第2章MCS51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)2016

1、MCS-51系列單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)2016-03程序存儲器程序存儲器數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)存儲器/接口接口/接口接口內(nèi)部結(jié)構(gòu)PCRAMIO內(nèi)部總線內(nèi)部總線地址總線地址總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線控制總線控制總線程序存儲器程序存儲器數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)存儲器/接口接口/接口接口 MCS-51單片機(jī) 片內(nèi)有RAM,擴(kuò)展型有E2ROM 多個/，系統(tǒng)擴(kuò)展能力強(qiáng) 指令系統(tǒng)功能豐富,CPU處理功能強(qiáng) 具有布爾處理機(jī)結(jié)構(gòu)，方便邏輯處理與控制 適合：實時控制，用于工業(yè)控制器、智能儀表，在工業(yè)、民用、國防裝備等各方面應(yīng)用廣泛 以MCS-51內(nèi)核，后續(xù)發(fā)展型號豐富MCS-51微控制器微控制器CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu) 1算術(shù)邏輯運算單元ALU

2、 (8位) 算術(shù)運算，與、或、非、異或 邏輯運算、循環(huán)移位、位處理。2寄存器陣列(1)工作寄存器R0R7 (8位):暫存運算數(shù)據(jù)和中間結(jié)果。 4個工作寄存器區(qū)，工作寄存器0區(qū)3區(qū)。每個區(qū)均含8個寄存器R0R7 。 用PSW中的兩位PSW.4和PSW.3來切換工作寄存器區(qū)，選用一個工作寄存器區(qū)進(jìn)行讀寫操作。(2)累加器Acc(8位): 需要ALU處理的數(shù)據(jù)和計算結(jié)果多數(shù)要經(jīng)過A累加器。(3)寄存器B(8位): 與Acc配合執(zhí)行乘、除運算。也可用作通用寄存器。(4)程序狀態(tài)字PSW(8位): 存放ALU運算過程的標(biāo)志狀態(tài)Cy AC F0 RS1 RS0 OV P CY(PSW.7)進(jìn)位標(biāo)志位加/減

3、有進(jìn)位或借位時置布爾處理機(jī)中布爾（位）累加器 AC(PSW.6)輔助進(jìn)位標(biāo)志低位向高位進(jìn)位時置 F0(PSW.5) 零標(biāo)志狀態(tài)自定義 RS1,RS0(PSW.4,PSW.3) 工作寄存區(qū)選擇控制位 OV(PSW.2) 溢出標(biāo)志位計算結(jié)果超出范圍 P(PSW.0) 奇偶標(biāo)志機(jī)器內(nèi)硬件置或，中值為的位數(shù)為奇數(shù)偶數(shù)(6)堆棧指針堆棧指針SP(8位位)堆棧是按“先進(jìn)后出”原則存取數(shù)據(jù)的存儲區(qū)。MCS-51堆棧設(shè)在片內(nèi)RAM區(qū)。數(shù)據(jù)入棧/出棧時，SP自動加1/減 1，其內(nèi)容始終為棧頂?shù)刂?。?fù)位時 SP=07H。(5)數(shù)據(jù)指針數(shù)據(jù)指針DPTR(16位位):存放片外存儲器地址，作為片外存儲器存放片外存儲器地

4、址，作為片外存儲器的指針。可分成兩個的指針。可分成兩個8位寄存器位寄存器DPH、DPL使用。使用。CPU總是按PC的指示讀取程序。PC可自動加1。因此CPU執(zhí)行程序一般是順序方式。當(dāng)發(fā)生轉(zhuǎn)移、子程序調(diào)用、中斷和復(fù)位等操作，PC被強(qiáng)制改寫，程序執(zhí)行順序也發(fā)生改變。復(fù)位時，PC=0000H。(7)程序計數(shù)器程序計數(shù)器PC(16位位)由兩個寄存器組成，發(fā)送寄存器和接收寄存器，但共用一個地址。發(fā)送數(shù)據(jù)將數(shù)據(jù)寫入SBUF接收數(shù)據(jù)讀SBUF() 串行數(shù)據(jù)緩沖器串行數(shù)據(jù)緩沖器SBUF 定時器/計數(shù)器16位51個定時器T0 T1 52 3個定時器T0 T1 T2 每個定時器分成獨立的兩個位寄存器T0H T0L

