MCS-51单片机原理及应用

MCS-51单片机原理及应用陈付龙安徽师范大学数学计算机科学学院引子单片机：是在一片硅片上集成了CPU、存储器〔ROM，RAM，EPROM〕和各种I/O接口〔定时器，计数器，并行I/O口，串行I/O口，A/D转换器，脉冲调制器PWM等〕，具有一台计算机功能的设备，又称单板机、单片微型计算机、微控制器〔Micro-Controller〕、嵌入式控制器〔Embedded-Controller〕。主要用在智能仪器仪表、机电设备过程控制、自动检测、家电和数据采集处理等方面。1、什么是单片机：单片机全称单片微型计算机。它是在同一块芯片上集成了一台微型计算机所需的CPU、存储器(ROM、RAM)、输入/输出部件和时钟等控制部件.不求规模大,力争小而全。2、单片机的特点单片机：把微处理器和少量RAM〔128/256字节〕、ROM〔4-8K〕以及I/O等有关电路集成在一片半导体芯片。3、如何学习单片机硬件：掌握单片机的硬件资源及外部扩展电路的方法，合理分配资源。软件：掌握单片机的指令〔语句〕功能、程序设计和调式方法，仿真软件的使用。具体方法：1、从最根本的典型电路--进行编程控制。2、对例题、子程序进行软件分析仿真-修改、扩充功能*在进行硬件资源分配时，应特别关注具有特殊功能的I/O。主要内容1.单片机的历史和开展状况2.单片机的特点及应用领域3.主流系列单片机的简介4.MCS-51单片机的结构与原理5.单片机应用系统1.单片机的历史及开展状况单片机出现的历史并不长,但开展十分迅猛。它的产生与开展和微处理器的产生与开展大体同步,自1971年美国Intel公司首先推出4位微处理器以来,1974年美国仙童〔Fairchild〕公司生产出第一块单片机〔F8〕开始，它的开展到目前为止大致可分为5个阶段:单片机的历史第1阶段〔1971～1976〕:单片机开展的初级阶段1971年11月Intel公司首先设计出集成度为2000只晶体管/片的4位微处理器Intel4004,并配有RAM、ROM和移位存放器,构成了第一台MCS—4微处理器,而后又推出了8位微处理器Intel8008,以及其它各公司相继推出的8位微处理器。第2阶段〔1976～1978〕:低性能单片机阶段以1976年Intel公司推出的MCS—48系列为代表,采用将8位CPU、8位并行I/O接口、8位定时/计数器、RAM和ROM等集成于一块半导体芯片上的单片结构,虽然其寻址范围有限〔不大于4KB〕,也没有串行I/O,RAM、ROM容量小,中断系统也较简单,但功能可满足一般工业控制和智能化仪器、仪表等的需要。第3阶段〔1978～1983〕:高性能单片机阶段这一阶段推出的高性能8位单片机普遍带有串行口,有多级中断处理系统,多个16位定时器/计数器。片内RAM、ROM的容量加大,且寻址范围可达64KB,个别片内还带有A/D转换接口。典型的代表为Intel公司的MCS-51系列。第4阶段〔1983～80年代末〕:16位单片机阶段1983年Intel公司又推出了高性能的16位单片机MCS—96系列,由于其采用了最新的制造工艺,使芯片集成度高达12万只晶体管/片。第5阶段〔90年代～现在〕:32位单片机阶段单片机在集成度、功能、速度、可靠性、应用领域等全方位向更高水平开展。单片机的开展方向CPU的改进采用双CPU结构，提高处理能力；增加数据总线宽度，提高数据传输速度；采用流水线结构，提高指令执行速度；采用串行总线结构，减少单片机引脚，降低本钱。存储器的开展加大存储器容量；片内EPROM〔ElectricallyProgrammableRead-OnlyMemory，电可编程只读存储器〕开始EEPROM〔电可擦除可编程只读存储器〕化；程序保密化。片内I/O的改进增加并行I/O口的驱动能力；增加I/O的逻辑控制功能；提供特殊串行接口，适用专用场合。