第二章 单片机的基本结构与工作原理C-改

第二章

单片机的基本结构与工作原理主要内容：MCS-51总体结构MCS-51时钟及CPU工作时序MCS-51存储器配置MCS-51系列基本产品型号：

8031、8051、8751、8951统称为51子系列。不同型号MCS-51单片机CPU处理能力和指令系统完全兼容，只是存储器和I/O接口的配置有所不同。MCS-51总体结构3硬件基本配置：8位CPU片内ROM/EPROM、RAM片内并行I/O接口片内16位定时器/计数器片内中断处理系统片内全双工串行I/O口4电源引脚（＋5V）和接地引脚；外接晶振引脚和；I/O引脚P0、P1、P2和P3；控制和复位引脚ALE、、、RST。MCS-51单片机引脚1．I/O功能接口（四个8位并行I/O接口）:

P0.0～P0.7（低8位地址、数据、双向三态I/O口）P1.0～P1.7（准双向I/O口）P2.0～P2.7（高8位地址、准双向I/O）P3.0～P3.7（准双向I/O口、每条引脚都有第二功能）为多功能引脚，可自动切换用作数据总线、地址总线、控制总线或I/O接口外部引脚。MCS-51单片机引脚2．控制引脚：允许地址锁存信号输出端(与P0配合)和对片内EPROM编程/校验时传送负脉冲(对8751);

：外部ROM读选通信号端;

：内/外ROM选择信号端和编程电源输入端(对8751);

：复位信号端和备用电源输入端。输入2个机器周期-10ms以上高电平脉冲，单片机复位。当因故障而降至规定低电平时，上的备用电源自动投入，对片内RAM实现掉电保护。MCS-51单片机引脚7ALE与P0配合（8031读片外ROM）：

MOVCA,@A+DPTR步骤：（1）8031CPU将高八位地址送到P2口（管脚）上，将低八位地址送到P0口（管脚）上；（2）一旦P0口上片外ROM的低八位地址稳定，8031就在ALE线上发出正脉冲的下降沿将低八位地址锁存到地址锁存器74LS373中；（3）8031自动使

变为低电平；（4）ROM芯片按CPU所给地址，读出相应数据并送到8031的P0口。8MCS-51单片机内部结构(图)中央处理器CPU内部结构1.算术逻辑单元ALU

(8位)+、–、×、÷算术运算，与、或、非、异或逻辑运算，循环移位，位处理。2.寄存器阵列

(1)4个工作寄存器区（0区～3区），每个区均含8个寄存器R0～R7

(8位)。暂存运算数据和中间结果。用PSW中的两位PSW.4和PSW.3来切换选择四个工作寄存器区中的一个工作寄存器区进行读、写操作。(P21页表2-3)(2)累加器A(8位)

需要ALU处理的数据和计算结果多数要经过A累加器。(3)寄存器B(8位)

与A累加器配合执行乘、除运算。亦可作通用寄存器。(4)程序状态字PSW(8位)

存放ALU运算过程的标志状态。

CyACF0RS1RS0OV—P进位/辅助进位/用户定/选工作寄/溢出标志/—/奇偶标志(5)数据指针DPTR(16位)

存放片外存储器地址，作为片外存储器的指针。可分成两个8位寄存器DPH、DPL使用。(6)堆栈指针SP(8位)（P23页）按“先进后出、后进先出”的原则存取数据的存储区。MCS-51堆栈设在片内RAM区。数据入栈/出栈时，(SP)自动先加1/后减1，其内容始终为栈顶地址。复位时：(SP)=07H，可通过对SP初始化具体设置堆栈区。3.程序计数器PC(16位)CPU总是按PC的指示读取程序。PC可自动加1，CPU执行程序一般是顺序方式。当发生转移、子程序调用、中断和复位等操作，PC被强制改写，程序执行顺序也发生改变。MCS-51复位时：(PC)=0000H。CPU从地址0开始执行程序，即复位入口地址为0.13MCS-51单片机的片外总线结构三总线结构：1.地址总线(AddressBus)

总线宽度为16位，可访问64K外部存储器。

A0~A7——P0口(经锁存器)A8~A15——P2口2.数据总线(DataBus)总线宽度为8位(P0)3.控制总线(ControlBus)由P3口和4根独立控制线组成MCS-51时钟时钟频率因型号各异，范围在1.2MHz～12MHz之间，典型值为12MHz和6MHz。1．内部时钟方式：内部一个高增益反相放大器与片外石英晶体或陶瓷振荡器构成了一个自激振荡器。晶体振荡器的振荡频率决定单片机的时钟频率。XTAL1

