第二章 單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理C-改

第二章

單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理主要內(nèi)容：MCS-51總體結(jié)構(gòu)MCS-51時(shí)鐘及CPU工作時(shí)序MCS-51存儲(chǔ)器配置MCS-51系列基本產(chǎn)品型號(hào)：

8031、8051、8751、8951統(tǒng)稱為51子系列。不同型號(hào)MCS-51單片機(jī)CPU處理能力和指令系統(tǒng)完全兼容，只是存儲(chǔ)器和I/O接口的配置有所不同。MCS-51總體結(jié)構(gòu)3硬件基本配置：8位CPU片內(nèi)ROM/EPROM、RAM片內(nèi)并行I/O接口片內(nèi)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器片內(nèi)中斷處理系統(tǒng)片內(nèi)全雙工串行I/O口4電源引腳（＋5V）和接地引腳；外接晶振引腳和；I/O引腳P0、P1、P2和P3；控制和復(fù)位引腳ALE、、、RST。MCS-51單片機(jī)引腳1．I/O功能接口（四個(gè)8位并行I/O接口）:

P0.0～P0.7（低8位地址、數(shù)據(jù)、雙向三態(tài)I/O口）P1.0～P1.7（準(zhǔn)雙向I/O口）P2.0～P2.7（高8位地址、準(zhǔn)雙向I/O）P3.0～P3.7（準(zhǔn)雙向I/O口、每條引腳都有第二功能）為多功能引腳，可自動(dòng)切換用作數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線或I/O接口外部引腳。MCS-51單片機(jī)引腳2．控制引腳：允許地址鎖存信號(hào)輸出端(與P0配合)和對(duì)片內(nèi)EPROM編程/校驗(yàn)時(shí)傳送負(fù)脈沖(對(duì)8751);

：外部ROM讀選通信號(hào)端;

：內(nèi)/外ROM選擇信號(hào)端和編程電源輸入端(對(duì)8751);

：復(fù)位信號(hào)端和備用電源輸入端。輸入2個(gè)機(jī)器周期-10ms以上高電平脈沖，單片機(jī)復(fù)位。當(dāng)因故障而降至規(guī)定低電平時(shí)，上的備用電源自動(dòng)投入，對(duì)片內(nèi)RAM實(shí)現(xiàn)掉電保護(hù)。MCS-51單片機(jī)引腳7ALE與P0配合（8031讀片外ROM）：

MOVCA,@A+DPTR步驟：（1）8031CPU將高八位地址送到P2口（管腳）上，將低八位地址送到P0口（管腳）上；（2）一旦P0口上片外ROM的低八位地址穩(wěn)定，8031就在ALE線上發(fā)出正脈沖的下降沿將低八位地址鎖存到地址鎖存器74LS373中；（3）8031自動(dòng)使

變?yōu)榈碗娖?；?）ROM芯片按CPU所給地址，讀出相應(yīng)數(shù)據(jù)并送到8031的P0口。8MCS-51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)(圖)中央處理器CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)1.算術(shù)邏輯單元ALU

(8位)+、–、×、÷算術(shù)運(yùn)算，與、或、非、異或邏輯運(yùn)算，循環(huán)移位，位處理。2.寄存器陣列

(1)4個(gè)工作寄存器區(qū)（0區(qū)～3區(qū)），每個(gè)區(qū)均含8個(gè)寄存器R0～R7

(8位)。暫存運(yùn)算數(shù)據(jù)和中間結(jié)果。用PSW中的兩位PSW.4和PSW.3來切換選擇四個(gè)工作寄存器區(qū)中的一個(gè)工作寄存器區(qū)進(jìn)行讀、寫操作。(P21頁表2-3)(2)累加器A(8位)

需要ALU處理的數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果多數(shù)要經(jīng)過A累加器。(3)寄存器B(8位)

與A累加器配合執(zhí)行乘、除運(yùn)算。亦可作通用寄存器。(4)程序狀態(tài)字PSW(8位)

存放ALU運(yùn)算過程的標(biāo)志狀態(tài)。

CyACF0RS1RS0OV—P進(jìn)位/輔助進(jìn)位/用戶定/選工作寄/溢出標(biāo)志/—/奇偶標(biāo)志(5)數(shù)據(jù)指針DPTR(16位)

