第2章MCS-51單片機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理培訓(xùn)教材

第二章

MCS-51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)主要掌握基本組成（內(nèi)部資源）引腳存儲(chǔ)器的配置I/O口的應(yīng)用功能（以89C51（AT89C51、P89C51、STC89C51）為代表講解，匯編語言結(jié)合C語言）2.1

MCS-51單片機(jī)結(jié)構(gòu)2.89C51CPU功能介紹

單片機(jī)的核心，由運(yùn)算器和控制器構(gòu)成：運(yùn)算器：進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算，由ALU、A、B、PSW、暫存器組成。控制器：包括PC、IR、ID、振蕩器和時(shí)鐘電路2.289C51單片機(jī)的引腳及功能MCS-51單片機(jī)信號(hào)引腳簡(jiǎn)介

P3口線的第二功能VCCVSSXTAL2

XTAL1RSTP0.0

P0.1

P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P1.0

P1.1

P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0ALEP3.0

P3.1

P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.72、時(shí)鐘引腳：XTAL1、XTAL23、復(fù)位引腳：RST4、并行口：P0、P1、P2、P37、ALE：地址鎖存控制信號(hào)1、電源線：VCC(+5V)、VSS(地)EAPSEN5、EA：訪問程序存儲(chǔ)控制信號(hào)6、PSEN：外部ROM讀選通信號(hào)RXD/

TXD/

INT0/INT1/

T0/

T1/

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RD/1

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313029282726252424222180318051875189C512.389C51單片機(jī)的存儲(chǔ)器配置1.存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)普林斯頓結(jié)構(gòu)一般微機(jī)采用的結(jié)構(gòu)ROM、RAM安排在同一個(gè)地址空間相同指令訪問ROM、RAM哈佛結(jié)構(gòu)89C51采用此結(jié)構(gòu)ROM和RAM占用不同的物理空間采用不同指令訪問2.89C51存儲(chǔ)空間物理結(jié)構(gòu)ROM片內(nèi)、片外RAM片內(nèi)、片外邏輯結(jié)構(gòu)（從用戶使用的角度看）ROM：MOVC0000-FFFFH64KB片內(nèi)RAM：MOV0000-00FFH256B片外RAM：MOVX0000-FFFFH64KB1

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15RAM6264

存

儲(chǔ)

器80318751805189C51片內(nèi)RAM片內(nèi)ROM256B（字節(jié)）4K共64K64K3.程序存儲(chǔ)器與ROM密切相關(guān)的兩個(gè)引腳、通過16位PC尋址，最大可尋址64kB地址空間當(dāng)ROM容量不夠時(shí)，盡量選擇高容量存儲(chǔ)器空間的單片機(jī)，如89C52、89C54、89C58等，應(yīng)避免外擴(kuò)程序存儲(chǔ)器，因?yàn)闀?huì)增加硬件負(fù)擔(dān)。程序存儲(chǔ)器程序存儲(chǔ)器內(nèi)部外部0000H0FFFH(4K)0000HFFFFH(64K)0000H0FFFH(4K)0000H0001H0002H(PC)0000H是程序執(zhí)行的起始單元,

在這三個(gè)單元存放一條

無條件轉(zhuǎn)移指令，引導(dǎo)中斷5中斷4中斷3中斷2中斷10003H000BH0013H001BH0023H002BH外部中斷0定時(shí)器0中斷外部中斷1定時(shí)器1中斷串行口中斷8位．．．0FFFH0FFEHEA=1EA=0程序存儲(chǔ)器資源分布中斷入口地址4.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器片內(nèi)RAM：低128B片內(nèi)RAM0000-007FH高128B片內(nèi)RAM0080-00FFH片外RAM0000H-FFFFH

如何區(qū)分0000-00FFH的地址空間是片內(nèi)RAM還是片外RAM？片內(nèi)、片外分開編址SFR：特殊功能寄存器區(qū)0000HFFFFH(64K)內(nèi)部外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器00HFFH7FH80H(高128B)(低128B)RAM專用

