材料加工過程的單片機控制81單片機結構及控制系統(tǒng)組成82課件

第八章材料加工過程的單片機控制8.1單片機結構及控制系統(tǒng)組成8.2交流電阻焊單片機控制8.3氣體滲碳爐的單片機控制8.4燃氣加熱爐溫度的單片機控制第八章材料加工過程的單片機控制8.1單片機結構及控制系統(tǒng)18.1單片機結構及控制系統(tǒng)組成MCS-51系列單片機的結構MCS是Intel公司單片機的系列符號。Intel推出有MCS-48、MCS-51、MCS-96系列單片機。MCS-51系列包括三個基本型8031、8051、8751，以及對應的低功耗型號80C31、80C51、87C51，因而MCS-51特指Intel的這幾種型號。20世紀80年代中期以后，Intel以專利轉讓的形式把8051內(nèi)核給了許多半導體廠家，這些廠家生產(chǎn)的芯片是MCS-51系列的兼容產(chǎn)品，準確地說是與MCS-51指令系統(tǒng)兼容的單片機。這些單片機與8051的系統(tǒng)結構（主要是指令系統(tǒng)）相同，采用CMOS工藝，因而常用80C51系列來稱呼所有具有8051指令系統(tǒng)的單片機。他們對8051一般都作了一些擴充，更有特點、功能更強、市場競爭力更強。8051是MCS-51系列單片機的典型產(chǎn)品，我們以這一代表性的機型進行系統(tǒng)的講解。8.1單片機結構及控制系統(tǒng)組成MCS-51系列單片機的結構21.8051單片機的內(nèi)部結構8051單片機包含中央處理器、程序存儲器(ROM)、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、定時/計數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線，現(xiàn)在我們分別加以說明：1.8051單片機的內(nèi)部結構8051單片機包含中央處理器、3材料加工過程的單片機控制81單片機結構及控制系統(tǒng)組成82課件4材料加工過程的單片機控制81單片機結構及控制系統(tǒng)組成82課件5中央處理器(CPU)：是整個單片機的核心部件，是8位數(shù)據(jù)寬度的處理器，能處理8位二進制數(shù)據(jù)或代碼，CPU負責控制、指揮和調(diào)度整個單元系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作，完成加減乘除及邏輯運算和控制輸入輸出功能等操作。

·數(shù)據(jù)存儲器(RAM)：

8051內(nèi)部有128個8位用戶數(shù)據(jù)存儲單元和128個專用寄存器單元，它們是統(tǒng)一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù)，用戶只能訪問，而不能用于存放用戶數(shù)據(jù)，所以，用戶能使用的的RAM只有128個，可存放讀寫的數(shù)據(jù)，運算的中間結果或用戶定義的字型表。

中央處理器(CPU)：是整個單片機的核心部件，是8位數(shù)據(jù)寬度6程序存儲器(ROM)：

8051共有4096個8位掩膜ROM，用于存放用戶程序，原始數(shù)據(jù)或表格。定時/計數(shù)器(ROM)：

8051有兩個16位的可編程定時/計數(shù)器，以實現(xiàn)定時或計數(shù)產(chǎn)生中斷用于控制程序轉向。并行輸入輸出(I/O)口：

8051共有4組8位I/O口(P0、P1、P2或P3)，用于對外部數(shù)據(jù)的傳輸。全雙工串行口：

8051內(nèi)置一個全雙工串行通信口，用于與其它設備間的串行數(shù)據(jù)傳送，該串行口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以當同步移位器使用。中斷系統(tǒng)：

8051具備較完善的中斷功能，有兩個外中斷、兩個定時/計數(shù)器中斷和一個串行中斷，可滿足不同的控制要求，并具有2級的優(yōu)先級別選擇。程序存儲器(ROM)：

8051共有4096個8位掩膜ROM7時鐘電路：

8051內(nèi)置最高頻率達12MHz的時鐘電路，用于產(chǎn)生整個單片機運行的脈沖時序，但8051單片機需外置振蕩電容。單片機的結構有兩種類型，一種是程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開的形式，即哈佛(Harvard)結構，另一種是采用通用計算機廣泛使用的程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器合二為一的結構，即普林斯頓(Princeton)結構。INTEL的MCS-51系列單片機采用的是哈佛結構的形式，而后續(xù)產(chǎn)品16位的MCS-96系列單片機則采用普林斯頓結構。時鐘電路：

8051內(nèi)置最高頻率達12MHz的時鐘電8MCS-51的引腳說明：MCS-51系列單片機中的8031、8051及8751均采用40Pin封裝的雙列直接DIP結構，右圖是它們的引腳配置，40個引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時鐘線兩根，4組8位共32個I/O口，中斷口線與P3口線復用?，F(xiàn)在我們對這些引腳的功能加以說明：MCS-51的引腳說明：920:接地腳。40:正電源腳，正常工作或對片內(nèi)EPROM燒寫程序時，接+5V電源。19:時鐘XTAL1腳，片內(nèi)振蕩電路的輸入端。18:時鐘XTAL2腳，片內(nèi)振蕩電路的輸出端。8051的時鐘有兩種方式，一種是片內(nèi)時鐘振蕩方式，但需在18和19腳外接石英晶體(2-12MHz)和振蕩電容，振蕩電容的值一般取10p-30p。另外一種是外部時鐘方式，即將XTAL1接地，外部時鐘信號從XTAL2腳輸入。20:接地腳。10材料加工過程的單片機控制81單片機結構及控制系統(tǒng)組成82課件11材料加工過程的單片機控制81單片機結構及控制系統(tǒng)組成82課件129:RESET/Vpd復位信號復用腳，當8051通電，時鐘電路開始工作，在RESET引腳上出現(xiàn)24個時鐘周期以上的高電平，系統(tǒng)即初始復位。初始化后，程序計數(shù)器PC指向0000H，P0-P3輸出口全部為高電平，堆棧指鐘寫入07H，其它專用寄存器被清“0”。RESET由高電平下降為低電平后，系統(tǒng)即從0000H地址開始執(zhí)行程序。然而，初始復位不改變RAM（包括工作寄存器R0-R7）的狀態(tài)，

