单片机结构和工作原理分解

单片机原理与应用第2章MCS-51系列单片机构造和工作原理2.1MCS-51系列单片机概述2.28051单片机的内部构造和工作原理2.38051单片机的工作方式本章要点：第2章MCS-51系列单片机构造和工作原理2.1MCS-51系列单片机概述

MCS-51是指由美国Intel公司生产的一系列单片机的总称，这一系列单片机包括了很多型号，如8031，8051，8751，8032，8052，8752等。其中8051是最早生产、最典型的产品。MCS-51系列的其他单片机，都是在以8051为内核的根底上，进展了功能的增加以及外围接口的转变。因此，人们习惯于用8051来称呼MCS-51系列单片机。第2章MCS-51系列单片机构造和工作原理8051是最早生产、最典型的产品。MCS-51系列的Intel公司将MCS-51的核心技术授权给了很多其他公司，所以有很多公司在生产以8051为核心的单片机。在我国使用的，具代表性的芯片是Phillips的80系列和Atmel的AT89系列单片机。本书主要介绍的MCS-51系列单片机的硬件、软件及其应用。2.1.1MCS-51系列单片机简介第2章MCS-51系列单片机构造和工作原理MCS-51系列单片机共有十多种芯片，分为两大系列，即51子系列与52子系列，并以芯片型号的末位数字最为标志。它们的内部构造根本一样，其中51子系列是根本型，52子系列是增加型。MCS-51系列单片机各种芯片的技术指标见表2-1。2.1.1MCS-51系列单片机简介第2章MCS-51系列单片机构造和工作原理表2-1MCS-51系列单片机芯片技术指标子系列片内ROM形式ROM容量RAM容量寻址范围I/O特性中断源无ROMEPROM定时器并行口串行口51子系列8031805187514KB128B2×64KB2164×81580C3180C5187C514KB128B2×64KB2164×81552子系列8032805287528KB256B3×64KB3164×81680C3280C5287C528KB256B3×64KB3164×8162.1.1MCS-51系列单片机简介第2章MCS-51系列单片机构造和工作原理单片机的内部构造一个8位中心处理器CPU一个片内振荡器准时钟电路4KB程序存储器ROM〔有的型号没有〕256B数据存储器RAM。两个16位定时/计数器〔T0、T1〕。第2章MCS-51系列单片机构造和工作原理可寻址64KB外部数据存储空间和64KB外部程序存储器的掌握电路。1个可编程的并行I/O端口、4个8位并行I/O端口〔P0~P3〕。21个特殊功能存放器。具有5个中断源、2个优先级的中断构造。单片机的内部构造第2章MCS-51系列单片机构造和工作原理图2-1-18051内部构造示意图单片机的内部构造第2章MCS-51系列单片机构造和工作原理2.2CPU的内部构造8051的CPU主要由运算器和掌握器组成掌握器包括程序计数器PC、程序地址存放器、指令存放器IR、指令译码器、条件转移规律电路及定时掌握规律电路。其功能是掌握指令的读出、译码和执行，对指令的执行过程进展定时掌握，并依据执行结果打算是否分支转移。第2章MCS-51系列单片机构造和工作原理8051单片机的CPU构造单片机的内部构造第2章MCS-51系列单片机构造和工作原理运算器的功能是进展算术、规律运算、位变量处理和数据传送等操作。主要由算术规律运算单元ALU、存放器A、存放器B、程序状态字存放器PSW组成。2.2.1运算器第2章MCS-51系列单片机构造和工作原理1.算术规律运算单元算术规律运算单元用来完成二进制书的四则运算和布尔代数的规律运算，并将结果送带累加器A和B存放器等，将运算的状态送程序状态字PSW的相应标志位。