第三章MCS51单片机的结构和原理3

第三章

MCS-51单片机的结构与原理

MCS-51是Intel公司的一种单片机系列的名称，属于这一系列的单片机芯片有许多种。后来，Intel公司将MCS-51的核心技术授权给了很多公司，从而产生了许多以MCS-51为核心的单片机。所以，现在MCS-51已经不仅仅是一种单片机系列的名称，而是一种典型的单片机结构的名称。这些单片机的具体功能会有很多不同，但它们的基本组成和基本性能都是相同的。1第三章

MCS-51单片机的结构与原理3.1MCS-51系列单片机的结构3.28051单片机的引脚及其功能3.3MCS-51单片机的工作方式3.4MCS-51单片机的时序3.5MCS-51单片机外部存储器的扩展

23.1MCS-51系列单片机的结构一、

MCS-51单片机的基本组成

3一、

MCS-51单片机的基本组成中央处理器；内部数据存储器(RAM)；内部程序存储器(ROM)；4个8位的并行输入／输出端口；2个或者3个定时／计数器；内部中断控制系统；一个串行接口电路；内部时钟产生电路；各个部分通过内部数据总线相连接。

4一、

MCS-51单片机的基本组成可通过三总线与外设或者外部存储器相连接；数据总线、地址总线和控制总线。没有单独的地址总线和数据总线，而是和P0口、P2口共用的。P0口分时地作为低8位地址线和8位数据线；P2口则作为高8位地址线用。16条地址线和8条数据线。5一、

MCS-51单片机的基本组成16条地址线和8条数据线。程序存储器和数据存储器是分开的。用同样的16条地址线，加上不同的控制信号，可以分别寻址64KRAM和64KROM。扩大了寻址容量。6二、MCS-51系列产品与性能带“c”：工艺为CM0S，故具有低功耗的特点。如8051功耗约为620mw，而80C51的功耗只有120mw。后两组为“52系列”，性能要高于51系列，除了存储器配置等差别外，8052片内ROM中还掩腥了BASIC解释程序，因而可以直接使用BASIC程序。此外，87C51和87C252还具有两级程序保密系统。7二、MCS-51系列产品与性能51单片机都采用哈佛结构，具有和8051单片机相同的指令集。可以运行805l的程序代码，具有更好的性能体现在以下几个方面。(1)更快的速度(2)更大、更灵活的存储器配置(3)更丰富的接口8三、

8051单片机的内部结构和一般微处理机相比，除了增加了接口部分外，基本结构是相似的，有的只是部件名称不同。存储器的设计☆程序计数器PC91、中央处理器CPU（8位）由运算器、控制器和若干个特殊功能寄存器组成。运算器可以完成加、减及各种逻辑运算，还可以直接完成乘、除运算。8051的位操作功能也很强，包括位传送、运算以及转移等多项功能。8051的控制器在单片机内部协调各功能部件之间的数据传送并，对单片机外发出若干控制信息，如PSEN，ALE，RD，WR等。（时序节详解）CPU中使用的特殊功能寄存器有ACC、B、PSW、SP和DPTR。10CPU中的特殊功能寄存器（1）A——累加器。（2）B——B寄存器，主要乘、除法运算用，通用寄存器。（3）PSW——程序状态字：相当于一般的标志寄存器，包含程序运行状态、信息。11CPU中的特殊功能寄存器CY：进位/借位标志；位累加器。最高位有进位或借位时，为1。AC：辅助进/借位标志；用于十进制调整。D3向D4位有进位或借位时，为1。F0：用户定义标志位；软件置位/清零。OV：溢出标志；当有符号数运算结果超出范围时为1