存放片外存儲(chǔ)器地址，作為片外存儲(chǔ)器的指針?？煞殖蓛蓚€(gè)8位寄存器DPH、DPL使用。(6)堆棧指針SP(8位)（P23頁）按“先進(jìn)后出、后進(jìn)先出”的原則存取數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)區(qū)。MCS-51堆棧設(shè)在片內(nèi)RAM區(qū)。數(shù)據(jù)入棧/出棧時(shí)，(SP)自動(dòng)先加1/后減1，其內(nèi)容始終為棧頂?shù)刂?。?fù)位時(shí)：(SP)=07H，可通過對(duì)SP初始化具體設(shè)置堆棧區(qū)。3.程序計(jì)數(shù)器PC(16位)CPU總是按PC的指示讀取程序。PC可自動(dòng)加1，CPU執(zhí)行程序一般是順序方式。當(dāng)發(fā)生轉(zhuǎn)移、子程序調(diào)用、中斷和復(fù)位等操作，PC被強(qiáng)制改寫，程序執(zhí)行順序也發(fā)生改變。MCS-51復(fù)位時(shí)：(PC)=0000H。CPU從地址0開始執(zhí)行程序，即復(fù)位入口地址為0.13MCS-51單片機(jī)的片外總線結(jié)構(gòu)三總線結(jié)構(gòu)：1.地址總線(AddressBus)

總線寬度為16位，可訪問64K外部存儲(chǔ)器。

A0~A7——P0口(經(jīng)鎖存器)A8~A15——P2口2.數(shù)據(jù)總線(DataBus)總線寬度為8位(P0)3.控制總線(ControlBus)由P3口和4根獨(dú)立控制線組成MCS-51時(shí)鐘時(shí)鐘頻率因型號(hào)各異，范圍在1.2MHz～12MHz之間，典型值為12MHz和6MHz。1．內(nèi)部時(shí)鐘方式：內(nèi)部一個(gè)高增益反相放大器與片外石英晶體或陶瓷振蕩器構(gòu)成了一個(gè)自激振蕩器。晶體振蕩器的振蕩頻率決定單片機(jī)的時(shí)鐘頻率。XTAL1

單片機(jī)

XTAL22．外部時(shí)鐘方式：由外部振蕩器提供時(shí)鐘信號(hào)。15振蕩周期：為單片機(jī)提供時(shí)鐘信號(hào)的振蕩源的周期。時(shí)鐘周期：又稱狀態(tài)周期或S周期，是振蕩周期的兩倍，分為P1和P2兩個(gè)節(jié)拍。在每個(gè)時(shí)鐘周期的前半周期，P1信號(hào)有效（完成算術(shù)邏輯操作）；在每個(gè)時(shí)鐘周期的后半周期，P2信號(hào)有效（完成數(shù)據(jù)傳送）。機(jī)器周期：完成一個(gè)基本操作所需要的時(shí)間。一個(gè)機(jī)器周期由12個(gè)振蕩周期組成(S1P1、S1P2、S2P1－－S6P1、S6P2)。指令周期：執(zhí)行一條指令所占用的全部時(shí)間。以機(jī)器周期為單位可分為：單周期、雙周期和四周期指令。若外接12MHz晶振時(shí)，MCS-51單片機(jī)四種周期的具體值為：

振蕩周期＝1／12s

時(shí)鐘周期＝1／6s

機(jī)器周期＝1s

指令周期＝1、2、4s

MCS-51工作時(shí)序16

按照指令字節(jié)數(shù)（單字節(jié)、雙字節(jié)、三字節(jié)）和機(jī)器周期數(shù)（單周期、雙周期、四周期），8051的111條指令可分為六類：

單字節(jié)單周期單字節(jié)雙周期雙字節(jié)單周期雙字節(jié)雙周期三字節(jié)雙周期單字節(jié)四周期：乘、除法指令。注意：

凡指令碼中含有直接地址或立即數(shù)的指令，其字節(jié)數(shù)均應(yīng)在原有基礎(chǔ)上分別加1。

17單周期指令的時(shí)序

對(duì)于單字節(jié)單周期指令，在S1P2把指令碼讀入指令寄存器，并開始執(zhí)行指令，在S4P2仍舊讀下一指令的操作碼，但被讀進(jìn)來的字節(jié)不予考慮（要丟棄），且PC不加1。對(duì)于雙字節(jié)單周期指令，在S1P2把指令碼讀入指令寄存器，并開始執(zhí)行指令，在S4P2讀入指令的第二字節(jié)。無論是單字節(jié)還是雙字節(jié)均在S6P2結(jié)束該指令的操作。(a)單字節(jié)指令(a)雙字節(jié)指令XTAL218

