第2章MCS-51單片機(jī)結(jié)構(gòu)原理目錄2.1MCS-51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及CPU2.2MCS-51單片機(jī)引腳與總線結(jié)構(gòu)2.3MCS-51單片機(jī)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)2.4MCS-51單片機(jī)時(shí)鐘及CPU時(shí)序2.5MCS-51單片機(jī)復(fù)位2.6MCS-51單片機(jī)低功耗工作方式第2章MCS-51單片機(jī)結(jié)構(gòu)原理

本章討論MCS-51單片機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，內(nèi)容主要有MCS-51單片機(jī)結(jié)構(gòu)、引腳信號(hào)、存儲(chǔ)器配置、時(shí)鐘與CPU時(shí)序、復(fù)位，以及低功耗工作方式等。

本章是單片機(jī)的基本內(nèi)容，為學(xué)習(xí)后面各個(gè)章節(jié)的基礎(chǔ)，也是從事單片機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)。2.1MCS-51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及CPU主要內(nèi)容2.1.1MCS-51單片機(jī)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)2.1.2MCS-51單片機(jī)內(nèi)部原理結(jié)構(gòu)2.1.3MCS-51單片機(jī)的CPU2.1.1MCS-51單片機(jī)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)如下頁(yè)圖所示，圖中是以增強(qiáng)型單片機(jī)的結(jié)構(gòu)為對(duì)象。 從圖中可以看到，MCS-51單片機(jī)在一塊芯片中集成了微型計(jì)算機(jī)所具有的所有部件，從功能的角度來(lái)看，主要包括9個(gè)部分。圖2.1MCS-51(增強(qiáng)型)單片機(jī)功能結(jié)構(gòu)圖2.1.1MCS-51單片機(jī)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

頻率基準(zhǔn)或時(shí)鐘源外部脈沖信號(hào)BUS時(shí)鐘電路8KBFlashROM256BRAM128BSFR16位×3個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器64KB總線擴(kuò)展控制器可編程并行口可編程全雙工串行口8位CPU中斷控制器外中斷8位×4個(gè)并行口串行通信總線控制BUS2.1.1MCS-51單片機(jī)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

MCS-51單片機(jī)內(nèi)部主要包括9個(gè)部分：一個(gè)8位的微處理器CPU8KB的片內(nèi)程序存儲(chǔ)器FlashROM256B的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM、128B特殊功能寄存器（SFR）3個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器有一個(gè)管理6個(gè)中斷源的中斷控制器4個(gè)8位并行I/O端一個(gè)全雙工的串行接口（UART）片內(nèi)振蕩電路和時(shí)鐘發(fā)生器

可擴(kuò)展64KB程序、64KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的三總線控制電路2.1.2MCS-51單片機(jī)內(nèi)部原理結(jié)構(gòu)

MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部原理結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。 與圖2-1比較，主要的區(qū)別是畫(huà)出了CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，圖中的中間部分除了“定時(shí)器、串行口”大方框之外都屬于CPU部件。 下面先介紹CPU部分，對(duì)于其它部件，將在本章和后面的章節(jié)講解。

圖2-2MCS-51(增強(qiáng)型)單片機(jī)原理結(jié)構(gòu)圖XTAL2XTAL1P3.0~P3.7P1.0~P1.7RAM地址端口0驅(qū)動(dòng)器端口2驅(qū)動(dòng)器8KBFlashROM端口0鎖存器端口2鎖存器端口1驅(qū)動(dòng)器端口3驅(qū)動(dòng)器端口1鎖存器端口3鎖存器暫存器1SPPSWB寄存器暫存器2ACC256BRAM128BSFR緩沖器PC加1PC程序地址寄存器DPTR定時(shí)器、串行口中斷部件及特殊功能寄存器地址總線∕數(shù)據(jù)總線P2.0~P2.7VccGND指令寄存器指令譯碼器指令控制器P0.0~P0.7PSENALEEARSTALU屬控制器屬控制器屬運(yùn)算器2.1.3MCS-51單片機(jī)的CPU MCS-51單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)功能強(qiáng)大的8位CPU，它包含兩個(gè)基本部分，運(yùn)算器和控制器。

一、運(yùn)算器

運(yùn)算器包括：

算術(shù)和邏輯運(yùn)算部件ALU（ArithmeticLogicUnit）以及累加器ACC、寄存器B、暫存器1、暫存器2、程序狀態(tài)字寄存器PSW等。2.1.3MCS-51單片機(jī)的CPU

1、算術(shù)邏輯運(yùn)算部件ALU ALU可以對(duì)4位（半字節(jié)）、8位（單字節(jié)）和16位（雙字節(jié)）數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。

這些操作可以是：

算術(shù)運(yùn)算：加、減、乘、除、加1、減1、BCD碼數(shù)的十進(jìn)制調(diào)整、比較等運(yùn)算；

邏輯運(yùn)算：與、或、異或、求補(bǔ)、移位、循環(huán)等邏輯運(yùn)算。2.1.3MCS-51單片機(jī)的CPU

2、累加器ACC ACC在CPU結(jié)構(gòu)中占有特殊的位置，ACC在指令中使用的非常多。

ACC既做源操作數(shù)又做目的操作數(shù)，如在加、減、乘、除算術(shù)運(yùn)算指令中，在與、或、異或、移位、循環(huán)邏輯運(yùn)算指令等。

