02第二章MCS-51系列单片机的结构及原理

第2章MCS-51系列单片机的结构及原理MCS-51系列基本产品型号：8051、8031、8751、8951称为51子系列。不同型号MCS-51单片机CPU处理能力和指令系统完全兼容，只是存储器和I/O接口的配置有所不同。2.1MCS-51总体结构仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院主要功能部件8位CPU片内4KB程序存储器片内128B数据存储器可以寻址的64KB的片外数据和程序存储器二十多个SFR32根双向和可单单独寻址的I/O线四个可编程并行I/O口全双工串行I/O口2个16位定时/计数器5个中断源，2个优先级2.2MCS-51单片机内部结构8位，+、–、×、÷算术运算，与、或、非、异或逻辑运算、循环移位、位处理。工作寄存器R0～R7(8位)暂存运算数据和中间结果。4个工作寄存器区：0区～3区。累加器，需要ALU处理的数据和计算结果多数要经过A累加器。与A累加器配合执行乘、除运算。也可用作通用寄存器。程序状态字，存放ALU运算过程的标志状态：CyACF0RS1RS0OV—P数据指针(16位)，存放片外存储器地址，作为片外存储器的指针。可分成两个8位寄存器DPH、DPL使用。片内4K程序存储器仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院堆栈指针SP，堆栈是按“先进后出”原则存取数据的存储区。程序计数器仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院2.3MCS-51系列单片机的引脚功能MCS-51系列单片机的封装方式：1、40脚双列直插封装（也称为DIP封装）44脚方形封装方式2、48脚DIP封装、52脚方形封装方式3、68脚脚方形封装方式8031805187511．I/O口线功能4个8位并行I/O接口引脚P0.0～P0.7、P1.0～P1.7、P2.0～P2.7和P3.0～P3.7为多功能引脚，可自动切换用作数据总线、地址总线、控制总线和I/O接口外部引脚。2．控制线ALE/PROG：地址锁存允许信号端/输入编程脉冲PSEN：外部程序存储器读选通信号端EA/VPP：程序存储器选择信号端和编程电源输入端2．控制线RST/VPD：复位信号端和后备电源输入端。输入10ms以上高电平脉冲，单片机复位。VPD使用后备电源，可实现掉电保护。3.电源及时钟引线工作电源：VDD、VSS、时钟输入：XTAL1、XTAL2。复位电路：1）上电复位2）外部信号复位单片机RSTK+5V200Ω1K30μF803180518751仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院多功能I/O口引脚P0口（32~39脚）：–8位双向并行I/O端口。–低8位地址总线和数据总线复用。–可带8个LSTTL负载P1口（1~8脚）：–8位准双向并行I/O端口–可带4个LSTTL负载P2口（21~28脚）：–8位准双向并行I/O端口–高8位地址总线–可带4个LSTTL负载仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院P3口（10~17脚）：–8位准双向并行I/O端口–特殊第二功能–P3.0----RXD：串行数据接收端–P3.1----TXD：串行数据发送端–P3.2----INT0：外部中断0请求端–P3.3----INT1：外部中断1请求端–P3.4----T0：定时/计数器0外部事件记数输入端–P3.5----T1：定时/计数器1外部事件记数输入端–P3.6----WR：外部数据存储器写选通–P3.7----RD：外部数据存储器读选通仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院2.4MCS-51系列单片机的主要组成部分2.4.1CPU2.4.2存储器2.4.3I/O接口三部分组成仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院由运算部件和控制部件组成作用是读入及分析指令，控制各个部件进行指定的操作主要部件：–算术/逻辑运算部件ALU–布尔处理器–定时/控制部件–寄存器2.4.1CPU仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院2.4.2MCS-51存储器配置仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院MCS-51存储器为哈佛结构，即程序存储器与数据存储器分开编址4个物理空间：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仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院3个逻辑空间：64KB程序存储器，编址为0000H~FFFFH访问指令为：MOVC64KB外部数据存储器，编址为0000~FFFFH访问指令为：MOVX256B内部数据存储器，编址为00H~FFH访问指令为：MOV仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院一、程序存储器8051EA=1片内4KB片外60KB8031EA=0片外64KB仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院51系列单片机64K字节程序存储器统一编址注意：当接高电平时，单片机从片内ROM的4KB存储区中读取指令，而当地址超过0FFFH后，就自动转向片外ROM取指令。当接低电平时，CPU只能从片外ROM取指令访问指令为：MOVC仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院保留单元，用于特定程序段0000H~0002H：程序的起始，一般存放一条绝对跳转指令例：LJMP0050H0003H~002AH：5个中断服务程序–0003H外部中断0–000BH定时器0溢出中断–0013H外部中断1–001BH定时器1溢出中断–0023H串行口中断仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院二数据存储器MOVXMOV仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院内部数据存储器256字节，编址为00H~FFH分为两部分–00H~7FH：内部数据RAM–80H~FFH：特殊功能寄存器区访问指令为：MOV仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院内部数据RAM地址空间仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院构成布尔处理器的存储器空间位寻址区共16个字节，即16×8＝128位每一位都对应一个位地址,其范围位：位地址为00H~7FH（0~127）例：MOVA，40H；将地址为40H的8位数据送入累加器AMOVC，40H；将位地址为40H（字节地址为28H的第0位）的一位数据送入位累加器C2、20H~2FH可位寻址RAM区仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院3、30H~7FH内部RAM区只可字节寻址一般应用中把堆栈开辟的此区中仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院三、特殊功能寄存器区（SFR）地址范围80H~FFH21个特殊功能寄存器占用26个字节，其余单元无定义8032/8052：内部RAM与特殊功能寄存器地址重叠空间，依靠不同寻址方式实现区别访问RAM：间接寻址SFR：直接寻址仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院1、程序计数器PC用于存放下一条要执行指令的地址可寻址范围为0~65535（64K）复位时，PC=0000H2、累加器A（E0H）可位寻址3、寄存器B（F0H）可位寻址仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院4、程序状态字寄存器PSW（DOH）8位寄存器，相当于8086的FLAGS。