5、 T1H T1L T2H T2L 其它專用寄存器 MCS-51邏輯功能框圖 掌握每個功能模塊的結(jié)構(gòu)、功能、控制及使用方法MCA-51邏輯框圖8031VccVssXTAL1XTAL2RESETEAALEPSENP0P1P2P3時鐘電路 XTAL1 內(nèi)部振蕩電路的輸入端 XTAL2內(nèi)部振蕩電路的輸出端 內(nèi)時鐘/外時鐘 CPU工作的時鐘信號可以由CPU內(nèi)部的振蕩電路產(chǎn)生，也可以由外部輸入，取決于時鐘管腳的接線方式。XTAL1 單片機(jī) XTAL2 內(nèi)時鐘方式內(nèi)時鐘方式外時鐘方式外時鐘方式30pF30pF石英晶體石英晶體1.212MHz控制信號RST RST/VPD(9) 復(fù)位信號高電平有效 該管腳高電

6、平時（兩個機(jī)器周期以上），芯片內(nèi)部寄存器進(jìn)行復(fù)位，即初始化。 轉(zhuǎn)為低電平時，從單元開始執(zhí)行程序。上電自復(fù)位/手動開關(guān)復(fù)位電路ALE/PROG地址鎖存信號 當(dāng)在片外擴(kuò)展存儲器時，P0口即要作為地址信號，也要作為數(shù)據(jù)信號用。信號屬性由ALE控制信號決定。 ALE高電平0地址信號 ALE下降沿0上的地址信號保存到地址鎖存器ALE 低電平 P0數(shù)據(jù)信號無外擴(kuò)存儲器時，以/時鐘頻率輸出脈沖信號PSEN(29)片外程序存儲器讀選通 用于外擴(kuò)程序存儲器讀指令控制EA(31)片內(nèi)/片外程序存儲器選擇 低電平只使用外擴(kuò)程序存儲器 高電平先內(nèi)后外 內(nèi)外存儲器連續(xù)編號，內(nèi)小外大 E2ROM寫入程序時接21編程電壓I

7、/口 CPU輸入/輸出地址信號或數(shù)據(jù)信號的通道，共組，分別定義為P0,P1,P2,P3口。 每個口均為位，每個位占用一個管腳，具有單獨的內(nèi)部地址，可以單獨操作 每個I/口結(jié)構(gòu)上各不相同，常用功能也有差別 0口三態(tài)雙向負(fù)載個TTL門電路 1P3 準(zhǔn)三態(tài)雙向，負(fù)載 TTL門電路0口 (1)地址/數(shù)據(jù)復(fù)用 地址輸出: 控制高電平導(dǎo)通地址總線與T1，P0.x 狀態(tài)與總線狀態(tài)相同 地址輸入: 三態(tài)緩沖器輸入到內(nèi)部總線 （）（）0通用通用/口口 輸出控制低電平輸出控制低電平0截止，截止，1受控，應(yīng)外接上拉電阻受控，應(yīng)外接上拉電阻 輸入先寫，輸入先寫，T1關(guān)，再讀進(jìn)關(guān)，再讀進(jìn) “讀修改寫”功能 有些指令，以

8、/口作為操作數(shù)來源和結(jié)果保存目的地。另一個操作數(shù)來源為寄存器P1口 輸出直接寫入 輸入先寫，再讀取P2口 高位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用 /同P1 地址擴(kuò)展程序存儲器高位地位 擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲器根據(jù)指令是否占用。不占用期間可以作普通I/O使用P3口 多功能端口， 第一功能通用/口 第二功能寫，輸出特殊控制信號 P3.0 RXD(串行輸入) P3.1 TXD（串行輸出） P3.2INT0（外部中斷輸入） P3.3INT1（外部中斷輸入） P3.4T0（外部計數(shù)器） P3.5T1（外部計數(shù)器） P3.6WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫） P3.7RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀） 系統(tǒng)擴(kuò)展三總線 地址總線位P2 + P0 數(shù)據(jù)總線8

