令都是双周期的，只有乘、除指令占四个周期。期的，而三字节指令都是双周期的，只有乘、除指令占四个周期。u 图图2-102-10列举了几种典型指令的取指和执指时序用户通过观察列举了几种典型指令的取指和执指时序用户通过观察XTAL2XTAL2和和

52、ALEALE端信号，可以分析端信号，可以分析CPUCPU取指时序。取指时序。u 由图可知在每个机器周期内，地址锁存信号由图可知在每个机器周期内，地址锁存信号ALEALE两次有效。两次有效。 第一次出现在第一次出现在S1P2S1P2和和S2P1S2P1期间，第二次出现在期间，第二次出现在S4P2S4P2和和S5PlS5Pl期间。期间。返回返回1 1u 复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把PCPC初始化为初始化为0000H0000H，使单，使单片机从片机从0000H0000H单元开始执行程序。单元开始执行程序。u 当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死

53、锁状态时，为摆脱困境，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。也需按复位键重新启动。u 除除PCPC之外，复位操作还对其他一些寄存器有影响，它们的复位状态如表之外，复位操作还对其他一些寄存器有影响，它们的复位状态如表2929所示。所示。 2.5 复位及复位电路复位及复位电路u 产生复位信号的电路逻辑如图产生复位信号的电路逻辑如图211211所示所示u RSTRST引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效，其有效时间引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效，其有效时间应持续应持续2424个振荡周期个振荡周期( (即二个机器周期即二个机器周期)

54、)以上。以上。u 若使用频率为若使用频率为6MHz6MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过的晶振，则复位信号持续时间应超过4us4us，才能完，才能完成复位操作。成复位操作。u 整个复位电路包括芯片内、外两部分。外部电路产生的复位信号整个复位电路包括芯片内、外两部分。外部电路产生的复位信号(RST)(RST)送至施密特触发器，再由片内复位电路在每个机器周期的送至施密特触发器，再由片内复位电路在每个机器周期的S5P2S5P2时刻对施密时刻对施密特触发器的输出进行采样，然后才得到内部复位操作所需要的信号。特触发器的输出进行采样，然后才得到内部复位操作所需要的信号。复位电路复位电路u 复位操作有上电

55、自动复位和按键手动复位两种方式。复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式。u 上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，其电路如图上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，其电路如图212(a)212(a)所示所示, ,只要电源只要电源VccVcc的上升时间不超过的上升时间不超过1ms1ms，就可以实现自动上电，就可以实现自动上电复位，即接通电源就完成了系统的复位初始化。复位，即接通电源就完成了系统的复位初始化。u 按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。u 按健电平复位是通过使复位端经电阻与按健电平复位是通过使复位端经电阻与VccVcc

56、电源接通而实现的，其电电源接通而实现的，其电路如图路如图212(b)212(b)所示。所示。u 按键脉冲复位则是利用按键脉冲复位则是利用RCRC徽分电路产生的正脉冲来实现的，其电路如徽分电路产生的正脉冲来实现的，其电路如图图212(c)212(c)所示。所示。u 上述电路图中的电阻、电容参数适用于上述电路图中的电阻、电容参数适用于6MHz6MHz晶振，能保证复位信号高晶振，能保证复位信号高电平持续时间大于电平持续时间大于2 2个机器周期。个机器周期。u 复位电路虽然简单，但其作用非常重要一个单片机系统能否正常运复位电路虽然简单，但其作用非常重要一个单片机系统能否正常运行，首先要检查是否能复位成

57、功。行，首先要检查是否能复位成功。 89C5189C51提供两种节电工作方式，即空闲提供两种节电工作方式，即空闲IDLIDL（等待、待机）方式和掉（等待、待机）方式和掉 电（停机）电（停机）PDPD工作方式工作方式 图图217所示为实现这两种方式的内部电路。所示为实现这两种方式的内部电路。图图217 空闲和掉电方式控制电路空闲和掉电方式控制电路2.6 89C51单片机的低功耗工作方式单片机的低功耗工作方式2.6.1 方式的设定方式的设定2.6.2 空闲（等待、待机）工作方式空闲（等待、待机）工作方式2.6.3 掉电（停机）工作方式掉电（停机）工作方式 由图由图2 21717可见，若可见，若ID

58、L=0IDL=0，则，则89C5189C51将进入空闲运作方式。在这将进入空闲运作方式。在这种方式下，振荡器仍继续运行，但种方式下，振荡器仍继续运行，但IDLIDL封锁了去封锁了去CPUCPU的的“与与”门，门，故故CPUCPU此时得不到时钟信号。而中断、串行口和定时器等环节却此时得不到时钟信号。而中断、串行口和定时器等环节却仍在时钟控制下正常运行。掉电方式下（仍在时钟控制下正常运行。掉电方式下（PD=0PD=0），振荡器冻结。），振荡器冻结。 图图2 21717中，中，PDPD和和IDLIDL均为均为PCONPCON中中PDPD和和IDLIDL触发器的输出端。触发器的输出端。2.6.1 2.

59、6.1 方式的设定方式的设定u空闲方式和掉电方式是通过对空闲方式和掉电方式是通过对SFRSFR中的中的PCONPCON（地址地址87H)87H)相应位置相应位置1 1而启动的。而启动的。u图图2 21818所示为所示为89C5189C51电源控制寄存器电源控制寄存器PCONPCON各位的分布情况。各位的分布情况。HMOSHMOS器件的器件的PCONPCON只包括一个只包括一个SMODSMOD位，其他位，其他4 4位是位是CHMOSCHMOS器件独器件独有的。有的。3 3个保留位用户不得使用。个保留位用户不得使用。图图218 电源控制寄存器电源控制寄存器PCON图图2 21818中各符号的名称和

60、功能如下：中各符号的名称和功能如下：uSMOD： 波特率倍频位。若此位为波特率倍频位。若此位为1，则串行口方式，则串行口方式1、方式、方式2和和方式方式3的波特率加倍。的波特率加倍。uGF1和和GF0： 通用标志位。通用标志位。uPD： 掉电方式位。此位写掉电方式位。此位写1即启动掉电方式。由图即启动掉电方式。由图2-17可见，此可见，此时时钟冻结。时时钟冻结。uIDL： 空闲方式位。此位写空闲方式位。此位写1即启动空闲方式。这时即启动空闲方式。这时CPU因无时因无时钟控制而停止运作。如果同时向钟控制而停止运作。如果同时向PD和和IDL两位写两位写1，则，则PD优先。优先。u89C51中中PC