第2章 MCS-51系列单片机的结构及原理

1、第2章 MCS-51系列单片机的结构及原理2.1 MCS-51系列单片机的主要性能特点2.7 掉电保护和低功耗设计2.6 单片机的复位状态与复位电路2.5 时钟电路与CPU的时序 2.4 MCS-51系列单片机的主要组成部分2.3 MCS-51系列单片机的引脚功能2.2 MCS-51系列单片机的内部总体结构2.1 MCS-51系列单片机的主要性能特点1、 8031、8051、8751三者不同之处： 8051是ROM型单片机，内部有4KB的ROM；8751片内含有4KB的EPROM；8031片内没有ROM使用时需外接EPROM。2、 8031、8051、8751三者相同之处： （1）面向控制的8

2、位CPU； （2）128B的片内数据存储器； （3）可以寻址64KB的片外程序存储器； （4）可以寻址64KB的片外数据存储器； 2.1 MCS-51系列单片机的主要性能特点 （5）32根双向和可单独寻址的I/O线； （6）一个全双工的异步串行口； （7）两个6位定时/计数器； （8）5个中断源，两个中断优先级； （9）有片内时钟振荡器； （10）采用高性能HMOS生产工艺生产； （11）有布尔处理（位操作）能力； （12）含基本指令111条，其中单机器周期指令64种。2.2 MCS-51系列单片机的内部总体结构图2-1 MCS-51单片机的基本结构88微处理器（运算部件）控制部件B 数据存储

3、器RAMP0口P2口程序存储器P1口P3口串行口定时/计数器中断系统特殊功能寄存器（SFR）88ROM/EPROMVCCVSSXTAL1XTAL2 PSENALEEARESET图2-2 MCS-51片内总体结构框图RST端口0驱动器端口2驱动器RAM地址锁存器RAM128*8端口0锁存器端口2锁存器ROM4K*8B寄存器程序地址寄存器缓冲器PC+1寄存器PCDPTR指针VCCVSSP1.0P1.7堆栈指针SPACCTMP2PSW端口3锁存器端口1锁存器端口1驱动器端口3驱动器TMP1SCONTMODPCONTCONTL0TH1TH0TL1IESBUF(TX/RX)IP中断、串行口和定时器逻辑O

4、SCP3.0P3.7ALEPSENEAXTAL2XTAL1ALU(+5V)指令寄存器定时与控制指令译码器P0.0P0.7P2.0P2.7返回本节2.3 MCS-51系列单片机的引脚功能2.3.1 MCS-51系列单片机引脚功能2.3.2 三总线结构图2-3（a）MCS-51系列单片机的引脚P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7VSSP1.0RST/VPDRXD/P3.0TXD/P3.1INT0/P3.2INT1/P3.3T0/P3.4T1/P3.5WR/P3.6RD/P3.7XTAL2XTAL112345678910111213141516171819208031805187

5、514039383736353433323130292827262521222324VCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VppALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0 40条引脚的功能： 1 电源引脚VSS和VCCVSS（20脚）：接地；VCC（40脚）：正常操作及对EPROM编程和验证时接5伏电源。2 外接晶体引脚XTAL1和XTAL2XTAL1（19脚）：接外部晶体的一端。在单片机内部，它是一个反向放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。XTAL2（18脚）：接外部晶体的另一端。在单片机内部，接至上

6、述反向放大器的输出端。 3 控制或与其它电源复用引脚RST/VPD，ALE/PROG，PSEN和EA/VPPRST/VPD（9脚）：当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期以上的高电平，将使单片机复位；VCC掉电期间，此引脚可接备用电源，以保持内部RAM的数据不丢失；当VCC掉到低于规定水平，而VPD在其规定的电压范(50.5V）内，VPD向内部RAM提供备用电源。ALE/PSEN（30脚）：当访问外部存储器时，MCS-51系列单片机即用P0口作为低8位地址输出口，又作为数据输入/输出口。为了使地址与数据不致于混淆，通常先送地址再传送数据。ALE（允许地址锁存）将P0口输出的低8位地址锁存，

