MCS-51單片機(jī)原理及應(yīng)用

MCS-51單片機(jī)原理及應(yīng)用陳付龍安徽師范大學(xué)數(shù)學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院引子單片機(jī)：是在一片硅片上集成了CPU、存儲(chǔ)器〔ROM，RAM，EPROM〕和各種I/O接口〔定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，并行I/O口，串行I/O口，A/D轉(zhuǎn)換器，脈沖調(diào)制器PWM等〕，具有一臺(tái)計(jì)算機(jī)功能的設(shè)備，又稱單板機(jī)、單片微型計(jì)算機(jī)、微控制器〔Micro-Controller〕、嵌入式控制器〔Embedded-Controller〕。主要用在智能儀器儀表、機(jī)電設(shè)備過程控制、自動(dòng)檢測(cè)、家電和數(shù)據(jù)采集處理等方面。1、什么是單片機(jī)：?jiǎn)纹瑱C(jī)全稱單片微型計(jì)算機(jī)。它是在同一塊芯片上集成了一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)所需的CPU、存儲(chǔ)器(ROM、RAM)、輸入/輸出部件和時(shí)鐘等控制部件.不求規(guī)模大,力爭(zhēng)小而全。2、單片機(jī)的特點(diǎn)單片機(jī)：把微處理器和少量RAM〔128/256字節(jié)〕、ROM〔4-8K〕以及I/O等有關(guān)電路集成在一片半導(dǎo)體芯片。3、如何學(xué)習(xí)單片機(jī)硬件：掌握單片機(jī)的硬件資源及外部擴(kuò)展電路的方法，合理分配資源。軟件：掌握單片機(jī)的指令〔語(yǔ)句〕功能、程序設(shè)計(jì)和調(diào)式方法，仿真軟件的使用。具體方法：1、從最根本的典型電路--進(jìn)行編程控制。2、對(duì)例題、子程序進(jìn)行軟件分析仿真-修改、擴(kuò)充功能*在進(jìn)行硬件資源分配時(shí)，應(yīng)特別關(guān)注具有特殊功能的I/O。主要內(nèi)容1.單片機(jī)的歷史和開展?fàn)顩r2.單片機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域3.主流系列單片機(jī)的簡(jiǎn)介4.MCS-51單片機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理5.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)1.單片機(jī)的歷史及開展?fàn)顩r單片機(jī)出現(xiàn)的歷史并不長(zhǎng),但開展十分迅猛。它的產(chǎn)生與開展和微處理器的產(chǎn)生與開展大體同步,自1971年美國(guó)Intel公司首先推出4位微處理器以來,1974年美國(guó)仙童〔Fairchild〕公司生產(chǎn)出第一塊單片機(jī)〔F8〕開始，它的開展到目前為止大致可分為5個(gè)階段:單片機(jī)的歷史第1階段〔1971～1976〕:單片機(jī)開展的初級(jí)階段1971年11月Intel公司首先設(shè)計(jì)出集成度為2000只晶體管/片的4位微處理器Intel4004,并配有RAM、ROM和移位存放器,構(gòu)成了第一臺(tái)MCS—4微處理器,而后又推出了8位微處理器Intel8008,以及其它各公司相繼推出的8位微處理器。第2階段〔1976～1978〕:低性能單片機(jī)階段以1976年Intel公司推出的MCS—48系列為代表,采用將8位CPU、8位并行I/O接口、8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、RAM和ROM等集成于一塊半導(dǎo)體芯片上的單片結(jié)構(gòu),雖然其尋址范圍有限〔不大于4KB〕,也沒有串行I/O,RAM、ROM容量小,中斷系統(tǒng)也較簡(jiǎn)單,但功能可滿足一般工業(yè)控制和智能化儀器、儀表等的需要。第3階段〔1978～1983〕:高性能單片機(jī)階段這一階段推出的高性能8位單片機(jī)普遍帶有串行口,有多級(jí)中斷處理系統(tǒng),多個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。片內(nèi)RAM、ROM的容量加大,且尋址范圍可達(dá)64KB,個(gè)別片內(nèi)還帶有A/D轉(zhuǎn)換接口。典型的代表為Intel公司的MCS-51系列。第4階段〔1983～80年代末〕:16位單片機(jī)階段1983年Intel公司又推出了高性能的16位單片機(jī)MCS—96系列,由于其采用了最新的制造工藝,使芯片集成度高達(dá)12萬只晶體管/片。第5階段〔90年代～現(xiàn)在〕:32位單片機(jī)階段單片機(jī)在集成度、功能、速度、可靠性、應(yīng)用領(lǐng)域等全方位向更高水平開展。單片機(jī)的開展方向CPU的改進(jìn)采用雙CPU結(jié)構(gòu)，提高處理能力；增加數(shù)據(jù)總線寬度，提高數(shù)據(jù)傳輸速度；采用流水線結(jié)構(gòu)，提高指令執(zhí)行速度；采用串行總線結(jié)構(gòu)，減少單片機(jī)引腳，降低本錢。存儲(chǔ)器的開展加大存儲(chǔ)器容量；片內(nèi)EPROM〔ElectricallyProgrammableRead-OnlyMemory，電可編程只讀存儲(chǔ)器〕開始EEPROM〔電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器〕化；程序保密化。片內(nèi)I/O的改進(jìn)增加并行I/O口的驅(qū)動(dòng)能力；增加I/O的邏輯控制功能；提供特殊串行接口，適用專用場(chǎng)合。