单片机的内部构造第2章MCS-51系列单片机构造和工作原理2.累加器A累加器A是8位通用存放器，是CPU中使用最频繁的存放器。它用于向ALU供给操作数和存放运算的结果。在运算时将一个操作数经过暂存器送至ALU，与另外一个来自暂存器的操作数在ALU中进展运算，运算结果再送回累加器A。单片机的内部构造第2章MCS-51系列单片机构造和工作原理3.存放器B存放器B又称为乘法存放器，它与累加器A协同工作，可进展乘法操作和除法操作。在乘除指令中运用到存放器B，乘法指令中的两个操作数分别取自于A、B存放器，其结果也存放在A、B存放器中，A存放乘积的低8位，B存放乘积的高8位；除法指令中，被除数取自A，除数取自B，进展运算后，商数存放于A，余数存放于B。在一般状态下存放器B也可作为一般的存放器使用。单片机的内部构造第2章MCS-51系列单片机构造和工作原理4．程序状态字PSW程序状态字PSW是一个8位存放器，用于指示指令执行后的状态信息，相当于一般微处理器的标志存放器。其有关位用来表示ALU操作的结果状态或CPU的工作状态，供程序查询和判别，其各位的含义见表2-2，其中D1位未定义。表2-2程序状态字PSW各位的含义D7D6D5D4D3D2D1D0CyACF0RS1RS0OV/P单片机的内部构造第2章MCS-51系列单片机构造和工作原理表2-3PSW各位功能对应表功能标志地址进位标志CyPSW.7:0D7H辅助进位标志ACPSW.6:0D6H溢出标志OVPSW.2:0D2H奇偶标志PPSW.0:0D0H用户标志F0PSW.5:0D5H保留/PSW.1:0D1H寄存器区选择MSBRS1PSW.4:0D4H寄存器区选择LSBRS0PSW.3:0D3H单片机的内部构造第2章MCS-51系列单片机构造和工作原理各个标志位的含义如下：CY(PSW.7)：进位标志位，也可以记为C。在进展算术运算时，它是累加器A的进位位。假设操作位在最高位有进位〔加法〕或借位〔减法〕时置1，否则清0。AC〔PSW.6〕：帮助进位标志。它是低半字节的进位位〔累加器A中的A3位向A4位进位〕，主要用于BCD码调整。低四位有进位〔加法〕或者向高四位有借位〔减法〕，AC位被置1，否则清0。F0(PSW.5)：用户定义的状态标志位。可以通过软件对它置位、复位或者测试，以掌握程序的流向。单片机的内部构造第2章MCS-51系列单片机构造和工作原理RS1、RS0〔PSW.4、PSW.3〕：工作存放器区选择掌握位8051共有8个8位的工作存放器R0~R7。可以用软件来置位或者清零，以确定当前使用的工作存放器组。用户可以通过转变RS1和RS0的状态来打算R0~R7的实际物理地址。RS1和RS0与工作存放器R0~R7的物理地址之间的关系见表2-4。单片机的内部构造第2章MCS-51系列单片机构造和工作原理表2-4RS1和RS0与工作存放器的关系比照表RS1RS0选中的寄存器组R0~R7地址000组00H-07H011组08H-0FH102组10H-17H113组18H-1FH单片机的内部构造第2章MCS-51系列单片机构造和工作原理OV〔PSW.2〕：溢出标志位。当执行运算指令时，由硬件置位或去除，以指示运算是否产生溢出，OV置位表示运算结果超出了目的存放器A所能表示的带符号数的范围〔一128～＋127〕。假设以Ci表示位i向位i＋l有进位，则OV=C6⊕C7；当位6向位7有进位(借位)而位7不向CY进位(借位)时；或当位7向C进位(借位)而位6不向位7进位(借位)时OV标志置位，表示带符号数运算时运算结果是错误的；否则，去除OV标志，运算结果正确。单片机的内部构造第2章MCS-51系列单片机构造和工作原理对于MUL乘法，当A、B两个乘数的积超过255时OV置位；否则，OV＝0。