4.外围电路集成化〔把外围功能部件集成到片内〕5.低功耗化2.单片机的特点及应用领域单片机的特点小巧灵活，本钱低，易于产品化；可靠性好，应用范围广泛；易扩展，构成各种规模的应用系统，控制功能强；具有通讯功能。单片机的应用由于单片机具有体积小、重量轻、价格廉价、功耗低,控制功能强及运算速度快等特点,因而在国民经济建设、军事及家用电器等各个领域均得到了广泛的应用。按照单片机的特点,其应用可分为单机应用与多机应用。图2-1单片机应用单机应用在一个应用系统中,只使用1片单片机称为单机应用,这是目前应用最多的一种方式。单片机应用的主要领域有:(1)测控系统。用单片机可以构成各种不太复杂的工业控制系统、自适应控制系统、数据采集系统等,到达测量与控制的目的。(2)智能仪表。用单片机改造原有的测量、控制仪表,促进仪表向数字化、智能化、多功能化、综合化、柔性化方向开展。(3)机电一体化产品。单片机与传统的机械产品相结合,使传统机械产品结构简化,控制智能化。(4)智能接口。在计算机控制系统,特别是在较大型的工业测、控系统中,用单片机进行接口的控制与管理,加之单片机与主机的并行工作,大大提高了系统的运行速度。(5)智能民用产品。如在家用电器、玩具、游戏机、声像设备、电子秤、收银机、办公设备、厨房设备等许多产品中,单片机控制器的引入,不仅使产品的功能大大增强,性能得到提高,而且获得了良好的使用效果。多机应用单片机的多机应用系统可分为功能集散系统、并行多机处理及局部网络系统。(1)功能集散系统。多功能集散系统是为了满足工程系统多种外围功能的要求而设置的多机系统。(2)并行多机控制系统。并行多机控制系统主要解决工程应用系统的快速性问题,以便构成大型实时工程应用系统。

(3)局部网络系统。3.主流单片机系列简介目前世界上单片机生产厂商很多,如:Intel、Motorola、Philips、Siemens、NEC、ADM、Zilog等公司,其主流产品有几十个系列,几百个品种。尽管其各具特色,名称各异,但作为集CPU、RAM、ROM〔或EPROM〕、I/O接口、定时器/计数器、中断系统为一体的单片机,其原理大同小异。现以Intel公司的系列产品为例,说明各系列之间的区别。Intel公司从其生产单片机开始,开展到现在,大体上可分为3大系列:MCS—48系列、MCS—51系列、MCS—96系列。该3大系列的性能简介见表3-1。表3-1Intel单片机系列性能简介22Intel8051单片机于1980年由Intel〔英特尔〕公司首先研制出来并应用于嵌入式系统中。AT89S51型单片机〔8051兼容型单片机〕，呈现出集成电路特有的外观，两侧有整齐排列的金属管脚，尺寸为52mm〔长〕×15mm〔宽〕。Intel8051单片机图3-2AT89S51单片机PIC单片机23PIC单片机的低功耗、广泛用途使其成为产品设计和爱好者首选的控制器，PIC单片机家族的单片机在汽车电子、以太网、家电、机电一体化、USB、仪器仪表等产品中有着非常广泛的应用。图3-2PIC单片机AVR单片机24AVR是单片机设计及体系结构中的新生儿，它由Atmel公司于1996研制出来。目前AVR有UC3、XMEGA、megaAVR、tinyAVR等几大系列过百种型号的单片机可供设计时选择。图3-3AVR单片机其他单片机25ARM系列单片机STMicroelectronics公司的ST系列单片机Freescale公司的单片机系列TexasInstruments公司的单片机系列“中国的半导体行业与世界先进水平的差距目前依然很大，我国半导体公司与世界著名公司不在一个数量级上。〞------Intel视觉计算事业部首席高级华人工程师江宏

