第9章-MCS51單片機(jī)結(jié)構(gòu)及原理

第9章.MCS-51單片機(jī)結(jié)構(gòu)及原理9.1

單片機(jī)基礎(chǔ)知識(回顧)9.2

MCS-51單片機(jī)的組成與結(jié)構(gòu)9.3MCS-51單片機(jī)的存儲(chǔ)器9.4MCS-51單片機(jī)的I/O口9.5MCS-51單片機(jī)的時(shí)鐘電路與時(shí)序9.6MCS-51單片機(jī)的復(fù)位電路

9.1有關(guān)單片機(jī)(回顧)微型計(jì)算機(jī)的分類按系統(tǒng)規(guī)模分類：單片機(jī)個(gè)人計(jì)算機(jī)(臺(tái)式機(jī)Desktop)筆記本電腦(Laptop)掌上電腦單片機(jī)的概念：單片機(jī)即單片微型計(jì)算機(jī)，它是將微處理器(CPU)、一定容量的程序存儲(chǔ)器(ROM)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)、輸入/輸出接口(I/O)、時(shí)鐘及其它一些計(jì)算機(jī)外圍電路，通過總線連接在一起并集成在一個(gè)芯片上，構(gòu)成的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。單片機(jī)也稱為微控制器(MiCrocontrollerUnit,MCU)、嵌入式控制器(EmbeddedMiCrocontrollerUnit,EMCU)。單片機(jī)的分類：單片機(jī)分為通用型和專用型兩種，通用型單片機(jī)把可開發(fā)的內(nèi)部資源全部提供給用戶，內(nèi)部資源豐富、性能全面、適應(yīng)性強(qiáng)。專用型單片機(jī)針對某些產(chǎn)品的特定用途而制作，是MCU發(fā)展的一個(gè)趨勢。單片機(jī)的特點(diǎn)：(1)集成度高，功能強(qiáng)。單片機(jī)在一塊芯片上集成了CPU、RAM、ROM、I/O接口等資源，在芯片上還包含了中斷系統(tǒng)、串行通信接口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等功能部件。芯片功能強(qiáng)、體積小、集成度高。(2)具有很高的性價(jià)比。單片機(jī)盡可能地把應(yīng)用所需的各種資源集成在一塊芯片內(nèi)，性能高，但是價(jià)格卻相對較低廉。(3)抗干擾能力強(qiáng)。單片機(jī)是面向工業(yè)檢測、控制環(huán)境設(shè)計(jì)的，因此，抗噪聲干擾能力較強(qiáng)。程序固化在ROM類型的存儲(chǔ)器中不易被破壞；許多資源集成在一個(gè)芯片，可靠性高。單片機(jī)的發(fā)展：第1階段(1971~1976)：單片機(jī)萌芽階段。第2階段(1976~1980)：初級單片機(jī)階段。第3階段(1980~1983)：高性能單片機(jī)階段。第4階段(1983~1990)：8位單片機(jī)鞏固發(fā)展及16位單片機(jī)推出階段。第5階段(1990~)：單片機(jī)在集成度、功能、速度、可靠性、應(yīng)用領(lǐng)域等方面高速發(fā)展。發(fā)展方向(1)內(nèi)部結(jié)構(gòu)（硬件結(jié)構(gòu)包括指令結(jié)構(gòu)）(2)功耗和電源電壓方面(3)工藝的進(jìn)步及抗干擾能力的提高(4)存儲(chǔ)能力和Internet連接1、8051類單片機(jī)（屬M(fèi)CS-51系列）2、Motorola單片機(jī)3、Microchip單片機(jī)4、華邦單片機(jī)5、Philips單片機(jī)6、Epson單片機(jī)7、NS單片機(jī)8、AT89、ATMega系列9、其它單片機(jī)單片機(jī)的系列產(chǎn)品本章學(xué)習(xí)要求1、掌握MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。3、掌握MCS-51單片機(jī)的基本工作原理。2、了解單片機(jī)并行I/O口的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。4、掌握單片機(jī)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展方法。9.2MCS-51單片機(jī)的組成與結(jié)構(gòu)9.2.1

MCS-51的基本組成MCS-51單片機(jī)(以8051為例，Intel產(chǎn)品)1個(gè)8位CPU；1個(gè)片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路；128字節(jié)RAM（數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器）；4K字節(jié)ROM（程序存儲(chǔ)器）；2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；32條可編程的I/O線（四個(gè)8位并行I/O端口）；1個(gè)全雙工串行口；5個(gè)中斷源；MCS-51單片機(jī)的邏輯結(jié)構(gòu)9.2.2

