第二章 单片机结构

第二章MCS-51单片机结构组成及时序主要内容：

1.MCS-51单片机组成（CPU结构、存储器结构、并行I/O端口结构）

2.MCS-51单片机引脚功能和时序

3.MCS-51单片机复位

重点理解：

1.

MCS-51系列单片机存储器结构特点

2.单片机特殊功能寄存器的作用

3.不同场合下单片机引脚的复用功能

4.单片机的位处理功能及其作用第二章-------1wyx一、MCS-51系列单片机的主要特性：

1)

8位字长CPU和指令系统。

2)1个片内时钟振荡器和时钟电路。

3)64K外部数据存储器的地址空间。

4)64K外部程序存储器的地址空间。

5)32条双向且分别可位寻址的I／O口线。

6)128字节的片内RAM(52子系列为256字节)。

7)2个16位定时器／计数器(52子系列为3个)。

8)具有2个优先级的5个中断源结构(52子系列有6个)。

9)1个全双工串行口。

10)1个布尔处理器。

2.1MCS-51单片机的内部结构第二章-------2wyx二、MCS-51单片机的内部结构

时钟源T0T1P0

P1

P2

P3TXDRXDINT0INT1时钟电路SFR和RAMROM定时/计数器CPU串行I/O口中断系统并行I/O口系统总线图2-1MCS-51单片机的功能模块框图

MCS-51单片机的功能模块框如下图所示。

MCS-51单片机由8位CPU、只读存储器EPROM／ROM、读写存储器RAM、并行I／O口、串行I／O口、定时器／计数器、中断系统、振荡器和时钟电路等部分组成。各部分之间通过内部总线相连。第二章-------3wyxMCS-51的内部结构框图第二章-------4wyx图2-2MCS-51单片机的内部结构框图1.MCS-51的CPU

由运算器和控制器所构成

1）运算器

对操作数进行算术、逻辑运算、位操作、移位等操作。

（1）算术逻辑运算单元ALU

（2）累加器A

使用最频繁的寄存器，可写为ACC。作用：是ALU的输入之一，又是运算结果的存放单元。数据传送大多都通过累加器A。MCS-51增加了一部分可以不经过累加器的传送指令，即可加快数据的传送速度，又减少A的“瓶颈”现象。

（3）通用寄存器B

通用的数据寄存器和乘除法的专用寄存器。第二章-------5wyx（4）程序状态字寄存器PSW

Cy（PSW.7）进位标志位，位操作时作累加器使用。Ac（PSW.6）辅助进位标志位，用于BCD码的十进制调整运算。F0（PSW.5）用户使用的状态标志位。RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）4组工作寄存器区选择控制位1和位0。

RS1RS0所选的4组寄存器

000区（内部RAM地址00H～07H）

011区（内部RAM地址08H～0FH）

102区（内部RAM地址10H～17H）

113区（内部RAM地址18H～1FH）第二章-------6wyx第二章-------7wyxOV（PSW.2）溢出标志位指示运算是否产生溢出，通常采用双高判别法。PSW.1位

保留位，未用。P(PSW.0)

奇偶标志位

P=1，A中“1”的个数为奇数

P=0，A中“1”的个数为偶数2）控制器计算机的指挥控制部件

（1）程序计数器PC（ProgramCounter）

存放下一条要执行的指令在程序存储器中的地址。基本工作方式有以下几种：程序计数器自动加1执行有条件转移或无条件转移指令时，PC将被置入新的数值，从而使程序的流向发生变化。执行子程序调用或中断调用，完成下列操作：①PC的现行值保护②将子程序入口地址或中断向量的地址送入PC。

