第1章MCS51单片机结构

关新单片机原理1第1章MCS-51单片机结构1.1单片机内部结构

1.2存储器

1.3特殊功能寄存器

1.48031时钟电路

1.58031复位电路

1.68031引脚结构21.1单片机内部结构MCS-51系列单片机有多种型号的产品：普通型（51系列）:8051、8031、8751、89C51、89S51等。增强型（52系列）:8032、8052、8752、89C52、89S52等。它们的结构基本相同，其主要差别反映在存储器的配置上。8031片内没有程序存储器；8051内部设有4KB的掩模ROM程序存储器；8751是将8051片内的ROM换成EPROM；89C51则换成4KB的闪速EEPROM；89S51结构同89C51，4KB的闪速EEPROM可在线编程；增强型的存储容量为普通型的一倍本课以8XX51代表这一系列的单片机。31.1.1概述51系列单片机包含下列几个部件:一个8位CPU；一个片内振荡器及时钟电路；4KBROM程序存储器；128BRAM数据存储器；可寻址64KB外部数据存储器和可寻址64KB外部程序存储器；32条可编程的I/O线；两个16位的定时/计数器；一个可编程全双工串行口；5个中断源、两个优先机级嵌套中断结构。4图1-151系列单片机内部结构P3P1P2可编程串行I/O口P0外部中断基准频率源控制

128/256B数据存储器

4KB/8KB程序存储器

2/3个16位定时/计数器

振荡器及定时电路

CPU

64KB总线扩展控制可编程并行I/O口内部中断计数脉冲串行输出串行输入5

CPU是单片机的核心部件。它由运算器和控制器等部件组成。1.运算器：运算器的功能是进行算术运算：加、减、乘、除、加1、减1、比较BCD码十进制调整等；逻辑运算：与、或、异或、求反、循环等逻辑操作；位操作：内部有布尔处理器，它以进位标志位C为位累加器，用来处理位操作。可对位置“1”、对位清零、位判断等；操作结果的状态信息送至状态寄存PSW。1.1.2CPU61.2存储器图1-2MCS-51单片机的存储器逻辑结构FFFFH0000H0FFFH外部

RAM外部ROM内部ROM(EA=1)H00008031外部ROM(EA=0）80511000HFFFFH

特殊功能寄存器内部数据存储器

内部数据

RAM7FH80H00HFFH外部数据存储器

（增强型）程序存储器

地址重叠0FFFHH000071.2.1程序存储器程序存贮器用于存方编好的程序和表格常数。程序存贮器是以程序计数器PC作地址指针，程序计数器为16位，因此可寻址的空间为64K字节。低4K字节的程序存贮器可在单片机的内部也可以在单片机的外部，这是由输入到引脚EA的电平所确定的。EA应接高电平。因为89C51内部的4K字节的程序存贮器已完全满足设计的需要了，无需再扩展。程序存贮器的传送指令用MOVCA，@A+PC

MOVCA，@A+DPTR程序存贮器中由7个单元具有特殊功能。0000H单元：单片机复位后程序计数器PC的内容为0000H，故系统必须从0000H单元开始取指，执行程序。它是系统的启动地址，一般在该单元中存放一条绝对跳转指令，而用户设计的主程序从跳转地址开始存放。8ROM2732实际图片9MCS-51的储存器结构与常见的微型计算机的配置方法不同,它将程序存储器和数据存储器分开,各有自己的寻址方式、控制信号和功能。程序存储器用来存放程序和始终要保留的常数。数据存储器存放程序运行中所需要的常数和变量。从物理空间看,MCS-51有四个存储器地址空间：片内数据存储器、片外数据存储器片内程序存储器、片外程序存储器

MCS-51存储器物理结构见下图所示：

外部数据存储器

(RAM)外部程序存储器

(ROM)内部程序存储器内部数据存储器8XX5110程序存储器中的几个特殊地址的使用：地址用途

0000H复位操作后的程序入口

0003H外部中断0服务程序入口

000BH定时器0中断服务程序入口

0013H外部中断1服务程序入口

001BH定时器1中断服务程序入口

0023H串行口中断服务程序入口由于两入口地址之间的存储空间有限，因此在编程时，通常在这些入口地址开始的两三个地址单元中，放入一条转移类指令，已使相应的程序转到指定的程序存储器区域中执行。11例如，外部中断0对应于0003H，如果使用外部中断0，则服务程序必须从0003H开始。如果不使用该中断，则该地址可用作一般的程序存贮器。各中断服务入口地址的间隔为8个字节。如果一个中断服务程序足够短，它可全部位于这8字节间隔中。长的中断服务程序，可在入口地址放一条跳转指令，调转到真正的服务程序处。121.2.2数据存储器单片机内部RAM空间为256字节，在物理上又可分为3个不同的块：00H~~7FH(0~127)：低128字节RAM块；80H~~0FFH(128~255)：高128字节RAM块；80H~~0FFH(128~255)：特殊功能寄存器块（SFR）。13其中高128字节RAM块与SFR块的地址重合的，究竟访问那一块使通过不同的寻址方式加以区分的。访问高地址RAM时采用寄存器间接寻址方式，使用指令： MOVA，@Ri

