第2章MCS-51单片机

1、第二章第二章 MCS-51单片机的硬件结构单片机的硬件结构oMCS-51MCS-51单片机内部结构单片机内部结构o引脚功能引脚功能o存储器存储器o时钟电路与时钟电路与cpu时序时序o复位电路复位电路o并行接口并行接口 内内 容容 提提 要要* 微型计算机的系统结构计算机硬件基本结构（经典的冯诺依曼结构），由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等五个基本部分组成。冯诺依曼计算机组成和工作方式的基本思想：（1）计算机由运算器、控制器、存储器、输入和输出设备五大部分组成。 （2）数据和指令以二进制代码形式不加区别地存放在存储器中，地址码也为二进制形式；计算机能自动区分指令和数据。（3）编写好的

2、程序事先存入存储器。控制器根据存放在存储器中的指令序列即程序来工作，由程序计数器（PC，Program Counter）控制指令的执行顺序。控制器具有判断能力，能根据计算结果选择不同的动作流程。 单片机单片机 微型计算机的一种，是将计算机主机（CPU、存储器和I/O接口）集成在一小块硅片上的微机，又称微控制器。它专为工业测量与设计而设计，集成度高、可靠性高、性价比高2.1 51系列单片机的内部结构系列单片机的内部结构 CPU CPU CPUCPU是单片机的核心部件。是单片机的核心部件。 它由运算器和控制器等部件组成。它由运算器和控制器等部件组成。 运算器运算器以算术逻辑运算单元以算术逻辑运算单

3、元ALU为核心，包括累为核心，包括累加器加器A、程序状态字寄存器、程序状态字寄存器PSW、B寄存器等部件。寄存器等部件。 控制器控制器包括程序计数器包括程序计数器PC（Program Counter）、指令寄存器、指令译码器、振荡器、定时电路及）、指令寄存器、指令译码器、振荡器、定时电路及控制电路等部件，能根据不同的指令产生相应的操作控制电路等部件，能根据不同的指令产生相应的操作时序和控制信号，控制单片机各部分的运行。时序和控制信号，控制单片机各部分的运行。 1 1. 运算器运算器o算术运算：加、减、乘、除、加算术运算：加、减、乘、除、加1、减、减1、比较、比较BCD码十进制调整等码十进制调整

4、等o逻辑运算：与、或、异或、求反、循环等逻辑操逻辑运算：与、或、异或、求反、循环等逻辑操作作o位操作：内部有布尔处理器，它以进位标志位位操作：内部有布尔处理器，它以进位标志位C C为位累加器，用来处理位操作。可对位置为位累加器，用来处理位操作。可对位置 “ “1”1”、对位清零、对位清零 、位判断等。、位判断等。 操作结果的状态信息送至状态寄存操作结果的状态信息送至状态寄存PSW。2.2.程序计数器程序计数器PCPC 程序计数器程序计数器PCPC是是1616位的寄存器，用来存放即位的寄存器，用来存放即将要执行的指令地址，可对将要执行的指令地址，可对64KB64KB程序存储器直接程序存储器直接寻

5、址。执行指令时，寻址。执行指令时，PCPC内容的低内容的低8 8位经位经P0P0口输出，口输出，高高8 8位经位经P2P2口输出。口输出。 3. 3.指令寄存器指令寄存器 指令寄存器中存放指令代码。指令寄存器中存放指令代码。 CPUCPU执行指令时，由程序存储器中读取的执行指令时，由程序存储器中读取的指令代码送入指令寄存器，经指令译码器译码指令代码送入指令寄存器，经指令译码器译码后由定时与控制电路发出相应的控制信号，完后由定时与控制电路发出相应的控制信号，完成指令功能。成指令功能。2.2 引脚功能引脚功能 8XX51单片机有单片机有44引脚的方形封装形引脚的方形封装形式和式和40个引脚的双列个

6、引脚的双列直插式封装形式。直插式封装形式。 最常用的为最常用的为40引引脚封装。脚封装。各个引脚的功能各个引脚的功能:2.2.1 电源引脚电源引脚 GND：接地端。：接地端。 Vcc：电源端，：电源端，接+5V。2.2.2 时钟信号引脚时钟信号引脚 XTAL1，XTAL2: 接外部晶体或外部时钟。接外部晶体或外部时钟。2.2.3 控制信号引脚控制信号引脚RST/VPDRST/VPD： 复位信号输入。 接备用电源，VCC掉电后，在低功耗条件下保持内部RAM中的数据。PSENPSEN：程序存储器允许。输出读外部程序存储器的选通信号。ALE/PROGALE/PROG： ALE 地址锁存允许。 ALE