ACC也作為通用寄存器使用，并且可以按位操作，所以ACC是一個(gè)用處最多、最忙碌的寄存器。

在指令中用助記符A來(lái)表示。2.1.3MCS-51單片機(jī)的CPU

3、B寄存器

B作專門(mén)應(yīng)用：在乘、除運(yùn)算時(shí)，用來(lái)存放一個(gè)操作數(shù)，并且存放運(yùn)算后的部分結(jié)果。

B作一般應(yīng)用：在非乘、除運(yùn)算中，B可以作為通用寄存器使用。

B可以按位操作2.1.3MCS-51單片機(jī)的CPU

4、程序狀態(tài)字PSW

功能：用于設(shè)定CPU的狀態(tài)和指示指令執(zhí)行后的狀態(tài)。

PSW相當(dāng)于其它微處理器中的標(biāo)志寄存器。格式如下：PSW(D0H)D7D6D5D4D3D2D1D0CYACF0RS1RS0OVF1P圖2-3程序狀態(tài)字PSW格式2.1.3MCS-51單片機(jī)的CPU

CY（PSW.7）：進(jìn)位、借位標(biāo)志

在做位操作（布爾操作）時(shí)CY作 為位累加器。在指令中用C代替CY

AC（PSW.6）：半進(jìn)位、半借位標(biāo)志，也稱為輔助進(jìn)位標(biāo)志

F0、F1（PSW.5、PSW.1）：用戶標(biāo)志位，留給用戶使用D7D6D5D4D3D2D1D0CYACF0RS1RS0OVF1P2.1.3MCS-51單片機(jī)的CPU

OV（PSW.2）：溢出標(biāo)志位。有如下情況。

①加減運(yùn)算

OV＝1表示結(jié)果超出了8位有符號(hào)數(shù)的有效范圍(－128～＋127)，對(duì)無(wú)符號(hào)數(shù)OV沒(méi)有意義。

②無(wú)符號(hào)數(shù)乘法運(yùn)算

OV＝1表明結(jié)果超出了8位數(shù)

③無(wú)符號(hào)數(shù)除法運(yùn)算

OV＝1表明除數(shù)為0

P（PSW.0）：累加器A的奇偶標(biāo)志位

P表示累加器A中1的個(gè)數(shù)的奇偶性

P＝1，A中有奇數(shù)個(gè)1；P＝0，A中有偶數(shù)個(gè)1。2.1.3MCS-51單片機(jī)的CPU

RS1、RS0（PSW.4和PSW.3）：工作寄存器組選擇控制位。

工作寄存器：R0、R1、……、R7表2-1RS1、RS0的組合關(guān)系RS1RS0工作寄存器組片內(nèi)RAM地址00第0組00H～07H01第1組08H～0FH10第2組10H～17H11第3組18H～1FH2.1.3MCS-51單片機(jī)的CPU

5、布爾處理器

MCS-51單片機(jī)的ALU具有布爾(位)運(yùn)算功能。

布爾處理器以PSW中的進(jìn)位標(biāo)志位CY作為位累加器（用C表示）。

功能：專門(mén)用于處理位操作。

MCS-51單片機(jī)有豐富的位處理指令：

如置位、位清0、位取反、判斷位值（為1或?yàn)?）轉(zhuǎn)移，以及通過(guò)C（指令中用C代替CY）做位數(shù)據(jù)傳送、位邏輯與、位邏輯或等位操作。2.1.3MCS-51單片機(jī)的CPU

二、控制器 控制器包括程序計(jì)數(shù)器PC、指令寄存器IR、指令譯碼器ID，以及時(shí)鐘控制邏輯、堆棧指針SP、地址指針DPTR等。

1、程序計(jì)數(shù)器PC PC是一個(gè)具有自加1功能的16位的計(jì)數(shù)器

PC的內(nèi)容是將要執(zhí)行的下一條指令的地址 改變PC的內(nèi)容就改變了程序執(zhí)行的順序

2、指令寄存器IR和指令譯碼器ID

IR：存放從FlashROM中讀取的指令

ID：進(jìn)行譯碼，產(chǎn)生一定序列的控制信號(hào)，完成指令所規(guī)定的操作。2.1.3MCS-51單片機(jī)的CPU

3、堆棧

（1）堆棧的概念： 堆棧是在RAM中專門(mén)開(kāi)辟的一個(gè)特殊用途的存儲(chǔ)區(qū)。

（2）堆棧的功能：

主要用于暫時(shí)存放數(shù)據(jù)。CPU保存返回地址存、傳遞參數(shù)，程序員暫時(shí)存放數(shù)據(jù)等。

（3）堆棧的結(jié)構(gòu)：

堆棧一端的地址是固定的，稱為棧底；另一端的地址是動(dòng)態(tài)變化的，是數(shù)據(jù)保存和取出的端口，稱為棧頂。堆棧像一個(gè)桶狀存儲(chǔ)體，只能從桶口存放和取出。2.1.3MCS-51單片機(jī)的CPU

（4）堆棧指針的特點(diǎn)：

會(huì)配合訪問(wèn)堆棧的讀、寫(xiě)，自動(dòng)修改堆棧指針。其寫(xiě)稱為進(jìn)棧，其讀稱為出棧。

（5）堆棧的訪問(wèn)特點(diǎn)：

由于堆棧通過(guò)堆棧指針間接訪問(wèn)，只能在棧頂進(jìn)棧或出棧，因此堆棧是按照“先進(jìn)后出”（即先進(jìn)入堆棧的數(shù)據(jù)后移出堆棧）的規(guī)律存、取數(shù)據(jù)。

