1、第2章 MCS-51單片機(jī)結(jié)構(gòu)和原理,2.1MCS-51系列單片機(jī)特性 2.2從外部引腳初看51單片機(jī) 2.3從引腳使用二看單片機(jī) 2.4從內(nèi)部結(jié)構(gòu)三看51單片機(jī) 2.5并行輸入/輸出端口,2.1 MCS-51系列單片機(jī)特性,MCS-51系列單片機(jī)雖已有10多種產(chǎn)品，但可分為兩大系列：MCS-51子系列與MCS-52子系列。MCS-51子系列中主要有8031、8051、8751 三種類型。而MCS-52子系列也有3種類型8032、8052、8752。各子系列配置見下表所示。,MCS-51系列單片機(jī)特性,MCS51系列單片機(jī)芯片均為40個(gè)引腳, HMOS工藝制造的芯片采用雙列直插（DIP）方式封

2、裝, 其引腳示意及功能分類如圖23所示。 CMOS工藝制造的低功耗芯片也有采用方型封裝(PLCC)的, 但為44個(gè)引腳, 其中4個(gè)引腳是不使用的,2.2 從外部引腳一看51單片機(jī),VCC（40腳）: 接+5 V電源正端; VSS（20腳）: 接+5 V電源地端,1. 主電源引腳Vcc和Vss,XTAL1：接外部晶振和微調(diào)電容的一端，在片內(nèi)它是振蕩器倒相放大器的輸入，若使用外部TTL時(shí)鐘時(shí)，該引腳必須接地。 XTAL2：接外部晶振和微調(diào)電容的另一端，在片內(nèi)它是振蕩器倒相放大器的輸出，若使用外部TTL時(shí)鐘時(shí)，該引腳為外部時(shí)鐘的輸入端。,2. 外接晶體引腳XTAL1和XTAL2,：地址鎖存允許信號(hào),

3、當(dāng)8051上電正常工作后，ALE引腳不斷向外輸出脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6，當(dāng)CPU訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)（振蕩頻率的1/12），ALE輸出信號(hào)作為鎖存低8位地址的控制信號(hào)，不訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)，ALE端以振蕩頻率的1/6固定輸出脈沖，因此ALE信號(hào)可用作對(duì)外輸出時(shí)鐘或定時(shí)信號(hào)。所以利用ALE引腳可以很方便的判斷單片機(jī)是否正常工作。當(dāng)單片機(jī)上電復(fù)位后，用示波器測(cè)ALE引腳，若有脈沖輸出，則說明單片機(jī)最小系統(tǒng)外圍電路連接正確，單片機(jī)正常工作。,該引腳的第二功能,在對(duì)片內(nèi)帶有4K容量EPROM的8751編程時(shí)作為編程脈沖輸入端。但是目前市面上很難買到8751芯片，通常都是89C51或89S51，

4、所以該引腳的第二功能可以不必了解,RST（9腳）：復(fù)位引腳對(duì)于微機(jī)系統(tǒng)都是必不可少的，該引腳可以保證程序跑飛后重新開始執(zhí)行程序。對(duì)51單片機(jī)復(fù)位而言，高電平有效，只要在該引腳上輸入兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平，就可完成復(fù)位操作。,（29腳）：訪問外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)， 低電平有效。,引腳為高電平時(shí)，CPU訪問內(nèi)部ROM，但當(dāng)PC指針超過0FFFH時(shí)（4K），自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部ROM，引腳為低電平，則訪問外部ROM。,：訪問內(nèi)部或外部ROM選擇信號(hào),四個(gè)8位雙向I/O端口（P0、P1、P2、P3）; 每一條I/O線都能獨(dú)立地作輸入或輸出。 P0口（3239）低8位地址/數(shù)據(jù)線復(fù)用或I/O口。 P1口

5、（18） 常用的I/O口。 P2口（2128）常用I/O口或高8位地址線。 P3口（1017）常用I/O口,每個(gè)引腳還具有第二功能,I/O口引腳（32個(gè)引腳）,P3口第二功能,2.3 從引腳使用二看單片機(jī),單片機(jī)最小系統(tǒng)的必備條件 1、電源 2、EA引腳 3、晶體振蕩電路 4、復(fù)位電路,2.3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn),單片機(jī)的定時(shí)控制功能是由片內(nèi)的時(shí)鐘電路和定時(shí)電路來完成的, 而片內(nèi)的時(shí)鐘產(chǎn)生有兩種方式: 一種是內(nèi)部時(shí)鐘方式; 一種是外部時(shí)鐘方式,片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘信號(hào)的產(chǎn)生,采用內(nèi)部時(shí)鐘方式時(shí), 片內(nèi)的高增益反相放大器通過XTAL1、 XTAL2外接作為反饋元件的片外晶體振蕩器（呈感性）與電