4.MCS-51单片机结构与原理4.1MCS—51系列单片机根本结构4.2中央处理器CPU4.3MCS—51单片机存储器及存储空间4.4并行输入/输出接口4.5CPU时序和复位状态4.1MCS—51系列单片机根本结构4.1.1MCS—51单片机系列MCS—51系列单片机虽已有10多种产品,但可分为两大系列:MCS—51子系列与MCS—52子系列。MCS—51子系列中主要有8031、8051、8751三种类型。而MCS—52子系列也有3种类型8032、8052、8752。各子系列配置见表4-1所示。表4-1MCS—51系列单片机配置一览表

表4-1中列出了MCS—51系列单片机的两个子系列,在4个性能上略有差异。由此可见,在本子系列内各类芯片的主要区别在于片内有无ROM或EPROM;MCS—51与MCS—52子系列间所不同的是片内程序存储器ROM从4KB增至8KB;片内数据存储器由128个字节增至256个字节;定时器/计数器增加了一个;中断源增加了1～2个。另外,对于制造工艺为CHMOS的单片机,由于采用CMOS技术制造,因此具有低功耗的特点,如8051功耗约为630mW,而80C51的功耗只有120mW。4.1.2MCS—51系列单片机内部结构及功能部件图4-18051内部结构详细内部结构图4-28051详细内部结构MCS—51系列单片机是由8大局部组成的。以下图为按功能划分的MCS—51系列单片机内部结构简化框图。〔a〕 〔b〕图4-38051内部结构简化框图这8大局部是:一个8位中央处理机CPU。128个字节〔MCS—52子系列为256字节〕的片内数据存储器RAM。4KB〔MCS—52子系列为8KB〕的片内程序只读存储器ROM或EPROM〔8031和8032无〕。18个〔MCS—52子系列为21个〕特殊功能存放器SFR。4个8位并行输入输出I/O接口:P0口、P1口、P2口、P3口〔共32线〕,用于并行输入或输出数据。1个全双工的串行I/O接口。2个〔MCS—52子系列为3个〕16位定时器/计数器。1个具有5个〔MCS—52子系列为6个或7个〕中断源,可编程为2个优先级的中断系统。它可以接收外部中断申请,定时器/计数器中断申请和串行口中断申请。4.1.3单片机外部引脚说明MCS—51系列单片机芯片均为40个引脚,HMOS工艺制造的芯片采用双列直插〔DIP〕方式封装,其引脚示意及功能分类如图2―3所示。CMOS工艺制造的低功耗芯片也有采用方型封装的,但为44个引脚,其中4个引脚是不使用的。图4-48051外部引脚图4-5MCS—51系列单片机引脚及总线结构

(a)管脚图；(b)引脚功能分类〔1〕主电源引脚Vcc和VssVCC〔40脚〕:接+5V电源正端;VSS〔20脚〕:接+5V电源地端。〔2〕外接晶体引脚XTAL1和XTAL2XTAL1〔19脚〕:接外部石英晶体的一端。在单片机内部,它是一个反相放大器的输入端,这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部时钟时,对于HMOS单片机,该引脚接地;对于CHMOS单片机,该引脚作为外部振荡信号的输入端。XTAL2〔18脚〕:接外部晶体的另一端。在单片机内部,接至片内振荡器的反相放大器的输出端。当采用外部时钟时,对于HMOS单片机,该引脚作为外部振荡信号的输入端;对于CHMOS芯片,该引脚悬空不接。〔3〕控制信号或与其它电源复用引脚控制信号或与其它电源复用引脚有RST/VPD、、和等4种形式。1〕RST/VPD〔9脚〕:RST即为RESET,VPD为备用电源,所以该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。2〕(30脚):当访问外部存储器时,ALE〔允许地址锁存信号〕以每机器周期两次的信号输出,用于锁存出现在P0口的低8位地址。3〕〔29脚〕:片外程序存储器读选通信号输出端,低电平有效。