MCS—51系列单片机芯片结构

第二章MCS—51系列单片机芯片结构2.1MCS—51系列单片机的结构原理2.1.1MCS-51单片机逻辑结构MCS-51单片机的系统结构框图如图2.1所示。振荡器及定时电路4KB程序存储器128KB数据存储器2个16位定时器/事件计数器CPU64KB总线扩展控制可编程串行口可编程I/O中断中断频率基准源计数器串行输入串行输出并行I/O口控制图2.1MCS-51单片机的系统结构框图由图2.1可以看出，单片机内部主要包含下列几个部件：u一个8位CPU；u一个时钟电路；u4Kbyte程序存储器；u128byte数据存储器；u两个16位定时/计数器；u64Kbyte扩展总线控制电路；u四个8-bit并行I/O端口；u一个可编程串行接口；五个中断源，其中包括两个优先级嵌套中断2.1.2MCS－51单片机内部结构MCS－51单片机芯片内部结构框图如图2.2所示。端口0驱动器端口2驱动器RAM（128×8）端口0锁存器端口2锁存器ROM（4K×8）程序地址寄存器缓冲器PC加1寄存器程序计数器PC数据指针DPTR堆栈指示器SPPCONSCONTMODTCONTH0TL0TH1TL1SBUF（TX）SBUF（RX）IE中断、串行口和定时器RAM地址寄存器ACCB寄存器ALU状态寄存器暂存器2暂存器1定时与控制指令寄存器端口1锁存器端口3锁存器端口1驱动器端口3驱动器XTAL1XTAL2P0.0～P0.7P2.0～P2.7P1.0～P1.7P3.0～P3.7ALERSTPSENEAVccVss（＋5V）图2.2MCS－51单片机芯片内部结构框图1.CPUCPU即中央处理器的简称，是单片机的核心部件，它完成各种运算和控制操作，CPU由运算器和控制器两部分电路组成。（1）运算器电路运算器电路包括ALU（算术逻辑单元）、ACC（累加器）、B寄存器、状态寄存器、暂存器1和暂存器2等部件，运算器的功能是进行算术运算和逻辑运算。（2）控制器电路控制器电路包括程序计数器PC、PC加1寄存器、指令寄存器、指令译码器、数据指针DPTR、堆栈指针SP、缓冲器以及定时与控制电路等。控制电路完成指挥控制工作，协调单片机各部分正常工作。2.定时器/计数器MCS－51单片机片内有两个16位的定时/计数器，即定时器0和定时器1。它们可以用于定时控制、延时以及对外部事件的计数和检测等。3.存储器MCS－51系列单片机的存储器包括数据存储器和程序存储器，其主要特点是程序存储器和数据存储器的寻址空间是相互独立的，物理结构也不相同。4.并行I/O口MCS－51单片机共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2和P3），每一条I/O线都能独立地用作输入或输出。P0口为三态双向口，能带8个TTL门电路，P1、P2和P3口为准双向口，负载能力为4个TTL门电路。5.串行I/O口MCS－51单片机具有一个采用通用异步工作方式的全双工串行通信接口，可以同时发送和接收数据。6.中断控制系统8051共有5个中断源，即外中断2个，定时/计数中断2个，串行中断1个。7.时钟电路MCS－51芯片内部有时钟电路，但晶体振荡器和微调电容必须外接。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列，振荡器的频率范围为1.2MHz～12MHz，典型取值为6MHz。8.总线以上所有组成部分都是通过总线连接起来，从而构成一个完整的单片机。系统的地址信号、数据信号和控制信号都是通过总线传送的，总线结构减少了单片机的连线和引脚，提高了集成度和可靠性。2.1.3引脚信号图2.3为MCS－51系列单片机引脚图及逻辑符号，它们为标准的40脚DIP封装。