第二章 单片机的基本结构与工作原理-8

第二章51单片机基本结构151单片机总体构成2.151单片机基本组成及封装2.2

51单片机辅助电路与CPU时序2.32.42.551单片机存储空间51单片机硬件资源

MCS-51是Intel公司生产的一个单片机系列名称。属于这一系列的单片机有多种，如：﹡8031/8051/8751/8951；基本型

﹡8032/8052/8752/8952；增强型

﹡80C31/80C51/87C51/89C51；低功耗型﹡80C32/80C52/87C52/89C52；低功耗增强型

2.1MCS51单片机总体构成基本型和增强型两大类：增强型：8032/8052/8752

/8952/80C32/80C52/87C52/89C52基本型：8031/8051/8751/895180C31/80C51/87C51/89C512.1MCS51单片机总体构成片内程序存储器配置4种形式﹡ROMLess型

无片内程序存储器；80C31﹡掩膜ROM型用户程序由芯片生产厂写入；

80C51

4K字节掩膜ROM

﹡EPROM型用户程序电装置写入，紫外线照射擦除；87C51

4K字节EPROM﹡FlashROM型用户程序可以电写入或擦除；89C514K字节Flash

2.1MCS51单片机总体构成增强型与基本型比较：﹡片内ROM字节数：从4K增加到8K；﹡片内RAM字节数：从128增加到256；﹡定时/计数器从2个增加到3个；﹡中断源由5个增加到6个。

ROM--ReadOnlyMemoryRAM--RandomAccessMemory2.1MCS51单片机总体构成80C51典型产品资源配置2.1MCS51单片机总体构成2.2.18051的引脚封装总线型非总线型2.28051的基本结构及封装2.28051的基本结构及封装2.2.28051的基本结构

2.2.38051的CPU（1）运算器（2）控制器

2.28051的基本结构及封装

运

算

器（1）算术逻辑单元ALU（ArithmeticLogicUnit）（2）累加器ACC（Accumulator）（3）寄存器B（4）程序状态寄存器PSWD7D6D5D4D3D2D1D0CYACF0RS1RS0OVF1P2.28051的基本结构及封装

控

制

器（1）程序计数器PC（ProgramCounter）（2）指令寄存器IR（InstructionRegister）（3）指令译码器ID（InstructionDecoder）（4）振荡器及定时控制电路（5）堆栈指示器SP（StackPointer）2.28051的基本结构及封装2.351单片机的辅助电路与CPU时序内部时钟

外部时钟2.3.18051的时钟电路振荡周期（fSOC）：

为单片机提供振荡源的信号周期。

＊

当使用内部时钟时,为外接石英晶体振荡器（晶振）的固有周期；＊当使用外部时钟时,为外部时钟周期。

由于常见的单片机系统都是使用内部时钟，因此有时也把晶振固有周期当作振荡周期，把振荡周期称为晶振周期，对应的频率称为晶振频率。2.351单片机的辅助电路与CPU时序状态周期：也称S周期，是振荡周期的两倍。机器周期：单片机的基本操作周期，由6个S周期组成。

即机器周期为S周期的6倍，为振荡周期的12倍。指令周期：CPU执行一条指令所占用时间称为指令周期。＊指令周期一般以机器周期为单位，一个指令周期通常由1~4个机器周期组成。＊外部设备一般都以机器周期为时间单位，对于应用来说，必须明白机器周期和振荡周期之间的关系。2.351单片机的辅助电路与CPU时序2.3.28051的CPU时序一个机器周期包含12个晶荡周期或6个S周期