4〕〔31脚〕:为访问外部程序存储器控制信号,由外部输入该信号，低电平有效，只选用片外程序存储器，而片内的程序存储器没有作用，对8031来说，由于它没有片内程序存储器，故该引脚接地。该引脚接高电平时，选用片内的ROM。为了保证片内/片外程序存储器的选择确实定性，该引脚一般不悬空，而接+5V或接地。〔4〕输入/输出〔I/O〕引脚P0口、P1口、P2口及P3口1〕P0口〔39脚～32脚〕:P0.0～P0.7统称为P0口。是一个漏极开路的8位准双向I/O口，在访问外部存储器或进行I/O口扩展时，分时作为低8位地址总线或双向数据总线。2〕P1口〔1脚～8脚〕:P1.0～P1.7统称为P1口,可作为准双向I/O接口使用。3〕P2口〔21脚～28脚〕:P2.0～P2.7统称为P2口,一般可作为准双向I/O接口。在访问包部存储器时，作为高8位的地址总线。4〕P3口〔10脚～17脚〕:P3.0～P3.7统称为P3口。除作为普通8位准双向I/O口外，还具有第2功能。表4-2P3口第2功能表4.2中央处理器CPU中央处理器是单片机内部的核心部件,它决定了单片机的主要功能特性。其作用是读入和分析每条指令，根据指令要求，控制单片机各个部件具体地执行指令操作，完成特定功能。它由运算部件和控制部件两大局部组成。4.2.1运算部件运算部件是以算术逻辑单元ALU为核心,加上累加器A、存放器B、暂存器TMP1和TMP2、程序状态存放器PSW及专门用于位操作的布尔处理机组成的,它能实现数据的算术/逻辑运算,位变量处理和数据传送操作。〔1〕算术逻辑单元ALU与累加器ACC、存放器B算术逻辑单元ALU不仅能完成8位二进制数的加〔带进位加〕、减〔带借位减〕、乘、除、加1、减1及BCD加法的十进制调整等算术运算，还能对8位变量进行逻辑“与〞、“或〞、“异或〞、求补、清零等逻辑运算,并具有数据传送,程序转移等功能。累加器ACC简称累加器A,为一个8位存放器,它是CPU中使用最频繁的存放器。进入ALU作算术和逻辑运算的操作数多来自于A,运算结果也常送回A保存。存放器B是为ALU进行乘除法设置的。图4-6ALU/ACC/B〔2〕程序状态字程序状态字存放器PSW〔8位〕是一个标志存放器,它保存指令执行结果的特征信息,以供程序查询和判别。其程序状态字格式及含义如下:图4-7PSWCY〔PSW.7〕——进位标志位。AC〔PSW.6〕——辅助进位〔或称半进位〕标志。FO〔PSW.5〕——由用户定义的标志位。RS1〔PSW.4〕、RS0〔PSW.3〕——工作存放器组选择位。OV〔PSW.2〕——溢出标志位。由硬件置位或清零。PSW.1——未定义位。P〔PSW.0〕——奇偶标志位。CYACF0RS1RS0OV—PPSW.7PSW.04.3.2控制部件及振荡器控制部件是单片机的神经中枢,它包括定时和控制电路、指令存放器、指令译码器、数据指针DPTR、程序计数器PC、堆栈指针SP、地址存放器和地址缓冲器等部件。

图4-8控制部件及振荡器图4-9HMOS型MCS—51单片机时钟产生方式〔a〕内部振荡器方式;〔b〕外部振荡器方式〔1〕单片机的定时控制功能是由片内的时钟电路和定时电路来完成的,而片内的时钟产生有两种方式:一种是内部时钟方式;一种是外部时钟方式,如图〔a〕、〔b〕所示。采用内部时钟方式时,如图4-9〔a〕所示。片内的高增益反相放大器通过XTAL1、XTAL2外接作为反响元件的片外晶体振荡器〔呈感性〕与电容组成的并联谐振回路构成一个自激振荡器,向内部时钟电路提供振荡时钟。振荡器的频率主要取决于晶体的振荡频率,一般晶体可在1.2～12MHz之间任选,电容C1、C2可在5～30pF之间选择,电容的大小对振荡频率有微小的影响,可起频率微调作用。〔2〕指令译码器：完成将指令转换成上下电平的工作，由CPU根据上下电平信号，控制各功能部件，完成相应操作。〔3〕数据指针DPTR：用于对64KB的外部数据存储器寻址，共16位，高8位为DPH，地址为83H，低8位为DPL，地址为82H。〔4〕程序计数器PC：存放下一条要执行的指令的地址，每当一条指令被取出执行时，PC都自动加1，指向下一条指令。〔5〕堆栈指针SP：堆栈是用户在自己的片内128B的RAM中开辟的一块特定的存储区，SP指向堆栈的栈顶地址，开机复位后，SP=07H。