MCS-51單片機(jī)的引腳與功能邏輯符號8051引腳分配P0P1P2P3引腳分配P0P1P2P3(1)P0口（32腳～39腳）有兩種使用方法：作為與外部傳送數(shù)據(jù)的8位數(shù)據(jù)總線（D0～D7）。作為擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器時(shí)的低8位地址總線（A0～A7）。(2)P1口（1腳～8腳）作為普通I/O口使用，無須外接上拉電阻(80C52的P1.0和P1.1還具有第二功能，見表)引腳分配P0P1P2P3(3)P2口（21腳～28腳）有兩種使用方法：作為普通I/O口使用，無須外接上拉電阻。作為擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器時(shí)的高8位地址總線(A8～A15)。(4)P3口（10腳～17腳）作為普通I/O口使用，無須外接上拉電阻；各引腳具有第二功能，見下表。P1口與P3口的第二功能(5)VDD（40腳）：+5V電源。(6)VSS（20腳）：GND(7)XTAL1（19腳）

XTAL2（18腳）：接外部石英晶振的引腳，也可引入外部時(shí)鐘。(8)RESET（9腳）：復(fù)位信號引腳。必須在此引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平，才能保證單片機(jī)可靠的復(fù)位。復(fù)位后，單片機(jī)內(nèi)部各寄存器的狀態(tài)如下表所示。引腳分配P0P1P2P3復(fù)位后單片機(jī)各寄存器的內(nèi)容(9)ALE/PROG（30腳）：地址鎖存允許信號。有以下兩個(gè)作用：當(dāng)外接存儲(chǔ)器（RAM/ROM）時(shí)，ALE（允許地址鎖存）的輸出用于鎖存地址的低8位。一般ALE接鎖存器的EN端。當(dāng)沒有外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE端可輸出脈沖信號，此頻率為石英振蕩頻率的1/6。因此，它可用作對外部芯片提供輸出的時(shí)鐘，或用于定時(shí)的目的。(10)PSEN（29腳）：外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號引腳分配P0P1P2P3(11)

/VPP（腳31）：訪問程序存儲(chǔ)器控制信號。當(dāng)信號接低電平時(shí)，對ROM的讀操作（執(zhí)行程序）限定在外部程序存儲(chǔ)器。當(dāng)接高電平時(shí)，對ROM的讀操作（執(zhí)行程序）從內(nèi)部開始。在使用內(nèi)部帶程序存儲(chǔ)器的單片機(jī)時(shí)，應(yīng)接高電平。引腳分配P0P1P2P3MCS-51單片機(jī)的邏輯結(jié)構(gòu)9.2.3

MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)總線數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器程序存儲(chǔ)器特殊功能寄存器

