MCS-系列单片机芯片结构

第二章MCS—51系列单片机芯片结构

2.1MCS—51系列单片机的结构原理2.1.1MCS-51单片机逻辑结构MCS-51单片机的系统结构框图如图2.1所示。

图2.1MCS-51单片机的系统结构框图由图2.1可以看出，单片机内部主要包含下列几个部件：u

一个8位CPU；u

一个时钟电路；u

4Kbyte程序存储器；u

128byte数据存储器；u

两个16位定时/计数器；u

64Kbyte扩展总线控制电路；u

四个8-bit并行I/O端口；u

一个可编程串行接口；五个中断源，其中包括两个优先级嵌套中断

2.1.2MCS－51单片机内部结构MCS－51单片机芯片内部结构框图如图2.2所示。

图2.2MCS－51单片机芯片内部结构框图1.CPUCPU即中央处理器的简称，是单片机的核心部件，它完成各种运算和控制操作，CPU由运算器和控制器两部分电路组成。（1）运算器电路运算器电路包括ALU（算术逻辑单元）、ACC（累加器）、B寄存器、状态寄存器、暂存器1和暂存器2等部件，运算器的功能是进行算术运算和逻辑运算。

（2）控制器电路控制器电路包括程序计数器PC、PC加1寄存器、指令寄存器、指令译码器、数据指针DPTR、堆栈指针SP、缓冲器以及定时与控制电路等。控制电路完成指挥控制工作，协调单片机各部分正常工作。

2.定时器/计数器MCS－51单片机片内有两个16位的定时/计数器，即定时器0和定时器1。它们可以用于定时控制、延时以及对外部事件的计数和检测等。3.存储器MCS－51系列单片机的存储器包括数据存储器和程序存储器，其主要特点是程序存储器和数据存储器的寻址空间是相互独立的，物理结构也不相同。4.并行I/O口MCS－51单片机共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2和P3），每一条I/O线都能独立地用作输入或输出。P0口为三态双向口，能带8个TTL门电路，P1、P2和P3口为准双向口，负载能力为4个TTL门电路。

5.串行I/O口MCS－51单片机具有一个采用通用异步工作方式的全双工串行通信接口，可以同时发送和接收数据。6.中断控制系统8051共有5个中断源，即外中断2个，定时/计数中断2个，串行中断1个。7.时钟电路MCS－51芯片内部有时钟电路，但晶体振荡器和微调电容必须外接。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列，振荡器的频率范围为1.2MHz～12MHz，典型取值为6MHz。8.总线以上所有组成部分都是通过总线连接起来，从而构成一个完整的单片机。系统的地址信号、数据信号和控制信号都是通过总线传送的，总线结构减少了单片机的连线和引脚，提高了集成度和可靠性。

2.1.3引脚信号图2.3为MCS－51系列单片机引脚图及逻辑符号，它们为标准的40脚DIP封装。

图2.3MCS－51系列单片机引脚图及逻辑符号电源引脚Vcc和VssVcc：电源端，接＋5V。Vss：接地端。时钟电路引脚XTAL1和XTAL2XTAL1：接外部晶振和微调电容的一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输入，若使用外部TTL时钟时，该引脚必须接地。XTAL2：接外部晶振和微调电容的另一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输出，若使用外部TTL时钟时，该引脚为外部时钟的输入端。地址锁存允许ALE系统扩展时，ALE用于控制地址锁存器锁存P0口输出的低8位地址，从而实现数据与低位地址的复用。