6、容組成的并聯(lián)諧振回路構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器, 向內(nèi)部時(shí)鐘電路提供振蕩時(shí)鐘。 振蕩器的頻率主要取決于晶體的振蕩頻率, 一般晶體可在1.212 MHz之間任選, 電容C1、 C2可在530 pF之間選擇, 電容的大小對(duì)振蕩頻率有微小的影響, 可起頻率微調(diào)作用。,復(fù)位電路,通過某種方式, 使單片機(jī)內(nèi)各寄存器的值變?yōu)槌跏紶顟B(tài)的操作稱為復(fù)位。 復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，其主要功能是把PC指針初始化為0000H，使單片機(jī)從0000H單元開始執(zhí)行程序。 如何進(jìn)行復(fù)位呢？只要在單片機(jī)的RST引腳上給出2個(gè)機(jī)器周期的高電平就可以完成復(fù)位操作（一般復(fù)位正脈沖寬度大于10 ms）。復(fù)位分為上電復(fù)位和外部復(fù)位兩種方式。,

7、（a） 上電復(fù)位電路; （b） 上電/外部復(fù)位電路,單片機(jī)最小系統(tǒng),計(jì)算機(jī)在執(zhí)行指令時(shí), 通常將一條指令分解為若干基本的微操作, 這些微操作所對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)在時(shí)間上的先后次序稱為計(jì)算機(jī)的時(shí)序。 振蕩周期：振蕩周期指為單片機(jī)提供定時(shí)信號(hào)的振蕩源的周期或外部輸入時(shí)鐘的周期。 時(shí)鐘周期（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。它分為P1節(jié)拍和P2節(jié)拍，通常在P1節(jié)拍完成算術(shù)邏輯操作，在P2節(jié)拍完成內(nèi)部寄存器之間的傳送操作。,2.3.2 時(shí)鐘信號(hào),機(jī)器周期：一個(gè)機(jī)器周期是指CPU訪問存儲(chǔ)器一次所需要的時(shí)間。MCS51的一個(gè)機(jī)器周期包括12個(gè)振蕩周期，分成6個(gè)狀態(tài)：S1S6，每個(gè)狀態(tài)又分為兩

8、拍，稱為P1和P2,因此一個(gè)機(jī)器周期中的12個(gè)振蕩周期表示為S1P1、S1P2S6P1、S6P2 指令周期：指令周期即執(zhí)行一條指令所占用的全部時(shí)間，通常為14個(gè)機(jī)器周期 例如: 外接晶振為12 MHz時(shí), MCS51單片機(jī)的4個(gè)時(shí)間周期的具體值為: 振蕩周期=1/12 s; 狀態(tài)周期=1/6 s; 機(jī)器周期=1 s; 指令周期=14 s,2.3.3 復(fù)位狀態(tài),MCS51單片機(jī)復(fù)位后, 程序計(jì)數(shù)器PC和特殊功能寄存器復(fù)位的狀態(tài)如下表。 復(fù)位不影響片內(nèi)RAM存放的內(nèi)容, 而ALE、 在復(fù)位期間將輸出高電平,PC=0000H 表示復(fù)位后程序的入口地址為0000H; PSW=00H, 其中RS1(PS

9、W.4)=0, RS0(PSW.3)=0, 表示復(fù)位后單片機(jī)選擇工作寄存器0組; SP=07H 表示復(fù)位后堆棧在片內(nèi)RAM的08H單元處建立; P0口P3口端口電平為全1狀態(tài); 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、 串行口、 中斷系統(tǒng)等特殊功能寄存器復(fù)位后的狀態(tài)對(duì)各功能部件工作狀態(tài)的影響, 將在后續(xù)有關(guān)章節(jié)介紹,2.4 從內(nèi)部結(jié)構(gòu)三看51單片機(jī),8051內(nèi)部集成了一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)的各個(gè)部分。其中主要有CPU、存儲(chǔ)器（4KB ROM、128B RAM）、四個(gè)8位可編程I/O、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串行口等。很多工作寄存器及特殊功能寄存器（SFR），各部分通過內(nèi)部總線相連。,2.4.1 中央處理器CPU,中央處理器是單片機(jī)內(nèi)部

10、的核心部件, 它決定了單片機(jī)的主要功能特性。 它由運(yùn)算部件和控制部件兩大部分組成,8051CPU結(jié)構(gòu),運(yùn)算部件以一個(gè)可進(jìn)行8位算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的單元ALU為核心, 加上8位累加器A、 寄存器B、 暫存器TMP1和TMP2、 程序狀態(tài)寄存器PSW（FLAG）及專門用于位操作的布爾處理機(jī)組成的，它能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的算術(shù)邏輯運(yùn)算, 位變量處理和數(shù)據(jù)傳送操作。,1 運(yùn)算部件,ALU：可對(duì)4位、8位和16位數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。不僅能完成加（帶進(jìn)位加）、 減（帶借位減）、 乘、 除、 加1、 減1及BCD加法的十進(jìn)制調(diào)整等算術(shù)運(yùn)算,還能進(jìn)行邏輯“與”、 “或”、 “異或”、 求補(bǔ)、 清零等邏輯運(yùn)算, 并具有數(shù)據(jù)傳送