9、位P0 控制總線12位P3+2-4 MCS-51存儲器配置普林斯頓結(jié)構(gòu)：程序和數(shù)據(jù)共用一個存儲器邏輯空間，統(tǒng)一編址。哈佛結(jié)構(gòu)：哈佛結(jié)構(gòu)：程序與數(shù)據(jù)分為兩個獨立存儲器邏輯空間，分開編址。 物理上4個存儲器地址空間：片內(nèi)/片外程序存儲器空間片內(nèi)/片外數(shù)據(jù)存儲器空間 邏輯上3個存儲器地址空間：64KB 程序存儲器256B 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器64KB 片外數(shù)據(jù)存儲器 MCS-51存儲器配置存儲器配置 (一)程序存儲器程序存儲器6464KB KB 程序存儲器空間程序存儲器空間EAEA不同電平，選擇片內(nèi)或片外不同電平，選擇片內(nèi)或片外低位存儲單元低位存儲單元 (二)數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)存儲器164KB片外數(shù)據(jù)存儲器空

10、間片外數(shù)據(jù)存儲器空間(與擴(kuò)展與擴(kuò)展I/O接口共用接口共用)2. 256B片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器: 1) 片內(nèi)片內(nèi)RAMRAM 2) 特殊功能寄存器特殊功能寄存器 SFR 特殊存儲單元：特殊存儲單元：復(fù)位入口復(fù)位入口:0000H中斷入口中斷入口:0003H0023H(二二)數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)存儲器2. 256B片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器1)片內(nèi)RAM工作寄存器區(qū)：字節(jié)地址：00H1FH位尋址區(qū)：字節(jié)地址：20H2FH位地址為：00H7FH數(shù)據(jù)緩沖區(qū)/堆棧區(qū)：字節(jié)地址：00H7FH一般使用30H7FH(二二)數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)存儲器2. 256B數(shù)據(jù)存儲器空間2)特殊功能寄存器SFR占用字節(jié)地址：80HFFH位

11、尋址寄存器： 其字節(jié)地址可被8整除。 專用寄存器：A、B、PSW、DPTR、SP I/O接口寄存器： P0、P1、P2、P3、SBUF、TMOD、TCON、SCON 專用寄存器 專用寄存器，又稱為特殊功能寄存器，即CPU中專用于某種功能的寄存器。51中共有23個，其中5個是雙字節(jié) PC DPTR 83H 82H TH0-TL0 8CH 8AH TH1-TL1 8DH 8BH TH2-TL2 0CCH 0CDH 8051/89C51共有共有21個專用寄存器，現(xiàn)把其中部分個專用寄存器，現(xiàn)把其中部分寄存器簡單介紹如下：寄存器簡單介紹如下： （1）程序計數(shù)器（）程序計數(shù)器（Program Counte

12、r，PC） 16位的計數(shù)器，位的計數(shù)器， 作用：控制程序的執(zhí)行順序，其內(nèi)容為下一條要作用：控制程序的執(zhí)行順序，其內(nèi)容為下一條要執(zhí)行的指令的地址執(zhí)行的指令的地址 尋址范圍尋址范圍64KB 具有自動加具有自動加1的功能，從而實現(xiàn)程序的順序執(zhí)行的功能，從而實現(xiàn)程序的順序執(zhí)行 PC沒有地址，是不可尋址的，因此用戶無法對它沒有地址，是不可尋址的，因此用戶無法對它進(jìn)行直接的讀進(jìn)行直接的讀/寫操作，但可以通過轉(zhuǎn)移、調(diào)用、寫操作，但可以通過轉(zhuǎn)移、調(diào)用、返回等指令改變其內(nèi)容，以實現(xiàn)程序的轉(zhuǎn)移。返回等指令改變其內(nèi)容，以實現(xiàn)程序的轉(zhuǎn)移。 （2）累加器（）累加器（Accumulator，ACC） 累累加器為加器為8位