。P：奇偶标志；A中1的个数为奇数P=1；否则为0。12CPU中的特殊功能寄存器RS1、RS0：工作寄存器组选择控制。13CPU中的特殊功能寄存器（4）堆栈指针SP堆栈是在内存中专门开辟出来的按照“先进后出，后进先出”原则进行数据存取的区域。堆栈指示器SP就是用来指示堆栈位置的。在使用堆栈之前，先给SP赋值，以规定堆栈的起始位量，称为栈底。当数据存人堆栈后，堆栈指示器的值也随之而变化。主要用于数据传送；子程序调用及返回和中断处理断点的保护及返回。8051单片机使用内部RAM区域作为堆栈。复位后，SP=07H，用户可根据需要通过指令改变SP的值，从而改变堆栈的位置。14CPU中的特殊功能寄存器堆栈有两种类型：向上生长型和向下生长型。805l的堆栈属于向上生长型，数据压入堆栈时指针加1.15CPU中的特殊功能寄存器（5）数据指针DPTR是一个16位寄存器，由高位字节DPH和低位字节DPL组成。DPTR主要用来存放16位地址,当对64KB外部数据存储器空间寻址时,作为间址寄存器用。在访问程序存储器时,用作基址寄存器。162．定时／计数器

8051内部有两个16位可编程定时／计数器，记为定时器To和T1。在定时工作时，时钟由单片机内部提供，即系统时钟经过12分频后作为定时器的时钟。计数工作作时，两个计数器的时钟脉冲(计数脉冲)由T0和T1(即P3．4和P3．5)两个引脚输入。可以产生中断。173．串行口

8051单片机内部有一个可编程的、全双工的串行接口。使得数据可以一位一位串行地在计算机和外设之间传送。4．中断系统8051的中断系统允许接受5个独立的中断源，即两个外部中断申请，两个定时／计数器中断以及一个串行口中断。可以设置两个中断优先级，即高优先级和低优先级，由中断优先控制寄存器IP来控制。18四、51单片机存储器配置（结构）8051片内有256B的RAM和4KB的ROM。还可以在片外扩展RAM和ROM，并且各占64KB的寻址范围。也就是最多可以在外部扩展2×64KB存储器。程序存储器数据存储器191、物理、逻辑上的分区物理上分为：4个空间，即片内ROM、片外ROM片内RAM、片外RAM逻辑上分为:

3个空间，即程序内存（片内、外）统一编址MOVC

数据存储器（片内）MOV

数据存储器（片外）MOVX20程序存储器数据存储器物理上分为：4个空间，即片内ROM、片外ROM片内RAM、片外RAM21程序存储器数据存储器逻辑上分为:

3个空间，即程序内存（片内、外）统一编址MOVC

数据存储器（片内）MOV

数据存储器（片外）MOVX222、程序存储器程序存储器：EA的作用；当EA接低电平时，CPU只从片外ROM取指令。程序存储器的某些单元是保留给系统使用的（有固定的作用）。程序存储器数据存储器232、程序存储器寻址范围：0000H~FFFFH容量64KB，即地址长度：16位

，寻址内部ROM；

，寻址外部ROM。

当PC值超过片内ROM容量时会自动转向外部存储器空间。8031单片机接低电平。作用：

存放程序及程序运行时所需的常数。24七个具有特殊含义的单元是：

0000H——

系统复位，PC指向此处；

0003H——

外部中断0入口

000BH——T0溢出中断入口

0013H——

外中断1入口

001BH——T1溢出中断入口

0023H——

串口中断入口

002BH——T2溢出中断入口

253、数据存储器数据存储器：片内、片外片内RAM256个字节被分为两个区域：00H~7FH：是真正的RAM区，可以读写各种数据；80H~FFH：是专门用做特殊功能寄存器(SFR)的区域。8051：21个8位SFR。128个字节并没有全部利用。程序存储器数据存储器26内部数据存储器物理上分为两大区域：00H~7FH即128B内RAM区

80H~FFH即SFR区。R0、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7既可位操作，又可字节操作数据缓冲区、堆栈区、工作单元27(1)工作寄存器区工作寄存器区：从00H~1FH安排了4组工作寄存器，每组占用8个RAM字节，记为R0~R7。在某一时刻，只能使用其中的一组工作寄存器，其选择则由程序状态字寄存器PSW中的两位来确定。工作寄存器的作用就相当于一般微处理器中的通用寄存器28位寻址区（20H—2FH）16个字节。16*8=128位，每一位都有一个位地址，范围为：00H—7FH，位地址区也可作为一般RAM使用。SFR也有一部分是可以位寻址的。特点是字节地址可以被8整除。(2)位寻址区29(3)特殊功能寄存器SFR为特殊功能寄存器。其寻址空间：80H--FFH其中，51子系列有18个寄存器，占有21个字节；52子系列有21个寄存器，占有26个字节。

