2 单片机芯片的硬件结构46722

1、教学基本要求：（1）、了解单片机芯片内部各功能模块的作用；（2）、了解单片机的时序定时单位；（3）、熟悉单片机的信号引脚；（4）、熟悉单片机并行I/O口的结构及特点；（5）、熟悉单片机的不同工作方式；（6）、掌握单片机存储器的分类及特点；（7）、掌握单片机的时钟电路、复位电路的工作原理。2 单片机芯片的硬件结构教学重点：（1）、单片机内部RAM低128单元的分类及使用方法；（2）、单片机内部专用寄存器的功能及使用方法；（3）、单片机程序存储器前43个单元的使用方法；（4）、单片机并行I/O口结构特点与功能的关系。教学难点：（1）、通用寄存器组的设置及使用方法；（2）、堆栈的概念及使用方法；（3

2、）、单片机内部RAM的字节操作和位操作；（4）、80C51单片机的低功耗方式和掉电保护方式。2.1 MCS-51单片机的逻辑结构及信号引脚2.1.1 MCS-51单片机结构框图 回顾微型计算机的结构体系：冯.诺依曼经典体系结构 五个组成部分即运算器、控制器、存储器、输入及输出设备。 MCS-51单片机是微型计算机发展方向的一个分支，因此，其结构也为冯.诺依曼经典体系结构，但有其自身的特点，学习时应特别注意。 MCS-51单片机的系统逻辑结构。2.1.2 MCS-51单片机芯片内部逻辑结构（1）中央处理器CPU CPU是单片机的核心，由运算器和控制器两大部分组成。 运算器的功能：完成运算功能 控

3、制器的功能：完成控制功能 a)、运算器电路 ALU：算术逻辑单元，是核心，完成算术、逻辑运算； ACC：累加器； B：寄存器； PSW：程序状态字； 暂存寄存器： 注意：运算和操作结果的状态保存于PSW之中。 b)、控制器电路 PC：程序计数器； PC加1寄存器； 指令寄存器； 指令译码器； 定时与控制电路。 C)、单片机执行指令的过程 首先，从ROM中读指令，送指令寄存器保存，然后，送指 令译码器进行译码，译码结果送定时与控制逻辑电路，由 定时与控制逻辑电路产生各种定时信号和控制信号，最后， 送到系统的各个部件去进行响应的操作。（2）内部数据存储器 功能：执行程序，存放临时数据和最终结果的场

4、所。 容量：51子系列（128B） 52子系列（256B）（3）内部程序存储器 功能：存放程序、原始数据、常数表格。 容量：51子系列（4KB） 52子系列（8KB）（4）定时器/计数器 功能：定时功能、计数功能。 数量： 51子系列（2个16位可编程） 52子系列（3个16位可编程）（5）并行I/O口 功能：执行数据的并行输入输出。 数量：4个8位的并行I/O口。 名称：P0、P1、P2、P3口。（6）串行口 功能：执行数据的串行通信。（7）中断控制系统 功能：处理紧急事件。 数量：5个。 其中，外部中断2个，内部中断3个（T/C中断2个，串行 中断一个）。全部中断分为高级和低级二个优先级别

5、。 每个中断源的优先级都可由程序设定。 （8）时钟电路 功能：为单片机工作产生必须的时钟脉冲序列信号。 注意：必须外接石英晶体和电容器。（9）位处理器（布尔处理器） 功能：执行位处理操作，以便单片机实现控制功能。 注意：位处理器为MCS-51系列单片机所特有。（10）总线（单片机片内总线） 功能：完成所有信息的传送。 类型：数据总线（DB），双向； 地址总线（AB），单向； 控制总线（CB），双向。2.1.3 MCS-51的信号引脚 以80C51单片机为例进行说明，芯片封装：DIP，引脚数量：4080C51单片机芯片引脚图（1）信号引脚介绍（第一功能） ：P0口8位双向输入输出口线，完成数据的

6、传送； 在构造单片机应用系统片外总线时，既作为8位 数据总线（D0D7），又作为地址总线的低8位 （A0A7）分时使用。 ：P1口8位双向输入输出口线，完成数据的传送； 在单片机处于编程工作方式时，由它输入存储器 单元地址的低8位。 ：P2口8位双向输入输出口线，完成数据的传送； 在构造单片机应用系统片外总线时，作为地址总 线的高8位（A8A15）使用；在单片机处于编程 工作方式时，由它输入存储器单元地址的高8位。 ：P3口8位双向输入输出口线，完成数据的传送； ALE：地址锁存控制信号 在不扩展单片机系统时不使用，但ALE端仍产生频率为 晶体振荡器振荡频率fosc的1/6的周期性正脉冲信号，

