单片机应用系统设计：第2章 MCS-51单片机系统结构

1、 第2章 MCS-51单片机系统结构 2.1 硬件组成1、一个8位微处理器CPU2、片内数据存储器RAM和特殊功能寄存器SFR3、片内程序存储器ROM4、四个8位可编程的并行I/O端口，每个端口既可作输 入，也可作输出5、两个定时/计数器T0、T1，可用作定时器，也可用 以对外部脉冲进行计数6、一个串行SIO端口，用于数据的串行通信7、中断控制系统8、内部时钟电路时钟电路SFR和RAM ROMCPU定时/计数器并行端口中断系统串行端口系 统 总 线时钟源T0 T1P0 P1 P2 P3TXD RXD INT0 INT1。运算器控制器片内存储器4个I/O口串行口定时器/计数器中断系统振荡器SP堆

2、栈指针PC程序计数器PSW程序状态字DPTR数据指针2.2 8051引脚说明 44只引脚方形封装40只引脚双列直插封装（DIP）一、电源及时钟引脚 1、电源引脚 Vcc（40脚）：+5V电源 Vss（20脚）：接地2、时钟引脚 XTAL1（19脚）：接外部晶体，如果采用外接 时钟信号时，振荡器的输出应接到此引脚上。 XTAL2（18脚）：接外部晶体的另一端或悬空。二、控制信号（控制总线）引脚1、RST（VPD ）：(9脚)复位（备用电源）2、ALE（/PROG）：（30脚）地址锁存(编程脉冲）。可驱 动8个LS型TTL 负载3、/PSEN（29脚）：外部程序存储器的读选通信号。可 驱动8个LS

3、型TTL负载4、/EA（VPP）：(31脚)程序存储器选择端（编程电源） /EA=1时，访问片内程序存储器，但在PC（程序计数器） 值超过0FFFH（对于8051、8751）时，即超出片内程序 储器的4K字节地址范围时，将自动转向执行外部程序存 储器内的程序。 /EA=0时，单片机则只访问外部程序存储器。三、I/O口引脚1、P0口：双向8位三态I/O口，地址总线（低8位）和数据总 线复用，可驱动8个LS型TTL负载。2、P1口：8位准双向I/O口，可驱动4个LS型TTL负载。3、P2口：8位准双向I/O口，地址总线（高8位）和I/O口复 用，可驱动4个LS型TTL负载。4、P3口：8位准双向I

4、/O口，I/O口和第二功能复用，可驱动 4个LS型TTL负载。 注意 准双向口与双向三态口的差别： 当准双向I/O口作输入口使用时，要向该口先写“1”， 准双向I/O口无高阻 “浮空”状态。P3口的第二功能MCS-51系列单片机的引脚可归纳为以下两点： (1) 单片机功能多，引脚数少，因而许多引脚都具有第二功能。 (2) 单片机对外呈现3总线形式， P2、P0口组成16位地址总线； P0口分时复用为数据总线； ALE、PSEN、RST、EA与P3口中的INT0、INT1、T0、 T1、WR、RD共10个引脚组成控制总线。 由于是16位地址线，因此，可使片外存储器的寻址范围达到64 KB。2.3

5、 MCS-51的CPU 一、算术、逻辑运算运算器ALU 对操作数进行算术、逻辑运算、位操作和数据传输二、专用寄存器 1、累加器A（Acc） 提供操作数，存放运算结果 数据传送大多都要通过累加器A 也有一部分传送指令可以不经过累加器 2、寄存器B 乘法和除法操作时提供另一操作数 无乘、除法操作时，可当作普通寄存器使用3、程序状态字寄存器PSW Cy（PSW.7）进位标志位 不仅是A的进位标志位，还是位（布尔）操作的位累加器（C） AC（PSW.6）辅助进位（半字节）标志位 常用于BCD码运算后的结果调整 F0（PSW.5）用户自定义标志位 RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）工作寄存器组选择

6、 置0和1选择4组工作寄存器组中的一组RS1RS0工作寄存器组片内RAM地址00第0组 00H07H 01第1组08H0FH 10第2组10H17H 11第3组18H1FH OV（PSW.2）溢出标志位 用于带符号数运算，指示运算是否产生溢出 结果超出-128+127时，OV=1，有溢出； 否则OV=0无溢出 （PSW.1）保留位，未用 8052也作为用户标志 P（PSW.0）奇偶标志位 结果A中“1”的个数为奇数 P=1 结果A中“1”的个数为偶数 P=04、堆栈指针SP 用来指示堆栈的起始地址 8051单片机的堆栈区位于片内RAM中，“向上增长型” 复位后SP被初始化为07H，堆栈实际上从

