第2章MCS-51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)2.1MCS-51單片機(jī)總體結(jié)構(gòu)2.2MCS-51存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)及位處理器2.3MCS-51工作方式和時(shí)序2.4MCS-51單片機(jī)的時(shí)序2.5習(xí)題2.1MCS-51單片機(jī)總體結(jié)構(gòu)單片機(jī)

在一塊芯片上集成了ＣＰＵ、存儲(chǔ)器、I/O接口，構(gòu)成一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)。2.1.1MCS-51總體結(jié)構(gòu)框圖及功能圖2-18051單片機(jī)內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)框圖MCS-51系列單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：AtemelAT89C511.CPU構(gòu)成

①控制器

﹡

程序計(jì)數(shù)器PC

﹡

指令寄存器IR

﹡

指令譯碼器ID

﹡

定時(shí)、控制電路

②ALU

﹡ACC（Accumulator）

﹡B

﹡PSW（ProgrameStateWord）

(2)功能①控制器接受指令指令譯碼按時(shí)序發(fā)出指令功能所需的控制信號(hào)②ALU二進(jìn)制數(shù)算術(shù)、邏輯運(yùn)算；處理參數(shù)可以是:字

字節(jié)

半字節(jié)

位

MOVDPTR，#1256HMOVA，R3SWAPASETBRS0③ACC累加器；最活躍：加法、減法、邏輯運(yùn)算、移位指令的目的操作數(shù)。訪外指令。乘除指令。通用④寄存器B用于乘、除運(yùn)算；通用加、減指令唯一的目的操作數(shù)加、減指令唯一的目的操作數(shù)MOVX指令唯一的片內(nèi)操作數(shù)⑤

標(biāo)志狀態(tài)寄存器PSW字節(jié)地址D0HCyACF0RS1RS0OVF1PD7D6D5D4D3D2D1D0D7HD6HD5HD4HD3HD2HD1HD0H

位位地址位名字

F0及F1用戶標(biāo)志位：；由用戶設(shè)置；作為用戶自定義標(biāo)志。RS1RS0寄存器組片內(nèi)PAM地址通用寄存器名稱000組00H~07HR0~R7011組08H~0FHR0~R7102組10H~17HR0~R7013組18H~1FHR0~R7

RS1、RS0

當(dāng)前寄存器組設(shè)置標(biāo)志位表2-2RS1、RS0與工作寄存器組的對(duì)應(yīng)關(guān)系P15OV溢出標(biāo)志若OV=1，說明運(yùn)算結(jié)果超出一個(gè)字長所能表示的范圍。CY進(jìn)位/借位標(biāo)志在進(jìn)行加、減運(yùn)算時(shí)：若CY=1，說明運(yùn)算結(jié)果的最高位D7有進(jìn)位/借位。AC輔助進(jìn)位標(biāo)志若AC=1，說明運(yùn)算結(jié)果的低4位向高4位有進(jìn)位（半進(jìn)位）。用于BCD碼調(diào)整指令。提請(qǐng)注意：P（PSW.0)奇/偶標(biāo)志若ACC中的1的個(gè)數(shù)為”奇”數(shù),P=1ACC中的1的個(gè)數(shù)為”偶”數(shù),P=02.RAM片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。包括：隨機(jī)存儲(chǔ)器區(qū)寄存器區(qū)SFR位尋址區(qū)3.ROM片內(nèi)程序存儲(chǔ)器存放程序及常數(shù)4.并行I/O口P0～P38位并行I/O接口；P0～P3提供CPU訪外（ROM、RAM）時(shí)的AB、DB和CB；P0～P3口輸出時(shí)，數(shù)據(jù)可以鎖存； 輸入時(shí)，具有緩沖功能。P0～P3口可按字節(jié)I/O； 也可以按位I/O。P0～P3口均為準(zhǔn)雙向I/O口，寫入時(shí)需先向其寫1。5.定時(shí)器/計(jì)數(shù)器基本功能是計(jì)數(shù)。可對(duì)外部事件進(jìn)行計(jì)數(shù)。對(duì)固定周期的脈沖計(jì)數(shù)可實(shí)現(xiàn)定時(shí)功能。MCS-51單片機(jī)內(nèi)部含有兩個(gè)16位計(jì)數(shù)器。6.中斷系統(tǒng)MCS-51單片機(jī)有5個(gè)中斷源。具有較強(qiáng)的中斷處理能力。7.串行接口全雙工串行通信接口。8.時(shí)鐘電路OSC產(chǎn)生單片機(jī)內(nèi)的基本時(shí)間單位。2.1.2MCS-51引腳功能P0口P3口P2口P1口掉電方式1.主電源引腳VCCVSS2.時(shí)鐘電路引腳XTAL1片內(nèi)震蕩器反向放大器的輸入端；XTAL2片內(nèi)震蕩器反向放大器的輸出端。（內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端）。3.控制引腳ALE/PROG

