二的结构和原理

会计学1二的结构和原理

本章将以MCS-51系列的8051为典型例子，详细介绍单片机的结构、性能、存储器结构及工作原理等内容。通过对这些内容的掌握，可以起到举一反三、触类旁通的作用。§2.1MCS-51单片机的结构以8051为例给出的单片机功能方块图如下：第1页/共58页MCS-51单片机组成框图时钟OSCCPU并行接口定时/计数器ROMRAMP0中断系统T0T1P1P2P3串行接口TXDRXDINT0INT1第2页/共58页8051的内部结构展开图128×8RAMRAM地址寄存器P3口P1口P2口P0口锁存器锁存器锁存器锁存器中断控制定时/计数器串行I/O口SP寄存器B累加器A暂存器1暂存器2程序状态字PSW指令寄存器IR指令译码器ID数据指针DPTR缓冲器程序计数器PC增1程序地址寄存器AR定时与控制4K×8ROMALUCPU第3页/共58页2.1.1CPU运算器CPU算术/逻辑部件ALU(ArithmeticLogicUnit)累加器ACC

(Accumulator)程序状态字寄存器PSW(ProgramStatusWord)暂存寄存器寄存器B控制器定时控制与条件转移逻辑电路程序计数器PC指令寄存器IR指令译码器ID第4页/共58页1.8051的时钟

时钟可以由两种方式产生：内部方式和外部方式。XTAL1内部方式XTAL2XTAL2外部方式XTAL1VSS外部时钟第5页/共58页（1）内部方式：在XTAL1和XTAL2端外接石英晶体作定时元件；时钟发生器对振荡脉冲二分频，即若石英频率fosc=6MHz,则时钟频率=3MHz；

fosc可在1.2MHz～12MHz选择；小电容可以取30pF左右。（2）外部方式：通过XTAL2接入外部时钟。第6页/共58页2.8051的基本时序周期

计算机工作要有严格的时序。事实上，计算机更象一个大钟，什么时候分针动，什么时候秒针动，什么时候时针动，都有严格的规定，一点也不能乱。基本时序单位：3.机器周期：一个机器周期包括6个时钟周期。4.指令周期：执行一条指令的时间。1.振荡周期：晶体振荡器的周期。2.状态周期：振荡周期2分频，也称时钟周期。第7页/共58页INTEL对每一条指令都给出了它的指令周期数，MCS-51单片机的所有指令中，有一些完成得比较快，只要一个机器周期就行了，有一些完成得比较慢，得要2个机器周期，还有两条指令要4个机器周期才行。

若fosc=6MHz，则8051的：振荡周期＝1/6us；时钟周期＝1/3us；机器周期＝2us；指令周期＝2～8us。第8页/共58页2.1.28051的片内存储器

8051单片机与一般微机的存储器配置方式很不相同。一般微机通常只有一个逻辑空间，可以随意安排ROM或RAM。访问存储器时，同一地址对应唯一的存储单元，可以是ROM也可以是RAM，并用同类访问指令，这种结构称为普林斯顿结构（冯·诺依曼结构）。第9页/共58页而MCS-51则不同：

8051在物理结构上设计成程序存储器与数据存储器独立分开的哈佛结构：

片内程序存储器4KB（ROM0000H~0FFFH)

片内数据存储器128B（RAM00H~7FH）第10页/共58页2.1.38051的I/O端口8051有四个8位并行双向I/O口P0、P1、P2、P3，

一个串行口2.1.48051的特殊功能寄存器SFR

8051内部有21个特殊功能寄存器，分别叫SP、IE、IP、PCON......（与内部RAM统一编址80H~FFH）第11页/共58页★§2.2MCS-51单片机的存储器组织8051在物理结构上有四个存储空间：

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。new第12页/共58页64KBROMEA=0EA=10000H0FFFH1000HFFFFH4KBROMFFH80H7FH00HSFRRAM64KBRAM(I/O)0000HFFFFH片内片外片外程序存储器数据存储器第13页/共58页8051在逻辑上，即从用户角度上8051有三个存储空间：片内外统一编址的程序存储器