8051的復位方式可以是自動復位，也可以是手動復位，見下圖。此外，RESET/Vpd還是一復用腳，Vcc掉電其間，此腳可接上備用電源，以保證單片機內(nèi)部RAM的數(shù)據(jù)不丟失。9:RESET/Vpd復位信號復用腳，當8051通電，時鐘電13程序存儲器

一個微處理器能夠聰明地執(zhí)行某種任務，除了它們強大的硬件外，還需要它們運行的軟件，其實微處理器并不聰明，它們只是完全按照人們預先編寫的程序而執(zhí)行之。那么設計人員編寫的程序就存放在微處理器的程序存儲器中，俗稱只讀程序存儲器（ROM）。程序相當于給微處理器處理問題的一系列命令。其實程序和數(shù)據(jù)一樣，都是由機器碼組成的代碼串。只是程序代碼則存放于程序存儲器中。

MCS-51具有64kB程序存儲器尋址空間，它是用于存放用戶程序、數(shù)據(jù)和表格等信息。對于內(nèi)部無ROM的8031單片機，它的程序存儲器必須外接，空間地址為64kB，此時單片機的EA-端必須接地。強制CPU從外部程序存儲器讀取程序。對于內(nèi)部有ROM的8051等單片機，正常運行時，EA-則需接高電平，使CPU先從內(nèi)部的程序存儲中讀取程序，當PC值超過內(nèi)部ROM的容量時，才會轉向外部的程序存儲器讀取程序。

程序存儲器

一個微處理器能夠聰明地執(zhí)行某種任務，除了148051片內(nèi)有4kB的程序存儲單元，其地址為0000H—0FFFH，單片機啟動復位后，程序計數(shù)器的內(nèi)容為0000H，所以系統(tǒng)將從0000H單元開始執(zhí)行程序。但在程序存儲中有些特殊的單元，這在使用中應加以注意：

其中一組特殊是0000H—0002H單元，系統(tǒng)復位后，PC為0000H，單片機從0000H單元開始執(zhí)行程序，如果程序不是從0000H單元開始，則應在這三個單元中存放一條無條件轉移指令，讓CPU直接去執(zhí)行用戶指定的程序。

另一組特殊單元是0003H—002AH，這40個單元各有用途，它們被均勻地分為五段，它們的定義如下：

0003H—000AH

外部中斷0中斷地址區(qū)。

000BH—0012H

定時/計數(shù)器0中斷地址區(qū)。

0013H—001AH

外部中斷1中斷地址區(qū)。

001BH—0022H

定時/計數(shù)器1中斷地址區(qū)。

0023H—002AH

串行中斷地址區(qū)。

8051片內(nèi)有4kB的程序存儲單元，其地址為0000H—0F15可見以上的40個單元是專門用于存放中斷處理程序的地址單元，中斷響應后，按中斷的類型，自動轉到各自的中斷區(qū)去執(zhí)行程序。因此以上地址單元不能用于存放程序的其他內(nèi)容，只能存放中斷服務程序。但是通常情況下，每段只有8個地址單元是不能存下完整的中斷服務程序的，因而一般也在中斷響應的地址區(qū)安放一條無條件轉移指令，指向程序存儲器的其它真正存放中斷服務程序的空間去執(zhí)行,這樣中斷響應后，CPU讀到這條轉移指令，便轉向其他地方去繼續(xù)執(zhí)行中斷服務程序。可見以上的40個單元是專門用于存放中斷處理程序的地址單元，中16數(shù)據(jù)存儲器

數(shù)據(jù)存儲器也稱為隨機存取數(shù)據(jù)存儲器。MCS-51單片機的數(shù)據(jù)存儲器在物理上和邏輯上都分為兩個地址空間，一個是內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲區(qū)和一個外部數(shù)據(jù)存儲區(qū)。MCS-51內(nèi)部RAM有128或256個字節(jié)的用戶數(shù)據(jù)存儲（不同的型號有分別），它們是用于存放執(zhí)行的中間結果和過程數(shù)據(jù)的。MCS-51的數(shù)據(jù)存儲器均可讀寫，部分單元還可以位尋址。數(shù)據(jù)存儲器

數(shù)據(jù)存儲器也稱為隨機存取數(shù)據(jù)存儲器。MCS-51178051內(nèi)部RAM共有256個單元，這256個單元共分為兩部分。其一是地址從00H—7FH單元（共128個字節(jié)）為用戶數(shù)據(jù)RAM。從80H—FFH地址單元（也是128個字節(jié)）為特殊寄存器（SFR）單元。內(nèi)部RAM的20H—2FH單元為位尋址區(qū)，既可作為一般單元用字節(jié)尋址，也可對它們的位進行尋址。位尋址區(qū)共有16個字節(jié)，128個位，位地址為00H—7FH。CPU能直接尋址這些位，執(zhí)行例如置“1”、清“0”、求“反”、轉移，傳送和邏輯等操作。我們常稱MCS-51具有布爾處理功能，布爾處理的存儲空間指的就是這些為尋址區(qū)。