4.外圍電路集成化〔把外圍功能部件集成到片內(nèi)〕5.低功耗化2.單片機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域單片機(jī)的特點(diǎn)小巧靈活，本錢低，易于產(chǎn)品化；可靠性好，應(yīng)用范圍廣泛；易擴(kuò)展，構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)，控制功能強(qiáng)；具有通訊功能。單片機(jī)的應(yīng)用由于單片機(jī)具有體積小、重量輕、價(jià)格廉價(jià)、功耗低,控制功能強(qiáng)及運(yùn)算速度快等特點(diǎn),因而在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、軍事及家用電器等各個(gè)領(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用。按照單片機(jī)的特點(diǎn),其應(yīng)用可分為單機(jī)應(yīng)用與多機(jī)應(yīng)用。圖2-1單片機(jī)應(yīng)用單機(jī)應(yīng)用在一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)中,只使用1片單片機(jī)稱為單機(jī)應(yīng)用,這是目前應(yīng)用最多的一種方式。單片機(jī)應(yīng)用的主要領(lǐng)域有:(1)測(cè)控系統(tǒng)。用單片機(jī)可以構(gòu)成各種不太復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)、自適應(yīng)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等,到達(dá)測(cè)量與控制的目的。(2)智能儀表。用單片機(jī)改造原有的測(cè)量、控制儀表,促進(jìn)儀表向數(shù)字化、智能化、多功能化、綜合化、柔性化方向開展。(3)機(jī)電一體化產(chǎn)品。單片機(jī)與傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品相結(jié)合,使傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化,控制智能化。(4)智能接口。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),特別是在較大型的工業(yè)測(cè)、控系統(tǒng)中,用單片機(jī)進(jìn)行接口的控制與管理,加之單片機(jī)與主機(jī)的并行工作,大大提高了系統(tǒng)的運(yùn)行速度。(5)智能民用產(chǎn)品。如在家用電器、玩具、游戲機(jī)、聲像設(shè)備、電子秤、收銀機(jī)、辦公設(shè)備、廚房設(shè)備等許多產(chǎn)品中,單片機(jī)控制器的引入,不僅使產(chǎn)品的功能大大增強(qiáng),性能得到提高,而且獲得了良好的使用效果。多機(jī)應(yīng)用單片機(jī)的多機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)可分為功能集散系統(tǒng)、并行多機(jī)處理及局部網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。(1)功能集散系統(tǒng)。多功能集散系統(tǒng)是為了滿足工程系統(tǒng)多種外圍功能的要求而設(shè)置的多機(jī)系統(tǒng)。(2)并行多機(jī)控制系統(tǒng)。并行多機(jī)控制系統(tǒng)主要解決工程應(yīng)用系統(tǒng)的快速性問題,以便構(gòu)成大型實(shí)時(shí)工程應(yīng)用系統(tǒng)。

(3)局部網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。3.主流單片機(jī)系列簡(jiǎn)介目前世界上單片機(jī)生產(chǎn)廠商很多,如:Intel、Motorola、Philips、Siemens、NEC、ADM、Zilog等公司,其主流產(chǎn)品有幾十個(gè)系列,幾百個(gè)品種。盡管其各具特色,名稱各異,但作為集CPU、RAM、ROM〔或EPROM〕、I/O接口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)為一體的單片機(jī),其原理大同小異?，F(xiàn)以Intel公司的系列產(chǎn)品為例,說明各系列之間的區(qū)別。Intel公司從其生產(chǎn)單片機(jī)開始,開展到現(xiàn)在,大體上可分為3大系列:MCS—48系列、MCS—51系列、MCS—96系列。該3大系列的性能簡(jiǎn)介見表3-1。表3-1Intel單片機(jī)系列性能簡(jiǎn)介22Intel8051單片機(jī)于1980年由Intel〔英特爾〕公司首先研制出來并應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中。AT89S51型單片機(jī)〔8051兼容型單片機(jī)〕，呈現(xiàn)出集成電路特有的外觀，兩側(cè)有整齊排列的金屬管腳，尺寸為52mm〔長(zhǎng)〕×15mm〔寬〕。Intel8051單片機(jī)圖3-2AT89S51單片機(jī)PIC單片機(jī)23PIC單片機(jī)的低功耗、廣泛用途使其成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)和愛好者首選的控制器，PIC單片機(jī)家族的單片機(jī)在汽車電子、以太網(wǎng)、家電、機(jī)電一體化、USB、儀器儀表等產(chǎn)品中有著非常廣泛的應(yīng)用。