7、输出脉冲的频率为振荡频率的1/6。 PROG 对8751单片机片内 EPROM 编程时，引入编程脉冲。EA/VPPEA/VPP： EA =0，单片机只访问外部程序存储器。 EA =1，单片机访问内部程序存储器。 在8751片内EPROM编程期间，引入21V编程电源VPP。 2.2.4 输入输入/输出引脚输出引脚 P0.0P0.0P0.7P0.7：P0P0口，数据口，数据/ /低八位地址复用总线端口。低八位地址复用总线端口。 P1.0P1.0P1.7P1.7：P1P1口，静态通用端口。口，静态通用端口。 P2.0P2.0P2.7P2.7：P2P2口，高八位地址总线端口。口，高八位地址总线端口。

8、P3.0P3.0P3.7P3.7：P3P3口，双功能静态端口。口，双功能静态端口。 2.2.5 2.2.5 简化版简化版5151芯片芯片 5151单片机的单片机的2051/10512051/1051型号只有型号只有2020个引脚。个引脚。 优点：优点： 占用占用PCBPCB面积小，大量面积小，大量应用于产品设计中。应用于产品设计中。2.3 存存 储储 器器 2.3.1 2.3.1 概述概述 主要指标：主要指标：存储容量、存取速度存储容量、存取速度。 存储器根据存储方式和应用方法不同分为：存储器根据存储方式和应用方法不同分为： 只读存储器只读存储器ROM、随机存取存储器、随机存取存储器RAM。

9、对于单片机来说：对于单片机来说： 程序存储器程序存储器( (只读存储器只读存储器) ) 存放程序、始终要保留的常数。存放程序、始终要保留的常数。 数据存储器（随机存取存储器）数据存储器（随机存取存储器） 存放程序运行中所需要的存放程序运行中所需要的常数和变量。常数和变量。从从物理空间物理空间看看,MCS-51,MCS-51有四个存储器地址空间：有四个存储器地址空间： 片内数据存储器、片外数据存储器片内数据存储器、片外数据存储器片内程序存储器、片外程序存储器片内程序存储器、片外程序存储器 外部数据 存储器 (RAM)外部程序 存储器 (ROM)内部程序 存储器内部数据 存储器8XX51MCS-5

10、1存储器物理结构 从从逻辑空间（地址编码）逻辑空间（地址编码）上看上看,MCS-51,MCS-51有三有三个存储器空间：个存储器空间： 片内、片外统一编址的程序存储器片内、片外统一编址的程序存储器 片内数据存储器、片外数据存储器片内数据存储器、片外数据存储器 51单片机可用程序存储器的编址范围是单片机可用程序存储器的编址范围是0000HFFFFH。 2.3.3 程序储存器程序储存器ROM 引脚引脚 /EA 的接法决定了的接法决定了ROM的的00000FFFH 4KB地址范围地址范围是在单片机片内还是片外。是在单片机片内还是片外。 8031 8031无内部程序存储器，无内部程序存储器， 应始终接

11、地。应始终接地。 对于内部有对于内部有ROMROM的单片机（的单片机（51/5251/52系列）系列） 引脚接高电平引脚接高电平程序从内部程序从内部ROMROM开始执行。开始执行。当当PCPC值超出内部值超出内部ROMROM的容量时，会自动转向外的容量时，会自动转向外部程序存储器空间部程序存储器空间(1000H(1000HFFFFH)FFFFH)。 访问程序存储器访问程序存储器以以PCPC为地址指针。为地址指针。EAEA 程序存储器中有几个特殊的地址，用户不可占用。程序存储器中有几个特殊的地址，用户不可占用。 地址地址 用途用途 0000H 0000H 复位操作后的程序入口复位操作后的程序入口

12、 0003H 0003H 外部中断外部中断0 0服务程序入口服务程序入口 000BH 000BH 定时器定时器0 0中断服务程序入口中断服务程序入口 0013H 0013H 外部中断外部中断1 1服务程序入口服务程序入口 001BH 001BH 定时器定时器1 1中断服务程序入口中断服务程序入口 0023H 0023H 串行口中断服务程序入口串行口中断服务程序入口 2.3.42.3.4 数据存储器数据存储器RAM 用来存储输入、输出数据和中间运行用来存储输入、输出数据和中间运行结果的地方。结果的地方。 分为：片内分为：片内RAM、片外、片外RAM。 内部数据储存器内部数据储存器 使用最多的地址