用于寄存当前指令执行后的状态。–格式：–76543210–CyACF0RS1RS0OV—P仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院PSW各位的定义Cy：高位进位标志位–有进位或借位时，Cy=1；否则，Cy=0–用作位累加器，用“C”表示AC：辅助进位标志–低4位向高4位有进位或借位时，AC=1；否则，AC=0–常用于BCD码调整F0：用户标志位仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院RS1、RS0：选择工作寄存器组位–用于选择内部数据存储器区内4组工作寄存器中的某一组OV：溢出标志位P：奇偶校验标志位–根据累加器A中1的个数由硬件置位或清除–奇数个1，P=1；否则，P=0PSW•1：保留位，无定义仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院5、I/O端口P0~P3P0：80HP1：90HP2：A0HP3：B0H均可位寻址仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院6、堆栈指针SP（81H）8位专用寄存器，指示堆栈顶部在内部RAM块中的位置，不可位寻址MCS-51堆栈为向上生长型如执行PUSHA操作复位后，SP=07H仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院7、数据指针DPTRDPH：83HDPL：82H不可位寻址特点：即可做16位，也可做两个8位寄存器使用例：MOVDPTR，#2000HMOVDPH，#20HMOVDPL，#00H仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院8、其它SFR略，见课本P15、P16地址能被8整除的SFR，可位寻址可位寻址的地址单元X最高有效位用X·7表示最低有效位用X·0表示例：P3·7、P3·0仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院专用寄存器（除PC外）表1仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院专用寄存器（除PC外）表2仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院四、外部数据存储器最大扩展范围：64KB编址为：0000H~FFFFH访问指令：MOVX访问地址：由DPTR或R0、R1提供访问方式为：MOVX16位数据指针，寻址范围64K8位寄存器，提供低8位地址，高8位由P2口提供MCS-51的寄存器在片内RAM都有映像地址。使用时，既可用寄存器名，也可用对应单元地址。仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院概述：4个并行I/O端口P0、P1、P2、P3，共32根I/O线每一个口都有一个8位的锁存器，复位后，初态为1，即FFH4个I/O端口分别对应于内部RAM的四个特殊功能寄存器2.3.4并行I/O接口仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院一、内部结构（以P1口为例）DCLP1·X锁存器QQ读锁存器内部总线写锁存器读引脚输入缓冲器VccR（上拉电阻）P1·X引脚特点：输出锁存，输入缓冲仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院二、第一功能：通用I/O口双向通道，即可输入又可输出可作8位并行I/O口，每一位也可单独使用，应用位操作指令1、用作输出口可直接与外设相连，不必外加锁存器例：MOVP1，#OFH以P1·0位为例输出指令：MOVP1，A；MOVP1，RnMOVP1，#data；MOVP1，@RiMOVP1，direct字节寻址MOVP1.X,C位操作仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院P1·0位DCLP1·X锁存器QQ读锁存器内部总线写锁存器读引脚输入缓冲器VccR（上拉电阻）P1·X引脚101驱动能力：P1、P2、P3可驱动4个LSTTL负载P0可驱动8个LSTTL负载1仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院2、用作输入口两种工作方式：读锁存器读引脚1）读锁存器将端口锁存器的内容读入内部总线，经过运算和变换，再写回到端口锁存器。称为读—修改—写指令例：ANLP1，#0FH10种读—修改—写指令：（以I/O口或位为目标操作数）ANL、ORL、XRL、CPL（位取反）、INC、DEC、DJNZ、CLR、SETBMOV（MOVPX·Y，C）仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院DCLP1·X锁存器QQ读锁存器内部总线写锁存器读引脚输入缓冲器VccR（上拉电阻）P1·X引脚读引脚内容与锁存器内容，可能不一致引脚输出为1，驱动三极管基极，将被钳位为010所以用“读—修改—写”指令读I/O口锁存器如用P1.X口驱动三极管基极0仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院2）读引脚读引脚状态，将外部的数据读入到内部总线，所以读引脚指令是输入指令例：MOVA，P1MOVRn，P1MOVdirect，P1MOVC，P1·X注意：当端口作为输入口使用时，必须将端口锁存器的相应位置“1”，该位才能正确的读入原因：如某位为“0”，则不管引脚状态如何，读引脚的结果始终为“0”字节操作位操作仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院DCLP1·X锁存器QQ读锁存器内部总线写锁存器读引脚输入缓冲器VccR（上拉电阻）P1·X引脚如P1·0口锁存器为“0”01导通00因为I/O端口在执行输入指令时，须先使用指令将端口锁存器置“1”，所以称准双向口有效仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院系统复位后，I/O端口锁