I/O口

I/O口運(yùn)算器控制器一、中央處理器(CPU)CPU由運(yùn)算器和控制器組成，它是單片機(jī)的核心，完成運(yùn)算和控制操作。1、運(yùn)算器組成：算術(shù)邏輯運(yùn)算器ALU、布爾處理器、算術(shù)累加器ACC、寄存器B、暫存器TMP1和TMP2、程序狀態(tài)字PSW寄存器、布爾累加器Cy及十進(jìn)制調(diào)整電路等。功能：進(jìn)行移位、算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算；MCS-51運(yùn)算器還包含有一個(gè)布爾（位）處理器，用來處理位操作。(1)、累加器ACC(8位)暫存操作數(shù)及保存運(yùn)算結(jié)果。ACC是MCS-51單片機(jī)中最繁忙的寄存器。(2)、寄存器B(8位)用于乘法、除法運(yùn)算，對于其它指令可作為一個(gè)寄存器使用。(3)、程序狀態(tài)字PSW寄存器(8位)存放累加器ACC在運(yùn)算過程中標(biāo)志位（P，OV，AC，Cy）的狀態(tài)；指出CPU所使用的當(dāng)前工作寄存器組。CYACF0RS0OVPRS1PSW.7PSW.0PSW.6PSW.5PSWCY(PSW.7)進(jìn)位/借位標(biāo)志位若ACC在運(yùn)算過程中發(fā)生了進(jìn)位或借位，則CY=1；否則=0。它也是布爾處理器的位累加器，可用于布爾操作。AC(PSW.6)半進(jìn)位/借位標(biāo)志位若ACC在運(yùn)算過程中，D3位向D4位發(fā)生了進(jìn)位或借位，則CY=1，否則=0。F0(PSW.5)用戶標(biāo)志位CYACF0RS0OVPRS1PSW.7PSW.0PSW.6PSW.5PSWRS1(PSW.4)、RS0(PSW.3)工作寄存器組選擇位若RS1，RS0=00則選擇了工作寄存器組0區(qū)，R0～R7分別代表00H～07H單元。若RS1，RS0=01則選擇了工作寄存器組1區(qū)，R0～R7分別代表08H～0FH單元。若RS1，RS0=10則選擇了工作寄存器組2區(qū)，R0～R7分別代表10H～17H單元。若RS1，RS0=11則選擇了工作寄存器組3區(qū)，R0～R7分別代表18H～1FH單元。CYACF0RS0OVPRS1PSW.7PSW.0PSW.6PSW.5PSWOV(PSW.2)溢出標(biāo)志位OV=1時(shí)特指累加器在進(jìn)行帶符號數(shù)(-128—+127)運(yùn)算時(shí)出錯(cuò)（超出范圍）；OV=0時(shí)未出錯(cuò)。PSW.1未定義P(PSW.0)奇偶標(biāo)志位P=1表示累加器中“1”的個(gè)數(shù)為奇數(shù)P=0表示累加器中“1”的個(gè)數(shù)為偶數(shù)CPU隨時(shí)監(jiān)視著ACC中的“1”的個(gè)數(shù),并反映在PSW中。(4)、布爾處理器Cy實(shí)現(xiàn)各種位邏輯運(yùn)算和傳送；MCS-51專門提供了一個(gè)位尋址空間。(5)、TMP1和TMP28位暫存寄存器存放參與運(yùn)算的操作數(shù)。2、控制器組成：程序計(jì)數(shù)器(PC)、指令寄存器、指令譯碼器，數(shù)據(jù)指針(DPTR)、堆棧指針(SP)、定時(shí)與控制部件、復(fù)位電路等。功能：產(chǎn)生計(jì)算機(jī)所需的時(shí)序，控制程序自動(dòng)執(zhí)行。(1)、程序計(jì)數(shù)器PC(16位)程序計(jì)數(shù)器PC用來存放即將要執(zhí)行的指令地址，共16位，低8位經(jīng)P0口輸出，高8位經(jīng)P2口輸出。CPU每取一次機(jī)器碼，PC內(nèi)容自動(dòng)加一。CPU執(zhí)行完一條指令，PC內(nèi)容自動(dòng)增加該指令的長度。CPU復(fù)位后，PC內(nèi)容為0000H，它標(biāo)志著程序從頭開始執(zhí)行。PC的內(nèi)容變化決定程序的流向。(2)、指令寄存器(8位)指令寄存器中存放將要執(zhí)行的指令代碼，通過指令譯碼器，將指令代碼轉(zhuǎn)化為電信號(控制信號ALE等)。(3)、數(shù)據(jù)指針DPTR(16位)用于訪問外部RAM或外部I/O口，提供十六位地址；也用于程序存儲(chǔ)器的查表和程序散轉(zhuǎn)指令，作為基地址寄存器，提供十六位基地址。(4)、堆棧指針寄存器SP(8位)用于管理堆棧，指出棧頂位置。

