1、8051單片機的結構和原理,MCS-51系列單片機概述,MCS-51是指由美國Intel公司生產(chǎn)的一系列單片機的總稱，這一系列單片機包括了許多型號，如8031，8051，8751，8032，8052，8752等。其中8051是最早生產(chǎn)、最典型的產(chǎn)品。MCS-51系列的其他單片機，都是在以8051為內(nèi)核的基礎上，進行了功能的增加以及外圍接口的改變。因此，人們習慣于用8051來稱呼MCS-51系列單片機。,8051是最早生產(chǎn)、最典型的產(chǎn)品。MCS-51系列的Intel公司將MCS-51的核心技術授權給了很多其他公司，所以有很多公司在生產(chǎn)以8051為核心的單片機。在我國使用的，具代表性的芯片是Phi

2、llips的80系列和Atmel的AT89系列單片機。,MCS-51系列單片機簡介,MCS-51系列單片機共有十多種芯片，分為兩大系列，即51子系列與52子系列，并以芯片型號的末位數(shù)字最為標志。它們的內(nèi)部結構基本相同，其中51子系列是基本型，52子系列是增強型。MCS-51系列單片機各種芯片的技術指標見表2-1（帶C的是使用CMOS技術的低功耗芯片）。,MCS-51系列單片機簡介,表2-1 MCS-51系列單片機芯片技術指標,2.1.1 MCS-51系列單片機簡介,2.1MCS-51單片機的內(nèi)部結構,一、組成,8051單片機結構框圖如圖所示,8051單片機結構框圖,8051 CPU,振蕩器和時

3、序 OSC,64KB 總線 擴展控制器,數(shù)據(jù)存儲器 256B RAM/SFR,216位 定時器/計數(shù)器,可編程I/O,程序存儲器 4KBROM,可編程全雙工 串行口,外中斷,內(nèi)中斷,控制,并行口,串行通信,外部時鐘源,外部事件計數(shù),由 運算器（ALU）、控制器（定時控制部件）和專用寄存器組三部分電路構成。,2.1.2 MCS-51單片機CPU結構,專用寄存器組,專用寄存器組主要用來指示當前要執(zhí)行指令的內(nèi)存地址、存放操作數(shù)和指示指令執(zhí)行后的狀態(tài)等。它是任何一臺計算機的CPU不可缺少的部件，寄存器的多寡因機器型號的不同而異。專用寄存器組主要包括程序計數(shù)器PC、累加器A、程序狀態(tài)寄存器PSW、堆棧指

4、示器SP、數(shù)據(jù)指針DPTR和通用寄存器B等。,程序計數(shù)器PC（16位）,由兩個8位計數(shù)器PCH、PCL組成。 PC是程序的字節(jié)地址計數(shù)器，PC內(nèi)容為將要執(zhí)行的指令地址。 改變PC內(nèi)容，改變執(zhí)行的流向。 PC可對64KB的ROM直接尋址，也可對8051片內(nèi)RAM尋址。,返回,其它寄存器,累加器A、程序狀態(tài)寄存器PSW、堆棧指示器SP、數(shù)據(jù)指針DPTR和通用寄存器B等在存儲器一節(jié)講解。,2.38051存儲器結構,2.3.18051存儲器分類 2.3.2程序存儲器地址空間 2.3.3數(shù)據(jù)存儲器地址空間,2.3.1 8051存儲器分類,一、物理結構 二、用戶角度,一、物理結構（哈佛結構）,8051存儲

5、器,程序存儲器ROM,數(shù)據(jù)存儲器RAM,片內(nèi)程序存儲器,片外程序存儲器,片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器,片外數(shù)據(jù)存儲器,二、用戶角度,圖2-4 8051存儲器配置,2.3.2 程序存儲器地址空間,一、用途： 二、編址： 三、尋址方式：,一、用途：,用于存放編好的程序和表格常數(shù)。,二、編址：,容量為4KB。地址為0000H0FFFH。 片外最多可擴至64KB ROM/EPROM，地址為1000HFFFFH。 片內(nèi)外統(tǒng)一編址。,三、尋址方式：,1、當 EA=“1”時： 在00000FFFH范圍內(nèi)執(zhí)行片內(nèi)ROM中的程序，當指令地址超過0FFFH 后就自動轉向片外ROM中取指令。 2、當 EA=”0”時： 片內(nèi)ROM

6、不起作用，CPU只能從片ROM/EPROM中取指令?？梢詮?0000H 開始尋址。,2.3.3 數(shù)據(jù)存儲器地址空間,一、用途： 二、片外RAM： 三、片內(nèi)RAM：,一、用途：,用于存放運算的中間結果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖、標志位等。,二、片外RAM：,地址：0000HFFFFH 尋址：用MOVX指令,三、片內(nèi)RAM：,片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器最大可尋址256個單元，它們又分為兩部分： 低128字節(jié)(00H7FH)是真正的RAM區(qū)；高128字節(jié)(80HFFH)為特殊功能寄存器(SFR)區(qū)。 高128字節(jié)和低128字節(jié)RAM中的配置及含義如圖28和圖29所示。,圖28 低128字節(jié)RAM區(qū),圖29 高128字節(jié)R