圖3-2PIC單片機(jī)AVR單片機(jī)24AVR是單片機(jī)設(shè)計(jì)及體系結(jié)構(gòu)中的新生兒，它由Atmel公司于1996研制出來。目前AVR有UC3、XMEGA、megaAVR、tinyAVR等幾大系列過百種型號(hào)的單片機(jī)可供設(shè)計(jì)時(shí)選擇。圖3-3AVR單片機(jī)其他單片機(jī)25ARM系列單片機(jī)STMicroelectronics公司的ST系列單片機(jī)Freescale公司的單片機(jī)系列TexasInstruments公司的單片機(jī)系列“中國(guó)的半導(dǎo)體行業(yè)與世界先進(jìn)水平的差距目前依然很大，我國(guó)半導(dǎo)體公司與世界著名公司不在一個(gè)數(shù)量級(jí)上。〞------Intel視覺計(jì)算事業(yè)部首席高級(jí)華人工程師江宏

4.MCS-51單片機(jī)結(jié)構(gòu)與原理4.1MCS—51系列單片機(jī)根本結(jié)構(gòu)4.2中央處理器CPU4.3MCS—51單片機(jī)存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)空間4.4并行輸入/輸出接口4.5CPU時(shí)序和復(fù)位狀態(tài)4.1MCS—51系列單片機(jī)根本結(jié)構(gòu)4.1.1MCS—51單片機(jī)系列MCS—51系列單片機(jī)雖已有10多種產(chǎn)品,但可分為兩大系列:MCS—51子系列與MCS—52子系列。MCS—51子系列中主要有8031、8051、8751三種類型。而MCS—52子系列也有3種類型8032、8052、8752。各子系列配置見表4-1所示。表4-1MCS—51系列單片機(jī)配置一覽表

表4-1中列出了MCS—51系列單片機(jī)的兩個(gè)子系列,在4個(gè)性能上略有差異。由此可見,在本子系列內(nèi)各類芯片的主要區(qū)別在于片內(nèi)有無ROM或EPROM;MCS—51與MCS—52子系列間所不同的是片內(nèi)程序存儲(chǔ)器ROM從4KB增至8KB;片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器由128個(gè)字節(jié)增至256個(gè)字節(jié);定時(shí)器/計(jì)數(shù)器增加了一個(gè);中斷源增加了1～2個(gè)。另外,對(duì)于制造工藝為CHMOS的單片機(jī),由于采用CMOS技術(shù)制造,因此具有低功耗的特點(diǎn),如8051功耗約為630mW,而80C51的功耗只有120mW。4.1.2MCS—51系列單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及功能部件圖4-18051內(nèi)部結(jié)構(gòu)詳細(xì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖4-28051詳細(xì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)MCS—51系列單片機(jī)是由8大局部組成的。以下圖為按功能劃分的MCS—51系列單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化框圖?！瞐〕 〔b〕圖4-38051內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化框圖這8大局部是:一個(gè)8位中央處理機(jī)CPU。128個(gè)字節(jié)〔MCS—52子系列為256字節(jié)〕的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM。4KB〔MCS—52子系列為8KB〕的片內(nèi)程序只讀存儲(chǔ)器ROM或EPROM〔8031和8032無〕。18個(gè)〔MCS—52子系列為21個(gè)〕特殊功能存放器SFR。4個(gè)8位并行輸入輸出I/O接口:P0口、P1口、P2口、P3口〔共32線〕,用于并行輸入或輸出數(shù)據(jù)。1個(gè)全雙工的串行I/O接口。2個(gè)〔MCS—52子系列為3個(gè)〕16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。1個(gè)具有5個(gè)〔MCS—52子系列為6個(gè)或7個(gè)〕中斷源,可編程為2個(gè)優(yōu)先級(jí)的中斷系統(tǒng)。它可以接收外部中斷申請(qǐng),定時(shí)器/計(jì)數(shù)器中斷申請(qǐng)和串行口中斷申請(qǐng)。4.1.3單片機(jī)外部引腳說明MCS—51系列單片機(jī)芯片均為40個(gè)引腳,HMOS工藝制造的芯片采用雙列直插〔DIP〕方式封裝,其引腳示意及功能分類如圖2―3所示。CMOS工藝制造的低功耗芯片也有采用方型封裝的,但為44個(gè)引腳,其中4個(gè)引腳是不使用的。圖4-48051外部引腳圖4-5MCS—51系列單片機(jī)引腳及總線結(jié)構(gòu)

