第2章 MCS-51单片微型计算机结构

第2章MCS-51单片微型计算机结构

本章主要介绍MCS-51系列的8051的基本结构、工作原理、存储器结构、P0、P1、P2、P3四个I/O口的基本工作原理和操作特点。单片机的各种工作方式、单片机的时序等。20世纪80年代中期,Intel公司将8051(属MCS-51系列)内核使用权以专利互换和出售形式转让给许多著名IC厂商,如Philips、Siemens、AMD、OKI、NEC、Atmel等，这样8051就成为有众多制造商支持并发展出上百种的大家族。

MCS-51单片机的结构原理一、计算机的经典组成计算机的经典结构见图1.1所示。这种结构是由计算机的开拓者——数学家约翰·冯·诺依曼最先提出的，所以就称之为冯·诺依曼计算机体系结构，也叫普林斯顿结构。图1.1计算机经典结构二、MCS-51单片机的基本组成(一)8051单片机的结构(二)MCS-51系列简介MCS-51系列单片机是Intel公司1980年推出的高性能8位单片机。典型产品为8051，其内部资源分配和性能如下：1、8位CPU,寻址能力达64KB；2、4KB的ROM3、128字节RAM；4、4个8位I/O并行接口电路；5、一个串行全双工异步（串行）接口；6、5个中断源和两个中断优先级；7、21个特殊功能寄存器8、2个16位定时计数器CPU数据存储器RAM程序存储器ROM8051单片机的结构P1P0P2P3串行口定时器/计数器中断系统特殊功能寄存器I/O数据总线/地址总线低8位I/OI/O地址总线高8位I/O再读下一条指令再读下一条指令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：MOVAR1（d）单字节，双周期指令，如MOVXP1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P2S5P2S6P2S1P1P1P1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P2S6P2S1S2P1P1P1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S1读操作码P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1读下一个操作码（丢弃）（b）双字节，单周期指令例：ADDAdir（c）单字节，双周期指令例：INCDPTR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P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S2P1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S2P1(三)MCS-51单片机内部结构1、中央处理器（CPU）:运算器、控制器微处理器指挥机构1）运算器：完成运算、位处理任务。（1）8位算术逻辑运算单元ALU（ArithmeticLogicUnit）（2）8位累加器ACC（Accumulator）

,简称A（3）8位寄存器B（4）程序状态字寄存器PSW（ProgramStatusWord）

2）控制器：完成状态检测、中断处理（1）程序计数器PC:指令地址（2）堆栈指针SP:要保护的指令、寄存器等地址（3）数据指针DPTR:数据地址（4）时钟发生器及定时控制逻辑等组成：工作时钟返回主画面(四)

MCS-51单片机的存储器 1、存储器：用来存放数据和程序。半导体存储器按其存取方式可分为两大类：随机存储器RAM(RandomAccessMemory)只读存储器ROM(ReadOnlyMemory)RAM：在程序运行过程中可读可写，但掉电后信息丢失，常用来存放数据，因此也叫数据存储器。ROM：在程序运行过程中存储单元内的内容只能读出而不能存入，但掉电后信息不丢失，常用来存放程序,因此也叫程序存储器存储器：用来存放数据和程序。2、存储器结构：至今为止,微型计算机的存储器有两种结构形式。一种是将程序存储器和数据存储器采取统一的地址编码结构，即传统微型计算机的存储器结构，称为冯·诺依曼结构，也叫普林斯顿结构。另一种是将程序存储器与数据存储器分开的地址编码结构，称为哈佛结构。所示。单片机通常采用哈佛结构。①普林顿结构：程序、数据合用一个存储空间。(通用计算机)②哈佛结构：程序、数据存储空间截然分开。(单片机)程序存储器数据存储器CPU哈佛结构存储器CPU普林顿结构微型计算机存储器结构3、MCS-51单片机的数据存储器片内数据存储器片外数据存储器返回单片机的结构特殊功能寄存器00H1FH20H2FH30H7FH80HFFH80H88H90H98HA0HA8HB0HB8HD0HE0HF0H特殊功能寄存器中位寻址外部RAM(I/O口地址)0000HFFFFH内部数据存储器（a）外部数据存储器（b）工作寄存器区位寻址区返回数据存储器00FFH一页通用