11、, 程序轉(zhuǎn)移等功能,算術(shù)邏輯單元ALU,ACC簡(jiǎn)稱累加器A, 為一個(gè)8位寄存器, 它是CPU中使用最頻繁的寄存器。 進(jìn)入ALU作算術(shù)和邏輯運(yùn)算的操作數(shù)多來自于A, 運(yùn)算結(jié)果也常送回A保存。,累加器ACC,程序狀態(tài)字寄存器PSW（8位）是一個(gè)標(biāo)志寄存器, 它保存指令執(zhí)行結(jié)果的特征信息, 以供程序查詢和判別。,寄存器B,8位寄存器，寄存器B是為ALU進(jìn)行乘除法設(shè)置的，在進(jìn)行乘除運(yùn)算時(shí)，B寄存器用來存放一個(gè)操作數(shù)，也用來存放運(yùn)算后的一部分結(jié)果，若不作乘除運(yùn)算，則作為通用寄存器使用,程序狀態(tài)字,CY（PSW.7）進(jìn)位標(biāo)志位。 AC（PSW.6）輔助進(jìn)位（或稱半進(jìn)位）標(biāo)志。 F0（PSW.5）由用戶定義

12、的標(biāo)志位。 RS1（PSW.4）、 RS0（PSW.3）工作寄存器組選擇位。 OV（PSW.2）溢出標(biāo)志位。 由硬件置位或清零 PSW.1未定義位。 P（PSW.0）奇偶標(biāo)志位。,程序狀態(tài)字格式及含義,布爾處理（即位處理）是MCS51單片機(jī)ALU所具有的一種功能。 單片機(jī)指令系統(tǒng)中的布爾指令集（17條位操作指令）, 存儲(chǔ)器中的位地址空間, 以及借用程序狀態(tài)標(biāo)志寄存器PSW中的進(jìn)位標(biāo)志CY作為位操作“累加器”, 構(gòu)成了單片機(jī)內(nèi)的布爾處理機(jī)。,布爾處理機(jī),2 控制部件,控制部件是單片機(jī)的神經(jīng)中樞，它包括程序計(jì)數(shù)器PC、指令寄存器IR、指令譯碼器ID、振蕩和定時(shí)電路等部件。 程序計(jì)數(shù)器PC：由兩個(gè)8

13、位的計(jì)數(shù)器PCH和PCL組成，共16位，PC實(shí)際上是程序的字節(jié)地址計(jì)數(shù)器，PC中的內(nèi)容可對(duì)64KB的ROM（程序存儲(chǔ)器）直接尋址，也可對(duì)片外RAM尋址。 指令寄存器IR、指令譯碼器ID僅限于CPU對(duì)其操作，用戶沒有辦法編程改變這些寄存器的值。,2.4.2 51單片機(jī)存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)空間,MCS51單片機(jī)存儲(chǔ)器從物理結(jié)構(gòu)上可分為: 片內(nèi)、 片外程序存儲(chǔ)器（8031和8032沒有片內(nèi)程序存儲(chǔ)器）與片內(nèi)、 片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器4個(gè)部分; 從尋址空間分布可分為: 程序存儲(chǔ)器、 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器3大部分; 從功能上可分為: 程序存儲(chǔ)器、 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、 特殊功能寄存器、 位地址空間和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

14、5大部分,MCS51系列單片機(jī)存儲(chǔ)器包括片內(nèi)ROM（或EPROM）和RAM外, 另外還有128個(gè)字節(jié)的RAM區(qū)作為特殊功能寄存器（SFR）區(qū)。 片內(nèi)、 片外程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器各自總?cè)萘繛?4 KB。,2.4.3 程序存儲(chǔ)器,1、程序存儲(chǔ)器的編址 計(jì)算機(jī)的工作是按照事先編制好的程序一條條順序執(zhí)行的, 程序存儲(chǔ)器就是用來存放這些已編好的程序和表格常數(shù), 它由只讀存儲(chǔ)器ROM或EPROM組成。 2. 程序運(yùn)行的入口地址 實(shí)際應(yīng)用時(shí), 程序存儲(chǔ)器的容量由用戶根據(jù)需要擴(kuò)展， 而程序地址空間原則上也可由用戶任意安排。 但程序最初運(yùn)行的入口地址， MCS51單片機(jī)是固定的, 用戶不能更改。 程序存儲(chǔ)器中