對(duì)于單字節(jié)雙周期指令，在兩個(gè)機(jī)器周期之內(nèi)要進(jìn)行4次讀操作。只是后3次讀操作無效。

單字節(jié)雙周期指令的時(shí)序

在片外存儲(chǔ)器不作存取時(shí)，每一個(gè)機(jī)器周期中ALE信號(hào)有效兩次，具有穩(wěn)定的頻率。所以，ALE信號(hào)是時(shí)鐘振蕩頻率的1/6，可以用作外部設(shè)備的時(shí)鐘信號(hào)。

XTAL219訪問片外RAM的雙周期指令的時(shí)序

在對(duì)片外RAM進(jìn)行讀寫時(shí)，ALE信號(hào)會(huì)出現(xiàn)非周期現(xiàn)象。訪問片外RAM的單字節(jié)雙周期指令的時(shí)序如下圖所示，在第二個(gè)機(jī)器周期內(nèi)沒有讀操作碼的操作，而是進(jìn)行外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的尋址和數(shù)據(jù)選通，所以在S1P2～S2P1間無ALE信號(hào)。XTAL220MCS-51單片機(jī)存儲(chǔ)器空間結(jié)構(gòu)圖圖（a）是程序存儲(chǔ)器（ROM）；圖（b）是內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（內(nèi)部RAM）；圖（c）是外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

（外部RAM）。從功能上講，MCS-51單片機(jī)有五種獨(dú)立存儲(chǔ)空間：1.64KB程序存儲(chǔ)器ROM空間(0～0FFFFH)：內(nèi)外統(tǒng)一編址，與有關(guān)；2.256B片內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM空間(0H~0FFH)；3.128B片內(nèi)特殊功能寄存器SFR空間(80H~0FFH)，部分可位尋址；4.

位尋址空間(00H~07FH)5.

64KB外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM空間(0～0FFFFH)。MCS-51存儲(chǔ)器配置程序存儲(chǔ)器（64KB

）

=1，若PC值在0～0FFFH之間，則CPU訪問片內(nèi)ROM，若PC值大于0FFFH，則CPU訪問片外ROM；

=0，則忽略片內(nèi)ROM，

CPU只訪問片外ROM。僅當(dāng)CPU訪問外部ROM時(shí)才有效（每機(jī)器周期輸出兩次負(fù)脈沖）。復(fù)位入口:

0000H中斷入口:

0003H－

000BH－T0

0013H－

001BH－T10023H－串口中斷片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(128B)1.工作寄存器區(qū)：物理地址：00H～1FH2.位尋址區(qū)：物理地址：20H～2FH,其128bit位地址統(tǒng)一編為：00H～7FH還包括部分特殊功能寄存器3.堆棧/數(shù)據(jù)緩沖區(qū)：物理地址：00H～7FH一般使用30H～7FH注意：復(fù)位時(shí)，（SP）=07H！4.特殊功能寄存器SFR（8051有21個(gè)SFR）物理地址:在80H～0FFH之間其中一些物理地址可被8整除的單元可位尋址（位地址從80H開始）。專用寄存器：ACC、B、PSW、DPTR、SPI/O接口、定時(shí)器等寄存器：P0、P1、P2、P3、SBUF、TMOD、TCON、SCON…25表2-5特殊功能寄存器地址映象

26存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)注意點(diǎn)：1．ROM（8051）——

引腳片內(nèi)：4KB；片外：64KB中的60KB（“MOVC”）；2．RAM

片內(nèi)：256B(00H-0FFH)，片外：64KB(0000H-0FFFFH)，

片內(nèi)外RAM總和超過64KB，系統(tǒng)用兩種操作碼助記符區(qū)分片內(nèi)、片外RAM：

“MOV”――對(duì)片內(nèi)RAM尋址，

“MOVX”――對(duì)片外RAM尋址，片內(nèi)RAM由以下幾部分組成：（1）工作寄存器區(qū)（00H-1FH）分為四個(gè)區(qū)——

PSW.4和PSW.3；27（2）位尋址區(qū)（20H-2FH）例：位置位指令：

SETB7FH；