MCS-系列單片機芯片結構

第二章MCS—51系列單片機芯片結構

2.1MCS—51系列單片機的結構原理2.1.1MCS-51單片機邏輯結構MCS-51單片機的系統結構框圖如圖2.1所示。

圖2.1MCS-51單片機的系統結構框圖由圖2.1可以看出，單片機內部主要包含下列幾個部件：u

一個8位CPU；u

一個時鐘電路；u

4Kbyte程序存儲器；u

128byte數據存儲器；u

兩個16位定時/計數器；u

64Kbyte擴展總線控制電路；u

四個8-bit并行I/O端口；u

一個可編程串行接口；五個中斷源，其中包括兩個優(yōu)先級嵌套中斷

2.1.2MCS－51單片機內部結構MCS－51單片機芯片內部結構框圖如圖2.2所示。

圖2.2MCS－51單片機芯片內部結構框圖1.CPUCPU即中央處理器的簡稱，是單片機的核心部件，它完成各種運算和控制操作，CPU由運算器和控制器兩部分電路組成。（1）運算器電路運算器電路包括ALU（算術邏輯單元）、ACC（累加器）、B寄存器、狀態(tài)寄存器、暫存器1和暫存器2等部件，運算器的功能是進行算術運算和邏輯運算。

（2）控制器電路控制器電路包括程序計數器PC、PC加1寄存器、指令寄存器、指令譯碼器、數據指針DPTR、堆棧指針SP、緩沖器以及定時與控制電路等?？刂齐娐吠瓿芍笓]控制工作，協調單片機各部分正常工作。

2.定時器/計數器MCS－51單片機片內有兩個16位的定時/計數器，即定時器0和定時器1。它們可以用于定時控制、延時以及對外部事件的計數和檢測等。3.存儲器MCS－51系列單片機的存儲器包括數據存儲器和程序存儲器，其主要特點是程序存儲器和數據存儲器的尋址空間是相互獨立的，物理結構也不相同。4.并行I/O口MCS－51單片機共有4個8位的I/O口（P0、P1、P2和P3），每一條I/O線都能獨立地用作輸入或輸出。P0口為三態(tài)雙向口，能帶8個TTL門電路，P1、P2和P3口為準雙向口，負載能力為4個TTL門電路。

5.串行I/O口MCS－51單片機具有一個采用通用異步工作方式的全雙工串行通信接口，可以同時發(fā)送和接收數據。6.中斷控制系統8051共有5個中斷源，即外中斷2個，定時/計數中斷2個，串行中斷1個。7.時鐘電路MCS－51芯片內部有時鐘電路，但晶體振蕩器和微調電容必須外接。時鐘電路為單片機產生時鐘脈沖序列，振蕩器的頻率范圍為1.2MHz～12MHz，典型取值為6MHz。8.總線以上所有組成部分都是通過總線連接起來，從而構成一個完整的單片機。系統的地址信號、數據信號和控制信號都是通過總線傳送的，總線結構減少了單片機的連線和引腳，提高了集成度和可靠性。

2.1.3引腳信號圖2.3為MCS－51系列單片機引腳圖及邏輯符號，它們?yōu)闃藴实?0腳DIP封裝。

圖2.3MCS－51系列單片機引腳圖及邏輯符號電源引腳Vcc和VssVcc：電源端，接＋5V。Vss：接地端。時鐘電路引腳XTAL1和XTAL2XTAL1：接外部晶振和微調電容的一端，在片內它是振蕩器倒相放大器的輸入，若使用外部TTL時鐘時，該引腳必須接地。XTAL2：接外部晶振和微調電容的另一端，在片內它是振蕩器倒相放大器的輸出，若使用外部TTL時鐘時，該引腳為外部時鐘的輸入端。地址鎖存允許ALE系統擴展時，ALE用于控制地址鎖存器鎖存P0口輸出的低8位地址，從而實現數據與低位地址的復用。