外部程序存储器读选通信号是读外部程序存储器的选通信号，低电平有效。程序存储器地址允许输入端/VPP

当为高电平时，CPU执行片内程序存储器指令，但当PC中的值超过0FFFH时，将自动转向执行片外程序存储器指令。当为低电平时，CPU只执行片外程序存储器指令。复位信号RST该信号高电平有效，在输入端保持两个机器周期的高电平后，就可以完成复位操作。1.输入/输出口口引脚P0、P1、P2和P3P0口（P0.0～P0.7）：该端口为为漏极开路的的8位准双向向口，负载能能力位8高LSTTL负负载，它为8位地址线和和8位数据线线的复用端口口。P1口（P1.0～P1.7）：它是一一个内部带带上拉电阻阻的8位准准双向I/O口，P1口的驱动能能力为4个个LSTTL负载。。P2口（P2.0～P2.7）：它为一一个内部带带上拉电阻阻的8位准准双向I/O口，P2口的驱动能能力也为4个LSTTL负载载。在访问问外部程序序存储器时时，它作存存储器的高高8位地址址线。P3口（P3.0～P3.7）：P3口同样是内内部带上拉拉电阻的8位准双向向I/O口口，P3口除了作为为一般的I/O口使使用之外，，其还具有有特殊功能能。2.2MCS——51单片片机的存储储器MCS－51的存储器结结构如图2.4所示。在本本节中我们们将对单片片机的内部部数据存储储器、内部部程序存储储器和外部部存储器分分别作一介介绍。图2.4MCS－51的存储器结结构如2.2.1内部数数据存储器器1.内内部数据据存储器低低128单单元在低128字节存储单单元中，前前32个单元（00H～1FH）作为工作作寄存器使使用，这32个寄存器分分作4组，每组由由8个通用寄存存器（R0～R7）组成，组组号依次为为0、1、2和3。通过对程程序状态字字中RS1和RS0的设置，可可以决定选选用哪一组组工作寄存存器，通常常没有选中中的单元也也可作为一一般的数据据缓存使用用。系统上上电复位时时，默认选选中第0组寄存器。。在工作寄存存器后的16个数据单元元（20H～2FH），它们既既可以作为为一般的数数据单元使使用，由可可以按位对对每个单元元进行操作作，因此这这16个数据单元元又称作位位寻址区。。位寻址区区共计128位，其位地地址为00H～0FH。在内部RAM的低128个单单元中，剩剩余的80个数据单单元即30H～7FH为真正正的用户RAM区，，对于这些些区域，用用户只能以以存储单元元的形式来来使用，通通常在应用用中也把堆堆栈开辟在在这段区域域。2.内部数据存存储器高128单元元内部数据存存储器的高高128个单元是为为专用寄存存器提供的的，因此该该区也称作作特殊功能能寄存器区区（SFR），它们主主要用于存存放控制命命令、状态态或数据。。除去程序序计数器PC外，还有21个特殊功能能寄存器，，其地址空空间为80H～FFH。这21个寄存器中中有11个特殊功能能寄存器具具有位寻址址能力，它它们的字节节地址刚好好能被8整除。下面面将对部分分专用寄存存器作简要要介绍。累加器ACC累加器为8位寄存器器，是程序序中最常用用的专用寄寄存器，在在指令系统统中累加器器的助记符符为A。大大部分单操操作数指令令的操作取取自累加器器，很多双双操作数指指令的一个个操作数也也取自累加加器。加、、减乘和除除等算术运运算指令的的运算结果果都存放在在累加器A或AB寄寄存器中，，在变址寻寻址方式中中累加器被被作为变址址寄存器使使用。在MCS－51中由于于只有一个个累加器，，而单片机机中的大部分分数据操作作都是通过过累加器进进行的，故故累加器的的使用是十十分频繁的的。B寄存器B寄存器为为8位寄存存器，主要要用于乘除除指令中。。乘法指令令的两个操操作数分别别取自累加加器A和寄寄存器B，，其中B为为乘数，乘乘法结果的的高8位存存放于寄存存器B中。。除法指令令中，被除除数取自A，除数取取自B，除除法的结果果商数存放放于A，余余数存放于于B中。在在其它指令令中，B寄寄存器也可可作为一般般的数据单单元来使用用。程序状态字字PSW程序状态字字是一个8位寄存器，，它包含程程序的状态态信息。在在状态字中中，有些位位状态是根根据指令执执行结果，，由硬件自自动完成设设置的，而而有些状态态位则必须须通过软件件方法设定定。PSW中的每个状状态位都可可由软件读读出，PSW的各位定义义如表2.1。表2.1PSW的的各状态位位定义(1)CY：进位标标志位在执行某些些算术和逻逻辑指令时时，可以被被硬件或软软件置位或或清零。在在算术运算算中它可作作为进位标标志，在位位运算中，，它作累加加器使用，，在位传送送、位与和和位或等位位操作中，，都要使用用进位标志志位。