7、 此信号可以作为外部时钟或外部定时脉冲使用； 在扩展单片机系统时，ALE的输出用于控制把P0口输出 的低8位地址送锁存器锁存，即锁存地址的低位字节， 以实现低位地址和数据总线信息的分离。 /PSEN：外部程序存储器读选通信号 在读外部ROM时，/PSEN有效（低电平），以实现外部 ROM单元的操作。 /EA：访问程序存储器控制信号。 当/EA输入端保持高电平，CPU访问内部程序存储器4KB 的地址范围。但在PC（程序计数器）值超过OFFFH时(即 PC值超出4KB地址时),将自动转向执行片外程序存储器 内的程序； 当/EA保持低电平时,则单片机只访问外部程序存储器， 此时不管单片机是否有内部程

8、序存储器。 注意:对于常用的8031来说无内部程序存储器,因此,/EA 脚必须常接地,这样单片机才能选择到外部程序存 储器执行片外程序储器内的程序。 RST：复位信号，高电平有效。但有效的高电平信号必须维持 两个机器周期以上，用以完成单片机复位初始化操作。 XTAL1和XTAL2：外接晶体引线端 当使用芯片内部时钟时，用于外接石英晶体 和微调电容； 当使用外部时钟时，用于连接外部时钟脉冲 信号，此时， XTAL1接地， XTAL2连接外部 时钟脉冲信号。 VSS: 地线 VCC: +5V电源 （2）信号引脚的第二功能 ALE/PROG：编程脉冲输入端 在单片机处于编程工作方式时，输入编程脉冲。

9、 /EA/VPP：编程电压(25V或21V)输入端 RST/VPD：备用电源引入端 VCC掉电期间，此引脚可接上备用电源。一旦芯片 在使用过程中，当VCC电源发生故障（电压突然下 降或断电，称掉电，或失电），电压下掉到低于规 定的值，备用电源经此端向内部RAM提供电压，以 保护内部RAM中的信息不丢失，使单片机复电后， 能正常运行。 P3口口线的第二功能：见P3口口线第二功能表 注意：对于ALE/PROG，/EA/VPP和RST/VPD，由于第一功能信 号与第二功能信号是单片机在不同工作方式下的信号， 因此，不会发生使用上的矛盾； 对于P3口口线, 在实际使用时应优先考虑其第二功能。 2.2

10、MCS-51单片机的内部存储器 在具体讲解MCS-51单片机的内部存储器之前，我们首先来研究MCS-51单片机存储器的特点及分类情况。 一般微机存储器通常只有一个逻辑地址空间，可以随意安排ROM或RAM，同一地址对应唯一的存储器单元，可以是ROM，也可以是RAM，并用同类指令访问。但MCS-51单片机与一般微机的存储器配置方法大不相同。在此，以80C51单片机的存储器配置为例进行说明。 MCS-51的存储器配置在物理结构上有四个存储器空间：（1）、片内程序存储器； （2）、片外程序存储器；（3）、片内数据存储器； （4）、片外数据存储器 MCS-51的存储器配置在逻辑结构上有三个存储器地址空间

11、： （1）、片内外统一编址的64K字节的程序存储器空间，地址范 围（0000HFFFFH）； （2）、片内256字节的数据存储器地址空间，地址范围 （00HFFH）； （3）、片外64K字节的数据存储器地址空间，地址范围 （0000HFFFFH）。 在访问三个不同的逻辑空间时应采用不同形式的指令。 片内256字节的数据存储器地址空间又可以分为三个部分： （1）、内部数据存储器，地址范围（00H7FH）； （2）、特殊功能寄存器（SFR），地址范围（80HFFH）； （3）、位地址空间，地址范围（00HFFH）。 2.2.1 内部数据存储器低128单元 内部数据存储器低128单元又分为寄存器区、

