第2章 MCS-51单片机结构及原理

1第2章MCS-51单片机结构及原理本章内容：（1）MCS-51系列的8051的基本结构；（2）存储器结构及其配置；（3）P0、P1、P2、P3四个I/O口的基本工作原理和操作特点；（4）单片机的时序（5）复位22.1.1MCS-51的基本组成MCS-51单片机（以8051为例，Intel产品）1个8位CPU；1个片内振荡器及时钟电路；128字节RAM（数据存储器）；4K字节ROM（程序存储器）；2个16位定时器/计数器；32条可编程的I/O线（四个8位并行I/O端口）；1个全双工串行口；5个中断源；2.1MCS-51单片机组成及结构32.1MCS-51单片机组成及结构振荡电路外部中断CPU中断控制4K字节ROM128字节RAM定时/计数器1定时/计数器0总线控制4个I/0口串行口计数器输入P0P2P1P3RXDTXDEARESETXTAL1XTAL2OSCC1C2PSENALE地址/数据总线42.1.2MCS-51单片机的引脚与功能逻辑符号2.1MCS-51单片机组成及结构引脚分配5（1）电源引脚＋5V供电VCC（40）——＋5VGND（20）——地2.1.2MCS-51单片机的引脚与功能引脚分配P0（2）时钟信号输入引脚XTAL1（19）XTAL2（18）（3）输入/输出线I/O端口口线P0.0~P0.7P0口P1.0~P1.7P1口P2.0~P2.7P2口P3.0~P3.7P3口P1P2P362.1.2MCS-51单片机的引脚与功能P0口：CPU访问片外存储器时，提供8位数据和低8位地址。8位双向I/O端口。P1口：一般的I/O口。8位准双向I/O端口。P2口：CPU访问片外ROM/RAM时，提供高8位地址，和P0口提供的低8位地址一起组成16位地址。8位准双向I/O端口。P3口：一般I/O口；实际中主要用作第二功能。8位准双向I/O端口。7（4）控制信号引脚ALE（30）——地址锁存信号端（AddressLatchEnable），CPU访问片外存储器时，ALE作为锁存低八位地址的控制信号。该信号频率为晶振频率的1/6，可作为外部定时或时钟使用。也可检测单片机的好坏。2.1.2MCS-51单片机的引脚与功能引脚分配PSEN（29）——外部ROM读选通信号端（ProgramStoreEnable）CPU对外部程序存储器单元读操作时，该信号为低电平。8（31）——内外程序存储器选择控制（ExternalAccessEnable）＝0，CPU对程序存储器的操作仅限于单片机外部程序存储器。＝1，CPU对程序存储器的操作从单片机内部程序存储器开始，并可延伸到单片机的外部程序存储器。EAEAEA2.1.2MCS-51单片机的引脚与功能（4）控制信号线（续）引脚分配RST（9）——复位信号。RESET持续2个机器周期以上的高电平，单片机复位。9（5）部分引脚的第二功能(复用，同一个引脚被双重定义)2.1.2MCS-51单片机的引脚与功能第二功能RXD串行数据接收T1定时/计数器1，外部计数信号输入T0定时/计数器0，外部计数信号输入INT1外部中断1，输入TXD串行数据发送INT0外部中断0，输入WR外部数据存储器写选通信号,输出端口引脚P3.0P3.2P3.1P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7RD外部数据存储器读选通信号,输出10（5）部分引脚的第二功能程序存储器固化所需的信号编程脉冲输入端ALE/PROG编程电压输入端/VPP为向片内EPROM中写入程序提供专门的编程脉冲和编程电源。备用电源输入RESET/VPD:当电源电压下降到某个给定下限时，备用电源由该引脚向单片机芯片内部RAM供电，以保护内部RAM的内容不丢失。