片内外不统一编址的数据存储器特殊功能寄存器（片内）第14页/共58页一、程序存储器及地址空间作用--程序存储器用于存放编好的程序和表格常数。①8051片内有4K字节ROM，片外用16位地址线最多可扩展64K字节ROM，两者是统一编址的。★如果EA端保持高电平，8051执行片内前4KB

ROM地址(0000H～0FFFH)中的程序。当寻址范围超过4KB（1000H～FFFFH）时，则从片外存储器取指令。★当EA端保持低电平时，8051的所有取指令操作均在片外程序存储器中进行，这时片外存储器可以从

0000H开始编址。第15页/共58页②在程序存储器中，有6个单元具有特殊功能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。

使用时，通常在这些入口地址处存放一条绝对跳转指令，使程序跳转到用户安排的中断程序起始地址，或者从0000H起始地址跳转到用户设计的初始程序上。0000H:8051复位后，PC＝0000H，即程序从0000H

开始执行指令。第16页/共58页二、数据存储器及地址空间数据存储器片外RAM64KB，地址范围0000H~FFFFH片内RAM128B，地址范围00H~7FH第17页/共58页片内数据存储器空间分布图通用RAM区

(80B)位地址区

(16B)寄存器区4组(32B)7FH寄存器3组寄存器2组寄存器1组寄存器0组寄存器区4组(32B).........①由PSW中的2位RS1、RS0来决定选哪一组为当前工作寄存器：

RS1、RS0=00

选0组

RS1、RS0=01

选1组

RS1、RS0=10

选2组

RS1、RS0=11

选3组②在位地址区，每一个BIT都有一个

地址，共16×8=128位00H30H2FH20H1FH...第18页/共58页片内数据存储器空间分布图通用RAM区

(80B)位地址区

(16B)7FH寄存器3组寄存器2组寄存器1组寄存器0组寄存器0组寄存器区4组(32B).........RS1、RS0=00R7R6R5R4R3R2R1R000H01H02H03H04H05H06H07H00H30H2FH20H1FH...第19页/共58页片内数据存储器空间分布图通用RAM区

(80B)位地址区

(16B)7FH寄存器3组寄存器2组寄存器1组寄存器0组寄存器1组R7R6R5R4R3R2R1R008H09H0AH0BH0CH0DH0EH0FH寄存器区4组(32B).........RS1、RS0=0100H30H2FH20H1FH...第20页/共58页片内数据存储器空间分布图通用RAM区

(80B)位地址区

(16B)7FH寄存器3组寄存器2组寄存器1组寄存器0组寄存器2组R7R6R5R4R3R2R1R010H11H12H13H14H15H16H17H寄存器区4组(32B).........RS1、RS0=1000H30H2FH20H1FH...第21页/共58页片内数据存储器空间分布图通用RAM区

(80B)位地址区

(16B)7FH寄存器3组寄存器2组寄存器1组寄存器0组寄存器3组R7R6R5R4R3R2R1R018H19H1AH1BH1CH1DH1EH1FH寄存器区4组(32B).........RS1、RS0=1100H30H2FH20H1FH...第22页/共58页片内数据存储器空间分布图通用RAM区

(80B)位地址区

(16B)7FH寄存器3组寄存器2组寄存器1组寄存器0组位地址区20H21H22H23H24H25H26H27H28H29H2AH2BH2CH2DH2EH2FH00H01H02H03H04H05H06H07H08H0FH10H7FH78H70H68H60H58H50H48H40H38H30H28H20H77H6FH67H1FH5FH57H4FH47H3FH37H2FH27H1FH17H........................D7D6D5D4D3D2D1D0.........00H30H2FH20H1FH...第23页/共58页片内数据存储器空间分布图通用RAM区

(80B)位地址区

(16B)00H30H2FH20H1FH7FH寄存器3组寄存器2组寄存器1组寄存器0组通用RAM区............共80个字节，作为一般的数据缓冲区并可设置堆栈区第24页/共58页三、特殊功能寄存器（21个字节）SFR

(SpecialFunctionalRegister)

