第2章MCS-51系列單片機(jī)結(jié)構(gòu)2.1MCS-51單片機(jī)外特征2.11引腳說明2.12外部總線2.2MCS-51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)2.2.1MCS-51組成2.2.2CPU2.2.3CPU時(shí)序

第1頁圖2.1MCS-51系列單片機(jī)引腳P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/VPDRXD、P3.0TXD、P3.1INT0、P3.2INT1、P3.3T0、P3.4T1、P3.5WR、P3.6RD、P3.7XTAL2XTAL1VSSVCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VPPALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.080518751803112345678910111213141516171819204039383736353433323130292827262524232221ReceiveddataTransmitteddata片外程序存放器選取端/編程電壓輸入地址鎖存有效信號(hào)輸出端/編程脈沖輸入片外程序存放器讀選通信號(hào)輸出端復(fù)位輸入/備用電源輸入片內(nèi)振蕩電路輸入端片內(nèi)振蕩電路輸出端（32＋4＋2＋2）2.1外特征第2頁2.1.1外部引腳說明1．主電源引腳(2)XTAL1(19腳)：片內(nèi)振蕩電路輸入端，是外接晶體一個(gè)引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個(gè)反相放大器輸入端，這個(gè)放大器組成了片內(nèi)振蕩器。當(dāng)采取外部振蕩器時(shí)，該引腳接地。

2．時(shí)鐘電路引腳XTAL1、XTAL2(2)

VCC(40腳)：接+5V電源正端。VSS(20腳)：接+5V電源地端。第3頁XTAL2(18腳)：片內(nèi)振蕩電路輸出端，是外接晶體另一端。當(dāng)采取外部振蕩器時(shí)，該引腳接外部振蕩源。頻率微調(diào)

2—12MHz

內(nèi)部方式時(shí)鐘電路XTAL1XTAL230pF30pFC2C1單片機(jī)

第4頁(1)RST/VPD(9腳)：RST即為RESET，VPD為備用電源。該引腳為單片機(jī)上電復(fù)位或掉電保護(hù)端。3．控制信號(hào)(RST/VPD

、ALE/PROG、PSEN和EA/VPP)(4)當(dāng)VCC發(fā)生故障，降低到低電平要求值或掉電時(shí)，該引腳可接上備用電源VPD(+5V)為內(nèi)部RAM供電，以確保RAM中數(shù)據(jù)不丟失。當(dāng)單片機(jī)振蕩器工作時(shí)，該引腳上出現(xiàn)連續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期高電平，就可實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作，使單片機(jī)恢復(fù)到初始狀態(tài)。上電時(shí)，考慮到振蕩器有一定起振時(shí)間，該引腳上高電平必須連續(xù)10ms以上才能有效復(fù)位。第5頁對(duì)于片內(nèi)含有EPROM機(jī)型，在編程期間，該引腳用作編程脈沖PROG輸入端。在對(duì)8751單片機(jī)編程時(shí)，此引腳用于輸入編程脈沖。(2)ALE/PROG(30腳)：允許地址鎖存輸出/編程脈沖輸入。ALE在每個(gè)機(jī)器周期內(nèi)輸出兩個(gè)脈沖。在訪問片外存放器期間，下降沿用于控制鎖存P0輸出低8位地址；在不訪問片外程序存放器期間，可作為對(duì)外輸出時(shí)鐘脈沖或用于定時(shí)目標(biāo)。第6頁(4)EA/VPP(31腳)：EA為片內(nèi)片外程序存放器選擇輸出/編程電壓輸入。該引腳有效(低電平)時(shí)，只選取片外程序存放器，不然單片機(jī)上電或復(fù)位后選取片內(nèi)程序存放器。8031一直接低電平。對(duì)于片內(nèi)含有EPROM機(jī)型，在編程期間，此引腳用作21V編程電源VPP輸入端。(3)PSEN(29腳)：片外程序存放器讀選通信號(hào)輸出端，低電平有效。當(dāng)從外部程序存放器讀取指令或常數(shù)期間，每個(gè)機(jī)器周期該信號(hào)兩次有效。在訪問片外數(shù)據(jù)存放器期間，PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。第7頁