MCS-51單片機(jī)復(fù)位后，(SP)=07H。CPU程序存儲(chǔ)器指令寄存器外RAM,EPROM,外I/O指令譯碼器控制單片機(jī)各部分的運(yùn)行,產(chǎn)生ALE，PSEN,RD/WR單片機(jī)取指令、分析指令和執(zhí)行指令的過程：取指令：CPU根據(jù)程序計(jì)數(shù)器PC的內(nèi)容所指的單元地址，從程序存儲(chǔ)器中的某個(gè)單元取一個(gè)字節(jié)的指令代碼(機(jī)器碼)，并將它送入指令寄存器中，同時(shí)，PC的內(nèi)容自動(dòng)加1，指出存儲(chǔ)下一個(gè)字節(jié)指令代碼的單元地址。分析指令：即解釋指令或指令譯碼。分析指令時(shí)，CPU對指令寄存器中的指令代碼譯碼分析，指出要求CPU做什么，并按一定的時(shí)序產(chǎn)生相應(yīng)的操作命令、控制信號、讀取所需的操作數(shù)。執(zhí)行指令：對操作數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算操作，并將運(yùn)算結(jié)果存放到指定的單元(或存儲(chǔ)器、I/O口)，同時(shí)，在運(yùn)算過程中自動(dòng)設(shè)置有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)。二、存儲(chǔ)器1、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器單片機(jī)的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器由RAM地址寄存器、地址譯碼器以及128個(gè)單元的RAM構(gòu)成，用于存放可讀寫的數(shù)據(jù)。2、內(nèi)部程序存儲(chǔ)器MCS-51系列單片機(jī)(8031除外)的內(nèi)部程序存儲(chǔ)器由程序地址寄存器、地址譯碼器以及4K(4096)個(gè)單元的ROM構(gòu)成，用于存放程序的機(jī)器代碼和常數(shù)。3、特殊功能寄存器(SpecialFunctionRegister，SFR)MCS-51系列單片機(jī)有21個(gè)可以尋址的特殊功能寄存器，包括單片機(jī)內(nèi)的I/O口、串行口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)等相關(guān)的數(shù)據(jù)寄存器（或緩沖器）以及控制寄存器和狀態(tài)寄存器，用于存放相應(yīng)功能部件的控制命令、狀態(tài)和數(shù)據(jù)。三、并行口（ParallelPort）有4個(gè)并行的I/O口：P0、P1、P2、P3，每根口線都可獨(dú)立地用作輸入或輸出。四、串行口（SerialPort）有1個(gè)全雙工的串行口，用于串行通信。串行口由發(fā)送緩沖器SBUF、接收緩沖器RBUF、移位寄存器和串行口控制邏輯等部分組成。五、定時(shí)/計(jì)數(shù)器（Timer/Counter）有2個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0和T1，T0由TH0和TL0構(gòu)成，T1由TH1和TL1構(gòu)成，定時(shí)/計(jì)數(shù)器方式寄存器TMOD選擇定時(shí)/計(jì)數(shù)器的工作模式和方式，定時(shí)/計(jì)數(shù)器控制寄存器TCON控制T0和T1的啟動(dòng)和停止，同時(shí)反映T0和T1的溢出狀態(tài)。六、中斷系統(tǒng)（InterruptSystem）有5個(gè)中斷源，分別為2個(gè)外部中斷、2個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器溢出產(chǎn)生的中斷、1個(gè)串行口接收/發(fā)送產(chǎn)生的中斷，提供2個(gè)中斷優(yōu)先級。9.3MCS-51單片機(jī)的存儲(chǔ)器MCS-51單片機(jī)的的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開設(shè)置，地址空間相互獨(dú)立。MCS-51存儲(chǔ)器地址空間可分為以下5類：程序存儲(chǔ)器，最大空間64K；片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，128個(gè)單元；特殊功能寄存器，共21個(gè)；位尋址空間，211位；外部數(shù)據(jù)寄存器，最大空間64K。這些存儲(chǔ)資源與單片機(jī)的應(yīng)用關(guān)系密切。9.3.1程序存儲(chǔ)器程序存儲(chǔ)器用來存放程序和常數(shù)，最大尋址空間64K個(gè)單元。MCS-51系列產(chǎn)品按程序存儲(chǔ)器配置類型分為3類：8051芯片含有4k個(gè)單元的ROM8751芯片含有4k個(gè)單元的EPROM8031中無程序存儲(chǔ)器，需要擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器在實(shí)際應(yīng)用中，用戶既可使用芯片內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器，也可以使用芯片外部的程序存儲(chǔ)器，但最大空間為64k。程序存儲(chǔ)器的地址空間構(gòu)成與引腳的接法有關(guān)。(1)芯片內(nèi)部含有程序存儲(chǔ)器的單片機(jī)(8051/8751)程序存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)程序存儲(chǔ)器連接電路當(dāng)=1（接高電平）時(shí)，8051/8751的程序存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)：當(dāng)=0（接低電平）時(shí)，8051/8751的程序存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)：程序存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)程序存儲(chǔ)器連接電路(2)芯片內(nèi)部不含有程序存儲(chǔ)器的單片機(jī)(8031)必須接地，8031的程序存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)：程序存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)程序存儲(chǔ)器連接電路8031不論哪一種MCS-51單片機(jī)，如果接地，其內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器都將被CPU忽略。在單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器中，有5個(gè)特殊的單元地址被定義為中斷入口地址，分別為：外部中斷入口地址0003H，外部中斷入口地址0013H，定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0入口地址000BH，定時(shí)/計(jì)數(shù)器T1入口地址001BH，串行口中斷入口地址0023H。中斷入口地址映射9.3.2片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器MCS-51單片機(jī)的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器按照功能可劃分為3個(gè)區(qū)域：00~1FH：32個(gè)單元為工作寄存器區(qū)20~2FH：16個(gè)單元為位尋址區(qū)30~7FH：80個(gè)單元為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)共128個(gè)單元。片內(nèi)RAM分區(qū)示意圖(一)工作寄存器區(qū)(RegisterBank)(00~1FH32個(gè)單元)工作寄存器組分區(qū)工作寄存器區(qū)也稱為通用寄存器區(qū)。工作寄存器區(qū)包含4個(gè)工作寄存器組，每個(gè)工作寄存器組由8個(gè)工作寄存器R0~R7組成：