（6）堆棧的使用特點(diǎn)：

由于堆棧是暫存數(shù)據(jù)，暫存后還要將其讀出使用，因此對(duì)于數(shù)據(jù)必是先進(jìn)棧，而后還要出棧，即數(shù)據(jù)的進(jìn)棧和出棧是成對(duì)使用的。

2.1.3MCS-51單片機(jī)的CPU

4、堆棧指針SP

堆棧指針SP（StackPointer）中為棧頂?shù)牡刂罚碨P指向棧頂。

SP是訪問(wèn)堆棧的間址寄存器

SP具有自動(dòng)加1、自動(dòng)減1功能。當(dāng)數(shù)據(jù)進(jìn)棧時(shí)，SP先自動(dòng)加1，然后將數(shù)據(jù)存入； 當(dāng)數(shù)據(jù)出棧時(shí)，先將數(shù)據(jù)送出，然后SP自動(dòng)減1。2.1.3MCS-51單片機(jī)的CPU

下圖是數(shù)據(jù)進(jìn)棧的情況數(shù)據(jù)從棧頂進(jìn)入

開(kāi)始狀態(tài)58進(jìn)棧后的狀態(tài)A6,7B進(jìn)棧后的狀態(tài)E7E7E7E6E6E6SPE5SPE5SPE5E1E4E4E4E3E3E3E2E258E236E136E136E121E021E021E058A67BE2E1E2E3E42.1.3MCS-51單片機(jī)的CPU

由于進(jìn)棧時(shí)SP的值增加，即堆棧向地址大的方向生長(zhǎng)，并且棧頂是有效數(shù)據(jù)，這種堆棧是滿遞增型堆棧。7B、A6、58、36出棧后的狀態(tài)E7E6SPE57BE4A6E358E236E121E07BA65836E4E3E1E0E22.1.3MCS-51單片機(jī)的CPU

5、數(shù)據(jù)指針DPTR

DPTR是唯一的16位寄存器。

DPTR既可以作為一個(gè)16位寄存器使用，也可以作為兩個(gè)獨(dú)立的8位寄存器使用。其高字節(jié)寄存器用DPH表示，低字節(jié)寄存器用DPL表示。

DPTR的用途：(1)主要用于存放16位地址，以便對(duì)64KB的片外RAM和64KB的程序存儲(chǔ)空間作間接訪問(wèn)。(2)其次用于存放數(shù)據(jù)，作為一般寄存器使用。2.2MCS-51單片機(jī)引腳信號(hào)主要內(nèi)容2.2.1MCS-51單片機(jī)引腳信號(hào)及功能2.2.2MCS-51單片機(jī)外部總線結(jié)構(gòu)2.2.1MCS-51單片機(jī)引腳信號(hào)及功能

封裝：40DIP,44PLCC。 常用40DIP

40個(gè)引腳分為4類：電源引腳晶振引腳控制信號(hào)輸入/輸出引腳T2/P1.0T2EX/P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RSTRXD/P3.0TXD/P3.1GATE0/INT0/P3.2GATE1/INT1/P3.3T0/P3.4T1/P3.5WR/P3.6RD/P3.7XTAL2XTAL1Vss89C5289C5140393837363534333231302928272625242322211234567891011121314151617181920VccP0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7EA/VPPALE/PROGPSENP2.7/A15P2.6/A14P2.5/A13P2.4/A12P2.3/A11P2.2/A10P2.1/A9P2.0/A82.2.1MCS-51單片機(jī)引腳信號(hào)及功能

一、電源引腳

Vcc（40腳）：接5V電源正端

Vss（20腳）：接5V電源地端

二、晶振引腳

XTAL1（19腳）

XTAL2（18腳）晶振XTAL2XTAL1單片機(jī)C1C218192.2.1MCS-51單片機(jī)引腳信號(hào)及功能

三、控制信號(hào)引腳（4個(gè)）

1、RST（9腳）

RST：復(fù)位信號(hào)輸入端，高電平有效。

單片機(jī)正常工作時(shí)：RST保持兩個(gè)機(jī)器周期的高電平就會(huì)使單片機(jī)復(fù)位；

上電時(shí)：RST上的高電平必須保持10ms以上才能保證有效復(fù)位，由于振蕩器需要一定的起振時(shí)間。2.2.1MCS-51單片機(jī)引腳信號(hào)及功能

2、ALE/PROG（30引腳）

ALE：地址鎖存信號(hào)，每個(gè)機(jī)器周期輸出兩個(gè)正脈沖，下降沿或低電平用于控制外接的地址鎖存器，鎖存從P0口輸出的低8位地址。

可以將ALE作為時(shí)鐘信號(hào)使用。

PROG：片內(nèi)程序存儲(chǔ)器的編程脈沖輸入端，低電平有效。 STC單片機(jī)無(wú)此功能，它不用并行口而是用串行口編程?！?0μs～0.1μs2.2.1MCS-51單片機(jī)引腳信號(hào)及功能

3、PSEN（29引腳）

片外程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)輸出端，每個(gè)機(jī)器周期輸出兩個(gè)負(fù)脈沖，低電平有效。在訪問(wèn)片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，該信號(hào)不出現(xiàn)。