4．輸入/輸出端口(I/O口)引腳(32)

(1)P0口(39~32腳)：P0.0~P0.7統(tǒng)稱為P0口。在不接片外存放器與不擴(kuò)展I/O口時(shí)，可作為準(zhǔn)雙向輸入/輸出口。在接有片外存放器或擴(kuò)展I/O口時(shí)，P0口分時(shí)復(fù)用為低8位地址總線和雙向數(shù)據(jù)總線。(2)P1口(1~8腳)：P1.0~P1.7統(tǒng)稱為P1口，可作為準(zhǔn)雙向I/O口使用。(3)P2口(21~28腳)：P2.0~P2.7統(tǒng)稱為P2口，普通可作為準(zhǔn)雙向I/O口使用；在接有片外存放器或擴(kuò)展I/O口且尋址范圍超出256字節(jié)時(shí)，P2口用作高8位地址總線。第8頁(4)P3口(10~17腳)：P3.0~P3.7統(tǒng)稱為P3口。除作為準(zhǔn)雙向I/O口使用外，還能夠?qū)⒚恳晃挥糜诘诙π?，而且P3口每一條引腳均可獨(dú)立定義為第一功效輸入輸出或第二功效。P3口第二功效如表2.1所表示。第9頁表2.1P3口第二功效表引腳第二功能P3.0串行口輸入端P3.1串行口輸出端P3.2外部中止0請(qǐng)求輸入端，低電平有效P3.3外部中止1請(qǐng)求輸入端，低電平有效P3.4定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0計(jì)數(shù)脈沖輸入端P3.5定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1計(jì)數(shù)脈沖輸入端P3.6外部數(shù)據(jù)存放器寫選通信號(hào)輸出端，低電平有效P3.7RXDTXDINT0INT1T0T1WRRD外部數(shù)據(jù)存放器讀選通信號(hào)輸出端，低電平有效第10頁2.1.2外部總線1、地址總線AB(16位)：P2輸出高8位，P0輸出低8位。P0口在允許地址鎖存信號(hào)ALE作用下，將該低8位地址鎖存到外部地址鎖存器中。74XX373是最慣用地址鎖存器。因?yàn)槭?6位地址線，所以，可使片外存放器尋址范圍到達(dá)64KB(216)。

存放單元地址、存放單元和存放單元內(nèi)容第11頁

為了便于對(duì)存放器內(nèi)存放信息進(jìn)行管理，存放器被劃分成許多存放單元，每個(gè)存放單元都有一個(gè)編號(hào)，此編號(hào)稱為地址（Address）。通常是按字節(jié)編址。地址與存放單元為一對(duì)一關(guān)系。

存放單元地址、存放單元和存放單元內(nèi)容是3個(gè)不一樣概念。地址相當(dāng)于旅館房間編號(hào)，存放單元相當(dāng)于旅館房間，存放單元內(nèi)容相當(dāng)于房間中旅客。在存放器中，CPU對(duì)存放器讀寫操作都是經(jīng)過地址來進(jìn)行。(MOVA,70H)1KB=1024B=210212=210×22=4KB可尋址范圍為4KB思索：12根地址線可尋址范圍？第12頁2、數(shù)據(jù)總線DB(8位)：P0口提供。3、控制總線CB：由ALE、PSEN、RST、EA與P3口第二功效狀態(tài)組成控制總線。思索：P0口怎樣即輸出地址線又輸出數(shù)據(jù)線？第13頁74373－8D鎖存器在地址、數(shù)據(jù)線復(fù)用單片機(jī)當(dāng)中，往往需要鎖存器鎖存先出現(xiàn)地址信號(hào)。74373是最慣用地址鎖存器。如圖2.2所表示。圖2.2MCS-51系列單片機(jī)引腳0EQ0D0D1Q1Q2D2D3Q3GND.VCCQ7D7D6Q6Q5D5D4Q4G743731234567891020191817161514131211使能控制端鎖存控制信號(hào)D0～D7數(shù)據(jù)輸入端Q0～Q7數(shù)據(jù)輸出端第14頁D0～D7Q0～Q7+5V地址鎖存信號(hào)ALEGOEGND圖2.374373慣用連接方法OE為高電平，輸入和輸出隔離。OE為低電平，G為高電平，輸出和輸入相同。OE為低電平，

