1 章(06)51单片机结构

李芳主编单片机微型计算机与单片机微型计算机与接口技术接口技术第第11章章MCSMCS--5151单片机结构单片机结构李群芳主编李群芳主编MCS-51单片机内部结构存储器特殊功能寄存器时钟电路和复位电路引脚内容提要MCS-51系列单片机有多种型号的产品：普通型（51子系列）8031、8051、8751、89C51、89S51等。增强型（52子系列）8032、8052、8752、89C52、89S52等。它们的结构基本相同，其主要差别反映在存储器的配置上。8031片内没有程序存储器除了老产品，已被淘汰。8051内部设有4KB的掩模ROM程序存储器8751是将8051片内的ROM换成EPROM89C51则换成4KB的闪速EEPROM89S51结构同89C51，4KB的闪速EEPROM可在线编程增强型的存储容量为普通型的一倍本课以8XX51代表这一系列的单片机。51系列单片机内部结构如图1-1所示。图1-1(图中“/”两边分别为基本型和增强型)P3P1P2可编程串行I/O口P0外部中断基准频率源控制128/256B数据存储器4KB/8KB程序存储器2/3个16位定时/计数器振荡器及定时电路CPU64KB总线扩展控制可编程并行I/O口内部中断计数脉冲串行输出串行输入1.1.2CPUCPU是单片机的核心部件。它由运算器和控制器等部件组成。1.运算器运算器的功能是进行算术运算：加、减、乘、除、加1、减1、比较BCD码十进制调整等逻辑运算：与、或、异或、求反、循环等逻辑操作位操作：内部有布尔处理器，它以进位标志位C为位累加器，用来处理位操作。可对位置“1”、对位清零、位判断等。操作结果的状态信息送至状态寄存PSW。2.程序计数器PC程序计数器PC是16位的寄存器，用来存放即将要执行的指令地址，可对64KB程序存储器直接寻址。执行指令时，PC内容的低8位经P0口输出，高8位经P2口输出。3.指令寄存器指令寄存器中存放指令代码。CPU执行指令时，由程序存储器中读取的指令代码送入指令存储器，经指令译码器译码后由定时与控制电路发出相应的控制信号，完成指令功能。1.2存储器MCS-51的储存器结构与常见的微型计算机的配置方法不同,它将程序存储器和数据存储器分开,各有自己的寻址方式、控制信号和功能。程序存储器用来存放程序和始终要保留的常数。数据存储器存放程序运行中所需要的常数和变量。从物理空间看,MCS-51有四个存储器地址空间：片内数据存储器、片外数据存储器片内程序存储器、片外程序存储器MCS-51存储器物理结构见下图所示：外部数据存储器(RAM)外部程序存储器(ROM)内部程序存储器内部数据存储器8XX51从逻辑上看,MCS-51有三个存储器空间：片内数据存储器、片外数据存储器片内、片外统一编址的程序存储器MCS－51的存储器逻辑结构如图1-2所示。MCS-51存储器物理结构引脚EA的接法决定了程序储存器的0000～0FFFH4KB地址范围是在单片机片内还是片外。H00000FFFH图1-2MCS-51单片机的存储器逻辑结构FFFFH0000H0FFFH外部RAM外部ROM内部ROM(EA=1)H00008031外部ROM(EA=0）80511000HFFFFH特殊功能寄存器内部数据存储器内部数据RAM7FH80H00HFFH外部数据存储器（增强型）程序存储器地址重叠1.2.1程序储存器程序存储器用来存放编制好的始终保留的固定程序和表格常数。程序储存器以程序计数器PC作为地址指针，通过16位地址总线，可寻址的地址空间为64KB。在8051/8751/89C51片内，分别内置最低地址空间的4KBROM/EPROM程序储存器（内部程序储存器），而在8031片内，则无内部程序储存器，必须外部扩展EPROM。MCS-51单片机中64KB内、外程序储存器的地址是统一编排的。8031单片机无内部程序存储器，地址从0000H～FFFFH都是外部程序存储空间。应始终接地。由于程序必须存放在存储器中，因此它必须外接程序存储器才能使用，因此，已被淘汰。