15、有復(fù)位和中斷源共7個(gè)固定的入口地址見下表,MCS51單片機(jī)復(fù)位和 中斷入口地址,2.4.4 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,MCS51系列單片機(jī)的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器由讀寫存儲(chǔ)器RAM組成, 用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。 它由RAM塊和特殊功能寄存器（SFR）塊組成, 其結(jié)構(gòu)如圖所示。,內(nèi)部RAM塊的00H1FH區(qū), 共分4個(gè)組, 每組有8個(gè)工作寄存器R0R7, 共32個(gè)內(nèi)部RAM單元。由PSW中的2位RS1、RS0來決定選哪一組為當(dāng)前工作寄存器：,1 工作寄存器區(qū)（00H1FH）,工作寄存器共有4組，通過程序狀態(tài)字PSW中的PSW.3（RS0）和PSW.4（RS1）兩位來選擇哪1組寄存器工作。單片機(jī)上電復(fù)位后，RS1=RS0=

16、0，CPU自動(dòng)選擇第0組為當(dāng)前工作寄存器組。 根據(jù)需要，可利用傳送類指令對(duì)PSW字節(jié)操作或用位操作指令改變RS1和RS0的狀態(tài)，以切換當(dāng)前工作寄存器組，以實(shí)現(xiàn)快速現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)。,2 位尋址區(qū)（20H2FH）,20H2FH單元為位尋址區(qū), 這16個(gè)單元（共計(jì)128位）的每1位都有一個(gè)8位表示的位地址, 位地址范圍為00H7FH,3 數(shù)據(jù)緩沖區(qū) 30H7FH,30H7FH是數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，也即用戶RAM區(qū)，共80個(gè)單元。用戶變量的定義都是在該緩沖區(qū)內(nèi)。數(shù)據(jù)緩沖區(qū)主要為用戶進(jìn)行字節(jié)操作指令時(shí)提供字節(jié)變量定義。,在程序?qū)嶋H運(yùn)行中, 往往需要一個(gè)后進(jìn)先出的RAM區(qū), 在子程序調(diào)用、 中斷服務(wù)處理等場(chǎng)合用以保護(hù)C

17、PU的現(xiàn)場(chǎng), 這種后進(jìn)先出的緩沖區(qū)稱為堆棧。 MCS51單片機(jī)堆棧區(qū)不是固定的, 原則上可設(shè)在內(nèi)部RAM的任意區(qū)域內(nèi), 但為了避開工作寄存器區(qū)和位尋址區(qū), 一般設(shè)在60H以后的范圍內(nèi) 棧頂?shù)奈恢糜蓪ｉT設(shè)置的堆棧指針寄存器SP（8位）指出。,4 堆棧與堆棧指針,MCS51單片機(jī)在使用堆棧之前，先給SP賦值，以規(guī)定堆棧的起始地址，稱為棧底。當(dāng)數(shù)據(jù)壓入堆棧后，SP自動(dòng)加1，即RAM地址單元加1，以指出當(dāng)前堆棧位置，8051的這種堆棧結(jié)構(gòu)屬向上生長型, 如下圖,注：用戶編程只需要規(guī)定棧底地址后，不對(duì)堆棧操作，堆棧操作由編譯器完成。,2.4.5 特殊功能寄存器(SFR),特殊功能寄存器SFR, 又稱為專

18、用寄存器。 它專用于控制、 管理單片機(jī)內(nèi)算術(shù)邏輯部件、 并行I/O口鎖存器、 串行口數(shù)據(jù)緩沖器、 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、 中斷系統(tǒng)等功能模塊的工作, SFR的地址空間為80HFFH,先介紹部分特殊功能寄存器，其他在以后課程中介紹 1、累加器ACC（E0H） 2、寄存器B（F0H） 3、程序狀態(tài)寄存器PSW（D0H） 4、堆棧與堆棧指針 5、數(shù)據(jù)指針寄存器DPTR,注：PC也為雙字節(jié)寄存器，但是不在80H FFH范圍內(nèi),數(shù)據(jù)指針寄存器DPTR,16位寄存器，包括兩個(gè)8位寄存器DPL和DPH，地址分別為82H和83H。DPTR既可以作為一個(gè)16位寄存器來處理，也可以作為兩個(gè)獨(dú)立的8位寄存器來使用。 DPTR主要用于訪問外部RAM時(shí)作為地址指針，也可訪問ROM中的表格常數(shù)。,注：?jiǎn)纹瑱C(jī)中唯一的16位寄存器,注：PC也為16位寄存器，但存在控制部件中，不屬于特殊功能寄存器,2.5 并行輸入/輸出接口,1. P0口結(jié)構(gòu) P