地址鎖存允許/編程信號(hào)線ALE

鎖存P0口輸出的低8位地址信號(hào);頻率為1/6震蕩頻率;PROG用于8755時(shí),輸入編程脈沖信號(hào)。PSEN程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)。EA/VPP

EA訪問程序存儲(chǔ)器控制信號(hào)。EA=1，CPU從片內(nèi)開始讀取指令；EA=0，CPU從片外開始讀取指令。VPP用于8755時(shí),輸入編程電壓。RST/VPD

RST復(fù)位。（需要兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平）。VPD后備電源輸入端（掉電保護(hù)）。4.并行I/O口（1）各端口的共性

4個(gè)8位雙向、并行I/O接口；輸入有緩沖作用，輸出時(shí)，數(shù)據(jù)可以被鎖存；每一條I/O口線都能單獨(dú)使用；允許有三種工作方式：輸入、輸出、讀-修改-寫。輸出時(shí)，P0口可驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL負(fù)載，

其余口只能驅(qū)動(dòng)4個(gè)LSTTL負(fù)載。復(fù)位后，P0～P3各口線均為1可直接讀數(shù)。復(fù)位后可寫出數(shù)據(jù)嗎？（2）各端口的用途①P0口未加擴(kuò)展時(shí)：通用并行I/O口；擴(kuò)展系統(tǒng)中：作為數(shù)據(jù)/低位地址分時(shí)復(fù)用線。②P1口8位準(zhǔn)雙向I/O口。③P2口未加擴(kuò)展時(shí)：通用并行I/O口；擴(kuò)展系統(tǒng)中：作為高位地址線。如何解決分時(shí)復(fù)用問題？④

P3口未加擴(kuò)展時(shí)：通用并行I/O口；擴(kuò)展系統(tǒng)中：串行I/O口：TXD、RXD

定時(shí)器輸入：T1、T0RAM、I/0接口擴(kuò)展時(shí)控制信號(hào)：/RD、/WR

外部中斷申請(qǐng)線：INT1、INT02.2MCS–51存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)及位處理器2.2.1MCS–51存儲(chǔ)器的特點(diǎn)MCS-51存儲(chǔ)器的劃分:從物理結(jié)構(gòu)上劃分為4個(gè)存儲(chǔ)空間片內(nèi)程序存儲(chǔ)器片外程序存儲(chǔ)器片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(2)從使用的角度①劃分為三個(gè)存儲(chǔ)器地址空間。片內(nèi)外統(tǒng)一編址的64KB程序存儲(chǔ)器；片內(nèi)256B數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間；片外64KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間；

②用不同的指令訪問不同的存儲(chǔ)空間：訪問內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用MOV指令；訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用MOVX指令；訪問程序存儲(chǔ)器用MOVC指令。圖2.4MCS-51存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)P30MOVCMOVMOVX2.2.2程序存儲(chǔ)器

程序存儲(chǔ)器的內(nèi)部地址為0000H~0FFFH,共4KB;

外部地址為1000H~FFFFH,共60KB。當(dāng)程序計(jì)數(shù)器由內(nèi)部0FFFH執(zhí)行到外部1000H時(shí),

會(huì)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)。4.8751內(nèi)部有4KB的EPROM;8051內(nèi)部有4KB的ROM;8031內(nèi)部無程序存儲(chǔ)器,必須外接程序存儲(chǔ)器；

最多可外擴(kuò)64KB程序存儲(chǔ)器。

條件：/EA接+5V5.其中6個(gè)單元地址,保留給系統(tǒng)使用。

0000H是系統(tǒng)的啟動(dòng)地址,一般在該單元中存放一條絕對(duì)跳轉(zhuǎn)指令。0003H000BH0013H001BH0023H對(duì)應(yīng)5種中斷源的中斷服務(wù)入口地址。2.2.3

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器MCS-51單片機(jī)片內(nèi)RAM的配置如圖2.5所示片內(nèi)RAM為256字節(jié),地址范圍為00H~FFH。分為兩大部分:

低128字節(jié)（00H~7FH）為RAM區(qū);

高128字節(jié)（80H~FFH）為特殊功能寄存器區(qū)