BANK0（00~07H）

BANK1（08~0FH）

BANK2（10~17H）

BANK3（18~1FH）CPU在每個(gè)時(shí)刻只能使用4個(gè)工作寄存器組中的一個(gè)作為當(dāng)前寄存器組，由程序狀態(tài)字PSW中的第3位(RS0)和第4位(RS1)指定。通過對這2位的編程，可設(shè)定CPU的當(dāng)前工作寄存器組。剩余的工作寄存器組所對應(yīng)的存儲(chǔ)單元可作為一般的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)使用。CYACF0RS0OVPRS1PSW.7PSW.0PSW.6PSW.5PSW若RS1，RS0=00則選擇了工作寄存器組0區(qū)，R0～R7分別代表00H～07H單元。若RS1，RS0=01則選擇了工作寄存器組1區(qū)，R0～R7分別代表08H～0FH單元。若RS1，RS0=10則選擇了工作寄存器組2區(qū)，R0～R7分別代表10H～17H單元。若RS1，RS0=11則選擇了工作寄存器組3區(qū)，R0～R7分別代表18H～1FH單元。(二)位尋址區(qū)(BitAddressableArea)(20~2FH16個(gè)單元)位尋址區(qū)中的16個(gè)單元不僅有1個(gè)單元地址(可按單元訪問)，單元中的每一位也有一個(gè)自己的位地址，CPU可以對其中的每一位按位訪問。D7D6D5D3D2D0D427H單元地址24HD1位地址26H20H21H22H23H24H25H例：位尋址區(qū)中的位地址范圍為00~7FH(168=128位)。CPU可以對每一位直接操作。單元地址

D7D6D5D4D3D2D1D02C67666564636261602B5F5E5D5C5B5A59582A5756555453525150294F4E4D4C4B4A4948284746454443424140273F3E3D3C3B3A3938263736353433323130252F2E2D2C2B2A2928242726252423222120231F1E1D1C1B1A1918221716151413121110210F0E0D0C0B0A09082D6F6E6D6C6B6A69682007060504030201002E77767574737271702F7F7E7D7C7B7A7978片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中20~2FH的位地址映射通?？梢詫⒏鞣N程序狀態(tài)標(biāo)志、位控制變量存儲(chǔ)在位尋址區(qū)內(nèi)。在片內(nèi)RAM中只有20～2FH單元的位能夠進(jìn)行位操作，我們經(jīng)常表示為20H.0，它與位地址00H是等價(jià)的。位尋址區(qū)16個(gè)單元也可以按單元訪問，因此當(dāng)位尋址區(qū)16個(gè)單元的128位未完全使用時(shí)，其剩余單元也可作為RAM單元使用。(三)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)(DataBufferArea)(30~7FH80個(gè)單元)1、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的作用：作為數(shù)據(jù)緩沖、數(shù)據(jù)暫存、堆棧區(qū)使用；它們只能按單元訪問。2、單片機(jī)中的堆棧堆棧是為了保護(hù)CPU執(zhí)行程序的現(xiàn)場，在存儲(chǔ)器中開辟一個(gè)“先進(jìn)后出”（后進(jìn)先出）的區(qū)域。堆棧的操作包括出棧與入棧。堆棧由堆棧指針SP管理，它始終指向棧頂位置，一般情況下，將堆棧設(shè)在30H單元之后。單片機(jī)數(shù)據(jù)入棧時(shí)，堆棧是向上生長的。因此程序設(shè)計(jì)時(shí)，最好將SP設(shè)在片內(nèi)RAM的末端，如MOVSP,60H，以避免堆棧向上生成時(shí)覆蓋所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。9.3.3特殊功能寄存器(SFR)MCS-51芯片內(nèi)部有21個(gè)可尋址的SFR(具有獨(dú)立地址)，它們離散的分布在80H～FFH地址范圍內(nèi)，并與片內(nèi)RAM統(tǒng)一編址。MCS-51芯片內(nèi)部還有1個(gè)不可尋址的SFR—程序計(jì)數(shù)器PC。可尋址的SFR中部分SFR(單元地址能夠被8整除)還具有位尋址功能。單片機(jī)的特殊功能寄存器（SFR）及其單元地址SFR符號SFR名稱功能SFR對應(yīng)單元ACC累加器E0HBB寄存器F0HPSW程序狀態(tài)字寄存器D0HDPTR數(shù)據(jù)指針83H/82HSP堆棧指針81HP0P0口80HP1P1口90HP2P2口A0HP3P3口B0HIP中斷優(yōu)先級B8HIE中斷允許控制A8HSFR符號SFR名稱功能SFR對應(yīng)單元TMODTimer工作方式89HTCONTimer控制寄存器88HTH0T0計(jì)數(shù)寄存器(H)8CHTL0T0計(jì)數(shù)寄存器(L)8AHTH1T1計(jì)數(shù)寄存器(H)8DHTL1T0計(jì)數(shù)寄存器(L)8BHSCON串行口控制寄存器98HSBUF串行口緩沖器99HPCON電源控制寄存器87H