13、空间。使用最多的地址空间。 指令（算术指令（算术/逻辑逻辑/位操作运算等）的操作数只能在位操作运算等）的操作数只能在此地址空间或特殊功能寄存器地址空间中。此地址空间或特殊功能寄存器地址空间中。 51子系列单片机有子系列单片机有128B（00H 7FH）；）； 52子系列单片机有子系列单片机有256B（00H FFH）。）。 工作寄存器区工作寄存器区 51子系列单片机片内子系列单片机片内RAM可分为：可分为： 位寻址区位寻址区 一般工作区一般工作区 （1 1）地址）地址 0 01FH1FH的前的前3232个单元称为工作寄存个单元称为工作寄存器区器区 用途：用途： 作通用寄存器作通用寄存器R0R0

14、R7R7。 R0 R0与与R1R1可作间址寄存器使用。可作间址寄存器使用。使用时应注意使用时应注意： 32 32个单元的寄存器分四组，使用时只能选一组。个单元的寄存器分四组，使用时只能选一组。 寄存器的选组由程序状态字寄存器的选组由程序状态字PSWPSW的的RS1RS1和和RS0RS0位定。位定。 RS1 RS0 RS1 RS0 选寄存器组选寄存器组 0 0 00 0 0组组 0 1 10 1 1组组 1 0 21 0 2组组 1 1 31 1 3组组 初始化时或复位时，自动选中初始化时或复位时，自动选中0 0组。组。 一旦选中一组，其它三组只能作为数据存储器使用，一旦选中一组，其它三组只能作

15、为数据存储器使用，不能作为寄存器使用。不能作为寄存器使用。 设置多组寄存器可以方便保护现场。设置多组寄存器可以方便保护现场。 （2 2）20H20H2FH2FH为位寻址区为位寻址区 共共1616个单元，每单元有八个位，每位有一个个单元，每单元有八个位，每位有一个位地址，共位地址，共128128位，位地址范围为位，位地址范围为00H00H7FH7FH，该，该区既可位寻址，又可字节寻址。区既可位寻址，又可字节寻址。 如如: :MOV 20HMOV 20H，C C ，该指令是将，该指令是将CyCy内容送内容送20H20H位位, ,如果如果CyCy1 1，位，位20H20H值为值为“1”1”。（3 3

16、）30H30H7FH7FH是片内数据存储器中开放给用户使用是片内数据存储器中开放给用户使用的地址空间，又称通用的地址空间，又称通用RAMRAM区。区。 外部数据存储器外部数据存储器 在单片机内部数据存储器容量不够的情况下，可在单片机内部数据存储器容量不够的情况下，可扩展外部数据存储器。扩展外部数据存储器。 用于存放随机读写的数据。用于存放随机读写的数据。 MCS-51 MCS-51外部数据存储器和外部外部数据存储器和外部I/OI/O口统一编址。口统一编址。 MCS-51 MCS-51最大扩展空间为最大扩展空间为64KB，地址范围为，地址范围为0000HFFFFH。 2.3.5 特殊功能寄存器特

17、殊功能寄存器 MCS-51MCS-51单片机共有单片机共有2121个字节的特殊功能寄个字节的特殊功能寄存器存器SFR SFR （Special Fuction RegisterSpecial Fuction Register）。）。 1.1.用途：用途： 专门用来管理和控制单片机内诸如算术逻专门用来管理和控制单片机内诸如算术逻辑部件、并行辑部件、并行I/O口、串行口、串行I/O口、定时口、定时/计计数器、中断系统之类的的各个功能模块。同时数器、中断系统之类的的各个功能模块。同时也是指示单片机运行状态的状态寄存器。也是指示单片机运行状态的状态寄存器。 2. 2.地址空间：地址空间：n2121个特

18、殊功能寄存器不连续地分布在个特殊功能寄存器不连续地分布在80H80HFFH FFH 128128个字节地址空间。个字节地址空间。n地址为地址为X0HX0H和和X8HX8H是可位寻址的寄存器。是可位寻址的寄存器。2.4 时钟电路与时钟电路与CPU时序时序 单片机的时钟信号用来提供单片机内各单片机的时钟信号用来提供单片机内各种微操作时间基准。种微操作时间基准。 8XX51单片机的时钟信号通常有两种电单片机的时钟信号通常有两种电路形式：路形式： 内部时钟方式内部时钟方式 外部时钟方式外部时钟方式 内部时钟方式：内部时钟方式： 在在 XTAL1XTAL1和和 XTAL2XTAL2外接外接晶体振荡器（简

