第2章MCS-51单片机的结构和原理培训教材

第二章

MCS-51单片机硬件结构主要掌握基本组成（内部资源）引脚存储器的配置I/O口的应用功能（以89C51（AT89C51、P89C51、STC89C51）为代表讲解，汇编语言结合C语言）2.1

MCS-51单片机结构2.89C51CPU功能介绍

单片机的核心，由运算器和控制器构成：运算器：进行算术运算、逻辑运算，由ALU、A、B、PSW、暂存器组成。控制器：包括PC、IR、ID、振荡器和时钟电路2.289C51单片机的引脚及功能MCS-51单片机信号引脚简介

P3口线的第二功能VCCVSSXTAL2

XTAL1RSTP0.0

P0.1

P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P1.0

P1.1

P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0ALEP3.0

P3.1

P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.72、时钟引脚：XTAL1、XTAL23、复位引脚：RST4、并行口：P0、P1、P2、P37、ALE：地址锁存控制信号1、电源线：VCC(+5V)、VSS(地)EAPSEN5、EA：访问程序存储控制信号6、PSEN：外部ROM读选通信号RXD/

TXD/

INT0/INT1/

T0/

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WR/

RD/1

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313029282726252424222180318051875189C512.389C51单片机的存储器配置1.存储器结构普林斯顿结构一般微机采用的结构ROM、RAM安排在同一个地址空间相同指令访问ROM、RAM哈佛结构89C51采用此结构ROM和RAM占用不同的物理空间采用不同指令访问2.89C51存储空间物理结构ROM片内、片外RAM片内、片外逻辑结构（从用户使用的角度看）ROM：MOVC0000-FFFFH64KB片内RAM：MOV0000-00FFH256B片外RAM：MOVX0000-FFFFH64KB1

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存

储

器80318751805189C51片内RAM片内ROM256B（字节）4K共64K64K3.程序存储器与ROM密切相关的两个引脚、通过16位PC寻址，最大可寻址64kB地址空间当ROM容量不够时，尽量选择高容量存储器空间的单片机，如89C52、89C54、89C58等，应避免外扩程序存储器，因为会增加硬件负担。程序存储器程序存储器内部外部0000H0FFFH(4K)0000HFFFFH(64K)0000H0FFFH(4K)0000H0001H0002H(PC)0000H是程序执行的起始单元,

在这三个单元存放一条

无条件转移指令，引导中断5中断4中断3中断2中断10003H000BH0013H001BH0023H002BH外部中断0定时器0中断外部中断1定时器1中断串行口中断8位．．．0FFFH0FFEHEA=1EA=0程序存储器资源分布中断入口地址4.数据存储器片内RAM：低128B片内RAM0000-007FH高128B片内RAM0080-00FFH片外RAM0000H-FFFFH

如何区分0000-00FFH的地址空间是片内RAM还是片外RAM？片内、片外分开编址SFR：特殊功能寄存器区0000HFFFFH(64K)内部外部数据存储器数据存储器00HFFH7FH80H(高128B)(低128B)RAM专用

寄存器00H07H08H0FH10H17H18H1FH0区R0R7R0R7R0R7R0R71区2区3区工作寄存器区可位寻址区20H2FH7F78070030H7FH数据缓冲区/堆栈区内部RAM存储器

11第3区18H~1FH

01第1区08H~0FHRS1RS0寄存器区片内RAM地址

00第0区00H~07H10第2区10H~17H工作寄存器区选择位RS0、RS1PSW位地址CYACF0RS1RS0OVF1PMSB——MostSignificantBit（最高有效位）

LSB——LeastSignificantBit（最低有效位）单元地址2FH2EH2DH2CH2BH2AH29H28H27H26H25H24H23H22H21H20H7F776F675F574F473F372F271F170F07MSB

位地址

LSB7E766E665E564E463E362E261E160E067D756D655D554D453D352D251D150D057C746C645C544C443C342C241C140C047B736B635B534B433B332B231B130B037A726A625A524A423A322A221A120A027971696159514941393129211911090178706860585048403830282018100800RAM位寻址区位地址表高128个单元☆离散分布有21个特殊功能寄存器SFR。☆