RAM区

片外数据存储器

外部数据存储器又称外部RAM，当片内RAM不能满足数量上的要求时，可通过总线端口和其他I/O口扩展外部数据RAM，其最大容量可达64K字节。片内、片外数据存储器统一编址，片内、片外低256字节是重复的，但操作时使用的指令不同。所以不会发生数据读错现象。内部RAMMOVA，30H外部RAMMOVXA，30H

去存储器结构图

内部数据存储器中的位地址﹡ACCE0HACC.7～ACC.0E7H～E0H累加器﹡BF0HB.7～B.0F7H～F0H寄存器﹡PSWD0HPSW.7～PSW.0D7H～D0H程序状态字SP81H堆栈指针DPH83H数据指针高8位DPL82H数据指针低8位﹡P080HP0.7～P0.087H～80HI/O端口，P0口﹡P190HP1.7～P1.097H～90HI/O端口，P1口﹡P2A0HP2.7～P2.0A7H～A0HI/O端口，P2口﹡P3B0HP3.7～P3.0B7H～B0HI/O端口，P3口﹡IPB8HIP.7～IP.0BFH～B8H中断优先控制器﹡IEA8HIE.7～IE.0AFH～A8H中断允许控制器TMOD89H定时器方式选择﹡TCON88HTCON.7～TCON.08FH～88H定时控制寄存器TL08AH定时器T0低8位TH08CH定时器T0高8位TL18BH定时器T1低8位TH18DH定时器T1高8位PCON87H电源控制及波特率选择﹡SCON98HSCON.7～SCON.09FH～98H串行口控制寄存器SBUF99H串行口数据缓冲器返回（3）程序存储器程序存储器的结构如图（c）所示，包括片内和片外程序存储器两个部分。其主要用来存放编好的用户程序和表格常数，它以16位的程序计数器PC作为地址指针，故寻址空间为64KB。外部ROM0000H0000H0FFFH0FFFH1000HFFFFH程序存储器（c）内部ROM(EA=1)外部ROM(EA=0)返回单片机的结构2、输入/输出（I/O）端口结构 MCS-51单片机有4个双向并行的8位I/O口P0～P3，(1)P0口为三态双向口，可驱动8个TTL电路(2)P1、P2、P3口为准双向口（作为输入时，口线被拉成高电平，故称为准双向口），其负载能力为4个TTL电路。把100uA的输入电流定义为一个TTL负载P0.X锁存器&读锁存器地址/数据控制“0”读引脚D内部总线VCCQMUXT2QP0.XT1写锁存器CL①P0口的结构“0”R“1”“1”“0”截止截止作I/O使用时漏极开路“0”“1”导通“0”“1”导通CPLP0.0控制“1”返回单片机结构

图2-10P0口的一位结构图MOVA,P0P0口两种功能:地址/数据复用、基本I/Oａ)地址/数据复用:单片机系统扩展外部存储器时，P0口作地址/数据复用，访问外部数据存储器时，CPU发高电平，模拟开关打在上方。如果执行输出数据的指令，分时输出的地址/数据经非门、T1、T2送到引脚上。当地址或数据为“1”时，T2截止，T1导通，管脚出现高电平；当地址或数据为“0”时，T1截止，T2导通，管脚出现低电平；ｂ）I/O:系统无扩展时，P0作I/O用，控制信号为“0”开关打在下面，T1截止。输出数据为“0”时，当发出写脉冲后，Q输出“1”，T2导通，P0管脚为“0”；输出数据为“1”时，T2截止，通过上拉电阻使P0管脚为“1”输入数据时，当“读引脚”信号有效时，打开下面的输入缓冲器使数据进入内部总线。②P1口的结构