7、08H单元开始5、数据指针DPTR 是一个16位寄存器，由高位字节DPH和低位字节DPL组成 用来存放16位数据存储器的地址，以便对片外64kB的数据 RAM区进行读写操作。6、指令译码器 指令送入指令译码器后，由译码器对该指令进行译码 CPU根据译码器输出的电平信号使控制电路产生执行该 指令所需要的各种控制信号7、程序计数器PC 当一条指令按PC所指向的地址从程序存储器中取出之 后，PC的值会自动增量，指向下一条指令 执行有条件转移或无条件转移指令时，PC将被置入新的 数值，从而使程序的流向发生变化。 执行子程序调用或中断调用，完成下列操作： PC的现行值保护 将子程序入口地址或中断向量的地

8、址送入PC2.4 8051单片机的CPU时序一、单片机的时钟电路1、内部振荡方式 片内有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引 脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。 把放大器与作为反馈元件的晶体振荡器或陶瓷谐振器 连接，就构成了内部自激振荡器并产生振荡时钟脉冲 （晶振fosc=1.2MHz12MHz)2、外部振荡方式 把外部已有的时钟信号引入单片机内 内部振荡方式 外部振荡方式二、振荡周期、时钟周期、机器周期、指令周期1、振荡周期 为单片机提供时钟信号的振荡源的周期2、时钟周期 振荡源信号经二分频后形成的时钟脉冲信号，为振荡周期的 2倍 3、机器周期 完成一个基本操作所需

9、的时间，通常为12个振荡周期4、指令周期 指CPU执行一条指令所需要的时间，一个指令周期通常含有 14个机器周期。P1P2S1振荡周期时钟周期机器周期机器周期指令周期XTAL2(OSC)S2S3S4S5S6S1S2S4S5S3S6P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P2P2P2P2P2P2P2P2P2P28051单片机各种周期的相互关系P28051单片机外接晶振为12MHz时：振荡周期1/12s；时钟周期1/6s；机器周期1s； 指令周期14s2.5 并行I/O端口 P0口P3口（特殊功能寄存器），可位寻址 一、P0口（地址/数据线，I/O口） 1地址/数据分时复用功能 控制信号为高电

10、平“1”：当地址或数据为“1”时，V1截止，V2导通当地址或数据为“0”时，V1导通，V2截止（必须外接上拉电阻）2通用I/O接口功能控制信号为0，V2截止，输出级是漏极开路电路：P0口输出：P0.x=DP0口输入：先向口写1，使V1、V2均截止，方可高阻输入准双向I/O口 综上所述，P0口在有外部扩展存储器时被作为地址/数据总线口，此时是一个真正的双向口；在没有外部扩展存储器时，P0口也可作为通用的I/O接口，但此时只是一个 。准双向口二、P1口（I/O口）三、P2口（地址线，I/O口） 当作为外部扩展存储器的高8位地址总线使用时，控制信号使转换开关接向右侧，高8位地址经反相器和V1原样呈现

11、在P2口的引脚上，输出高8位地址A8A15。 当作为准双向通用I/O口使用时，控制信号使转换开关接向左侧，锁存器Q端经反相器接V1，其工作原理与P1相同，四、P3口（第二功能，I/O口） 第一功能：准双向通用I/O口,第二输出功能需置“1” ； 第二功能：具有特殊变异功能的I/O口， 输出：锁存器需置“1” 输入：锁存器和第二输出功能均需置“1” P3口的第二功能 总结：P0口和P2口组成外部16位地址总线和8位数据总线；P3口常作为第二变异功能用；P1口是作为I/O口用。注：P0口需要上拉电阻 2.6 复位电路及复位状态1、复位电路 单片机复位电路包括片内、片外两部分； 外部复位电路就是为内部复位电路提供两个机器周期 以上的高电平； 8051单片机通常采用上电自动复位和按键手动复位 两种方式； “看门狗”电路可定时输出高电平信号，但 外脉冲可将其复位的电路（防止程序运行出错）。 C1 22F RST R11K+5V 上电复位电路