單片機(jī)原理及應(yīng)用教程MCS-51單片機(jī)的結(jié)構(gòu)

1、主 編 范立南 謝子殿 副主編 劉 彤 尹授遠(yuǎn) 李雪飛 單片機(jī)原理及應(yīng)用教程第2章 MCS-51單片機(jī)的結(jié)構(gòu)2.1 MCS-51單片機(jī)的根本組成 2.2 MCS-51系列單片機(jī)的外部結(jié)構(gòu) 2.3 中央處理器、時(shí)鐘及時(shí)序 2.4 復(fù)位與復(fù)位電路 2.5 存儲(chǔ)器組織 第2章 MCS-51單片機(jī)的結(jié)構(gòu) 2.1 MCS-51單片機(jī)的根本組成 MCS-51系列單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 中央處理器 程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 并行輸入輸出(I/O)接口 全雙工串行口 中斷系統(tǒng)時(shí)鐘電路 布爾處理器 2.1 MCS-51單片機(jī)的根本組成 MCS-51片內(nèi)總體結(jié)構(gòu) 2.2 MCS-51系列單片機(jī)的外部結(jié)

2、構(gòu) MCS-51單片機(jī)的引腳功能 1主電源引腳 VCC(40腳)：接+5 V電源正端。 VSS(20腳)：接+5 V電源地端。 2外接晶體引腳 XTAL1(19腳)：接外部石英晶體的一端。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個(gè)反相放大器的輸入端，這個(gè)放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。當(dāng)采用外部時(shí)鐘時(shí)，對(duì)于HMOS單片機(jī)，該引腳接地；對(duì)于CHMOS單片機(jī)，該引腳作為外部振蕩信號(hào)的輸入端。2.2 MCS-51系列單片機(jī)的外部結(jié)構(gòu) MCS-51單片機(jī)的引腳功能 3輸入 / 輸出引腳 (1) P0口(3932腳)：P0.0P0.7統(tǒng)稱為P0口。在不接片外存儲(chǔ)器與不擴(kuò)展I/O口時(shí)，可作為準(zhǔn)雙向輸入/輸出口。在接有片外存儲(chǔ)器或擴(kuò)展

3、I/O口時(shí)，P0口分時(shí)復(fù)用為低8位地址總線和雙向數(shù)據(jù)總線。 (2) P1口(18腳)：P1.0P1.7統(tǒng)稱為P1口，可作為準(zhǔn)雙向I/O口使用。對(duì)于52子系列，P1.0與P1.1還有第二功能：P1.0可用作定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的計(jì)數(shù)脈沖輸入端T2，P1.1可用作定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的外部控制端T2EX。2.2 MCS-51系列單片機(jī)的外部結(jié)構(gòu) MCS-51單片機(jī)的引腳功能 (3) P2口(2128腳)：P2.0P2.7統(tǒng)稱為P2口，一般可作為準(zhǔn)雙向I/O口使用；在接有片外存儲(chǔ)器或擴(kuò)展I/O口且尋址范圍超過256字節(jié)時(shí)，P2口用作高8位地址總線。 (4) P3口(1017腳)：P3.0P3.7統(tǒng)稱為P3口

4、。除作為準(zhǔn)雙向I/O口使用外，還可以將每一位用于第二功能，而且P3口的每一條引腳均可獨(dú)立定義為第一功能的輸入輸出或第二功能。2.2 MCS-51系列單片機(jī)的外部結(jié)構(gòu) MCS-51單片機(jī)的引腳功能 P3口第二功能表引 腳第 二 功 能P3.0串行口輸入端P3.1串行口輸出端P3.2外部中斷0請(qǐng)求輸入端，低電平有效P3.3外部中斷1請(qǐng)求輸入端，低電平有效P3.4定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0計(jì)數(shù)脈沖輸入端P3.5定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1計(jì)數(shù)脈沖輸入端P3.6外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通信號(hào)輸出端，低電平有效P3.7RXDTXDINT0INT1T0T1WRRD2.2 MCS-51系列單片機(jī)的外部結(jié)構(gòu) MCS-51單片機(jī)的引腳功能