(a)管腳圖；(b)引腳功能分類〔1〕主電源引腳Vcc和VssVCC〔40腳〕:接+5V電源正端;VSS〔20腳〕:接+5V電源地端?！?〕外接晶體引腳XTAL1和XTAL2XTAL1〔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。XTAL2〔18腳〕:接外部晶體的另一端。在單片機(jī)內(nèi)部,接至片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸出端。當(dāng)采用外部時(shí)鐘時(shí),對(duì)于HMOS單片機(jī),該引腳作為外部振蕩信號(hào)的輸入端;對(duì)于CHMOS芯片,該引腳懸空不接?！?〕控制信號(hào)或與其它電源復(fù)用引腳控制信號(hào)或與其它電源復(fù)用引腳有RST/VPD、、和等4種形式。1〕RST/VPD〔9腳〕:RST即為RESET,VPD為備用電源,所以該引腳為單片機(jī)的上電復(fù)位或掉電保護(hù)端。2〕(30腳):當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí),ALE〔允許地址鎖存信號(hào)〕以每機(jī)器周期兩次的信號(hào)輸出,用于鎖存出現(xiàn)在P0口的低8位地址。3〕〔29腳〕:片外程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)輸出端,低電平有效。4〕〔31腳〕:為訪問外部程序存儲(chǔ)器控制信號(hào),由外部輸入該信號(hào)，低電平有效，只選用片外程序存儲(chǔ)器，而片內(nèi)的程序存儲(chǔ)器沒有作用，對(duì)8031來說，由于它沒有片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，故該引腳接地。該引腳接高電平時(shí)，選用片內(nèi)的ROM。為了保證片內(nèi)/片外程序存儲(chǔ)器的選擇確實(shí)定性，該引腳一般不懸空，而接+5V或接地。〔4〕輸入/輸出〔I/O〕引腳P0口、P1口、P2口及P3口1〕P0口〔39腳～32腳〕:P0.0～P0.7統(tǒng)稱為P0口。是一個(gè)漏極開路的8位準(zhǔn)雙向I/O口，在訪問外部存儲(chǔ)器或進(jìn)行I/O口擴(kuò)展時(shí)，分時(shí)作為低8位地址總線或雙向數(shù)據(jù)總線。2〕P1口〔1腳～8腳〕:P1.0～P1.7統(tǒng)稱為P1口,可作為準(zhǔn)雙向I/O接口使用。3〕P2口〔21腳～28腳〕:P2.0～P2.7統(tǒng)稱為P2口,一般可作為準(zhǔn)雙向I/O接口。在訪問包部存儲(chǔ)器時(shí)，作為高8位的地址總線。4〕P3口〔10腳～17腳〕:P3.0～P3.7統(tǒng)稱為P3口。除作為普通8位準(zhǔn)雙向I/O口外，還具有第2功能。表4-2P3口第2功能表4.2中央處理器CPU中央處理器是單片機(jī)內(nèi)部的核心部件,它決定了單片機(jī)的主要功能特性。其作用是讀入和分析每條指令，根據(jù)指令要求，控制單片機(jī)各個(gè)部件具體地執(zhí)行指令操作，完成特定功能。它由運(yùn)算部件和控制部件兩大局部組成。4.2.1運(yùn)算部件運(yùn)算部件是以算術(shù)邏輯單元ALU為核心,加上累加器A、存放器B、暫存器TMP1和TMP2、程序狀態(tài)存放器PSW及專門用于位操作的布爾處理機(jī)組成的,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)傳送操作?！?〕算術(shù)邏輯單元ALU與累加器ACC、存放器B算術(shù)邏輯單元ALU不僅能完成8位二進(jìn)制數(shù)的加〔帶進(jìn)位加〕、減〔帶借位減〕、乘、除、加1、減1及BCD加法的十進(jìn)制調(diào)整等算術(shù)運(yùn)算，還能對(duì)8位變量進(jìn)行邏輯“與〞、“或〞、“異或〞、求補(bǔ)、清零等邏輯運(yùn)算,并具有數(shù)據(jù)傳送,程序轉(zhuǎn)移等功能。累加器ACC簡(jiǎn)稱累加器A,為一個(gè)8位存放器,它是CPU中使用最頻繁的存放器。進(jìn)入ALU作算術(shù)和邏輯運(yùn)算的操作數(shù)多來自于A,運(yùn)算結(jié)果也常送回A保存。存放器B是為ALU進(jìn)行乘除法設(shè)置的。圖4-6ALU/ACC/B〔2〕程序狀態(tài)字程序狀態(tài)字存放器PSW〔8位〕是一個(gè)標(biāo)志存放器,它保存指令執(zhí)行結(jié)果的特征信息,以供程序查詢和判別。其程序狀態(tài)字格式及含義如下:圖4-7PSWCY〔PSW.7〕——進(jìn)位標(biāo)志位。AC〔PSW.6〕——輔助進(jìn)位〔或稱半進(jìn)位〕標(biāo)志。FO〔PSW.5〕——由用戶定義的標(biāo)志位。RS1〔PSW.4〕、RS0〔PSW.3〕——工作存放器組選擇位。OV〔PSW.2〕——溢出標(biāo)志位。由硬件置位或清零。PSW.1——未定義位。P〔PSW.0〕——奇偶標(biāo)志位。CYACF0RS1RS0OV—PPSW.7PSW.04.3.2控制部件及振蕩器控制部件是單片機(jī)的神經(jīng)中樞,它包括定時(shí)和控制電路、指令存放器、指令譯碼器、數(shù)據(jù)指針DPTR、程序計(jì)數(shù)器PC、堆棧指針SP、地址存放器和地址緩沖器等部件。

圖4-8控制部件及振蕩器圖4-9HMOS型MCS—51單片機(jī)時(shí)鐘產(chǎn)生方式〔a〕內(nèi)部振蕩器方式;〔b〕外部振蕩器方式〔1〕單片機(jī)的定時(shí)控制功能是由片內(nèi)的時(shí)鐘電路和定時(shí)電路來完成的,而片內(nèi)的時(shí)鐘產(chǎn)生有兩種方式:一種是內(nèi)部時(shí)鐘方式;一種是外部時(shí)鐘方式,如圖〔a〕、〔b〕所示。采用內(nèi)部時(shí)鐘方式時(shí),如圖4-9〔a〕所示。片內(nèi)的高增益反相放大器通過XTAL1、XTAL2外接作為反響元件的片外晶體振蕩器〔呈感性〕與電容組成的并聯(lián)諧振回路構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器,向內(nèi)部時(shí)鐘電路提供振蕩時(shí)鐘。振蕩器的頻率主要取決于晶體的振蕩頻率,一般晶體可在1.2～12MHz之間任選,電容C1、C2可在5～30pF之間選擇,電容的大小對(duì)振蕩頻率有微小的影響,可起頻率微調(diào)作用。〔2〕指令譯碼器：完成將指令轉(zhuǎn)換成上下電平的工作，由CPU根據(jù)上下電平信號(hào)，控制各功能部件，完成相應(yīng)操作。〔3〕數(shù)據(jù)指針DPTR：用于對(duì)64KB的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器尋址，共16位，高8位為DPH，地址為83H，低8位為DPL，地址為82H?！?〕程序計(jì)數(shù)器PC：存放下一條要執(zhí)行的指令的地址，每當(dāng)一條指令被取出執(zhí)行時(shí)，PC都自動(dòng)加1，指向下一條指令?！?〕堆棧指針SP：堆棧是用戶在自己的片內(nèi)128B的RAM中開辟的一塊特定的存儲(chǔ)區(qū)，SP指向堆棧的棧頂?shù)刂?，開機(jī)復(fù)位后，SP=07H。