见书P6表1-3①与ALU相关的（3个）

ARegister(Accumulator)：累加器。累加器，通常用A或ACC表示。可字节寻址(E0H)，

也可位寻址(E0H~E7H)

它是一个寄存器，而不是一个做加法的部件。在运算器做运算时其中一个数一定是在ACC中。

BRegister：暂存寄存器。

暂存寄存器。在做乘、除法时放乘数或除数及结果。

PSW(ProgramStatusWord

）：程序状态字。

PSW是8位寄存器，用于作为程序运行状态的标志。这是一个很重要的部件，里面存放了CPU工作时的很多状态，借此，我们可以了解CPU的当前状态，并作出相应的处理。第25页/共58页它的各位功能如下：

当CPU进行各种逻辑操作或算术运算时，为反映操作或运算结果的状态，把相应的标志位置1或清0。这些标志的状态，可由专门的指令来测试，也可通过指令来读出。它为计算机确定程序的下一步进行方向提供依据。PSW寄存器中各位的名称及位置如下表所示，下面说明各标志位的作用。D7D6D5D4D3D2D1D0CYACF0RS1RS0OVPPSW位地址第26页/共58页

CY：进位标志。

加减运算时，保存最高位进位、借位状态。

AC：半进位标志。

例：78H+97H01111000+10010111100001111

D7D6D5D4D3D2D1

D0

CYACF0RS1RS0OVPPSW位地址有进位CY=1没有半进位AC=0第27页/共58页

RS1、RS0：工作寄存器组选择位。

00选择工作寄存器0组

01选择工作寄存器1组

10选择工作寄存器2组

11选择工作寄存器3组

P：奇偶校验位，它用来表示累加器A内容中二进制数位

“1”的个数的奇偶性。若为奇数，则P=1，否则为0。例：某运算结果是78H（01111000），则P=0。D7D6D5D4D3D2D1

D0CY

ACF0

RS1

RS0OV

PPSW位地址第28页/共58页F0：用户标志位。作为软件标志，由编程人员决定何时使用。OV：溢出标志位。有符号数运算时，如果发生溢出，OV置“1”，否则清“0”。D7HD6HD5HD4HD3HD2HD1H

D0HCY

AC

F0RS1RS0

OVPPSW位地址第29页/共58页②与指针相关的（2个）

SP(Stack

Pointer)：

堆栈指针，8位寄存器，用来指定堆栈的栈顶位置，初值为07H。它是加1计数.

DPTR(DataPointer)（分成DPH、DPL两个）：数据指针可以用它来访问外部数据存储器中的任一单元，也可以作为通用寄存器来用，由我们自已决定如何使用。第30页/共58页P0、P1、P2、P3：四个并行输入/输出口的寄存器。它里面的内容对应着管脚的输出。SCON(SerialControlRegister)

串行口控制器。SBUF

(Serial

DateBuffer)

串行数据缓冲器。

PCON(PowerControlRegister)

电源控制及波特率选择。

③与端口相关的（7个）第31页/共58页④与定时/计数器相关的（6个）TMOD(Timer/CounterModeRegister)

定时器工作模式寄存器。TCON(Timer/Counter

Control

Register)

定时器控制寄存器。TH0、TL0、TH1、TL1：分别是T0、T1的记数初值寄存器。IP(Interrupt

Priority

Register)

中断优先控制器。

IE(InterruptEnableRegister)

中断允许控制器。

⑤与中断相关的（2个）第32页/共58页课堂练习及思考题补充题：下列是关于8051单片机存储空间的描述,分析其对错：

a.特殊功能寄存器容量为21B,没有位地址。

b.外部数据存储器容量可达64kB,字节地址和位地址范围均为0000H～FFFFH

c.程序存储器容量可达64kB,字节地址和位地址范围均为0000H～FFFFH

第33页/共58页课堂练习及思考题补充题：下列是关于8051单片机存储空间的描述,分析其对错：

d.