(2)AC：辅助助进位标志志进行加法或或减法操作作时，当发发生低四位位向高四位位进位或借借位时，AC由硬件置位位，否则AC位被置“0”。在进行行十进制调调整指令时时，将借助助AC状态进行判判断。位序PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0位标志CYACF0RS1RS0OV/ P(3)用户户标志位该位为用户户定义的状状态标记，，用户根据据需要用软软件对其置置位或清零零，也可以以用软件测测试F0来来控制程序序的跳转。。(4)RS1和RS0：寄寄存器区选选择控制位位该两位通过过软件置““0”或““1”来选选择当前工工作寄存器器区。(5)OV：溢出标标志位当执行算术术指令时，，由硬件置置位或清零零来指示溢溢出状态。。在带符号号的加减运运算中，OV＝1表表示加减运运算结果超超出了累加加器A所能能表示的符符号数有效效范围（－－128～～＋127），即运运算结果是是错误的，，反之，OV＝0表表示运算正正确，即无无溢出产生生。无符号数乘乘法指令MUL的执执行结果也也会影响溢溢出标志，，若置于累累加器A和和寄存器B的两个数数的乘积超超过了255，则OV＝1，，反之OV＝0。由由于乘积的的高8位存存放于B中中，低8位位存放于A中，OV＝0则意意味着只要要从A中取取得乘积即即可，否则则要从BA寄存器对对中取得乘乘积结果。。在除除法法运运算算中中，，DIV指指令令也也会会影影响响溢溢出出标标志志，，当当除除数数为为0时时，，OV＝＝1，，否否则则OV＝＝0。。(6)P：：奇奇偶偶标标志志位位每个个指指令令周周期期由由硬硬件件来来置置位位或或清清零零用用以以表表示示累累加加器器A中中1的的个个数数的的奇奇偶偶性性，，若若累累加加器器中中1的的个个数数为为奇奇数数则则P＝＝1，，否否则则P＝＝0。。l数据据指指针针DPTR数据据指指针针DPTR为为一一个个16位位的的专专用用寄寄存存器器，，其其高高位位用用DPH表表示示，，其其低低位位用用DPL表表示示，，它它即即既既可可以以作作为为一一个个16位位的的寄寄存存器器来来使使用用，，也也可可作作为为两两个个8位位的的的的寄寄存存器器DPH和和DPL使使用用。。DPTR在在访访问问外外部部数数据据存存储储器器时时既既可可用用来来存存放放16位位地地址址，，也也可可作作地地址址指指针针使使用用。。如如MOVX@DPTR，，A。。lI/O端端口口P0～～P3P0～～P3为为四四个个8位位的的特特殊殊功功能能寄寄存存器器，，分分别别是是四四个个并并行行I/O端端口口的的锁锁存存器器，，当当I/O端端口口的的某某一一位位用用作作输输入入时时，，对对应应的的锁锁存存器器必必须须先先置置““1””。。l定时时器器/计计数数器器在MCS－51中，除除8032/8052外都只只有两两个16位定时时器/计数器器T0和T1，它们们由两两个相相互独独立的的8位寄存存器组组成TH和TL，共有有四个个独立立的寄寄存器器TH0、TL0、TH1和TL1，只可可对这这四个个寄存存器独独立寻寻址，，而不不能作作为一一个16位寄存存器来来寻址址。l串行数数据缓缓冲寄寄存器器串行数数据缓缓冲器器SBUF用于于存放放将要要发送送或已已接收收的数数据，，它由由发送送缓冲冲器和和接收收缓冲冲器组组成，，将要要发送送的数数据被被送入入SBUF时进进入发发送缓缓冲器器，反反之进进入接接收缓缓冲器器。2.2.2外外部部数据据存储储器在MCS－51中，其其片外外数据据存储储器和和I/O口与片片内数数据存存储器器空间间0000FH～FFFFH是重叠叠的。。在8051单片机机中采采用MOV和MOVX两种指指令来来区分分片内内外RAM空间，，其中中片内内RAM使用MOV指令，，片外外RAM和I/O口使用用MOVX指令。。2.2.3程程序序存储储器在MCS－51系列中中，程程序存存储器器被用用来存存放程程序、、常数数或表表格等等。在在8051中，其其片内内有4K字节的的ROM存储单单元，，地址址为0000H～0FFFH。8751有4K字节的的EPROM，而8052和8752则有8K字节的的片内内存储储器。。8031和8032无片内内程序序存储储器，，所以以片内内程序序存储储器的的有无无是区区分芯芯片的的主要要标志志。在程序序存储储器中中，以以下6个单元元具有有特殊殊含义义：0000H：单片片机复复位后后，PC＝0000H，程序序从0000H开始执执行指指令。。0003H：外外部中中断0入口口地址址。