8051內(nèi)部RAM共有256個單元，這256個單元共分為兩部18

特殊功能寄存器（SFR）也稱為專用寄存器，特殊功能寄存器反映了MCS-51單片機的運行狀態(tài)。很多功能也通過特殊功能寄存器來定義和控制程序的執(zhí)行。

MCS-51有21個特殊功能寄存器，它們被離散地分布在內(nèi)部RAM的80H—FFH地址中，這些寄存的功能已作了專門的規(guī)定，用戶不能修改其結構。表2是特殊功能寄存器分布一覽表，我們對其主要的寄存器作一些簡單的介紹。

特殊功能寄存器（SFR）也稱為專用寄存器，特殊功能寄存器19

程序計數(shù)器PC(programCounter)

程序計數(shù)器在物理上是獨立的，它不屬于特殊內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器塊中。PC是一個16位的計數(shù)器，用于存放一條要執(zhí)行的指令地址，尋址范圍為64kB，PC有自動加1功能，即完成了一條指令的執(zhí)行后，其內(nèi)容自動加1，程序執(zhí)行到什么地方，程序計數(shù)器PC就指到哪里。PC本身并沒有地址，因而不可尋址，用戶無法對它進行讀寫，但是可以通過轉移、調(diào)用、返回等指令改變其內(nèi)容，以控制程序按我們的要求去執(zhí)行。

程序計數(shù)器PC(programCounter)

20累加器ACC(Accumulator)

累加器A是一個最常用的專用寄存器，大部分單操作指令的一個操作數(shù)取自累加器，很多雙操作數(shù)指令中的一個操作數(shù)也取自累加器。加、減、乘、除法運算的指令，運算結果都存放于累加器A或AB累加器對中。大部分的數(shù)據(jù)操作都會通過累加器A進行，它形象于一個交通要道，在程序比較復雜的運算中，累加器成了制約軟件效率的“瓶頸”，它的功能較多，地位也十分重要。以至于后來發(fā)展的單片機，有的集成了多累加器結構，或者使用寄存器陣列來代替累加器，即賦予更多寄存器以累加器的功能，目的是解決累加器的“交通堵塞”問題。提高單片機的軟件效率。寄存器B

在乘除法指令中，乘法指令中的兩個操作數(shù)分別取自累加器A和寄存器B，其結果存放于AB寄存器對中。除法指令中，被除數(shù)取自累加器A，除數(shù)取自寄存器B，結果商存放于累加器A，余數(shù)存放于寄存器B中。累加器ACC(Accumulator)

累加器A是一21

程序狀態(tài)字(ProgramStatusWord)

程序狀態(tài)字是一個8位寄存器，用于存放程序運行的狀態(tài)信息，這個寄存器的一些位可由軟件設置，有些位則由硬件運行時自動設置的。PSW用來存放兩類信息：一類是體現(xiàn)當前指令執(zhí)行結果的各種狀態(tài)信息，如有無進位（CY位），有無溢出（OV位），奇偶標志位（P位）等；另一類是存放控制信息，如允許中斷(IF位)，跟蹤標志（TF位）等。有些機器中將PSW稱為標志寄存器FR（FlagRegister）。寄存器的各位定義如下，其中PSW.1是保留位，未使用。下表是它的功能說明，并對各個位的定義介紹如下：

程序狀態(tài)字(ProgramStatusWord)

22PSW.7（CY）

進位標志位，此位有兩個功能：一是存放執(zhí)行某寫算數(shù)運算時，存放進位標志，可被硬件或軟件置位或清零。二是在位操作中作累加位使用。PSW.6（AC）

輔助進位標志位，當進行加、減運算時當有低4位向高4位進位或借位時，AC置位，否則被清零。AC輔助進位位也常用于十進制調(diào)整。PSW.5（F0）

用戶標志位，供用戶設置的標志位。PSW.4、PSW.3（RS1和RS0）

寄存器組選擇位。PSW.2（OV）

溢出標志。帶符號加減運算中，超出了累加器A所能表示的符號數(shù)有效范圍（-128—+127）時，即產(chǎn)生溢出，OV=1。表明運算運算結果錯誤。如果OV=0，表明運算結果正確。

PSW.0（P）

奇偶校驗位。聲明累加器A的奇偶性，

PSW.7（CY）

進位標志位，此位有兩個功能：一是存放執(zhí)行23

數(shù)據(jù)指針(DPTR)

數(shù)據(jù)指針為16位寄存器，編程時，既可以按16位寄存器來使用，也可以按兩個8位寄存器來使用，即高位字節(jié)寄存器DPH和低位字節(jié)DPL。

DPTR主要是用來保存16位地址，當對64kB外部數(shù)據(jù)存儲器尋址時，可作為間址寄存器使用，此時，使用如下兩條指令：

MOVX

A,

@DPTR

MOVX

@DPTR,

A

在訪問程序存儲器時，DPTR可用來作基址寄存器，采用基址+變址尋址方式訪問程序存儲器，這條指令常用于讀取程序存儲器內(nèi)的表格數(shù)據(jù)。

MOVC

A,

@A+@DPTR

數(shù)據(jù)指針(DPTR)

數(shù)據(jù)指針為16位寄存器，編程24

堆棧指針SP(StackPointer)

堆棧是一種數(shù)據(jù)結構，它是一個8位寄存器，它指示堆棧頂部在內(nèi)部RAM中的位置。系統(tǒng)復位后，SP的初始值為07H，使得堆棧實際上是從08H開始的。但我們從RAM的結構分布中可知，08H—1FH隸屬1—3工作寄存器區(qū)，若編程時需要用到這些數(shù)據(jù)單元，必須對堆棧指針SP進行初始化，原則上設在任何一個區(qū)域均可，但一般設在30H—1FH之間較為適宜。

