第3章

MCS-51單片機結構和原理§3.1MCS-51單片機的內部組成及信號引腳§3.251子系列的內部存儲器§3.3

并行輸入／輸出端口結構§3.4時鐘電路與時序§3.5復位電路計算機常用術語解釋1．位（bit）：是計算機所能表示的最基本最小的數據單位，bit只能有兩種狀態(tài)：“0”或“l(fā)”。位(bit)、兆位（Mb）、吉位(Gb)和太位（Tb）

Mb是Megabit的縮寫，代表220位，即1024*1024位。

Gb是Gigabit的縮寫，代表230位，即1024Mb。

Tb是Terabit的縮寫，代表240位，即1024Gb。2．字（Word）：是CPU與輸入/輸出（I/O）設備和存儲器之間傳送數據的基本單位。它是數據總線的寬度(根數）。微型計算機字長有1位、4位、8位、16位、32位和64位等。3．字節(jié)（Byte）：

1字節(jié)＝8位二進制位（8bit）。4．K，KB，MB，GB和TBK＝1024＝210，1KB＝1024Byte，是用來計算存儲器存儲容量的單位。

1M=1024KB，1GB＝1024MB，ITB＝1024GB?！?.1MCS-51單片機的內部組成及信號引腳3.1.18051單片機的基本組成：

MCS-51單片機結構框圖

1.CPU：8位2.內部RAM：256單元

前128單元：用戶使用

后128單元：專用寄存器占用。3.

內部ROM：4KB掩膜ROM4.

定時器/計數器：2×16位。5.

并行I/O口：4×8位。

P0，P1，P2，P3。6．串行口：一個,全雙工。7.中斷控制系統：5

外中斷：2

定時/計數中斷：2

串行中斷：1個8．時鐘電路：fosc――振蕩頻率最高為12MHz。3.1.2MCS-51信號引腳介紹DIP：40引腳雙列直插封裝(dual-in-linepackagePLCC：

44引腳方形封裝帶引線的塑料芯片載體(plasticsleadedchipcarrier)QFP：40引腳四側引腳扁平封裝(quadflatpackage）

40引腳圖（DIP）PLCC和QFP的44引腳圖1.主電源引腳Vcc和Vss

VCC（40腳）:接+5V電源正端;VSS（20腳）:接+5V電源地端。2.外接晶體引腳XTAL1和XTAL2XTAL1（19腳）:接外部石英晶體的一端。在單片機內部,它是一個反相放大器的輸入端,這個放大器構成了片內振蕩器。當采用外部時鐘時,對于HMOS單片機,該引腳接地;對于CHMOS單片機,該引腳作為外部振蕩信號的輸入端。XTAL2（18腳）:接外部晶體的另一端。在單片機內部,接至片內振蕩器的反相放大器的輸出端。當采用外部時鐘時,對于HMOS單片機,該引腳作為外部振蕩信號的輸入端;對于CHMOS芯片,該引腳懸空不接。3.控制信號或與其它電源復用引腳控制信號或與其它電源復用引腳有：RST/VPD、、和等4種形式。（1）RST/VPD（9腳）:RST即為RESET,VPD為備用電源,所以該引腳為單片機的上電復位或掉電保護端。

（2）(30腳):當訪問外部存儲器時,ALE（允許地址鎖存信號）以每機器周期兩次的信號輸出,用于鎖存出現在P0口的低8位地址。（3）（29腳）:片外程序存儲器讀選通信號輸出端,低電平有效。（4）（31腳）:為訪問外部程序存儲器控制信號,低電平有效。4.輸入/輸出（I/O）引腳P0口、P1口、P2口及P3口（1）P0口（39腳～32腳）:P0.0～P0.7統稱為P0口。（2）P1口（1腳～8腳）:P1.0～P1.7統稱為P1口,可作為準雙向I/O接口使用。（3）P2口（21腳～28腳）:P2.0～P2.7統稱為P2口,一般可作為準雙向I/O接口。（4）P3口（10腳～17腳）:P3.0～P3.7統稱為P3口。表2-1P3口線的第二功能