13、寄存器，是最常用的專用寄存器位寄存器，是最常用的專用寄存器 作用：用于存放操作數(shù)以及用來存放運算的作用：用于存放操作數(shù)以及用來存放運算的中間結(jié)果。中間結(jié)果。（3）B寄存器寄存器 B寄存器也是一個寄存器也是一個8位寄存器，位寄存器，主要用于乘除運算，與主要用于乘除運算，與A配合使用。配合使用。 A X B BA A / B A .B （4）程序狀態(tài)字（）程序狀態(tài)字（Program Status Word，PSW）0D0H 程序狀態(tài)字是一個程序狀態(tài)字是一個8位寄存器，用位寄存器，用于存放程序運行中的各種狀態(tài)信息。其中有些位于存放程序運行中的各種狀態(tài)信息。其中有些位的狀態(tài)是根據(jù)程序執(zhí)行結(jié)果，由硬件自

14、動設(shè)置的的狀態(tài)是根據(jù)程序執(zhí)行結(jié)果，由硬件自動設(shè)置的，而有些位的狀態(tài)則使用軟件方法設(shè)定。，而有些位的狀態(tài)則使用軟件方法設(shè)定。PSW的的位狀態(tài)可以用專門指令進(jìn)行測試，也可以用指令位狀態(tài)可以用專門指令進(jìn)行測試，也可以用指令讀出。一些條件轉(zhuǎn)移指令根據(jù)讀出。一些條件轉(zhuǎn)移指令根據(jù)PSW某些位的狀態(tài)某些位的狀態(tài)進(jìn)行程序轉(zhuǎn)移。進(jìn)行程序轉(zhuǎn)移。CYACF0RS1 RS0 OV-P CY（PSW.7）進(jìn)位標(biāo)志位。進(jìn)位標(biāo)志位。 其功能有二：一是存放算術(shù)運算的進(jìn)位標(biāo)志，在其功能有二：一是存放算術(shù)運算的進(jìn)位標(biāo)志，在進(jìn)行加或減運算時，如果操作結(jié)果的最高位有進(jìn)進(jìn)行加或減運算時，如果操作結(jié)果的最高位有進(jìn)位或借位時，位或借位時，

15、CY由硬件置由硬件置“1” ，否則清，否則清“0”； 二是在位操作中作累加位使用。位傳送、位與位二是在位操作中作累加位使用。位傳送、位與位等位操作，進(jìn)位標(biāo)志位是固定的操作位之一。等位操作，進(jìn)位標(biāo)志位是固定的操作位之一。 AC（PSW.6）輔助進(jìn)位標(biāo)志位。在進(jìn)行加或輔助進(jìn)位標(biāo)志位。在進(jìn)行加或減運算中，當(dāng)?shù)蜏p運算中，當(dāng)?shù)?位向高位向高4位進(jìn)位或借位時，位進(jìn)位或借位時，AC由由硬件置硬件置“1”，否則，否則AC位清位清“0”。在。在BCD碼調(diào)整碼調(diào)整中也要用到中也要用到AC位狀態(tài)。位狀態(tài)。 F0（PSW.5）用戶標(biāo)志位。這是一個供用戶用戶標(biāo)志位。這是一個供用戶定義的標(biāo)志位，需要利用軟件方法置位或復(fù)位

16、，定義的標(biāo)志位，需要利用軟件方法置位或復(fù)位，用于控制程序的轉(zhuǎn)向。用于控制程序的轉(zhuǎn)向。 RS1和和RS0（PSW.4、PSW.3）工作寄存器工作寄存器組選擇位。它們被用于選擇組選擇位。它們被用于選擇CPU當(dāng)前使用的通用當(dāng)前使用的通用寄存器組。通用寄存器共有寄存器組。通用寄存器共有4組，組， 其值由軟件設(shè)其值由軟件設(shè)置。置。工作寄存器區(qū)RS1RS0工作寄存器D在RAM中地址R0R700000H07H10 108H0FH21010H17H31118H1FH OV（PSW.2）溢出標(biāo)志位。在帶符號數(shù)加減溢出標(biāo)志位。在帶符號數(shù)加減運算中，運算中，OV=1表示加減運算超出了累加器表示加減運算超出了累加器A