2.1.2MCS-51单片机的引脚与功能EA11TMP1TMP2ALUPSW4K字节ROMACCSPB寄存器RAM地址寄存器地址译码器与128字节RAMP2口锁存器P2口驱动器P3口锁存器P3口驱动器P1口锁存器P1口驱动器P0口锁存器P0口驱动器程序地址寄存器PCPC加1寄存器缓冲器DPTRPCONSCONTMODTCONTH0TL0TH1TL1SBUFIEIP中断模块串行口模块定时器/计数器模块指令寄存器定时与控制电路PSENALERESETEAXTAL1XTAL2OSCC1C2P2.0~P2.7P0.0~P0.7P3.0~P3.7P1.0~P1.7VccGND振荡器总线数据存储器程序存储器特殊功能寄存器I/O口I/O口运算器控制器2.2MCS-51单片机的内部结构和工作原理12（一）中央处理器（CPU）CPU由运算器和控制器组成，它是单片机的核心，完成运算和控制操作。2.2MCS-51单片机的内部结构和工作原理1.运算器组成：算术逻辑单元ALU，累加器ACC，寄存器B，暂存器TMP1，暂存器TMP2，PSW，布尔累加器Cy等。功能：进行移位、算术运算和逻辑操作；MCS-51运算器还包含有一个布尔（位）处理器,用来处理位操作。13（1）累加器ACC（8位）功能：暂存操作数及保存运算结果；A是MCS-51单片机中最繁忙的寄存器；（2）寄存器B（8位）功能：专门用于乘法、除法运算，指令：MULAB;DIVAB;对于其它指令可作为一个通用寄存器使用；（3）程序状态字寄存器PSW（8位）功能：存放累加器A在运算过程标志位（P，OV，AC，Cy）的状态；指出CPU所使用的当前工作寄存器组（RS1,RS0）；用户标志位F0。2.2MCS-51单片机的内部结构和工作原理14CYACF0RS0OVPRS1PSW.7PSW.0CY(PSW.7)进位/借位标志位。在加、减法运算中，若运算结果最高位（D7）发生了进位或借位，则CY=1；否则=0（注意此操作是硬件自动完成的！）。它也是布尔处理器的位累加器，可用于布尔操作，如CLRC；等。AC(PSW.6)半进位/借位标志位。若ACC在运算过程中，D3位向D4位发生了进位或借位，则CY=1,否则=0。机器在执行“DAA”指令时自动要判断这一位，我们可以暂时不关心它。F0(PSW.5)——用户标志位。PSW.6PSW.5PSW2.2MCS-51单片机的内部结构和工作原理15PSW.7PSW.0RS1(PSW.4)、RS0(PSW.3)工作寄存器组选择位。RS1，RS0=01则选择了工作寄存器组第1组，R0～R7分别代表08H～0FH单元。RS1，RS0=10则选择了工作寄存器组第2组，R0～R7分别代表10H～17H单元。RS1，RS0=11则选择了工作寄存器组第3组，R0～R7分别代表18H～1FH单元。CYACF0RS0OVPRS1PSW.4PSW.3RS1，RS0=00则选择了工作寄存器组第0组，R0～R7分别代表00H～07H单元。PSW2.2MCS-51单片机的内部结构和工作原理16CYACF0RS0OVPRS1PSW.7PSW.0OV(PSW.2)溢出标志位。累加器在进行带符号数(-128—+127)加减法运算出错（超出范围）时OV=1；否则OV=0。乘除法运算时PSW.1未定义。P(PSW.0)奇偶校验位。P=1表示累加器中“1”的个数为奇数P=0表示累加器中“1”的个数为偶数CPU随时监视着ACC中的“1”的个数,并反映在PSW中PSW.2PSW.1PSW2.2MCS-51单片机的内部结构和工作原理17（4）布尔累加器Cy实现各种位逻辑运算和传送；MCS-51具有一个位寻址空间。（5）TMP1和TMP2为8位暂存寄存器存放参与预算的操作数。MCS-51仅能实现两个8位二进制数的算术逻辑运算！2.2MCS-51单片机的内部结构和工作原理182.控制器组成：定时与控制部件，复位电路，程序计数器（PC），指令寄存器、指令译码器，数据指针（DPTR）,堆栈指针（SP），中断控制电路，串行口控制电路等作用：产生计算机所需的时序，控制程序自动执行。