第二章 MCS-51单片机的结构和工作原理

MCS-51系列单片机是8位（高档）单片机系列。本章介绍MCS-51单片机的结构、工作原理及其组成部分和各部件的功能。2.1单片机的基本组成2.280C51单片机的引脚功能和结构框图2.380C51CPU的结构和特点2.480C51单片机的存储器2.580C51单片机的位处理第二章单片机的基本结构和工作原理2.680C51单片机的工作方式2.1单片机的结构振荡器时钟电路程序存储器ROM数据存储器RAM定时器/计数器2×16中央处理器CPU外中断内中断串行接口中断系统并行接口P0P1P2P3TxDRxDINT0INT1T0T1I/O口并行I/O口：四个8位输入输出口，用于检测与控制，可用于DB、AB、CB，可驱动外设串行I/O口：实现与某些终端设备进行串行通信，构成多机系统，可编程全双工，可设二个串口定时器/计数器精确的定时外部事件进行计数80C51共有二个16位的定时器/计数器，80C52则有三个16位的定时器/计数器中断系统三个内部中断：2个定时/计数，1个串行口二个外部中断二个中断优先级（二级嵌套）振荡电路及元件产生有规律地节拍内部定时电路需外接振荡元件才能工作，（也可集成到芯片内）振荡元件一般选用晶体振荡器，或用价廉的RC振荡器，也可用外部时钟源中央处理器CPU单片机的核心主要完成运算和控制功能增设了“面向控制”的处理功能，增强了实时性80C51的CPU是一个字长为8位的中央处理单元。一般对数据的处理是按字节进行的。2.380C51CPU的结构和特点中央控制器运算器时序电路工作寄存器2.3.1中央控制器中央控制器是识别指令，并根据指令性质控制计算机各组成部件进行工作的部件，与运算器一起构成中央处理器。在80C51单片机中，控制器包括程序计数器PC、程序地址寄存器、指令寄存器IR、指令译码器、条件转移逻辑电路及定时控制逻辑电路。其功能是控制指令的读出、译码和执行，对指令的执行过程进行定时控制，并根据执行结果决定是否分支转移。运算器程序计数器PC数据指针DPTR指令译码器控制器CPU2.3.1中央控制器指令寄存器IR控制逻辑电路程序计数器PC最基本的16位寄存器，是一个独立的计数器。存放的是下一条将要从程序存储器中取出的指令的地址（地址范围64K）开机时PC=0000HPC值改变方法：自动加1；转移指令赋值；中断响应赋值对外通过P2口和P0口连接数据指针DPTR是一个16位的特殊功能寄存器存放的是片外数据寄存器的地址（地址范围64K），或是程序存储器基础地址16位地址可分成两部分即高八位DPH，低八位DPL分别使用在CPU内占据83H、82H两个地址对外通过P2口和P0口连接指令寄存、译码、控制指令寄存器IR是8位寄存器，用来存放指令操作码指令译码是把指令转变为对应的电信号定时控制是根据指令要求对各部件按时序进行工作执行过程就是在控制器的控制下，将指令从程序存储器中逐条取出，进行译码，然后由定时控制逻辑电路发相应的定时控制信号，控制指令的执行对于运算指令，还要将运算的结果特征送入程序状态标志寄存器PSW运算器算术逻辑单元ALU(ArithmeticLogicUnit)累加器ACC(Accumulator)寄存器B程序状态字PSW(ProgramStatusWord)CyACF0RS1RS0OV--P布尔处理器（2.5）控制器CPU2.3.2运算器算术逻辑运算单元ALU是用于对数据进行算术运算和逻辑操作的执行部件，由加法器和逻辑电路（移位和判断电路）组成能完成加、减、乘、除和“与”、“或”、“异或”以及循环移位等位操作有两个输入和两个输出累加器A是CPU中使用最频繁的一个八位专用寄存器功能：累加器A存放操作数，是ALU单元的输入之一，也是ALU运算结果的暂存单元只有一个累加器A，易产生“瓶颈”现象，指令和多累加器结构B寄存器B寄存器在乘法和除法指令中作为ALU的输入之一功能：乘法时，B中放积的高8位，除法时B中存放余数可以作为内部RAM中的一个单元来使用，地址是0F0H程序存储器（ROM）哈佛结构四种型号：内部没有程序存储器的称80C31，内部带ROM的称80C51，内部以EPROM代替ROM的称87C51，内部以EEPROM代替ROM的称89C51三种结构形式：片内只读存储器，片内可编程的ROM（三种），片外只读存储器程序存储器的结构形式片内掩膜ROM：一次性，厂家定制，便宜片内可编程ROM：用户编程，可擦除（一次或多次（紫外线或电））片外ROM程序存储器用来存放程序和常数，分为片内和片外两部分，其中8051内部有4kB的ROM，地址范围是0000H-0FFFH，片外用16位地址线扩充64kB的ROM，两者统一编址。（从片内还是从片外取址取决于EA引脚，注意EA脚高低电平的含义）特殊单元：0000H-0002H（开机复位单元）0003H-000AH（INT0中断地址区）000BH-0012H（T/C0中断地址区）0013H-001AH（INT1中断地址区）001BH-0022H（T/C0中断地址区）0023H-002AH（串行口中断地址区）2.4程序存储器数据存储器（RAM）一定容量（64B至384B）的RAM51系列只有256B，且前128B可用目的：加快单片机运行的速度，降低功耗数据存储器用来存放运算的中间结果、标志位，及数据的暂存和缓冲等。