第二章-------8wyx

（2）指令寄存器IR、指令译码器ID及控制逻辑电路。（3）

数据指针DPTR（16位）可作数据和地址寄存器

高位字节寄存器用DPH表示，低位字节寄存器用DPL表示。

（4）

堆栈指针SP

指示堆栈顶部在内部RAM块中的位置。复位后，SP中的内容为07H。 作用：

①保护断点

②现场保护

操作：①入栈：SP+1，写入数据。

②出栈：弹出数据，SP-1。

第二章-------9wyx2.MCS-51存储器结构MCS-51系列单片机其存储结构特点是：

将程序存储器和数据存储器分开，并有各自的寻址机构和寻址方式，这种结构的单片微型计算机称为哈佛型结构单片机。在物理上有4个相互独立的存储空间：

片内和片外程序存储器；片内和片外数据存储器。

在逻辑上有三个彼此独立的地址空间：

1.片内外统一编址的64KB程序存储器地址空间；

2.256字节的片内数据存储器地址空间（高128字节为特殊功能寄存器）；

3.64KB片外数据存储器地址空间第二章-------10wyx外部ROM内部ROM(EA=1)外部ROM(EA=0)0000H0FFFH1000HFFFFH外部RAM(I/O口)0000H0FFFFH程序存储器（c）特殊功能寄存器区00H

30H2FH

0FFH工作寄存器区位寻址区20H1FH80H7FH0000H0FFFH内部数据存储器（a）外部数据存储器（b）一般RAM区

MCS-5l系列存储器地址空间分配图

第二章-------11wyx1）MCS-51程序存储器

6个特殊单元：

0000H复位后，PC=0000H，开始执行程序

0003H外部中断0（INT0）入口

000BH定时器0中断（TF0）入口

0013H外部中断1（INT1）入口

001BH定时器1中断（TF1）入口

0023H串行口中断TI/RI入口

程序存储器用于存放调试好的应用程序和表格常数。MCS-5l采用16位的程序计数器PC和l6位的地址总线，64KB片内、外的程序存储器空间连续、统一。第二章-------12wyx2）MCS-51数据存储器

数据存储器地址空间由内部和外部数据存储器空间组成。内部和外部数据存储器空间存在重叠。通过不同指令来区别

内部数据传送指令：MOV外部数据传送指令：MOVX第二章-------13wyx(1)工作寄存器区（00H～1FH）分成4组，每组8个寄存器R0-R7(2)位寻址区（20H～2FH）既可进行字节寻址，又可进行位寻址。这16个单元共有16×8＝128位,对应位地址00H-7FH。(3)通用存储区（30H～7FH）

外部数据存储器（0000H～FFFFH）

范围为64K字节，采用R0、R1或DPTR寄存器间址方式访问。

内部数据存储器在物理上又可分成三部分：低128字节RAM、高128字节RAM(仅8032／8052才有)和专用寄存器(SFR)。

低128字节RAM由工作寄存器区、位寻址区和通用RAM区组成。数据存储器地址空间8032／8052的高128字节RAM和专用寄存器(SFR)空间重合，通过不同寻址方式区别第二章-------14wyx在低128字节RAM中,00H~1FH共32单元是4个通用工作寄存器区。每一个区有8个通用寄存器R0~R7。寄存器和RAM地址对应关系如表2.2。与PSW中RS0、RS1位关系如下表RS1RS0寄存器组片内PAM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~R7表2.2寄存器与RAM地址对照表表2.1RS1、RS0与片内工作寄存器组的对应关系第二章-------15wyx工作寄存器区

20H~2FH单元是位寻址区。这16个单元(共计16×8=128位)的每一位都赋予了一个位地址，位地址范围为00H~7FH。位寻址区的每一位都可当作软件触发器，由程序直接进行位处理。通常可以把各种程序状态标志、位控制变量存于位寻址区内。第二章-------16wyx位寻址区第二章-------17wyx

30H~7FH是数据缓冲区，也即用户RAM区，共80个单元。由于工作寄存器区、位寻址区、数据缓冲区统一编址，使用同样的指令访问，这三个区的单元既有自己独特的功能，又可统一调度使用。因此，前两个区未使用的单元也可作为用户RAM单元使用，使容量较小的片内RAM得以充分利用。第二章-------18wyx通用存储区外部数据存储器一般由静态RAM构成，其容量大小由用户根据需要而定,最大可扩展到64KBRAM,地址是0000H~0FFFFH。CPU通过MOVX指令访问外部数据存储器,用间接寻址方式,R0、R1和DPTR都可作间接寄存器。注意,外部RAM和扩展的I/O接口是统一编址的,所有的外扩I/O口都要占用64KB中的地址单元。第二章-------19wyx外部数据存储器3）特殊功能寄存器地址空间