或 MOV@Ri，A；访问SFR块时则只能采用直接寻址方式，使用指令： MOV@Ri，direct

或 MOVdirect，A；访问低128字节RAM时，两种寻址方式都可以采用。内部RAM中不同的地址区域从功能和用途方面来分可分为三个区域：工作寄存器区，位寻址区，堆栈和数据缓冲器区。141.3特殊功能寄存器8031有21个字节的特殊功能寄存器SFR，起者专用寄存器的作用。21个特殊功能寄存器不连续的分布在80H~FFH的128字节地址空间中，地址为X0H~X8H是可位寻址的寄存器。21个特殊功能寄存器名称及主要功能如表1.1所式。（P21）151621个特殊功能寄存器的名称及主要功能介绍如下，详细的用法见后面各节的内容。A—累加器，自带有全零标志Z，A=0则Z=1；A≠0则Z=0。该标志常用于程序分支转移的判断条件。B—寄存器，常用于乘除法运算（见第2章）。PSW—程序状态字。主要起着标志寄存器的作用，其8位定义见表1-3。D7D6D5D4D3D2D1D0CYACF0RS1RS0OV

－P17其中CY：进/借位标志:反映最高位的进位借位情况，加法为进位、减法为借位。

CY=1，有进/借位；CY=0，无进/借位。AC：辅助进/借位标志反映高半字节与低半字节之间的进

/借位，

AC=1有进/借位；AC=0无进/借位。FO：用户标志位。可由用户设定其含义。RS1，RS0：工作寄存器组选择位。OV：溢出标志:反映补码运算的运算结果有无溢出有溢出OV=1，无溢出OV=0。-：无效位。P：奇偶标志：运算结果有奇个“1”，P=1；运算结果有偶数个“1”,P=0。影响标志位的指令及其影响方式见第2章。18SP—堆栈指针:8XX51单片机的堆栈设在片内RAM，对堆栈的操作包括压入（PUSH）和弹出（POP）两种方式，并且遵循后进先出的原则，但在堆栈生成的方向上，与8086正好相反8XX51单片机的堆栈操作遵循先加后压，先弹后减的顺序，按字节进行操作。DPTR——数据指针寄存器:用来存放16位地址值，以便用间接寻址或变址寻址片外存储器。DPTR可分成DPL和DPH两个8位寄存器分别使用。P0、P1、P2、P3——I/O端口寄存器:是四个并行I/O端口映射入SFR中的寄存器。通过对该寄存器的读/写，可实现从相应I/O端口的输入/输出。例如：指令MOVP1，A实现了把A累加器中的内容从P1端口输出的操作。指令MOVA，P3实现了把P3端口线上的信息输入到A中的操作。19此外还有如下寄存器，它们将在后面章节介绍：IP——中断优先级控制寄存器;IE——中断允许控制寄存器;TMOD——定时器/计数器方式控制寄存器;TCON——定时器/计数器控制寄存器;TH0，TL0——定时器/计数器0;TH1，TH1——定时器/计数器1;SCON——串行端口控制寄存器;SBUF——串行数据缓冲器;PCON——电源控制寄存器。201.48031时钟电路

时钟电路是计算机的心脏，它控制着计算机的工作节奏，MCS-51单片机内有一个反相放大器组成的振荡器，引脚XTAL1为反向器的输入端，XTAL2为反向器的输出端。

MCS-51的时钟可以利用它内部的振荡器产生，只要在XTAL1，XTAL2引脚上外接定时反馈电路，内部振荡器便自激振荡，产生时钟输出到内部的定时控制逻辑。定时反馈电路一般为石英晶振和电容组成的并联回路。XTAL1XTAL2GND8XX51C01C02图1-3内部振荡方式21内部振荡方式：在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器（简称晶振）如图1-3所示。外部振荡方式:

是把已有的时钟信号引入单片机。这种方式适宜用于使单片机的时钟与外部信号保持一致。外部振荡方式如图1-4所示。外部时钟XTAL1XTAL2GND8XX51悬空外部时钟XTAL1XTAL2GND悬空CHMOSHMOS图1－4外部振荡方式8XX5122单片机的时序单位有：振荡周期：晶振的振荡周期，又称时钟周期，为最小的时序单位。状态周期：振荡频率经单片机内的二分频器分频后提供给片内CPU的时钟周期。因此，一个状态周期包含2个振荡周期。机器周期（MC）：1个机器周期由6个状态周期及12个振荡周期组成。是计算机执行一种基本操作的时间单位。指令周期:

执行一条指令所需的时间。一个指令周期由1～4个机器周期组成，依据指令不同而不同。

4种时序单位中，振荡周期和机器周期是单片机内计算其他时间值（例如，波特率、定时器的定时时间等）的基本时序单位。例：单片机外接晶振频率12MHZ时的各种时序单位：振荡周期=1/fosc=1/12MHZ=0.0833μs

状态周期=2/fosc=2/12MHZ=0.167μs

机器周期=12/fosc=12/12MHZ=1μs

指令周期=(1～4)机器周期=1～4μs231.58031复位电路计算机在起动运行时需要复位，使中央处理器CPU和系统中的其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。HMOS型8031的复位结构见图（1-5）所示。复位引脚RST/VPD通过一个斯密特触发器与复位电路相连。斯密特触发器用来提高系统的抗干扰能力，防止因毛刺噪声而产生误动。虽然对于HMOS型单片机，RST复位端接一个电容和一个电阻C和R就能实现上电自动复位，对于此设计将（一个200欧姆的限流电阻）、一个按钮开关和电容并联。再和决定时间常数的电阻R串联，得到这个复位电路，按下开关就得在RST端出现的约82ms时间高电平，即8031复位。在此选用C=10μF，R=8.2K，则τ=RC=8.2×10=82msRST8XX51RCVCC图1-5复位电路24单片机的复位操作是使SFR寄存器进入初始化，不改变片内RAM区中的内容。几个主要特殊功能寄存器复位状态归纳如下：PC=0000H表明程序计数器为零表明单片机复位后程序从0000H地址单元开始执行。

A=00H表明累加器已被清零。

PSW=00H表明选寄存器0组为工作寄存器组。

SP=07H

表明堆栈指针指向片内RAM07H单元，根据堆栈操作的先加后压法则，第一个被压入的数据被写入08H单元中。P0～P3=FFH表明已向各端口线写入１，各端口既可用于输入又可用于输出。251.68031引脚结构

8031单片机采用的是40脚双列直插封装（DIP）方式。引脚功能右图（图3.3.1）是8031单片机引脚及总线结构图。在40条引脚中有两条专用于主电源的引脚，两条外接晶体引脚，4条控制于其它电源复用引脚，32条I/O引脚。下面分别叙述这40条引脚的功能：26(一)主电源引脚Vcc和Vss

Vcc(40)—无论是正常操作对EPROM编程或验证时都接+5V电源；

Vss(20)—接地。（二）外接晶体引脚XTAL1和XTAL2

XTAL1(19)—

接外部晶体的一个引脚。在单片机内部它是一个反向放大器的输入端，这个放大器集成了片内振荡器。

XTAL2(18)—

接外部晶体的另一个引脚。在单片机内部，接至上述振荡器的反向放大器的输出端。在此电路中，晶体选用振动频率为6MHz石英晶体，据此选择C3=C4=30PF,这每个机器周期为2μs。 27（三）控制或用于其它电源复用引脚RST/VPD、ALE/PROG、PSEN和EA/VPPRST/VPD(9)上电复位：当振荡器运行时，在此引脚出现两个机器周期的高电平，使单片机复位。上电复位所需的最短时间是Vcc的上电时间和起振时间，再加上两个机器周期。Vcc的上升时间一般约为10ms，振荡器的起振时间和频率有关，这里我们选用6MHz石英晶体晶振，其起振时间约为2ms，两个机器周期约为4μs，为了能保证准确复位需留有一定裕量。并防止因器件个体差异带来不必要的错误，所以RST的上电时间应保持20ms以上的高电平。时间常数τ=RC，RC时间常数τ越大，上电时RST端保持高电平的时间越长。手动复位：由于受反映速度限制，手动时人的反应时间必然要大20ms，因此，只需选一只限流电阻R=200Ω即可。28ALE/PROG(30)—当访问外部存储器时，ALE(允许地址锁存)的输出用于锁存地址节，这里，它与74LS373和ALE端