12、位寻址区、用户RAM区三个部分。 80C51单片机内部数据存储器低128单元配置图（1）寄存器区 寄存器区共32个单元，地址范围00H1FH，共分为四组，组号依次为0、1、2、3，每组8个寄存器，寄存器名依次为R0R7，每个寄存器都是8位，都有一个字节地址与之相对应。 通用寄存器与内部RAM字节地址对照表。 寄存器区的32个寄存器也通常称之为通用寄存器或工作寄存器，因此，寄存器区通常也称之为通用寄存器区或工作寄存器区。其功能用于存放操作数及中间结果，由用户使用时规定。 在任一时刻，CPU只能使用其中的一组寄存器，正在使用的寄存器组，我们称之为当前寄存器组。CPU究竟使用的是那一组，由程序状态字

13、寄存器PSW中的RS1，RS0位的状态组合来决定。 通用寄存器有两种使用方法： a)、以寄存器的形式使用，用寄存器符号表示； b)、以存储单元的形式使用，用单元（字节）地址表示。RS1 RS0寄存器组片内RAM地址0 0第0组00H07H0 1第1组08H0FH1 0第2组10H17H1 1第3组18H1FH（2）位寻址区 MCS-51单片机内部RAM的20H2FH单元（共16个RAM单元）称之为位寻址区。它既可以作为一般RAM使用，进行字节操作，也可以对单元中的每一位进行位操作，位寻址区共有128位，位地址范围为00H7FH。 位寻址区的“位”有两种表示方式： a)、以位地址的形式表示； 位

14、寻址区的最后一个“位”可表示为7FH。 b)、以存储单元地址加位的形式表示 位寻址区的最后一个“位”也可表示为2。 80C51单片机内部RAM位寻址区的位地址（3）用户RAM区 共有80个RAM单元，单元地址范围为30H7FH，一般可作为堆栈或数据缓冲使用，由用户使用时规定。 2.2.2 内部数据存储器高128单元 内部数据存储器高128单元，其功能和名称由系统规定，用户不能随意更改，单元地址范围为80HFFH，用于存放单片机相应功能部件的控制命令、状态或数据。共22个，其中可寻址的为21个，也称之为专用寄存器或特殊功能寄存器，它们离散分布在内部数据存储器高128单元中。 80C51单片机专用

15、寄存器一览表（一）专用寄存器简介（1）程序计数器（PCProgram Counter） PC是一个16位的计数器，其内容为将要执行的指令地址，寻址范围为64KB（065535）。 PC具有自动加1功能，当CPU要取指令时，PC的内容送到地址总线上，从存储器中取出指令后，PC内容则自动加1。指向下一条指令，从而实现程序的顺序执行。 PC没有地址是不可寻址的，因此，用户无法对它进行读，写。但可以通过执行转移、调用、返回等指令自动改变其内容，以实现程序的转移。 （2）累加器A或ACC（E0H） 它是最常用的专用寄存器，为8位寄存器，用于存放一个操作数或中间结果。 MCS-51单片机中，大部分单操作数

16、指令的操作数取自A。很多双操作数指令中的一个操作数，也取自于A，加、减、乘、除运算指令的运算结果都存放在A或A和B寄存器中。（3）B寄存器（F0H） 它是一个8位寄存器，主要用于乘除运算。 乘法运算时，A为被乘数，B为乘数，其积的高8位存于B中，低8位存于A中。 除法运算时，A为被除数，B为除数，其商存放在A中，余数存放在B中。 此外，它也作为一般数据寄存器使用。 （4）程序状态字PSW（0D0H） 它是一个8位可读写的寄存器，用于寄存程序运行的状态信息，它的不同位包含了程序状态的不同信息。 PSW中有些位的状态是根据程序执行结果，由硬件自动设置的，而有些状态位则使用软件方法设定。 PSW中的

17、位状态可以用专门的指令进行测试，也可用指令读出，一些条件转移指令将根据PSW有关位的状态，进行程序转移。PSW的各位定义如下：PSW位地址PSW位序D7HPSW.7D6HPSW.6D5HPSW.5D4HPSW.4D3HPSW.3D2HPSW.2D1HPSW.1D0HPSW.0位标志字节D0H CYD0H.7ACD0H.6F0D0H.5RS1D0H.4RS0D0H.3OVD0H.2F1D0H.1PD0H.0 CY：进位标志位 功能:1)在进行算术运算（加或减）时，如果操作结果最高位 有进位或借位时，就存于其中，它是通过硬件置“1”实 现的，否则，由硬件清“0”。 2)在进行逻辑运算即位传送，位与