外部程序存儲器讀選通信號是讀外部程序存儲器的選通信號，低電平有效。程序存儲器地址允許輸入端/VPP

當為高電平時，CPU執(zhí)行片內程序存儲器指令，但當PC中的值超過0FFFH時，將自動轉向執(zhí)行片外程序存儲器指令。當為低電平時，CPU只執(zhí)行片外程序存儲器指令。復位信號RST該信號高電平有效，在輸入端保持兩個機器周期的高電平后，就可以完成復位操作。1.輸入/輸出口口引腳P0、P1、P2和P3P0口（P0.0～P0.7）：該端口為為漏極開路的的8位準雙向向口，負載能能力位8高LSTTL負負載，它為8位地址線和和8位數據線線的復用端口口。P1口（P1.0～P1.7）：它是一一個內部帶帶上拉電阻阻的8位準準雙向I/O口，P1口的驅動能能力為4個個LSTTL負載。。P2口（P2.0～P2.7）：它為一一個內部帶帶上拉電阻阻的8位準準雙向I/O口，P2口的驅動能能力也為4個LSTTL負載載。在訪問問外部程序序存儲器時時，它作存存儲器的高高8位地址址線。P3口（P3.0～P3.7）：P3口同樣是內內部帶上拉拉電阻的8位準雙向向I/O口口，P3口除了作為為一般的I/O口使使用之外，，其還具有有特殊功能能。2.2MCS——51單片片機的存儲儲器MCS－51的存儲器結結構如圖2.4所示。在本本節(jié)中我們們將對單片片機的內部部數據存儲儲器、內部部程序存儲儲器和外部部存儲器分分別作一介介紹。圖2.4MCS－51的存儲器結結構如2.2.1內部數數據存儲器器1.內內部數據據存儲器低低128單單元在低128字節(jié)存儲單單元中，前前32個單元（00H～1FH）作為工作作寄存器使使用，這32個寄存器分分作4組，每組由由8個通用寄存存器（R0～R7）組成，組組號依次為為0、1、2和3。通過對程程序狀態(tài)字字中RS1和RS0的設置，可可以決定選選用哪一組組工作寄存存器，通常常沒有選中中的單元也也可作為一一般的數據據緩存使用用。系統上上電復位時時，默認選選中第0組寄存器。。在工作寄存存器后的16個數據單元元（20H～2FH），它們既既可以作為為一般的數數據單元使使用，由可可以按位對對每個單元元進行操作作，因此這這16個數據單元元又稱作位位尋址區(qū)。。位尋址區(qū)區(qū)共計128位，其位地地址為00H～0FH。在內部RAM的低128個單單元中，剩剩余的80個數據單單元即30H～7FH為真正正的用戶RAM區(qū)，，對于這些些區(qū)域，用用戶只能以以存儲單元元的形式來來使用，通通常在應用用中也把堆堆棧開辟在在這段區(qū)域域。2.內部數據存存儲器高128單元元內部數據存存儲器的高高128個單元是為為專用寄存存器提供的的，因此該該區(qū)也稱作作特殊功能能寄存器區(qū)區(qū)（SFR），它們主主要用于存存放控制命命令、狀態(tài)態(tài)或數據。。除去程序序計數器PC外，還有21個特殊功能能寄存器，，其地址空空間為80H～FFH。這21個寄存器中中有11個特殊功能能寄存器具具有位尋址址能力，它它們的字節(jié)節(jié)地址剛好好能被8整除。下面面將對部分分專用寄存存器作簡要要介紹。累加器ACC累加器為8位寄存器器，是程序序中最常用用的專用寄寄存器，在在指令系統統中累加器器的助記符符為A。大大部分單操操作數指令令的操作取取自累加器器，很多雙雙操作數指指令的一個個操作數也也取自累加加器。加、、減乘和除除等算術運運算指令的的運算結果果都存放在在累加器A或AB寄寄存器中，，在變址尋尋址方式中中累加器被被作為變址址寄存器使使用。