11个可以进行位寻址。☆特别提示：对SFR只能使用直接寻址方式，书写时可使用寄存器符号，也可用寄存器单元地址。5.部分特殊功能寄存器（SFR）介绍ACCBDPTR：

DataPointer，16位，对64KB片外RAM/ROM和外围设备作间接寻址。例：MOVDPTR,#2000HMOVXA，@DPTR则：

DPH=20H,DPL=00H,DPTR=2000H

结果是：取出片外RAM地址为2000H的数据，存放于A。进位carry，辅助进位auxiliarycarry，用户标志flagzero，寄存器选择registerselect，溢出overflow，奇偶parityCYACF0RS1RS0OV－P例：MOVA,#0FHADDA,#0F8H00001111+11111000

1

00000111

AC=1，CY=1，OV=CY⊕AC=1⊕1=0，P=1，所以：11×××0×1PSW,ProgramStatusWordSP，StackPointerSP：堆栈指针，8位，专门存放堆栈的栈顶单元的地址。入栈时自动加1，出栈时自动减1。堆栈：在RAM中专门用于存放数据的一个区域，遵循“先进后出（firstinlastout）”或“后进先出（lastinfirstout）”的原则。复位后，SP＝07H0708090A0B35PUSHACC，SP＝08H0708090A0BC135PUSHPSW，SP＝09H0708090A0B35POPPSW，SP＝08H0708090A0B0708090A0BPOPACC，SP＝07H单片机工作条件单片机正常工作最基本条件是：正确的电源时钟和复位信号。单片机最小系统1、时钟电路要给单片机CPU提供时钟信号，就需要相关的硬件电路，即振荡器和时钟电路。51系列单片机内部有一个高增益反相放大器，这个反相放大器的作用就是构成振荡器，但要形成时钟，外部还需要加一些附加电路。

51系列单片机本身一般不能自动进行复位的，必须配合相应的外部电路才能实现。当5l系列单片机的复位引脚RST出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。2.复位电路

2.4时钟电路及CPU时序时钟电路方式可分为内部时钟方式和外部时钟方式：89C51XTAL1Vcc外部时钟输入TTL（a）内部时钟电路；（b）HMOS型外部振荡源(C)CHMOS型外部振荡源外接晶振时，电容的值一般取30pF；外接陶瓷谐振器时，电容的值一般取47pF1.时钟电路2.基本概念振荡器：产生内部脉冲信号

若采用外部脉冲信号时钟发生器：根据脉冲信号产生时钟信号振荡周期P：振荡脉冲信号周期时钟周期（状态周期）S

：(机器状态时间)S=P1+P2机器周期：

指令执行的单位=6S=12P指令周期：

指令执行的时间=N*6S，N=1，2，4对HMOS单片机：XTAL2输入，XTAL1接地对CHMOS单片机：XTAL1输入，XTAL2悬空3.CPU取指/执行周期时序