與CPU有關(guān)的：ACC、B、PSW、SP、DPTR(DPH、DPL)。與并行I/O口有關(guān)的：P0、P1、P2、P3。與串行口有關(guān)的：SCON、SBUF、PCON。與定時(shí)/計(jì)數(shù)器有關(guān)的：TCON、TMOD、TH0、TL0、TH1、TL1。與中斷系統(tǒng)有關(guān)的：IP、IE。凡是SFR的地址能被8整除的SFR(單元地址的末位是0或8)都具有位尋址功能，MCS-51單片機(jī)共有11個(gè)SFR具有位尋址功能，這些寄存器（單元）的每一位都有一個(gè)位地址。位地址空間：80~FFH。特殊功能寄存器（SFR）的位地址空間的特點(diǎn)：SFR對應(yīng)的單元地址為該SFR最低位的位地址。SFR的位尋址區(qū)地址是不連續(xù)的。SFR位尋址空間地址映射SFR

D7D6D5D4D3D2D1D0ACCE7E6E5E4E3E2E1E0BF7F6F5F4F3F2F1F0單元地址PSWD7D6D5D4D3D2D1D0IPBFBEBDBCBBBAB9B8B8P3B7B6B5B4B3B2B1B0B0IEAFAEADACABAAA9A8A8P2A7A6A5A4A3A2A1A0A0SCON9F9E9D9C9B9A999898P19796959493929190TCON8F8E8D8C8B8A8988P08786858483828180908880D0E0F0CyACF0RS1RS0OV—P———PSPT1PX1PT0PX0P3.7P3.6P3.5P3.4P3.3P3.2P3.1P3.0EA——ESET1EX1ET0EX0P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0SM0SM1SM2RENTB8RB8TIRITF1TR1TF0TR0IE1IT1IT0IE0MCS-51單片機(jī)中SFR的使用：(1)、對于SFR以單元形式訪問時(shí)，只能采用直接尋址方式。如：MOVSBUF,AMOV99H,A二者是等價(jià)的。(2)、對于80～FFH區(qū)間未定義的單元，用戶不能使用。同樣，對于未定義位地址所對應(yīng)的位操作也是無效的。(3)、編程時(shí)，最好不要采用SFR作為中間寄存器暫存中間結(jié)果。因?yàn)閺?fù)位時(shí)，多數(shù)SFR會(huì)被清0。9.3.4