VCCP1.X锁存器读锁存器D读引脚写锁存器内部总线QQTP1.X内部上拉电阻CL

图2-11P1口的一位结构图试分析P1口输入、输出、端口工作过程a)图中场效应管V1与上拉电阻组成输出驱动器，以增大负载能力，三态门1是输入缓冲器，三态门2在端口操作时用。b)P1口只有一种功能，通用输入/输出接口，有三种工作方式输出方式：单片机执行指令MOVP1，#data；将单片机内数据经P1口送出，P1口工作于输出方式数据data经内部总线送入锁存器锁存，如某位为1，则锁存器输出Q=1，Q=0，T截止，P1.i出现高电平；若某位为0，则锁存器输出Q=0，Q=1，T导通，P1.i出现低电平。输入方式：单片机执行指令MOVA，P1；将P1口数据送累加器A，P1口工作于输入方式。控制器发出读信号打开三态门1，P1.i的数据经三态门1进入内部总线，并送到累加器A，输入无锁存功能。问题：1、试分析P1口输入、输出、端口工作过程2、P1口作输入时为什么要先用输出指令置P1口为高？3、计算51单片机有多少个位寻址空间？③P2口的结构图2-12P2口的一位结构图VCCP2.X锁存器读锁存器地址控制D读引脚写锁存器内部总线QQMUXTP2.X内部上拉电阻CL④P3口的结构图2-13P3口的一位结构图VCCP3.X锁存器读锁存器第二输出功能D读引脚写锁存器内部总线QQTP3.X内部上拉电阻第二输入功能CL

P3口的第二功能表I/O口第二功能注释P3.0RXD串行口数据接收端P3.1TXD串行口数据发送端P3.2INT0外部中断请求0P3.3INT1外部中断请求1P3.4T0定时/计数器0P3.5T1定时/计数器1P3.6WR外部RAM写信号P3.7RD外部RAM读信号返回单片机结构三、MCS-51单片机芯片引脚描述图为MCS-51单片机的引脚配置图。1．主电源引脚VCC和VSS2．外接晶振引脚XTAL1和XTAL23．控制或其他电源复用引脚RST、ALE/PROG、EA/VPP4．输入/输出引脚P0、P1、P2、P3（共32根）ALERESETALEG

P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0P3.7P3.6P3.5P3.4P3.3P3.2P3.1P3.0P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0用户I/O控制总线CB锁存器A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0地址总线ABD7D6D5D4D3D2D1D0数据总线DBAT89S51+5VVCCVSS单片机三总线16根地址总线扩展地址空间216=65536字节74LS37374LS573总线：三总线，信息传输的通道⑴数据总线（DB，双向）：实现微处理器、存储器、I/O之间的数据交换。⑵地址总线（AB）：单向，确定存储器地址、I/O地址。⑶控制总线（CB）：传送各种控制信息，协调计算机各部分工作。五、几个常用特殊功能寄存器介绍1、累加器A（0E0H）累加器是一个最常用的专用寄存器，其自身带有全零标志Z，若A=0则Z=1；若A≠0则Z＝0。该标志常用作程序分支的判断条件。

如JZLOOP（判累加器A的内容为零时转移到标号为LOOP的程序处）。返回CY进位位标志AC半进位位标志F0用户标志RS1RS0OV

PD7D6D5D4D3D2D1D0工作寄存器组选择溢出标志无效位奇偶标志位返回PSW：程序状态字寄存器，共8位。

RS1、RS0：工作寄存器组选择（如下表所示）。如MOVPSW，#18H；用2组工作寄存器RS1RS0选择工作寄存器组000组（00H～07H）011组（08H～0FH）102组（10H～17H）113组（18H～1FH）返回四组工作寄存器R7~R03.特殊功能寄存器专用寄存器的地址映像如表2-4所示。完成状态检测、中断处理。1)堆栈指针SP:保护断点、现场保护2）数据指针DPTR：指针指向16位地址3）定时/计数器：内部时钟/外部计数表2-4特殊功能寄存器地址及功能表表2-4特殊功能寄存器地址及功能表4、位寻址共211个位寻址空间其中：00~FFH（128位）特殊功能寄存器中的B、ACC、PSW、IP、P3、IE、P2、SCON、P1、TCON、P0共88位中的83位。