17、所能所能表示的符號數(shù)有效范圍（表示的符號數(shù)有效范圍（-128+127），即產(chǎn)生），即產(chǎn)生了溢出；因此運算結(jié)果是錯誤的；了溢出；因此運算結(jié)果是錯誤的；OV=0表示運表示運算正確，即無溢出產(chǎn)生。算正確，即無溢出產(chǎn)生。 在乘法運算中，在乘法運算中，OV=1表示乘積超過表示乘積超過255，即乘積，即乘積分別在分別在B與與A中；中；OV=0表示乘積只在表示乘積只在A中。中。 在除法運算中，在除法運算中，OV=1表示除數(shù)為表示除數(shù)為0，除法不能進(jìn)，除法不能進(jìn)行；行；OV=0表示除法可正常進(jìn)行。表示除法可正常進(jìn)行。 P（PSW.0）奇偶標(biāo)志位，表明累加器奇偶標(biāo)志位，表明累加器A中內(nèi)容的奇偶性。如果中內(nèi)容的奇

18、偶性。如果A中有奇數(shù)個中有奇數(shù)個“1”，則，則P置置“1”，否則置，否則置“0”。凡是改變累加。凡是改變累加器器A中內(nèi)容的指令均會影響中內(nèi)容的指令均會影響P標(biāo)志位。標(biāo)志位。 該標(biāo)志位對串行通信中的數(shù)據(jù)傳輸有重要的該標(biāo)志位對串行通信中的數(shù)據(jù)傳輸有重要的意義，在串行通信中常采用奇偶校驗的辦法意義，在串行通信中常采用奇偶校驗的辦法來校驗數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。來校驗?shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?（5）堆棧指針）堆棧指針 （Stack Pointer，SP） 堆棧是一個特殊堆棧是一個特殊的存儲區(qū)，用來暫存數(shù)據(jù)和地址，它是按的存儲區(qū)，用來暫存數(shù)據(jù)和地址，它是按“先進(jìn)后出先進(jìn)后出”的的原則存取數(shù)據(jù)的。堆棧共有兩種操作：進(jìn)

19、棧和出棧。原則存取數(shù)據(jù)的。堆棧共有兩種操作：進(jìn)棧和出棧。 由于由于MCS-51單片機(jī)的堆棧設(shè)在內(nèi)部單片機(jī)的堆棧設(shè)在內(nèi)部RAM中，因此中，因此SP是是一個一個8位寄存器。系統(tǒng)復(fù)位后，位寄存器。系統(tǒng)復(fù)位后，SP的內(nèi)容為的內(nèi)容為07H，從而復(fù)，從而復(fù)位后堆棧實際上是從位后堆棧實際上是從08H單元開始的，但單元開始的，但08H1FH單元單元分別屬于工作寄存器分別屬于工作寄存器13區(qū)，如果程序要用到這些區(qū)，最區(qū)，如果程序要用到這些區(qū)，最好把好把SP值改為更大的值。一般在內(nèi)部值改為更大的值。一般在內(nèi)部RAM的的30H7FH單元中開辟堆棧。單元中開辟堆棧。SP的內(nèi)容一經(jīng)確定，堆棧的位置也就的內(nèi)容一經(jīng)確定，堆棧的位置也就跟著確定下來，由于跟著確定下來，由于SP可初始化為不同的值，因此，堆可初始化為不同的值，因此，堆棧位置是浮動的。棧位置是浮動的。 （6）數(shù)據(jù)指針（）數(shù)據(jù)指針（DPTR） 數(shù)據(jù)指針為數(shù)據(jù)指針為16位寄存器。編程時，位寄存器。編程時，DPTR既可以按既可以按16位寄位寄存器使用，也可以按兩個存