mcs-51系列单片机基本结构与工作原理

MCS-51系列单片机基本结构与工作原理§概述§MCS-51单片机内部结构§MCS-51单片机外部引脚及功能，I/O接口电路§MCS-51的指令系统§MCS-51的扩展应用§概述单片机：把中央处理器CPU、存储器、输入输出（I/O）接口电路以及定时器/计数器等部件制作在一块集成电路芯片中，构成一个完整的微型计算机——单片微型计算机。时钟8位CPU128B/256BRAM2×16位定时计数器可编程口I/O4KBROM总线：各个器件共同享用连线，器件的数据线称为数据总线，器件所有的控制线被称为控制总线。用于抵制分配的线称为地址总线。数据、地址、指令：三者的本质都是数字——0和1组成的序列。指令即由单片机芯片的设计者规定的一种数字；地址即是寻找单片机内部、外部的存储单元、输入输出口的依据；数据即由微处理机处理的对象。堆栈：用来存放数据的一个区域，是内部RAM的一部分。“先进后出，后进先出”，有其特殊的数据传输指令，即PUSH和POP,有一个特殊的服务单元——堆栈指针SP.每执行一次PUSH,SP+1，每执行一次POP,SP-1§MCS-51单片机内部结构一、MCS-51内部资源及特点1、内部资源MCS-51系列单片机包括8031、8051、8751等很多型号，其代表型号是以8051，以此为例介绍单片机内部结构。8051内包括：适于控制应用的8位CPU；4KB程序存储器(ROM)；128B数据存储器(RAM);32根双向并可以按位寻址的I/O线1个全双工串行口I/O线；2个16位定时计数器器；5各中断源2个优先级的嵌套结构；片内时钟振荡器二、MCS-51单片机基本结构内部结构简图如图2-1所示。包括：CPU、存储器（ROM、RAM）、I/O接口等计算机的基本组成。§MCS-51外部引脚及功能、I/O接口电路一、外部引脚返回MCS-51共40个引脚，大致可分为四类，其管脚分布如下图所示。1）电源引脚VCC和VSSVCC：40脚，电源端，+5VVSS：20脚，接地端（GND）2）时钟电路引脚XTAL1：19脚，外接晶振输入引脚。XTAL2：18脚，外接晶振输出引脚。3）控制线引脚共4根，其中3根为双功能①RST/VPD：9脚，复位/备用电源。RST---通过外接复位电路实现上电复位或按键复位。VPD---可外接备用电源，在VCC掉电时向RAM供电。二、专用寄存器组1、程序计数器PC16位计数器，指向程序存储器中被执行的指令所在的地址。本身没有地址，在物理上独立。寻址范围0000～FFFFH的64KB空间。2、数据指针DPTR16位地址指针，可寻址范围0000～FFFFH的64KB空间，可指向程序、数据存储器。3、堆栈指针SP8位地址寄存器，SP用来管理堆栈。它指向内部RAM的一个存储单元，且总是指向栈顶单元。MCS-51的堆栈是内部RAM中的一个部分，符合“先进后出、后进先出”原则。4、累加器ACCACC是一个具有特殊用途的8位寄存器，主要用于存放操作数或运算结果。8051指令系统中多数指令的执行都要通过累加器ACC进行。因此，在CPU中，累加器的使用频率是很高的。也可简写累加器A。5、寄存器BB也是一个8位的寄存器，通常用来和累加器配合，进行乘、除法的运算。对于其它指令，B可作为一个工作寄存器使。6、程序状态字PSWPSW是一个可编程的8位寄存器，用来寄存当前指令执行结果的有关状态。8051有些指令的执行会自动影响PSW的有关位的状态，在编程时要加以注意，同时，PSW中各位的状态也可通过指令设置。PSW各标志位的定义如下：CY：（PSW.7)进位标志位。累加器A的最高位有进行位（加法）或借位（减法）时，CY=1；否则CY=0。在布尔操作时，它是各种位操作的“累加器”。CY亦可简记为C。AC：（PSW.6)辅助进位标志位。当累加器A的D3位向D4位进位或借位标志时，AC=1，否则为0。（有时AC也被称为半进位标志）。F0：（PSW.5)用户通用标志位。可以根据需要用程序将其置位或清零，从而可通过测试FO的状态来控制程序的转向。RS1、（PSW.4）寄存器区选择位1。RS0、（PSW.3）寄存器区选择位0。RS1、RS0可由指令置位或清零，用来选择8051的工作寄存器区。其选择方法见表2-1OV、（PSW.2）溢出标志位。当带符号数运算（加法或减法）结果超出范围（-127-+127）时，有溢出，OV=1；否则OV=0。--、（PSW.1）用户定义标志位。P、（PSW.0）奇偶校验位。在每个指令周期由硬件按累加器A中“1”的个数为奇数或偶数而为“1”或“0”。因此，P可用指示操作结果（累加器A中）的1的个数的奇偶性。