4、EA/Vpp（31引腳）

EA：程序存儲(chǔ)器選擇輸入端。接低電平時(shí)，使用片外程序存儲(chǔ)器；接高電平時(shí)，使用片內(nèi)程序存儲(chǔ)器。

Vpp：片內(nèi)程序存儲(chǔ)器編程電壓輸入端（對(duì)EPROM）。對(duì)現(xiàn)在的Flash無(wú)用。2.2.1MCS-51單片機(jī)引腳信號(hào)及功能

四、輸入/輸出引腳

1、P0口，P0.0～P0.7（32～39引腳） 可以作總線口和一般I/O口使用，與操作指令有關(guān)。

（1）P0口作總線口

為8位推拉式輸出的I/O口，分時(shí)地輸出低8位地址、讀入指令和輸入/輸出數(shù)據(jù)。

（2）P0口作為一般I/O口

是一8位漏極開(kāi)路的I/O口，此時(shí)P0口為準(zhǔn)雙向口（各位輸入前必須先輸出1）。

2.2.1MCS-51單片機(jī)引腳信號(hào)及功能

準(zhǔn)雙向口特點(diǎn)

輸入時(shí)必須向?qū)?yīng)位先寫(xiě)1：因?yàn)橛锌赡芮懊娴牟僮魇挂_輸出0，場(chǎng)效應(yīng)管T處于導(dǎo)通狀態(tài)，引腳被箝位為0，這樣，不管外部信號(hào)為何狀態(tài)，從引腳輸入的永遠(yuǎn)為0，不能夠正確輸入。

單片機(jī)端口輸入前必須先向端口輸出1這種特性，稱為準(zhǔn)雙向口。

MCS-51單片機(jī)的P0～P3口作為通用I/O口使用時(shí)，都是準(zhǔn)雙向口。2.2.1MCS-51單片機(jī)引腳信號(hào)及功能

2、P1口，P1.0～P1.7（1～8引腳）

P1口是一個(gè)8位準(zhǔn)雙向I/O口

P1.0、P1.1的第二功能

對(duì)于增強(qiáng)型單片機(jī)具有第二功能，第二功能的信號(hào)分別為T(mén)2和T2EX。

T2（P1.0）：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的計(jì)數(shù)脈沖輸入和時(shí)鐘輸出。

T2EX（P1.1）：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的重裝、捕獲和計(jì)數(shù)方向控制輸入。

2.2.1MCS-51單片機(jī)引腳信號(hào)及功能

3、P2口，P2.0～P2.7（21～28引腳）兩種用法:

（1）當(dāng)CPU以總線方式訪問(wèn)片外存儲(chǔ)器時(shí)，P2口輸出高8位地址。 （2）作為一般I/O口用時(shí)，為準(zhǔn)雙向口。

4、P3口，P3.0～P3.7（10～17引腳）

P3口是一個(gè)8位I/O口，還是一個(gè)多功能口 作為一般I/O口使用時(shí)，為準(zhǔn)雙向口。 各引腳第二、第三功能如下頁(yè)表2-2所示。

2.2.1MCS-51單片機(jī)引腳信號(hào)及功能

表2-2P3口各引腳多功能定義引腳第二、第三功能P3.0RXD：串行口輸入P3.1TXD：串行口輸出P3.2INT0/GATE0

：外部中斷0請(qǐng)求輸入/定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0運(yùn)行外部控制輸入P3.3INT1/GATE1

：外部中斷1請(qǐng)求輸入/定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1運(yùn)行外部控制輸入P3.4T0：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0外部計(jì)數(shù)脈沖輸入P3.5T1：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1外部計(jì)數(shù)脈沖輸入P3.6WR：外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)控制信號(hào)輸出P3.7RD：外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀控制信號(hào)輸出2.2.2MCS-51單片機(jī)外部總線結(jié)構(gòu)

總線的概念：多個(gè)部件信息的電氣連接。 總線種類很多，如USB總線、CAN總線、IIC總線、SPI總線、串行總線、并行總線等。 這里指的是并行三總線，即數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線。

MCS-51單片機(jī)的總線：內(nèi)部具有產(chǎn)生總線的結(jié)構(gòu)。如圖2-6所示。

單片機(jī)總線的應(yīng)用： 擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器（現(xiàn)在一般不擴(kuò)展） 擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 連接外部設(shè)備（控制設(shè)備和數(shù)據(jù)傳送）2.2.2MCS-51單片機(jī)的外部總線結(jié)構(gòu)圖2-6MCS-51單片機(jī)總線結(jié)構(gòu)ALED0:::D7A0::::::A7A8::::::A15數(shù)據(jù)總線(DB)I/O口控制總線（CB）地址總線（AB）89C51、89C52P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6/WRP3.7/RDALEPSENEARST地址鎖存器74LS573P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P2.0P2.1P2.2P2.3P2.4P2.5P2.6P2.72.3MCS-51單片機(jī)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)主要內(nèi)容2.3.1程序存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)2.3.2片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)2.3.3片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

MCS-51單片機(jī)存儲(chǔ)器概述

1、單片機(jī)的哈佛結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器

MCS-51單片機(jī)為哈佛結(jié)構(gòu)：程序存儲(chǔ)器ROM和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM分開(kāi)編址

PC機(jī)為馮.諾依曼結(jié)構(gòu)：ROM和RAM統(tǒng)一編址

程序存儲(chǔ)器：固化程序、常數(shù)和數(shù)據(jù)表

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：存放程序運(yùn)行中產(chǎn)生的各種數(shù) 據(jù)、用作堆棧等