4.3MCS—51单片机存储器及存储空间4.3.1MCS—51单片机存储器分类及配置MCS—51单片机存储器的分类从物理结构上可分为:片内、片外程序存储器〔8031和8032没有片内程序存储器〕与片内、片外数据存储器4个局部;从寻址空间分布可分为:程序存储器、内部数据存储器和外部数据存储器3大局部;从功能上可分为:程序存储器、内部数据存储器、特殊功能存放器、位地址空间和外部数据存储器5大局部。MCS—51系列单片机存储器的配置除表2所示的片内ROM〔或EPROM〕和RAM外,另外还有128个字节的RAM区作为特殊功能存放器〔SFR〕区。片内、片外程序存储器和数据存储器各自总容量为64KB。程序存储器〔ROM4KB)存储器特殊功能存放器SFR(片内)数据存储器 〔RAM256B)工作存放器和堆栈128B程序存储器〔ROM64KB)存储器(需扩展)(片外)数据存储器〔RAM64KB)图4-10MCS—51单片机存储器空间结构图〔a〕程序存储器;〔b〕内部数据存储器;〔c〕外部数据存储器MCS—51系列单片机存储器系统空间结构如下图。4.3.2程序存储器专用访问指令：MOVC〔1〕程序存储器的编址计算机的工作是按照事先编制好的程序命令一条条循序执行的,程序存储器就是用来存放这些已编好的程序和表格常数,它由只读存储器ROM或EPROM组成。单片机通过PC来访问程序存储器，寻址范围：0000H~FFFFH。常见的8051和8751片内只有4KB的ROM，能满足一般需要，此时可将EA接+5V。当有外接ROM时，ROM的寻址规律为先片内后片外，片内外连续。即假设EA接+5V，那么程序自动从片内ROM开始，当PC中内容超过内部ROM的范围时，自动跳到外部ROM接着运行。对于8031和8032，片内无ROM，那么EA接地，程序从片外ROM运行。对于8051和8751，EA接地，程序从片外ROM中低4KB开始运行。内、外程序存储器〔ROM〕的使用示意图

0FFFH0000H0FFFH0000HFFFFH1000HEA=1时，ROM的使用EA=0时ROM的使用片外程序存储器〔最大64K〕单片机内部程序存储器〔4K〕ROM图4-1ROM表4-3MCS—51单片机复位、中断入口地址〔2〕程序运行的入口地址实际应用时,程序存储器的容量由用户根据需要扩展，而程序地址空间原那么上也可由用户任意安排。但程序最初运行的入口地址，MCS—51单片机是固定的,用户不能更改。程序存储器中有复位和中断源共7个固定的入口地址见表4-3。单片机复位后程序计数器PC的内容为0000H,故必须从0000H单元开始取指令来执行程序。0000H单元是系统的起始地址,一般在该单元存放一条无条件转移指令,用户设计的程序是从转移后的地址开始存放执行的。这几个入口地址相隔很近，不能容纳稍长的程序段，一般在其中存放一条跳转指令，跳转到用户程序中相应位置。4.3.3内部数据存储器专用访问指令：MOV〔1〕内部数据存储器的编址MCS—51系列单片机的内部数据存储器由读写存储器RAM组成,用于存储数据。它由RAM块和特殊功能存放器〔SFR〕块组成。〔2〕内部数据存储器RAM块内部数据存储器RAM块共分为工作存放器区、位寻址区和数据缓冲区3个局部。1〕工作存放器区内部RAM块的00H～1FH区,共分4个组,每组有8个工作存放器R0～R7,共32个内部RAM单元。存放器和RAM地址的对应关系如表4-4所示。