5、 4控制線 (1) ALE/PROG(30腳)：地址鎖存有效信號(hào)輸出端。ALE在每個(gè)機(jī)器周期內(nèi)輸出兩個(gè)脈沖。在訪問片外程序存儲(chǔ)器期間，下降沿用于控制鎖存P0輸出的低8位地址；在不訪問片外程序存儲(chǔ)器期間，可作為對(duì)外輸出的時(shí)鐘脈沖或用于定時(shí)目的。但要注意，在訪問片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器期間，ALE脈沖會(huì)跳空一個(gè)，此時(shí)作為時(shí)鐘輸出就不妥了(詳見CPU時(shí)序)。 對(duì)于片內(nèi)含有EPROM的機(jī)型，在編程期間，該引腳用作編程脈沖PROG的輸入端。2.2 MCS-51系列單片機(jī)的外部結(jié)構(gòu) MCS-51單片機(jī)的引腳功能 (2) PSEN(29腳)：片外程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)輸出端，低電平有效。當(dāng)從外部程序存儲(chǔ)器讀取指令或常數(shù)

6、期間，每個(gè)機(jī)器周期該信號(hào)兩次有效，以通過數(shù)據(jù)總線P0口讀回指令或常數(shù)。在訪問片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器期間，PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。 (3) RST/VPD(9腳)：RST即為RESET，VPD為備用電源。該引腳為單片機(jī)的上電復(fù)位或掉電保護(hù)端。當(dāng)單片機(jī)振蕩器工作時(shí)，該引腳上出現(xiàn)持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平，就可實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作，使單片機(jī)回復(fù)到初始狀態(tài)。上電時(shí)，考慮到振蕩器有一定的起振時(shí)間，該引腳上高電平必須持續(xù)10 ms以上才能保證有效復(fù)位。 當(dāng)VCC發(fā)生故障，降低到低電平規(guī)定值或掉電時(shí)，該引腳可接上備用電源VPD(+5 V)為內(nèi)部RAM供電，以保證RAM中的數(shù)據(jù)不丟失。 (4) EA/VPP(31腳)：EA為片外

7、程序存儲(chǔ)器選用端。該引腳有效(低電平)時(shí)，只選用片外程序存儲(chǔ)器，否則單片機(jī)上電或復(fù)位后選用片內(nèi)程序存儲(chǔ)器。 對(duì)于片內(nèi)含有EPROM的機(jī)型，在編程期間，此引腳用作21 V編程電源VPP的輸入端。 綜上所述，MCS-51系列單片機(jī)的引腳可歸納為以下兩點(diǎn)： (1) 單片機(jī)功能多，引腳數(shù)少，因而許多引腳都具有第二功能。 (2) 單片機(jī)對(duì)外呈現(xiàn)3總線形式，由P2、P0口組成16位地址總線；由P0口分時(shí)復(fù)用為數(shù)據(jù)總線；由ALE、PSEN、RST、EA與P3口中的INT0、INT1、T0、T1、WR、RD共10個(gè)引腳組成控制總線。由于是16位地址線，因此，可使片外存儲(chǔ)器的尋址范圍達(dá)到64 KB。2.2 MC

8、S-51系列單片機(jī)的外部結(jié)構(gòu) MCS-51單片機(jī)的外部總線結(jié)構(gòu) 2.3 中央處理器、時(shí)鐘及時(shí)序 運(yùn)算部件 運(yùn)算部件以算術(shù)邏輯單元ALU為核心，包括布爾處理器、累加器ACC、存放器B、暫存器、程序狀態(tài)字PSW等許多部件。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)傳輸操作 2.3 中央處理器、時(shí)鐘及時(shí)序 專用存放器組 累加器A (Accumulator)通用存放器B (General Register) 程序狀態(tài)字PSW (Program Status Word)程序計(jì)數(shù)器PC(Program Counter) 數(shù)據(jù)指針DPTR (Data Pointor) 堆棧指針SP (Stack Poin