因此，假设OV＝0时，只需从A存放器中取积；假设OV＝1时，则需从B、A存放器对中取积。对于DIV除法，假设除数为0时，OV=1；否则，OV=0。P〔PSW.0〕：奇偶标志位每个指令周期都由硬件来置位或清零，以表示累加器A中1的个数的奇偶性。假设1的个数为奇数，则P置1；假设1的个数为偶数，则P清零。单片机的内部构造第2章MCS-51系列单片机构造和工作原理5.布尔处理器在8051片内还有一个布尔处理器，它以PSW中的进位标志位CY为其累加器〔在布尔处理器及其指令中以C代替CY〕，特地用于处理位操作。如可执行置位、位清0、位取反、位等于1转移、位等于0转移、位等于1转移并清0以及位累加器C与其他可位寻址的空间之间进展信息传送等位操作，也能使C与其他可寻址位之间进展规律“与”、规律“或”操作，并将结果存放在进位标志位〔位累加器〕C中。单片机的内部构造第2章MCS-51系列单片机构造和工作原理掌握器是CPU的指挥掌握部件，用于对来自存储器中的指令进展译码，并通过定时和掌握电路在规定的时刻发出各种操作所需要的掌握信号，使各部件协调工作，完成指令所规定的操作。同一般处理器的掌握器一样，8051的掌握器也是由指令存放器IR、指令译码器ID、定时及掌握规律电路和程序计数器PC等组成。

2.2.2掌握器第2章MCS-51系列单片机构造和工作原理1.程序计数器PC程序计数器PC作为指令的地址指针，用来存放下一条将要执行的指令在存储器中的地址，字长16位。在单片机上电(或复位)时，PC自动装入0000H值，使程序从0000H单元开头执行。一般状况下，单片机执行完一条指令，PC的值就自动加1，为取下一个指令做好预备，从而保证指令的挨次执行〔假设要使程序跳转执行，则只需用有关指令改写PC的内容即可〕。只有在执行转移、子程序调用指令和中断响应时例外，此时PC的内容不再加1，而是由指令或者中断响应过程自动给PC置入新的地址。2.2.2掌握器第2章MCS-51系列单片机构造和工作原理2.指令存放器IR及指令译码器ID当CPU依据程序计数器PC的地址值从指定的存储单元中取出选取的指令后，将指令送到指令存放器IR，再送到指令译码器ID，当指令送入指令译码器ID后，由译码器对该指令进展译码，即把指令转变成所需的电平信号，以便计算机能正确执行程序所要求的各种操作。再由指令译码器ID将掌握信号送PLA规律门阵列，PLA产生肯定序列的掌握信号，以执行指令所规定的操作。2.2.2掌握器第2章MCS-51系列单片机构造和工作原理3.堆栈指针SP堆栈指针SP是一个8位专用存放器，它用来指示堆栈顶部在内部RAM中的位置，即SP中的内容就是栈顶的地址。堆栈区可占用片内128字节的RAM任何单元。在执行PUSH或CALL指令时，存储数据前，堆栈指针先自动加1。因此，实际上堆栈指针是从地址08H单元开头的。它是按“先进后出”的原则进展存取数据的，开机复位后，单片机栈底地址为07H。2.2.2掌握器第2章MCS-51系列单片机构造和工作原理4．数据指针DPTR由于8051单片机可以外接64K的数据存储器和1/0接口电路，故单片机内设置了16位的数据指针DPTR。它用于存放16位的地址，作为访问外部数据存储器时的地址。编程时，DPTR既可按16位存放器使用，也可以按两个8位存放器分开使用，即DPH为DPTR的高8位，DPL为DPTR的低8位。2.2.2掌握器第2章MCS-51系列单片机构造和工作原理复位是单片机整个系统的初始化操作，其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H地址单元开头执行程序。当程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱逆境，可以按复位键以重新启动，也可以通过监视定时器来系统复位。