指令的执行时间称作指令周期（单、双、四周期）2.351单片机的辅助电路与CPU时序8051的典型时序

各指令的微操作在时间上有严格的次序，这种微操作的时间次序被称作时序。

单字节指令双字节指令1、单周期指令时序2.351单片机的辅助电路与CPU时序2个机器周期中ALE信号有效4次，后3次读操作无效。

2、双周期指令时序2.351单片机的辅助电路与CPU时序

在第二机器周期无读操作码的操作，而是进行外部数据存储器的寻址和数据选通

。ALE信号会出现非周期现象。

访问外部RAM的双周期指令时序

2.351单片机的辅助电路与CPU时序2.3.38051单片机的复位一、复位电路复位目的是使单片机或系统中的其它部件处于某种确定的初始状态。

上电复位电路按键与上电复位

2.351单片机的辅助电路与CPU时序二、单片机复位后的状态PC=0000H，所以程序从0000H地址单元开始执行启动后，片内RAM为随机值，运行中的复位操作不改变片内RAM的内容；特殊功能寄存器复位后的状态是确定的：4个I/O口P0~P3=FFH，各口可用于输出，也可用于输入；堆栈指示器SP=07H，第一个入栈内容将写入08H单元；各中断源处于低优先级且均被关断；IP,IE,PCON有效位为0;串行通讯的波特率不加倍；程序状态寄存器PSW=00H，当前工作寄存器为0组。2.351单片机的辅助电路与CPU时序2.451单片机存储空间8051存储器可以分成两大类：﹡RAM

(RandomAccessMemory)

CPU在运行时能随时进行数据的写入和读出，但在关闭电源时，其所存储的信息将丢失。它用来存放暂时性的输入输出数据、运算的中间结果或用作堆栈。﹡ROM

(ReadOnlyMemory)是一种写入信息后不易改写的存储器。断电后，ROM中的信息保留不变。用来存放固定的程序或数据，如系统监控程序、常数表格等。

8051片内存储器

在物理上设计成程序存储器和数据存储器两个独立的空间。

﹡

内部ROM容量4K字节范围是：000H~0FFFH

﹡内部RAM容量128字节范围是：00H~7FH2.451单片机存储空间2.4.18051的程序存储器配置PC是16位的计数器，所以能寻址64KB的ROM。（8051内部有4KB的掩膜ROM，8751在内部有4KB的EPROM，而8031在内部没有程序存储器）。

2.451单片机存储空间

2.4.28051的数据存储器配置2.451单片机存储空间一、工作寄存器区

低端32个字节分成4个工作寄存器组，每组8个单元。当前工作寄存器组的机制便于快速现场保护。

PSW的RS1、RS0决定当前工作寄存器组号

寄存器0组：地址00H~07H；寄存器1组：地址08H~0FH；寄存器2组：地址10H~17H；寄存器3组：地址18H~1FH。2.451单片机存储空间二、位寻址区2.451单片机存储空间三、通用RAM区30H至7FH共80个字节为通用RAM;这些单元可以作为数据缓冲器使用;这一区域操作指令丰富，数据处理方便灵活。在实际应用中，常需在RAM区设置堆栈;80C51的堆栈一般设在30H~7FH的范围内。栈顶位置由SP寄存器指示,复位时SP初值为07H;在系统初始化时可以重新设置。2.451单片机存储空间四、80C51的特殊功能寄存器（SFR）内部21个特殊功能寄存器单元同内部RAM的128个字节统一编址，地址范围是80H～FFH。

SFR只用到了80H～FFH中的21个字节单元，且这些单元是离散分布的。（增强型单片机的SFR有26个字节单元，所增加的5个单元均与定时/计数器2相关。）2.451单片机的硬件资源与CPU时序

8051的特殊功能寄存器（SFR）名称2.451单片机存储空间80C51的特殊功能寄存器（SFR）分布情况2.451单片机的硬件资源与CPU时序8051的特殊功能寄存器（SFR）位地址2.451单片机存储空间1）与运算器相关的寄存器（3个）累加器ACC用于向ALU提供操作数，许多运算的结果也存放在累加器中；寄存器B主要用于乘、除法运算。也可以作为RAM的一个单元使用；程序状态字寄存器PSW：