表4-4工作存放器和RAM地址对照表工作存放器共有4组,但程序每次只用1组,其它各组不工作。哪1组存放器工作由程序状态字PSW中的PSW.3〔RS0〕和PSW.4〔RS1〕两位来选择,其对应关系如表5所示。CPU通过软件修改PSW中RS0和RS1两位的状态,就可任选一个工作存放器工作,这个特点使MCS—51单片机具有快速现场保护功能,对于提高程序的效率和响应中断的速度是很有利的。假设程序中并不要4个工作存放器组,那么剩下的工作存放器组所对应的单元也可以作为一般的数据缓冲区使用。表4-5工作存放器组的选择表2〕位寻址区20H～2FH单元为位寻址区,这16个单元〔共计128位〕的每1位都有一个8位表示的位地址,位地址范围为00H～7FH,如表6所示。位寻址区的每1位都可当作软件触发器,由程序直接进行位处理。通常可以把各种程序状态标志,位控制变量存于位寻址区内。同样,位寻址的RAM单元也可以按字节操作作为一般的数据缓冲

表6内部RAM中位地址表3〕数据缓冲区30H～7FH是数据缓冲区,也即用户RAM区,共80个单元。MCS—52子系列片内RAM有256个单元,前两个的单元数与地址都和MCS—51子系列一致。用户RAM区从30H～FFH,共208个单元。4〕堆栈与堆栈指针在程序实际运行中,往往需要一个后进先出的RAM区,在子程序调用、中断效劳处理等场合用以保护CPU的现场,这种后进先出的缓冲区称为堆栈。MCS—51单片机堆栈区不是固定的,原那么上可设在内部RAM的任意区域内,但为了避开工作存放器区和位寻址区,一般设在30H以后的范围内,栈顶的位置由专门设置的堆栈指针存放器SP〔8位〕指出。MCS—51单片机的堆栈属向上生长型,如图4-12所示。图4-12MCS—51单片机堆栈〔3〕特殊功能存放器SFR块特殊功能存放器SFR,又称为专用存放器。它专用于控制、管理单片机内算术逻辑部件、并行I/O口锁存器、串行口数据缓冲器、定时器/计数器、中断系统等功能模块的工作,SFR的地址空间为80H～FFH。表4-6特殊功能存放器名称、标识符、地址一览表〔4〕位寻址空间在MCS—51单片机的内部数据存放器RAM块和特殊功能存放器SFR块中,有一局部地址空间可以按位寻址,按位寻址的地址空间又称之为位寻址空间。位寻址空间一局部在内部RAM的20H～2FH的16个字节内,共128位;另一局部在SFR的80H～FFH空间内,凡字节地址能被8整除的专用存放器都有位地址,共93位。因此,MCS—51系列单片机共有221个可寻址位,其位地址见表4-6所示。4.3.4外部数据存储器外部数据存储器一般由静态RAM芯片组成。扩展存储器容量的大小,由用户根据需要而定,但MCS—51单片机访问外部数据存储器可用1个特殊功能存放器——数据指针存放器DPTR进行寻址。由于DPTR为16位,可寻址的范围可达64KB,所以扩展外部数据存储器的最大容量是64KB。专用访问指令：MOVX4.4并行输入/输出接口4.4.1P0口〔1〕P0口结构P0口是一个三态双向口,可作为地址/数据分时复用口,也可作为通用I/O接口。其1位的结构原理如下图。P0口由8个这样的电路组成:锁存器起输出锁存作用,8个锁存器构成了特殊功能存放器P0;场效应管〔FET〕V1、V2组成输出驱动器,以增大带负载能力;三态门1是引脚输入缓冲器;三态门2是用于读锁存器端口;与门3、倒相器4及模拟转换开关构成输出控制电路。图4-13P0口1位结构原理图〔2〕地址/数据分时复用功能当P0口作为地址/数据分时复用总线时,可分为两种情况：一种是从P0口输出地址或数据,另一种是从P0口输入数据。在访问片外存储器需从P0输出地址或数据信号时,控制信号应为高电平1,使转换开关MUX把反向器4的输出端与V1接通,同时把与门3翻开。