4.3MCS—51單片機(jī)存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)空間4.3.1MCS—51單片機(jī)存儲(chǔ)器分類及配置MCS—51單片機(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。MCS—51系列單片機(jī)存儲(chǔ)器的配置除表2所示的片內(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?4KB。程序存儲(chǔ)器〔ROM4KB)存儲(chǔ)器特殊功能存放器SFR(片內(nèi))數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 〔RAM256B)工作存放器和堆棧128B程序存儲(chǔ)器〔ROM64KB)存儲(chǔ)器(需擴(kuò)展)(片外)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器〔RAM64KB)圖4-10MCS—51單片機(jī)存儲(chǔ)器空間結(jié)構(gòu)圖〔a〕程序存儲(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MCS—51系列單片機(jī)存儲(chǔ)器系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)如下圖。4.3.2程序存儲(chǔ)器專用訪問指令：MOVC〔1〕程序存儲(chǔ)器的編址計(jì)算機(jī)的工作是按照事先編制好的程序命令一條條循序執(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。單片機(jī)通過PC來訪問程序存儲(chǔ)器，尋址范圍：0000H~FFFFH。常見的8051和8751片內(nèi)只有4KB的ROM，能滿足一般需要，此時(shí)可將EA接+5V。當(dāng)有外接ROM時(shí)，ROM的尋址規(guī)律為先片內(nèi)后片外，片內(nèi)外連續(xù)。即假設(shè)EA接+5V，那么程序自動(dòng)從片內(nèi)ROM開始，當(dāng)PC中內(nèi)容超過內(nèi)部ROM的范圍時(shí)，自動(dòng)跳到外部ROM接著運(yùn)行。對(duì)于8031和8032，片內(nèi)無ROM，那么EA接地，程序從片外ROM運(yùn)行。對(duì)于8051和8751，EA接地，程序從片外ROM中低4KB開始運(yùn)行。內(nèi)、外程序存儲(chǔ)器〔ROM〕的使用示意圖

0FFFH0000H0FFFH0000HFFFFH1000HEA=1時(shí)，ROM的使用EA=0時(shí)ROM的使用片外程序存儲(chǔ)器〔最大64K〕單片機(jī)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器〔4K〕ROM圖4-1ROM表4-3MCS—51單片機(jī)復(fù)位、中斷入口地址〔2〕程序運(yùn)行的入口地址實(shí)際應(yīng)用時(shí),程序存儲(chǔ)器的容量由用戶根據(jù)需要擴(kuò)展，而程序地址空間原那么上也可由用戶任意安排。但程序最初運(yùn)行的入口地址，MCS—51單片機(jī)是固定的,用戶不能更改。程序存儲(chǔ)器中有復(fù)位和中斷源共7個(gè)固定的入口地址見表4-3。單片機(jī)復(fù)位后程序計(jì)數(shù)器PC的內(nèi)容為0000H,故必須從0000H單元開始取指令來執(zhí)行程序。0000H單元是系統(tǒng)的起始地址,一般在該單元存放一條無條件轉(zhuǎn)移指令,用戶設(shè)計(jì)的程序是從轉(zhuǎn)移后的地址開始存放執(zhí)行的。這幾個(gè)入口地址相隔很近，不能容納稍長(zhǎng)的程序段，一般在其中存放一條跳轉(zhuǎn)指令，跳轉(zhuǎn)到用戶程序中相應(yīng)位置。4.3.3內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器專用訪問指令：MOV〔1〕內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的編址MCS—51系列單片機(jī)的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器由讀寫存儲(chǔ)器RAM組成,用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。它由RAM塊和特殊功能存放器〔SFR〕塊組成?！?〕內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM塊內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM塊共分為工作存放器區(qū)、位尋址區(qū)和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)3個(gè)局部。1〕工作存放器區(qū)內(nèi)部RAM塊的00H～1FH區(qū),共分4個(gè)組,每組有8個(gè)工作存放器R0～R7,共32個(gè)內(nèi)部RAM單元。