2MCS51單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理

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一、8051單片機(jī)內(nèi)部包含哪些主要規(guī)律功能部件？

提醒：

（1）CPU—包括運(yùn)算器和控制器。其中運(yùn)算器主要有運(yùn)算規(guī)律部件ALU（實(shí)質(zhì)上就是一個全加器）、累加器A、暫存器TMP（如B寄放器、數(shù)據(jù)指針DPTR）、程序狀態(tài)字PSW（寄放程序運(yùn)行的狀態(tài)信息）；控制器主要有程序計數(shù)器PC（實(shí)質(zhì)是加1計數(shù)器）、指令寄放器IR（存放指令操作碼的專用寄放器）、指令譯碼器、定時控制規(guī)律電路（按指令的性質(zhì)發(fā)出一系列定時信號）、條件轉(zhuǎn)移規(guī)律電路。（2）內(nèi)部RAM。共有256個RAM單元。其中低128個單元（00H—7FH）供用戶使用，高128個單元（80H—FFH）是專用寄放器，有著特別規(guī)律功能（又名特別功能寄放器SFR）。（3）內(nèi)部ROM。8031內(nèi)部無ROM，8051有4KB掩膜ROM。（4）定時/計數(shù)器。MCS51共有2個16位的定時/計數(shù)器（T0、T1）。

（5）并行I/O口。MCS51共有4個8位并行I/O口（P0、P1、P2、P3）。（6）串行口。MCS51有1個全雙工的串行口。

（7）中斷控制系統(tǒng)。MS51共有5個中斷源，且分兩個優(yōu)先級別。（8）時鐘電路。系統(tǒng)允許的最高晶振頻率為12MHz（主要用于通信）。

二、MCS51的存儲器在物理上和規(guī)律上有何不同？有哪幾種地址空間？容量各為多少？訪問片內(nèi)RAM、片外RAM、片外ROM的指令格式有何不同？

提醒：

（1）從物理結(jié)構(gòu)上存儲器分為程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，同時分別又有片內(nèi)與片外之分。（2）從尋址空間分布上分為三個存儲器地址空間，即程序存儲器（片內(nèi)外統(tǒng)一編址空間共64KB）、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器（尋址空間256B。然而事實(shí)上只有低128個單元和高128個單元中的21個單元SFR，高128個單元中的107個空閑地址，用戶不能使用。切記！）、片外數(shù)據(jù)存儲器（尋址空間64KB）。

（3）從功能上劃分為程序存儲器、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器、特別功能寄放器、位地址空間、外部數(shù)據(jù)存儲器。

訪問片內(nèi)RAM的指令助記符是MOV；如MOVP1，A

訪問片外RAM的指令助記符是MO；如MO@DPTR，A訪問片外ROM的指令助記符是MOVC；如MOVCA，@A+PC

三、MCS51單片機(jī)片內(nèi)RAM按用途可以劃分幾個區(qū)域？各有什么作用？（片內(nèi)RAM低128單元劃分哪三個主要部分？各部分主要功能是什么？）

提醒：

片內(nèi)RAM是最靈活的地址空間，在物理上分成兩個獨(dú)立的功能不同的區(qū)域，即低128個單元（00H—7FH）的數(shù)據(jù)RAM區(qū)、高128個單元（80H—FFH）的特別功能寄放器SFR區(qū)（見下一題的回復(fù)）。低128個單元是單片機(jī)真正的RAM存儲器，按其用途又分為三個區(qū)域（說明：這樣單片機(jī)片內(nèi)RAM按用途可以劃分四個區(qū)域），即：

寄放器區(qū)（又稱通用寄放器區(qū)、工作寄放器區(qū)）：編址00H—1FH共32個單元，又等分成四個工作寄放器組（0組00H—07H、1組08H—0FH、2組10H—17H、3組18H—1FH），任意時刻，CPU只能使用其中的一組寄放器且稱為當(dāng)前寄放器組（R0、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7）。當(dāng)前寄放器組由程序狀態(tài)字PSW中PSW.4（RS1）、PSW.3（RS0）兩位的狀態(tài)組合所決定。

位尋址區(qū)：編址20H—2FH共16個單元，計128位的位地址00H—7FH。16個字節(jié)單元既可以字節(jié)尋址又可以位尋址。

數(shù)據(jù)緩沖區(qū)（又名字節(jié)尋址區(qū)、用戶RAM區(qū)）：編址30H—7FH共80個單元。該區(qū)域可以采用直接字節(jié)尋址的方法訪問，一般應(yīng)用中總是將堆棧開拓在此區(qū)域。