2.3/0PINT6.3/PWR3.3/1PINT0.1P1.1P2.1P3.1P4.1P5.1P6.1P7.1PPDVRST/0.3/PRXD1.3/PTXD4.3/0PT5.3/1PT7.3/PRD2XTAL1XTALVss1234567891011121314151617181920Vcc0.0P1.0P2.0P3.0P4.0P5.0P6.0P7.0PVppEA/PROGALE/PSEN7.2P6.2P5.2P4.2P3.2P2.2P1.2P0.2P2122232425262728293031323334353637383940803180518751VccVssPDVRST/1XTAL2XTALVppEA/PSENPROGALE/P3口第二功能P0口P1口P2口地址数据总线地址总线803180518751图2.3MCS－51系列单片机引脚图及逻辑符号电源引脚Vcc和VssVcc：电源端，接＋5V。Vss：接地端。时钟电路引脚XTAL1和XTAL2XTAL1：接外部晶振和微调电容的一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输入，若使用外部TTL时钟时，该引脚必须接地。XTAL2：接外部晶振和微调电容的另一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输出，若使用外部TTL时钟时，该引脚为外部时钟的输入端。地址锁存允许ALE系统扩展时，ALE用于控制地址锁存器锁存P0口输出的低8位地址，从而实现数据与低位地址的复用。外部程序存储器读选通信号是读外部程序存储器的选通信号，低电平有效。程序存储器地址允许输入端/VPP当为高电平时，CPU执行片内程序存储器指令，但当PC中的值超过0FFFH时，将自动转向执行片外程序存储器指令。当为低电平时，CPU只执行片外程序存储器指令。复位信号RST该信号高电平有效，在输入端保持两个机器周期的高电平后，就可以完成复位操作。1.输入/输出口引脚P0、P1、P2和P3P0口（P0.0～P0.7）：该端口为漏极开路的8位准双向口，负载能力位8高LSTTL负载，它为8位地址线和8位数据线的复用端口。P1口（P1.0～P1.7）：它是一个内部带上拉电阻的8位准双向I/O口，P1口的驱动能力为4个LSTTL负载。P2口（P2.0～P2.7）：它为一个内部带上拉电阻的8位准双向I/O口，P2口的驱动能力也为4个LSTTL负载。在访问外部程序存储器时，它作存储器的高8位地址线。P3口（P3.0～P3.7）：P3口同样是内部带上拉电阻的8位准双向I/O口，P3口除了作为一般的I/O口使用之外，其还具有特殊功能。2.2MCS—51单片机的存储器MCS－51的存储器结构如图2.4所示。在本节中我们将对单片机的内部数据存储器、内部程序存储器和外部存储器分别作一介绍。外部FFFF1000内部（＝1）外部（＝0）0FFF00000FFF0000专用寄存器内部RAMFF807F00FFFF0000程序存储器内部数据存储器外部数据存储器图2.4MCS－51的存储器结构如2.2.1内部数据存储器用户区位寻址区（位地址00～7F）工作寄存器区3（R0～R7）工作寄存器区2（R0～R7）工作寄存器区1（R0～R7）工作寄存器区0（R0～R7）7FH30H2FH20H1FH00H.........图2.5MCS-51片内RAM的空间分配1.内部数据存储器低128单元在低128字节存储单元中，前32个单元（00H～1FH）作为工作寄存器使用，这32个寄存器分作4组，每组由8个通用寄存器（R0～R7）组成，组号依次为0、1、2和3。通过对程序状态字中RS1和RS0的设置，可以决定选用哪一组工作寄存器，通常没有选中的单元也可作为一般的数据缓存使用。系统上电复位时，默认选中第0组寄存器。在工作寄存器后的16个数据单元（20H～2FH），它们既可以作为一般的数据单元使用，由可以按位对每个单元进行操作，因此这16个数据单元又称作位寻址区。位寻址区共计128位，其位地址为00H～0FH。在内部RAM的低128个单元中，剩余的80个数据单元即30H～7FH为真正的用户RAM区，对于这些区域，用户只能以存储单元的形式来使用，通常在应用中也把堆栈开辟在这段区域。2.内部数据存储器高128单元内部数据存储器的高128个单元是为专用寄存器提供的，因此该区也称作特殊功能寄存器区（SFR），它们主要用于存放控制命令、状态或数据。