在MCS－51中由于于只有一個個累加器，，而單片機機中的大部分分數據操作作都是通過過累加器進進行的，故故累加器的的使用是十十分頻繁的的。B寄存器B寄存器為為8位寄存存器，主要要用于乘除除指令中。。乘法指令令的兩個操操作數分別別取自累加加器A和寄寄存器B，，其中B為為乘數，乘乘法結果的的高8位存存放于寄存存器B中。。除法指令令中，被除除數取自A，除數取取自B，除除法的結果果商數存放放于A，余余數存放于于B中。在在其它指令令中，B寄寄存器也可可作為一般般的數據單單元來使用用。程序狀態(tài)字字PSW程序狀態(tài)字字是一個8位寄存器，，它包含程程序的狀態(tài)態(tài)信息。在在狀態(tài)字中中，有些位位狀態(tài)是根根據指令執(zhí)執(zhí)行結果，，由硬件自自動完成設設置的，而而有些狀態(tài)態(tài)位則必須須通過軟件件方法設定定。PSW中的每個狀狀態(tài)位都可可由軟件讀讀出，PSW的各位定義義如表2.1。表2.1PSW的的各狀態(tài)位位定義(1)CY：進位標標志位在執(zhí)行某些些算術和邏邏輯指令時時，可以被被硬件或軟軟件置位或或清零。在在算術運算算中它可作作為進位標標志，在位位運算中，，它作累加加器使用，，在位傳送送、位與和和位或等位位操作中，，都要使用用進位標志志位。(2)AC：輔助助進位標志志進行加法或或減法操作作時，當發(fā)發(fā)生低四位位向高四位位進位或借借位時，AC由硬件置位位，否則AC位被置“0”。在進行行十進制調調整指令時時，將借助助AC狀態(tài)進行判判斷。位序PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0位標志CYACF0RS1RS0OV/ P(3)用戶戶標志位該位為用戶戶定義的狀狀態(tài)標記，，用戶根據據需要用軟軟件對其置置位或清零零，也可以以用軟件測測試F0來來控制程序序的跳轉。。(4)RS1和RS0：寄寄存器區(qū)選選擇控制位位該兩位通過過軟件置““0”或““1”來選選擇當前工工作寄存器器區(qū)。(5)OV：溢出標標志位當執(zhí)行算術術指令時，，由硬件置置位或清零零來指示溢溢出狀態(tài)。。在帶符號號的加減運運算中，OV＝1表表示加減運運算結果超超出了累加加器A所能能表示的符符號數有效效范圍（－－128～～＋127），即運運算結果是是錯誤的，，反之，OV＝0表表示運算正正確，即無無溢出產生生。無符號數乘乘法指令MUL的執(zhí)執(zhí)行結果也也會影響溢溢出標志，，若置于累累加器A和和寄存器B的兩個數數的乘積超超過了255，則OV＝1，，反之OV＝0。由由于乘積的的高8位存存放于B中中，低8位位存放于A中，OV＝0則意意味著只要要從A中取取得乘積即即可，否則則要從BA寄存器對對中取得乘乘積結果。。在除除法法運運算算中中，，DIV指指令令也也會會影影響響溢溢出出標標志志，，當當除除數數為為0時時，，OV＝＝1，，否否則則OV＝＝0。。(6)P：：奇奇偶偶標標志志位位每個個指指令令周周期期由由硬硬件件來來置置位位或或清清零零用用以以表表示示累累加加器器A中中1的的個個數數的的奇奇偶偶性性，，若若累累加加器器中中1的的個個數數為為奇奇數數則則P＝＝1，，否否則則P＝＝0。。l數據據指指針針DPTR數據據指指針針DPTR為為一一個個16位位的的專專用用寄寄存存器器，，其其高高位位用用DPH表表示示，，其其低低位位用用DPL表表示示，，它它即即既既可可以以作作為為一一個個16位位的的寄寄存存器器來來使使用用，，也也可可作作為為兩兩個個8位位的的的的寄寄存存器器DPH和和DPL使使用用。。