2、單片機(jī)的存儲(chǔ)器空間及分類

MCS-51單片機(jī)有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。

4個(gè)存儲(chǔ)空間可以分成三類：

片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間（256B的RAM和128B的特殊功能寄存器） 片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間（64KB） 片內(nèi)和片外統(tǒng)一編址的程序存儲(chǔ)空間（64KB）

不同類型的存儲(chǔ)空間，有各自的尋址方式和訪問(wèn)指令。

2.3.1程序存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

一、程序存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

51基本型片內(nèi)有4KB的FlashROM，地址為0000H～0FFFH，片外最多可以擴(kuò)展60KB，地址為1000H～FFFFH。

增強(qiáng)型片內(nèi)有8KB的FlashROM，地址為0000H～1FFFH，片外最多可以擴(kuò)展56KB，地址為2000H～FFFFH，片內(nèi)外是統(tǒng)一編址的。 程序存儲(chǔ)器空間的配置如圖2-7所示2.3.1程序存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)圖2-7MCS-51單片機(jī)程序存儲(chǔ)空間的配置片外ROM片內(nèi)ROMEA=1片外ROMEA=00000H0FFFH1000HFFFFH（a）片內(nèi)有4KB的ROM（b）片內(nèi)有8KB的ROM片外ROM片內(nèi)ROMEA=1片外ROMEA=00000H1FFFH2000HFFFFH2.3.1程序存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

EA的作用 單片機(jī)在執(zhí)行指令時(shí)，對(duì)于低地址部分，究竟是從片內(nèi)程序存儲(chǔ)器取指令，還是從片外程序存儲(chǔ)器取指令？

決定于程序存儲(chǔ)器選擇引腳EA的電平：

EA接低電平，讀片外程序存儲(chǔ)器

EA接高電平，CPU從片內(nèi)程序存儲(chǔ)器取指令。

當(dāng)取指令的地址大于片內(nèi)存儲(chǔ)器的最大地址時(shí)，CPU自動(dòng)轉(zhuǎn)到片外程序存儲(chǔ)器取指令。

2.3.1程序存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)二、程序存儲(chǔ)器的專用區(qū)域 用作復(fù)位和中斷入口。 中斷向量：即中斷入口地址。如下表 注意區(qū)分：中斷入口地址、中斷服務(wù)程序入口地址、中斷服務(wù)程序。表2-3ROM中專用存儲(chǔ)區(qū)域存儲(chǔ)單元應(yīng)用0000H～0002H復(fù)位后引導(dǎo)程序地址0003H～000AH外中斷0000BH～0012H定時(shí)器0中斷0013H～001AH外中斷1001BH～0022H定時(shí)器1中斷0023H～002AH串行口中斷002BH～0032H定時(shí)器2中斷（增強(qiáng)型）2.3.1程序存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

C語(yǔ)言編程所考慮的問(wèn)題 如果用C語(yǔ)言編寫(xiě)程序，不需要考慮以上這些問(wèn)題，即不用考慮引導(dǎo)程序問(wèn)題，中斷入口與跳轉(zhuǎn)問(wèn)題，這些問(wèn)題均由編譯系統(tǒng)安排好。

main()函數(shù)起到引導(dǎo)程序的作用。

對(duì)于中斷處理，只要按照格式編寫(xiě)中斷處理函數(shù)即可（見(jiàn)第6章）。

2.3.2片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器按照尋址方式，可以分為三個(gè)部分：低128字節(jié)數(shù)據(jù)區(qū)，高128字節(jié)數(shù)據(jù)區(qū)，特殊功能寄存器區(qū)。如下圖所示。

低128BRAM

data區(qū)特殊功能寄存器80HFFH00H7FH（a）89C51片內(nèi)RAM低128BRAM

data區(qū)高128BRAMidata區(qū)特殊功能寄存器00H7FH80HFFH80HFFH（b）增強(qiáng)型單片機(jī)片內(nèi)RAM2.3.2片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

一、低128字節(jié)RAM

地址范圍：00H～7FH，128字節(jié)

應(yīng)用特點(diǎn)：有多種用途、且使用最頻繁

功能作用：分為三個(gè)區(qū)域，即工作寄存器區(qū)、位尋找區(qū)、通用數(shù)據(jù)區(qū)。

尋址方式：直接、間接、位尋址 低128字節(jié)RAM的配置如圖2-9所示。

7F30堆棧和數(shù)據(jù)緩存通用數(shù)據(jù)區(qū)2F20位地址為00H～7FH（128位）位尋址區(qū)1F18R0、R1…R7（第3組）工1710R0、R1…R7（第2組）作寄0F08R0、R1…R7（第1組）存器0700R0、R1…R7（第0組）區(qū)圖2-9低128字節(jié)RAM區(qū)如何選擇某一組?2.3.2片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

1、工作寄存器區(qū)

范圍：地址從00H到1FH，共32字節(jié)。

分4個(gè)組：第0組、第1組、第2組、第3組

工作寄存器名：R0、R1……R7。 不同的組對(duì)應(yīng)的8個(gè)寄存器的地址不同，如表2-1所示。

工作寄存器組的選擇：決定于程序狀態(tài)字PSW的RS1和RS0位。見(jiàn)表2-1。

C語(yǔ)言下選寄存器組：在定義函數(shù)時(shí)，通過(guò)使用關(guān)鍵字“using”來(lái)選擇(如usingm)。

2.3.2片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

2、位尋址區(qū)