〔3〕通用I/O接口功能当P0口作为通用I/O接口使用,在CPU向端口输出数据时,对应的控制信号为0,转换开关把输出级与锁存器端接通,同时因与门3输出为0使V2截止,此时,输出级是漏极开路电路。当P0口作为通用I/O接口时,要注意两点:第一,在输出数据时,由于V2截止,输出级是漏极开路电路,要使“1〞信号正常输出,必须外接上拉电阻。第二,P0口作为通用I/O使用时是一准双向口。〔4〕端口操作MCS—51单片机有不少指令可直接进行端口操作,例如:ANLP0,A;〔P0〕←〔P0〕∧〔A〕ORLP0,＃data;〔P0〕←〔P0〕∨dataDELP0;〔P0〕←〔P0〕－14.4.2P1口P1口为准双向口,其1位的内部结构如下图。它在结构上与P0口的区别在于输出驱动局部,其输出驱动局部由场效应管V1与内部上拉电阻组成。当其某位输出高电平时,可以提供拉电流负载,不必象P0口那样需要外接电阻。从功能上来看P1只有一种功能〔对MCS—51子系列〕,即通用输入输出I/O接口,具有输入、输出、端口操作3种工作方式,每1位口线能独立地用作输入或输出线。图4-14P1口的结构原理图4.4.3P2口P2口也是一准双向口,其1位的内部结构如下图。它具有通用I/O接口或高8位地址总线输出两种功能,所以其输出驱动结构比P1口输出驱动结构多了一个输出模拟转换开关MUX和反相器3。当作为准双向通用I/O接口使用时,控制信号使转换开关接向左侧,锁存器Q端经反相器3接V1,其工作原理与P1相同,也具有输入、输出、端口操作三种工作方式,负载能力也与P1口相同。图4-15P2口的结构原理图4.4.4P3口P3口的1位结构如图2―10所示。它的输出驱动由与非门3、V1组成,比P0、P1、P2口结构多了一个缓冲器4。P3口除了可作为通用准双向I/O接口外,每1根线还具有第2功能。当P3口作为通用I/O接口时,第2功能输出线为高电平,使与非门3的输出取决于口锁存器的状态。在这种情况下,P3口仍是1个准双向口,它的工作方式、负载能力均与P1、P2口相同。当P3口作为第2功能〔各引脚功能见表3〕使用时,其锁存器Q端必须为高电平,否那么V1管导通,引脚被箝位在低电平,无法输入或输出第2功能信号。当Q端为高电平时,P3口的口线状态就取决于第2功能输出线的状态。图4-16P3口的结构原理图4.5CPU时序和复位状态计算机在执行指令时,通常将一条指令分解为假设干根本的微操作,这些微操作所对应的脉冲信号在时间上的先后次序称为计算机的时序。为便于理解时序,先介绍几个常用名词。振荡周期:为单片机提供定时信号的振荡源的周期〔晶振周期或外加振荡源周期〕。状态周期:2个振荡周期为1个状态周期,用S表示。机器周期:1个机器周期含6个状态周期,用S1、S2、…、S6表示,共有12个节拍。例如:外接晶振为12MHz时,MCS—51单片机的4个时间周期的具体值为:振荡周期=1/12μs;状态周期=1/6μs;机器周期=1μs;指令周期=1～4μs。图4-17MCS—51单片机CPU取指/执行时序单周期指令的执行从S1P2开始,在S1P2期间读入操作码并把它锁存到指令存放器中。双字节指令,那么在同一机器周期的S4期间读出第2个字节。对于单字节指令在S4处仍有一次读操作,但这时读出的字节〔下一条指令的操作码〕是不予考虑的,而且程序计数器PC也不加1。对于单周期指令,在上述任何情况下,指令都在S6P2期间完成操作。图中的〔a〕和〔b〕分别表示单字节单周期和双字节单周期指令的执行时序。图〔c〕表示单字节双周期指令的时序,单字节双周期指令在两个机器周期内作4次读操作码的操作,由于是单字节指令,后3次读操作是无效的。图〔d〕表示执行访问外部数据存储器指令MOVX的时序,这是一条单字节双周期指令,具有其特殊性。复位电路与复位状态〔1〕复位电路通过某种方式,使单片机内各存放器的值变为初始状态的操作称为复位。