9、tor) CYPSW.7進(jìn)位標(biāo)志位。 ACPSW.6輔助進(jìn)位或稱半進(jìn)位標(biāo)志。 F0PSW.5由用戶定義的標(biāo)志位。 RS1PSW.4、 RS0PSW.3工作存放器組選擇位。 OVPSW.2溢出標(biāo)志位。 由硬件置位或清零。 PSW.1未定義位。 PPSW.0奇偶標(biāo)志位。CYACF0RS1RS0OVPPSW.7PSW.0 布爾處理機(jī) 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)志存放器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)。 控制部件是單片機(jī)的神經(jīng)中樞，它包括定時(shí)

10、和控制電路、指令寄存器、譯碼器以及信息傳送控制等部件。它先以主振頻率為基準(zhǔn)發(fā)出CPU的時(shí)序，對(duì)指令進(jìn)行譯碼，然后發(fā)出各種控制信號(hào)，完成一系列定時(shí)控制的微操作，用來協(xié)調(diào)單片機(jī)內(nèi)部各功能部件之間的數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)運(yùn)算等操作，并對(duì)外發(fā)出地址鎖存ALE、外部程序存儲(chǔ)器選通PSEN，以及通過P3.6和P3.7發(fā)出數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀RD、寫WR等控制信號(hào)，并且接收處理外接的復(fù)位和外部程序存儲(chǔ)器訪問控制EA信號(hào)。 2.3 中央處理器、時(shí)鐘及時(shí)序 控制部件、時(shí)鐘和時(shí)鐘電路 單片機(jī)外接晶體的接法 2.3 中央處理器、時(shí)鐘及時(shí)序 控制部件、時(shí)鐘和時(shí)鐘電路 單片機(jī)外部時(shí)鐘接法表芯片類型XTAL1XTAL2HMOS型接地接片

11、外振蕩脈沖輸入端(帶上拉電阻)CHMOS型接片外振蕩脈沖輸入端(帶上拉電阻)懸浮接 法 振蕩周期：振蕩脈沖的周期，也稱為時(shí)鐘周期。 狀態(tài)周期：兩個(gè)振蕩周期為一個(gè)狀態(tài)周期，用S表示。兩個(gè)振蕩周期作為兩個(gè)節(jié)拍分別稱為節(jié)拍P1和節(jié)拍P2。在狀態(tài)周期的前半周期P1有效時(shí)，通常完成算術(shù)邏輯操作；在后半周期P2有效時(shí)，一般進(jìn)行內(nèi)部存放器之間的傳輸。2.3 中央處理器、時(shí)鐘及時(shí)序 CPU時(shí)序 機(jī)器周期：一個(gè)機(jī)器周期包含6個(gè)狀態(tài)周期，用S1、S2、S6表示；共12個(gè)節(jié)拍，依次可表示為S1P1、S1P2、S2P1、S2P2、S6P1、S6P2。 指令周期：執(zhí)行一條指令所占用的全部時(shí)間，它以機(jī)器周期為單位。MCS

12、-51系列單片機(jī)除乘法、除法指令是4周期指令外，其余都是單周期指令和雙周期指令。假設(shè)用12 MHz晶振，那么單周期指令和雙周期指令的指令周期時(shí)間分別為1 s和2 s，乘法和除法指令為4 s。2.3 中央處理器、時(shí)鐘及時(shí)序 控制部件、時(shí)鐘和時(shí)鐘電路 MCS51單片機(jī)CPU取指/執(zhí)行時(shí)序 單周期指令的執(zhí)行從S1P2開始, 在S1P2期間讀入操作碼并把它鎖存到指令存放器中。 雙字節(jié)指令, 那么在同一機(jī)器周期的S4期間讀出第2個(gè)字節(jié)。 對(duì)于單字節(jié)指令在S4處仍有一次讀操作, 但這時(shí)讀出的字節(jié)下一條指令的操作碼是不予考慮的, 而且程序計(jì)數(shù)器PC也不加1。 對(duì)于單周期指令, 在上述任何情況下, 指令都在S