數(shù)據(jù)的寫入堆棧我們稱為入棧（PUSH，有些文獻也稱作插入運算或壓入），從堆棧中取出數(shù)據(jù)稱為出棧（POP，也稱為刪除運算或彈出），堆棧的最主要特征是“后進先出”規(guī)則，也即最先入棧的數(shù)據(jù)放在堆棧的最底部，而最后入棧的數(shù)據(jù)放在棧的頂部，因此，最后入棧的數(shù)據(jù)出棧時則是最先的。

堆棧指針SP(StackPointer)

堆棧25堆棧的設立是為了中斷操作和子程序的調(diào)用而用于保存數(shù)據(jù)的，即常說的斷點保護和現(xiàn)場保護。微處理器無論是在轉入子程序和中斷服務程序的執(zhí)行，執(zhí)行完后，還是要回到主程序中來，在轉入子程序和中斷服務程序前，必須先將現(xiàn)場的數(shù)據(jù)進行保存起來，否則返回時，CPU并不知道原來的程序執(zhí)行到哪一步，原來的中間結果如何？所以在轉入執(zhí)行其它子程序前，先將需要保存的數(shù)據(jù)壓入堆棧中保存。以備返回時，再復原當時的數(shù)據(jù)。供主程序繼續(xù)執(zhí)行。轉入中斷服務程序或子程序時，需要保存的數(shù)據(jù)可能有若干個，都需要一一地保留。如果微處理器進行多重子程序或中斷服務程序嵌套，那么需保存的數(shù)據(jù)就更多，這要求堆棧還需要有相當?shù)娜萘?。否則會造成堆棧溢出，丟失應備份的數(shù)據(jù)。輕者使運算和執(zhí)行結果錯誤，重則使整個程序紊亂。

堆棧的設立是為了中斷操作和子程序的調(diào)用而用于保存數(shù)據(jù)的，即常26

MCS-51的堆棧是在RAM中開辟的，即堆棧要占據(jù)一定的RAM存儲單元。同時MCS-51的堆?？梢杂捎脩粼O置，SP的初始值不同，堆棧的位置則不一定，不同的設計人員，使用的堆棧區(qū)則不同，不同的應用要求，堆棧要求的容量也有所不同。堆棧的操作只有兩種，即進棧和出棧，但不管是向堆棧寫入數(shù)據(jù)還是從堆棧中讀出數(shù)據(jù)，都是對棧頂單元進行的，SP就是即時指示出棧頂?shù)奈恢茫吹刂罚?。在子程序調(diào)用和中斷服務程序響應的開始和結束期間，CPU都是根據(jù)SP指示的地址與相應的RAM存儲單元交換數(shù)據(jù)。

堆棧的操作有兩種方法：其一是自動方式，即在中斷服務程序響應或子程序調(diào)用時，返回地址自動進棧。當需要返回執(zhí)行主程序時，返回的地址自動交給PC，以保證程序從斷點處繼續(xù)執(zhí)行，這種方式是不需要編程人員干預的。第二種方式是人工指令方式，使用專有的堆棧操作指令進行進出棧操作，也只有兩條指令：進棧為PUSH指令，在中斷服務程序或子程序調(diào)用時作為現(xiàn)場保護。出棧操作POP指令，用于子程序完成時，為主程序恢復現(xiàn)場。

MCS-51的堆棧是在RAM中開辟的，即堆棧要占據(jù)一定的R27

I/O口專用寄存器(P0、P1、P2、P3)

I/O口寄存器P0、P1、P2和P3分別是MCS-51單片機的四組I/O口鎖存器。MCS-51單片機并沒有專門的I/O口操作指令，而是把I/O口也當作一般的寄存器來使用，數(shù)據(jù)傳送都統(tǒng)一使用MOV指令來進行，這樣的好處在于，四組I/O口還可以當作寄存器直接尋址方式參與其他操作。

定時/計數(shù)器(TL0、TH0、TL1和TH1)

MCS-51單片機中有兩個16位的定時/計數(shù)器T0和T1，它們由四個8位寄存器組成的，兩個16位定時/計數(shù)器卻是完全獨立的。我們可以單獨對這四個寄存器進行尋址，但不能把T0和T1當作16位寄存來使用。

定時/計數(shù)器方式選擇寄存器(TMOD)

TMOD寄存器是一個專用寄存器，用于控制兩個定時計數(shù)器的工作方式，TMOD可以用字節(jié)傳送指令設置其內(nèi)容，但不能位尋址，各位的定義如下

