第3章 单片机的结构和原理-13-3

第3章

MCS-51单片机结构和原理§3.1MCS-51单片机的内部组成及信号引脚§3.251子系列的内部存储器§3.3

并行输入／输出端口结构§3.4时钟电路与时序§3.5复位电路计算机常用术语解释1．位（bit）：是计算机所能表示的最基本最小的数据单位，bit只能有两种状态：“0”或“l”。位(bit)、兆位（Mb）、吉位(Gb)和太位（Tb）

Mb是Megabit的缩写，代表220位，即1024*1024位。

Gb是Gigabit的缩写，代表230位，即1024Mb。

Tb是Terabit的缩写，代表240位，即1024Gb。2．字（Word）：是CPU与输入/输出（I/O）设备和存储器之间传送数据的基本单位。它是数据总线的宽度(根数）。微型计算机字长有1位、4位、8位、16位、32位和64位等。3．字节（Byte）：

1字节＝8位二进制位（8bit）。4．K，KB，MB，GB和TBK＝1024＝210，1KB＝1024Byte，是用来计算存储器存储容量的单位。

1M=1024KB，1GB＝1024MB，ITB＝1024GB。§3.1MCS-51单片机的内部组成及信号引脚3.1.18051单片机的基本组成：

MCS-51单片机结构框图

1.CPU：8位2.内部RAM：256单元

前128单元：用户使用

后128单元：专用寄存器占用。3.

内部ROM：4KB掩膜ROM4.

定时器/计数器：2×16位。5.

并行I/O口：4×8位。

P0，P1，P2，P3。6．串行口：一个,全双工。7.中断控制系统：5

外中断：2

定时/计数中断：2

串行中断：1个8．时钟电路：fosc――振荡频率最高为12MHz。3.1.2MCS-51信号引脚介绍DIP：40引脚双列直插封装(dual-in-linepackagePLCC：

44引脚方形封装带引线的塑料芯片载体(plasticsleadedchipcarrier)QFP：40引脚四侧引脚扁平封装(quadflatpackage）

40引脚图（DIP）PLCC和QFP的44引脚图1.主电源引脚Vcc和Vss

VCC（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,低电平有效。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。（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。（4）P3口（10脚～17脚）:P3.0～P3.7统称为P3口。表2-1P3口线的第二功能

口线第二功能第二功能P3.0RXD串行数据接收P3.1TXD串行数据发送P3.2外部中断0请求输入线P3.3外部中断1请求输入线P3.4T0定时器/计数器0计数输入线P3.5T1定时器/计数器1计数输入线P3.6外部RAM写选通P3.7外部RAM读选通3.251子系列单片机的存储器配置

计算机的存储器结构：普林斯顿结构：程序和数据共存于一个存储器中，地址空间统一编址。应用于PC机及大部分计算机中。哈佛结构：程序存储器和数据存储器是相互独立的，即程序存放在ROM中，只能进行读操作；而数据存放在RAM中，可读可写。用于单片机中。

MCS-51单片机的存储空间分为：

程序存储器（64KBROM）

数据存储器（64KBRAM）。

8051有四个存储空间：

片内ROM,

片外ROM,片内RAM,片外RAM.

但从用户使用的角度，8051存储器地址空间分为三类：

（1）

片内、片外统一编址的程序存贮器ROM：

64KB，地址：0000～0FFFFH；（2）片外数据存贮器RAM：

64KB，地址：0000～0FFFFH；（3）内部数据存贮器RAM：

256B，地址：0~0FFH。

图3-680C51存储器配置图MOVC指令MOV指令MOVX指令3.2.1程序存储器（ROM）

用途：用于存放编好的程序和表格常数。

8051片内有4KBROM，片外16位地址线可扩展64KBROM，二者是统一编址的。当引脚，8051从0000H执行片内ROM中的程序。当指令地址超过0FFFH后，就自动转向片外ROM取指令。当引脚8051片内ROM不起作用，CPU只能从片外ROM/EPROM中取指令，地址可以从0000H开始编址。这种接法特别适合于没有内部ROM的8031单片机，此时必须使/EA＝0，以便能够从外部扩展的EPROM中取指令。内部ROM中的一些特殊单元：

表3-2片内ROM的保留单元保留单元地址入口地址用途0000H～0002H0000H复位后初始化引导程序0003H～000AH0003H外部中断0中断服务程序000BH～0012H000BH定时/计数器0中断服务程序0013H～001AH0013H外部中断1中断服务程序001BH～0022H001BH定时/计数器1中断服务程序0023H～002AH0023H串行口中断服务程序002BH～0032H002BH定时/计数器2中断服务程序(52子系列才有)3.2.2数据存储器RAM

