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第2章MCS-51系列单片机的结构及原理●教学目标：介绍MCS-51系列单片机的内部结构与外部引脚功能介绍MCS-51系列单片机输入输出端口的结构与功能介绍MCS-51系列单片机的存储器组织介绍MCS-51系列单片机的CPU时序●学习要求：掌握MCS-51系列单片机的内部结构与外部引脚功能掌握MCS-51系列单片机存储器的构成与编址方法掌握输入输出端口的功能，了解输入输出端口的结构掌握振荡电路与复位电路的构成，了解单片机的CPU时序2.1MCS-51系列单片机的结构与引脚功能MCS-51系列单片机是美国Intel公司在1980年推出的8位单片微型计算机，包含51和52两个子系列。51子系列的典型产品有8031，8051和8751三种机型；52子系列包括8032，8052二种主要机型；区别：片内存储器大小、定时器/计数器个数、中断源个数。2.1.1MCS-51系列单片机的结构与配置•MCS-51系列单片机的结构框图见图2-1。•51子系列的配置如下：（1）8位CPU；（2）振荡频率1.2～12MHZ；（3）128个字节的片内数据存储器（片内RAM）；（4）21个专用寄存器；（5）4KB的片内程序存储器（8031无）；（6）8位并行I/O口P0，P1，P2，P3；（7）一个全双工串行I/O口；（8）2个16位定时器/计数器；（9）5个中断源，分为2个优先级。图2-1MCS-51系列单片机的结构框图片内主要包括：中央处理器CPU（运算电路：ALU,ACC,B,PSW,2个暂存器；控制电路：PC,PC加1寄存器,指令寄存器,定时及控制电路,振荡电路等），内部数据存储器，内部程序存储器，定时器/计数器，并行I/O口，串行口，中断控制电路，时钟电路，位处理器，内部总线。图中：PC程序计数器,DPTR数据指针,SP堆栈指针,A累加器(或ACC),B寄存器,PSW程序状态字均为专用寄存器。图2-2MCS-51系列单片机的引脚功能2.1.2MCS-51系列单片机的引脚功能•主电源引脚Vss（地）、Vcc（+5V电源）•外接晶振引脚XTAL1、XTAL2•输入/输出引脚P0、P1、P2、P3P0.0～P0.7：P0口的8个引脚，P0口是8位漏极开路型双向I/O端口，在接有片外存储器或I/0扩展接口时，P0.0～P0.7分时复用，作低8位地址总线与双向8位数据总线。（AD0—AD7）P1.0～P1.7：P1口的8个引脚，P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口；对于52子系列，P1.0还可用于定时器/计数器2的计数脉冲输入端Ｔ2，Ｐ1.1还可作定时器/计数器2的外部控制端T2EX。P2.0～P2.7：P2口的8个引脚，P2口也是一个带内部上拉电阻的双向I/O口，在访问片外存储器或扩展I/O接口时，还用于提供高8位地址。（A8—A15）P3.0～P3.7：P3口的8个引脚，P3口也是一个带上拉电阻的I/O口，除可以作双向的输入输出口外，还具有第2功能，见表2-1。表2-1P3口第二功能表引脚第二功能P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7RXD(串行口输入)TXD(串行口输出)INT0（外部中断0输入）INT1（外部中断1输入）T0（定时器0的外部输入）T1（定时器1的外部输入）WR（片外数据存储器写控制信号）RD（片外数据存储器读控制信号）•控制线（4条）：ALE/PROG：双功能引脚。由于P0口的8个引脚是低8位地址总线与数据总线分时复用，因此必须将P0口输出的低8位地址进行锁存。在访问片外存储器时，每机器周期该信号出现2次，其下降沿用于控制锁存P0口输出的低8位地址。即使不访问片外存储器，该引脚上仍出现上述频率的周期性信号，因此也可作为对外输出的时钟脉冲，频率为振荡器频率的1/6，必须注意的是：在访问片内外存储器时，ALE脉冲会跳空1个。