DPTR在在訪訪問問外外部部數數據據存存儲儲器器時時既既可可用用來來存存放放16位位地地址址，，也也可可作作地地址址指指針針使使用用。。如如MOVX@DPTR，，A。。lI/O端端口口P0～～P3P0～～P3為為四四個個8位位的的特特殊殊功功能能寄寄存存器器，，分分別別是是四四個個并并行行I/O端端口口的的鎖鎖存存器器，，當當I/O端端口口的的某某一一位位用用作作輸輸入入時時，，對對應應的的鎖鎖存存器器必必須須先先置置““1””。。l定時時器器/計計數數器器在MCS－51中，除除8032/8052外都只只有兩兩個16位定時時器/計數器器T0和T1，它們們由兩兩個相相互獨獨立的的8位寄存存器組組成TH和TL，共有有四個個獨立立的寄寄存器器TH0、TL0、TH1和TL1，只可可對這這四個個寄存存器獨獨立尋尋址，，而不不能作作為一一個16位寄存存器來來尋址址。l串行數數據緩緩沖寄寄存器器串行數數據緩緩沖器器SBUF用于于存放放將要要發(fā)送送或已已接收收的數數據，，它由由發(fā)送送緩沖沖器和和接收收緩沖沖器組組成，，將要要發(fā)送送的數數據被被送入入SBUF時進進入發(fā)發(fā)送緩緩沖器器，反反之進進入接接收緩緩沖器器。2.2.2外外部部數據據存儲儲器在MCS－51中，其其片外外數據據存儲儲器和和I/O口與片片內數數據存存儲器器空間間0000FH～FFFFH是重疊疊的。。在8051單片機機中采采用MOV和MOVX兩種指指令來來區(qū)分分片內內外RAM空間，，其中中片內內RAM使用MOV指令，，片外外RAM和I/O口使用用MOVX指令。。2.2.3程程序序存儲儲器在MCS－51系列中中，程程序存存儲器器被用用來存存放程程序、、常數數或表表格等等。在在8051中，其其片內內有4K字節(jié)的的ROM存儲單單元，，地址址為0000H～0FFFH。8751有4K字節(jié)的的EPROM，而8052和8752則有8K字節(jié)的的片內內存儲儲器。。8031和8032無片內內程序序存儲儲器，，所以以片內內程序序存儲儲器的的有無無是區(qū)區(qū)分芯芯片的的主要要標志志。在程序序存儲儲器中中，以以下6個單元元具有有特殊殊含義義：0000H：單片片機復復位后后，PC＝0000H，程序序從0000H開始執(zhí)執(zhí)行指指令。。0003H：外外部中中斷0入口口地址址。000BH：定定時器器0中中斷入入口地地址。。0013H：外外部中中斷1入口口地址址。001BH：定定時器器1中中斷入入口地地址。。0023H：串串行口口中斷斷入口口地址址。在系統統中斷斷相應應之后后，將將自動動轉各各中斷斷入口口地址址處執(zhí)執(zhí)行程程序，，而中中斷服服務程程序一一般無無法存存放于于幾個個單元元之內內，因因此在在中斷斷入口口地址址處往往往存存放一一條無無條件件轉移移指令令進行行跳轉轉，以以便執(zhí)執(zhí)行中中斷服服務程程序。。2.3MCS－－51單片片機輸輸入/輸出出（I/O）口口2.3.1P0口口圖2.6給出了P0口的邏輯輯結構，，它由一一個鎖存存器、兩兩個三態(tài)態(tài)輸入緩緩沖器、、一個多多路復用用開關以以及控制制電路和和驅動電電路等組組成。圖2.6P0口的邏輯輯結構P0口可以作作為輸入入輸出口口，在實實際應用用中它通通常作為為地址/數據復用用總線。。在訪問問外部存存儲器時時，P0口為真正正的雙向向口。2.3.2P1口口P1口是是一個準準雙向口口，通常常作為I/O口口使用，，其位結結構圖如如圖2.7。由由于在其其輸出端端接有上上拉電阻阻，故可可以直接接輸出而而無需外外接上拉拉電阻。。