对于内部有ROM的单片机（51、52系列），引脚接高电平，使程序从内部ROM开始执行。当PC值超出内部ROM的容量时，会自动转向外部程序存储器空间。外部程序存储器地址空间为1000H～FFFFH。访问程序存储器使用MOVC指令。EAEA程序存储器中的几个特殊地址的使用：地址用途0000H复位操作后的程序入口0003H外部中断0服务程序入口000BH定时器0中断服务程序入口0013H外部中断1服务程序入口001BH定时器1中断服务程序入口0023H串行口中断服务程序入口由于两入口地址之间的存储空间有限，因此在编程时，通常在这些入口地址开始的两三个地址单元中，放入一条转移类指令，已使相应的程序转到指定的程序存储器区域中执行。1.2.2外部数据存储器用于存放随机读写的数据。外部I/O口地址影像区。MCS-51单片机的外部数据存储器和外部I/O口实行统一编址，并使用相同的作选通控制信号，均使用MOVX指令访问。MCS-51单片机最多可扩展64KB外部数据存储器1.2.3内部数据储存器内部数据存储器是使用最多的地址空间，存放随机读写的数据通用寄存器区RDWR堆栈区运算操作数存放区指令（算术运算、逻辑运算、位操作运算等）的操作数只能在此地址空间或特殊功能寄存器地址空间。内部数据存储器的地址分配51系列单片机内部数据存储器地址范围为00～7FH。各区域地址见下表。（1）地址0～1FH的前32个单元称为寄存器区用途：①作通用寄存器R0～R7。②R0与R1可作间址寄存器使用。使用时应注意：32个单元的寄存器区分为四组，使用时只能选其中一组寄存器。寄存器的选组由程序状态字PSW的RS1和RS0位定。RS1RS0选寄存器组000组011组102组113组初始化时或复位时，自动选中0组。一旦选中一组，其它三组只能作为数据存储器使用，而不能作为寄存器使用。设置多组寄存器可以方便保护现场。（2）20H～2FH为位地址区共16个单元，每单元有八个位，每位有一个位地址，共128位，位地址范围为00H～7FH，该区既可位寻址，又可字节寻址。如MOV20H，C(这里C是Cy进位标志位），该指令是将Cy内容送20H位,如果Cy＝1，位20H值为“1”。（3）除选中的寄存组以外的存储器均可以作为通用RAM区。（4）堆栈区8XX51单片机的堆栈设在内部RAM区，深度不大于128字节，初始化时SP指向07H。注：对51基本型单片机只有00H～7FH单元128字节的RAM区。对52增强型的单片机还有80H～FFH组成的高128字节RAM区（共256字节RAM）。1.3特殊功能寄存器MCS-51单片机共有21个字节的特殊功能寄存器用英文缩写SFR（SpecialFuctionRegister）表示。1.用途：A累加器、状态标志寄存器单片机内部各部件专用的控制、状态寄存器并行口、串行口影射寄存器2.地址空间：21个特殊功能器不连续的分布在80H～FFH128个字节地址空间，见表1-2。地址为X0H和X8H是可位寻址的寄存器，表1-2中用“*”表示。表1-2中还标注了各SFR的名称、字节地址、可寻址位的位地址和位名称。21个特殊功能寄存器的名称及主要功能介绍如下，详细的用法见后面各节的内容。A—累加器，自带有全零标志Z，A=0则Z=1；A≠0则Z=0。该标志常用于程序分支转移的判断条件。B—寄存器，常用于乘除法运算（见第2章）。PSW—程序状态字。主要起着标志寄存器的作用，其8位定义见表1-3。其中CY：进/借位标志反映最高位的进位借位情况，加法为进位、减法为借位。CY=1，有进/借位；CY=0，无进/借位。AC：辅助进/借位标志反映高半字节与低半字节之间的进/借位，AC=1有进/借位；AC=0无进/借位。FO：用户标志位。可由用户设定其含义。RS1，RS0：工作寄存器组选择位。D7D6D5D4D3D2D1D0CYACF0RS1RS0OV－P位地址位名称OV：溢出标志反映补码运算的运算结果有无溢出有溢出OV=1，无溢出OV=0。-：无效位。