D7D6D5

D4D3D2

D1D0

CYACF0

RS1

RS0OVF1PCY：进位、借位标志。有进位、借位时CY=1，否则CY=0；AC：辅助进位、借位标志；F0、F1：用户标志位，由用户自己定义；RS1、RS0：当前工作寄存器组选择位；OV：溢出标志位。有溢出时OV=1，否则OV=0；P：奇偶标志位。ACC中结果有奇数个1时P=1，否则P=0。2.451单片机存储空间2）指针类寄存器（3个）﹡堆栈指针SP

总是指向栈顶。

堆栈操作遵循“后进先出”的原则:入栈操作，SP先加1，数据再压入SP指向的单元;出栈操作，先将SP指向单元的数据弹出，SP再减1，这时SP指向的单元是新的栈顶。﹡数据指针DPTR，16位，存放16位地址。

由两个8位的寄存器DPH和DPL组成;间接寻址或变址寻址可访问片外的64KB范围的RAM或ROM数据。

2.451单片机存储空间3）与口相关的寄存器（7个）并行I/O口P0、P1、P2、P3，均为8位；串行口数据缓冲器SBUF；串行口控制寄存器SCON；串行通讯波特率倍增寄存器PCON（另与电源控制相关，又称电源控制寄存器）。2.451单片机存储空间4）与中断相关的寄存器（2个）中断允许控制寄存器IE；中断优先级控制寄存器IP。

2.451单片机存储空间5）与定时器/计数器相关的寄存器（6个）定时/计数器T0

2个8位计数初值寄存器TH0、TL0，可以构成16位的计数器，TH0存放高8位，TL0存放低8位；定时/计数器T12个8位计数初值寄存器TH1、TL1，可以构成16位的计数器，TH1存放高8位，TL1存放低8位；定时/计数器的工作方式寄存器TMOD；定时/计数器的控制寄存器TCON。2.451单片机存储空间8051的I/O口及功能单元一、4个8位并行口:P0-P3

均为双向口，既可输入，又可输出。二、2个16位定时/计数器

有4种方式工作三、一个全双工的串行口利用P3口的两个引脚P3.0和P3.1四、具有5个中断源的中断系统(第6章）

2.551单片机的硬件资源

2.5.14个8位并行口

P0-P3的结构 相同处？相异点？2.551单片机的硬件资源P0口结构2.551单片机的硬件资源P1口结构2.551单片机的硬件资源P2口结构2.551单片机的硬件资源P3口结构2.551单片机的硬件资源相同处：相异处：P0：P2：P1：P3：2.551单片机的硬件资源2.551单片机的硬件资源P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0INT0MCS-51K+5V2.551单片机的硬件资源2.5.22个16位定时/计数器1、定时/计数器的结构及工作原理实质是加1计数器（16位），由高8位和低8位两个寄存器组成。TMOD

定时/计数器工作方式寄存器，确定工作方式和功能；TCON

控制寄存器，控制T0、T1的启动和停止及设置溢出标志。2.551单片机的硬件资源2.551单片机的硬件资源设置为定时器模式时：

加1计数器是对内部机器周期计数；计数值N乘以机器周期就是定时时间t

。设置为计数器模式时：

计数脉冲由T0或T1引脚从外部输入；每个机器周期采样T0或T1输入。当某周期采样到一高电平，而下一周期又采样到一低电平时，则计数器加1。当晶振频率为12MHz时，最高计数频率不超1/2MHz，即计数脉冲的周期要大于2s。

2.551单片机的硬件资源

2.定时/计数器的控制

单片机定时/计数器的工作由两个特殊功能寄存器控制。TMOD用于设置其工作方式；TCON用于控制其启动和中断申请。2.551单片机的硬件资源工作方式寄存器TMOD

工作方式寄存器TMOD用于设置定时/计数器的工作方式，低四位用于T0，高四位用于T1。其格式如下：GATE：门控位，GATE＝0时，软件TR0（TR1）=1，启动；