51子系列SFR的地址分配见下页表：3051子系列SFR一览表31五、并行I/O端口8051有4个8位并行输入／输出端口，记作P0、P1、P2和P3，共32条I／O线，实际它们就是特殊功能寄存器中的4个。它们都是双向通道，每一条I／O线都能独立地用做输入或输出。作输出时数据可以锁存；作输入时数据可以缓冲；但这4个通道的功能不完全相同。4个通道特性上的差别主要是通道0、通道2和通道3都还有第二功能，而通道1则只能用做I／O口。3251的并行I/O口逻辑图33作为IO方式时基本特性相同作为输出口：内部带锁存器，故可以直接和外设相连，不必外加锁存器。作为输入口：都有两种工作方式，即所谓读端口和读引脚。每个端口各有两个输入缓冲器，CPU根据不同的指令，分别发出“读端口”或“读引脚”信号，以完成两种不同的读操作。读端口时实际上并不从外部读入数据，而只是把端口锁存器中的内容读入到内部总线，经过某种运算和变换后，再写回到端口锁存器。如对端口内容取反等。有时称为“读—改—写”指令。读引脚时才真正地把从外部加到引脚上的数据读入到内部总线，“准双向”口。34读引脚输入操作时的附加准备动作读引脚时，要先通过指令，把端口锁存器置1，然后再进行读引脚操作，否则就可能读入出错。场效应管导通，可能读到的永远是0。若不先对端口置1，端口锁存器中原来状态有可能为0，加到输出驱动场效应管栅极的/Q信号为1，使得场效应管导通，对地呈现低阻抗。这时即使引脚上输入的是1信号，也会出端口的低阻抗而使信号变低，使得外加的1信号读入后不一定是1。若先执行置1操作，则/Q＝0可以驱动场效应管截止，引脚信号直接加到三态缓冲器，实现正确的读人。由于在输入操作时还必须附加一个准备动作，所以这类IO口被称为“准双向”口。35P0口逻辑图作地址/数据时，控制=1.总结特点：（1）P0口既可作通用I/O口使用，又可作地址/数据总线口；（2）P0既可按字节寻址，又可按位寻址；（3）作地址/数据总线口时，P0是一真正双向口。而作通用I/O口时，只是一个准双向口（4）P0作为输入口使用时：是准双向口；（5）作通用I/O口输出时：是开漏输出，

应外接上拉电阻。36P1口逻辑图只能作I/O口用，且是一个准双向口。内部已有上拉电阻，不是开漏输出口。可按字节寻址，也可按位寻址。特点：37P2口逻辑图特点：（1）当P2口作为通用I/O时，是一准双向口；（2）可位寻址，也可按字节寻址；（3）可输出地址高8位。（即使有空余，也不能作通用I/

O口）

38P3口逻辑图特点：（1）作通用I/O时，“第二输出功能”保持高电平；（2）工作于第二功能时，该位锁存器应置1；（3）作输入口时，输出锁存器和选择输出功能端都应置1；（4）第二功能专用输入，取自输入通道第一缓冲器（G1）输出端，通用输入信号取自“读引脚”。

39P3口的第二功能40在系统需要外部扩展时小结：1、P0口：地址低8位与数据线分时使用端口，2、P1口：按位可编址的输入输出端口，3、P2口：地址高8位输出口4、P3口：用第二功能。若不用第二功能，也可作通用I/O口。5、按三总线划分：

地址线：P0低八位地址，P2高八地址；数据线：P0输入输出8位数据；控制线：P3口的8位加上/PSEN、ALE共同完成控制总线。41外接上拉问题及负载能力系统采用CMOS输入时，P0口应外加上拉电阻（5.1K或者4.7K

），P1、P2、P3口无需外加上拉电阻即可驱动。P0口能驱动8个LSTTL负载，

P1、P2、P3口只能驱动4个系统复位后，锁存器均自动置“1”，不需作任何设置即可正常工作。423.28051单片机的引脚及其功能40线双列直插式封装许多引脚具有双功能