用途：用于存放运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等。

RAM分类：

片内RAM：256字节；地址从0000～00FFH；

片外RAM：64K字节；地址从0000～FFFFH。

1．片外RAM

由于片外RAM与片内RAM的低地址0000H～00FFH单元是重叠的。因此，MCS-51有两种指令使用

MOV－－片内RAM MOVX－－片外64KRAM。2．片内RAM1.2.1内部数据存储器低128单元三个区域真正的RAMSFR低128单元：1）．存储器区：四组寄存器，每组8个寄存单元（8位），各组都以R0、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7作寄存单元编号。寄存器常用于存放操作数及中间结果等，由于它们的功能及使用不作预先规定因此称之为通用寄存器，有时也叫工作寄存器、四组通用寄存器占据内部RAM的00H～1FH单元地址。

在任一时刻，CPU只能使用其中的一组寄存器，并且把正在使用的那组寄存器称之为当前寄存器组。到底是那一组由程序状态字寄存器PSW中RS0、RS1位的状态组合来决定。表3-3R0～R7寄存器与内部RAM的地址对应通用寄存器名称地址第0组第1组第2组第3组R000H08H10H18HR101H09H11H19HR202H0AH12H1AHR303H0BH13H1BHR404H0CH14H1CHR505H0DH15H1DHR606H0EH16H1EHR707H0FH17H1FH2）

位寻址区：地址：20H～2FH单元，共128位。位地址：00H～7FH。性质：既可作为一般RAM单元使用进行字节操作，也可以对单元中的每一位进行位操作，因此把该区称之为位寻址区。表3-4片内RAM中的位寻址区地址分配3）

用户RAM区：单元地址为30H～7FH，主要的数据缓冲区。把堆栈开辟在此区。3.2.3内部数据存储器高128单元特殊功能寄存器区、专用寄存器区简称SFR。

单元地址：80H～FFH。SFR（1）累加器A或ACC（Accumulator）

8位寄存器，是最常用的专用寄存器

大部分单操作数指令的操作数就取自ACC，许多双操作数指令中的一个操作数也取自累加器。（2）

B寄存器

8位寄存器，主要用于乘除运算。如MULABB寄存器也可作为一般数据寄存器使用。如MOVB,#20HMOVA,#30HADDA,#40H（3）程序状态字PSW（ProgramStatusWord）

8位寄存器，用于寄存程序运行的状态信息。其中：有些位状态是根据程序执行结果，由硬件自动设置的而有些位状态则使用软件方法设定．D7D6D5D4D3D2D1D0CYACF0RS1RS0OV…P

·

CY——进位标志位。有进位/借位，CY=1，否则，CY=0

·

AC——辅助进位标志位

低4位向高4位的进位或借位。有AC=1，否则AC=0。

·P——奇偶标志位。表明累加器A中1个个数的奇偶性。

奇1偶0。D7D6D5D4D3D2D1D0CYACF0RS1RS0OV…P

·OV（PSW.2）——溢出标志位

8位带符号数字加减运算结果是否超出运算范围。

8位有符号数字表示的范围：－128～＋127。

OV＝0，运算正确，即无溢出产生。

在乘法运算中，OV＝1，表示乘积超过255；

在除法运算中，OV＝1，表示除数为0，除法不能进行。

D7D6D5D4D3D2D1D0CYACF0RS1RS0OV…P

10101010B-86例：(+72)+(+98)。

01001000B+72+01100010B+98例：(-83)+(-80)。

10101101B-83+10110000B-80［1］01011101B+93无符号数：CY=0有符号数：OV=1无符号数：CY=1有符号数：OV=1

·F0——用户标志位，需要时用软件方法置位或复位，用以控制程序的转向。

·RS0和RS1（PSW.4，PSW.5）——寄存器组选择位RS1RS0寄存器组片内RAM地址通用寄存器名称000组00H~07HR0~R7011组08H~0FHR0~R7102组10H~17HR0~R7113组18H~1FHR0~R7D7D6D5D4D3D2D1D0CYACF0RS1RS0OV…P（4）

数据指针（DPTR）

16位寄存器。

MCS-51中唯一的一个16位寄存器。

DPH：

DPTR高位字节

DPL：

DPTR低位字节

作用：通常在访问外部RAM时作地址指针使用,由于外部数据存储器的寻址范围64KB。DPTR既可按16位寄存器使用，也可以按两个8位寄存器分开使用。如：MOVDPTR，#1234H