范圍：字節(jié)地址從20H到2FH，16字節(jié)。

位地址：00H到7FH，128位。

用途：既可以做位操作，也可以字節(jié)操作。

C語(yǔ)言編程：

定義的“bit”型位變量，則存放在該區(qū)域；

用關(guān)鍵字“bdata”將一般變量定義在該區(qū)域，并且定義的變量還可以進(jìn)行位尋址。

2.3.2片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

3、通用數(shù)據(jù)區(qū)

范圍：地址從30H到7FH，共80字節(jié)。

用途：用于堆棧、存放數(shù)據(jù)、存放程序運(yùn)行的中間結(jié)果等。 用C語(yǔ)言定義的變量，一般存放在該區(qū)域。

4、尋址方式

直接、間接、位尋址方式訪問(wèn)

直接、間接范圍：字節(jié)地址從00H到7FH

位尋址范圍：字節(jié)地址從20H到2FH，16字節(jié)；位地址00H到7FH，128位2.3.2片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

二、高128字節(jié)RAM

地址范圍：80H～FFH，128字節(jié)

用途： 與低128字節(jié)中的30H到7FH完全一樣，用于堆棧、存放程序運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)和中間結(jié)果等。

尋址方式：間接訪問(wèn)。

C語(yǔ)言編程：

使用關(guān)鍵字“idata”將變量定義在該區(qū)域。2.3.2片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

三、特殊功能寄存器（SFR）

也稱為專用寄存器，是單片機(jī)中最重要的部分。

地址范圍：80H～FFH，128字節(jié)

功能作用： 控制單片機(jī)各個(gè)部件的運(yùn)行 反映各部件的運(yùn)行狀態(tài) 存放數(shù)據(jù)或地址

尋址方式：直接訪問(wèn)2.3.2片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu) 1、具體特殊功能寄存器

SFR的數(shù)量：基本型只有21個(gè)，增強(qiáng)型有27個(gè)；分別有11個(gè)、12個(gè)可以按位操作。分為6組。

（1）與CPU相關(guān)的（7個(gè)）

PWS*：程序狀態(tài)寄存器

A*：累加器

B*：輔助運(yùn)算寄存器

SP：堆棧指針

PCON：電源控制寄存器

DPL、DPH：數(shù)據(jù)指針的低字節(jié)、高字節(jié) 合稱DPTR，16位寄存器2.3.2片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

（2）與定時(shí)器0、1相關(guān)的（6個(gè)）

TMOD：模式寄存器

TCON*：控制寄存器

TL0、TH0：T0低8位、高8位計(jì)數(shù)器

TL1、TH1：T1低8位、高8位計(jì)數(shù)器

（3）與定時(shí)器2相關(guān)的（6個(gè)，僅增強(qiáng)型有）

T2MOD：T2模式寄存器

T2CON*：T2控制寄存器

TL2、TH2：T2低8位、高8位計(jì)數(shù)器

RCAP2L、RCAP2H：T2捕獲寄存器2.3.2片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

（4）與中斷相關(guān)的（2個(gè)）

IE*：中斷允許（控制）寄存器

IP*：中斷優(yōu)先級(jí)寄存器

（5）與串行口相關(guān)的（2個(gè)）

SCON*：串行口控制寄存器

SBUF：串行口數(shù)據(jù)緩沖寄存器，2個(gè)

（6）與I/O口相關(guān)的（4個(gè)）

P0*、P1*、P2*、P3* 4個(gè)并行口映射寄存器2.3.2片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

2、一些最重要的寄存器 在表2-4中有格式的特殊功能寄存器最重要，它們是（9個(gè)）：

PSW*、IE*、IP*、TCON*、TMOD SCON*、PCON、T2CON*、T2MOD

應(yīng)用單片機(jī)，主要就是掌握這9個(gè)有格式的特殊功能寄存器，對(duì)基本型僅有7個(gè)。

2.3.2片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

3、特殊功能寄存器在C語(yǔ)言中的表示 這些特殊功能寄存器及各位位名在匯編語(yǔ)言中能夠識(shí)別，但在C語(yǔ)言中并不識(shí)別。

為了在C語(yǔ)言中使用，必須先做定義，它們多數(shù)在“reg51.h”、“reg52.h”等頭文件做了定義。 但有一些未做定義，如4個(gè)并行口P0～P3各位，累加器A、寄存器B各位，在使用時(shí)需要用戶定義。

2.3.3片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

地址范圍：0000H～FFFFH

容量：共64KB

訪問(wèn)指令：“MOVX”（片內(nèi)用MOV） 使用“MOVX”指令對(duì)片外RAM進(jìn)行讀/寫(xiě)操作時(shí)，會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生讀/寫(xiě)控制信號(hào)RD和WR，作用于片外RAM實(shí)現(xiàn)讀/寫(xiě)操作。2.3.3片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

片外RAM的用途：

（1）沒(méi)有特別的用途，不像片內(nèi)RAM，不劃分區(qū)域。

（2）片外RAM做通用RAM使用，主要存放大量采集的或接收的數(shù)據(jù)、運(yùn)算的中間數(shù)據(jù)、最后結(jié)果、用作堆棧等。

C語(yǔ)言編程：使用關(guān)鍵字“xdata”或“pdata”將變量、數(shù)組、堆棧定義到片外RAM區(qū)。2.3.3片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