G為高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，輸入端數(shù)據(jù)鎖存到373內(nèi)部存放器中，輸出端與內(nèi)部存放器內(nèi)容相同，從而實(shí)現(xiàn)了鎖存。外部總線結(jié)構(gòu)以下列圖2.4所表示：第15頁地址總線(AB)805187518031P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7PSENEAALERST用戶I/O控制總線(CB)鎖存器P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0ALEA15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0D7D6D5D4D3D2D1D0VCCVSS數(shù)據(jù)總線(DB)圖2.4外部總線結(jié)構(gòu)VCCVSSGOE373鎖存允許信號(hào)G受控于單片機(jī)地址有效鎖存信號(hào)ALE。這么，當(dāng)外部地址鎖存信號(hào)ALE下降為低電平時(shí)，將低8位地址鎖入內(nèi)部存放器，送出低8位地址。P9頁第16頁總而言之，MCS-51系列單片機(jī)引腳可歸納為以下兩點(diǎn)：(1)單片機(jī)功效多，引腳數(shù)少，因而許多引腳都含有第二功效。(2)單片機(jī)對(duì)外展現(xiàn)三總線形式，由P2、P0口組成16位地址總線；由P0口分時(shí)復(fù)用為數(shù)據(jù)總線；由ALE、PSEN、RST、EA與P3口中RXD、TXD、INT0、INT1、T0、T1、WR、RD共10個(gè)引腳組成控制總線。因?yàn)槭?6位地址線，所以，可使片外存放器尋址范圍到達(dá)64KB（216）。 第17頁2.2MCS-51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)2.2.1MCS-51組成(1)一個(gè)8位CPU；(2)一個(gè)片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路；(3)4KBROM程序存放器；(4)128BRAM數(shù)據(jù)存放器；(5)兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；(6)可尋址64KB(216)外部數(shù)據(jù)存放器和64KB外部程序存放器空間控制電路；(7)32條可編程I/O線；(8)一個(gè)可編程全雙工串行接口；(9)含有5個(gè)中止源、兩個(gè)優(yōu)先級(jí)嵌套中止結(jié)構(gòu)。第18頁圖2.58051單片機(jī)框圖單片機(jī)組成框圖如圖2.5所表示。128BRAM第19頁2.2.2CPU(單片機(jī)關(guān)鍵部件)。它由運(yùn)算器和控制器等部件組成。1、運(yùn)算器：包含算術(shù)邏輯運(yùn)算部件、累加器ACC、暫存存放器、狀態(tài)存放器PSW、BCD碼運(yùn)算調(diào)整電路等。進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。算術(shù)邏輯單元不但能完成8位二進(jìn)制加、減、乘、除、加1、減1及BCD加法十進(jìn)制調(diào)整等算術(shù)運(yùn)算，還能對(duì)8位變量進(jìn)行邏輯“與”、“或”、“異或”、循環(huán)移位、求補(bǔ)、清零等邏輯運(yùn)算，操作結(jié)果狀態(tài)信息送至狀態(tài)存放器。第20頁8051運(yùn)算器還包含一個(gè)布爾處理器，用來處理位操作。它是以進(jìn)位標(biāo)志位C為累加器，可執(zhí)行置位(SETBC)、復(fù)位(CLRC)、取反(CPLC)、等于1轉(zhuǎn)移(JCrel)、等于0轉(zhuǎn)移(JNCrel)、等于1轉(zhuǎn)移且清0(JBCbit,rel)以及進(jìn)位標(biāo)志位與其它可位尋址位之間進(jìn)行邏輯與、或操作。第21頁2、程序計(jì)數(shù)器PC指令存放器中存放指令代碼。CPU執(zhí)行指令時(shí)，由程序存放器中讀取指令代碼送入指令存放器，經(jīng)譯碼器譯碼后，經(jīng)過定時(shí)控制電路，在要求時(shí)刻發(fā)出指令操作所需全部控制信號(hào)，使各部分協(xié)調(diào)工作，完成指令所要求操作。它是16位專用存放器，用于存放和指示下一條要執(zhí)行指令地址。執(zhí)行指令時(shí)，PC內(nèi)容低8位經(jīng)P0口輸出，高8位經(jīng)P2口輸出。3、指令存放器第22頁(1)內(nèi)部時(shí)鐘方式：利用芯片內(nèi)部振蕩器，然后在引腳XTAL1和XTAL2兩端外接定時(shí)元件，就組成了穩(wěn)定自激振蕩器，其發(fā)出脈沖直接送入內(nèi)部時(shí)鐘電路。如圖2.7內(nèi)部方式時(shí)鐘電路所表示。頻率微調(diào)