18、，位或等位操作时， 操作位之一固定是进位标志位。 3）在位处理器中，作累加位使用，相当于CPU中的累加 器A。 AC：辅助进位标志位 功能:1)在加减运算中，当有低四位向高四位进位或借位时， AC由硬件置“1”，否则，AC位被清0。 2)在十进制数运算时需要十进制调整，要用到AC位状态。 F0：用户标志位 功能：供用户定义的标志位，需要时可用软件方法置位或复位， 也可用软件测试F0以控制程序的转向，编程时，该标志 位特别有用。 RS1和RS0：寄存器组选择位 功能：用于设定通用寄存器的组号。 RS1 RS0寄存器组R0R7地址0 0第0组00H07H0 1第1组08H0FH1 0第2组10H1

19、7H1 1第3组18H1FH 单片机系统上电时，单片机默认选择第0组通用寄存器为当前工作寄存器组，即RS1和RS0均为00，此时R0R7的地址范围为00H07H。 在实际应用中，根据需要，用户可以利用传送指令或位操作指令来改变其状态。这样的设置，对程序中保护现场提供了方便。 例如：SETB RS1；（RS1=1） SETB RS0；（RS0=1） 当前工作寄存器组为第3组，R0R7的地址范围为18H1FH。 CLR RS1；（RS1=0） SETB RS0；（RS0=1） 当前工作寄存器组为第1组，R0R7的地址范围为08H0FH。 OV：溢出标志位 功能：当进行算术运算时，如果产生溢出，则由

20、硬件将OV位置 1，否则，由硬件清0。 1）、在带符号数加减法运算中，OV =1表示加减运算超出了A 所能表示的符号数有效范围（-128+127），即产生了 溢出，因此运算结果是错误的，否则，OV=0表示运算结 果正确，即无溢出产生。 2）、在乘法运算中，OV=1，表示乘积超过255，即积分别在B 与A中，否则，OV=0，表示乘积只在A中。 3）、在除法运算中，OV =1表示除数为0，除法不能进行，否 则OV=0，除数不为0，除法可正常进行。 P：奇偶标志位 功能：该位始终跟踪累加器A中二进制数1的个数的奇偶性，如 果有奇数个1，则P显示1，否则为0，凡是改变A中内容 的指令均会影响P的标志位

21、。 在每个指令周期由硬件根据A的内容对P位自动置位或复位。 F1：系统未定义，用户可根据需要自行定义使用。（5）数据指针DPTR 它是MCS-51中唯一的一个16位寄存器，为专用地址指针寄存器，主要用于存放16位地址，作间址寄存器使用。 编程时，DPTR既可以按16位寄存器使用，也可以按两个8位寄存器分开使用。DPH：DPTR高位字节（83H）；DPL：DPTR低位字节（82H）。 （二）专用寄存器的字节寻址 80C51单片机专用寄存器一览表 （1）21个SFR不连续地分布在SFR区，剩余空间用户不能使用。 （2）PC是不可寻址的，在物理上是独立的，不占据RAM单元。 （3）对专用寄存器只能使

22、用直接寻址方式，在指令中既可以使用寄存器符号表示，也可使用寄存器字节地址表示。 例如：MOV A， #30H；把立即数30H送入累加器A中 MOV E0H，#30H；把立即数30H送入累加器A中 （三）专用寄存器的位寻址 表中共有11个专用寄存器（打*号）是可以位寻址的，在专用寄存器区共有83个可寻址位，这些位都具有专门的定义和用途。 注意：（1）表中打*号的SFR既可字节寻址，又可位寻址。 （2）MCS-51的内部RAM中共有128+83=211个可寻址位。2.2.3 MCS-51单片机的堆栈操作（1）堆栈的基本概念 a)、堆栈的定义 堆栈是一种数据结构，是只允许在其一端进行数据插入和数据删

23、除操作的线性表。 堆栈结构图如下 b)、入栈 即压栈，指数据写入堆栈。 c)、出栈 指数据从堆栈中读出。 d)、堆栈的特点 即“后进先出”的数据操作规则，也称为LIFO，即先入栈的数据，由于存放在堆栈的底部,因此后出栈，而后入栈的数据存放在堆栈的顶部，因此先出栈。 e)、堆栈的功能 堆栈是为子程序调用和中断操作而设立的，其具体功能有两个：保护断点和保护现场 断点即断点地址；现场即存储单元内容。 f)、堆栈的开辟 一般把堆栈分为两种：外堆栈，内堆栈。 外堆栈：一般开辟在主存储器中，因此其容量大，可以实 现多级中断嵌套和子程序嵌套，但操作速度慢。 内堆栈：一般是指在CPU芯片内的寄存器中开辟的堆栈