口線第二功能第二功能P3.0RXD串行數據接收P3.1TXD串行數據發(fā)送P3.2外部中斷0請求輸入線P3.3外部中斷1請求輸入線P3.4T0定時器/計數器0計數輸入線P3.5T1定時器/計數器1計數輸入線P3.6外部RAM寫選通P3.7外部RAM讀選通3.251子系列單片機的存儲器配置

計算機的存儲器結構：普林斯頓結構：程序和數據共存于一個存儲器中，地址空間統一編址。應用于PC機及大部分計算機中。哈佛結構：程序存儲器和數據存儲器是相互獨立的，即程序存放在ROM中，只能進行讀操作；而數據存放在RAM中，可讀可寫。用于單片機中。

MCS-51單片機的存儲空間分為：

程序存儲器（64KBROM）

數據存儲器（64KBRAM）。

8051有四個存儲空間：

片內ROM,

片外ROM,片內RAM,片外RAM.

但從用戶使用的角度，8051存儲器地址空間分為三類：

（1）

片內、片外統一編址的程序存貯器ROM：

64KB，地址：0000～0FFFFH；（2）片外數據存貯器RAM：

64KB，地址：0000～0FFFFH；（3）內部數據存貯器RAM：

256B，地址：0~0FFH。

圖3-680C51存儲器配置圖MOVC指令MOV指令MOVX指令3.2.1程序存儲器（ROM）

用途：用于存放編好的程序和表格常數。

8051片內有4KBROM，片外16位地址線可擴展64KBROM，二者是統一編址的。當引腳，8051從0000H執(zhí)行片內ROM中的程序。當指令地址超過0FFFH后，就自動轉向片外ROM取指令。當引腳8051片內ROM不起作用，CPU只能從片外ROM/EPROM中取指令，地址可以從0000H開始編址。這種接法特別適合于沒有內部ROM的8031單片機，此時必須使/EA＝0，以便能夠從外部擴展的EPROM中取指令。內部ROM中的一些特殊單元：

表3-2片內ROM的保留單元保留單元地址入口地址用途0000H～0002H0000H復位后初始化引導程序0003H～000AH0003H外部中斷0中斷服務程序000BH～0012H000BH定時/計數器0中斷服務程序0013H～001AH0013H外部中斷1中斷服務程序001BH～0022H001BH定時/計數器1中斷服務程序0023H～002AH0023H串行口中斷服務程序002BH～0032H002BH定時/計數器2中斷服務程序(52子系列才有)3.2.2數據存儲器RAM

用途：用于存放運算的中間結果、數據暫存和緩沖、標志位等。

RAM分類：

片內RAM：256字節(jié)；地址從0000～00FFH；

片外RAM：64K字節(jié)；地址從0000～FFFFH。

1．片外RAM

由于片外RAM與片內RAM的低地址0000H～00FFH單元是重疊的。因此，MCS-51有兩種指令使用

MOV－－片內RAM MOVX－－片外64KRAM。2．片內RAM1.2.1內部數據存儲器低128單元三個區(qū)域真正的RAMSFR低128單元：1）．存儲器區(qū)：四組寄存器，每組8個寄存單元（8位），各組都以R0、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7作寄存單元編號。寄存器常用于存放操作數及中間結果等，由于它們的功能及使用不作預先規(guī)定因此稱之為通用寄存器，有時也叫工作寄存器、四組通用寄存器占據內部RAM的00H～1FH單元地址。

在任一時刻，CPU只能使用其中的一組寄存器，并且把正在使用的那組寄存器稱之為當前寄存器組。到底是那一組由程序狀態(tài)字寄存器PSW中RS0、RS1位的狀態(tài)組合來決定。表3-3R0～R7寄存器與內部RAM的地址對應通用寄存器名稱地址第0組第1組第2組第3組R000H08H10H18HR101H09H11H19HR202H0AH12H1AHR303H0BH13H1BHR404H0CH14H1CHR505H0DH15H1DHR606H0EH16H1EHR707H0FH17H1FH2）

位尋址區(qū)：地址：20H～2FH單元，共128位。位地址：00H～7FH。性質：既可作為一般RAM單元使用進行字節(jié)操作，也可以對單元中的每一位進行位操作，因此把該區(qū)稱之為位尋址區(qū)。表3-4片內RAM中的位尋址區(qū)地址分配3）