CPU程序存储器指令寄存器外RAM,EPROM,外I/O指令译码器控制单片机各部分的运行,产生ALE，PSEN,RD/WR2.2MCS-51单片机的内部结构和工作原理19程序计数器PC（16位）程序计数器PC用来存放将要执行的下一条指令地址，共16位，低8位经P0口输出，高8位经P2口输出。CPU每取一次机器码，PC内容自动加一，CPU执行一条指令，PC内容自动增加该指令的长度。CPU复位后，PC内容为0000H，它标志着程序从头开始执行。PC的内容变化决定程序的流向。指令寄存器（8位）指令寄存器中存放将要执行的指令代码，通过指令译码器，将指令代码转化为电信号——控制信号ALE等。2.2MCS-51单片机的内部结构和工作原理20数据指针DPTR（16位）用于为访问ROM或外部RAM提供16位地址。可分为两个独立的8位寄存器DPH和DPL使用。用于程序存储器的查表和程序散转指令，作为基地址寄存器，提供十六位基地址。堆栈指针寄存器SP（8位）用于管理堆栈，指出栈顶位置。MCS-51单片机复位后,(SP)=07H中断控制电路包括用于中断控制的4个寄存器：TCON,SCON,IE,IP等串行口控制电路包括SCON,SBUF等T0，T12.2MCS-51单片机的内部结构和工作原理21（二）存储器1.内部RAM（数据存储器）单片机的内部数据存储器由RAM地址寄存器、地址译码器以及128个单元的RAM构成，用于存放可读写的数据。2.内部ROM（程序存储器）MCS-51系列单片机（8031除外）的内部程序存储器由程序地址寄存器、地址译码器以及4K个单元的ROM构成，用于存放程序的机器代码和常数。3.特殊功能寄存器（SpecialFunctionRegister，SFR）MCS-51系列单片机有21个可以寻址的特殊功能寄存器，包括单片机内的I/O口、串行口、定时/计数器、中断系统等相关的数据寄存器（或缓冲器）以及控制寄存器和状态寄存器，用于存放相应功能部件的控制命令、状态和数据。2.2MCS-51单片机的内部结构和工作原理228051存储器空间分布图23（三）并行口（ParallelPort）有4个并行的I/O口：P0、P1、P2、P3，每根口线都可独立地用作输入或输出。（四）串行口（SerialPort）有1个全双工的串行口，用于串行通信。串行口由发送缓冲器SBUF、接收缓冲器SBUF、移位寄存器和串行口控制逻辑等部分组成。（五）定时/计数器（Timer/Counter）有2个16位的定时/计数器T0和T1，T0由TH0和TL0构成，T1由TH1和TL1构成，定时/计数器方式寄存器TMOD选择定时/计数器的工作模式和方式，定时/计数器控制寄存器TCON控制T0和T1的启动和停止，同时反映T0和T1的溢出状态。（六）中断系统（InterruptSystem）有5个中断源，分别为2个外部中断、2个定时/计数器溢出产生的中断、1个串行口接收/发送产生的中断，提供2个中断优先级。2.2MCS-51单片机的内部结构和工作原理242.4存储器配置MCS-51单片机的程序存储器和数据存储器分开设置（哈佛结构）。MCS－51存储器空间可分为以下4类：（1）外部程序存储器，最大空间64KB；（2）片内程序存储器，4KB；（3）片内数据存储器，128个单元；（4）外部数据存储器，最大空间64KB。上述4类存储空间的地址是重叠的，所以要用不同的指令来访问：CPU访问片内、片外ROM采用MOVC指令，访问片外RAM采用MOVX指令，访问片内RAM采用MOV指令。这些资源与单片机应用的关系密切，下面我们介绍上述4类存储空间的功能。252.4.1程序存储器程序存储器用来存放程序和表格常数，最大寻址空间64KB。MCS－51系列产品按程序存储器配置类型分为3类：8031中无程序存储器，需要扩展程序存储器；8051芯片含有4k个单元的ROM；8751芯片含有4k个单元的EPROM。在实际应用中，用户既可使用芯片内部的程序存储器，也可以使用芯片外部的程序存储器，但最大空间为64kB，程序存储器的地址空间构成