MOV DPH，#12HMOVDPL，#34H（5）程序计数器PC（ProgramCounter）

PC：16位的计数器。

其内容为将要执行的指令地址，寻址范围达64KB。

有自动加

1功能，从而实现程序的顺序执行、

但PC没有地址，是不可寻址的、因此无法对它进行读写。但可以通过转移、调用、返回等指令改变其内容，以实现程序的转移。可见单片机中的大部分数据操作都是通过累加器进行的．

（6）I/O端口P0～P3（80H，90H，A0H，B0H）

P0～P3为四个8位特殊功能寄存器，分别是四个并行I/O端口的锁存器。它们都有字节地址，每一个口锁存器还有位地址，所以当每一条I/O线独立地用作输入或输出时，数据可以锁存；作输入时，数据可以缓冲。

当I/O端口某一位用于输入信号时，对应的锁存器必须先置“1”。

MCS－51共有22个专用寄存器中。有21个是可字节寻址的。可字节寻址寄存器的名称、符号及单元地址见表1-3。

SFR特殊功能寄存器地址表SFR特殊功能寄存器地址表几点说明：①

专用寄存器不连续地分散在内部RAM高128单元之中、空闲地址不能被用户使用。②22个专用寄存器中，程序计数器PC是唯一一个不可寻址的SFR.③

使用SFR时，既可使用寄存器符号，也可使用寄存器单元地址。例如：

MOV B，

ACC MOV B，

0E0H可位寻址专用寄存器：

在21个可寻址的专用寄存器中，有11个寄存器是可以位寻址的，见表l－4。SFR特殊功能寄存器地址表表2.6SFR特殊功能寄存器地址表（5）堆栈指针SP

堆栈：只允许在其一端进行数据插入和数据删除操作的线性表。堆栈是内存在一个特殊的存储区域。图3-8堆栈和堆栈指针示意图传送数据方式：入栈：PUSH出栈：POP。堆栈操作的最大特点：“后进先出”。堆栈是为子程序调用和中断操作而设立的。堆栈的功能：保护断点和保护现场。

保护断点：PC。

保护现场：寄存器中的内容。举例：以P131例6-1说明堆栈的存在。int

addfunc(inta,intb) /*加法子函数*/{intc;c=a+b;

return(c);}voiddelay() /*延时10ms子函数,假设fOSC=11.0592MHz*/{

inti,ms=10;while(ms--){for(i=0;i<115;i++); } /*延时1ms*/}voidmain() /*主函数*/{intx=10,y=3,z;z=addfunc(x,y);

delay();

z=z+3;} ORG 1000H1000H: MOV A,#34H1002H: ADD A,#10H1004H: LCALLDELAY1007H: MOV 20H,A ---- ORG 2000H2000H DELAY: PUSH A MOV A,#30H2002H ----- POPA RET堆栈要求：具有足够的容量（或者说足够的堆栈深度）。堆栈开辟

1）外堆栈：在主存储器中开辟堆栈．例如8080，Z80等早期的微型机。主要优点是堆栈容量大。但外堆栈的操作速度较慢。

2)内堆栈：在CPU芯片内部存储器中开辟。MCS－51的堆栈就是开辟在内部RAM中。

主要优点是操作速度快，但堆栈容量有限。堆栈使用方式：两种

(1)：自动方式：（保护断点）在调用子程序或中断时，返回地址（断点）自动进栈。程序返回时，断点再自动弹回PC.

操作的特点：堆栈操作无需用户干预--自动方式。

LCALLNEXTJMPLOOP(2)：指令方式（保护现场） 进栈指令:PUSH

出栈指令:POP。例如：

PUSH A PUSH B POP B POP A3.3并行输入/输出端口结构MCS-51单片机共有4个8位双向并行输入/输出（I/O）口，分别为：P0、P1、P2、P3。口：是一个集数据输入缓冲、数据输出缓冲、驱动及锁存等多项功能为一体的I/O电路，也称端口。四个I/O口在结构和特性上基本相同的，但又各具特点。下面介绍这些口的特性和功能。3.3.1P0～P1口的功能