P：奇偶标志运算结果有奇个“1”，P=1；运算结果有偶个“1”，P=0。影响标志位的指令及其影响方式见第2章。SP—堆栈指针。8XX51单片机的堆栈设在片内RAM，对堆栈的操作包括压入（PUSH）和弹出（POP）两种方式，并且遵循后进先出的原则，但在堆栈生成的方向上，与8086正好相反8XX51单片机的堆栈操作遵循先加后压，先弹后减的顺序，按字节进行操作。DPTR——数据指针寄存器用来存放16位地址值，以便用间接寻址或变址寻址片外存储器。DPTR可分成DPL和DPH两个8位寄存器分别使用。P0P1P2P3——I/O端口寄存器是四个并行I/O端口映射入SFR中的寄存器。通过对该寄存器的读/写，可实现从相应I/O端口的输入/输出。例如：指令MOVP1，A实现了把A累加器中的内容从P1端口输出的操作。指令MOVA，P3实现了把P3端口线上的信息输入到A中的操作。此外还有如下寄存器，它们将在后面章节介绍：IP——中断优先级控制寄存器。IE——中断允许控制寄存器。TMOD——定时器/计数器方式控制寄存器。TCON——定时器/计数器控制寄存器。TH0，TL0——定时器/计数器0。TH1，TH1——定时器/计数器1。SCON——串行端口控制寄存器。SBUF——串行数据缓冲器。PCON——电源控制寄存器。注：在52子系列中，高128字节RAM和SFR的地址是重叠的，究竟访问哪一块可通过不同的寻址方式加以区分，访问高128字节RAM采用寄存器间址，访问SFR则只能采用直接寻址，访问低128字节RAM时，两种寻址均可采用。1.4时钟电路与复位电路内部振荡方式：在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器（简称晶振）如图1-3所示。XTAL1XTAL2GND8XX51C01C02图1-3内部振荡方式1.4.1时钟电路单片机的时钟信号用来提供单片机内各种微操作时间基准，8XX51单片机的时钟信号通常有两种电路形式：内部振荡方式和外部振荡方式。电容器C01、C02起稳定振荡频率、快速起振的作用。电容值一般为5～30PF。由于单片机内部有一个高增益运算放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。外部振荡方式是把已有的时钟信号引入单片机。这种方式适宜用于使单片机的时钟与外部信号保持一致。外部振荡方式如图1-4所示。对于51系列的单片机的外部时钟由XTAL1引入。外部时钟XTAL1XTAL2GND8XX51悬空外部时钟图1－4外部振荡方式1.4.2基本时序单位单片机的时序单位有：振荡周期：晶振的振荡周期，又称时钟周期，为最小的时序单位。状态周期：振荡频率经单片机内的二分频器分频后提供给片内CPU的时钟周期。因此，一个状态周期包含2个振荡周期。机器周期（MC）：1个机器周期由6个状态周期及12个振荡周期组成。是计算机执行一种基本操作的时间单位。指令周期执行一条指令所需的时间。一个指令周期由1～4个机器周期组成，依据指令不同而不同。4种时序单位中，振荡周期和机器周期是单片机内计算其他时间值（例如，波特率、定时器的定时时间等）的基本时序单位。例：单片机外接晶振频率12MHZ时的各种时序单位：振荡周期=1/fosc=1/12MHZ=0.0833us状态周期=2/fosc=2/12MHZ=0.167us机器周期=12/fosc=12/12MHZ=1us指令周期=(1～4)机器周期=1～4us1.4.3复位电路复位操作则使单片机的片内电路初始化，使单片机从一种确定的状态开始运行。当MCS-51系列单片机的复位引脚RST出现5ms以上的高电平时，单片机就完成了复位操作。如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。复位操作通常有2种基本形式：上电复位开关复位。上电后，由于电容充电，使RST持续一段高电平时间。当单片机已在运行过程中时，按下复位键也能使RST持续一段时间的高