用戶RAM區(qū)：單元地址為30H～7FH，主要的數據緩沖區(qū)。把堆棧開辟在此區(qū)。3.2.3內部數據存儲器高128單元特殊功能寄存器區(qū)、專用寄存器區(qū)簡稱SFR。

單元地址：80H～FFH。SFR（1）累加器A或ACC（Accumulator）

8位寄存器，是最常用的專用寄存器

大部分單操作數指令的操作數就取自ACC，許多雙操作數指令中的一個操作數也取自累加器。（2）

B寄存器

8位寄存器，主要用于乘除運算。如MULABB寄存器也可作為一般數據寄存器使用。如MOVB,#20HMOVA,#30HADDA,#40H（3）程序狀態(tài)字PSW（ProgramStatusWord）

8位寄存器，用于寄存程序運行的狀態(tài)信息。其中：有些位狀態(tài)是根據程序執(zhí)行結果，由硬件自動設置的而有些位狀態(tài)則使用軟件方法設定．D7D6D5D4D3D2D1D0CYACF0RS1RS0OV…P

·

CY——進位標志位。有進位/借位，CY=1，否則，CY=0

·

AC——輔助進位標志位

低4位向高4位的進位或借位。有AC=1，否則AC=0。

·P——奇偶標志位。表明累加器A中1個個數的奇偶性。

奇1偶0。D7D6D5D4D3D2D1D0CYACF0RS1RS0OV…P

·OV（PSW.2）——溢出標志位

8位帶符號數字加減運算結果是否超出運算范圍。

8位有符號數字表示的范圍：－128～＋127。

OV＝0，運算正確，即無溢出產生。

在乘法運算中，OV＝1，表示乘積超過255；

在除法運算中，OV＝1，表示除數為0，除法不能進行。

D7D6D5D4D3D2D1D0CYACF0RS1RS0OV…P

10101010B-86例：(+72)+(+98)。

01001000B+72+01100010B+98例：(-83)+(-80)。

10101101B-83+10110000B-80［1］01011101B+93無符號數：CY=0有符號數：OV=1無符號數：CY=1有符號數：OV=1

·F0——用戶標志位，需要時用軟件方法置位或復位，用以控制程序的轉向。

·RS0和RS1（PSW.4，PSW.5）——寄存器組選擇位RS1RS0寄存器組片內RAM地址通用寄存器名稱000組00H~07HR0~R7011組08H~0FHR0~R7102組10H~17HR0~R7113組18H~1FHR0~R7D7D6D5D4D3D2D1D0CYACF0RS1RS0OV…P（4）

數據指針（DPTR）

16位寄存器。

MCS-51中唯一的一個16位寄存器。

DPH：

DPTR高位字節(jié)

DPL：

DPTR低位字節(jié)

作用：通常在訪問外部RAM時作地址指針使用,由于外部數據存儲器的尋址范圍64KB。DPTR既可按16位寄存器使用，也可以按兩個8位寄存器分開使用。如：MOVDPTR，#1234H

MOV DPH，#12HMOVDPL，#34H（5）程序計數器PC（ProgramCounter）

PC：16位的計數器。

其內容為將要執(zhí)行的指令地址，尋址范圍達64KB。

有自動加

1功能，從而實現程序的順序執(zhí)行、

但PC沒有地址，是不可尋址的、因此無法對它進行讀寫。但可以通過轉移、調用、返回等指令改變其內容，以實現程序的轉移?？梢妴纹瑱C中的大部分數據操作都是通過累加器進行的．

（6）I/O端口P0～P3（80H，90H，A0H，B0H）

P0～P3為四個8位特殊功能寄存器，分別是四個并行I/O端口的鎖存器。它們都有字節(jié)地址，每一個口鎖存器還有位地址，所以當每一條I/O線獨立地用作輸入或輸出時，數據可以鎖存；作輸入時，數據可以緩沖。