2—12MHz

圖2.7內(nèi)部方式時(shí)鐘電路4、定時(shí)與控制部件：8051內(nèi)部有一個(gè)反相放大器所組成振蕩電路，XTAL1和XTAL2分別為振蕩電路輸入端和輸出端。它向CPU提供時(shí)序。XTAL1XTAL230pF30pFC2C1單片機(jī)

第23頁補(bǔ)充：晶體振蕩頻率愈高，則系統(tǒng)時(shí)鐘頻率也高，單片機(jī)運(yùn)算速度也就快；但反過來，運(yùn)行速度快，對(duì)存放器速度要求就高，對(duì)印刷電路板工藝要求也高。80C51在通常應(yīng)用情況下，使用振蕩頻率為6MHz或12MHz石英晶體。在設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí)，晶振或電容應(yīng)盡可能靠近單片機(jī)芯片安裝，以降低寄生電容，更加好地確保振蕩器穩(wěn)定和可靠性工作。第24頁第25頁(2)外部時(shí)鐘方式：XTAL1接地，XTAL2接外部振蕩器。通常接外部信號(hào)普通為頻率低于12MHz方波信號(hào)。另外，因?yàn)閄TAL2端邏輯電平不是TTL，故提議接一個(gè)上拉電阻。XTAL2XTAL1

＋5V1外部振蕩源圖2.8外部方式時(shí)鐘電路這種時(shí)鐘方式適合用于各種芯片同時(shí)工作，便于同時(shí)。第26頁2.2.3CPU時(shí)序CPU執(zhí)行指令一系列動(dòng)作都是在時(shí)序電路控制下一拍一拍進(jìn)行。為了便于對(duì)CPU時(shí)序進(jìn)行分析，人們按指令執(zhí)行過程要求了幾個(gè)周期，即振蕩周期、狀態(tài)周期、機(jī)器周期、指令周期。1、振蕩周期：定義為時(shí)鐘脈沖頻率倒數(shù)，是計(jì)算機(jī)中最基本最小時(shí)間單位。(1/FOSC)12MHZ(晶振)1/12MHZ

一、CPU時(shí)序及相關(guān)概念第27頁2、狀態(tài)周期：2個(gè)振蕩周期為1個(gè)狀態(tài)周期，用S表示。兩個(gè)振蕩周期作為兩個(gè)節(jié)拍分別稱為節(jié)拍P1和節(jié)拍P2。在狀態(tài)周期前半周期P1有效，通常完成算術(shù)邏輯操作；在后半周期P2有效，普通進(jìn)行內(nèi)部存放器之間傳輸。2/FOSC3、機(jī)器周期：完成一個(gè)基本操作所需要時(shí)間。一個(gè)機(jī)器周期包含6個(gè)狀態(tài)周期，用S1、S2、…、S6表示；共12個(gè)節(jié)拍，依次可表示為S1P1、S1P2、S2P1、S2P2、……S6P1、S6P2。MC＝12/FOSC第28頁4、指令周期：執(zhí)行一條指令所占用全部時(shí)間，它以機(jī)器周期為單位。MCS-51系列單片機(jī)除乘法、除法指令是4周期指令外，其余都是單周期指令和雙周期指令。總結(jié)：1個(gè)機(jī)器周期＝個(gè)狀態(tài)周期＝個(gè)振蕩周期＝/FOSC

1個(gè)指令周期＝個(gè)機(jī)器周期612121~4第29頁二、8051取指、執(zhí)指時(shí)序（P13頁）思索：指令字節(jié)數(shù)越多，執(zhí)行時(shí)間越長？

第30頁思索：指