四、程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器各有何不同？各有何作用？

提醒：

程序存儲器就是專用于存放已編好的程序和表格常數(shù)。由ROM、EPROM、E2PROM組成。數(shù)據(jù)存儲器就是存放隨機(jī)數(shù)據(jù)，如運(yùn)算中間結(jié)果、標(biāo)志位、數(shù)據(jù)暫存、數(shù)據(jù)緩沖等。由RAM（SRAM、DRAM）、E2PROM組成。

說明：關(guān)于程序計數(shù)器（PC）

又名程序地址寄放器，是CPU控制器中最基本的16位自動加1寄放器，專用于存放將要執(zhí)行的指令地址。PC沒有地址，即不占內(nèi)部RAM地址，物理上獨(dú)立。因而PC不可尋址，用戶無法對它進(jìn)行讀/寫操作，只能通過轉(zhuǎn)移、調(diào)用、中斷、返回等指令改變其內(nèi)容。系統(tǒng)復(fù)位后，PC中內(nèi)容自動為0000H（即程序入口地址）。

五、程序狀態(tài)字PSW各位的定義是什么？

提醒：

程序狀態(tài)字PSW是一個既可以字節(jié)尋址也可以位尋址的8位寄放器，用于寄放程序運(yùn)行的狀態(tài)信息。

位序PSW.7PSW.6PSWPSW.4（DOH）PSW.3PSW.2PSW.1PSW.5位標(biāo)志CYACF0RS1RS0OV位地址D0HD1HD2HD3HD4HD5HD6H位含義進(jìn)位標(biāo)志位輔助進(jìn)位標(biāo)志位用戶標(biāo)志位當(dāng)前寄放器組選擇位溢出標(biāo)志位（保存未用）位設(shè)置硬件置位、累加位硬件置位軟件置位、復(fù)位軟件設(shè)置00、01、10、11硬件置位、復(fù)位硬件置位、復(fù)位奇偶標(biāo)志位PSW.0PD7HPSW.7：算術(shù)運(yùn)算高8位進(jìn)位硬件置1；位操作中作累加位；

PSW.6：加減運(yùn)算低4位向高4位進(jìn)位或借位時硬件置1，否則被清0；PSW.5：供用戶定義的標(biāo)志位，以控制程序轉(zhuǎn)向；PSW.4、PSW.3：用于設(shè)定當(dāng)前寄放器組的組號；

PSW.2：符號數(shù)的加、減、乘、除運(yùn)算超出有效的范圍，硬件置1；

PSW.0：說明累加器A中“1〞個數(shù)的奇偶性，“1〞的個數(shù)為偶數(shù)，硬件自動置1；

六、MCS51單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)中，片外的程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器使用一致的地址編址，是否會在數(shù)據(jù)總線上出現(xiàn)競爭總線的現(xiàn)象？為什么？

提醒：

CPU訪問外部程序存儲器時主要使用特別功能寄放器—程序計數(shù)器（程序地址指針、16位加1計數(shù)器）PC。對于程序存儲器向累加器A傳送數(shù)據(jù)的查表指令，還可以使用數(shù)據(jù)指針DPTR采用變址尋址的尋址方式，有專用的MOVC指令。

CPU訪問外部數(shù)據(jù)存儲器只用一個特別功能寄放器—16位數(shù)據(jù)指針寄放器DPTR尋址，有專用指令MO；訪問內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器用MOV指令。

CPU在訪問外部存儲器時，控制信號有PSEN與RD來區(qū)分片外程序存儲器和片外數(shù)據(jù)存儲器的選通，數(shù)據(jù)傳送指令有MOV、MO、MOVC之區(qū)別，因此，片外程序存儲器和片外數(shù)據(jù)存儲器的編址可以全部64KB地址重疊，也可以與片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器128B地址重疊。

七、MCS51單片機(jī)有哪些特別功能寄放器？可以分成幾個組？各有何作用？

提醒：

單片機(jī)片內(nèi)RAM的高128個單元（編址80H—FFH），又稱特別功能寄放器區(qū)、專用寄放器區(qū)，簡寫為SFR（SpecialFunctionRegister）。其特別之處在于：