除去程序计数器PC外，还有21个特殊功能寄存器，其地址空间为80H～FFH。这21个寄存器中有11个特殊功能寄存器具有位寻址能力，它们的字节地址刚好能被8整除。下面将对部分专用寄存器作简要介绍。累加器ACC累加器为8位寄存器，是程序中最常用的专用寄存器，在指令系统中累加器的助记符为A。大部分单操作数指令的操作取自累加器，很多双操作数指令的一个操作数也取自累加器。加、减乘和除等算术运算指令的运算结果都存放在累加器A或AB寄存器中，在变址寻址方式中累加器被作为变址寄存器使用。在MCS－51中由于只有一个累加器，而单片机中的大部分数据操作都是通过累加器进行的，故累加器的使用是十分频繁的。B寄存器B寄存器为8位寄存器，主要用于乘除指令中。乘法指令的两个操作数分别取自累加器A和寄存器B，其中B为乘数，乘法结果的高8位存放于寄存器B中。除法指令中，被除数取自A，除数取自B，除法的结果商数存放于A，余数存放于B中。在其它指令中，B寄存器也可作为一般的数据单元来使用。程序状态字PSW程序状态字是一个8位寄存器，它包含程序的状态信息。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。PSW中的每个状态位都可由软件读出，PSW的各位定义如表2.1。表2.1PSW的各状态位定义(1)CY：进位标志位在执行某些算术和逻辑指令时，可以被硬件或软件置位或清零。在算术运算中它可作为进位标志，在位运算中，它作累加器使用，在位传送、位与和位或等位操作中，都要使用进位标志位。(2)AC：辅助进位标志进行加法或减法操作时，当发生低四位向高四位进位或借位时，AC由硬件置位，否则AC位被置“0”。在进行十进制调整指令时，将借助AC状态进行判断。位序PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0位标志CYACF0RS1RS0OV/P(3)用户标志位该位为用户定义的状态标记，用户根据需要用软件对其置位或清零，也可以用软件测试F0来控制程序的跳转。(4)RS1和RS0：寄存器区选择控制位该两位通过软件置“0”或“1”来选择当前工作寄存器区。(5)OV：溢出标志位当执行算术指令时，由硬件置位或清零来指示溢出状态。在带符号的加减运算中，OV＝1表示加减运算结果超出了累加器A所能表示的符号数有效范围（－128～＋127），即运算结果是错误的，反之，OV＝0表示运算正确，即无溢出产生。无符号数乘法指令MUL的执行结果也会影响溢出标志，若置于累加器A和寄存器B的两个数的乘积超过了255，则OV＝1，反之OV＝0。由于乘积的高8位存放于B中，低8位存放于A中，OV＝0则意味着只要从A中取得乘积即可，否则要从BA寄存器对中取得乘积结果。在除法运算中，DIV指令也会影响溢出标志，当除数为0时，OV＝1，否则OV＝0。(6)P：奇偶标志位每个指令周期由硬件来置位或清零用以表示累加器A中1的个数的奇偶性，若累加器中1的个数为奇数则P＝1，否则P＝0。l数据指针DPTR数据指针DPTR为一个16位的专用寄存器，其高位用DPH表示，其低位用DPL表示，它即既可以作为一个16位的寄存器来使用，也可作为两个8位的的寄存器DPH和DPL使用。DPTR在访问外部数据存储器时既可用来存放16位地址，也可作地址指针使用。如MOVX@DPTR，A。lI/O端口P0～P3P0～P3为四个8位的特殊功能寄存器，分别是四个并行I/O端口的锁存器，当I/O端口的某一位用作输入时，对应的锁存器必须先置“1”。l定时器/计数器在MCS－51中，除8032/8052外都只有两个16位定时器/计数器T0和T1，它们由两个相互独立的8位寄存器组成TH和TL，共有四个独立的寄存器TH0、TL0、TH1和TL1，只可对这四个寄存器独立寻址，而不能作为一个16位寄存器来寻址。l串行数据缓冲寄存器串行数据缓冲器SBUF用于存放将要发送或已接收的数据，它由发送缓冲器和接收缓冲器组成，将要发送的数据被送入SBUF时进入发送缓冲器，反之进