當I/O端口某一位用于輸入信號時，對應的鎖存器必須先置“1”。

MCS－51共有22個專用寄存器中。有21個是可字節(jié)尋址的?？勺止?jié)尋址寄存器的名稱、符號及單元地址見表1-3。

SFR特殊功能寄存器地址表SFR特殊功能寄存器地址表幾點說明：①

專用寄存器不連續(xù)地分散在內部RAM高128單元之中、空閑地址不能被用戶使用。②22個專用寄存器中，程序計數器PC是唯一一個不可尋址的SFR.③

使用SFR時，既可使用寄存器符號，也可使用寄存器單元地址。例如：

MOV B，

ACC MOV B，

0E0H可位尋址專用寄存器：

在21個可尋址的專用寄存器中，有11個寄存器是可以位尋址的，見表l－4。SFR特殊功能寄存器地址表表2.6SFR特殊功能寄存器地址表（5）堆棧指針SP

堆棧：只允許在其一端進行數據插入和數據刪除操作的線性表。堆棧是內存在一個特殊的存儲區(qū)域。圖3-8堆棧和堆棧指針示意圖傳送數據方式：入棧：PUSH出棧：POP。堆棧操作的最大特點：“后進先出”。堆棧是為子程序調用和中斷操作而設立的。堆棧的功能：保護斷點和保護現場。

保護斷點：PC。

保護現場：寄存器中的內容。舉例：以P131例6-1說明堆棧的存在。int

addfunc(inta,intb) /*加法子函數*/{intc;c=a+b;

return(c);}voiddelay() /*延時10ms子函數,假設fOSC=11.0592MHz*/{

inti,ms=10;while(ms--){for(i=0;i<115;i++); } /*延時1ms*/}voidmain() /*主函數*/{intx=10,y=3,z;z=addfunc(x,y);

delay();

z=z+3;} ORG 1000H1000H: MOV A,#34H1002H: ADD A,#10H1004H: LCALLDELAY1007H: MOV 20H,A ---- ORG 2000H2000H DELAY: PUSH A MOV A,#30H2002H ----- POPA RET堆棧要求：具有足夠的容量（或者說足夠的堆棧深度）。堆棧開辟

1）外堆棧：在主存儲器中開辟堆棧．例如8080，Z80等早期的微型機。主要優(yōu)點是堆棧容量大。但外堆棧的操作速度較慢。

2)內堆棧：在CPU芯片內部存儲器中開辟。MCS－51的堆棧就是開辟在內部RAM中。

主要優(yōu)點是操作速度快，但堆棧容量有限。堆棧使用方式：兩種

(1)：自動方式：（保護斷點）在調用子程序或中斷時，返回地址（斷點）自動進棧。程序返回時，斷點再自動彈回PC.

操作的特點：堆棧操作無需用戶干預--自動方式。

LCALLNEXTJMPLOOP(2)：指令方式（保護現場） 進棧指令:PUSH

出棧指令:POP。例如：

PUSH A PUSH B POP B POP A3.3并行輸入/輸出端口結構MCS-51單片機共有4個8位雙向并行輸入/輸出（I/O）口，分別為：P0、P1、P2、P3?？冢菏且粋€集數據輸入緩沖、數據輸出緩沖、驅動及鎖存等多項功能為一體的I/O電路，也稱端口。四個I/O口在結構和特性上基本相同的，但又各具特點。下面介紹這些口的特性和功能。3.3.1P0～P1口的功能

(1)P0口為準雙向（輸入/輸出）三態(tài)口－－AD線。

用作：

地址/數據總線口。

低8位地址/8位數據總線分時復用。

(2)P1口：作為可編程的輸入或輸出線。

(3)P2口：用作：輸入或輸出線用；

作為擴展系統的高8位地址總線，與P0口一起組成16位地址總線。說明：對8031單片機來說，P2口一般只作為地址總線使用，而不作為I/O線直接與外設相連。

(4)P3口：雙功能口。

可作為輸入或輸出口線用；特殊的第二功能。3.3.2P0～P3口的結構與操作1.P0口I/O口應用時：“控制”=0；數據/地址時：“控制”=1。Vcc用作輸入口時，需先給P0.x口輸出高電平。MOVP0，#0FFHVcc2.P1口圖3-10P1.X口線的邏輯電路圖ORG100HMOVP1,#0FEHEND注意問題：1.當用作輸入時，必須先輸出1；2.P1口為準雙向口；3.外接電路一般采用共陽極。2.P2口圖3-11P2.X口線的邏輯電路圖4.P3口圖3-12P3口某一位口線的邏輯電路圖3.4時鐘電路與CPU時序 時鐘電路：用于產生單片機工作所需要的時鐘信號；時序：指令執(zhí)行中各信號之間的相互關系。3.4.1時鐘電路