7、AM區(qū)(SFR區(qū)，特殊功能寄存器區(qū)),1) 低128字節(jié)RAM,8051的32個工作寄存器與RAM安排在同一個隊列空間里，統(tǒng)一編址并使用同樣的尋址方式(直接尋址和間接尋址)。 00H1FH地址安排為4組工作寄存器區(qū)，每組有8個工作寄存器(R0R7)，共占32個單元，見表2-4。通過對程序狀態(tài)字PSW中RS1、RS0的設置，每組寄存器均可選作CPU的當前工作寄存器組。若程序中并不需要4組，那么其余可用作一般RAM單元。CPU復位后，選中第0組寄存器為當前的工作寄存器。 工作寄存器區(qū)后的16字節(jié)單元(20H2FH)，可用位尋址方式訪問其各位。在89系列單片機的指令系統(tǒng)中，還包括許多位操作指令，這些

8、位操作指令可直接對這128位尋址。這128位的位地址為00H7FH，其位地址分布見圖28。,2) 高128字節(jié)RAM特殊功能寄存器(SFR),8051片內(nèi)高128字節(jié)RAM中，有21個特殊功能寄存器(SFR)，它們離散地分布在80HFFH的RAM空間中。訪問特殊功能寄存器只允許使用直接尋址方式。 這些特殊功能寄存器見圖29。各SFR的名稱及含義如表25所列。,(1) 累加器ACC(E0H),累加器ACC是8051最常用、最忙碌的8位特殊功能寄存器。在CPU執(zhí)行指令前，兩個操作數(shù)中一個通常存放在ACC中，運算完成后結果也存放于ACC中。在指令系統(tǒng)中用A作為累加器ACC的助記符。,(2) 寄存器B

9、(F0H),在乘、除指令中，用到了8位寄存器B。乘法指令的兩個操作數(shù)分別取自A和B，乘積存于B和A兩個8位寄存器中。除法指令中，A中存放被除數(shù)，B中放除數(shù)，商存放于A，B中存放余數(shù)。 在其他指令中，B可作為一般通用寄存器或一個RAM單元使用。,(3) 程序狀態(tài)寄存器PSW(D0H),PSW是一個8位特殊功能寄存器，它的各位包含了程序執(zhí)行后的狀態(tài)信息，供程序查詢或判別之用。各位的含義及其格式如下表所列。 PSW除有確定的字節(jié)地址(D0H)外，每一位均有位地址，見下表,(4) 棧指針SP(81H),堆棧指針SP為8位特殊功能寄存器，SP的內(nèi)容可指向8051片內(nèi)00H7FH RAM的任何單元。系統(tǒng)復

10、位后，SP初始化為07H，即指向07H的RAM單元。,在圖210中，假若有8個RAM單元，每個單元都在其右面編有地址，棧頂由堆棧指針SP自動管理。每次進行壓入或彈出操作以后，堆棧指針便自動調(diào)整以保持指示堆棧頂部的位置。這些操作可用圖210說明。,圖210 堆棧的壓入與彈出,(5) 數(shù)據(jù)指針DPTR(83H，82H),DPTR是一個16位的特殊功能寄存器，其高位字節(jié)寄存器用DPH表示(地址83H)，低位字節(jié)寄存器用DPL表示(地址82H)。DPTR既可以作為一個16位寄存器來處理，也可以作為兩個獨立的8位寄存器DPH和DPL使用。 DPTR主要用于存放16位地址，以便對64 KB片外RAM作間接

11、尋址。,(6) /端口P0P3(80H，90H，A0H，B0H),P0P3為4個8位特殊功能寄存器，分別是4個并行/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，每一條/線均可獨立用作輸入或輸出。 用作輸出時，可以鎖存數(shù)據(jù)；用作輸入時，數(shù)據(jù)可以緩沖。 圖2-11所示為各個SFR所在的字節(jié)地址位置?？崭癫糠譃槲磥碓O計新型芯片可定義的SFR位置。,圖2-11 特殊功能寄存器SFR的位置,2.2MCS-51單片機引腳及其功能,2.2.1MCS-51單片機引腳,2.2.2 MCS-51單片機引腳功能,2.2.1 8051單片機引腳,8051單片機引腳圖,2.2.2 8051單片機引腳功能,