寄存器00H07H08H0FH10H17H18H1FH0區(qū)R0R7R0R7R0R7R0R71區(qū)2區(qū)3區(qū)工作寄存器區(qū)可位尋址區(qū)20H2FH7F78070030H7FH數(shù)據(jù)緩沖區(qū)/堆棧區(qū)內(nèi)部RAM存儲(chǔ)器

11第3區(qū)18H~1FH

01第1區(qū)08H~0FHRS1RS0寄存器區(qū)片內(nèi)RAM地址

00第0區(qū)00H~07H10第2區(qū)10H~17H工作寄存器區(qū)選擇位RS0、RS1PSW位地址CYACF0RS1RS0OVF1PMSB——MostSignificantBit（最高有效位）

LSB——LeastSignificantBit（最低有效位）單元地址2FH2EH2DH2CH2BH2AH29H28H27H26H25H24H23H22H21H20H7F776F675F574F473F372F271F170F07MSB

位地址

LSB7E766E665E564E463E362E261E160E067D756D655D554D453D352D251D150D057C746C645C544C443C342C241C140C047B736B635B534B433B332B231B130B037A726A625A524A423A322A221A120A027971696159514941393129211911090178706860585048403830282018100800RAM位尋址區(qū)位地址表高128個(gè)單元☆離散分布有21個(gè)特殊功能寄存器SFR?！?/p>

11個(gè)可以進(jìn)行位尋址?！钐貏e提示：對(duì)SFR只能使用直接尋址方式，書寫時(shí)可使用寄存器符號(hào)，也可用寄存器單元地址。5.部分特殊功能寄存器（SFR）介紹ACCBDPTR：

DataPointer，16位，對(duì)64KB片外RAM/ROM和外圍設(shè)備作間接尋址。例：MOVDPTR,#2000HMOVXA，@DPTR則：

DPH=20H,DPL=00H,DPTR=2000H

結(jié)果是：取出片外RAM地址為2000H的數(shù)據(jù)，存放于A。進(jìn)位carry，輔助進(jìn)位auxiliarycarry，用戶標(biāo)志flagzero，寄存器選擇registerselect，溢出overflow，奇偶parityCYACF0RS1RS0OV－P例：MOVA,#0FHADDA,#0F8H00001111+11111000

1

00000111

AC=1，CY=1，OV=CY⊕AC=1⊕1=0，P=1，所以：11×××0×1PSW,ProgramStatusWordSP，StackPointerSP：堆棧指針，8位，專門存放堆棧的棧頂單元的地址。入棧時(shí)自動(dòng)加1，出棧時(shí)自動(dòng)減1。堆棧：在RAM中專門用于存放數(shù)據(jù)的一個(gè)區(qū)域，遵循“先進(jìn)后出（firstinlastout）”或“后進(jìn)先出（lastinfirstout）”的原則。復(fù)位后，SP＝07H0708090A0B35PUSHACC，SP＝08H0708090A0BC135PUSHPSW，SP＝09H0708090A0B35POPPSW，SP＝08H0708090A0B0708090A0BPOPACC，SP＝07H單片機(jī)工作條件單片機(jī)正常工作最基本條件是：正確的電源時(shí)鐘和復(fù)位信號(hào)。單片機(jī)最小系統(tǒng)1、時(shí)鐘電路要給單片機(jī)CPU提供時(shí)鐘信號(hào)，就需要相關(guān)的硬件電路，即振蕩器和時(shí)鐘電路。51系列單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，這個(gè)反相放大器的作用就是構(gòu)成振蕩器，但要形成時(shí)鐘，外部還需要加一些附加電路。

51系列單片機(jī)本身一般不能自動(dòng)進(jìn)行復(fù)位的，必須配合相應(yīng)的外部電路才能實(shí)現(xiàn)。當(dāng)5l系列單片機(jī)的復(fù)位引腳RST出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)，單片機(jī)就執(zhí)行復(fù)位操作。如果RST持續(xù)為高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。2.復(fù)位電路