24、。如 MCS-51的堆栈就是开辟在内部RAM中，其优点操作 速度快，但容量有限。 在实际使用中，一般把堆栈开辟在用户RAM区，即地址范围为30H7FH的RAM区域。 g)、堆栈的深度 堆栈的深度就是指堆栈的字节容量。在实际使用中，应合理安排堆栈的深度，既避免堆栈的溢出，又避免浪费存储单元。 h)、堆栈指示器（SP） 功能：指示栈顶地址，因为数据的进栈，出栈都是对堆栈的栈顶单元的写和读操作。 SP的内容：即为堆栈栈顶的存储单元地址。 SP是一个8位SFR，因此，堆栈的深度为51内部RAM 128单元，系统复位后，SP的内容为07H，但由于堆栈最好在内部RAM的30H7FH单元中开辟，因此，用户可

25、以编程决定SP初值，一般应注意把SP初值初始化为30H以后。 例如：MOV SP，#30H；堆栈栈底开辟在内部RAM 30H处，数 据从内部RAM 31H单元开始存放。 例如：MOV SP，#60H；堆栈栈底开辟在内部RAM 60H处，数 据从内部RAM 61H单元开始存放。 由于SP可初始化为不同值，因此，堆栈位置可浮动。 i)、堆栈的类型 堆栈有两种类型：向上生长型和向下生长型。 向上生长型堆栈操作规则： 进栈：先SP加1，后写入数据。 出栈：先读出数据，后SP减1。 向下生长型堆栈操作规则与向上生长型刚好相反。 i)、堆栈的使用方式 自动方式：即在调用子程序或中断时，返回地址（断点） 自

26、动进栈，程序返回时，断点再自动弹回PC。 指令方式：即使用专用的堆栈操作指令进行进栈，出栈操 作（PUSH，POP）。 2.2.4 内部程序存储器 MCS-51单片机的程序存储器用于存放编好的程序和表格常数，它以PC作地址指针，由于PC为16位计数器，因此，可寻址的地址空间为64KB(216)（0000HFFFFH）。 80C51单片机片内有4KB的ROM存储单元，简称内部程序存储器地址范围（0000H0FFFH），当内部程序存储器单元不够使用时，可在80C51单片机的外部扩展程序存储器，扩展的程序存储器简称外部程序存储器，地址范围（1000HFFFFH）。 在程序存储器中（对80C51，87

27、C51而言，即为内部程序存储器，对80C31而言，即为外部程序存储器）有些特殊单元，使用时应注意： 第一组：0000H0002H，是系统的启动单元，系统上电或复位后,（PC）= 0000H，即单片机从0000H单元开始取指令执行，如果主程序不从0000H单元开始，应在此三单元中存放一条无条件转移指令，以便直接转去执行指定的主程序。 第二组：0003H002AH，共40个单元，均匀分为五段，作为五个中断源中断地址区。 0003H000AH：外部中断0中断地址区 000BH0012H：定时器/计数器0中断地址区 0013H001AH：外部中断1中断地址区 001BH0022H：定时器/计数器1中断

28、地址区 0023H002AH：串行中断地址区 一般来说，在上述各中断地址区，应存放中断服务程序，MCS-51单片机在响应中断后，应按中断种类，自动转到各中断区的中断服务程序的首地址去执行中断服务程序，但在通常情况下，8个单元难以存下一个完整的中断服务程序。因此，通常只在上述中断地址区首地址开始存放一条无条件转移指令，以便中断响应后，通过中断地址区，再转到中断服务程序的实际入口地址去。 2.2.5 MCS-51单片机系统的存储器结构特点 80C51单片机存储器组织结构 MCS-51单片机的存储器结构有两个重要特点：（1）数据、程序存储器截然分开；（2）存储器有内外之分。 MCS-51单片机采取以

29、下措施保证CPU访问存储器不出现错误： 第一、CPU访问存储器的指令形式不同； 访问片内外程序存储器用MOVC指令； 访问片内数据存储器用MOV指令； 访问片外数据存储器用MOVX指令。 第二、CPU访问存储器时发出的控制信号不同； 访问片外程序存储器/PSEN、ALE信号有效； 访问片外数据存储器/WR、/RD、ALE信号有效。2.3 MCS-51单片机并行输入/输出口电路 口：是一种由各种电路形式组成的一个复杂的电路结构，它可以完成芯片所要求的功能。 MCS-51单片机具有4个双向的8位并行I/O口：P0P3，它们具有系统规定的字节地址，每个口都包含一个锁存器、一个输出驱动器和输入缓冲器。