I/O口專用寄存器(P0、P1、P2、P3)28材料加工過程的單片機控制81單片機結構及控制系統(tǒng)組成82課件29材料加工過程的單片機控制81單片機結構及控制系統(tǒng)組成82課件30材料加工過程的單片機控制81單片機結構及控制系統(tǒng)組成82課件31材料加工過程的單片機控制81單片機結構及控制系統(tǒng)組成82課件32材料加工過程的單片機控制81單片機結構及控制系統(tǒng)組成82課件33注意：在不外擴ROM/RAM時，P0～P3均可作通用I/O口使用，而且都是準雙向I/O口！注意：在不外擴ROM/RAM時，P0～P3均可作通用I/O口34材料加工過程的單片機控制81單片機結構及控制系統(tǒng)組成82課件3551單片機外部程序存儲器(ROM)和外部數(shù)據(jù)存儲器(RAM)的總線擴展電路圖51單片機外部程序存儲器(ROM)和外部數(shù)據(jù)存儲器(RAM)36材料加工過程的單片機控制81單片機結構及控制系統(tǒng)組成82課件37材料加工過程的單片機控制81單片機結構及控制系統(tǒng)組成82課件38材料加工過程的單片機控制81單片機結構及控制系統(tǒng)組成82課件39材料加工過程的單片機控制81單片機結構及控制系統(tǒng)組成82課件40材料加工過程的單片機控制81單片機結構及控制系統(tǒng)組成82課件41材料加工過程的單片機控制81單片機結構及控制系統(tǒng)組成82課件42材料加工過程的單片機控制81單片機結構及控制系統(tǒng)組成82課件43材料加工過程的單片機控制81單片機結構及控制系統(tǒng)組成82課件44材料加工過程的單片機控制81單片機結構及控制系統(tǒng)組成82課件45材料加工過程的單片機控制81單片機結構及控制系統(tǒng)組成82課件46材料加工過程的單片機控制81單片機結構及控制系統(tǒng)組成82課件47材料加工過程的單片機控制81單片機結構及控制系統(tǒng)組成82課件48材料加工過程的單片機控制81單片機結構及控制系統(tǒng)組成82課件49材料加工過程的單片機控制81單片機結構及控制系統(tǒng)組成82課件50用8051單片機控制報警聲產(chǎn)生實例1．實驗任務用P1.0輸出1KHz和500Hz的音頻信號驅動揚聲器，作報警信號，要求1KHz信號響100ms，500Hz信號響200ms,交替進行，P1.7接一開關進行控制，當開關合上響報警信號，當開關斷開告警信號停止，編出程序。用8051單片機控制報警聲產(chǎn)生實例1．實驗任務512．電路原理圖2．電路原理圖52“單片機系統(tǒng)”區(qū)域中的P1.0端口用導線連接到“音頻放大模塊”區(qū)域中的SPKIN端口上；在“音頻放大模塊”區(qū)域中的SPKOUT端口上接上一個8歐的或者是16歐的喇叭；把“單片機系統(tǒng)”區(qū)域中的P1.7/RD端口用導線連接到“四路撥動開關”區(qū)域中的K1端口上；“單片機系統(tǒng)”區(qū)域中的P1.0端口用導線連接到“音頻放大模塊53步進電機驅動實例接線圖步進電機驅動實例接線圖54第八章材料加工過程的單片機控制8.1單片機結構及控制系統(tǒng)組成8.2交流電阻焊單片機控制8.3氣體滲碳爐的單片機控制8.4燃氣加熱爐溫度的單片機控制第八章材料加工過程的單片機控制8.1單片機結構及控制系統(tǒng)558.1單片機結構及控制系統(tǒng)組成MCS-51系列單片機的結構MCS是Intel公司單片機的系列符號。Intel推出有MCS-48、MCS-51、MCS-96系列單片機。MCS-51系列包括三個基本型8031、8051、8751，以及對應的低功耗型號80C31、80C51、87C51，因而MCS-51特指Intel的這幾種型號。20世紀80年代中期以后，Intel以專利轉讓的形式把8051內(nèi)核給了許多半導體廠家，這些廠家生產(chǎn)的芯片是MCS-51系列的兼容產(chǎn)品，準確地說是與MCS-51指令系統(tǒng)兼容的單片機。這些單片機與8051的系統(tǒng)結構（主要是指令系統(tǒng)）相同，采用CMOS工藝，因而常用80C51系列來稱呼所有具有8051指令系統(tǒng)的單片機。他們對8051一般都作了一些擴充，更有特點、功能更強、市場競爭力更強。8051是MCS-51系列單片機的典型產(chǎn)品，我們以這一代表性的機型進行系統(tǒng)的講解。8.1單片機結構及控制系統(tǒng)組成MCS-51系列單片機的結構561.8051單片機的內(nèi)部結構8051單片機包含中央處理器、程序存儲器(ROM)、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、定時/計數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線，現(xiàn)在我們分別加以說明：1.8051單片機的內(nèi)部結構8051單片機包含中央處理器、57材料加工過程的單片機控制81單片機結構及控制系統(tǒng)組成82課件58材料加工過程的單片機控制81單片機結構及控制系統(tǒng)組成82課件59中央處理器(CPU)：是整個單片機的核心部件，是8位數(shù)據(jù)寬度的處理器，能處理8位二進制數(shù)據(jù)或代碼，CPU負責控制、指揮和調(diào)度整個單元系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作，完成加減乘除及邏輯運算和控制輸入輸出功能等操作。

·數(shù)據(jù)存儲器(RAM)：

8051內(nèi)部有128個8位用戶數(shù)據(jù)存儲單元和128個專用寄存器單元，它們是統(tǒng)一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù)，用戶只能訪問，而不能用于存放用戶數(shù)據(jù)，所以，用戶能使用的的RAM只有128個，可存放讀寫的數(shù)據(jù)，運算的中間結果或用戶定義的字型表。

中央處理器(CPU)：是整個單片機的核心部件，是8位數(shù)據(jù)寬度60程序存儲器(ROM)：

8051共有4096個8位掩膜ROM，用于存放用戶程序，原始數(shù)據(jù)或表格。定時/計數(shù)器(ROM)：

8051有兩個16位的可編程定時/計數(shù)器，以實現(xiàn)定時或計數(shù)產(chǎn)生中斷用于控制程序轉向。并行輸入輸出(I/O)口：

8051共有4組8位I/O口(P0、P1、P2或P3)，用于對外部數(shù)據(jù)的傳輸。全雙工串行口：

8051內(nèi)置一個全雙工串行通信口，用于與其它設備間的串行數(shù)據(jù)傳送，該串行口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以當同步移位器使用。中斷系統(tǒng)：