2.4時(shí)鐘電路及CPU時(shí)序時(shí)鐘電路方式可分為內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式：89C51XTAL1Vcc外部時(shí)鐘輸入TTL（a）內(nèi)部時(shí)鐘電路；（b）HMOS型外部振蕩源(C)CHMOS型外部振蕩源外接晶振時(shí)，電容的值一般取30pF；外接陶瓷諧振器時(shí)，電容的值一般取47pF1.時(shí)鐘電路2.基本概念振蕩器：產(chǎn)生內(nèi)部脈沖信號(hào)

若采用外部脈沖信號(hào)時(shí)鐘發(fā)生器：根據(jù)脈沖信號(hào)產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)振蕩周期P：振蕩脈沖信號(hào)周期時(shí)鐘周期（狀態(tài)周期）S

：(機(jī)器狀態(tài)時(shí)間)S=P1+P2機(jī)器周期：

指令執(zhí)行的單位=6S=12P指令周期：

指令執(zhí)行的時(shí)間=N*6S，N=1，2，4對(duì)HMOS單片機(jī)：XTAL2輸入，XTAL1接地對(duì)CHMOS單片機(jī)：XTAL1輸入，XTAL2懸空3.CPU取指/執(zhí)行周期時(shí)序

1.若采用12MHz的晶振頻率，計(jì)算機(jī)器周期？

2.CPU每個(gè)機(jī)器周期讀取兩次操作碼，PC是否每次都自動(dòng)加1？？2.5復(fù)位操作MCS-51單片機(jī)復(fù)位

任何單片機(jī)在工作之前都要有個(gè)復(fù)位的過程，復(fù)位是什么意思呢？對(duì)單片機(jī)來說，是程序還沒有開始執(zhí)行，是在做準(zhǔn)備工作----初始狀態(tài)。

如何進(jìn)行復(fù)位呢？只要在單片機(jī)的RST引腳上加上2個(gè)機(jī)器周期以上的高電平，就可以了。1.復(fù)位電路805187518031RSTCRR1R2＋5V上電復(fù)位按鍵復(fù)位2.復(fù)位后單片機(jī)的狀態(tài)復(fù)位后各寄存器的狀態(tài)PC0000H(程序入口)P0、P1、P2、P30FFH(可以直接輸入)SP07H（棧底已經(jīng)設(shè)好）PSW00H（選擇0組寄存器）其余大部分都是0熟悉復(fù)位后各寄存器的狀態(tài)，可以減短初始化程序。2.689C51單片機(jī)的低功耗工作方式89C51提供兩種節(jié)電工作方式：空閑(待機(jī))工作方式：不向CPU提供時(shí)鐘，CPU停止工作，只供中斷、串行口、定時(shí)器部分。掉電工作方式：所有功能停止工作。方式的設(shè)定PCON（電源控制寄存器）中，寫‘1’啟動(dòng)。8051：HMOS（高密度短溝道MOS）半導(dǎo)體工藝89C51：CHMOS=HMOS+CMOSSMOD------GF1GF0PDIDL2.7輸入/輸出端口單片機(jī)I/O口的使用無論單片機(jī)對(duì)外界進(jìn)行何種控制，亦或接受外部的控制，都是通過I/O口進(jìn)行的。單片機(jī)總共有P0、P1、P2、P3四個(gè)8位雙向輸入輸出端口，每個(gè)端口都有鎖存器、輸出驅(qū)動(dòng)器和輸入緩沖器。4個(gè)I/O端口都能作輸入輸出口用，其中P0和P2通常用于對(duì)外部存儲(chǔ)器的訪問。一.I/O口的構(gòu)成口鎖存器(CPU通過內(nèi)部總線把數(shù)據(jù)寫入口鎖存器)輸出驅(qū)動(dòng)器輸入緩沖器鎖存器的含義CTR開關(guān)Bus鎖存器其它器件0OUT=Bus1OUT保持OUT二.89C51的I/O口P0.0

P0.1

P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P1.0

P1.1

P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0P3.0

P3.1

P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.74個(gè)8位并行I/O口：P0，P1，P2，P3；均可作為雙向I/O端口使用。(1)特點(diǎn)：P0：訪問片外擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)，分時(shí)復(fù)用為低8位地址線和數(shù)據(jù)線