30、实际上，它们已被归入专用寄存器之列，并且具有字节寻址和位寻址功能。每个口均有一个8位锁存器，在上电复位后初态为全“1”，使P0P3口均处于输入状态。 这些口在结构和特性上是基本相同的，但又各具特点，以下将分别介绍。2.3.1 P0口 P0口的字节地址80H，位地址8087H，口的各位口线具有完全相同但又相互独立的逻辑电路。（1）PO口的结构 a）、一个数据输出锁存器。 b）、两个三态数据输入缓冲器。 c）、数据输出驱动电路：一对FET（场效应管）。 d）、控制电路：一个与门，一个反相器，1路多路开关MUX。（2）PO口的功能 a）、PO口作通用I/O口 内部控制信号为低电平（由CPU发出控制信

31、号）封锁与门，将输出驱动电路的上拉场效应管（FET）截止，同时使多路转换开关MUX接通锁存器/Q端输出通路。 1）当作输出口时 内部数据总线上的信息由写脉冲锁存至输出存储器，并向端口引脚输出，此时，内部数据总线与P0端口同相位。单片机执行写P0的指令如 MOV P0，A。MOV P0，#data时，P0口工作于输出方式，此时数据经内部数据总线送入锁存器锁存，如某位送1。D=1在写脉冲作用下，Q与D同态，Q=1，/Q=0。场效应管截止，从而使引脚为1；反之，D=0，P0.i=0。 2）当作输入口时 读引脚： 即读芯片引脚的数据，一般都是以I/O端口为源操作数的指令。执行读引脚指令时，使用下方的数

32、据缓冲器，由“读引脚信号”把缓冲器打开，把端口引脚上的数据经缓冲器通过内部总线读进来。单片机执行读P0口的指令如MOV A，P0时，P0口工作于输入方式，控制器发出的读信号打开下面的三态门，引脚上的数据经下面三态门进入芯片内部总线，并送到A。因此输入时无锁存功能。注意：作输入操作前，必须使用MOV P0，#0FFH，将P0口每一位置为高电平。读端口（读锁存器）： 利用读-修改-写指令，例如：ANL P0，#data，此时通过上面的缓冲器读锁存器的状态。此类指令的特点是：目的操作数为某一I/O口或I/O口的某一位，执行指令时，是从锁存器中读取数据，由CPU进行处理，并把结果重新写入锁存器。 注意

33、：P0口作为一般I/O使用时 1要求上拉电阻。 2当对P0口进行操作时（输入时），必须先写1。 3当对P0口进行写作时（输出）数据输出锁存。b）、P0口作地址/数据总线使用 1）以PO口引脚输出地址/数据信息 此时CPU内部发出高电平的控制信号，打开与门，同时使MUX把CPU内部地址/数据总线反相后与FET（T2）栅极接通，T1，T2两个FET处于反相，构成推拉式输出电路，其负载能力增加。2）以PO口引脚输入数据 此时输入的数据从引脚通过下面输入缓冲器进入内部总线。 2.3.2 P1口 P1口的字节地址90H，位地址9097H，口的各位口线具有完全相同但又相互独立的逻辑电路。（1）P1口的结构

34、 特点：a)不需要多路转换开关MUX； b)输出电路中有上拉电阻，电路的输出不是三态，P1 口是准双向口。（2）P1口的功能 通常作I/O口使用： a）、作输出口时，无需外接上拉电阻。 b）、作输入口时，为了避免误读，必须先向对应的输出锁 存器写入1，使FET截止，然后再读端口引脚。 2.3.3 P2口 P2口的字节地址A0H，位地址A0A7H，口的各位口线具有完全相同但又相互独立的逻辑电路。（1）P2口的结构 特点：a)与P1口相比，多了一个输出转换多路控制部分； b)输出电路中有上拉电阻，P2口是准双向口。（2）P2口的功能 通常作I/O口使用： a）、作输出口时，无需外接上拉电阻。 b）