7、从而实现低位地址与数据的分离。 在ALE端会周期性地出现正脉冲信号，此信号频率为振荡器频率的1/6。因此，它可以用作对外输出的时钟。要注意的是：每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。ALE端可以驱动（吸收或输出电流）8个LSTTL输入。在对8751片内EPROM编程（固化）时，此引脚用于输入编程脉冲。PSEN（29脚）：是外部程序存储器的读选通信号。在外部程序存储器取指令（或常数）期间，每一个机器周期两次有效。每当访问外部数据存储器时，这两次有效的信号将不出现。同样可以驱动8个LSTTL输入。EA/VPP（31脚）：当EA端保持高电平时，访问内部程序存储器，但在PC（程序计数器）值超

8、过0FFFH（对于8051/8751/80C51）或1FFFH（对于8052）时，将自动转向访问外部存储器。当EA端保持低电平时，不管是否有内部程序存储器，只访问外部程序存储器。在对8751片内EPROM编程时，此引脚用于施加21V的编程电源（VPP）。 4. 输入/输出引脚P0口、P1口、P2口、P3口P0口（P0.0P0.7共8条引脚，即3932脚）：是双向8位三态I/O口。在访问外部存储器时，可分时用作低8位地址线和8位数据线；在EPROM编程时，它输入指令字节，而在验证程序时，则输出指令字节。P0口能驱动8个LSTTL输入。P1口（P1.0P1.7共8条引脚，即18脚）：P1口是一个带

9、有内部上拉电阻的8位双向I/O口。在EPROM编程和程序验证时，它接收低8位地址。它能驱动4个LSTTL输入。P2口（P2.0P2.7共8条引脚，即2128脚）：P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。在访问外部存储器时，它送出高8位地址。在对EPROM编程和程序验证时，它接收高8位地址。它能驱动4个LSTTL输入。P3口（P3.0P3.7共8条引脚，即1017脚）：P3口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。在MCS-51单片机中，这8个引脚都有各自的第二功能，在实际工作中，大多数情况下都使用P3口的第二功能。表2-1表示出了P3口的第二功能。位线引脚第二功能P3.010RXD（

10、串行输入口）P3.111TXD（串行输出口）12INT0（外部中断0）13INT1（外部中断1）P3.414T0（定时器0的计数输入）P3.515T1（定时器1的计数输入）16WR（外部数据存储器写脉冲）17RD（外部数据存储器读脉冲）P3.6 P3.7 表2-1 P3口的第二功能表2.3.2 三总线结构图2-3（b）MCS-51系列单片机功能引脚分类(总线结构图）地址锁存器CBI/OA15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0D7D6D5D4D3D2D1D0DBABP1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RESETP3.0P3.1P3.

11、3P3.4P3.5P3.6P3.7VSSVCC P0.0P0.1P0.2P0.3P0.5P0.6P0.7ALEP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0EAPSENP3.2P0.4返回本节 单片机的引脚除了电源、复位、时钟接入、用户I/O口外，其余引脚都是为了实现系统扩展而设置的。这些引脚构成了三总线形式。 （1）地址总线（AB）：地址总线宽度为16位，由P0口经地址锁存器提供低8位地址（A0-A7）；P2口直接提供高8位地（A8A15）。地址信号是由CPU发出的，故地址总线是单方向的。（2）数据总线（DB）：数据总线宽度为8位，用于传送数据和指令，由P0口提供。（3）控

12、制总线（CB）：控制总线随时掌握各种部件的状态，并根据需要向有关部件发出命令。 2.4 MCS-51系列单片机的主要组成部分2.4.1 CPU2.4.2 存储器2.4.3 并行I/O口 2.4.1 CPU作用：读入和分析每条指令，根据每条指令的功 能要求，控制各个部件执行相应的操作。组成：运算器和控制器。算术、逻辑运算部件ALU、累加器ACC、寄存器B、暂存器TMP1、TMP2、程序状态寄存器PSW、布尔处理器、十进制调整电路时钟发生器、定时控制逻辑、指令寄存器、指令译码器 、程序计数器PC、程序地址寄存器、数据指针寄存器DPTR、堆栈指针SP运算器控制器算术、逻辑运算部件ALU指令寄存器指令