8051具備較完善的中斷功能，有兩個外中斷、兩個定時/計數(shù)器中斷和一個串行中斷，可滿足不同的控制要求，并具有2級的優(yōu)先級別選擇。程序存儲器(ROM)：

8051共有4096個8位掩膜ROM61時鐘電路：

8051內(nèi)置最高頻率達12MHz的時鐘電路，用于產(chǎn)生整個單片機運行的脈沖時序，但8051單片機需外置振蕩電容。單片機的結構有兩種類型，一種是程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開的形式，即哈佛(Harvard)結構，另一種是采用通用計算機廣泛使用的程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器合二為一的結構，即普林斯頓(Princeton)結構。INTEL的MCS-51系列單片機采用的是哈佛結構的形式，而后續(xù)產(chǎn)品16位的MCS-96系列單片機則采用普林斯頓結構。時鐘電路：

8051內(nèi)置最高頻率達12MHz的時鐘電62MCS-51的引腳說明：MCS-51系列單片機中的8031、8051及8751均采用40Pin封裝的雙列直接DIP結構，右圖是它們的引腳配置，40個引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時鐘線兩根，4組8位共32個I/O口，中斷口線與P3口線復用?，F(xiàn)在我們對這些引腳的功能加以說明：MCS-51的引腳說明：6320:接地腳。40:正電源腳，正常工作或對片內(nèi)EPROM燒寫程序時，接+5V電源。19:時鐘XTAL1腳，片內(nèi)振蕩電路的輸入端。18:時鐘XTAL2腳，片內(nèi)振蕩電路的輸出端。8051的時鐘有兩種方式，一種是片內(nèi)時鐘振蕩方式，但需在18和19腳外接石英晶體(2-12MHz)和振蕩電容，振蕩電容的值一般取10p-30p。另外一種是外部時鐘方式，即將XTAL1接地，外部時鐘信號從XTAL2腳輸入。20:接地腳。64材料加工過程的單片機控制81單片機結構及控制系統(tǒng)組成82課件65材料加工過程的單片機控制81單片機結構及控制系統(tǒng)組成82課件669:RESET/Vpd復位信號復用腳，當8051通電，時鐘電路開始工作，在RESET引腳上出現(xiàn)24個時鐘周期以上的高電平，系統(tǒng)即初始復位。初始化后，程序計數(shù)器PC指向0000H，P0-P3輸出口全部為高電平，堆棧指鐘寫入07H，其它專用寄存器被清“0”。RESET由高電平下降為低電平后，系統(tǒng)即從0000H地址開始執(zhí)行程序。然而，初始復位不改變RAM（包括工作寄存器R0-R7）的狀態(tài)，

8051的復位方式可以是自動復位，也可以是手動復位，見下圖。此外，RESET/Vpd還是一復用腳，Vcc掉電其間，此腳可接上備用電源，以保證單片機內(nèi)部RAM的數(shù)據(jù)不丟失。9:RESET/Vpd復位信號復用腳，當8051通電，時鐘電67程序存儲器

一個微處理器能夠聰明地執(zhí)行某種任務，除了它們強大的硬件外，還需要它們運行的軟件，其實微處理器并不聰明，它們只是完全按照人們預先編寫的程序而執(zhí)行之。那么設計人員編寫的程序就存放在微處理器的程序存儲器中，俗稱只讀程序存儲器（ROM）。程序相當于給微處理器處理問題的一系列命令。其實程序和數(shù)據(jù)一樣，都是由機器碼組成的代碼串。只是程序代碼則存放于程序存儲器中。

MCS-51具有64kB程序存儲器尋址空間，它是用于存放用戶程序、數(shù)據(jù)和表格等信息。對于內(nèi)部無ROM的8031單片機，它的程序存儲器必須外接，空間地址為64kB，此時單片機的EA-端必須接地。強制CPU從外部程序存儲器讀取程序。對于內(nèi)部有ROM的8051等單片機，正常運行時，EA-則需接高電平，使CPU先從內(nèi)部的程序存儲中讀取程序，當PC值超過內(nèi)部ROM的容量時，才會轉向外部的程序存儲器讀取程序。

程序存儲器

一個微處理器能夠聰明地執(zhí)行某種任務，除了688051片內(nèi)有4kB的程序存儲單元，其地址為0000H—0FFFH，單片機啟動復位后，程序計數(shù)器的內(nèi)容為0000H，所以系統(tǒng)將從0000H單元開始執(zhí)行程序。但在程序存儲中有些特殊的單元，這在使用中應加以注意：

其中一組特殊是0000H—0002H單元，系統(tǒng)復位后，PC為0000H，單片機從0000H單元開始執(zhí)行程序，如果程序不是從0000H單元開始，則應在這三個單元中存放一條無條件轉移指令，讓CPU直接去執(zhí)行用戶指定的程序。