35、、作输入口时，必须先向对应的输出锁存器写入1。 P2口还可作为地址总线的高8位使用。2.3.4 P3口 P3口的字节地址B0H，位地址B0B7H，口的各位口线具有完全相同但又相互独立的逻辑电路。（1）P3口的结构 特点：a)与PO口比较，无多路开关MUX及控制部分； b)输出驱动电路带上拉电阻，P3口是准双向口。（2）P3口的功能 通常作I/O口使用： a）、作通用输出口时，由于第二输出功能为高，打开与非 门，锁存器输出可以通过与非门送FET管输出到引脚端。 b）、作通用输入口时，引脚数据通过三态缓冲器在读引脚 选通控制下进入内部总线。 P3口用作第二功能使用 a）、作第二功能输入 此时端口引

36、脚的第二功能信号通过第一个缓冲器送到 第二输入功能端。 b）、作第二功能输出 此时与非门的输出状态由第二功能输出控制线的状态 确定，反映了第二功能输出电平状态。 2.4 MCS-51单片机时钟电路与时序 单片机本身是一个复杂的同步时序电路，单片机是在同步时钟信号的指挥下工作的。 单片机的时钟电路就是用来产生单片机工作所需的同步时钟信号，而时序所研究的则是指令执行中各信号之间的相互时间关系。2.4.1 时钟电路 单片机工作所需的同步时钟信号由以下两种方法获得： 第一：由单片机片内时钟电路结合外部晶振、电容产生； 第二：直接从单片机外部引入脉冲信号。（1）时钟信号的产生 电路组成：石英晶体：（MH

37、z12MHz40MHz） 微调电容：一般取值30pF左右 注意：单片机振荡电路产生的脉冲信号称振荡信号，它的 频率等于石英晶体的振荡频率（fosc）,简称晶振频 率，振荡脉冲信号还不是单片机工作所需的时钟信 号，时钟信号必须由振荡脉冲信号经单片机片内时 钟电路的处理后才能产生。 MCS-51单片机的时钟电路框图 注意：1）时钟脉冲信号的频率等于1/2 fosc； 2）ALE引脚上脉冲信号的频率等于1/6 fosc； 3）机器周期脉冲信号的频率等于1/12 fosc。（2）引入外部脉冲信号TTLR外部时钟信号VCCXTAL2XTAL1Vss8051外部脉冲源接法8051NCXTAL1XTAL28

38、0C51外部脉冲源接法80C51外部时钟信号VssTTL2.4.2 时序定时单位 MCS-51的时序定时单位有4个，从小到大依次为：节拍（P），状态（S），机器周期和指令周期。（1）节拍： 即振荡脉冲信号的周期（用P表示），指为单片机提供定时信号的振荡源信号的周期。（2）状态： 即时钟脉冲信号的周期，或称之为时钟周期（用S表示），它是单片机工作的时钟信号，一个状态包含两个节拍，即P1节拍和P2节拍。（3）机器周期： CPU完成一次读或写操作所需要的周期。它由6个状态（12个振荡脉冲）组成，即6个时钟周期，12个振荡周期，并依次表示为S1S6，可分别记作为S1P1S6P2。（4）指令周期：执行一

39、条指令所占用的全部时间。 MCS-51单片机的指令周期，根据指令的不同可包含有一，二，四个机器周期。 2.4.3 典型指令时序 MCS-51单片机指令系统的111条指令的分类： 按指令的长度（字节数）：单、双、三字节指令； 按指令执行的时间：单、双、四机器周期指令。综合来说有：单字节单机器周期指令；单字节双机器周期指令；单字节四机器周期指令；双字节单机器周期指令；双字节双机器周期指令；三字节双机器周期指令。2.5 MCS-51单片机工作方式 MCS-51单片机共有复位、程序执行、单步执行、掉电保护、低功耗以及EPROM编程和校验等6种工作方式。2.5.1 复位方式和复位电路（1）复位操作 复位

40、操作的目的： a）、完成单片机的初始化,即把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序； b）、当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，可通过复位重新启动单片机。（2）复位操作后单片机的状态（3）复位信号及其产生 a）对复位信号的要求 复位信号必须是一个高电平有效信号，有效时间应持续24个振荡脉冲周期（二个机器周期）以 上。 b）单片机片内复位电路逻辑结构返回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）送斯密特触发器，再由片内复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对斯密特触发器的输出进行采样。然后才等到内部复位操作所需要的信号。D1D2RST/VP