GATA＝1时，TR0(TR1)=1，必须外部中断=1时启动。

:定时/计数模式选择位，0为定时模式，1为计数模式。M1

M0：工作方式设置位。设置定时/计数器四种工作方式。2.551单片机的硬件资源M1M0设置定时/计数器四种工作方式2.551单片机的硬件资源控制寄存器TCON

TCON的低4位用于控制外部中断,TCON的高4位用于控制定时/计数器的启动和中断申请。TF1：T1溢出中断请求标志位，T1计数溢出置TF1=1，

CPU响应中断后TF1由硬件自动清0；

TF1也可以用软件置1或清0。TR1：T1运行控制位，TR1置1时，T1开始工作；

TR1置0时，T1停止工作。

TR1由软件置1或清0。2.551单片机的硬件资源3.定时/计数器的工作方式

方式0为13位计数，由TL0的低5位（高3位未用）和TH0的8位组成。TL0的低5位溢出时向TH0进位，TH0溢出时，置位TCON中的TF0标志，向CPU发出中断请求。2.551单片机的硬件资源计数外部脉冲个数：1～8192(213),定时时间(T=1s)：1s～8.19ms2.551单片机的硬件资源方式1

计数位数是16位，由TL0作为低8位、TH0作为高8位，组成16位加1计数器。计数外部脉冲个数：1～65536(216)定时时间(T=1s)：65536×T=65.54ms2.551单片机的硬件资源方式12.551单片机的硬件资源方式2

自动重装初值的8位计数。最大计数值：256(28)最大定时时间(T=1s)：256s适用于需要重复定时和计数的场合2.551单片机的硬件资源方式22.551单片机的硬件资源方式3

只适用于定时/计数器T0，定时器T1处于方式3时相当于TR1=0，停止计数。

2.551单片机的硬件资源方式3（仅T0有）2.551单片机的硬件资源2.551单片机的硬件资源计数器初值X设定计数功能：X=2n-计数值 n:8/13/16定时功能：X=2n

-t/T

t:定时时间,T:机器周期例：fosc=12MHz，要求定时100μs，分别求定时器T0在16位、13位方式时应装入的时间常数。解：T=1μs，

X=216-(100/1)=FF9CH，X=213-(100/1)=1F9CH

16位时：MOVTH0,#0FFHMOVTL0,#9CH

13位时：MOVTH0,#0FCH

MOVTL0,#1CH2.551单片机的硬件资源定时/计数器应用过程

初始化程序应完成如下工作：1.对TMOD赋值，以确定T0和T1的工作方式;2.计算初值,并将其写入TH0、TL0或TH1、TL1;3.中断方式时，则对IE赋值，开放中断;4.使TR0或TR1置位，启动定时/计数器定时或计数。2.5.3一个全双工的串行口

51单片机内部有一个功能较强的全双工的异步通讯串行口。全双工就是两台计算机之间串行接收、发送数据可同时进行；异步通讯就是收、发双方不需要用时钟信号来同步控制传送。要传送的串行数据是以数据帧（若干位二进制数）形式一帧一帧地发送，通过传输线由接收数据设备一帧一帧地接收。2.551单片机的硬件资源计算机通信分两大类：并行通信与串行通信并行通信通常是将数据字节的各位用多条数据线同时进行传送。

特点：控制简单、传输速度快；由于传输线较多，长距离传送时成本高。串行通信是将数据字节分成一位一位的形式在一条传输线上逐个地传送。

特点：传输线少，长距离传送时成本低，且可以利用电话网等现成的设备，但数据传送控制比并行通信复杂,分为异步通信与同步通信2.551单片机的硬件资源2.551单片机的硬件资源串行通信的工作方式1)单工单工是指数据传输仅能沿一个方向传输。2)半双工半双工是指数据传输可以沿两个方向，但需要分时进行。3)全双工全双工是指数据可以同时进行双向传输。

2.551单片机的硬件资源1.51单片机串行口结构

有两个物理上独立的接收、发送缓冲器SBUF，它们占用同一地址99H；接收器是双缓冲结构；发送缓冲器，因为发送时CPU是主动的，不会产生重叠错误。

2.551单片机的硬件资源2.控制寄存器与波特率寄存器

1）控制寄存器SCON

一个特殊功能寄存器，设定串行口的工作方式、接收/发送控制以及设置状态标志：

2.551单片机的硬件资源●SM2，多机通信控制位，主要用于方式2和3。

SM2=1时可以利用收到的RB8来控制是否激活RI（RB8＝0时不激活RI，收到的信息丢弃；RB8＝1时收到的数据进入SBUF，并激活RI，进而在中断服务中将数据从SBUF读走）。