MCS-51單片機(jī)的位尋址空間MCS-51單片機(jī)的位尋址空間由兩部分組成，位地址范圍為00～FFH。MCS-51位尋址空間片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器20-2FH單元的128位，占用位地址范圍：00～7FH地址能被8整除的SFR具有位尋址功能，占用位地址范圍：80～FFH9.3.5外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器MCS-51系列單片機(jī)的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是一個(gè)獨(dú)立的物理空間，外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和外部I/O口共同占用這個(gè)空間，最大可以擴(kuò)展到64k，地址范圍為：0000H~FFFFH。外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器一般由靜態(tài)RAM構(gòu)成，簡稱外部RAM。外部RAM和外部I/O口與單片機(jī)的連接外部RAM和外部I/O口地址空間9.4MCS-51單片機(jī)的并行I/O口單片機(jī)I/O口的作用單片機(jī)I/O口的結(jié)構(gòu)與工作原理單片機(jī)I/O口的使用一、單片機(jī)I/O口的作用單片機(jī)芯片上的輸入輸出口有4個(gè)：P0，P1，P2和P3。I/O口的作用與單片機(jī)是否擴(kuò)展有關(guān)。(1)、8051/8751不進(jìn)行存儲(chǔ)器和I/O口擴(kuò)展時(shí)：P0：I/O口；P1：I/O口；P2：I/O口；P3：I/O口；也可作為第二功能使用。當(dāng)P3口某些引腳作為第二功能使用時(shí)，不可再作為I/O口線使用。如P3.0和P3.1作為RXD和TXD時(shí)，不可再作為I/O口線使用。(2)、8031及8051/8751進(jìn)行存儲(chǔ)器和I/O口擴(kuò)展時(shí)：P0：低八位地址總線/數(shù)據(jù)總線；P2：高八位地址總線；P1：I/O口；P3：I/O口或第二功能使用。當(dāng)P3口某些引腳作為第二功能使用時(shí)，不可再作為I/O口線使用。DQCLKQMUXP0.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳地址/數(shù)據(jù)控制VCCT1T2P0口引腳2143P0口的某位P0.n(n=0~7)結(jié)構(gòu)圖P0口的某位由一個(gè)輸出鎖存器、兩個(gè)三態(tài)輸入緩沖器(1和2)、輸出驅(qū)動(dòng)電路(T1和T2)、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)MUX以及控制電路(3和4)組成。從邏輯結(jié)構(gòu)圖可以看出，P0口既可以作為I/O用，也可以作為地址/數(shù)據(jù)線用。二、單片機(jī)I/O口的結(jié)構(gòu)與工作原理1、P0口的結(jié)構(gòu)與工作原理當(dāng)P0口作為普通I/O口使用時(shí)輸出時(shí)：CPU發(fā)出控制電平“0”封鎖“與”門，將輸出上拉場效應(yīng)管T1截止，同時(shí)使多路開關(guān)MUX把鎖存器與輸出驅(qū)動(dòng)場效應(yīng)管T2柵極接通，故內(nèi)部總線與P0口同相，總線上的信號輸出。DQCLKQMUXP0.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳地址/數(shù)據(jù)控制VCCT1T2P0口引腳2143由于輸出驅(qū)動(dòng)級是漏極開路電路，若驅(qū)動(dòng)其他NMOS或外部設(shè)備時(shí)，需要外接上拉電阻。P0的輸出級可驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL負(fù)載。輸入時(shí)：(分讀引腳或讀鎖存器)讀引腳：由傳送指令(MOV)實(shí)現(xiàn)。下面一個(gè)緩沖器用于讀端口引腳數(shù)據(jù)，當(dāng)執(zhí)行一條由端口輸入的指令時(shí)，讀脈沖把該三態(tài)緩沖器打開，這樣端口引腳上的數(shù)據(jù)經(jīng)過緩沖器讀入到內(nèi)部總線。DQCLKQMUXP0.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳地址/數(shù)據(jù)控制VCCT1T2P0口引腳2143讀鎖存器：有些指令如：ANLP0，A稱為“讀-改-寫指令”，需要讀鎖存器。上面一個(gè)緩沖器用于讀端口鎖存器數(shù)據(jù)到內(nèi)部總線。DQCLKQMUXP0.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳地址/數(shù)據(jù)控制VCCT1T2P0口引腳2143當(dāng)P0口作為地址/數(shù)據(jù)總線使用時(shí)在系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，P0口常作為地址/數(shù)據(jù)總線使用，分為：P0引腳輸出地址/數(shù)據(jù)信息。P0引腳輸入數(shù)據(jù)。P0引腳輸出地址/數(shù)據(jù)信息。DQCLKQMUXP0.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳地址/數(shù)據(jù)控制VCCT1T2P0口引腳2143CPU發(fā)出控制電平“1”，打開“與”門，又使多路開關(guān)MUX把CPU的地址/數(shù)據(jù)總線與T2柵極反相接通，輸出地址或數(shù)據(jù)。P0引腳輸入數(shù)據(jù)。輸入信號是從引腳通過輸入緩沖器進(jìn)入內(nèi)部總線。此時(shí)，CPU自動(dòng)使MUX向下，并向P0口寫“1”使“讀引腳”控制信號有效，下面的緩沖器打開，外部數(shù)據(jù)讀入內(nèi)部總線。DQCLKQMUXP0.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳地址/數(shù)據(jù)控制VCCT1T2P0口引腳21432、P1口的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)DQCLKQP1.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳VCCRTP1口引腳由一個(gè)輸出鎖存器、兩個(gè)三態(tài)輸入緩沖器和輸出驅(qū)動(dòng)電路組成。3、P2口的結(jié)構(gòu)與工作原理DQCLKQMUXP2.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳地址控制VCCRTP2口引腳213P2口的某位由一個(gè)輸出鎖存器、兩個(gè)三態(tài)輸入緩沖器(1和2)、反相器(3)、輸出驅(qū)動(dòng)電路(FET場效應(yīng)管T)和多路轉(zhuǎn)換開關(guān)MUX組成。P2口可作為普通I/O口和地址總線使用。當(dāng)P2口作為普通I/O口使用時(shí)DQCLKQMUXP2.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳地址控制VCCRTP2口引腳213CPU發(fā)出控制電平“0”，使多路開關(guān)MUX倒向鎖存器輸出Q端，構(gòu)成一個(gè)準(zhǔn)雙向口。其結(jié)構(gòu)和功能與P1相同。成為普通I/O口。當(dāng)P2口作為地址總線使用時(shí)DQCLKQMUXP2.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳地址控制VCCRTP2口引腳213在系統(tǒng)擴(kuò)展片外存儲(chǔ)器且容量超過256B時(shí)，CPU發(fā)出控制電平“1”，使多路開關(guān)MUX倒向內(nèi)部地址線。此時(shí)，P2輸出高8位地址信息。4、P3口的結(jié)構(gòu)與工作原理P3口的某位由一個(gè)輸出鎖存器、三個(gè)三態(tài)輸入緩沖器(1、2、4)、與非門(3)及輸出驅(qū)動(dòng)電路(FET場效應(yīng)管T)組成。P3口除可作為普通I/O口外，其還具有第二功能。DQCLKQP3.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳VCCRTP3口引腳第二功能輸入第二功能輸出W2134當(dāng)P3口作為普通I/O口使用時(shí)，W=1,其結(jié)構(gòu)功能與P1口類似。當(dāng)P3口用作第二功能使用時(shí)：P3.0：RXD串行口輸入P3.1：TXD串行口輸出P3.2：INT0外部中斷0輸入P3.3：INT1外部中斷1輸入P3.4：T0定時(shí)器0外部輸入P3.5：T1定時(shí)器1外部輸入P3.6：WR外部寫控制P3.7：RD外部讀控制當(dāng)P3口用作第二功能輸出時(shí)：(輸出RD/WR/TXD)DQCLKQP3.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳VCCRTP3口引腳第二功能輸入第二功能輸出(RD/WR/TXD)W2134111第二功能輸出時(shí)，內(nèi)部自動(dòng)設(shè)置D=1當(dāng)P3口用作第二功能輸入時(shí)：(輸入RxD/T0/INT0等)DQCLKQP3.n讀鎖存器=0內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳=0VCCRTP3口引腳第二功能輸入RxD/T0/INT0/T1/INT1第二功能輸出此端自動(dòng)=1W2134111第二功能輸入時(shí)，信號經(jīng)緩沖器4直接進(jìn)入內(nèi)部總線。10截止9.5MCS-51單片機(jī)的時(shí)鐘電路與時(shí)序9.5.1