專用于控制/管理單片機(jī)內(nèi)算術(shù)運(yùn)算規(guī)律部件、并行I/O口鎖存器、串行口數(shù)據(jù)緩沖器、定時/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)、數(shù)據(jù)地址指針等功能模塊的作用。

SFR中僅有21個字節(jié)單元作為特別功能寄放器離散分布在128個字節(jié)的范圍內(nèi)，其余字節(jié)未定義，用戶也不能訪問。其中有11個字節(jié)單元可以位尋址，且可尋址位有83位。而其余的10個單元只能字節(jié)尋址。

SFR按功能的不同分為兩大類：一類作為芯片內(nèi)部功能的控制寄放器，共17個。一類與芯片引腳有關(guān)的寄放器，共4個。功能運(yùn)算部件寄放作為芯片內(nèi)部功能的控制用寄放器串行SCON98H87H99H80H90HA0HB0H定時/計數(shù)器控制TCONTL0TL1TH0TH188H8AH8BH8CH8DH中斷控制IPB8H器數(shù)據(jù)指針PSWSPDPLDPHIED0H81H82H83HA8H符號ACCB單元地址E0HFOH名稱累加器乘寄放器程序狀態(tài)字堆棧指針低8位高8位中斷允許EACYACF0位地址符號ACC.7—ACC.0B.7—B.0PSW.7—PSW.0RS1RS0OVP地址E7H—E0HF7H—F0HD7H—D0HIE.7—IE.0ESET1EX1ET0EX0AFH—A8H中斷優(yōu)先定時器控制T0低8位T0高8位T1低8位T1高8位串行控制器IP.7—IP.0PSPT1PX1PT0PX0BFH—B8HTCON.7—TCON.0TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT08FH—88HSCON.7—SCON.0SM0SM1SM2RENTB8RB8TIRI9FH—98H控制PCONSBUFP0I/O口P1P2P3電源控制及波特率選擇串行數(shù)據(jù)緩沖器通道0通道1通道2通道3P0.7—P0.0P1.7—P1.0P2.7—P2.0P3.0—P3.087H—80H97H—90HA7H—A0HB7H—B0H說明：對SFR只能使用直接尋址方式，書寫時可使用寄放器符號或單元地址。

八、程序計數(shù)器（PC）作為不可尋址寄放器有哪些特點(diǎn)？地址指針DPTR有哪些特點(diǎn)？DPTR與PC有何不同？（或：決定程序執(zhí)行順序的寄放器是哪個？它是幾位寄放器？是否屬于特別

功能寄放器？）

提醒：PC的特點(diǎn)：①PC沒有地址，不占用內(nèi)部RAM單元，物理結(jié)構(gòu)上獨(dú)立；

②PC不可尋址，用戶無法對它進(jìn)行讀/寫操作，只可能通過程序的轉(zhuǎn)移、調(diào)用、中斷、返回等指令改變其內(nèi)容；

③PC是一個加1的16位計數(shù)器，可對64KB程序存儲器尋址；

④系統(tǒng)復(fù)位后，PC內(nèi)容自動為0000H，即程序入口地址；

DPTR的特點(diǎn)：①DPTR占用內(nèi)部RAM單元，是兩個8位寄放器DPH、DPL；

②DPTR可以分別尋址，用戶可以進(jìn)行讀/寫操作；③DPTR可以作為外部數(shù)據(jù)存儲器的數(shù)據(jù)地址指針；

④DPTR可以作為訪問程序存儲器時的基址寄放器；⑤系統(tǒng)復(fù)位時，DPTR的內(nèi)容為0000H；

DPTR與PC的一致點(diǎn)：①16位寄放器，且都作為地址指針；

②都通過P0、P2口輸出；DPTR與PC的不同點(diǎn)：PC——只能作為16位寄放器，具有自動加1功能，不可以尋址或訪問，其變化軌跡決定著程序的流程，PC只與程序存儲器地址有關(guān)，輸出與ALE、PSEN相關(guān)聯(lián)；

DPTR——可作為16位寄放器，也可作為兩個8位寄放器，可以尋址，可以訪問，作為地址指針輸出時，輸出與ALE、RD、WR相關(guān)聯(lián)。九、MCS51單片機(jī)設(shè)有4個通用工作寄放器組，有什么特點(diǎn)？系統(tǒng)復(fù)位后，CPU使用哪一組工作寄放器？它們的地址是什么？如何改變當(dāng)前工作寄放器組？如何實(shí)現(xiàn)工作寄放器組的現(xiàn)場保護(hù)？

