[信息与通信] MCS-51单片机芯片硬件结构

1、第二章 MCS-51单片机芯片硬件结构2.1 MCS-51系列单片机结构及组成2 .1 .1 MCS-51系列单片机结构框图MCS-51系列单片机属于总线结构122 .1 .2 MCS-51系列单片机组成一个8位CPU包括运算器、控制器以及假设干存放器等部件组成。算术和逻辑运算，可对半字节4位和单字节数据进行操作；加、减、乘、除、加1、减1、比较等算术运算；与、或、异或、求补、循环等逻辑运算；布尔处理器。1运算器3PC用来存放即将要执行的指令地址，共16位，可对64KROM直接寻址。PC低8位经P0口输出，高8位经P2口输出。2程序计数器PC指令存放器存放指令代码。CPU执行指令过程：由程序存

2、储器ROM中读取指令代码送入指令存放器，经译码器译码后由定时与控制电路发出相应的控制信号，完成指令功能。3指令存放器4时钟电路：MCS-51芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为XTAL1，输出端为XTAL2。有两种时钟生成电路，内部方式，外部方式。4定时与控制部件54k/8k字节程序存储器（ROM）51系列4k字节；52系列8k字节128/256字节数据存储器（RAM）51系列128字节；52系列256字节2/3个16位定时/计数器51系列2个16位定时/计数器；52系列3个6可寻址64k外部数据存储器RAM和64k外部程序存储器ROM32条可编程I/O口线4个8位并行I/O端口一个可编

3、程全双工串行口；五个中断源、两个优先级嵌套中断结构72 .1 .3 MCS-51系列单片机芯片引脚8ALE/ （30），ALE：允许地址锁存信号。（数据线、地址线复用）当访问外部存储器时，ALE信号负跳变将P0口上低8位地址送入锁存器。ALE低电平时，P0口上的内容和锁存器输出一致1主电源引脚；2外接晶体或外部振荡器引脚；XTAL1、XTAL2引脚分布40脚双列直插封装DIP方式3控制、选通或复用电源引脚：9非访问外部存储器期间，ALE以1/6振荡频率输出，访问外部存储器时以1/12振荡频率输出。 为编程脉冲输入端，对片内程序存储器进行编程时，此脚输入编程脉冲。RST9脚：复位信号延续两个机器

4、周期以上的高电平，复位有效。10 （29脚）：访问外部程序存储器选通信号，低电平有效。 /Vpp31脚：访问内部或外部ROM选择信号。 高电平时( ) ，访问内部ROMPC指针超过4K，0FFFH时，自动转向外部ROM，保持低电平，那么访问外部ROM。对于8031， 接低电平11四个8位双向I/O端口P0、P1、P2、P3;每一条I/O线都能独立地作输入或输出。P0口3239低8位地址/数据线复用或I/O口。P1口18常用的I/O口。P2口2128常用I/O口或高8位地址线。P3口1017双功能口。4I/O口引脚32个引脚12信号引脚的第二功能P3口第二功能132-2 MCS-51存储器数据存

5、储器RAM-用来存放程序运行中所需要的常数和变量。当然，全局数据也可以放在RAM中。特点：程序存储器ROM、数据存储器RAM分开，各有各的寻址系统、控制信号和功能。程序存储器ROM-用来存放程序和始终要保存的数据。14从物理空间上看：MCS-51单片机有四个存储器地址空间。片内程序存储器片外程序存储器片内数据存储器片外数据存储器15程序存储器映象数据存储器映象8051存储器映象162.2.1 程序存储器程序存储器以PC程序计数器作地址指针，可寻址空间为64K0000HFFFFH字节。8051/8751单片机内局部别驻留4K0000H0FFFH字节ROM/EPROM。8031那么没有片内程序存储

6、器。178031单片机 接低电平。51系列单片机64K字节程序存储器统一编址。程序从片内ROM开始执行，当PC值超过片内ROM容量时会自动转向外部存储器空间。程序从外部存储器开始执行。1851系列单片机复位后PC=0000H，系统从0000H开始执行程序。安排一条跳转指令。0003H0032H单元被保存专用于中断效劳程序入口地址。每个中断效劳程序只有8个字节单元存放，显然不够，故此8个单元通常放一条跳转指令。指向被实际分配的中断效劳程序段。1920中断效劳程序首地址：外部中断0 0003H定时器0溢出中断000BH外部中断1 0013H定时器1溢出中断001BH串行口中断0023H定时器2溢出

7、/T2EX负跳变002BH212-2-2 数据存储器MCS-51系列单片机的数据存储器在物理和逻辑上都分为两个地址空间。00H7FH0127128字节RAM区；80HFFH128255128字节专用存放器区。22内部RAM低128字节00H7FH四个通用存放器区，每个区有8个工作存放器R0R7D4D3=000区； D4D3=011区；D4D3=102区； D4D3=113区根据程序状态字PSW特殊功能存放器，地址D0H中的D4D3位来指示的。通过对PSW的D4D3的修改，便能任意选择一个工作存放器区。存放器区23位寻址区20H2FH16个字节。16*8=128位，每一位都有一个位地址，范围为：