19、称晶振）。晶体振荡器（简称晶振）。 电容器电容器C01C01、C02C02起稳定振荡频率、快速起稳定振荡频率、快速起振的作用。起振的作用。 一般取值为一般取值为 5 530PF30PF。XTAL1XTAL2GND8XX51C01C02 由于单片机内部有高增益运算放大器，由于单片机内部有高增益运算放大器，当外接晶振后，就构成自激振荡器并产生振当外接晶振后，就构成自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。荡时钟脉冲。8XX51外部振荡方式：外部振荡方式： 把已有的时钟信把已有的时钟信号引入单片机。号引入单片机。 该方式适宜于使该方式适宜于使单片机的时钟与外单片机的时钟与外部信号保持一致。部信号保持一致。 对对

20、HMOS的单片机（的单片机（8031、8031AH等）外部等）外部时钟信号由时钟信号由XTAL2引入；对于引入；对于CHMOS的单片机的单片机（8XCXX），外部时钟由），外部时钟由XTAL1引入。引入。外部时钟XTAL1XTAL2GND8XX51悬空外部时钟XTAL1XTAL2GND悬空CHMOSHMOS8XX518XX512.4.2 单片机的时序单位单片机的时序单位振荡周期：振荡周期： 晶振的震荡周期，即时钟周期。晶振的震荡周期，即时钟周期。 最小的时序单位。最小的时序单位。状态周期：状态周期： 振荡频率经单片机内的二分频器分频后振荡频率经单片机内的二分频器分频后提供给片内提供给片内CPU

21、CPU的时钟周期。的时钟周期。 一个状态周期包含一个状态周期包含2 2个振荡周期。个振荡周期。 机器周期（机器周期（MCMC）：）： 是计算机执行一种基本操作的时间单位。是计算机执行一种基本操作的时间单位。 1 1个机器周期由个机器周期由6 6个状态周期及个状态周期及1212个振荡周期组成。个振荡周期组成。 指令周期：指令周期： 执行一条指令所需的时间。一个指令周期由执行一条指令所需的时间。一个指令周期由1 14 4个机个机器周期组成，依据指令不同而不同。器周期组成，依据指令不同而不同。 振荡周期和机器周期是单片机内计算其他时间值（如振荡周期和机器周期是单片机内计算其他时间值（如波特率、定时器

22、的定时时间等）的基本时序单位。波特率、定时器的定时时间等）的基本时序单位。 例：单片机外接晶振频率例：单片机外接晶振频率12MHZ12MHZ时的各种时序时的各种时序单位：单位： 振荡周期振荡周期=1/fosc=1/12MHZ=0.0833us=1/fosc=1/12MHZ=0.0833us 状态周期状态周期=2/fosc=2/12MHZ=0.167us=2/fosc=2/12MHZ=0.167us 机器周期机器周期=12/fosc=12/12MHZ=1us=12/fosc=12/12MHZ=1us 指令周期指令周期=(1=(14)4)机器周期机器周期=1=14us4us 2.5 2.5 复位状

23、态与复位电路复位状态与复位电路 2.5.1 2.5.1 复位状态复位状态 复位操作使单片机的片内电路初始化，令单复位操作使单片机的片内电路初始化，令单片机从一种确定的状态开始运行。片机从一种确定的状态开始运行。 单片机的复位操作是使单片机的复位操作是使SFRSFR寄存器进入初始寄存器进入初始化，不改变片内化，不改变片内RAMRAM区中的内容。区中的内容。 nPC=0000H 表明程序计数器为零，单片机复位后程序从表明程序计数器为零，单片机复位后程序从0000H0000H地址单地址单元开始执行。元开始执行。nA=00H 表明累加器已被清零。表明累加器已被清零。nPSW=00H 全部清零，并选寄存

24、器全部清零，并选寄存器0组为工作寄存器组。组为工作寄存器组。nSP=07H 表明堆栈指针指向片内表明堆栈指针指向片内RAM 07H单元，根据堆栈操作先单元，根据堆栈操作先加后压法则，第一个被压入的数据被写入加后压法则，第一个被压入的数据被写入08H单元中。单元中。nP0P3=FFH 表明已向各端口线写入，各端口既可用于输入又可用于表明已向各端口线写入，各端口既可用于输入又可用于输出。输出。几个主要特殊功能寄存器复位状态几个主要特殊功能寄存器复位状态2.5.2 复位电路复位电路 复位操作的实现复位操作的实现： RSTRST脚出现脚出现 5 5msms以上的高电平。以上的高电平。 如果如果RSTR