复位操作还对单片机的个别引脚信号有影响。例如，在复位期间，ALE和PSEN信号变为无效状态，即ALE=1，PSEN=1。2.2.3复位及复位电路第2章MCS-51系列单片机构造和工作原理MCS-51系列单片机的复位电路如图2-4所示。在RST输入端消失高电寻常实现复位和初始化2.2.3复位及复位电路第2章MCS-51系列单片机构造和工作原理存放器内容PC0000HACC00HB00HPSW00HSP07HDPTR0000HP0-P30FFHIP×××00000BIE0××00000BTMOP00HTCON00HTH000HTL000HTH100HTL100HSCON00HSBUF不定PCON0×××0000B表2-5复位后的内部存放器状态表2.2.3复位及复位电路第2章MCS-51系列单片机构造和工作原理2.3单片机时钟与时序

CPU的功能，总的来说，就是以不同的方式，执行各种指令。不同的指令其功能各不一样，有的指令涉及CPU与各存放器之间的关系；有的指令涉及单片机核心电路内部各功能部件的关系；有的则与外部部件有关系。CPU是通过简单的时序电路来完成不同的指令功能的。事实上，掌握器按指令的功能发出一系列在时间上有肯定次序的电脉信号，掌握和启动以局部规律电路，完成某种操作。在什么时刻发出什么掌握信号，去启动何种部件工作，这就是CPU的时序。CPU芯片一旦完成，“时序”就固定了。时钟可以看成是主频，时序可以看成是一个操作个局部电路产生的脉冲比照图。第2章MCS-51系列单片机构造和工作原理时钟电路是用于产生单片机工作时所需的时钟信号的电路。MCS-51系列单片机芯片内部有一个由反向放大器构成的振荡电路，XTAL1为振荡电路的输入端，而XTAL2为振荡电路的输出端。单片机系统时钟是利用其内部的振荡电路在XTAL1和XTAL2引脚上外接石英晶体振荡器(简称晶振)，使内部振荡器产生自激振荡而产生的。8051的时钟电路，如图2-5所示。时钟电路第2章MCS-51系列单片机构造和工作原理图2-580C51单片微机的时钟电路时钟电路第2章MCS-51系列单片机构造和工作原理MCS-51的内部时钟电路如图2-6所示。在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件就能构成自激振荡电路。定时元件通常承受石英晶体和电容组成的并联谐振电路。电容器C1和C2主要起频率微调作用，电容可值为30pf左右〔外界晶体时〕或40pf左右〔外接陶瓷谐振器时〕。时钟电路第2章MCS-51系列单片机构造和工作原理时钟电路第2章MCS-51系列单片机构造和工作原理MCS-51的外部时钟电路如图2-7所示。XTAL2接外部振荡器，XTAL1接地。由于反相放大器一侧的XTAL2端的规律电平不是标准的TTL电平，故须加上上拉电阻。一般承受频率低于12MHz的方波信号。时钟电路第2章MCS-51系列单片机构造和工作原理时钟电路第2章MCS-51系列单片机构造和工作原理2.3.2时序定时单位8051单片机执行指令是在时序电路的掌握下一步一步进展的。时序是用定时单位来说明的。8051的时序定时单位共有4个：节拍、状态、机器周期和指令周期第2章MCS-51系列单片机构造和工作原理节拍P：把振荡脉冲的周期称为节拍，为最小的时序单位。状态S：一个状态S包含两个节拍，其前半周期对应的节拍叫P1，后半周期对应的节拍叫P2。2.3.2时序定时单位第2章MCS-51系列单片机构造和工作原理机器周期：8051承受定时掌握方式，因此它有固定的机器周期。规定一个机器周期的宽度为6个状态，并依次表示为S1～S6，即一个机器周期共有12个振荡脉冲周期，因此机器周期就是振荡脉冲的12分频。当振荡脉冲频率为12MHZ时，一个机器周期为lμS；当振荡脉冲频率为6MHZ时，一个机器周期为2μS。机器周期是单片机的最小时间单位。2.3.2时序定时单位第2章MCS-51系列单片机构造和工作原理指令周期：执行一条指令所需要的时间称为指令周期。它是最大的时序定时单位。8051的指令周期依据指令的不同，可包含有一、二、三、四个机器周期。当振荡脉冲频率为12MHZ时，8051的一条指令执行的时间最短为lμS，最长为4μS。2.3.2时序定时单位第2章MCS-51系列单片机构造和工作原理2.3.38051指令时序

