第二章MCS-51系列单片机组成原理2.1MCS-51系列单片机内部结构Intel公司推出的MCS-51系列单片机采用模块式结构,其基本型为8051,这一系列各种加强型单片机都是以8051为内核,增加一定的新功能后组成的,所以它们与8051完全兼容。8051是MCS-51系列单片机中较早的典型产品,它包括三种形式的芯片:8031、8051、8751。这三种形式的区别在于8031无片内ROM、8051有片内掩膜ROM、8751有片内EPROM。图2-2MCS-51内部结构图1.微处理器CPU由运算器和控制器组成。运算器(即算术逻辑单元ALU)负责执行所有的算术逻辑运算,控制器负责对指令代码进行译码,产生各种控制信号,从而完成指令操作。2.输入/输出接口8051内部共有4个双向8位并行I/O接口P0~P3,1个全双工串行接口(借用并口P3引脚)。通常P0口为数据/地址低8位分时复用,P1口为通用I/O接口,P2口为地址高8位,P3口为双功能接口,这4个并行口都具有内部锁存器。串行接口内带有缓冲器。3.片内存储器8051片内有128字节的静态随机存取存储器SDAM作为片内数据存储器使用,字节地址为00H~7FH。还有21个特殊功能寄存器(SFR),用于各种编程控制,字节地址为80H~FFH(占用其中21个地址)。4.定时器/计数器8051单片机片内具有两个16位加法计数器,分别为T0和T1。用于各种定时和对外部事件计数。5.中断系统8051单片机内的中断逻辑具有5个中断源,两个优先级。每个中断源都被设置了固定的入口地址,响应中断时能自动转到对应中断源的入口地址执行程序,使编程得到简化。6.其他电路8051单片机内部含有振荡电路,只需外接适当频率的晶体振荡器作为振荡源,振荡信号经内部电路整形作为单片机的主频信号。当然,也可用外部脉冲信号作为主频信号。2.2MCS-51系列单片机时序2.2.1机器周期的概念MCS-51系列单片机中一个基本动作(如指令读操作码)至少需要两个时钟周期,这两个时钟周期分别称为两个时相(时钟相位)P1和P2,可以看成动作的基本单位,因此P1、P2合起来称为一个状态S。而执行一条指令至少需要6个状态,可以看成执行指令的基本单位,称为机器周期。所以存在如下关系:1个机器周期=6个状态=24个时钟周期MCS-51系列单片机的指令由1~4个机器周期组成。2.2.2典型指令的执行时序书上图2-3给出了MCS-51系列单片机典型指令执行时序。图中以主频信号和ALE的输出作为参考信号。2.3MCS-51系列单片机引脚功能MCS-51系列单片机大多数采用40引脚双列直插式(DIP)封装形式,采用CHMOS工艺制造的80C51/80C31还有44引脚的方形封装形式。MCS-51引脚配置MCS-51逻辑框图2.3.1I/O引脚和I/O端口P0.7~P0.0:P0口是一个漏极开路型准双向I/O口。在访问外部存储器时,它是数据总线和地址总线低8位分时复用的接口;在EPROM编程时,它接收指令字节;在验证程序时,输出指令字节,并要求外接上拉电阻。P1.7~P1.0:P1口是带内部上拉电阻的8位双向I/O口,它是通用I/O端口。在EPROM编程和程序验证时,它接收低8位地址。P2.7~P2.0:P2口是带内部上拉电阻的8位双向I/O口。在访问外部存储器时,它输出高8位地址;在对EPROM编程和程序验证时,它接收高8位地址。P3.7~P3.0:P3口是带内部上拉电阻的8位双向I/O口,它是双功能I/O端口。除基本输入/输出功能外,每个引脚还有专用功能,其专用引脚功能见书上表2-2所示。2.3.2复位引脚和复位电路(1)复位功能RST:单片机的复位是靠外部电路实现的。在振荡信号正常运行情况下,只要RST引脚保持两个机器周期以上时间的高电平,系统就能复位。(2)备用电源功能VPD:当Vcc掉电时,在Vcc下降到操作系统允许极限之前,RST/VPD引脚接上备用电源,向内部RAM供电,这时系统处于一种低功耗方式。内部RAMVccRST/VPD图2.7备用电源接入方式(低功耗掉电方式)1.