P2：高8位地址線。P1：雙向I/O端口

P3：第二功能1

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313029282726252424222180318051875189C51由1個(gè)輸出鎖存器、2個(gè)三態(tài)輸入緩沖器和輸出驅(qū)動(dòng)電路及控制電路組成。P0口既可以作為I/O用，也可以作為地址/數(shù)據(jù)線用。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1、P0口的結(jié)構(gòu)（1）P0口作為普通I/O口①輸出時(shí)CPU發(fā)出控制電平“0”封鎖“與”門，將輸出上拉場(chǎng)效應(yīng)管T1截止，同時(shí)使多路開關(guān)MUX接鎖存器的輸出。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口引腳上拉電阻?、谳斎霑r(shí)----分讀引腳或讀鎖存器讀引腳：由傳送指令(MOV)實(shí)現(xiàn)；先寫入‘1’讀鎖存器：由邏輯指令(ANL、ORL、XRL)實(shí)現(xiàn)；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12（2）P0作為地址/數(shù)據(jù)總線

在系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，P0端口作為地址/數(shù)據(jù)總線使用時(shí)，分為輸出、輸入：CPU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)。由圖上可以看出，上下兩個(gè)FET處于反相，構(gòu)成了推拉式的輸出電路，其負(fù)載能力大大增強(qiáng)。P0的輸出級(jí)可驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL負(fù)載。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P0引腳作輸出口輸入信號(hào)是從引腳通過輸入緩沖器2進(jìn)入內(nèi)部總線。P0引腳作輸入口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2、P1口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)P1口的某一位的結(jié)構(gòu)圖，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.

通用準(zhǔn)雙向I/O口。DQCLKQP1.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳VCCRTP1口引腳3、P2的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（1）P2口作為普通I/O口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CPU發(fā)出控制電平“0”

，使多路開關(guān)MUX倒向鎖存器輸出端Q

，構(gòu)成一個(gè)準(zhǔn)雙向口。其功能與P1相同。

（2）P2口作為地址總線在系統(tǒng)擴(kuò)展片外程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器且容量超過256B(用MOVX@DPTR指令)時(shí)，CPU發(fā)出控制電平“1”，使多路開關(guān)MUX倒內(nèi)部地址線。此時(shí)，P2輸出高8位地址。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4、P3的內(nèi)部結(jié)構(gòu)①作為通用I/O口（進(jìn)行SFR尋址時(shí)），W=1輸出：內(nèi)部總線--Q--與非門—T，與P1口類似，準(zhǔn)雙向口輸入：讀引腳時(shí)，緩沖器3、2打開，P3.n讀入內(nèi)部總線DQCLKQP3.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳VCCRTP3口引腳第二輸入功能第二輸出功能W123②P3用作第二功能DQCLKQP3.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳VCCRTP3口引腳第二輸入功能第二輸出功能輸出部分：內(nèi)部置Q=1，第二輸出功能W--與非門--T輸出輸入部分：Q和W均為高電平，T截止，P3.n通過緩沖器3直接輸入。WP3第二功能各引腳功能定義：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I/O口總結(jié)4個(gè)端口均可作通用I/O口，為準(zhǔn)雙向口，作為輸入時(shí)，必須先向該位的口鎖存器寫”1”。P0：作通用I/O口時(shí)，輸出需接上拉電阻。系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，可作為地址（低8位）/數(shù)據(jù)總線，分時(shí)復(fù)用。P1：專用I/O口。P2：系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，輸出地址高8位。P3：具有第二功能口，包括中斷輸入、串行口、讀、寫。CPU對(duì)I/O口的讀操作一是CPU讀端口引腳上的外部輸入信息二是讀口鎖存器的狀態(tài)，讀-修改-寫，讀的是鎖存器而不是引腳DQCLKQP1.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳VCCRTP1口引腳端口的負(fù)載能力和接口要求

1、P0口的負(fù)載能力和接口要求負(fù)載能力:可驅(qū)動(dòng)8個(gè)LS（低功耗、甚高速）型TTLP0接口要求：作為一般I/O口輸出時(shí)，準(zhǔn)雙向口。若驅(qū)動(dòng)的是NMOS電路或OC門電路，其引腳要接上拉電阻，否則高電平電位不確定。