共有21个专用寄存器SFR，离散分布在片内RAM的高128字节地址80H～0FFH中。程序计数器PC不占据RAM单元，在除PC外的专用寄存器SFR中，有11个专用寄存器既可字节寻址，又可位寻址（字节地址为8的整倍数）。标识符名称字节地址*Acc累加器E0H*BB寄存器F0H*PSW程序状态字D0HSP堆栈指针81HDPTR数据指针(DPH和DPL)82H,83H*P0口080H*P1口190H*P2口2A0H*P3口3B0H*IP中断优先级寄存器B8H*IE中断控制寄存器A8HTMOD定时器方式寄存器89H*TCON定时器控制寄存器88H标识符名称字节地址TH0计数器0高位8CHTL0计数器0低位8AHTH1计数器1高位8DHTL1计数器1低位8BH*SCON串行口控制98HSBUF串行数据缓冲器99HPCON电源控制97H位地址的表示法例如：

位名称CY、RS0

寄存器名加序号PSW.7，ACC.1

字节地址加序号20H.3

直接位地址00H第二章-------20wyx（1）累加器ACC—累加器A在大部分的算术运算中存放某个操作数和运算结果。（2）寄存器B—寄存器B主要用于与累加器A配合执行乘法和除法指令的操作。（3）程序状态字PSW—8位寄存器，用来存放程序状态信息。某些指令的执行结果会自动影响PSW的有关状态标志位，有些状态位可用指令来设置。

特殊功能寄存器第二章-------21wyx（4）堆栈指针SP

栈指针SP为一个8位专用寄存器，每存入(或取出)一个字节数据，SP就自动加1(或减1)，SP始终指向新的栈顶。系统复位后钱指针初始化为07H。（5）数据指针DPTR16位的专用寄存器，由高位字节DPH和低位字节DPL组成。可作为一个16位寄存器使用，也可以作为2个独立的8位寄存器DPH和DPL使用。（6）

I/O端口P0～P3

专用寄存器P0～P3分别是I/O端口P0～P3的锁存器。可以把I/O口当作一般的专用寄存器来使用，没有专门设置的口操作指令，全部采用统一的MOV指令。第二章-------22wyx关于数据存储器

1）根据地址总线宽度，在片外可扩展的存储器最大容量为64KB，地址范围为0000H～FFFFH。2）片外数据存储器与程序存储器的操作使用不同的指令和控制信号，允许两者的地址重复。因此，片外要扩展的数据存储器与程序存储器各为64KB。3）片外数据存储器与片内数据存储器的操作指令亦不同(对片外RAM用MOVX指令)，所以也允许两者的地址重复，内部数据存储器的地址00H～FFH，外部扩展数据存储器的地址可以从0000H～FFFFH。注意：采用R0、R1或DPTR寄存器间址方式访问片外数据存储器。当采用R0、R1间址时只能访问低256字节，采用DPTR间址可访问整个64K字节空间。第二章-------23wyx3.并行I/O接口

MCS-5l单片机内有四个8位并行I／O端口，为P0、P1、P2和P3。每个端口都是8位准双向I／O口，共占32根引脚。每个端口都包含一个锁存器、一个输出驱动器和一个输入缓冲器。

并行I/O接口的内部结构

P0口的每位锁存器均由D触发器组成，用来锁存输出的信息。在CPU的“写锁存器”信号驱动下，将内部总线上的数据写入锁存器中。

P0口某位的结构图

第二章-------24wyx

当由P0口输入数据时，由于外部输入信号既加在缓冲输入端上，又加在驱动电路的漏极上。如果这时T2是导通的，则引脚上的电位始终被钳位在0电平上，输人数据不可能正确地读人。因此，在输入数据时，应先把P0口置1，使两个输出FET均关断，使引脚“浮置”，成为高阻状态，这样才能正确地插人数据。这就是所谓的准双向口（输出数据时需接上拉电阻）。第二章-------25wyx