13、6P2期間完成操作。 圖中的a 和b分別表示單字節(jié)單周期和雙字節(jié)單周期指令的執(zhí)行時(shí)序。 圖c表示單字節(jié)雙周期指令的時(shí)序, 單字節(jié)雙周期指令在兩個(gè)機(jī)器周期內(nèi)作4次讀操作碼的操作, 由于是單字節(jié)指令, 后3次讀操作是無效的。 圖d表示執(zhí)行訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器指令MOVX的時(shí)序, 這是一條單字節(jié)雙周期指令,具有其特殊性。復(fù)位狀態(tài) MCS-51系列單片機(jī)的復(fù)位引腳RST上只要出現(xiàn)10 ms以上的高電平，單片機(jī)就實(shí)現(xiàn)復(fù)位。 單片機(jī)在RST引腳高電平的控制下，特殊功能存放器和程序計(jì)數(shù)器PC復(fù)位后的狀態(tài)如表所示。2.4 復(fù)位與復(fù)位電路MCS-51單片機(jī)復(fù)位狀態(tài)表2.4 復(fù)位與復(fù)位電路 (PSW)=00H，由于

14、RS1(PSW.4)=0，RS0(PSW.3)=0，復(fù)位后單片機(jī)選擇工作存放器0組。 (SP)=07H，復(fù)位后堆棧在片內(nèi)RAM的08H單元處建立。TH1、TL1、TH0、TL0的內(nèi)容為00H，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的初值為0。 (TMOD)=00H，復(fù)位后定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0、T1為定時(shí)器方式0，非門控方式。 (TCON)=00H，復(fù)位后定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0、T1停止工作，外部中斷0、1為電平觸發(fā)方式。2.4 復(fù)位與復(fù)位電路 (T2CON)=00H，復(fù)位后定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2停止工作。 (SCON)=00H，復(fù)位后串行口工作在移位存放器方式，且禁止串行口接收。 (IE)=00H，復(fù)位后屏蔽所有中斷。 (IP

15、)=00H，復(fù)位后所有中斷源都設(shè)置為低優(yōu)先級(jí)。 P0P3口鎖存器都是全1狀態(tài)，說明復(fù)位后4個(gè)并行接口設(shè)置為輸入口。2.4 復(fù)位與復(fù)位電路復(fù)位電路 與其它計(jì)算機(jī)一樣，MCS-51單片機(jī)系統(tǒng)常常有上電復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方法。所謂上電復(fù)位，是指計(jì)算機(jī)加電瞬間，要在RST引腳上出現(xiàn)大于10 ms的正脈沖，使單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。按鈕復(fù)位是指用戶按下復(fù)位按鈕，使單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。 復(fù)位是靠外部電路實(shí)現(xiàn)的。圖是上電復(fù)位及按鈕復(fù)位的一種實(shí)用電路。2.4 復(fù)位與復(fù)位電路 MCS51單片機(jī)復(fù)位參考電路a 上電復(fù)位電路; b 上電/外部復(fù)位電路 2.5 存 儲(chǔ) 器 MCS51單片機(jī)存儲(chǔ)器分類及配置 MCS51單片

16、機(jī)存儲(chǔ)器的分類從物理結(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)局部; 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大局部; 從功能上可分為: 程序存儲(chǔ)器、 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、 特殊功能存放器、 位地址空間和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器5大局部。 MCS51系列單片機(jī)存儲(chǔ)器的配置除片內(nèi)ROM或EPROM和RAM外, 另外還有128個(gè)字節(jié)的RAM區(qū)作為特殊功能存放器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。2.5 存 儲(chǔ) 器 MCS51單片機(jī)存儲(chǔ)器分類及配置 MCS51單片機(jī)存儲(chǔ)器空間結(jié)構(gòu)圖a 程序存