CPU的时序及辅助电路 1、单片机的时钟电路2、振荡周期、时钟周期、机器周期和指令周期 3、MCS-51单片机指令的取指和执行时4、单片机复位电路及复位状态返回本章首页1、单片机的时钟电路单片机时钟电路通常有两种形式：（1）内部振荡方式：MCS-51单片机片内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振荡器或陶瓷谐振器连接，就构成了内部自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。（2）外部振荡方式：外部振荡方式就是把外部已有的时钟信号引入单片机内（如图2-8所示）。XTAL2XTAL1MCS-51C1C2CYSXTAL2XTAL1MCS-51+5VVSSTTL外部时钟源（a)内部振荡方式(b)外部振荡方式图2-88051单片机时钟源P1P2S1振荡周期时钟周期机器周期机器周期指令周期XTAL2(OSC)S2S3S4S5S6S1S2S4S5S3S6P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P2P2P2P2P2P2P2P2P2P2P2图2-12MCS-51单片机各种周期的相互关系2、振荡周期、时钟周期、机器周期和指令周期（1）振荡周期：为单片机提供定时信号的振荡器所产生的周期。（2）时钟周期：是振荡源信号经二分频后形成的时钟脉冲信号。（3）机器周期：单片机的基本操作周期，在一个操作周期内，单片机完成一项基本操作，如取指令、存储器读、存储器写等。一个机器周期由12个振荡周期、6个时钟周期（4）指令周期：是指CPU执行一条指令所需要的时间。一个指令周期通常含有1～4个机器周期，指令不同所需机器周期不同。3、振荡周期、时钟周期、机器周期、指令周期的计算若MCS-51单片机外接晶振为f=12MHz时，则单片机的四个周期的具体值为：振荡周期＝1/f=1/（12MHz）＝1/（12μs）＝0.0833μs时钟周期＝振荡周期的2倍=2*1/（12μs）

＝0.167μs机器周期＝12个振荡周期=1μs指令周期＝1～4μs返回本节8051单片机访问外部ROM和RAM的时序

访问外部ROM的时序访问外部RAM的时序

单片机复位电路及复位状态 （1）复位电路单片机复位电路包括片内、片外两部分。外部复位电路就是为内部复位电路提供两个机器周期以上的高电平而设计的。MCS-51单片机通常采用上电自动复位和按键手动复位两种方式。如图2-9所示。（2）单片机复位后的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2-4所示。22μFC1RST

R11KΩ+5VC122μFRST+5VR2200Ω

RSTR1

+5V

C222μF803180518751803180518751803180518751（a）上电复位电路（c）按键脉冲复位电路（b）按键电平复位电路

R11KΩ22μFC11KΩ图2-9几种复位电路特殊功能寄存器初始状态特殊功能寄存器初始状态A00HTMOD00HB00HTCON00HPSW00HTH000HSP07HTL000HDPL00HTH100HDPH00HTL100HP0～P3FFHSBUF××××××××BIP×××00000BSCON00HIE0××00000BPCON0×××××××B表2-6单片机复位后特殊功能寄存器的状态返回本节8051单片机的工作方式8051单片机有以下几种工作方式：程序执行方式；掉电保护方式；待机方式；掉电保护方式、待机方式统称为低功耗工作方式。8051单片机的程序执行方式程序执行方式是单片机的最基本工作方式。是设计人员让计算机解决某个具体问题编写的一系列程序。单片机上电或复位后，程序计数器PC=0000H，程序从0000H开始运行，由于单片机的六个中断源（若用MCS-52系列单片机，则增加定时/计数器T2）占用了程序存储器0003H～002B，见中断源一节，所以在编写程序时通常在0000H开始的单元中存放一条无条件转移指令，如：AJMPMAIN，以便上电或复位后能跳转到实际的主程序入口处。

8051单片机的低功耗工作方式

当单片机暂时不工作或使用在供电困难及节电场所时，都需要其工作在低功耗方式，从而使单片机的用电量大大降低。单片机的低功耗工作方式是由特殊功能寄存器中电源控制寄存器PCON的有关位来控制。PCON主要是为CHMOS型单片机的电源控制设置的专用寄存器，用它也可以设定串行通讯的波特率，见串口通讯一节。PCON不能位寻址，其格式如图2-20所示。PCON的各位定义如下：SMOD：波特率倍增位，串行通讯用于设定波特率——： 无用位GF1： 通用标志位1GF0： 通用标志位0PD： 掉电方式位，PD=1时，单片机进入掉电工作方式IDL： 待机方式位，IDL=1时，单片机进入待机工作方式若PD、IDL同时为1，则进入掉电方式，复位时PCON中的所有位均为0待机工作方式软件设置IDL=1，则单片机进入待机工作方式。这时，单片机的晶振仍然工作，并向中断逻辑、串行口、定时/计数器提供工作时钟，但向CPU提供时钟的电路被阻断，因此CPU不工作，中断功能继续存在，与CPU有关的SP、PC、PSW、ACC及所有工作的寄存器都被“冻结”在原状态，这时8051单片机的消耗电流从正常值24mA下降到3mA，大大降低了功耗。待机工作方式的退出：单片机待机工作方式退出有两种方法。①