13、译码器 ALU: 由加法器和其他逻辑电路等组成，用于对数据进行算术运算和逻辑操作的执行部件，能完成算术加、减、乘、除、逻辑“与”、“或”、“异或”等运算，循环移位操作，位操作等功能。指令寄存器：8位寄存器，用于暂时存放指令，等待译码。 指令译码器：当指令送入译码器后，进行译码，就是把指令转变成执行此指令所需要的电信号。根据译码器输出的信号，CPU的定时控制电路定时地产生执行该指令所需的各种控制信号，使计算机正确执行程序所需要的各种操作。2.4.2 存储器片内程序存储器（4KB）片外程序存储器（扩展64KB）片内数据存储器（256B）片外数据存储器（扩展64KB）51系列单片机在物理上有4个存储

14、空间：SFRRAM位寻址区工作寄存器0-3组外部RAMRAM0000FFFF00203080FF外部ROM内部ROMEA=1外部ROMEA=000000FFF1000FFFF程序存储器0000H0002H：是所有执行程序的入口地址，8051复位后，CPU总是从0000H单元开始执行程序。0003H：外部中断0入口。000BH：定时器0溢出中断入口。0013H：外部中断1入口。001BH：定时器1溢出中断入口。0023H：串行口中断入口。在程序存储器中有6个单元具有特殊功能：数据存储器8051片内有256单元的RAM，片外有64KB的RAM：访问片内RAM用“MOV”指令，访问片外RAM用“MO

15、VX”指令。对片外RAM常采用间接寻址方式，R0，R1和DPTR都可以作为间址寄存器。R0，R1是8位地址指针，寻址范围256个字节；DPTR是16位地址指针，寻址范围64KB。可寻址256个单元，片内低128字节（即00H7FH）的地址区域为片内RAM，对其访问可采用直接或间接寻址方式；高128字节（即80H0FFH）为专用寄存器区，只能用直接寻址方式。1、内部数据存储器低128单元2、内部数据存储器高128单元内部数据存储器低128单元工作寄存器区：001FH间安排了4组工作寄存器，每组占用8个RAM字节，记为R0R7。位寻址区：占用地址20H2FH，共16B，128位。用户RAM区：地址

16、为30H7FH，共80B。分为3个区域：内部数据存储器高128单元程序计数器PC：16位，CPU每读取指令的一个字节PC便可自动加1，指向本指令的下一个字节或下一条指令地址，程序顺序执行，可寻址64KB范围ROM。累加器A：8位，用于存放操作数或运算的中间结果。寄存器B：8位，主要用于乘法和除法的运算。乘法时，B中存放乘数，乘法操作后，乘积的高8位存于B中；除法时，B中存放除数，除法操作后，B中存放余数。（特殊功能寄存器区）演示状态字寄存器PSW：8位，存放程序运行的状态信息。堆栈指针SP：按照先进后出、后进先出的原则存取RAM区域。数据指针DPTR：16位，由高位字节DPH和低位字节DPL组

17、成，用于存放16位存储器的地址，对外部数据存储器RAM数据进行读写。ROM地址ROM单元75HHHHHHH207410F046260006H0005H0004H0003H0002H0001H0000H程序计数器PCH指令寄存器HCPU0000PSW：程序状态字寄存器。定义格式如右上边。其中，CY：进借位标志；AC：辅助进借位标志；F0：用户标志；RS1、RS2：工作寄存器组选择位（如表2-4）。OV：溢出标志位；P：奇偶标志位，有奇数个1、P置1，否则置0。D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0CY AC F0 RS1RS2 OV P 表2-4 RS1、RS2与工作寄存器组关系RS1