000BH：定定时器器0中中断入入口地地址。。0013H：外外部中中断1入口口地址址。001BH：定定时器器1中中断入入口地地址。。0023H：串串行口口中断断入口口地址址。在系统统中断断相应应之后后，将将自动动转各各中断断入口口地址址处执执行程程序，，而中中断服服务程程序一一般无无法存存放于于几个个单元元之内内，因因此在在中断断入口口地址址处往往往存存放一一条无无条件件转移移指令令进行行跳转转，以以便执执行中中断服服务程程序。。2.3MCS－－51单片片机输输入/输出出（I/O）口口2.3.1P0口口图2.6给出了P0口的逻辑辑结构，，它由一一个锁存存器、两两个三态态输入缓缓冲器、、一个多多路复用用开关以以及控制制电路和和驱动电电路等组组成。图2.6P0口的逻辑辑结构P0口可以作作为输入入输出口口，在实实际应用用中它通通常作为为地址/数据复用用总线。。在访问问外部存存储器时时，P0口为真正正的双向向口。2.3.2P1口口P1口是是一个准准双向口口，通常常作为I/O口口使用，，其位结结构图如如图2.7。由由于在其其输出端端接有上上拉电阻阻，故可可以直接接输出而而无需外外接上拉拉电阻。。图2.7位位结结构图2.3.3P2口口P2口位结构构图如图图2.8。P2通用为一一个准双双向口，，其位结结构与P0口相似。。对于8031单片机来来说，P2口通常用用作地址址信号输输出。图2.8P2口位结构构图2.3.4P3口口P3口的位结结构图如如图2.9。P3口为双功功能口，，当P3口作为通通用I/O口使用时时，它为为准双向向口，且且每位都都可定义义为输入入或输出出口，其其工作原原理同P1口类似。。图2.9P3口的位结结构图P3口还还具有第第二功能能，其引引脚描述述如表2-5。。表2-5P3口特殊殊功能口线特殊功能信号名称P3.0RXD串行输入口P3.1TXD串行输出口P3.2外部中断0输入口P3.3外部中断1输入口P3.4T0定时器0外部输入口P3.5T1定时器1外部输入口P3.6WR写选通输出口P3.7RD读选通输出口2.4单单片片机的工工作方式式2.4.1复复位及及复位电电路在MCS－51中，最常常见的复复位电路路为图2.10所示的上上电复位位电路，，它能有有效的实实现上电电复位和和手动复复位。RST引脚是复复位信号号输入端端，复位位信号为为高电平平有效，，其有效效时间应应持续24个振荡周周期以上上才能完完成复位位操作，，若使用用6MHz晶振，则则需持续续4μS以上才能能完成复复位操作作。图2.10中，在通通电瞬间间，由于于RC的充电过过程，在在RST端端出现一一定宽度度的正脉脉冲，只只要该正正脉冲保保持10ms以以上，就就能使单单片机自自动复位位，在6MHz时钟时时，通常常CR取取22μμF，R1取200ΩΩ，R2取1KΩ，这这时能可可靠的上上电复位位和手动动复位。。CPU在第二个个机器周周期内执执行内部部复位操操作，以以后每个个机器周周期重复复一次，，直至RST端电平变变低。在在单片机机复位期期间，AlE和信信号都不不产生。。复位操操作将对对部分专专用寄存存器产生生影响。图2.10上电复位位电路2.4.2时时钟电电路和时时序1.时时钟电电路根据硬件件电路的的不同，，单片机机的时钟钟连接方方式可分分为内部部时钟方方式和外外部时钟钟方式，，如图2.11所示。（a）内部方方式时钟钟电路（b）外接时时钟电路路图2.11时钟电路路2.指指令时时序（1）振振荡周期期振荡周期期指为单单片机提提供定时时信号的的振荡源源的周期期或外部部输入时时钟的周周期。（2）时时钟周期期时钟周期期又称作作状态周周期或状状态时间间S，它它是振荡荡周期的的两倍，，它分为为P1节节拍和P2节拍拍，通常常在P1节拍完完成算术术逻辑操操作，在在P2节节拍完成成内部寄寄存器之之间的传传送操作作。（3）机机器周期期一个机器器周期由由6个状状态组成成，如果果把一条条指令的的执行过过程分作作几个基基本操作作，则将将完成一一个基本本操作所所需的时时间称作作机器周周期。单单片机的的单周期期指令执执行时间间就为一一个机器器周期。。（4）指指令周期期指令周期期即执行行一条指指令所占占用的全全部时间间，通常常为1～～4个机机器周期期。在图2.12中给出了了MCS－51单片机的的典型取取指、执执行时序序。图2.12MCS－51单片片机机取取指指、、执执行行时时序序2.4.3单单片片机机的的低低功功耗耗方方式式对于于MCS－－51系系列列机机型型来来说说，，它它们们有有待待机机方方式式和和掉掉电电保保护护方方式式两两种种低低功功耗耗方方式式。。通通