1.若采用12MHz的晶振频率，计算机器周期？

2.CPU每个机器周期读取两次操作码，PC是否每次都自动加1？？2.5复位操作MCS-51单片机复位

任何单片机在工作之前都要有个复位的过程，复位是什么意思呢？对单片机来说，是程序还没有开始执行，是在做准备工作----初始状态。

如何进行复位呢？只要在单片机的RST引脚上加上2个机器周期以上的高电平，就可以了。1.复位电路805187518031RSTCRR1R2＋5V上电复位按键复位2.复位后单片机的状态复位后各寄存器的状态PC0000H(程序入口)P0、P1、P2、P30FFH(可以直接输入)SP07H（栈底已经设好）PSW00H（选择0组寄存器）其余大部分都是0熟悉复位后各寄存器的状态，可以减短初始化程序。2.689C51单片机的低功耗工作方式89C51提供两种节电工作方式：空闲(待机)工作方式：不向CPU提供时钟，CPU停止工作，只供中断、串行口、定时器部分。掉电工作方式：所有功能停止工作。方式的设定PCON（电源控制寄存器）中，写‘1’启动。8051：HMOS（高密度短沟道MOS）半导体工艺89C51：CHMOS=HMOS+CMOSSMOD------GF1GF0PDIDL2.7输入/输出端口单片机I/O口的使用无论单片机对外界进行何种控制，亦或接受外部的控制，都是通过I/O口进行的。单片机总共有P0、P1、P2、P3四个8位双向输入输出端口，每个端口都有锁存器、输出驱动器和输入缓冲器。4个I/O端口都能作输入输出口用，其中P0和P2通常用于对外部存储器的访问。一.I/O口的构成口锁存器(CPU通过内部总线把数据写入口锁存器)输出驱动器输入缓冲器锁存器的含义CTR开关Bus锁存器其它器件0OUT=Bus1OUT保持OUT二.89C51的I/O口P0.0

P0.1

P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P1.0

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P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0P3.0

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P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.74个8位并行I/O口：P0，P1，P2，P3；均可作为双向I/O端口使用。(1)特点：P0：访问片外扩展存储器时，分时复用为低8位地址线和数据线

P2：高8位地址线。P1：双向I/O端口

P3：第二功能1

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313029282726252424222180318051875189C51由1个输出锁存器、2个三态输入缓冲器和输出驱动电路及控制电路组成。P0口既可以作为I/O用，也可以作为地址/数据线用。DQCLKQMUXP0.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚地址/数据控制VCCT1T2P0口引脚1、P0口的结构（1）P0口作为普通I/O口①输出时CPU发出控制电平“0”封锁“与”门，将输出上拉场效应管T1截止，同时使多路开关MUX接锁存器的输出。DQCLKQMUXP0.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚地址/数据控制VCCT1T2P0口引脚上拉电阻！②输入时----分读引脚或读锁存器读引脚：由传送指令(MOV)实现；先写入‘1’读锁存器：由逻辑指令(ANL、ORL、XRL)实现；DQCLKQMUXP0.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚地址/数据控制VCCT1T2P0口引脚12（2）P0作为地址/数据总线

在系统扩展时，P0端口作为地址/数据总线使用时，分为输出、输入：CPU发出控制电平“1”，打开“与”门，又使多路开关MUX把CPU的地址/数据总线与T2栅极反相接通，输出地址或数据。由图上可以看出，上下两个FET处于反相，构成了推拉式的输出电路，其负载能力大大增强。P0的输出级可驱动8个LSTTL负载。DQCLKQMUXP0.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚地址/数据控制VCCT1T2P0口引脚P0引脚作输出口输入信号是从引脚通过输入缓冲器2进入内部总线。P0引脚作输入口DQCLKQMUXP0.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚地址/数据控制VCCT1T2P0口引脚2、P1口的内部结构P1口的某一位的结构图，由一个输出锁存器、两个三态输入缓冲器和输出驱动电路组成.

通用准双向I/O口。DQCLKQP1.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚VCCRTP1口引脚3、P2的内部结构（1）P2口作为普通I/O口DQCLKQMUXP2.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚地址控制VCCRTP2口引脚CPU发出控制电平“0”