18、RS0选择工作寄存器组0 00组（00H07H）0 11组（08H0FH）1 02组（10H17H）1 13组（18H1FH）堆栈指针SP数据入数据出栈底SPSP SP-1（a ）向下生长型栈底SPSP SP+1数据出数据入（b）向上生长型SP:07H01H02H03H04H11H10H压栈00H0BH0AH09H08H07HSP:08H00H0BH0AH09H08H07H01H02H03H04H11H10H01H压栈SP:09H00H0BH0AH09H08H07H01H02H03H04H11H10H02H弹栈00H0BH0AH09H08H07HSP:08H01H02H03H04H11H10H

19、02H弹栈00H0BH0AH09H08H07H01H02H03H04H11H10HSP:07H01H2.4.3 并行I/O口 P0口的结构P1口的结构P2口的结构P3口的结构1P0口的结构 P0口有两个用途，第一是作为普通I/O口使用；第二作为地址/数据总线使用。当用作第二个用途时，在这个口上分时送出低8位地址和传送数据。图2-6 P0口线逻辑电路图VCC锁存器读锁存器地址/数据控制CD读引脚写入内部总线QQMUXVT2P0.XVT1CP211&2P1口的结构P1口只用作普通I/O口，所以它没有转换开关MUX。 VCC锁存器读锁存器D读引脚写入内部总线QQP1.X内部上拉电阻 CP图2-7 P

20、1口线逻辑电路图3P2口的结构P2口也有两种用途，一是作为普通I/O口，二是作为高8位地址线。 VCC锁存器读锁存器地址控制D读引脚 写入内部总线QMUXP2.X内部上拉电阻CP1图2-8 P2口线逻辑电路图4P3口的结构 P3口是一个多功能端口，其结构见图2-9。P3口除了有准双向I/O功能外，还具有第二功能。 VCC锁存器读锁存器第二输出功能D读引脚 写入内部总线QQP3.X内部上拉电阻第二输入功能CPW321图2-9 P3口线逻辑电路图2.5 时钟电路与CPU的时序2.5.1 振荡器和时钟电路2.5.2 CPU的时序及有关概念2.5.3 CPU的取指令和执行指令时序 2.5.4 访问外部

21、ROM的操作时序2.5.5 访问外部RAM的操作时序2.5.1 振荡器和时钟电路1、内部时钟方式：8051内部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（如图2-10）。2、外部时钟方式：就是把外部已有的时钟信号引入单片机内（如图2-11）。 时钟信号的产生由两种方式：进入进入继续XTAL2XTAL18051C1C2CYS1至内部时钟电路外部时信号源XTAL2XTAL18051VCCVSSTTL1图2-10 振荡电路图2-11 外部时钟脉冲源接法返回1、

22、拍（P）：振荡脉冲的周期，用P表示。是晶体的振荡周期，或是外部振荡脉冲的周期，是MCS-51单片机中最小的时序单位。2、状态或时钟周期（S）：振荡脉冲经二分频后得到的时钟信号，把时钟信号的周期称为状态，用S表示。一个状态包括两个拍P1和P2（前拍和后拍）。是最基本的时间单位。3、机器周期：CPU完成一个基本操作所需的时间称为机器周期。由6个状态（12拍）组成。4、指令周期：是执行一条指令所需要的时间。是MCS-51单片机最大的时序单位。一个指令周期通常含有14个机器周期。 2.5.2 CPU的时序及有关概念P1P2S1振荡周期时钟周期机器周期机器周期指令周期XTAL2(OSC)S2S3S4S5

23、S6S1S2S4S5S3S6P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P2P2P2P2P2P2P2P2P2P2P2图2-12 MCS-51单片机各种周期的相互关系 若MCS-51单片机外接晶振为12MHz时，则单片机的四个周期的具体值为：振荡周期1/12MHz（1/12）s =0.0833s时钟周期1/6s0.167s机器周期1s指令周期14s举例：2.5.3 CPU的取指令和执行指令时序再读下一个操作码再读下一个操作码XTAL2(OSC)P2S1ALE读操作码读下一个操作码（丢弃）读第二字节（a） 单字节，单周期指令 例：MOV A R1（d）单字节，双周期指令，如MOVXP1P2S1P1