对片内含有EPROM的机型，此引脚在编程时可作为编程脉冲PROG的输入端。PSEN：片外程序存储器读选通信号输出端，在CPU从片外程序存储器取指期间，此信号每个机器周期两次有效，以通过P0口读入指令；在访问片外数据存储器时，该信号不出现。EA/Vpp：双功能引脚，为片外程序存储器选用端。当该引脚为“0”信号有效时，选择片外程序存储器；当EA/Vpp=1时，访问片内程序存储器，并可延续至外部程序存储器。对片内含有EPROM的机型，此引脚在编程期间用于施加+21v的编程电压。RST/VPO：双功能引脚，在单片机工作期间，当此引脚上出现连接2个机器周期的高电平时可实现复位操作。在Vcc掉电期间，若该引脚接备用电源(+5v),可向片内RAM供电，以保存片内RAM中的信息。图2-1的虚框部分为微处理器,又称CPU，微处理器包括控制器、运算器。控制器由指令寄存器、指令译码器、定时控制部分组成，可根据不同的指令产生相应的控制信号，使各部分协调工作，完成指令所规定的功能。运算器由算术逻辑运算单元ALU、累加器A（或ACC）、B寄存器、暂存器1、暂存器2、程序状态字PSW构成。程序状态字PSW是1个8位的专用寄存器，用于存放程序运行中的各种状态信息，可进行位寻址。PSW的各位定义见图2-3。D7D6D5D4D3D2D1D0图2-3程序状态字各位的含义CACF0RS1RS0OVF1P2.2MCS-51系列单片机的微处理器与CPU时序2.2.1MCS-51系列单片机的微处理器（1）进位标志C（PSW.7）：很多算术逻辑运算指令执行后都会影响进位标志C。例如加减运算，若运算结果有进位或借位，则C=1，若无，则C=0。可用专门的指令或硬件将C置位或清零，在进行位操作时，C又起着位累加器的作用，类似于累加器A。（2）辅助进位标志AC（PSW.6）：做加减运算时，若低半字节有进位（借位），则AC=1，否则AC=0，辅助进位标志主要用于BCD运算调整时。（3）软件标志FO（PSW.5）：这是可由用户定义的一个状态标志，可由用户置位或复位。F1的定义与F0相同。（4）工作寄存器组选择位RS1、RS0（PSW.4，PSW.3）：RS1、RS0与工作寄存器组的对应关系如下：RS1RS0工作寄存器组片内RAM地址00第0组00H～07H01第1组08H～0FH10第2组10H～17H11第3组18H～1FH单片机上电复位后，RS1RS0=00，此时第0组的8个工作寄存器为当前工作寄存器组。MCS-51系列单片机共有4组工作寄存器，每组8个，依次为R0/R1/R2/R3/R4/R5/R6/R7。（5）溢出标志OV（PSW.2）：当运算结果超出机器所能表示的范围时称溢出。OV是带符号数运算的溢出标志，如发生溢出，则OV=1；否则OV=0。（加减运算OV=C7Y⊕C6Y）（6）奇偶标志P（PSW.0）：P反映执行指令后累加器A中1的个数的奇偶,若A中1的个数为奇数，则P=1，若A中1的个数为偶数，则P=0。•程序状态字可反映运算结果的状态，下面以加法指令为例进行说明。例：分析执行下列指令序列后，A、C、AC、OV、P的内容是什么？MOVA，#79HADDA，#58H该指令序列的功能是将79H+58H→A。计算过程如下：（79H）01111001+（58H）01011000————————————（D1H）11010001指令执行后，A=D1H最高位无进位，故Ｃ=0；低半字节有进位，AC=1；OV=0⊕1=1，发生溢出（2个正数相加变为负数）；A中1的个数为偶数，故P=0。2.2.2CPU时序一．振荡器CPU执行指令的一系列动作是在时序电路的控制下一拍一拍进行的。其节拍信号由振荡器产生，MCS-51系列单片机的内部有一个高增益的反相放大器，外接晶体后可构成自激振荡器产生节拍信号，接法见图2-1；也可使用片外振荡器，采用不同工艺制造的单片机芯片接法不同。