提醒：

內(nèi)部RAM塊中的00H—1FH區(qū)共分4個組（00H—07H為第0組，08H——0FH為第1組，10H—17H為第2組，18H—1FH為第3組），每組有8個工作寄放器R0—R7，合計32個內(nèi)部RAM單元。

4個工作寄放器組中，程序每次只用1組，其它各組不工作。不用的工作寄放器組所對應(yīng)的單元可以作為一般的數(shù)據(jù)寄放器使用。

CPU通過軟件修改PSW中RS0、RS1兩位的狀態(tài)，則可以任意選擇一個寄放器組工作，這個特點(diǎn)使MCS51單片機(jī)具有快速保護(hù)現(xiàn)場功能，有利于提高程序速度和中斷響應(yīng)。

系統(tǒng)復(fù)位后，CPU使用第0組工作寄放器，對應(yīng)地址是00H—07H。

實(shí)現(xiàn)工作寄放器組的現(xiàn)場保護(hù)就是在子程序或中斷服務(wù)程序開始時改變當(dāng)前工作寄放器組，在子程序或中斷服務(wù)程序終止時還原當(dāng)前工作寄放器組。

十、為什么說MCS51單片機(jī)具有很強(qiáng)的布爾（位）處理功能？共有多少單元可以位尋址？

提醒：

按位尋址的地址空間稱為位地址空間。

MCS51單片機(jī)位尋址空間一部分在內(nèi)部RAM的20H—2FH的16個字節(jié)內(nèi)，共128位；一部分在SFR的80H—FFH內(nèi)，凡字節(jié)地址能被8整除的專用寄放器（有11個寄放器）都有位地址，共82位（其余6位沒有含義）；總共210個可尋址位。

位尋址單元與布爾指令集構(gòu)成單片機(jī)獨(dú)有的布爾處理機(jī)系統(tǒng)，即1位微計算機(jī)。1位機(jī)在開關(guān)決策、規(guī)律電路仿真、實(shí)時控制等方面十分有利。

十一、什么是堆棧？堆棧有哪些功能？堆棧指示器（SP）的作用是什么？系統(tǒng)復(fù)位后堆棧指針是多少？在程序設(shè)計中，為什么要對SP重新賦值？

提醒：

所謂堆棧就是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是只允許在其一端進(jìn)行數(shù)據(jù)插入（入棧）和數(shù)據(jù)刪除（出棧）操作的線性表。其最大特點(diǎn)是“后進(jìn)先出（LIFO）〞的數(shù)據(jù)操作規(guī)則。數(shù)據(jù)寫入堆棧稱為插入運(yùn)算（PUSH），又名入棧。數(shù)據(jù)從堆棧中讀出稱為刪除運(yùn)算（POP），又名出棧。

堆棧是為子程序調(diào)用或中斷操作而設(shè)置的，其功能有兩個：

保護(hù)斷點(diǎn)—預(yù)先把主程序的斷點(diǎn)保護(hù)起來，為程序的正確返回作準(zhǔn)備；

保護(hù)現(xiàn)場—在轉(zhuǎn)去執(zhí)行子程序或中斷服務(wù)程序前將有關(guān)寄放器的內(nèi)容保存起來。

可見：斷點(diǎn)和現(xiàn)場的內(nèi)容就保存在堆棧中。

SP是一個專用8位寄放器（單元地址81H），在系統(tǒng)復(fù)位時，SP的內(nèi)容為07H。然而使堆棧有可能占用工作寄放器組。在程序設(shè)計時，應(yīng)注意把SP值初始化為30H單元以后（即30H—7FH之間）。SP初始化值越小，堆?？捎蒙疃仍缴睿梢娪捎赟P可初始化為不同的值，則堆棧位置是浮動的）。

十二、MCS51單片機(jī)的堆棧區(qū)一般設(shè)在哪個區(qū)間？堆棧的最大容量是多少？

提醒：在系統(tǒng)復(fù)位時，SP的內(nèi)容為07H。然而使堆棧有可能占用工作寄放器組。在程序設(shè)計時，應(yīng)注意把SP值初始化為30H單元以后（即30H—7FH之間）。假使編程時不使用工作寄放器組，堆棧最大空間可以是內(nèi)部RAM的低128B（00H—7FH），實(shí)際最大容量有127個單元。假使編程時要使用工作寄放器組以及內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM的位尋址空間，則堆?？臻g只能是30H—7FH，實(shí)際容量有80個單元?？梢奡P初始化為不同值時，則堆棧位置是浮動的。（注意：SP的內(nèi)容始終是堆棧棧頂?shù)拇鎯卧刂?。）十三、MCS51單片機(jī)有哪幾個并行I/O口？各有何不同？分別擔(dān)負(fù)什么作用？提醒：