复位引脚RST/VPDC2C11至内部时钟电路VssXTAL1XTAL2MCS-51内部方式时钟电路1外部振荡器+5XTAL1XTAL28051MCS-51外部方式时钟电路内部RAMVccVss复位电路RST/VPD(a)HMOS复位结构斯密特触发器复位电路RST斯密特触发器(b)CHMOS复位结构8.2K+58051RSTVccVss10uF上电复位电路+58051RST外部复位电路R+58051RSTC外部复位电路Rx200K122uF+5RESET1N414874LS0410K122uF+5RESET74LS04(a)实用的上电复位电路100pF10uF(b)实用的上电及外部复位电路图2-8上电复位电路2.复位电路MCS-51系列单片机常见的外部复位电路有四种,如图2-8至图2-11所示。C2C11至内部时钟电路VssXTAL1XTAL2MCS-51内部方式时钟电路1外部振荡器+5XTAL1XTAL28051MCS-51外部方式时钟电路内部RAMVccVss复位电路RST/VPD(a)HMOS复位结构斯密特触发器复位电路RST斯密特触发器(b)CHMOS复位结构8.2K+58051RSTVccVss10uF上电复位电路+58051RST外部复位电路R+58051RSTC外部复位电路Rx200K122uF+5RESET1N414874LS0410K122uF+5RESET74LS04(a)实用的上电复位电路100pF10uF(b)实用的上电及外部复位电路图2-9外部复位电路C2C11至内部时钟电路VssXTAL1XTAL2MCS-51内部方式时钟电路1外部振荡器+5XTAL1XTAL28051MCS-51外部方式时钟电路内部RAMVccVss复位电路RST/VPD(a)HMOS复位结构斯密特触发器复位电路RST斯密特触发器(b)CHMOS复位结构8.2K+58051RSTVccVss10uF上电复位电路+58051RST外部复位电路R+58051RSTC外部复位电路Rx200K122uF+5RESET1N414874LS0410K122uF+5RESET74LS04(a)实用的上电复位电路100pF10uF(b)实用的上电及外部复位电路图2-10上电外部复位电路C2C11至内部时钟电路VssXTAL1XTAL2MCS-51内部方式时钟电路1外部振荡器+5XTAL1XTAL28051MCS-51外部方式时钟电路内部RAMVccVss复位电路RST/VPD(a)HMOS复位结构斯密特触发器复位电路RST斯密特触发器(b)CHMOS复位结构8.2K+58051RSTVccVss10uF上电复位电路+58051RST外部复位电路R+58051RSTC外部复位电路Rx200K122uF+5RESET1N414874LS0410K122uF+5RESET74LS04(a)实用的上电复位电路100pF10uF(b)实用的上电及外部复位电路图2-11抗干扰复位电路(a)实用的上电复位电路C2C11至内部时钟电路VssXTAL1XTAL2MCS-51内部方式时钟电路1外部振荡器+5XTAL1XTAL28051MCS-51外部方式时钟电路内部RAMVccVss复位电路RST/VPD(a)HMOS复位结构斯密特触发器复位电路RST斯密特触发器(b)CHMOS复位结构8.2K+58051RSTVccVss10uF上电复位电路+58051RST外部复位电路R+58051RSTC外部复位电路Rx200K122uF+5RESET1N414874LS0410K122uF+5RESET74LS04(a)实用的上电复位电路100pF10uF(b)实用的上电及外部复位电路图2-11抗干扰复位电路(b)实用的上电及外部复位电路寄存器内容寄存器内容PC0000HTMOD00HA00HTCON00HB00HTH000HPSW00HTL000HSP07HTH100HDPTR0000HTL100HP0~P3FFHSCON00HIPxxx00000HSBUF不定IE0xx00000HPCON00H表2-3MCS-51系列单片机复位后内部寄存器的内容3.复位状态复位状态就是单片机复位后内部寄存器及引脚的初始数据或初始电平。MCS-51系列单片机复位后内部各寄存器的状态如书上表2-3所列。2.3.3时钟引脚和时钟电路1.时钟引脚:XTAL1和XTAL2是MCS-51系列单片机的时钟引脚。2.时钟电路:MCS-51系列单片机的主频信号有内部和外部两种产生方式。2.3.4控制引脚MCS-51系列单片机的控制引脚有一部分占用P3口线,另一部分是单独的引脚,在书上20页2.3.5主电源引脚1.Vcc:+5V工作电压。正常工作时Vcc引脚接+5V电源电压。2.Vss:接地端。正常工作时Vss引脚接地。