内部数据存储器容量为128B,字节地址和位地址范围均为00H～7FHe.特殊功能寄存器容量为21B,有一部分特殊功能寄存器具有位地址。

f.程序存储器容量可达64kB,地址范围为0000H～FFFFH。第34页/共58页

2.MCS-51单片机的工作寄存器组如何选择？若PSW的RS1、RS0位的内容是01，那么此时工作寄存器R1的字节地址是多少？

3.MCS-51内部RAM的工作寄存器组一共有多少个存储单元？分为多少组？每组有多少个存储单元？分别以什么作为寄存器名？第35页/共58页4.8051存储空间的结构与8086/8088有什么不同？它的物理结构是怎样的？5.MCS-51单片机的内部数据存储器容量是多少？它有什么特点？第36页/共58页§2.3MCS-51单片机的并行端口结构与操作

8051单片机有4个I/O端口，每个端口都是8位准双向口，共占32根引脚。每个端口都包括一个锁存器(即专用寄存器P0～P3)、一个输出驱动器和输入缓冲器。通常把4个端口笼统地表示为P0～P3。第37页/共58页

在无片外扩展存储器的系统中，这4个端口的每一位都可以作为准双向通用I/O端口使用。在具有片外扩展存储器的系统中，P2口作为高8位地址线，P0口分时作为低8位地址线和双向数据总线。下面简单介绍一下输入/输出端口结构。2.3.1P0口和P2口的结构第38页/共58页下图为P0口的某位P0.n(n=0~7)结构图，它由一个输出锁存器、两个三态输入缓冲器和输出驱动电路及控制电路组成。从图中可以看出，P0口既可以作为I/O用，也可以作为地址/数据线用。DQCLKQMUXP0.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚地址/数据控制VCCT1T2P0口引脚一、P0口的结构第39页/共58页1、P0口作为普通I/O口①输出时若驱动NMOS或其它拉流负载时，需要外接上拉电阻。P0的输出级可驱动8个LSTTL负载。②输入时----分读引脚或读锁存器读端口时实际上并不从外部读入数据，而只是把端口锁存器中的内容读入内部总线，经过某种运算和变换后，再写回到端口锁存器。读引脚时才真正地把外部数据读入到内部总线。第40页/共58页准双向口：在端口进行输入操作前，应先向端口锁存器写“1”，使场效应管截止，引脚处于悬浮状态，变为高阻抗输入。这就是所谓的准双向口。第41页/共58页2、P0作为地址/数据总线

在系统扩展时，P0端口作为地址/数据总线使用时，分为：P0引脚输出地址/输入数据P0引脚输出地址/数据信息第42页/共58页二、P2的内部结构1.P2口作为普通I/O口DQCLKQMUXP2.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚地址控制VCCRTP2口引脚CPU发出控制电平“0”

，使多路开关MUX倒向锁存器输出Q端，构成一个准双向口。其功能与P1相同。第43页/共58页

2.P2口作为地址总线在系统扩展片外程序存储器/数据存储器且容量超过256B时，CPU发出控制电平“1”，使多路开关MUX倒内部地址线。此时，P2输出高8位地址。DQCLKQMUXP2.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚地址控制VCCRTP2口引脚第44页/共58页2.3.2P1口、P3口的内部结构

①P1口的一位的结构它由一个输出锁存器、两个三态输入缓冲器和输出驱动电路组成----准双向口。DQCLKQP1.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚VCCRTP1口引脚第45页/共58页②P3的内部结构DQCLKQP3.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚VCCRTP3口引脚第二输入功能第二输出功能一、作为通用I/O口与P1口类似----准双向口(W=1)W第46页/共58页②P3的内部结构DQCLKQP3.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚VCCRTP3口引脚第二输入功能第二输出功能二、P3第二功能(Q=1)此时引脚部分输入(Q=1、W=1)

,部分输出(Q=1、W输出)

。W第47页/共58页P3第二功能各引脚功能定义：P3.0：RXD串行口输入P3.1：TXD串行口输出P3.2：INT0外部中断0输入P3.3：INT1外部中断1输入P3.4：T0定时器0外部输入P3.5：T1定时器1外部输入P3.6：WR外部写控制P3.7：RD外部读控制第48页/共58页课堂复习补充题：1.MCS-51单片机的哪些端口，有两种功能？分别是什么功能？2.在