41、DVCCVSSRAM斯密特触发器复位电路（4）复位方式 单片机的复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式。2.5.2 程序执行方式 程序执行方式为单片机的基本工作方式，由于单片机复位后PC=0000H，因此程序执行总是从程序存储器单元地址0000H开始。 2.5.3 掉电保护方式 单片机应用系统在运行过程中，如发生掉电故障，将会使数据丢失，后果极其严重，为此，MCS-51单片机设置有掉电保护措施，进行掉电保护处理。 具体做法是：先把有用的数据转存，然后再启用备用电源维持供电。（1）数据转存 即当电源出现故障时，应立即将系统有用的信息转存到内部RAM中，它是通过中断服务程序完成的。由于单片机

42、VCC端接有滤波电容，掉电后电容能维持几毫秒的有效电压。足以完成掉电中断操作。 另外，必须在系统中设置一个电压检测电路，一旦检测到电源电压下降，立即通过/INT0或/INT1产生外部中断请求，中断响应后执行中断服务程序，把有用数据送内部RAM中保护起来。（2）接通备用电源 数据转存后还应维持内部RAM的供电，这样才能保护转存数据不被破坏。因此系统必须配有备用电源。以及相应的切换电路。由于备用电源容量有限，为减少消耗，掉电后时钟电路和CPU皆停止工作，只有内部RAM和SPR继续工作以保持其内容。 当电源恢复后，VPD端备用电压还应维持一段时间，以便系统恢复，然后才能结束保护状态，最后将被保护的数

43、据送回原处。2.5.4 80C51的低功耗方式 80C51单片机具有两种低功耗方式，即待机方式和掉电保护方式，它们都是通过对PCON（电源控制寄存器）相关位的控制来实现的。 PCON专用寄存器的格式：位序B7B6B5B4B3B2B1B0位符号SMOD/GF1GF0PDIDL SMOD：波特率倍增位； GF0 GF1 ：通用标志位，由软件置位、复位； PD ：掉电方式位，PDL=1，则进入掉电方式； IDL：待机方式位，ID=1，则进入待机方式 注意：PD ，IDL均通过软件置位，复位。如果PD ，IDL位 都同时为1时，则先进入掉电工作方式。 （1）待机方式 a）利用指令使PCON的IDL位置

44、“1”，80C51进入待机方式。此时振荡器仍然工作，并向中断逻辑，串行口和T/C电路提供时钟，但向CPU提供的时钟信号被切断，CPU停止工作。但CPU内部的全部状态（SP，PC，PSW ACC 及所有工作寄存器）在待机期间都被保留下来。 b）在此方式下，80C51消耗的电流可由正常的24mA降为3mA。 c）退出待机方式的两种途径： 第一：激活任何一个被允许的中断，则IDL位被硬件自动清0，结束待机状态，而进入正常工作方式，执行的指令为原先使IDL置位指令后面的那条指令。 第二：依靠硬件复位信号。 （2）掉电保护方式 a）当80C51单片机系统的电压检测电路检测到电源故障时，一方面进行数据转存

45、，另一方面使PCON的PD位置“1”，单片机系统进入掉电保护方式。此时片内振荡器停止工作，单片机也停止工作，单片机的所有功能全部停止，只有内部RAM和SFR内容不变。 b）在此方式下，VCC电压可降至2V，耗电仅50A，用以保存片内RAM信息。 c）退出掉电保护方式的途径： 当电源VCC恢复正常后，可由硬件复位信号使单片机推出掉电保护方式。 微型计算机结构框图返回MCS-51单片机系统结构框图返回P3口口线第二功能表P3口口线第二功能信号名称P3.0 RXD 串行数据接收 输入 P3.1 TXD 串行数据发送 输出 P3.2 /INT0 外部中断0申请 输入 P3.3 /INT1 外部中断1申请 输入 P3.4 T0 T/C0计数输入 输入 P3.5 T1 T/C1计数输入 输入 P3.6 /WR 外部RAM写选通 输出 P3.7 /RD 外部RAM读选通 输出 返回80C51单片机存储器组织结构0000H00H0000HFFFFH1000H外部ROM0FFFH内部ROMEA = 1外部ROMEA = 0工作寄存器03组位寻址区RAMSFR20H30H80HFFH外部RAMFFFFH返回80C51单片机内部数据存储器低128单元配置图30H7FH用户RAM区（堆栈、数据缓冲）20H2FH位寻址区（位地址00H7FH）18H1FH第3组通用寄存器区10H17H第2组通用