存放器和RAM地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表4-4所示。表4-4工作存放器和RAM地址對(duì)照表工作存放器共有4組,但程序每次只用1組,其它各組不工作。哪1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5所示。CPU通過軟件修改PSW中RS0和RS1兩位的狀態(tài),就可任選一個(gè)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)于提高程序的效率和響應(yīng)中斷的速度是很有利的。假設(shè)程序中并不要4個(gè)工作存放器組,那么剩下的工作存放器組所對(duì)應(yīng)的單元也可以作為一般的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)使用。表4-5工作存放器組的選擇表2〕位尋址區(qū)20H～2FH單元為位尋址區(qū),這16個(gè)單元〔共計(jì)128位〕的每1位都有一個(gè)8位表示的位地址,位地址范圍為00H～7FH,如表6所示。位尋址區(qū)的每1位都可當(dāng)作軟件觸發(fā)器,由程序直接進(jìn)行位處理。通?？梢园迅鞣N程序狀態(tài)標(biāo)志,位控制變量存于位尋址區(qū)內(nèi)。同樣,位尋址的RAM單元也可以按字節(jié)操作作為一般的數(shù)據(jù)緩沖

表6內(nèi)部RAM中位地址表3〕數(shù)據(jù)緩沖區(qū)30H～7FH是數(shù)據(jù)緩沖區(qū),也即用戶RAM區(qū),共80個(gè)單元。MCS—52子系列片內(nèi)RAM有256個(gè)單元,前兩個(gè)的單元數(shù)與地址都和MCS—51子系列一致。用戶RAM區(qū)從30H～FFH,共208個(gè)單元。4〕堆棧與堆棧指針在程序?qū)嶋H運(yùn)行中,往往需要一個(gè)后進(jìn)先出的RAM區(qū),在子程序調(diào)用、中斷效勞處理等場(chǎng)合用以保護(hù)CPU的現(xiàn)場(chǎng),這種后進(jìn)先出的緩沖區(qū)稱為堆棧。MCS—51單片機(jī)堆棧區(qū)不是固定的,原那么上可設(shè)在內(nèi)部RAM的任意區(qū)域內(nèi),但為了避開工作存放器區(qū)和位尋址區(qū),一般設(shè)在30H以后的范圍內(nèi),棧頂?shù)奈恢糜蓪ｉT設(shè)置的堆棧指針存放器SP〔8位〕指出。MCS—51單片機(jī)的堆棧屬向上生長(zhǎng)型,如圖4-12所示。圖4-12MCS—51單片機(jī)堆?！?〕特殊功能存放器SFR塊特殊功能存放器SFR,又稱為專用存放器。它專用于控制、管理單片機(jī)內(nèi)算術(shù)邏輯部件、并行I/O口鎖存器、串行口數(shù)據(jù)緩沖器、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)等功能模塊的工作,SFR的地址空間為80H～FFH。表4-6特殊功能存放器名稱、標(biāo)識(shí)符、地址一覽表〔4〕位尋址空間在MCS—51單片機(jī)的內(nèi)部數(shù)據(jù)存放器RAM塊和特殊功能存放器SFR塊中,有一局部地址空間可以按位尋址,按位尋址的地址空間又稱之為位尋址空間。位尋址空間一局部在內(nèi)部RAM的20H～2FH的16個(gè)字節(jié)內(nèi),共128位;另一局部在SFR的80H～FFH空間內(nèi),凡字節(jié)地址能被8整除的專用存放器都有位地址,共93位。因此,MCS—51系列單片機(jī)共有221個(gè)可尋址位,其位地址見表4-6所示。4.3.4外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器一般由靜態(tài)RAM芯片組成。擴(kuò)展存儲(chǔ)器容量的大小,由用戶根據(jù)需要而定,但MCS—51單片機(jī)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可用1個(gè)特殊功能存放器——數(shù)據(jù)指針存放器DPTR進(jìn)行尋址。由于DPTR為16位,可尋址的范圍可達(dá)64KB,所以擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的最大容量是64KB。專用訪問指令：MOVX4.4并行輸入/輸出接口4.4.1P0口〔1〕P0口結(jié)構(gòu)P0口是一個(gè)三態(tài)雙向口,可作為地址/數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用口,也可作為通用I/O接口。其1位的結(jié)構(gòu)原理如下圖。P0口由8個(gè)這樣的電路組成:鎖存器起輸出鎖存作用,8個(gè)鎖存器構(gòu)成了特殊功能存放器P0;場(chǎng)效應(yīng)管〔FET〕V1、V2組成輸出驅(qū)動(dòng)器,以增大帶負(fù)載能力;三態(tài)門1是引腳輸入緩沖器;三態(tài)門2是用于讀鎖存器端口;與門3、倒相器4及模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)構(gòu)成輸出控制電路。圖4-13P0口1位結(jié)構(gòu)原理圖〔2〕地址/數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用功能當(dāng)P0口作為地址/數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用總線時(shí),可分為兩種情況：一種是從P0口輸出地址或數(shù)據(jù),另一種是從P0口輸入數(shù)據(jù)。