12、一、I/O端口P0、P1、P2和P3 二、電源引腳：Vcc和Vss 三、時鐘電路引腳：XTAL1和XTAL2 四、控制信號引腳RST、ALE、PSEN和EA,四、I/O端口P0、P1、P2和P3,1、準雙向 2、P0口 3、P1口 4、P2口 5、P3口,1、準雙向,當I/O口作為輸入時，應先向此口鎖存器寫入全1， 此時該口引腳浮空，可作高阻抗輸入。,MOV P1， #0FFH MOV A, P1,2、P0口：,P0口可作為一個數(shù)據(jù)輸入/輸出口； P0口無上拉電阻，輸出時需接上拉電阻。,3、P1口：,P1口也是一個準雙向口。 P1口內(nèi)部有上拉電阻。當P1口輸出高電平時，能向外提供拉電流負載，所

13、以不必再接上拉電阻。,4、P2口：,帶內(nèi)部上拉電阻的8位準雙向I/O端口 在CPU訪問片外存儲器時，它輸出高8位地址。,5、P3口：,帶內(nèi)部上拉電阻的8位準雙向I/O端口 P3口除作為一般I/O口外，每個引腳都有第二功能。,表2-10 P3口線與第二功能表,返回,二、電源引腳：Vcc和Vss,1Vcc(40腳)：電源端，為+5V。 2Vss(20腳)：接地端。,圖2-3,三、時鐘電路引腳：XTAL1和XTAL2,XTAL2（18腳）：接外部晶體和微調(diào)電容的一端；在8051 片內(nèi)它是振蕩電路反向放大器的輸出端，振蕩電路的頻率就是晶體固有頻率。若需采用外部時鐘電路時，該引腳輸入外部時鐘脈沖。 XT

14、AL1（19腳）：接外部晶體和微調(diào)電容的另一端；在片內(nèi)它是振蕩電路反向放大器的輸入端，在采用外部時鐘時，該引腳接地。,8051的片內(nèi)振蕩器及時鐘發(fā)生器,外部脈沖輸入,四、控制信號引腳：RST、ALE、PSEN和EA,RST（9腳）： RST：復位信號輸入端，高電平有效。當此輸入端保持兩個機器周期的高電平時，就可以完成復位操作。,返回,復位操作的主要功能 主要功能是把PC初始化為0000H，使單片機從0000H單元開始執(zhí)行程序。 復位操作還對其他一些寄存器有影響，它們的復位狀態(tài)如表28所列。 表28中的符號意義如下：,各特殊功能寄存器的復位值,返回,一、上電自動復位： 是通過外部復位電路的電容充

15、電實現(xiàn)。 如圖 (a)所示。 二、按鍵手動復位： 按鍵電平復位方式：如圖 (b)所示。,返回,復位的兩種方式,返回,四、控制信號引腳：RST、ALE、PSEN和EA,用于程序運行或者寫入時的控制。后面陸續(xù)講解,2.4CPU時序,2.4.1片內(nèi)振蕩器及時鐘信號的產(chǎn)生,返回,2.4.2機器周期和指令周期,2.4.3CPU取指、執(zhí)行周期時序,2.4.1片內(nèi)時鐘信號的產(chǎn)生,8051芯片內(nèi)部有一個高增益反相放大器，用于構成振蕩器。反相放大器的輸入端為XTAL1，輸出端為XTAL2，兩端跨接石英晶體及兩個電容就可以構成穩(wěn)定的自激振蕩器。電容器和通常取30 pF左右，可穩(wěn)定頻率并對振蕩頻率有微調(diào)作用。振蕩脈

16、沖頻率范圍為fOSC=024 MHz。 晶體振蕩器的頻率為fOSC，振蕩信號從XTAL2端輸入到片內(nèi)的時鐘發(fā)生器上。,返回,一個機器周期是指CPU訪問存儲器一次所需的時間。例如，取指令、讀存儲器、寫存儲器等等。 一個機器周期包括12個振蕩周期，分為6個S狀態(tài)：S1S6。 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，S6P1，S6P2。 若采用6MHz晶體振蕩器，則每個機器周期為2s（微秒）,機器周期,如圖所示,返回,指令周期：執(zhí)行一條指令所需的時間。 每條指令由一個或若干個字節(jié)組成。有單字節(jié)指令，雙字節(jié)指令，多字節(jié)指令等。字節(jié)數(shù)少則占存儲器空間少。 每條指令的指令周期都由一個或幾個機器周期組成。有單周期指令、雙周期指令、和四周期指令。機器周期數(shù)少則執(zhí)行速度快。,指令周期,如圖所示,返回,2. 機器周期和指令周期,3. 基本時序定時單位,綜上所述，8051或其他80C51單片機的基本時序定時單位有如下4個。 振蕩周期： 晶振的振蕩周期，為最小的時序單位。 狀態(tài)周期： 振蕩頻率經(jīng)單片機內(nèi)的二分頻器分頻后提供給片內(nèi)CPU的時鐘周期。因此，一個