SM2=0时，不论收到的RB8为0和1，均可以使收到的数据进入SBUF，并激活RI（即此时RB8不具有控制RI激活的功能）。通过控制SM2，可以实现多机通信。在方式0时，SM2必须是0。在方式1时，若SM2=1，则只有接收到有效停止位时，RI才置1。●REN，允许串行接收位，由软件置REN=1，则启动串行口接收数据；若软件置REN=0，则禁止接收。2.551单片机的硬件资源●TB8，在方式2或方式3中，发送数据的第九位，可以用软件规定其作用。可以用作数据的奇偶校验位，或在多机通信中，作为地址帧/数据帧的标志位。在方式0和方式1中，该位未用。●RB8，在方式2或方式3中，接收数据的第九位，作为奇偶校验位或地址帧/数据帧的标志位。在方式1时，若SM2=0，则RB8是接收到的停止位。2.551单片机的硬件资源●TI，发送中断标志位。在方式0时，当串行发送第8位数据结束时，或在其它方式，串行发送停止位的开始时，由内部硬件使TI置1，向CPU发中断申请。在中断服务程序中，必须用软件将其清0，取消此中断申请。●RI，接收中断标志位。在方式0时，当串行接收第8位数据结束时，或在其它方式，串行接收停止位的中间时，由内部硬件使RI置1，向CPU发中断申请。也必须在中断服务程序中，用软件将其清0，取消此中断申请。2.551单片机的硬件资源2）波特率寄存器PCON

PCON中只有一位SMOD与串行口工作有关

：

SMOD（PCON.7）波特率倍增位。在串行口方式1、方式2、方式3时，波特率与SMOD有关，当SMOD=1时，波特率提高一倍。复位时，SMOD=0。

2.551单片机的硬件资源3.串行口的工作方式1、方式0

为同步移位寄存器输入/输出方式。主要用于扩展并行输入或输出口。数据由RXD（P3.0）引脚输入或输出，同步移位脉冲由TXD（P3.1）引脚输出。发送和接收均为8位数据，低位在先，高位在后。波特率固定为fosc/12。

方式0输出2.551单片机的硬件资源方式0输入

方式0接收和发送电路*752.551单片机的硬件资源方式1

方式1是10位数据的异步通信口。TXD为数据发送引脚，RXD为数据接收引脚，传送一帧数据的格式如图所示。其中1位起始位，8位数据位，1位停止位。方式1输出*762.551单片机的硬件资源方式1输入

用软件置REN为1时，接收器以所选择波特率的16倍速率采样RXD引脚电平，检测到RXD引脚输入电平发生负跳变时，则说明起始位有效，将其移入输入移位寄存器，并开始接收过程。

接收过程中，数据送入移位寄存器，一帧数据接收完成后，将接收到的数据装入接收SBUF，并置RI=1，向CPU请求中断。*772.551单片机的硬件资源

方式2和方式3

方式2或方式3时为11位数据的异步通信口。TXD为数据发送引脚，RXD为数据接收引脚。

方式2和方式3时，一帧数据为11位。1位起始位，9位数据位（第9位为SCON中的TB8，接收时为RB8），1位停止位。方式2的波特率固定为晶振频率的1/64或1/32，方式3的波特率由定时器T1的溢出率决定。

*782.551单片机的硬件资源

方式2和方式3输出

发送开始时，先把起始位0输出到TXD引脚，然后发送移位寄存器的输出位（D0）到TXD引脚。每一个移位脉冲都使输出移位寄存器的各位右移一位，并由TXD引脚输出。当一帧数据发送完成后，并置TI=1，向CPU请求中断。*792.