在訪問片外存儲(chǔ)器需從P0輸出地址或數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí),控制信號(hào)應(yīng)為高電平1,使轉(zhuǎn)換開關(guān)MUX把反向器4的輸出端與V1接通,同時(shí)把與門3翻開。〔3〕通用I/O接口功能當(dāng)P0口作為通用I/O接口使用,在CPU向端口輸出數(shù)據(jù)時(shí),對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)為0,轉(zhuǎn)換開關(guān)把輸出級(jí)與鎖存器端接通,同時(shí)因與門3輸出為0使V2截止,此時(shí),輸出級(jí)是漏極開路電路。當(dāng)P0口作為通用I/O接口時(shí),要注意兩點(diǎn):第一,在輸出數(shù)據(jù)時(shí),由于V2截止,輸出級(jí)是漏極開路電路,要使“1〞信號(hào)正常輸出,必須外接上拉電阻。第二,P0口作為通用I/O使用時(shí)是一準(zhǔn)雙向口?！?〕端口操作MCS—51單片機(jī)有不少指令可直接進(jìn)行端口操作,例如:ANLP0,A;〔P0〕←〔P0〕∧〔A〕ORLP0,＃data;〔P0〕←〔P0〕∨dataDELP0;〔P0〕←〔P0〕－14.4.2P1口P1口為準(zhǔn)雙向口,其1位的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖。它在結(jié)構(gòu)上與P0口的區(qū)別在于輸出驅(qū)動(dòng)局部,其輸出驅(qū)動(dòng)局部由場(chǎng)效應(yīng)管V1與內(nèi)部上拉電阻組成。當(dāng)其某位輸出高電平時(shí),可以提供拉電流負(fù)載,不必象P0口那樣需要外接電阻。從功能上來看P1只有一種功能〔對(duì)MCS—51子系列〕,即通用輸入輸出I/O接口,具有輸入、輸出、端口操作3種工作方式,每1位口線能獨(dú)立地用作輸入或輸出線。圖4-14P1口的結(jié)構(gòu)原理圖4.4.3P2口P2口也是一準(zhǔn)雙向口,其1位的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖。它具有通用I/O接口或高8位地址總線輸出兩種功能,所以其輸出驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)比P1口輸出驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)多了一個(gè)輸出模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)MUX和反相器3。當(dāng)作為準(zhǔn)雙向通用I/O接口使用時(shí),控制信號(hào)使轉(zhuǎn)換開關(guān)接向左側(cè),鎖存器Q端經(jīng)反相器3接V1,其工作原理與P1相同,也具有輸入、輸出、端口操作三種工作方式,負(fù)載能力也與P1口相同。圖4-15P2口的結(jié)構(gòu)原理圖4.4.4P3口P3口的1位結(jié)構(gòu)如圖2―10所示。它的輸出驅(qū)動(dòng)由與非門3、V1組成,比P0、P1、P2口結(jié)構(gòu)多了一個(gè)緩沖器4。P3口除了可作為通用準(zhǔn)雙向I/O接口外,每1根線還具有第2功能。當(dāng)P3口作為通用I/O接口時(shí),第2功能輸出線為高電平,使與非門3的輸出取決于口鎖存器的狀態(tài)。在這種情況下,P3口仍是1個(gè)準(zhǔn)雙向口,它的工作方式、負(fù)載能力均與P1、P2口相同。當(dāng)P3口作為第2功能〔各引腳功能見表3〕使用時(shí),其鎖存器Q端必須為高電平,否那么V1管導(dǎo)通,引腳被箝位在低電平,無法輸入或輸出第2功能信號(hào)。當(dāng)Q端為高電平時(shí),P3口的口線狀態(tài)就取決于第2功能輸出線的狀態(tài)。圖4-16P3口的結(jié)構(gòu)原理圖4.5CPU時(shí)序和復(fù)位狀態(tài)計(jì)算機(jī)在執(zhí)行指令時(shí),通常將一條指令分解為假設(shè)干根本的微操作,這些微操作所對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)在時(shí)間上的先后次序稱為計(jì)算機(jī)的時(shí)序。為便于理解時(shí)序,先介紹幾個(gè)常用名詞。振蕩周期:為單片機(jī)提供定時(shí)信號(hào)的振蕩源的周期〔晶振周期或外加振蕩源周期〕。狀態(tài)周期:2個(gè)振蕩周期為1個(gè)狀態(tài)周期,用S表示。機(jī)器周期:1個(gè)機(jī)器周期含6個(gè)狀態(tài)周期,用S1、S2、…、S6表示,共有12個(gè)節(jié)拍。例如:外接晶振為12MHz時(shí),MCS—51單片機(jī)的4個(gè)時(shí)間周期的具體值為:振蕩周期=1/12μs;狀態(tài)周期=1/6μs;機(jī)器周期=1μs;指令周期=1～4μs。圖4-17MCS—51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S6P2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)位電路與復(fù)位狀態(tài)〔1〕復(fù)位電路通過某種方式,使單片機(jī)內(nèi)各存放器的值變?yōu)槌跏紶顟B(tài)的操作稱為復(fù)位。MCS—51單片機(jī)在時(shí)鐘電路工作以后,在RST/VPD端持續(xù)給出2個(gè)機(jī)器周期的高電平就可以完成復(fù)位操作〔一般復(fù)位正脈沖寬度大于10ms〕。復(fù)位分為上電復(fù)位和外部復(fù)位兩種方式。