例2-1

為了演示這種操作以及顯示單片機(jī)的控制能力，用P2口的8個(gè)引腳接8個(gè)發(fā)光二極管，發(fā)光二極管的陰極接P2口，陽(yáng)極接1k的限流電阻，電阻另外一端接5V電源（參考圖4-33），然后編寫(xiě)程序，引腳輸出0點(diǎn)亮發(fā)光二極管，輸出1發(fā)光二極管熄滅。 1k的限流 電阻可能LED

不夠亮，可以 減小電阻。2.3.3片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)voidmain(void) //主函數(shù){ P2=0x00;

//P2口輸出0，點(diǎn)亮8個(gè)LED delayms(2000);

//延時(shí)2s P2=0xff;

//P2口各引腳全輸出1，LED全熄滅 delayms(2000);

//延時(shí)2s P2=0xf0;

//P2口低4位輸出0，點(diǎn)亮低4位的LED delayms(2000); //延時(shí)2s P2=0xff; //P2口全輸出1，低4位的LED熄滅 delayms(2000); //延時(shí)2s P2=0x0f; //P2口高4位輸出0，點(diǎn)亮高4位的LED delayms(2000); //延時(shí)2s P2=0xff; //P2口全輸出1，高4位的LED熄滅 while(1);

//程序在此死循環(huán)，CPU停留于此處}2.3.3片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

2.3.3片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)MCS-51單片機(jī)的存儲(chǔ)器小結(jié)

4個(gè)存儲(chǔ)空間：MCS-51單片機(jī)的存儲(chǔ)器系統(tǒng)，有4個(gè)存儲(chǔ)空間，按照不同的尋址方式，分成三種類型（片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間、片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間和程序存儲(chǔ)空間）、7個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域。

7個(gè)存儲(chǔ)區(qū)為： 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器包括①直接訪問(wèn)的data區(qū)、②間接訪問(wèn)的idata區(qū)、③可按位尋址的bdata區(qū)，④可直接尋址的特殊功能寄存器區(qū)； 片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器包括⑤按頁(yè)間接尋址的pdata區(qū)，⑥間接訪問(wèn)的xdata區(qū)；

⑦片內(nèi)和片外程序存儲(chǔ)器稱為code區(qū)。2.4MCS-51單片機(jī)的時(shí)鐘及CPU時(shí)序主要內(nèi)容2.4.1時(shí)鐘電路及時(shí)鐘信號(hào)2.4.2CPU時(shí)序

MCS-51單片機(jī)內(nèi)有一個(gè)節(jié)拍發(fā)生器，即片內(nèi)振蕩器和分頻器，能夠產(chǎn)生單片機(jī)工作的各種時(shí)鐘信號(hào)。2.4.1時(shí)鐘電路及時(shí)鐘信號(hào)

一、時(shí)鐘電路

MCS-51單片機(jī)內(nèi)部有產(chǎn)生振蕩信號(hào)的放大電路，可以兩種方式產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，一種是內(nèi)部方式，另一種是外部方式。

1、內(nèi)部方式 就是利用單片機(jī)內(nèi)部的高增益反向放大器，外接晶振等器件構(gòu)成的振蕩電路。晶振XTAL2XTAL1單片機(jī)C1C2181930p30p2.4.1時(shí)鐘電路及時(shí)鐘信號(hào)

2、外部方式 就是把外部的時(shí)鐘信號(hào)接到XTAL1或XTAL2引腳上，給單片機(jī)提供基本的時(shí)鐘信號(hào)。主要用于多個(gè)電路時(shí)鐘同步。XTAL1XTAL2CHMOS工藝1918外部時(shí)鐘信號(hào)VccXTAL2XTAL1HMOS工藝1819外部時(shí)鐘信號(hào)Vcc2.4.1時(shí)鐘電路及時(shí)鐘信號(hào)

二、時(shí)鐘信號(hào) 在單片機(jī)中，泛義的時(shí)鐘信號(hào)包括：振蕩信號(hào)、振蕩信號(hào)的2分頻信號(hào)、機(jī)器周期信號(hào)等。

1、時(shí)鐘信號(hào)與狀態(tài)周期

時(shí)鐘信號(hào)：振蕩頻率的2分頻，是基本時(shí)序信號(hào)。也叫狀態(tài)信號(hào)

狀態(tài)周期S：時(shí)鐘信號(hào)的周期

時(shí)鐘信號(hào)的前、后半個(gè)周期稱為相位1(記為P1)和相位2(P2)，也稱為節(jié)拍1、節(jié)拍2。時(shí)鐘信號(hào)S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2振蕩信號(hào)2.4.1時(shí)鐘電路及時(shí)鐘信號(hào)

2、機(jī)器周期

機(jī)器周期：指CPU訪問(wèn)一次存儲(chǔ)器所需要的時(shí)間。機(jī)器周期是量度時(shí)間的基本單位

機(jī)器周期與時(shí)鐘周期的關(guān)系：

1個(gè)機(jī)器周期包含6個(gè)時(shí)鐘周期或狀態(tài)周期

機(jī)器周期與振蕩周期的關(guān)系：

1個(gè)機(jī)器周期包含12個(gè)振蕩周期，即

機(jī)器周期=12／fosc

例如，單片機(jī)的振蕩頻率fosc為12MHz，則

機(jī)器周期=12／fosc=10-6s=1μs

若振蕩頻率為6MHz，則機(jī)器周期為2μs。2.4.1時(shí)鐘電路及時(shí)鐘信號(hào)

1T8051單片機(jī)