MCS51單片機(jī)有4個8位并行輸入/輸出接口，即P0、P1、P2、P3口共計32根輸入/輸出線。在系統(tǒng)復(fù)位時，四個口全部為FFH（即均為高電平）（說明：四個口在電路結(jié)構(gòu)上稍有區(qū)別）。

P0口：在外部擴(kuò)展存儲器時總是作為地址/數(shù)據(jù)分時復(fù)用口（地址/數(shù)據(jù)總線口），此時是一個真正的三態(tài)雙向口；在沒有外部存儲器時，也可以作為通用I/O口，此時只是一個準(zhǔn)雙向口（應(yīng)用時要外接上拉電阻）。P0口的輸出級具有驅(qū)動8個LSTTL負(fù)載的能力，即輸出電流不小于800μA。

P1口：在組成系統(tǒng)時總是作為通用I/O口，是一個準(zhǔn)雙向口（內(nèi)部有上拉電阻而不需外接上拉電阻），具有驅(qū)動4個LSTTL負(fù)載的能力。

P2口：在外部擴(kuò)展存儲器時總是作為高8位地址總線；在沒有外部存儲器時，也可以作為通用I/O口，此時類同P1口。

P3口：在組成系統(tǒng)時總是作為系統(tǒng)的部分控制總線；也可以作為通用I/O口，此時類同P1口。

十四、MCS51單片機(jī)對外有幾條專用控制線？其功能是怎樣的？

提醒：

①由RST、ALE、EA、PSEN、RD、WR、INT0、INT1、T0、T1共10個引腳組成系統(tǒng)的控制線；②ALE、PSEN信號允許帶8個LSTTL負(fù)載；③P0口允許帶8個LSTTL負(fù)載；④P1、P2、P3口只能帶4個LSTTL負(fù)載；⑤要關(guān)注RD、WR信號是否需要增加驅(qū)動電路以提高帶負(fù)載能力；

十五、MCS51單片機(jī)的ALE引腳有何作用？在不訪問外部RAM或ROM時ALE的信號有何特點(diǎn)？

提醒：

ALE（30腳）—是地址鎖存允許信號，在訪問片外存儲器（RAM或ROM）時，用它來鎖存P0口送出的低8位地址信號。其其次功能PROG是在對8751的EPROM編程時，編程脈沖的輸入端。

在不訪問外部存儲器時，ALE端以振蕩頻率的1/6的頻率周期性出現(xiàn)正脈沖信號，可作為對外輸出的時鐘脈沖或用于定時目的。注意：在訪問片外RAM時ALE脈沖會跳過一個，此時作為時鐘輸出就不妥當(dāng)。

十六、MCS51單片機(jī)的PSEN、RD、WR、XTAL1、XTAL2引腳各有何作用？

提醒：

PSEN（29腳）—片外程序存儲器讀選通信號輸出端，低電平有效；

（P3.7、17腳）—片外RAM讀選通信號輸出端，低電平有效；WR（P3.6、16腳）—片外RAM寫選通信號輸出端，低電平有效；

XTAL1（19腳）、XTAL2（18腳）—外接晶振引腳（當(dāng)采用外部時鐘時，HMOS單片機(jī)則是18

RD腳輸入，19腳接地；CHMOS單片機(jī)則是19腳輸入，18腳懸空）；十七、單片機(jī)的EA端有何作用？應(yīng)用8031時對其EA端應(yīng)如何處理？為什么？

提醒：

EA端的作用是訪問片外ROM的控制信號，且低電平有效。=“1〞時，程序自動從片內(nèi)程序存儲器開始執(zhí)行指令（即訪問片內(nèi)ROM），當(dāng)PC值超出片內(nèi)

ROM時，會自動轉(zhuǎn)向片外ROM。EA=“0〞時，迫使系統(tǒng)全部執(zhí)行片外程序存儲器。由于8031的片內(nèi)無ROM，則EA端只能接系統(tǒng)的公共地端，即低電平。EA十八、什么是時序？MCS51單片機(jī)的振蕩周期、時鐘周期、機(jī)器周期、指