MCS-51單片機(jī)的時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路用來產(chǎn)生CPU工作所需的時(shí)鐘控制信號。時(shí)鐘的頻率直接影響單片機(jī)的速度，時(shí)鐘電路的質(zhì)量直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)形式：內(nèi)部方式和外部方式。1、內(nèi)部方式內(nèi)部方式XTAL2XTAL18051C1C2OSC借助于單片機(jī)芯片上提供的反相放大器電路，在XTAL1和XTAL2兩引腳之間外接晶體振蕩器和微調(diào)電容構(gòu)成自激振蕩器，提供時(shí)鐘信號。2、外部方式直接使用外部振蕩脈沖信號。XTAL1XTAL2外部振蕩源外部方式8051VCCR常用于多CPU系統(tǒng)，以保持各個(gè)CPU同步工作9.5.2

MCS-51單片機(jī)的時(shí)序在計(jì)算機(jī)中，一條指令可分解為若干個(gè)基本的微操作，這些微操作所對應(yīng)的脈沖信號在時(shí)間上有嚴(yán)格的先后次序，稱為計(jì)算機(jī)的時(shí)序。MCS-51包括4個(gè)定時(shí)單位，它們分別是：振蕩周期（節(jié)拍）、時(shí)鐘周期（狀態(tài)周期）、機(jī)器周期和指令周期。單片機(jī)兩種常用晶體振蕩器(晶振)的4個(gè)周期信號的對比1、震蕩周期振蕩周期也叫節(jié)拍，用P表示。振蕩周期是指為單片機(jī)提供定時(shí)信號的振蕩源的周期。是時(shí)序中最小的時(shí)間單位。例如：若某單片機(jī)時(shí)鐘頻率為2MHz，則它的振蕩周期應(yīng)為0.5μs。2、時(shí)鐘周期時(shí)鐘周期又叫做狀態(tài)周期，用S表示。是振蕩周期的二倍，其前半周期對應(yīng)的節(jié)拍叫P1拍，后半周期對應(yīng)的節(jié)拍叫P2。P1節(jié)拍通常完成算術(shù)、邏輯運(yùn)算；P2節(jié)拍通常完成傳送指令。3、機(jī)器周期機(jī)器周期是實(shí)現(xiàn)特定功能所需的時(shí)間周期，通常由若干時(shí)鐘周期構(gòu)成。MCS-51的一個(gè)機(jī)器周期是固定不變的，寬度均由6個(gè)狀態(tài)周期（12個(gè)振蕩周期）組成，并依次表示為S1～S6，分別記作S1P1、S1P2……S6P1、S6P2。4、指令周期指令周期是最大的時(shí)序定時(shí)單位，指令周期是指執(zhí)行一條指令需要的時(shí)間。MCS-51的指令周期可以包含有1～4個(gè)機(jī)器周期。MCS-51單片機(jī)的機(jī)器周期(TM)狀態(tài)P1相P2相TMTMP1相P2相MCS-51單片機(jī)每個(gè)機(jī)器周期內(nèi)地址鎖存信號（ALE）產(chǎn)生兩次有效信號，分別出現(xiàn)在S1P2、S2P1期間與S4P2、S5P1期間。典型指令的時(shí)序：MCS-51系列單片機(jī)共有111條指令，按照指令代碼的長度，這些指令可以分為單字節(jié)指令、雙字節(jié)指令和3字節(jié)指令；按照指令的執(zhí)行時(shí)間，可以分為單周期