8、00H7FH，位地址区也可作为一般RAM使用。位寻址区24用户RAM区数据缓冲区单元地址：30H7FH在此区域中，用户只能以存储单元字节形式使用。通常将堆栈建立在此区域中。25内部RAM高128字节80HFFH专用功能存放器区SFR2-2-3 外部数据存储器以后介绍262-2-3 专用功能存放器SFR分布在RAM区域80HFFH中，具体执行功能：锁存器、定时器、串行口数据缓冲器、各种控制存放器、状态存放器等。27累加器ACC最常用专用存放器暂存存放器，用于提供操作数和存放运算结果。直接与内部总线相连。一般信息传递和交换都要通过ACC。常用专用功能存放器28存放器B乘法指令两个操作数分别取自A、

9、B，其结果放在A、B存放器队中；除法指令，被除数取自A，除数取自B，商放A，余数放B。29程序状态控制字PSWRS1，RS0-选择工作存放器区；CY-高位进位标志，8位运算产生进位或借位；AC-辅助进位标志，半字节进位标志；OV-溢出标志位，用于带符号数运算的溢出。P奇偶校验标志位，A存放器中奇偶性判别。“1的个数为偶P=0“1的个数位奇P=130数据指针DPTR16位存放器，DPH，DPL用来访问外部RAM的地址存放器，地址范围64K。端口P0P3专用存放器P0P3端口名和存放器名一一对应可采用直接寻址方式参与操作。MOV A，P031串行数据缓冲器SBUF存放欲发送或已接收的数据。虽然用一

10、个缓冲器99H，但却以两个独立的缓冲器出现。一个发送，一个接收。定时器/计数器两个16为定时/计数器T0、T1。各有两个8为独立存放器组成，TH0、TL0，TH1、TL1。其他控制存放器3233342-3 并行I/O端口电路P0口：地址/数据复用口35锁存器：数据输出三态输入数据缓冲器多路转换器MUX，控制电路数据输出时写P0口：由于锁存器的存在，故P0端口可以直接和外设相连。内部写脉冲加在D触发器CP端，数据写入锁存器，由端口引脚输出。作为一般I/O口使用36数据输入时读P0口，有两种情况：读引脚：读芯片引脚上的数据，“读引脚缓冲器翻开，通过内部数据总线读入；MOV指令的读口操作。读端口：通

11、过翻开读锁存器缓冲器读锁存器Q端的状态，例如语句：ANL P0，A 。作为地址/数据复用口使用翻开控制与门，使得内部地址/数据线与驱动场效应管栅极反相接通状态。37根据端口特点，P0，P2口结构根本一致，内部有一个多路开关MUX，根据CPU控制可作为I/O口，也可作为外部存储器扩展时用作16位地址总线。P1，P3口结构根本一致，为双向口。注意，一般地说，P1口多用作I/O或位操作；而P3口多用于第二功能。38P0口：为三态双向口，扩展外部存储器时，它是地址总线和数据总线的复用低8位。低8位地址通过ALE信号负跳变将其锁存在外部锁存器中。单独作I/O口用时，由于输出电路是漏极开路，必须外接上拉电

12、阻。能带8个LSTTL电路。端口功能39P1口：常用I/O口，每一位都能作为可编程的输入或输出线。输出端无需上拉电阻。P2口：可以作为输入口或输出口使用；但一般作为扩展系统的地址总线，输出高8位地址。与P0口一起组成16位地址总线。P3口：双功能口。作为第一功能使用同P1口。第二功能如下表：40P3口第二功能412-4 振荡器时钟及时序振荡有两种方式：外部、内部时钟发生器：将震荡频率2分频，为芯片提供一个两相时钟信号。时序定时单位：1拍节P：振荡脉冲周期，用P表示；2状态S：时钟信号周期，用S表示；423机器周期：MCS-51采用定时方式，因此有固定的机器周期，一个机器周期等于6个状态周期，1

13、2个振荡周期；4指令周期：执行一条指令所需要的时间。可包含一、二、三或四个机器周期。时钟周期是振荡周期2分频；机器周期是振荡周期12分频。43当振荡频率为12M时，一个机器周期是1微秒s频率=1/周期，周期=1/频率一个振荡周期=1/12s，一个机器周期是1s。当振荡频率为6M时，一个机器周期是2微秒sMCS-51共有111条指令。按其长度可分为：单字节指令、双字节指令、三字节指令。44单字节单周期指令例：INC A双字节单周期指令例：ADD A，DATA单字节双周期指令例：INC DPTR45当ALEALE信号为振荡频率6分频正跳变时，对应单片机进行一次读指令操作。一个机器周期二次出现，在S1P2和S2P1及S4P2和S5P1期间。有效宽度为一个状态。1单字节单周期指令：INC A只需进行一次读指令操作指令只有一个字节，当第二个ALE有效时，由于PC没有加1，读出的还是原指令。属于一次无效操作。462双字节单周期指令：ADD A，#dataALE两次读操作都有效，第一次读操作码指令第一字节，第二次读立即数指令第二字节。3单字节双周期指令：INC DPTR两个机器周期共进行四次读指令操作，但其后三次的读操作都是无效的。47MOVX：先在ROM中读出指令，然后对外部RAM进行读/写操作