圖4-18MCS—51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〕復(fù)位狀態(tài)MCS—51單片機(jī)復(fù)位后,程序計(jì)數(shù)器PC和特殊功能存放器復(fù)位的狀態(tài)如表9所示。復(fù)位不影響片內(nèi)RAM存放的內(nèi)容,而ALE、在復(fù)位期間將輸出高電平。由表9可以看出:1〕〔PC〕=0000H表示復(fù)位后程序的入口地址為0000H;2〕〔PSW〕=00H,其中RS1(PSW.4)=0,RS0(PSW.3)=0,表示復(fù)位后單片機(jī)選擇工作存放器0組;3〕〔SP〕=07H表示復(fù)位后堆棧在片內(nèi)RAM的08H單元處建立;4〕P0口～P3口鎖存器為全1狀態(tài),說明復(fù)位后這些并行接口可以直接作輸入口,無須向端口寫1;5〕定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串行口、中斷系統(tǒng)等特殊功能存放器復(fù)位后的狀態(tài)對(duì)各功能部件工作狀態(tài)的影響,參見有關(guān)章節(jié)介紹。表4-7PC與SFR復(fù)位狀態(tài)表小結(jié)MCS-51單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)MCS-51單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)〔一〕、單片機(jī)硬件資源：面向控制的8位CPU；128/256字節(jié)的內(nèi)部RAM；4K/8K的內(nèi)部ROM；一組特殊功能存放器(SFR)；一個(gè)可位尋址的布爾處理機(jī)；32個(gè)I/O,其中P3口雙功能；一個(gè)全雙工的異步串行口；2/3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器5/6個(gè)中斷源，2個(gè)優(yōu)先級(jí)；圖4-19MCS-51硬件資源單片機(jī)的關(guān)鍵引腳：1、電源Vcc(40)+5V，Vss(20)地。2、復(fù)位RST〔9〕：RESET輸入端，CPU初始化的硬件電路如右圖，要求復(fù)位高電平t為2個(gè)以上機(jī)器周期。3、/EA(31〕：/EA為內(nèi)部程序存儲(chǔ)器和外部程序存儲(chǔ)器選擇端。EA為高時(shí),訪問內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。EA為低時(shí),訪問外部程序存儲(chǔ)器。4、晶體振蕩:XTAL1(19)輸入和XTAL2(18)輸出。圖4-20復(fù)位引腳5、P0口(32-39)：是一個(gè)8位漏極開路型雙向I/0口，需外部上拉電阻；訪問外部存儲(chǔ)器時(shí),它是分時(shí)傳送的低字節(jié)地址和數(shù)據(jù)；能以吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)八個(gè)LSTTL負(fù)載。6、P1口(1-8):有內(nèi)部上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/0口。外部可拉低但不能拉高，輸入檢測(cè)時(shí)應(yīng)先置高。能以吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)四個(gè)LSTTL負(fù)載。7、P2口(21-28)：除與P1相同外。P2口在訪問外部存儲(chǔ)器時(shí),它輸出高8位地址。8、P3口(10-17)：第一功能與P1同。P3口還有第二功能。

P3口第二功能：P3.0RXD串口輸入P3.1TXD串口輸出P3.2/INT0外中斷0輸入P3.3/INT1外中斷1輸入P3.4T0定時(shí)/計(jì)數(shù)器0外部輸入P3.5T1定時(shí)/計(jì)數(shù)器1外部輸入P3.6/WR外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通P3.7/RD外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通

I/O口應(yīng)注意問題1、上電復(fù)位時(shí)所有I/O口全部位“1〞，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意，必要時(shí)可用硬件反向或軟件調(diào)整。2、I/O口的吸收電流與輸出電流不同，注意其驅(qū)動(dòng)能力，選用合理的驅(qū)動(dòng)方式。圖4-21吸收和輸出電流1、狀態(tài)字PSW：CYACFORS1RS0OV－P可單獨(dú)位操作。CY：進(jìn)位標(biāo)志。最高位D7進(jìn)位或借位時(shí)置1。AC：輔助進(jìn)位標(biāo)志。半進(jìn)位D3FO：用戶標(biāo)志位。自定義。RS1RSO：選擇工作存放組OV：溢出標(biāo)志位。P：奇偶校驗(yàn)。運(yùn)算結(jié)果A的內(nèi)容偶數(shù)個(gè)1時(shí)，P=0；奇數(shù)個(gè)1時(shí)，P=1局部專用存放器2、堆棧及堆棧指針SP堆棧—特殊的存儲(chǔ)單元，主要用于保護(hù)數(shù)據(jù)。操作為壓入、彈出，后進(jìn)先出。堆棧的棧頂由SP決定。堆棧的地址隨操作自動(dòng)增加或減少。上電時(shí)SP值為07，在程序的初始化中注意設(shè)置SP。3、數(shù)據(jù)指針DPTR：16位數(shù)據(jù)指針,可分為DPH、DPL，作為地址存放器，可尋址64K，常用于查表，有專門的指令。4、程序計(jì)數(shù)器PC：16位程序計(jì)數(shù)指針。每當(dāng)從存儲(chǔ)器中取出一條指令并加以執(zhí)行時(shí)，PC的值自動(dòng)加一，總是指向?qū)⒁〕龅?/p>