第02章MCS-51单片机的结构.

单片机最小系统存储器中央处理单元（CPU）MCS-51单片机的组成和总体结构第二章MCS-51单片机的结构并行I/O接口单片机是将CPU、RAM、ROM、定时计数器、中断逻辑，以及输入输出（I/O）接口电路等集成在一小块硅片上的单片微型计算机(SingleChipMicrocomputer)。单片机特点：体积小、可靠性高、性价比高等应用领域：工业检测与控制、计算机外设、智能仪器仪表、通讯设备、家用电器、机电一体化产品等领域。2.1MCS-51单片机的组成和总体结构CPU存储器并行I/O口串行I/O口定时器/计数器中断逻辑发送数据接收数据外部计数脉冲外部中断源输入输出设备MCS-51系列单片机系列片内存储器（字节）定时器计数器并行I/O串行I/O中断源片内ROM片内RAM无有ROM有EPROMIntelMCS-51子系列803180C31805180C51(4K字节)875187C51(4K字节)128字节2x164x8位15IntelMCS-52子系列803280C32805280C52(8K字节)875287C52(8K字节)256字节3x164x8位16注意：今后将会经常提到ATMEL的AT89C2051/51/52等MCU！ATEML89C系列(常用型)1051(1K)/2051(2K)/4051(4K)（20条引脚DIP封装）1282151589C51(4K)/89C52(8K)（40条引脚DIP封装）128/2562/33215/62.1.1MCS-51单片机内部组成8051单片机在一块芯片中集成了：＊一个面向控制的8位CPU＊256B片内RAM(低128B作数据存储器，高128位包含2l个特殊功能寄存器SFR)＊4KB片内程序存储器ROM。＊4个8位并行I/O接口＊l个全双工作串行I/O接口。＊2个16位定时器/计数器T0/Tl。＊为五个中断源配套的两级优先级嵌套的中断结构40个引脚双排直插DIP封装,分为4类：电源、时钟、控制和I/O引脚。2.1.2MCS-51单片机引脚功能123456789101112131415161718192040393837363534333231302928272625242322211234567891020191817161514131211P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/VPDP3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RDXTAL2XTAL1VSSVCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VPPALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0RSTP3.0/RXDP3.1/TXDXTAL2XTAL1P3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1GNDVCCP1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1/AIN1P1.0/AIN0P3.7注：类似的还有Philips公司的87LPC64，20引脚8XC748/750/（751），24引脚8X749（752），28引脚8XC754，28引脚等等80C51/89C5189C2051⒈电源:⑴VCC-芯片电源，接+5V/3.3V/2.7V；⑵VSS-接地端；2.输入/输出引脚(32条)P.0-P0.7:在不接片外存储器与不扩展I/O接口时，作准双向输入/输出接口。在接片外存储器或扩展I/O接口时，分时复用为低8位地址总线和双向数据总线。P1.0-P1.7:作为准双向通用I/O接口使用。P2.0-P2.7:作为准双向I/O接口；当接有片外存储器或扩展I/O接口且寻址范围超过256个字节时，P2口用作高8位地址总线。P3.0-P3.7:有两种功能。第一，做准双向通用I/O口使用；第二，用于串行口、中断源输入、计数器、片外RAM选通等功能。注意：由于第二功能信号都是单片机的重要控制信号，因此在实际使用时，总是先按需要优先选用它的第二功能，剩下不用的才作为通用I/O接口线使用。⑶RST/VPD:复位/备用电源。①RST（Reset）功能：复位信号输入端。当该引脚上至少保持连续两个机器周期(24个振荡器周期)的高电平就可实现系统复位。复位期间不产生ALE及PSEN信号。②VPD功能：在Vcc掉电时，接备用电源。VPD:对HMOS芯片为片内RAM掉电保护备用电源，Vcc掉电期间，该引脚如接备用电源VPD（＋5V＋0.5V）复位后单片机内寄存器的状态PC：0000HTMOD：00HAcc：00HTCON：00HB：00HTH0：00HPSW：00HTL0：00HSP：07HTH1：00HDPTR：0000HTL1：00HP0～P3：FFHSCON：00HIP：×××00000BSBUF：不定IE：0××00000BPCON：0×××0000B图2-4(a)加电自动复位电路图2-4(b)按键手动复位电路⑷EA/Vpp:内外ROM选择/片内EPROM编程电源。①EA功能：内外ROM选择端。80C51单片机ROM寻址范围为64KB，其中4KB在片内，60KB在片外(80C31芯片无内ROM，全部在片外)。当EA保持高电平时，先访问内ROM；当PC(程序计数器)值超过4KB(0FFFH)时，自动转向执行外ROM中的程序。当EA保持低电平时，则只访问外ROM，不管芯片内有否内ROM。对80C31芯片，片内无ROM，EA接地。②Vpp功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。外部方式时钟电路如图2-5(b)所示，主要用于多单片机系统。引入唯一的公用外部脉冲信号作为各单片机的振荡脉冲。这时外部的脉冲信号是经XTAL2引脚注入，而将XTAL1接地。