(1)P0口为准双向（输入/输出）三态口－－AD线。

用作：

地址/数据总线口。

低8位地址/8位数据总线分时复用。

(2)P1口：作为可编程的输入或输出线。

(3)P2口：用作：输入或输出线用；

作为扩展系统的高8位地址总线，与P0口一起组成16位地址总线。说明：对8031单片机来说，P2口一般只作为地址总线使用，而不作为I/O线直接与外设相连。

(4)P3口：双功能口。

可作为输入或输出口线用；特殊的第二功能。3.3.2P0～P3口的结构与操作1.P0口I/O口应用时：“控制”=0；数据/地址时：“控制”=1。Vcc用作输入口时，需先给P0.x口输出高电平。MOVP0，#0FFHVcc2.P1口图3-10P1.X口线的逻辑电路图ORG100HMOVP1,#0FEHEND注意问题：1.当用作输入时，必须先输出1；2.P1口为准双向口；3.外接电路一般采用共阳极。2.P2口图3-11P2.X口线的逻辑电路图4.P3口图3-12P3口某一位口线的逻辑电路图3.4时钟电路与CPU时序 时钟电路：用于产生单片机工作所需要的时钟信号；时序：指令执行中各信号之间的相互关系。3.4.1时钟电路

(1)内部时钟方式 芯片内部的高增益反向放大器和在引脚XTAL1和XTAL2两端跨接晶体振荡器和微调电容，就构成了一个稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接输入单片机的内部时钟电路。

(2)外部时钟方式图3-13内部时钟电路与HMOS和CHMOS型单片机的外部时钟电路接法3.4.2CPU的时序MCS-51的时序定时单位共有4个，从小到大依次是：

拍节，状态、机器周期、指令周期。(1)拍节与状态拍节（P）：振荡脉冲的周期，又称振荡周期。状态（S）:时钟信号的周期，又称时钟周期。关系：振荡频率＝2倍时钟频率时钟周期＝2倍振荡周期，即1S=2P

（拍节1（P1），拍节2（P2））。(2)机器周期机器周期:指CPU访问存储器一次所需要的时间。例如取指令，读存储器、写存储器等。MCS-51的一个机器周期包括12个振荡周期（12P）＝6S

即6个状态：S1～S6。而每个状态又分为两拍，称为P1和P2。因此，一个机器周期中的12个振荡周期表示为S1P1、S1P2、S2P1……、S6P2。(3)指令周期定义：执行一条指令所需要的时间称之为指令周期。最大的时序定时单位，无固定值。指令不同，指令周期不同。MCS-51的指令包含一、二、四个机器周期。例如:外接晶振频率fOSC为12MHz时,MCS—51单片机的4个时间周期值为:

振荡周期P=1/fosc＝1/12μs;

状态周期S=2P＝1/6μs;

机器周期=6S＝12P＝1μs;

指令周期=1、2、4μs。单片机指令的两种操作：读操作和写操作。假定：8位计算机，256个单元组成，每个单元存储8位二制信息，即256×8位的读/写存储器。

11000111

000011000011111001110010FFH00H

地址内容内存单元的地址和内容100101110004FF地址译码器00000100AB控制读DB10010111地址内存读操作00100110

00

08FF地址译码器000001000AB控制写DB00100110地址内存写操作假定CPU要把数据26H写入存储器08H单元。附加：

微型计算机工作过程，5＋6＝？名称汇编语言程序机器代码二进制十六进制汇编起始地址命令ORG80H无立即数送入累加器MOVA，#0501110100000001017405加立即数ADDA，#0600100100000001102406空操作NOP0000000000汇编终止END无1)第1条指令的执行过程取指令阶段：1)第1条指令的执行过程执行指令阶段：2)第2条指令的执行过程取指令阶段：2)第2条指令的执行过程执行指令阶段：3.4.3典型指令的时序根据指令代码所占的字节不同：单字节、双字节、三字节。根据指令执行时间的不同：单机器周期、双机器周期四机器周期。执行指令的两个阶段：取指令和执行指令。ALE：地址锁存允许信号，每有效一次对应单片机进行的一次读指令操作，取指有效时间：S1P2和S2P1，S4P2和S5P1。

ALE取指有效时间：S1P2和S2P1，S4P2和S5P1，出现频率为振荡脉冲频率的1/6。04H说明：以上时序图仅表现了取指令的有关时序，而没有表现执行指令的时序。而实际上，每条指令都有具体的数据操作，例如算术和逻辑操作在拍节1进行，片内寄存器对寄存器传送操作在拍节2进行。由于指令种类繁多，不逐一列出。3.5复位电路复位：单片机的初始化操作。复位的功能： （1）进入系统的正常初始化；（PC