另一組特殊單元是0003H—002AH，這40個單元各有用途，它們被均勻地分為五段，它們的定義如下：

0003H—000AH

外部中斷0中斷地址區(qū)。

000BH—0012H

定時/計數(shù)器0中斷地址區(qū)。

0013H—001AH

外部中斷1中斷地址區(qū)。

001BH—0022H

定時/計數(shù)器1中斷地址區(qū)。

0023H—002AH

串行中斷地址區(qū)。

8051片內(nèi)有4kB的程序存儲單元，其地址為0000H—0F69可見以上的40個單元是專門用于存放中斷處理程序的地址單元，中斷響應后，按中斷的類型，自動轉到各自的中斷區(qū)去執(zhí)行程序。因此以上地址單元不能用于存放程序的其他內(nèi)容，只能存放中斷服務程序。但是通常情況下，每段只有8個地址單元是不能存下完整的中斷服務程序的，因而一般也在中斷響應的地址區(qū)安放一條無條件轉移指令，指向程序存儲器的其它真正存放中斷服務程序的空間去執(zhí)行,這樣中斷響應后，CPU讀到這條轉移指令，便轉向其他地方去繼續(xù)執(zhí)行中斷服務程序?？梢娨陨系?0個單元是專門用于存放中斷處理程序的地址單元，中70數(shù)據(jù)存儲器

數(shù)據(jù)存儲器也稱為隨機存取數(shù)據(jù)存儲器。MCS-51單片機的數(shù)據(jù)存儲器在物理上和邏輯上都分為兩個地址空間，一個是內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲區(qū)和一個外部數(shù)據(jù)存儲區(qū)。MCS-51內(nèi)部RAM有128或256個字節(jié)的用戶數(shù)據(jù)存儲（不同的型號有分別），它們是用于存放執(zhí)行的中間結果和過程數(shù)據(jù)的。MCS-51的數(shù)據(jù)存儲器均可讀寫，部分單元還可以位尋址。數(shù)據(jù)存儲器

數(shù)據(jù)存儲器也稱為隨機存取數(shù)據(jù)存儲器。MCS-51718051內(nèi)部RAM共有256個單元，這256個單元共分為兩部分。其一是地址從00H—7FH單元（共128個字節(jié)）為用戶數(shù)據(jù)RAM。從80H—FFH地址單元（也是128個字節(jié)）為特殊寄存器（SFR）單元。內(nèi)部RAM的20H—2FH單元為位尋址區(qū)，既可作為一般單元用字節(jié)尋址，也可對它們的位進行尋址。位尋址區(qū)共有16個字節(jié)，128個位，位地址為00H—7FH。CPU能直接尋址這些位，執(zhí)行例如置“1”、清“0”、求“反”、轉移，傳送和邏輯等操作。我們常稱MCS-51具有布爾處理功能，布爾處理的存儲空間指的就是這些為尋址區(qū)。

8051內(nèi)部RAM共有256個單元，這256個單元共分為兩部72

特殊功能寄存器（SFR）也稱為專用寄存器，特殊功能寄存器反映了MCS-51單片機的運行狀態(tài)。很多功能也通過特殊功能寄存器來定義和控制程序的執(zhí)行。

MCS-51有21個特殊功能寄存器，它們被離散地分布在內(nèi)部RAM的80H—FFH地址中，這些寄存的功能已作了專門的規(guī)定，用戶不能修改其結構。表2是特殊功能寄存器分布一覽表，我們對其主要的寄存器作一些簡單的介紹。

特殊功能寄存器（SFR）也稱為專用寄存器，特殊功能寄存器73

程序計數(shù)器PC(programCounter)

程序計數(shù)器在物理上是獨立的，它不屬于特殊內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器塊中。PC是一個16位的計數(shù)器，用于存放一條要執(zhí)行的指令地址，尋址范圍為64kB，PC有自動加1功能，即完成了一條指令的執(zhí)行后，其內(nèi)容自動加1，程序執(zhí)行到什么地方，程序計數(shù)器PC就指到哪里。PC本身并沒有地址，因而不可尋址，用戶無法對它進行讀寫，但是可以通過轉移、調(diào)用、返回等指令改變其內(nèi)容，以控制程序按我們的要求去執(zhí)行。

程序計數(shù)器PC(programCounter)

74累加器ACC(Accumulator)

累加器A是一個最常用的專用寄存器，大部分單操作指令的一個操作數(shù)取自累加器，很多雙操作數(shù)指令中的一個操作數(shù)也取自累加器。加、減、乘、除法運算的指令，運算結果都存放于累加器A或AB累加器對中。大部分的數(shù)據(jù)操作都會通過累加器A進行，它形象于一個交通要道，在程序比較復雜的運算中，累加器成了制約軟件效率的“瓶頸”，它的功能較多，地位也十分重要。以至于后來發(fā)展的單片機，有的集成了多累加器結構，或者使用寄存器陣列來代替累加器，即賦予更多寄存器以累加器的功能，目的是解決累加器的“交通堵塞”問題。提高單片機的軟件效率。寄存器B

在乘除法指令中，乘法指令中的兩個操作數(shù)分別取自累加器A和寄存器B，其結果存放于AB寄存器對中。除法指令中，被除數(shù)取自累加器A，除數(shù)取自寄存器B，結果商存放于累加器A，余數(shù)存放于寄存器B中。累加器ACC(Accumulator)

累加器A是一75

程序狀態(tài)字(ProgramStatusWord)

程序狀態(tài)字是一個8位寄存器，用于存放程序運行的狀態(tài)信息，這個寄存器的一些位可由軟件設置，有些位則由硬件運行時自動設置的。PSW用來存放兩類信息：一類是體現(xiàn)當前指令執(zhí)行結果的各種狀態(tài)信息，如有無進位（CY位），有無溢出（OV位），奇偶標志位（P位）等；另一類是存放控制信息，如允許中斷(IF位)，跟蹤標志（TF位）等。有些機器中將PSW稱為標志寄存器FR（FlagRegister）。寄存器的各位定義如下，其中PSW.1是保留位，未使用。下表是它的功能說明，并對各個位的定義介紹如下：