单片机

XTAL22．外部时钟方式：由外部振荡器提供时钟信号。15振荡周期：为单片机提供时钟信号的振荡源的周期。时钟周期：又称状态周期或S周期，是振荡周期的两倍，分为P1和P2两个节拍。在每个时钟周期的前半周期，P1信号有效（完成算术逻辑操作）；在每个时钟周期的后半周期，P2信号有效（完成数据传送）。机器周期：完成一个基本操作所需要的时间。一个机器周期由12个振荡周期组成(S1P1、S1P2、S2P1－－S6P1、S6P2)。指令周期：执行一条指令所占用的全部时间。以机器周期为单位可分为：单周期、双周期和四周期指令。若外接12MHz晶振时，MCS-51单片机四种周期的具体值为：

振荡周期＝1／12s

时钟周期＝1／6s

机器周期＝1s

指令周期＝1、2、4s

MCS-51工作时序16

按照指令字节数（单字节、双字节、三字节）和机器周期数（单周期、双周期、四周期），8051的111条指令可分为六类：

单字节单周期单字节双周期双字节单周期双字节双周期三字节双周期单字节四周期：乘、除法指令。注意：

凡指令码中含有直接地址或立即数的指令，其字节数均应在原有基础上分别加1。

17单周期指令的时序

对于单字节单周期指令，在S1P2把指令码读入指令寄存器，并开始执行指令，在S4P2仍旧读下一指令的操作码，但被读进来的字节不予考虑（要丢弃），且PC不加1。对于双字节单周期指令，在S1P2把指令码读入指令寄存器，并开始执行指令，在S4P2读入指令的第二字节。无论是单字节还是双字节均在S6P2结束该指令的操作。(a)单字节指令(a)双字节指令XTAL218

对于单字节双周期指令，在两个机器周期之内要进行4次读操作。只是后3次读操作无效。

单字节双周期指令的时序

在片外存储器不作存取时，每一个机器周期中ALE信号有效两次，具有稳定的频率。所以，ALE信号是时钟振荡频率的1/6，可以用作外部设备的时钟信号。

XTAL219访问片外RAM的双周期指令的时序

在对片外RAM进行读写时，ALE信号会出现非周期现象。访问片外RAM的单字节双周期指令的时序如下图所示，在第二个机器周期内没有读操作码的操作，而是进行外部数据存储器的寻址和数据选通，所以在S1P2～S2P1间无ALE信号。XTAL220MCS-51单片机存储器空间结构图图（a）是程序存储器（ROM）；图（b）是内部数据存储器（内部RAM）；图（c）是外部数据存储器

（外部RAM）。从功能上讲，MCS-51单片机有五种独立存储空间：1.64KB程序存储器ROM空间(0～0FFFFH)：内外统一编址，与有关；2.256B片内部数据存储器RAM空间(0H~0FFH)；3.128B片内特殊功能寄存器SFR空间(80H~0FFH)，部分可位寻址；4.

位寻址空间(00H~07FH)5.

64KB外部数据存储器RAM空间(0～0FFFFH)。MCS-51存储器配置程序存储器（64KB

）

=1，若PC值在0～0FFFH之间，则CPU访问片内ROM，若PC值大于0FFFH，则CPU访问片外ROM；

=0，则忽略片内ROM，

CPU只访问片外ROM。仅当CPU访问外部ROM时才有效（每机器周期输出两次负脉冲）。复位入口:

0000H中断入口:

0003H－

000BH－T0

0013H－

001BH－T10023H－串口中断片内数据存储器(128B)1.工作寄存器区：物理地址：00H～1FH2.位寻址区：物理地址：20H～2FH,其128bit位地址统一编为：00H～7FH还包括部分特殊功能寄存器3.堆栈/数据缓冲区：物理地址：00H～7FH一般使用30H～7FH注意：复位时，（SP）=07H！4.特殊功能寄存器SFR（8051有21个SFR）物理地址:在80H～0FFH之间其中一些物理地址可被8整除的单元可位寻址（位地址从80H开始）。专用寄存器：ACC、B、PSW、DPTR、SPI/O接口、定时器等寄存器：P0、P1、P2、P3、SBUF、TMOD、TCON、SCON…25表2-5特殊功能寄存器地址映象

26存储器结构注意点：1．ROM（8051）——

引脚片内：4KB；片外：64KB中的60KB（“MOVC”）；2．RAM

片内：256B(00H-0FFH)，片外：64KB(0000H-0FFFFH)，

片内外RAM总和超过64KB，系统用两种操作码助记符区分片内、片外RAM：

“MOV”――对片内RAM寻址，

“MOVX”――对片外RAM寻址，片内RAM由以下几部分组成：（1）工作寄存器区（00H-1FH）分为四个区——

PSW.4和PSW.3；27（2）位寻址区（20H-2FH）例：位置位指令：

SETB7FH；