MCS—51单片机在时钟电路工作以后,在RST/VPD端持续给出2个机器周期的高电平就可以完成复位操作〔一般复位正脉冲宽度大于10ms〕。复位分为上电复位和外部复位两种方式。图4-18MCS—51单片机复位参考电路〔a〕上电复位电路;〔b〕上电/外部复位电路〔2〕复位状态MCS—51单片机复位后,程序计数器PC和特殊功能存放器复位的状态如表9所示。复位不影响片内RAM存放的内容,而ALE、在复位期间将输出高电平。由表9可以看出:1〕〔PC〕=0000H表示复位后程序的入口地址为0000H;2〕〔PSW〕=00H,其中RS1(PSW.4)=0,RS0(PSW.3)=0,表示复位后单片机选择工作存放器0组;3〕〔SP〕=07H表示复位后堆栈在片内RAM的08H单元处建立;4〕P0口～P3口锁存器为全1状态,说明复位后这些并行接口可以直接作输入口,无须向端口写1;5〕定时器/计数器、串行口、中断系统等特殊功能存放器复位后的状态对各功能部件工作状态的影响,参见有关章节介绍。表4-7PC与SFR复位状态表小结MCS-51单片机系统结构MCS-51单片机系统结构〔一〕、单片机硬件资源：面向控制的8位CPU；128/256字节的内部RAM；4K/8K的内部ROM；一组特殊功能存放器(SFR)；一个可位寻址的布尔处理机；32个I/O,其中P3口双功能；一个全双工的异步串行口；2/3个16位定时/计数器5/6个中断源，2个优先级；图4-19MCS-51硬件资源单片机的关键引脚：1、电源Vcc(40)+5V，Vss(20)地。2、复位RST〔9〕：RESET输入端，CPU初始化的硬件电路如右图，要求复位高电平t为2个以上机器周期。3、/EA(31〕：/EA为内部程序存储器和外部程序存储器选择端。EA为高时,访问内部程序存储器。EA为低时,访问外部程序存储器。4、晶体振荡:XTAL1(19)输入和XTAL2(18)输出。图4-20复位引脚5、P0口(32-39)：是一个8位漏极开路型双向I/0口，需外部上拉电阻；访问外部存储器时,它是分时传送的低字节地址和数据；能以吸收电流的方式驱动八个LSTTL负载。6、P1口(1-8):有内部上拉电阻的8位准双向I/0口。外部可拉低但不能拉高，输入检测时应先置高。能以吸收电流的方式驱动四个LSTTL负载。7、P2口(21-28)：除与P1相同外。P2口在访问外部存储器时,它输出高8位地址。8、P3口(10-17)：第一功能与P1同。P3口还有第二功能。

P3口第二功能：P3.0RXD串口输入P3.1TXD串口输出P3.2/INT0外中断0输入P3.3/INT1外中断1输入P3.4T0定时/计数器0外部输入P3.5T1定时/计数器1外部输入P3.6/WR外部数据存储器写选通P3.7/RD外部数据存储器读选通

I/O口应注意问题1、上电复位时所有I/O口全部位“1〞，设计时应注意，必要时可用硬件反向或软件调整。2、I/O口的吸收电流与输出电流不同，注意其驱动能力，选用合理的驱动方式。图4-21吸收和输出电流1、状态字PSW：CYACFORS1RS0OV－P可单独位操作。CY：进位标志。最高位D7进位或借位时置1。AC：辅助进位标志。半进位D3FO：用户标志位。自定义。RS1RSO：选择工作存放组OV：溢出标志位。P：奇偶校验。运算结果A的内容偶数个1时，P=0；奇数个1时，P=1局部专用存放器2、堆栈及堆栈指针SP堆栈—特殊的存储单元，主要用于保护数据。操作为压入、弹出，后进先出。堆栈的栈顶由SP决定。堆栈的地址随操作自动增加或减少。上电时SP值为07，在程序的初始化中注意设置SP。3、数据指针DPTR：16位数据指针,可分为DPH、DPL，作为地址存放器，可寻址64K，常用于查表，有专门的指令。4、程序计数器PC：16位程序计数指针。每当从存储器中取出一条指令并加以执行时，PC的值自动加一，总是指向将要取出的