8051共有111条指令，全部指令按其长度可分为单字节指令、双字节指令和三字节指令。典型的单机器周期和双机器周期指令的时序波形图如图2-8所示。第2章MCS-51系列单片机构造和工作原理2.3.38051指令时序

第2章MCS-51系列单片机构造和工作原理1.单机器周期指令双字节指令时，从S1P2开头执行，操作码被读入指令存放器；在S4P2时，再读入其次个字节。单字节指令时，从S1P2开头执行，操作码被读入指令存放器；在S4P2时仍有读操作，但被读入的字节〔即下一操作码〕被无视，且此时PC并不增量。以上两种状况均在S6P2时完毕操作。2.3.38051指令时序

第2章MCS-51系列单片机构造和工作原理2.双机器周期指令双字节指令时，执行在S1P2开头，操作码被读入指令存放器；在S4P2时，再读入的字节被无视。由S5开头送出外部数据存储器的地址，随后是读或写的操作。在读、写期间，ALE不输出有效信号。在其次个机器周期，片外数据存储器也寻址和选通，但不产生取指操作。2.3.38051指令时序

第2章MCS-51系列单片机构造和工作原理单字节指令时，执行在S1P2开头，在两个整机器周期中，共发生4次读操作，但是后三次操作都无效。一般，算术/规律操作发生在节拍1期间，内部存放器对存放器的传送发生在节拍2期间。图中的ALE信号是为地址锁存而定义的，该信号每有效一次对应单片微机进展一次读指令操作。ALE信号以振荡脉冲六分之一的频率消失，因此在一个机器周期中，ALE信号两次有效，第一次在S1P2和S2P1期间，其次次在S4P2和S5P1期间，有效宽度为一个状态周期S。2.3.38051指令时序

第2章MCS-51系列单片机构造和工作原理2.4存储器MCS-51系列单片机的存储构造与常见的微机的配置不同，它把程序存储器和数据存储器分开编址，各有各的寻址方式、掌握信号和功能。第2章MCS-51系列单片机构造和工作原理2.4.1数据存储器在单片机中，数据存储器〔RAM〕用来存储程序在运行期间的工作变量和数据。按数据访问的方式不同，可以分为内部数据存储器和外部数据存储器，下面具体介绍它们的特点和不同，其地址分布如图2-9所示。第2章MCS-51系列单片机构造和工作原理2.4.1数据存储器第2章MCS-51系列单片机构造和工作原理1.内部数据存储器内部数据存储器〔IRAM〕地址只有8位，因而最大寻址范围为256个字节。在80C51中，设置有一个特地的数据存储器的地址指示器——数据指针DPTR，用于访问片外数据存储器〔ERAM〕。数据指针DPTR也是16位的存放器，这样，就使80C51具有64KB的数据存储器扩展力量。片内数据存储器是最敏捷的地址空间。它在物理上又分成两个独立的功能不同的区。2.4.1数据存储器第2章MCS-51系列单片机构造和工作原理工作存放器区位寻址区字节寻址区堆栈区及堆栈指针SP2.4.1数据存储器第2章MCS-51系列单片机构造和工作原理2.外部数据存储区外部数据存储器是在外部存放数据的区域，这一区域只能用存放器间接寻址的方法访问，所用的存放器为DPTR、R1或R0。指令助记符为MOVX。当用R0、R1寻址时，由于R0、R1为8位存放器，因此最大寻址范围为256B；当用DPTR寻址时，由于DPTR为16位存放器，因此最大寻址范围为64KB。