芯片制造工艺接法XTAL1XTAL2HMOS型接地接片外振荡脉冲输入端(带上拉电阻)CHMOS型接片外振荡脉冲输入端(带上拉电阻)悬浮，不接二、时钟周期、机器周期、指令周期振荡器输出的振荡脉冲经2分频后作为内部节拍信号，作单片机内部各部件协调工作的控制信号，其周期称为时钟周期。计算机一条指令的执行分几个阶段，每一阶段完成一项规定的操作，完成某一规定操作所需的时间称为一个机器周期。对MCS-51系列单片机，6个时钟周期构成一个机器周期。CPU执行一条指令所需的时间为指令周期。指令周期以机器周期为单位，MCS-51系列单片机的指令多为单周期、双周期指令，只有乘除指令为4周期指令，若用12MHZ晶振，则单周期指令、双周期指令的执行时间分别为1μs和2μs，而乘除指令则需4μs。图2-380C51单片机的时钟电路框图图2-4CPU取指与执行指令时序图三、CPU时序MCS-51系列单片机的一个机器周期包含6个时钟周期。用S1、S2、……、S6表示，每个时钟周期的2个振荡节拍用P1、P2表示，则一个机器周期包括12个振荡周期，不同周期、不同字节数的指令时序不同。2.38051存储器配置MCS-51系列单片机内部一般既有只读存储ROM，又有随机存储器RAM，片内存储器的类型及容量见下表。存储器类型片内程序存储器容量(B)片内数据存储器容量(B)MCS-51系列单片机型号掩膜ROMEPROMRAMSFR51子系列803180518751——4KB————4KB12812812812812812852子系列80328052——8KB————256256128128当片内存储器容量不够时，可在片外扩展，加用片外程序存储器与片外数据存储器。从结构上讲共有四个存储空间：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，见图2-5。图2-5MCS-51系列单片机存储器配置图2.3.1程序存储器程序存储器存放程序及各种表格、常数，其寻址范围为64KB，编址范围为0000H至FFFFH。对于片内无程序存储器的机型（8031、8032），其程序存储器均在片外扩展；对于片内有程序存储器的机型（8051、8052、8751），也可在需要时扩展片外程序存储器。在既有片内又有片外程序存储器时，通常编址时先片内，后片外，片内片外连续不重叠。EA有两种接法：•EA=1，此时复位后先执行片内程序存储器的程序；当PC中的内容超过片内程序存储器最后的一个单元的地址时，将自动转去执行片外程序存储器的程序。•EA=0，此时将不访问片内程序存储器而直接访问片外程序存储器，片外存储器也可以0000H开始编址。程序存储器中有特殊用途的7个单元：0000H单元：MCS-51系列单片机复位后PC=0000H，即系统复位后从0000H单元开始执行程序。0003H外部中断0中断服务程序入口地址000BH定时器/计数器0溢出中断入口地址0013H外部中断1入口地址001BH定时器/计数器1溢出中断入口地址0023H串行口中断入口地址002BH定时器/计数器2溢出或T2EX端负跳变(仅8032、8052用)中断入口地址注意：以上7个单元相隔很近，通常要执行的程序并不在此，单元内通常是一条绝对转移指令，转到程序真正的起始地址去执行程序。2.3.2数据存储器MCS-51系列单片机的片内数据存储器分为片内RAM块与特殊功能寄存器（SFR）块，对于51子系列，片内RAM块的地址从00H～7FH，占128个字节，SFR块从80H～FFH，也为128字节。对于52子系列，前者编址从00H～FFH，占256个字节，后者编址为80H～FFH，占128字节。片内RAM的高128个字节的地址与SFR块重叠，当片内数据存储器容量不够时可扩展片外数据存储器。片外数据存储器用R0、R1间址寻址时，寻址范围为256个字节，用数据指针寄存器DPTR时寻址范围最大为64KB。在编址时，片外数据存储器的地址可与片内数据存储器的地址重叠，事实上，数据存储器与程序存储器的地址也是重叠的。规定：片内RAM的高128个字节用寄存器间址寻址，而SFR块用直接寻址；访问片内数据存储器用MOV指令，访问片外数据存储器用MOVX指令；而访问