即，機(jī)器周期只需1個(gè)振蕩周期。傳統(tǒng)的MCS-51單片機(jī)為12T。

如宏晶科技的產(chǎn)品，除了STC89、STC90系列為12T、6T外，其它均為1T單片機(jī)。

3、指令周期

指令周期：指CPU執(zhí)行一條指令所需要的時(shí)間。用機(jī)器周期量度。 不同的指令有不同的指令周期，有單機(jī)器周期、雙機(jī)器周期、4機(jī)器周期三種。2.4.2CPU時(shí)序

CPU時(shí)序即CPU操作時(shí)序，包括取指令和執(zhí)行指令兩個(gè)階段。

指令周期分為：?jiǎn)螜C(jī)器周期、雙機(jī)器周期、4機(jī)器周期三種。

指令字節(jié)數(shù)：?jiǎn)巫止?jié)、雙字節(jié)、三字節(jié) 一些典型指令的操作時(shí)序如圖2-11所示。2.4.2CPU時(shí)序圖2-11MCS-51單片機(jī)的CPU時(shí)序(1)S1S2S3S4S5S6S1S2S3S4S5S6讀操作碼讀下一操作碼(丟棄)讀操作碼讀第2字節(jié)時(shí)鐘信號(hào)ALE(a)單字節(jié)、單周期指令如：MOVA,Rn(b)雙字節(jié)、單周期指令，如：ADDA,#dataS1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2振蕩信號(hào)2.4.2CPU時(shí)序時(shí)鐘信號(hào)S1S2S3S4S5S6S1S2S3S4S5S6讀操作碼讀第2字節(jié)讀操作碼讀下一操作碼(丟棄)ALE(c)三字節(jié)、雙周期指令如：DJNZdirect,rel(d)單字節(jié)、雙周期指令如：MOVXS1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2讀第3字節(jié)MOVXA,@xx； MOVX@xx,A2.4.2CPU時(shí)序

例2-2

在單片機(jī)應(yīng)用程序中，經(jīng)常會(huì)用到延時(shí)，在要求不高的情況下，可以用C語(yǔ)言的循環(huán)語(yǔ)句產(chǎn)生延時(shí)。編寫(xiě)延時(shí)x毫秒（ms）的函數(shù)，x取值為1～1000，要求誤差小于1%。設(shè)單片機(jī)的晶振頻率為12MHz。

需要內(nèi)外雙層循環(huán)才能實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)的延時(shí)，完整的C語(yǔ)言程序如下。

2.4.2CPU時(shí)序延時(shí)函數(shù)及測(cè)試程序voiddelayms(unsignedintx) //延時(shí)xms，晶振12MHz{ unsignedchari; while(x--) for(i=0;i<123;i++);}voidmain() //延時(shí)測(cè)試主函數(shù){ delayms(1); //誤差+16μs delayms(10); //誤差+16μs delayms(100); //誤差+16μs delayms(500); //誤差+17μs delayms(1000); //誤差+19μs delayms(10000); //誤差+54μs while(1);}

2.5MCS-51單片機(jī)的復(fù)位主要內(nèi)容2.5.1復(fù)位狀態(tài)2.5.2復(fù)位電路2.5.1復(fù)位狀態(tài)

1、引腳信號(hào)狀態(tài)

ALE、PSEN均為高電平

2、寄存器狀態(tài)

P0~P3：FFH SP：

07H SBUF: 不確定 其余： 00H（“×”位按0計(jì)）

具體如表2-6所示

表2-6各特殊功能寄存器的復(fù)位值SFR寄存器復(fù)位值SFR寄存器復(fù)位值PC0000HTCON00HACC00HT2CON

√00HB00HTL000HPSW00HTH000HSP07HTL100HDPTR0000HTH100HP0～P3FFHTL2√00HIP○×××00000BTH2√00HIP√××000000BRCAP2L√00HIE○0××00000BRCAP2H√00HIE√0×000000BSCON00HTMOD00HSBUF不確定T2MOD√××××××00BPCON0×××0000B2.5.2復(fù)位電路

一、復(fù)位電路 主要有兩種方式：上電自動(dòng)復(fù)位、手動(dòng)復(fù)位。

1、上電自動(dòng)復(fù)位 單片機(jī)在正常工作時(shí)，高電平持續(xù)2個(gè)時(shí)鐘即復(fù)位。上電時(shí)高電平要維持10ms以上。單片機(jī)C22μR1kRSTVcc上電復(fù)位電路2.5.2復(fù)位電路

2、手動(dòng)復(fù)位 下面電路具有上電自動(dòng)復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位功能。 上電時(shí)RST引腳高電 平持續(xù)的時(shí)間，決定于復(fù)位電路的時(shí)間常數(shù)R2C之積，大約是0.6R2C左右。

按鍵復(fù)位電路C22μR21kRST單片機(jī)VccR1200

t=-R2C*ln(UR/Vcc)=R2C*ln(Vcc/UR) UR：2.1v 2.4v 2.75v 2.86v

3.0v 3.4vln(Vcc/UR)：0.86 0.73 0.60 0.55 0.51 0.392.6MCS-51單片機(jī)的

低功耗工作方式主要內(nèi)容2.6.1低功耗結(jié)構(gòu)及控制2.6.2空閑工作方式2.6.3掉電工作方式單片機(jī)的功耗

MCS-51單片機(jī)通常有兩種半導(dǎo)體工藝：一是HMOS工藝（高密度短溝道工藝），高速；二是CHMOS工藝（互補(bǔ)金屬氧化物的MOS