图2-5(a)内部方式时钟电路图2-5(b)外部方式时钟电路2.2中央处理单元中央处理器CPU包括运算器和控制器，运算器实现算术运算和逻辑运算。可以对半字节（4位）、单字节（8位）等数据进行操作。控制器实现内部时钟和时序管理、指令提取与译码等功能，由6个特殊功能寄存器组成。特殊功能寄存器1).累加器A：累加器（Accumulator）是使用最频繁的寄存器，它既可用于存放操作数，也可用来存放运算的中间结果，8位。指令系统中字节操作指令一般用A作为累加器的助记符，当进行位操作时，一般用ACC表示。2).通用寄存器B：8位，主要用于乘除运算。乘法运算时，B是乘数。乘法操作后，乘积的高8位存于B中。除法运算时，B是除数;除法操作后，余数存于B中。不作乘除用时，可作为一般数据寄存器使用，8位。3).PSW：8位寄存器，用于反映程序执行的状态信息。在状态字中，有些位状态是根据指令执行结果，由硬件自动完成设置的，而有些状态位则必须通过软件方法设定。表2-3PSW的各位定义位序PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0位标志CYACF0RS1RS0OV/PCY：进位标志。用于表示Acc.7有否向更高位进位。加减运算时，保存最高位进位、借位状态。AC：半进位标志。用于表示Acc.3有否向Acc.4进位。例：78H+97H01111000+10010111100001111D7HD6HD5HD4HD3HD2HD1HD0HCYACF0RS1RS0OVPPSW位地址有进位CY=1没有半进位AY=0RS1、RS0：工作寄存器组选择位。P：奇偶校验位，它用来表示累加器A内容中二进制数位“1”的个数的奇偶性。若为奇数，则P=1，否则为0。例：某运算结果是78H（01111000），P=0。D7HD6HD5HD4HD3HD2HD1HD0HCYACF0RS1RS0OVPPSW位地址RS1RS0寄存器组片内RAM地址00第0组00H~07H01第1组08H~0FH10第2组10H~17H11第3组18H~1FHF0：用户标志位。作为软件标志，由编程人员决定何时使用。F0、F1—用户标志OV：溢出标志位。有符号数运算时，如果发生溢出，OV置“1”，否则清“0”。D7HD6HD5HD4HD3HD2HD1HD0HCYACF0RS1RS0OVPPSW位地址4)．程序计数器PC※16位的地址寄存器，用于存放将要从ROM中读出的下一字节指令码的地址，可寻址64KB的程序存储器空间。※自动加1。CPU从ROM中每读一个字节，自动执行PC+1→PC5）数据指针寄存器DPTR宽度：16位功能：通常在访问外部数据存储器时作地址指针使用使用：既可作一个16位寄存器用，也可作两个8位寄存器来用，即：DPH：DPTR高位字节，地址为83HDPL：DPTR低位字节，地址为82H与程序计数器PC的对比：PC虽为16位，但在物理上是独立的，不属SFR的范畴，没有对应的RAM地址，不可寻址。6）堆栈指针SP宽度：8位功能：用来指定堆栈的栈顶位置，初值为07H。它是加1计数.（向上生长）堆栈中数据存取按先进后出、后进先出的原则。用PUSH和POP指令操作堆栈的功能主要有以下三点：①保护断点。②保护现场。③用于数据的临时存放。时序时序就是进行某种操作时，各种数据、控制信号先后出现的顺序。时序是用定时单位来描述的，MCS—51系列单片机的时序定时单位共有四个，从小到大依次是振荡周期，机器周期，指令周期。80C51振荡器产生的时钟脉冲频率的倒数，是最基本最小的定时信号。时钟周期:机器周期:它是将时钟脉冲十二分频后的脉冲信号。机器周期是时钟周期的十二倍。指令周期:指CPU执行一条指令占用的时间(用机器周期表示)。80C51指令可分为三类：单机周指令、双机周指令和四机周指令。MCS-51典型的指令周期为一个机器周期，少数是单字节双周期、双字节双周期指令，只有乘法和除法指令占用4个机器周期。80C51的存储器配置片内程序存储器4KB（ROM0000H~0FFFH）片内数据存储器128B（RAM00H~7FH）2.3存储器8051在物理结构上有四个存储空间：片内程序存储器、片外程序存储器、片内数据存储器、片外数据存储器。64KBROMEA=0EA=10000H0FFFH1000HFFFFH4KBROMFFH80H7FH00HSFRRAM64KBRAM(I/O)0000HFFFFH片内片外片外程序存储器数据存储器2.3.1程序存储器※作用:用于存放编好的程序和表格、常数。※容量：8051片内有4K字节ROM.片外用16位地址线最多可扩展64K字节ROM，两者是统一编址的。※地址范围：0000H～FFFFH，共64KB。其中:低段4KB：0000H～0FFFH,80C51和87C51在片内，80C31在片外。高段60KB：1000H～FFFFH。在片外。※访问：用MOVC指令※空间指针：以PC作为16位地址指针，每读一个字节，PC+1→PC，这是CPU自动形成的。※控制信号:PSEN和EA。※选择方法:•★如果EA端保持高电平，8051执行片内前4KBROM地址(0000H～0FFFH)中的程序。当寻址范围超过4KB（1000H～FFFFH）时，则从片外存储器取指令。•★当EA端保持低电平时，8051的所有取指令操作均在片外程序存储器中进行，这时片外存储器可以从0000H开始编址。※地址范围：00H～7FH共128B。※访问:MOV指令※空间分配:工作寄存器区位寻址区数据缓冲区1.内部数据存储器80C51内RAM的三个物理空间：工作寄存器区、位寻址区和数据缓冲区。地址区域功能名称00H～1FH00H～07H工作寄存器0区08H～0FH工作寄存器1区10H～17H工作寄存器2区18H～1FH工作寄存器3区20H～2FH位寻址区30H～7FH数据缓冲区内部128BRAM地址分配寄存器区布尔区片内数据存储器空间分布图通用RAM区(80B)位地址区(16B)7FH寄存器3组寄存器2组寄存器1组寄存器0组位地址区20H21H22H23H24H25H26H27H28H29H2AH2BH2CH2DH2EH2