，使多路开关MUX倒向锁存器输出端Q

，构成一个准双向口。其功能与P1相同。

（2）P2口作为地址总线在系统扩展片外程序存储器扩展数据存储器且容量超过256B(用MOVX@DPTR指令)时，CPU发出控制电平“1”，使多路开关MUX倒内部地址线。此时，P2输出高8位地址。DQCLKQMUXP2.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚地址控制VCCRTP2口引脚4、P3的内部结构①作为通用I/O口（进行SFR寻址时），W=1输出：内部总线--Q--与非门—T，与P1口类似，准双向口输入：读引脚时，缓冲器3、2打开，P3.n读入内部总线DQCLKQP3.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚VCCRTP3口引脚第二输入功能第二输出功能W123②P3用作第二功能DQCLKQP3.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚VCCRTP3口引脚第二输入功能第二输出功能输出部分：内部置Q=1，第二输出功能W--与非门--T输出输入部分：Q和W均为高电平，T截止，P3.n通过缓冲器3直接输入。WP3第二功能各引脚功能定义：P3.0：RXD串行口输入P3.1：TXD串行口输出P3.2：INT0外部中断0输入P3.3：INT1外部中断1输入P3.4：T0定时器0外部输入P3.5：T1定时器1外部输入P3.6：WR外部写控制P3.7：RD外部读控制I/O口总结4个端口均可作通用I/O口，为准双向口，作为输入时，必须先向该位的口锁存器写”1”。P0：作通用I/O口时，输出需接上拉电阻。系统扩展时，可作为地址（低8位）/数据总线，分时复用。P1：专用I/O口。P2：系统扩展时，输出地址高8位。P3：具有第二功能口，包括中断输入、串行口、读、写。CPU对I/O口的读操作一是CPU读端口引脚上的外部输入信息二是读口锁存器的状态，读-修改-写，读的是锁存器而不是引脚DQCLKQP1.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚VCCRTP1口引脚端口的负载能力和接口要求

1、P0口的负载能力和接口要求负载能力:可驱动8个LS（低功耗、甚高速）型TTLP0接口要求：作为一般I/O口输出时，准双向口。若驱动的是NMOS电路或OC门电路，其引脚要接上拉电阻，否则高电平电位不确定。

2、P1～P3口的负载能力和接口要求负载能力:可驱动4个LS型TTL接口要求：作为一般I/O口输出时，不需要要接上拉电阻（因为内部有上拉电阻）指令寄存器译码地址译码程序计数器地址寄存器累加器A运算器①②存储器内部数据总线外部地址总线AB数据缓冲器外部数据总线DB寄存器区外部控制总线CB内部控制信号时钟及清零单片机的工作过程取指过程例:MOVA,#09H74H

09H;把09H送到累加器A中执行过程PC=0000H0001H0000H0002H0111010000001001(PC)(PC)0001H0002H0000H外部控制总线CB取指过程(PC)执行过程你知道PC的作用吗？1、CPU的主要组成部分为()。B．加法器，寄存器

C．运算器,寄存器

D．运算器，指令译码器A．运算器，控制器

课堂练习2、8031有四个工作寄存器区，由PSW状态字中的RS1、RS0两位的状态来决定，单片机复位后，若执行SETBRS1指令，此时只能使用（）区的工作寄存器。A．0区B．1区C．2区D．3区课堂练习3.

09H位所在单元的地址是（）A．02HC．08HB．21HD．20H课堂练习4.单片机在进行取指令操作时，指令的地址是由（）的内容决定。A．SPC．DPTRD．PSEN和ALE

B．PC课堂练习5.P0,P1口作输入用途之前必须()。A．外接高电平

B．外接上拉电阻C．相应端口先置0

D．相应端口先置1

课堂练习6.程序计数器PC用来()。A．存放指令

B．存放上一条的指令地址D．存放正在执行的指令地址

C．存放下一条的指令地址

课堂练习1.

8031单片机内部RAM包括()。

A.程序存储区B．堆栈区C．工作寄存器及特殊功能区

D．位寻址区E.中断入口地址区2.

8051单片机CPU的主要功能有()。

A.产生控制信号B．存储数据C.算术、逻辑运算及位操作

D.驱动LED3.单片机能够直接运行的程序是（）。

A.汇编源程序B.C语言源程序

C.高级语言程序D.机器语言源程序思考题思考题4.

十进制数126其对应的十六进制可表示为()。

A．8FB．8EC．FED.7E5.

十进制数89.75其对应的二进制可表示为().A.10001001.01110101B．1001001.10C.1011001.11D.1001001.116.

二进制数110010010对应的十六进制数可表示为()A.192HB．C90HC．1A2HD.CA0H7.-3的补码是()。

A．10000011B.11111100C．11111110D．11111101整数：除二取余小数：乘二取整正数的补码同原码；负数的补码符号位为1，数值位为反码加1思考题8.对于INTEL8031来说，/EA脚总是()A.接地B.接电源C.悬空D.不用9.

在单片机中，通常将一些中间计算结果放在(）中

A.累加器