17、儲(chǔ)器; b 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器; c 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 1編址與訪問 計(jì)算機(jī)的工作是按照事先編制好的程序命令序列一條條順序執(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。計(jì)算機(jī)為了有序地工作，設(shè)置了一個(gè)專用存放器 - 程序計(jì)數(shù)器PC，用以存放將要執(zhí)行的指令地址。每取出指令的個(gè)字節(jié)后，其內(nèi)容自動(dòng)加，指向下一字節(jié)地址，使計(jì)算機(jī)依次從程序存儲(chǔ)器取出指令予以執(zhí)行，完成某種程序操作。由于MCS-51單片機(jī)的程序計(jì)數(shù)器為16位，因此，可尋址的地址空間為64 KB。2.5 存 儲(chǔ) 器程序存儲(chǔ)器程序存儲(chǔ)器編址圖(a) 51子系列；(b) 52子系列2程序的7個(gè)特殊入口

18、地址MCS-51單片機(jī)復(fù)位、中斷入口地址操 作入 口 地 址復(fù)位0000H外部中斷00003H定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0溢出000BH外部中斷10013H定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1溢出001BH串行口中斷0023H定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0溢出或T2EX端負(fù)跳變(52子系列)002BH2.5 存 儲(chǔ) 器程序存儲(chǔ)器 1編址與訪問 MCS-51單片機(jī)片內(nèi)、外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是兩個(gè)獨(dú)立的地址空間，應(yīng)分別單獨(dú)編址。片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器除RAM塊外，還有特殊功能存放器(SFR)塊。對(duì)于51子系列，前者有128個(gè)字節(jié)，其編址為00H7FH；后者有128個(gè)字節(jié)，其編址為80HFFH；二者連續(xù)而不重疊。對(duì)于52子系列，前者有256個(gè)字節(jié)，其編址為00

19、HFFH；后者有128個(gè)字節(jié)，其編址為80HFFH。后者與前者高128個(gè)字節(jié)的編址是重疊的。由于訪問它們所用的指令不同，并不會(huì)引起混亂。片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器一般是16位編址。2.5 存 儲(chǔ) 器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器編址圖(a) 51子系列；(b) 52子系列2片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 51子系列單片機(jī)片內(nèi)RAM的配置數(shù)據(jù)緩沖區(qū) 內(nèi)部RAM中位地址表 1) 工作存放器區(qū) 00H1FH單元為工作存放器區(qū)。工作存放器也稱通用存放器，用于臨時(shí)存放8位信息。工作存放器分成4組，每組都有8個(gè)存放器，用R0R7來表示。程序中每次只用1組，其它各組不工作。使用哪一組存放器工作由程序狀態(tài)字PSW中的PSW.3(RS0)和 PSW.4(RS1)兩位來選擇，其對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2.4所示。通過軟件設(shè)置RS0和RS1兩位的狀態(tài)，就可任意選一組工作存放器工作。這個(gè)特點(diǎn)使MCS-51單片機(jī)具有快速現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)功能，對(duì)于提高程序效率和響應(yīng)中斷的速度是很有利的。 工作存放器組的選擇表PSW.4(RS1)PSW.3(RS0)當(dāng)前使用的工作寄存器組R0R7000組(00H07H)011組(08H0FH)102組(10H17H)113組(18H1FH) 2) 位尋址區(qū) 20H2FH單元是位尋址區(qū)。這16個(gè)單元(共計(jì)168=128位)的每一位都賦予了一個(gè)位地址，位地址范圍為00H7FH。位尋址區(qū)的每一位都可當(dāng)作軟件觸發(fā)器，由程序直