分为片内RAM和片外RAM。80C51系列单片机内数据存储器最大可寻址256个单元，片外可寻址16位（64kB）的地址空间。片内数据存储器和片外数据存储器是单独编址的。2.4数据存储器用户RAM区（堆栈、数据缓冲）（30H-7FH）位寻址区（位地址00H-7FH）（20H-2FH）第3组通用寄存器（18H-1FH）第2组通用寄存器（10H-17H）第1组通用寄存器（08H-0FH）第0组通用寄存器（00H-07H）用于存放操作数及中间结果。由于它们的功能预先不作规定，因此称为通用寄存器，也叫工作寄存器。任一时刻，CPU只能使用一组工作寄存器。（由PSW的RS0和RS1决定）可以直接对位进行寻址。（共16个单元，128个字节）用于存放用户数据和及做堆栈用。2.4内部数据存储器（低128字）堆栈区及堆栈指示器堆栈区从08H—7FH起用。用于子程序调用或中断时保护断点和保护现场。堆栈指示器SP：默认SP=07H，一般设SP=2FH。数据入栈SP+1，数据出栈SP-12.4内部数据存储器（低128字）2.4内部数据存储器（高128字）占用字节地址：80H～FFH位寻址寄存器：其字节地址可被8整除。专用寄存器：A、B、PSW、DPTR、SPI/O接口寄存器：P0、P1、P2、P3、SBUF、TMOD、TCON、SCON…片外数据存储器，即片外RAM一般由静态RAM组成。MCS-51系列单片机访问外部数据存储器通过一个特殊寄存器——DPTR寻址。由于DPTR是16位，则外部数据存储器可寻址的范围是64kB。（另外，数据区和扩展的I/O口统一编址。）2.4外部数据存储器MCS-51系列单片机芯片绝大多数为40个引脚，HMOS工艺制造的芯片采用双列直插式封装（DIP）。少量采用44个引脚的QFP或PLCC封装形式。本节主要介绍DIP引脚功能和引脚功能的复用。2.280C51单片机的引脚功能1、电源引脚Vss和VccVss（20）为电压接地端，Vcc（40）为+5V电源端。2、时钟电路引脚XTAL1和XTAL2XTAL1（19）和XTAL2（18）是外接晶体引线端。当芯片使用内部时钟时，用于外接石英晶体和电容；当用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。其中HMOS单片机：XTAL1接地，XTAL2接收信号；CHMOS单片机：XTAL1接收信号，XTAL2悬空。2.2.1引脚信号功能介绍3、控制信号引脚RST（9），PSEN（29）、EA/VPP（31）和ALE/PROG（30）4、I/O（输入/输出）端口（Port）P0、P1、P2、P3P0口是一个漏级开路的8位双向I/O口。在访问外存储器时，P0分时提供低8位地址线和8位双向数据线。当不接外存储器或不扩展I/O口时，P0口可作为一个通用输入输出接口。P1口是一个带内部上拉电阻的准双向口。P1口只能做通用输入输出口。P2口是一个带内部上拉电阻的准双向口。在访问外部存储器时，输出高8位地址。P3口为双功能口，除了作为一般的准双向通用接口外，每个引脚还有特殊的功能。2.2.1引脚信号功能介绍2.2.2引脚信号的第二功能1、P3口线的第二功能P3.0RxD串行数据接受P3.1TxD串行数据发送P3.2INT0外部中断0申请P3.3INT1外部中断1申请P3.4T0定时器/计数器0计数输入P3.5T1定时器/计数器1计数输入P3.6WR外部RAM写选通P3.7RD外部RAM读选通2.2.2引脚信号的第二功能2、EPROM存储器程序固化所需要的信号有内部EPROM的单片机芯片，为写入程序需要提供专门的编程脉冲和编程电源。这些信号由引脚第二功能提供，即：编程脉冲30脚（ALE/PROG）编程电压21V31脚（EA/Vpp）3、备用电源MCS-51系列单片机的备用电源是9脚（RST/Vpd）引入的。当主电源Vcc发生故障时，备用电源经此端向内部RAM提供电压，以保护内部RAM中的信息不被丢失。单片机内部结构MCS-51单片机的工作方式有复位方式、程序执行方式、低功耗方式以及编程、校验与加密方式等。2.680C51单片机的工作方式返回1、单片机的初始化操作——复位单片机复位后，程序计数器PC和特殊功能寄存器的状态（见书P31页表2-7）。复位后，PC初始化为0000H，使单片机从0000H开始执行程序。复位后不影响片内RAM。2.6.1复位方式2、复位信号RST引脚是复位信号的输入端，复位信号为高电平有效。当高电平持续24个震荡脉冲周期（两个时钟周期）以上时，单片机完成复位。2.6.1复位方式3、复位方式复位分为按键手动复位、上电自动复位和外部脉冲复位。程序执行方式是单片机的基本工作方式。由于复位后PC=0000H，因此程序总是从地址0000H开始。2.6.2程序执行方式单步执行就是通过外来脉冲控制程序的执行，使之达到来一个脉冲就执行一条指令的目的。2.6.3低功耗工作方式低功耗工作分为：待机方式和掉电保护方式两种。用电源控制寄存器PCON控制。待机方式：当PCON.0=1进入待机方式，当PCON.0=0时退出待机方式。掉电保护方式：当PCON.1=1进入掉电方式，当PCON.1=0时退出掉电方式。2.6.4编程方式自学教材P33-36页注意应用领域习题2-1、2-4、2-6、2-10、2-11、2-12