43引脚分类：1、主电源引脚Vss、Vcc2、外接晶振引脚XTAL1、XTAL2在使用单片机内部振荡电路时，这两个端子用来外接石英晶体和微调电容。使用外部时钟时，用来输入时钟脉冲443、输入/输出引脚P0.0~P0.7；P1.0~P1.7；P2.0~P2.7；P3.0~P3.7四个I/O口，每口八条线；还兼作地址/数据线。第二功能。454、控制与复位引脚=0时，只访问外部程序存储器,即外ROM=1时，访问内部程序存储器,即内ROM

/Vpp——内\外ROM选择端

EAEAEAALE/PROG--------ALE地址锁存控制端提供1/6fosc振荡频率；---------PROG为8751内的EPROM输入编程脉冲。PSEN——外部程序存储器的读选通信号端。Vpp8751的21v编程电源输入。46复位引脚RST/VPD——复位/备用电源输入。当出现两个机器周期高电平时，单片机复位。复位后，P0~P3输出高电平；SP寄存器为07H；其它寄存器全部清0；不影响RAM状态。参考复位电路如下：47参考复位电路如下48MCS-51对外三总线的形成MCS-51对外三总线的形成外部程存读选通外部数存读选通外部数存写选通493.3MCS-51单片机的工作方式3.3.1复位方式3.3.2程序执行方式3.3.3单步执行方式3.3.4掉电和节电方式3.3.5编程和校验方式503.4MCS-51单片机的时序

时钟的基本概念

启动单片机后，指令执行顺序：

取指令

分析

执行微型计算机的CPU实质上就是一个复杂的同步时序电路，所有工作都是在时钟信号控制下进行的。每执行一条指令，CPU的控制器都要发出一系列特定的控制信号，这些控制信号在时间上的相互关系问题就是CPU的时序问题。513.4.1机器周期和指令周期机器周期和指令周期执令周期：即从取指到执行完，所需时间。不同机器指令周期不一样；即使相同机器，不同的指令其指令周期也不一样。机器周期：机器的基本操作周期。5251单片机的机器周期和指令周期MCS-51的一个机器周期包括12个振荡周期(时钟周期)，分为6个S状态S1~S6，而每个状态又分为两拍，称为P1和P2。在MCS-51系统中，有单周期指令、双周期指令和四周期指令。

指令长度为1字节、2字节、3字节。53机器周期的计算振荡周期：由振荡时钟产生。

振荡周期Tosc=1/fosc

一个机器周期=12个振荡周期=12×1/fosc。

例如：若fosc=12MHz，则一个机器周期=1μs。543.4.2

MCS-51指令的取指／执行时序

每一条指令的执行都包括取指令和执行指令两个阶段。在一般所指令执行过程中，ALE信号是周期出现的信号，可以给其他外设作时钟用。对于MCS-51来说，并不是指令的字节数越多需要的执行指令的机器周期数也越多。每个机器周期出现两次ALE信号，可以读两次指令。在S1P2和S2P1及S4P2和S5P1期间。有效宽度为1个状态。551字节单周期指令例：INCA2字节单周期指令例：ADDA，DATA1字节双周期指令例：INCDPTR56（1）单字节单周期指令：INCA只需进行一次读指令操作（指令只有一个字节），当第二个ALE有效时，由于PC没有加1，读出的还是原指令。属于一次无效操作。（2）双字节单周期指令：ADDA，#dataALE两次读操作都有效，第一次读操作码（指令第一字节），第二次读立即数（指令第二字节）。（3）单字节双周期指令：INCDPTR两个机器周期共进行四次读指令操作，但其后三次的读操作都是无效的。573.4.3访问外部ROM和外部RAM的时序

如果指令是从外部程序ROM中读取，P0口和P2口提供地址和数据总线，ALE地址锁存允许，控制信号还有PSEN。访问外部数据RAM的时序，包括从RAM中读和写两种时序，但基本过程是相同的。控制信号有ALE和RD(读)／WR(写)。P0口和P2口在取指阶段用来传送ROM地址和指令，而在执行阶段，传送RAM地址和读写的数据。MCS-51对外三总线的形成外部程存读选通外部数存读选通外部数存写选通581、读外部程序存储器ROM的时序592、外部数据RAM的读时序外部数据RAM的写时序是类似的。ROM地址A8~A15RAM地址A8~A15A0~7