25、ST持续为高电平，单片机就处于循持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。环复位状态。 复位操作通常有复位操作通常有2 2种基本形式：种基本形式： 上电复位上电复位 开关复位开关复位 上电复位上电复位接通电源后，自动实现复位。接通电源后，自动实现复位。 开关复位开关复位在电源接通的条件下，在单片机在电源接通的条件下，在单片机运行期间，用接钮开关操作使单片机复位。运行期间，用接钮开关操作使单片机复位。 上电后电容充电，使上电后电容充电，使RSTRST持续持续一段高电平时间。一段高电平时间。 单片机若在运行过程中，按下单片机若在运行过程中，按下复位键也能使复位键也能使RSTRST持续一段时间持续一段

26、时间的高电平，以实现上电的高电平，以实现上电/ /开关复开关复位。位。 通常通常 C=10C=10 f ,R=10Kf ,R=10K 。 RST8XX51RCVCC 常用上电常用上电/ /开关复位电路开关复位电路 1.作为输入作为输入/ 输出口。输出口。P0 2.作为地址作为地址/数据总线数据总线 ， 接外围芯片时分时输出接外围芯片时分时输出 低低 8 位地址与数据信号。位地址与数据信号。1.作为输入作为输入/ 输出口。输出口。2.在增强型在增强型(52系列系列) P1和和 ISP型型(在系统编在系统编程型程型)中有其它功能。中有其它功能。P2 1.作为输入作为输入/输出口。输出口。 2.作为

27、高作为高8位地址总线位地址总线。1.作为输入作为输入/输出口。输出口。 P32.作双功能口。作双功能口。2.6.1 端口功能端口功能 2.6 并行接口并行接口 四个端口的位结构各有异同，但同一个端四个端口的位结构各有异同，但同一个端口的八位具有相同的结构。口的八位具有相同的结构。 四个端口结构相同之处：四个端口结构相同之处： 都有两个输入缓冲器，分别受内部读锁都有两个输入缓冲器，分别受内部读锁存器和读引脚控制信号的控制。存器和读引脚控制信号的控制。 都有锁存器都有锁存器( (即专用寄存器即专用寄存器POPOP3)P3) 都是场效应管输出驱动。都是场效应管输出驱动。2.6.2 端口的内部结构与工

28、作原理端口的内部结构与工作原理 1.PO 1.PO口口 输出驱动电路由上拉场效应管输出驱动电路由上拉场效应管T1T1、驱动场效应、驱动场效应T2T2组成；组成； 控制电路包括一个与门、一个非门和一个模拟开关控制电路包括一个与门、一个非门和一个模拟开关MUXMUX。(a)P0口 位 结 构11读 锁 存 器内 部 总 线写 锁 存 器读 引 脚地 址 /数 据控 制&T1T2VccP0.x引 脚MUX2DQCLP0.x锁 存 器Q P1P1口作通用口作通用I/OI/O口使用，因电路结构上输出驱动部口使用，因电路结构上输出驱动部分接有上拉电阻。当作输入时，同分接有上拉电阻。当作输入时，同P

29、OPO一样，一样， 要先对该口要先对该口写写“1”1”。 (b)P1口 位 结 构1读 锁 存 器内 部 总 线写 锁 存 器读 引 脚TVccP1.x引 脚2DQCLP1.x锁 存 器内 部 上 拉 电 阻Q2.P12.P1口口 地址控制Vcc内部上拉电阻T1MUX12DCLQP2.x锁存器P2.x引脚读锁存器内部总线写锁存器读引脚3.P23.P2口口 P2P2口的位结构比口的位结构比P1P1多了一个转换控制部分，当多了一个转换控制部分，当P2P2口口作通用作通用I/OI/O口时，多路开关口时，多路开关MUXMUX倒向左倒向左注意：注意：P2口的几位作地址线使用时，剩下口的几位作地址线使用时

30、，剩下的的P2口线不能作口线不能作I /O口线使用。口线使用。读读 锁锁 存存 器器内 部 总 线写 锁 存 器读 引 脚第 二 输 出 功 能第 二 输 入 功 能内 部 上 拉 电 阻P3.x引 脚TVcc1234DCLQP3.x锁 存 器( (d d) )P P3 3口口 位位 结结 构构 4.P34.P3口口 双功能双功能I/OI/O口，内部结构中增加了第二输入口，内部结构中增加了第二输入/ /输出功能。输出功能。 2.6.3 2.6.3 四个并行口使用的注意事项四个并行口使用的注意事项1. 1. 如果单片机不需要扩展外部存贮器和如果单片机不需要扩展外部存贮器和I/OI/O接口，单片接口，单片机的四