四、MCS-51存储器可分为五类：程序存储器、内部数据存储器、特殊功能存储器、位寻址区、外部扩展的数据存储器和扩展I/O口。指令的描述中经常用到一些特殊符号Rn工作寄存器R0～R7，即n=0～7。Ri寄存器R0、R1，即i=0、1。direct8位内部RAM单元的地址＃data：指令中的8位常数。＃data16指令中的16位常数。addr16：16位的目的地址addr1111位的目的地址rel8位带符号的偏移量字节bit：内部数据RAM或SFR的可直接寻址位。/位操作数的前缀，表示对该位取反。（X）X中的内容。((X))由X寻址的单元中的内容。←表示数据的传送方向。=表示数据交换。§MCS-51的指令系统1、寄存器寻址：寄存器寻址是指令中指定寄存器的内容作为操作数的寻址方式。2、直接寻址：直接寻址是指令直接给出操作数所在单元的地址的寻址方式。指令中操作数部分给出直接地址，用direct表示。3、寄存器间接寻址：指令操作数的地址事先存放在某个寄存器中，由该寄存器的内容指定操作数地址的寻址方式，称为寄存器间接寻址，@为间接寻址指示符。4、立即数寻址：立即数寻址是由指令直接给出操作数的寻址方式。#为立即数的标识符。MOVA，R1MOVA，3AHMOVA，@R1MOVA，#30H寻址方式存储器空间寄存器寻址R0～R7、A、B、Cy（位）、DPTR直接寻址内部数据存储器00H～7FH字节单元特殊功能寄存器寄存器间接寻址内部数据存储器(@R1、＠R0)外部数据存储器(@R1、＠R0、＠DPTR)立即数寻址程序存储器(操作常数)变址间接寻址程序存储器(@A+DPTR、＠A+PC)相对寻址程序存储器(修改了PC值)位寻址内部数据存储器及特殊功能寄存器中某些单元位每一种寻址方式可涉及的存储器空间(1)MOVA，#65H(2)MOV@R1，65H(3)MOV30H，R2(4)MOV60H，@R1寄存器寻址立即数寻址寄存器间接寻址直接寻址直接寻址寄存器寻址直接寻址寄存器间接寻址Example判断下列指令各操作数的寻址方式表2-2特殊功能寄存器SFR的名称及地址（一）一、单片机扩展的基本概念1、单片机最小系统：使单片机运行的最少器件构成的系统，就是最小系统。无ROM芯片：8031必须扩展ROM，复位、晶振电路有ROM芯片：89C51等，不必扩展ROM，只要有复位、晶振电路2、扩展使用的三总线：地址总线：由外部程序存储器取指，P0－低8位；P2－高8位数据总线：指令输入，P0控制总线：RD、WR、ALE、PSEN(读、写、地址锁存允许、外程序存储器读选通）§MCS-51的扩展应用图2-58051特殊功能寄存器地址分布图二、存储器的扩展1、随机读写存储器RAM的扩展：数据存储器一般采用RAM芯片，这种存储器在电源关断后，存储的数据将全部丢失。有两大类：动态RAM(DRAM)，一般容量较大，易受干扰，使用略复杂。例2116、2186静态RAM(SRAM)，在工业现场常使用SRAM，例：6264、6116存储器与微型机三总线的连接：1)数据线D0～n连接数据总线DB0～n2)地址线A0～N连接地址总线低位AB0～N。3)片选线CS连接地址总线高位ABN+x。4)读写线OE、WE(R/W)连接读写控制线RD、WR。DB0～nAB0～ND0～nA0～NABN+xCSR/WR/W微型机存储器62642、只读存储器ROM的扩展工作时，ROM中的信息只能读出，要用特殊方式写入(固化信息)，失电后可保持信息不丢失。掩膜ROM：不可改写ROM由生产芯片的厂家固化信息。在最后一道工序用掩膜工艺写入信息，用户只可读。PROM：可编程ROM用户可进行一次编程。存储单元电路由熔丝相连，当加入写脉冲，某些存储单元熔丝熔断，信息永久写入，不可再次改写。EPROM：可光擦除PROM用户可以多次编程。编程加写脉冲后，某些存储单元的PN结表面形成浮动栅，阻挡通路，实现信息写入。用紫外线照射可驱散浮动栅，原有信息全部擦除，便可再次改写。EEPROM：可电擦除PROM既可全片擦除也可字节擦除，可在线擦除信息，又能失电保存信息，具备RAM、ROM的优点。但写入时间较长。ROM常用芯片如：2864A、2816/2816A、2817/2817A三、I/O接口扩展电路设计1、8255简单I/O接口扩展：利用TTL芯片、COMS锁存器、三态门等接口芯片把P0接口扩展，常选用74LS273、74LS373、74LS244等芯片。2、8155可编程I/O接口扩展设计8155可做扩展RAM、I/O接口使用、定时器使用3、串行口扩展I／O接口1、使用移位寄存器作为锁存或输入信号的接口，可以方便地扩展并行I/O。这种方法不占用片外RAM地址。2、串行口扩展并行输入口/输出口3、串行口扩展串行行口，常用8251芯片。