圖2.7位位結結構圖2.3.3P2口口P2口位結構構圖如圖圖2.8。P2通用為一一個準雙雙向口，，其位結結構與P0口相似。。對于8031單片機來來說，P2口通常用用作地址址信號輸輸出。圖2.8P2口位結構構圖2.3.4P3口口P3口的位結結構圖如如圖2.9。P3口為雙功功能口，，當P3口作為通通用I/O口使用時時，它為為準雙向向口，且且每位都都可定義義為輸入入或輸出出口，其其工作原原理同P1口類似。。圖2.9P3口的位結結構圖P3口還還具有第第二功能能，其引引腳描述述如表2-5。。表2-5P3口特殊殊功能口線特殊功能信號名稱P3.0RXD串行輸入口P3.1TXD串行輸出口P3.2外部中斷0輸入口P3.3外部中斷1輸入口P3.4T0定時器0外部輸入口P3.5T1定時器1外部輸入口P3.6WR寫選通輸出口P3.7RD讀選通輸出口2.4單單片片機的工工作方式式2.4.1復復位及及復位電電路在MCS－51中，最常常見的復復位電路路為圖2.10所示的上上電復位位電路，，它能有有效的實實現上電電復位和和手動復復位。RST引腳是復復位信號號輸入端端，復位位信號為為高電平平有效，，其有效效時間應應持續(xù)24個振蕩周周期以上上才能完完成復位位操作，，若使用用6MHz晶振，則則需持續(xù)續(xù)4μS以上才能能完成復復位操作作。圖2.10中，在通通電瞬間間，由于于RC的充電過過程，在在RST端端出現一一定寬度度的正脈脈沖，只只要該正正脈沖保保持10ms以以上，就就能使單單片機自自動復位位，在6MHz時鐘時時，通常常CR取取22μμF，R1取200ΩΩ，R2取1KΩ，這這時能可可靠的上上電復位位和手動動復位。。CPU在第二個個機器周周期內執(zhí)執(zhí)行內部部復位操操作，以以后每個個機器周周期重復復一次，，直至RST端電平變變低。在在單片機機復位期期間，AlE和信信號都不不產生。。復位操操作將對對部分專專用寄存存器產生生影響。圖2.10上電復位位電路2.4.2時時鐘電電路和時時序1.時時鐘電電路根據硬件件電路的的不同，，單片機機的時鐘鐘連接方方式可分分為內部部時鐘方方式和外外部時鐘鐘方式，，如圖2.11所示。（a）內部方方式時鐘鐘電路（b）外接時時鐘電路路圖2.11時鐘電路路2.指指令時時序（1）振振蕩周期期振蕩周期期指為單單片機提提供定時時信號的的振蕩源源的周期期或外部部輸入時時鐘的周周期。（2）時時鐘周期期時鐘周期期又稱作作狀態(tài)周周期或狀狀態(tài)時間間S，它它是振蕩蕩周期的的兩倍，，它分為為P1節(jié)節(jié)拍和P2節(jié)拍拍，通常常在P1節(jié)拍完完成算術術邏輯操操作，在在P2節(jié)節(jié)拍完成成內部寄寄存器之之間的傳傳送操作作。（3）機機器周期期一個機器器周期由由6個狀狀態(tài)組成成，如果果把一條條指令的的執(zhí)行過過程分作作幾個基基本操作作，則將將完成一一個基本本操作所所需的時時間稱作作機器周周期。單單片機的的單周期期指令執(zhí)執(zhí)行時間間就為一一個機器器周期。。（4）指指令周期期指令周期期即執(zhí)行行一條指指令所占占用的全全部時間間，通常常為1～～4個機機器周期期。在圖2.12中給出了了MCS－51單片機的的典型取取指、執(zhí)執(zhí)行時序序。圖2.12MCS－51單片片機機取取指指、、執(zhí)執(zhí)行行時時序序2.4.3單單片片機機的的低低功功耗耗方方式式對于于MCS－－51系系列列機機型型來來說說，，它它們們有有待待機機方方式式和和掉掉電電保保護護方方式式兩兩種種低低功功耗耗方方式式。。通通