程序狀態(tài)字(ProgramStatusWord)

76PSW.7（CY）

進位標志位，此位有兩個功能：一是存放執(zhí)行某寫算數(shù)運算時，存放進位標志，可被硬件或軟件置位或清零。二是在位操作中作累加位使用。PSW.6（AC）

輔助進位標志位，當進行加、減運算時當有低4位向高4位進位或借位時，AC置位，否則被清零。AC輔助進位位也常用于十進制調(diào)整。PSW.5（F0）

用戶標志位，供用戶設置的標志位。PSW.4、PSW.3（RS1和RS0）

寄存器組選擇位。PSW.2（OV）

溢出標志。帶符號加減運算中，超出了累加器A所能表示的符號數(shù)有效范圍（-128—+127）時，即產(chǎn)生溢出，OV=1。表明運算運算結果錯誤。如果OV=0，表明運算結果正確。

PSW.0（P）

奇偶校驗位。聲明累加器A的奇偶性，

PSW.7（CY）

進位標志位，此位有兩個功能：一是存放執(zhí)行77

數(shù)據(jù)指針(DPTR)

數(shù)據(jù)指針為16位寄存器，編程時，既可以按16位寄存器來使用，也可以按兩個8位寄存器來使用，即高位字節(jié)寄存器DPH和低位字節(jié)DPL。

DPTR主要是用來保存16位地址，當對64kB外部數(shù)據(jù)存儲器尋址時，可作為間址寄存器使用，此時，使用如下兩條指令：

MOVX

A,

@DPTR

MOVX

@DPTR,

A

在訪問程序存儲器時，DPTR可用來作基址寄存器，采用基址+變址尋址方式訪問程序存儲器，這條指令常用于讀取程序存儲器內(nèi)的表格數(shù)據(jù)。

MOVC

A,

@A+@DPTR

數(shù)據(jù)指針(DPTR)

數(shù)據(jù)指針為16位寄存器，編程78

堆棧指針SP(StackPointer)

堆棧是一種數(shù)據(jù)結構，它是一個8位寄存器，它指示堆棧頂部在內(nèi)部RAM中的位置。系統(tǒng)復位后，SP的初始值為07H，使得堆棧實際上是從08H開始的。但我們從RAM的結構分布中可知，08H—1FH隸屬1—3工作寄存器區(qū)，若編程時需要用到這些數(shù)據(jù)單元，必須對堆棧指針SP進行初始化，原則上設在任何一個區(qū)域均可，但一般設在30H—1FH之間較為適宜。

數(shù)據(jù)的寫入堆棧我們稱為入棧（PUSH，有些文獻也稱作插入運算或壓入），從堆棧中取出數(shù)據(jù)稱為出棧（POP，也稱為刪除運算或彈出），堆棧的最主要特征是“后進先出”規(guī)則，也即最先入棧的數(shù)據(jù)放在堆棧的最底部，而最后入棧的數(shù)據(jù)放在棧的頂部，因此，最后入棧的數(shù)據(jù)出棧時則是最先的。

堆棧指針SP(StackPointer)

堆棧79堆棧的設立是為了中斷操作和子程序的調(diào)用而用于保存數(shù)據(jù)的，即常說的斷點保護和現(xiàn)場保護。微處理器無論是在轉入子程序和中斷服務程序的執(zhí)行，執(zhí)行完后，還是要回到主程序中來，在轉入子程序和中斷服務程序前，必須先將現(xiàn)場的數(shù)據(jù)進行保存起來，否則返回時，CPU并不知道原來的程序執(zhí)行到哪一步，原來的中間結果如何？所以在轉入執(zhí)行其它子程序前，先將需要保存的數(shù)據(jù)壓入堆棧中保存。以備返回時，再復原當時的數(shù)據(jù)。供主程序繼續(xù)執(zhí)行。轉入中斷服務程序或子程序時，需要保存的數(shù)據(jù)可能有若干個，都需要一一地保留。如果微處理器進行多重子程序或中斷服務程序嵌套，那么需保存的數(shù)據(jù)就更多，這要求堆棧還需要有相當?shù)娜萘?。否則會造成堆棧溢出，丟失應備份的數(shù)據(jù)。輕者使運算和執(zhí)行結果錯誤，重則使整個程序紊亂。

堆棧的設立是為了中斷操作和子程序的調(diào)用而用于保存數(shù)據(jù)的，即常80

MCS-51的堆棧是在RAM中開辟的，即堆棧要占據(jù)一定的RAM存儲單元。同時MCS-51的堆棧可以由用戶設置，SP的初始值不同，堆棧的位置則不一定，不同的設計人員，使用的堆棧區(qū)則不同，不同的應用要求，堆棧要求的容量也有所不同。堆棧的操作只有兩種，即進棧和出棧，但不管是向堆棧寫入數(shù)據(jù)還是從堆棧中讀出數(shù)據(jù)，都是對棧頂單元進行的，SP就是即時指示出棧頂?shù)奈恢茫吹刂罚Ｔ谧映绦蛘{(diào)用和中斷服務程序響應的開始和結束期間，CPU都是根據(jù)SP指示的地址與相應的RAM存儲單元交換數(shù)據(jù)。

堆棧的操作有兩種方法：其一是自動方式，即在中斷服務程序響應或子程序調(diào)用時，返回地址自動進棧。當需要返回執(zhí)行主程序時，返回的地址自動交給PC，以保證程序從斷點處繼續(xù)執(zhí)行，這種方式是不需要編程人員干預的。第二種方式是人工指令方式，使用專有的堆