2、P1～P3口的負(fù)載能力和接口要求負(fù)載能力:可驅(qū)動(dòng)4個(gè)LS型TTL接口要求：作為一般I/O口輸出時(shí)，不需要要接上拉電阻（因?yàn)閮?nèi)部有上拉電阻）指令寄存器譯碼地址譯碼程序計(jì)數(shù)器地址寄存器累加器A運(yùn)算器①②存儲(chǔ)器內(nèi)部數(shù)據(jù)總線外部地址總線AB數(shù)據(jù)緩沖器外部數(shù)據(jù)總線DB寄存器區(qū)外部控制總線CB內(nèi)部控制信號(hào)時(shí)鐘及清零單片機(jī)的工作過程取指過程例:MOVA,#09H74H

09H;把09H送到累加器A中執(zhí)行過程PC=0000H0001H0000H0002H0111010000001001(PC)(PC)0001H0002H0000H外部控制總線CB取指過程(PC)執(zhí)行過程你知道PC的作用嗎？1、CPU的主要組成部分為()。B．加法器，寄存器

C．運(yùn)算器,寄存器

D．運(yùn)算器，指令譯碼器A．運(yùn)算器，控制器

課堂練習(xí)2、8031有四個(gè)工作寄存器區(qū)，由PSW狀態(tài)字中的RS1、RS0兩位的狀態(tài)來決定，單片機(jī)復(fù)位后，若執(zhí)行SETBRS1指令，此時(shí)只能使用（）區(qū)的工作寄存器。A．0區(qū)B．1區(qū)C．2區(qū)D．3區(qū)課堂練習(xí)3.

09H位所在單元的地址是（）A．02HC．08HB．21HD．20H課堂練習(xí)4.單片機(jī)在進(jìn)行取指令操作時(shí)，指令的地址是由（）的內(nèi)容決定。A．SPC．DPTRD．PSEN和ALE

B．PC課堂練習(xí)5.P0,P1口作輸入用途之前必須()。A．外接高電平

B．外接上拉電阻C．相應(yīng)端口先置0

D．相應(yīng)端口先置1

課堂練習(xí)6.程序計(jì)數(shù)器PC用來()。A．存放指令

B．存放上一條的指令地址D．存放正在執(zhí)行的指令地址

C．存放下一條的指令地址

課堂練習(xí)1.

8031單片機(jī)內(nèi)部RAM包括()。

A.程序存儲(chǔ)區(qū)B．堆棧區(qū)C．工作寄存器及特殊功能區(qū)

D．位尋址區(qū)E.中斷入口地址區(qū)2.

8051單片機(jī)CPU的主要功能有()。

A.產(chǎn)生控制信號(hào)B．存儲(chǔ)數(shù)據(jù)C.算術(shù)、邏輯運(yùn)算及位操作

D.驅(qū)動(dòng)LED3.單片機(jī)能夠直接運(yùn)行的程序是（）。

A.匯編源程序B.C語言源程序

C.高級(jí)語言程序D.機(jī)器語言源程序思考題思考題4.

十進(jìn)制數(shù)126其對(duì)應(yīng)的十六進(jìn)制可表示為()。

A．8FB．8EC．FED.7E5.

十進(jìn)制數(shù)89.75其對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制可表示為().A.10001001.01110101B．1001001.10C.1011001.11D.1001001.116.

二進(jìn)制數(shù)110010010對(duì)應(yīng)的十六進(jìn)制數(shù)可表示為()A.192HB．C90HC．1A2HD.CA0H7.-3的補(bǔ)碼是()。

A．10000011B.11111100C．11111110D．11111101整數(shù)：除二取余小數(shù)：乘二取整正數(shù)的補(bǔ)碼同原碼；負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼符號(hào)位為1，數(shù)值位為反碼加1思考題8.對(duì)于INTEL8031來說，/EA腳總是()A.接地B.接電源C.懸空D.不用9.

在單片機(jī)中，通常將一些中間計(jì)算結(jié)果放在(）中

A.累加器