P1口为准双向口，其1位的内部结构如图所示。它在结构上与P0口的区别在于输出驱动部分。其输出驱动部分由场效应管V1与内部上拉电阻组成。当其某位输出高电平时，可以提供拉电流负载，不必像P0口那样需要外接上拉电阻。第二章-------26wyx

P2口当作为准双向通用I/O口使用时，控制信号使转换开关接向左侧，锁存器Q端经反相器3接V1，其工作原理与P1相同，也具有输入、输出、端口操作三种工作方式，负载能力也与P1相同。第二章-------27wyx

P3口与Pl口的输出驱动部分及内部上拉电阻相同，但比P1口多了一个第二功能控制部分的逻辑电路〔由一个与非门和一个输入缓冲器组成〕第二章-------28wyxP3.0(RXD)：串行输入端。P3.1(TXD)：串行输出端。P3.2(INT0)：外部中断0输入端，低电平有效。P3.3(INT1)：外部中断1输入端，低电平有效。P3.4(T0)：定时／计数器0外部事件计数输入端。P3.5(T1)：定时／计数器1外部事件计数输入端。P3.6(WR)：外部数据存储器写选通信号，低电平有效。P3.7(RD)：外部数据存储器读选通信号，低电平有效。

P3口每位的第二功能：第二章-------29wyxP0～P3的功能及使用时的注意事项

1.在无片外扩展存储器的系统中，这四个端口的每一位都可以作为准双向通用I／O端口使用。在具有片外扩展存储器的系统中，P2口作为高8位地址线，P0口作为双向总线，分时作为低8位地址和数据的输入／输出线。

2.P0口作为通用双向I／O口用时，必须外接上拉电阻。

3.P3口除了作通用I／O使用外，它的各位还具有第二功能。当P3口某一位用于第二功能作输出时，则不能再作通用I／O使用。

4.当P0～P4端口用作输入时，为了避免误读，都必须先向对应的输出锁存器写入“l”，使FET截止。然后再读端口引脚。

如：MOVP1,#0FFHMOVA,P1第二章-------30wyx4.串行I/O接口

MCS-51单片机内部有一个可编程全双工串行接口，由RXD和TXD进行数据的接收和发送。第二章-------31wyx

MCS-51及其5l子系列的其它成员都具有相同的中断结构。

8051有5个中断源—2个外部中断源INT0和INT1，2个片内定时器／计数器溢出中断源，1个片内串行口中断源。分为两级——高级中断和低级中断。其中任何一个中断源的优先级均可由软件设定为高级或低级，能实现两级中断服务程序嵌套。

都是可屏蔽的，由软件设定。6.中断系统

MCS-51单片机内部有两个16位的可编程加1定时/计数器。5.定时器/计数器2.2MCS-51单片机的引脚及功能

一、引脚：40脚分三类1、电源线和时钟信号线共4根

VCC，GND——电源和地+5V电源供电；

X1——时钟振荡器输入端，内部振荡器输入端；

X2——时钟振荡器输出端，内部振荡器输出端。2、控制线4根RST——复位信号，晶振工作后2个机器周期的高电平复位CPU；ALE——地址锁存信号访问外部存储器时该信号锁存低8位地址；无RAM时，ALE为晶振6分频；/PSEN——外部程序存储器读从程序存储器中取指令或读取数据时，该信号有效。/EA——程序存储器有效地址，/EA=1从内部开始执行程序；/EA=0从外部开始执行程序；3、I/O口线32根----MCS-51系列单片机P0、P1、P2、P3共32位，对应芯片的32根引脚。第二章-------32wyx单片机的片外三总线结构第二章-------33wyx二、时钟电路及时序

1.时钟电路

MCS-5l单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTALl和XTAL2分别是反相放大器的输入端和输出端，由这个放大器与作为反馈元件的片外晶体或陶瓷谐振器一起构成了一个自激振荡器，如图2-4所示。这种方式形成的时钟信号称为内部时钟方式。图2-