SFR。P32RS1RS0=00RS1RS0=01RS1RS0=10RS1RS0=11在低128字節(jié)RAM中

（1）00H~1FH共32單元是通用工作寄存器區(qū)。分為4個(gè)區(qū)：0區(qū)、1區(qū)、2區(qū)、3區(qū)，每一個(gè)區(qū)有8個(gè)通用寄存器：R0~R7。由程序員通過RS1、RS0的設(shè)置選用當(dāng)前寄存器組。每個(gè)寄存器對(duì)應(yīng)一個(gè)內(nèi)存地址。復(fù)位時(shí)，指向0區(qū)。（R0~R7依次對(duì)應(yīng)內(nèi)存地址：00H~07H）。寄存器與RAM地址對(duì)照表（2）20H~2FH為位尋址區(qū)位地址：00H~7FH不作為尋址使用時(shí)也可以按字節(jié)尋址；（3）30H~7FH為用戶RAM區(qū)此區(qū)內(nèi)只能按字節(jié)尋址；堆棧可設(shè)置在此區(qū)域中；堆棧可設(shè)在內(nèi)存中未被設(shè)為專用區(qū)的地方表2.6RAM中的位尋址區(qū)地址表P33

2.2.4專用寄存器區(qū)（SFR）表2.4特殊功能寄存器（SFR）地址P34

表2.4特殊功能寄存器（SFR）地址續(xù)表2.4特殊功能寄存器（SFR）地址續(xù)2.2.5位處理器性能優(yōu)越的位處理器(布爾處理機(jī))(即CPU)有位寄存器;有位累加器(CY);有位存儲(chǔ)器(可按位尋址區(qū))(20H~2FH)及地址可被8整除的專用寄存器中的位;以位為操作數(shù)的指令。單片機(jī)具有較強(qiáng)的位處理能力2.3MCS-51工作方式和時(shí)序工作方式含:復(fù)位方式程序執(zhí)行方式節(jié)電方式EPROM的編程及校驗(yàn)方式2.3.1復(fù)位方式（2）應(yīng)用程序必須以此作為設(shè)計(jì)前提。

復(fù)位（1）CPU

及其它功能部件處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)。2.復(fù)位電路上電復(fù)位電路(圖(a));按鍵（手動(dòng)）復(fù)位電路(圖(b))。按鍵脈沖復(fù)位（圖（C））。圖2-7復(fù)位電路P36（c)都需要持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平3.什麼時(shí)候需要復(fù)位?(1)啟動(dòng)時(shí);運(yùn)行過程中出現(xiàn)無法解決的問題時(shí)。表2.5復(fù)位后內(nèi)部寄存器狀態(tài)P264.復(fù)位后內(nèi)部寄存器狀態(tài)2.3.2程序執(zhí)行工作方式基本工作方式1.連續(xù)執(zhí)行被執(zhí)行的程序在程序存儲(chǔ)器(片內(nèi)/片外中)啟動(dòng)時(shí)(或復(fù)位后)從0000H開始執(zhí)行程序

調(diào)試過程中使用2.單步執(zhí)行利用單片機(jī)外部中斷功能實(shí)現(xiàn)。2.3.3節(jié)電工作方式 P38①減少單片機(jī)功耗的方式②只有CHMOS型單片機(jī)才有的工作方式（80C31等）③兩種方式：掉電方式空閑方式由PCON控制;PD=PCON.1=1掉電方式;IDL=PCON.0=1空閑方式。5~50μA1.7~5mA11~20mA1.掉電方式當(dāng)VCC升至5V，可重歸正常工作方式。當(dāng)VCC降至VPD以下時(shí),轉(zhuǎn)為由VPD供電。

(以低功耗維持內(nèi)部RAM及SFR的內(nèi)容不丟失)。應(yīng)用：當(dāng)檢測到VCC接近VPD

時(shí)，通過INTX申請(qǐng)中斷。利用中斷服務(wù)程序?qū)⒅匾獢?shù)據(jù)保存到內(nèi)部RAM中。執(zhí)行指令MOVPCON，#02H，進(jìn)入掉電工作方式。 （內(nèi)部RAM中的00H~7FH單元內(nèi)容被保留）2.空閑方式有中斷申請(qǐng)時(shí)，CPU自動(dòng)退出空閑方式

執(zhí)行

MOVPCON，#01H指令后，進(jìn)入空閑工作方式：

CPU停止工作；中斷、串口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器可以繼續(xù)工作；

SFR及內(nèi)存中的數(shù)據(jù)不變；（如：SP、PC、PSW、A）

ALE、PSEN為高電平；2.4MCS-51單片機(jī)的時(shí)序 P39外接震蕩器通過內(nèi)部反相放大器產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖。時(shí)序?qū)W習(xí)時(shí)序有助于理解指令的執(zhí)行。2.4.1時(shí)鐘單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益反向放大器，通過外接晶體振蕩器及微調(diào)電容，構(gòu)成穩(wěn)定的自激振蕩器—時(shí)鐘電路。外接定時(shí)元件，內(nèi)部電路自激振蕩外接振蕩器頻率fOSC為6~16MHz（a）