24、P2S2P1P2S3P1P2S4P2S5P2S6P2S1P1P1P1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P2S6P2S1S2P1P1P1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S1读操作码P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1读下一个操作码（丢弃）（b） 双字节，单周期指令 例：ADD A #data（c）单字节，双周期指令 例：INC DPTR读操作码（MOVX）读下一个操作码（丢弃）无取指无ALE无取指地址数据（DATA）访问外部存储器P2S1读操作码P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P

25、1P2S6P1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S2P1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S2P1再读下一个操作码读下一个操作码图2-13 MCS-51单片机的取指令和执行指令时序 2.5.4 访问外部ROM的操作时序ALEP1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P2S5P2S6P2S1P1P1P1PSENP2A8A15A8A15P0振荡脉冲A0A7A0A7指令指令图2-14 外部ROM读时序2.5.5 访问

26、外部RAM的操作时序RD/WRALEP1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P2S5P2S6P2S1P1P1P1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P2S6P1丢失一个脉冲PSENP2A8A15A8A15A8A15P0A0A7A0A7A0A7读指令数据输入/输出图2-15 外部RAM读写时序返回本节2.6 单片机的复位状态与复位电路1、单片机的复位状态：单片机运行出错或进入死循环时，可按复位键重新运行。21个特殊功能寄存器复位后的状态为确定值，如表2-5所示。注意： 8051进入复位状态后，除SP为07H， P0P3为FFH外，其余均为0。返回本章专用寄存器初始状态专用寄存

27、器初始状态PC0000HTMOD00HACC00HTCON00HB00HTH000HPSW00HTL000HSP07HTH100HDPTR0000HTL100HP0P3FFHSBUF BIP0 0000BSCON00HIE00 0000BPCON0 0000B表2-5 单片机复位状态返回本节2、单片机的复位电路： （1）简单的复位电路：简单复位电路有上电复位和手动复位两种。不管是哪一种复位电路都要保证在RST引脚上提供10ms以上稳定的高电平。见图2-17。图2-17（a）是常用的上电复位电路。这种上电复位利用电容器充电来实现。当加电时，电容器C充电，电路有电流流过，构成回路，在电阻R上产生压

28、降，RST引脚为高电平；当电容C充满电后，电路相当于断开，RST的电位与地相同，复位结束。可见复位的时间与充电的时间有关，充电时间越长复位时间越长。增大电容或增大电阻都可以增加复位时间。 200K22F RST/VPD R1K（a）上电复位VCCVSSVCCC805122F RST/VPD R21K（b）按键电平复位VCCVSSVCCC8051R1RESET22F RST/VPD R11K（c）按键脉冲复位VCCVSSVCCC180511KR2RESET22F C2图2-17 各种复位电路返回 图2-17（b）是按键式复位电路。它的上电复位功能与（a）相同，但它还可以通过按键实现复位，按下键后

29、，通过R1和R2形成回路，使RST端产生高电平。按键的时间决定了复位时间。 （2）采用专用复位电路芯片构成复位电路： 为了保证复位电路可靠地工作，也可以采用专用的复位电路芯片。MAX813L是MAXIN公司生产的一种体积小、功耗低、性价比高的带看门狗和电源监控功能的复位芯片。 MAX813L引脚功能如下：MR:手动复位输入端，低电平有效。RESET：复位信号输出端。WDI：看门狗输入端。WDO：看门狗信号输出端。PFI：电源故障输入端。PFO：电源故障输出端。VCC：工作电源，接+5V。GND：接地端。图2-18 MAX813L引脚图RESETMAX813L18756324MRVCCGNDPFIPFOWDIWDOMR51K +5VRESETPFIVCCGNDKWDOP1.7RESET87C51WDIPFOMAX813L774HC08183422156图2-19 带手动复位的看门狗复位电路MAX813L与单片机的连接电路如图2-19所示