(1)內部時鐘方式 芯片內部的高增益反向放大器和在引腳XTAL1和XTAL2兩端跨接晶體振蕩器和微調電容，就構成了一個穩(wěn)定的自激振蕩器，其發(fā)出的脈沖直接輸入單片機的內部時鐘電路。

(2)外部時鐘方式圖3-13內部時鐘電路與HMOS和CHMOS型單片機的外部時鐘電路接法3.4.2CPU的時序MCS-51的時序定時單位共有4個，從小到大依次是：

拍節(jié)，狀態(tài)、機器周期、指令周期。(1)拍節(jié)與狀態(tài)拍節(jié)（P）：振蕩脈沖的周期，又稱振蕩周期。狀態(tài)（S）:時鐘信號的周期，又稱時鐘周期。關系：振蕩頻率＝2倍時鐘頻率時鐘周期＝2倍振蕩周期，即1S=2P

（拍節(jié)1（P1），拍節(jié)2（P2））。(2)機器周期機器周期:指CPU訪問存儲器一次所需要的時間。例如取指令，讀存儲器、寫存儲器等。MCS-51的一個機器周期包括12個振蕩周期（12P）＝6S

即6個狀態(tài)：S1～S6。而每個狀態(tài)又分為兩拍，稱為P1和P2。因此，一個機器周期中的12個振蕩周期表示為S1P1、S1P2、S2P1……、S6P2。(3)指令周期定義：執(zhí)行一條指令所需要的時間稱之為指令周期。最大的時序定時單位，無固定值。指令不同，指令周期不同。MCS-51的指令包含一、二、四個機器周期。例如:外接晶振頻率fOSC為12MHz時,MCS—51單片機的4個時間周期值為:

振蕩周期P=1/fosc＝1/12μs;

狀態(tài)周期S=2P＝1/6μs;

機器周期=6S＝12P＝1μs;

指令周期=1、2、4μs。單片機指令的兩種操作：讀操作和寫操作。假定：8位計算機，256個單元組成，每個單元存儲8位二制信息，即256×8位的讀/寫存儲器。

11000111

000011000011111001110010FFH00H

地址內容內存單元的地址和內容100101110004FF地址譯碼器00000100AB控制讀DB10010111地址內存讀操作00100110

00

08FF地址譯碼器000001000AB控制寫DB00100110地址內存寫操作假定CPU要把數據26H寫入存儲器08H單元。附加：

微型計算機工作過程，5＋6＝？名稱匯編語言程序機器代碼二進制十六進制匯編起始地址命令ORG80H無立即數送入累加器MOVA，#0501110100000001017405加立即數ADDA，#0600100100000001102406空操作NOP0000000000匯編終止END無1)第1條指令的執(zhí)行過程取指令階段：1)第1條指令的執(zhí)行過程執(zhí)行指令階段：2)第2條指令的執(zhí)行過程取指令階段：2)第2條指令的執(zhí)行過程執(zhí)行指令階段：3.4.3典型指令的時序根據指令代碼所占的字節(jié)不同：單字節(jié)、雙字節(jié)、三字節(jié)。根據指令執(zhí)行時間的不同：單機器周期、雙機器周期四機器周期。執(zhí)行指令的兩個階段：取指令和執(zhí)行指令。ALE：地址鎖存允許信號，每有效一次對應單片機進行的一次讀指令操作，取指有效時間：S1P2和S2P1，S4P2和S5P1。

ALE取指有效時間：S1P2和S2P1，S4P2和S5P1，出現頻率為振蕩脈沖頻率的1/6。04H說明：以上時序圖僅表現了取指令的有關時序，而沒有表現執(zhí)行指令的時序。而實際上，每條指令都有具體的數據操作，例如算術和邏輯操作在拍節(jié)1進行，片內寄存器對寄存器傳送操作在拍節(jié)2進行。由于指令種類繁多，不逐一列出。3.5復位電路復位：單片機的初始化操作。復位的功能： （1）進入系統的正常初始化；（PC