2.4.1数据存储器第2章MCS-51系列单片机构造和工作原理2.4.2程序存储器8051单片机的程序存储器〔programmemory〕用于存放经调试正确的应用程序和表格之类的固定常数。由于承受16位的程序计数器PC和16位的地址总线，因而其可扩展的地址空间为64KB，从而允许用户程序调用或转向64KB的任何存储单元。第2章MCS-51系列单片机构造和工作原理目前单片机的程序存储器有以下几种构造形式：片内只读存储器片内只读存储器的芯片内部有4KB的掩膜ROM，该存储器的特点是，程序必需在单片机制作时写入。片外只读存储器利用单片机的并行扩展技术可以外扩片外只读存储器。2.4.2程序存储器第2章MCS-51系列单片机构造和工作原理片内可编程的ROM片内可编程的ROM又分为紫外线可擦除型ROM和电可擦除型ROM。紫外线可擦除型ROM——EPROM型单片机(如87C51)，芯片内部有4KB的存储空间。EPROM需用紫外线擦除，必需脱机固化，不能在线改写。电可擦除型ROM——EEPROM，也称为Flash单片机(如89C51)。EPROM和EEPROM都是可以屡次擦除和编程的，或称MTP的ROM2.4.2程序存储器第2章MCS-51系列单片机构造和工作原理2.4.3特殊功能存储器特殊功能存放器SFR〔SpecialFunctionRegister〕是8051中各功能部件所对应的存放器，用以存放相应功能部件的掌握命令、状态或数据的区域。8051设有128B的片内数据RAM构造的特殊功能存放器空间区。除程序计数器PC和4个通用工作存放器组外，其余全部的存放器都在这个地址空间之内。80C51共定义了21个特殊功能存放器，其名称和字节地址见表2-6。第2章MCS-51系列单片机构造和工作原理序号标识符名称字节地址位地址1ACC累加器EOHE0H～E7H2BB寄存器FOKF0H～F7H3PSW程序状态字D0HD0H～D7H4SP堆栈指针81H5DPTR数据指针（DPH，DPL）83H、82H6P0P0口80H80H～87H7P1P1口90H90H～97H8P2P2口A0HA0H～A7H9P3P3口B0HB0H～B7H10IP中断优先级控制寄存器B8HB8H～BFH11IE中断允许控制寄存器A8HA8H～AFH12TOMD定时器/计数器方式控制寄存器89H2.4.3特殊功能存储器第2章MCS-51系列单片机构造和工作原理13TCON定时器/计数器控制寄存器88H88H～8FH14T2CON定时器/计数器2控制寄存器C8HC8H～CFH15TH0定时器/计数器0（高字节）8CH16TL0定时器/计数器0（低字节）8AH17TH1定时器/计数器1（高字节）8DH18TL1定时器/计数器1（低字节）8BH19TH2定时器/计数器2（高字节）CDH20TL2定时器/计数器2（低字节）CCH21RLDH定时器/计数器2重自动装载（高字节）CBH22RLDL定时器/计数器2重自动装载（低字节）CAH23SCON串行口控制寄存器98H98H～9FH24SBUF串行数据缓冲器99H25PCON电源控制及波特率选择寄存器97H2.4.3特殊功能存储器第2章MCS-51系列单片机构造和工作原理2.5MCS-5l单片机外部引脚及功能把握MCS-5l单片机，应首先了解MCS-51系列单片机的引脚，生疏并牢记各引脚的功能。MCS-51系列单片机中各种型号芯片的引脚是相互兼容的。制造工艺为HMOS的MCS-51系列单片机都承受40只引脚的双列直插封装DIP方式．如图2-10所示。目前大多数为此类封装方式。制造工艺为CHMOS的80C51／80C52除承受40脚DIP封装方式外，还承受方形封装方式，为44只引脚。