[信息與通信] MCS-51單片機(jī)芯片硬件結(jié)構(gòu)

1、第二章 MCS-51單片機(jī)芯片硬件結(jié)構(gòu)2.1 MCS-51系列單片機(jī)結(jié)構(gòu)及組成2 .1 .1 MCS-51系列單片機(jī)結(jié)構(gòu)框圖MCS-51系列單片機(jī)屬于總線結(jié)構(gòu)122 .1 .2 MCS-51系列單片機(jī)組成一個(gè)8位CPU包括運(yùn)算器、控制器以及假設(shè)干存放器等部件組成。算術(shù)和邏輯運(yùn)算，可對(duì)半字節(jié)4位和單字節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作；加、減、乘、除、加1、減1、比較等算術(shù)運(yùn)算；與、或、異或、求補(bǔ)、循環(huán)等邏輯運(yùn)算；布爾處理器。1運(yùn)算器3PC用來存放即將要執(zhí)行的指令地址，共16位，可對(duì)64KROM直接尋址。PC低8位經(jīng)P0口輸出，高8位經(jīng)P2口輸出。2程序計(jì)數(shù)器PC指令存放器存放指令代碼。CPU執(zhí)行指令過程：由程序存

2、儲(chǔ)器ROM中讀取指令代碼送入指令存放器，經(jīng)譯碼器譯碼后由定時(shí)與控制電路發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)，完成指令功能。3指令存放器4時(shí)鐘電路：MCS-51芯片內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，其輸入端為XTAL1，輸出端為XTAL2。有兩種時(shí)鐘生成電路，內(nèi)部方式，外部方式。4定時(shí)與控制部件54k/8k字節(jié)程序存儲(chǔ)器（ROM）51系列4k字節(jié)；52系列8k字節(jié)128/256字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）51系列128字節(jié)；52系列256字節(jié)2/3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器51系列2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器；52系列3個(gè)6可尋址64k外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM和64k外部程序存儲(chǔ)器ROM32條可編程I/O口線4個(gè)8位并行I/O端口一個(gè)可編

3、程全雙工串行口；五個(gè)中斷源、兩個(gè)優(yōu)先級(jí)嵌套中斷結(jié)構(gòu)72 .1 .3 MCS-51系列單片機(jī)芯片引腳8ALE/ （30），ALE：允許地址鎖存信號(hào)。（數(shù)據(jù)線、地址線復(fù)用）當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE信號(hào)負(fù)跳變將P0口上低8位地址送入鎖存器。ALE低電平時(shí)，P0口上的內(nèi)容和鎖存器輸出一致1主電源引腳；2外接晶體或外部振蕩器引腳；XTAL1、XTAL2引腳分布40腳雙列直插封裝DIP方式3控制、選通或復(fù)用電源引腳：9非訪問外部存儲(chǔ)器期間，ALE以1/6振蕩頻率輸出，訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)以1/12振蕩頻率輸出。 為編程脈沖輸入端，對(duì)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器進(jìn)行編程時(shí)，此腳輸入編程脈沖。RST9腳：復(fù)位信號(hào)延續(xù)兩個(gè)機(jī)器

4、周期以上的高電平，復(fù)位有效。10 （29腳）：訪問外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)，低電平有效。 /Vpp31腳：訪問內(nèi)部或外部ROM選擇信號(hào)。 高電平時(shí)( ) ，訪問內(nèi)部ROMPC指針超過4K，0FFFH時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)向外部ROM，保持低電平，那么訪問外部ROM。對(duì)于8031， 接低電平11四個(gè)8位雙向I/O端口P0、P1、P2、P3;每一條I/O線都能獨(dú)立地作輸入或輸出。P0口3239低8位地址/數(shù)據(jù)線復(fù)用或I/O口。P1口18常用的I/O口。P2口2128常用I/O口或高8位地址線。P3口1017雙功能口。4I/O口引腳32個(gè)引腳12信號(hào)引腳的第二功能P3口第二功能132-2 MCS-51存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存

5、儲(chǔ)器RAM-用來存放程序運(yùn)行中所需要的常數(shù)和變量。當(dāng)然，全局?jǐn)?shù)據(jù)也可以放在RAM中。特點(diǎn)：程序存儲(chǔ)器ROM、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM分開，各有各的尋址系統(tǒng)、控制信號(hào)和功能。程序存儲(chǔ)器ROM-用來存放程序和始終要保存的數(shù)據(jù)。14從物理空間上看：MCS-51單片機(jī)有四個(gè)存儲(chǔ)器地址空間。片內(nèi)程序存儲(chǔ)器片外程序存儲(chǔ)器片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器15程序存儲(chǔ)器映象數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器映象8051存儲(chǔ)器映象162.2.1 程序存儲(chǔ)器程序存儲(chǔ)器以PC程序計(jì)數(shù)器作地址指針，可尋址空間為64K0000HFFFFH字節(jié)。8051/8751單片機(jī)內(nèi)局部別駐留4K0000H0FFFH字節(jié)ROM/EPROM。8031那么沒有片內(nèi)程序存儲(chǔ)

6、器。178031單片機(jī) 接低電平。51系列單片機(jī)64K字節(jié)程序存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址。程序從片內(nèi)ROM開始執(zhí)行，當(dāng)PC值超過片內(nèi)ROM容量時(shí)會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)向外部存儲(chǔ)器空間。程序從外部存儲(chǔ)器開始執(zhí)行。1851系列單片機(jī)復(fù)位后PC=0000H，系統(tǒng)從0000H開始執(zhí)行程序。安排一條跳轉(zhuǎn)指令。0003H0032H單元被保存專用于中斷效勞程序入口地址。每個(gè)中斷效勞程序只有8個(gè)字節(jié)單元存放，顯然不夠，故此8個(gè)單元通常放一條跳轉(zhuǎn)指令。指向被實(shí)際分配的中斷效勞程序段。1920中斷效勞程序首地址：外部中斷0 0003H定時(shí)器0溢出中斷000BH外部中斷1 0013H定時(shí)器1溢出中斷001BH串行口中斷0023H定時(shí)器2溢出

7、/T2EX負(fù)跳變002BH212-2-2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器MCS-51系列單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器在物理和邏輯上都分為兩個(gè)地址空間。00H7FH0127128字節(jié)RAM區(qū)；80HFFH128255128字節(jié)專用存放器區(qū)。22內(nèi)部RAM低128字節(jié)00H7FH四個(gè)通用存放器區(qū)，每個(gè)區(qū)有8個(gè)工作存放器R0R7D4D3=000區(qū)； D4D3=011區(qū)；D4D3=102區(qū)； D4D3=113區(qū)根據(jù)程序狀態(tài)字PSW特殊功能存放器，地址D0H中的D4D3位來指示的。通過對(duì)PSW的D4D3的修改，便能任意選擇一個(gè)工作存放器區(qū)。存放器區(qū)23位尋址區(qū)20H2FH16個(gè)字節(jié)。16*8=128位，每一位都有一個(gè)位地址，范圍為：

8、00H7FH，位地址區(qū)也可作為一般RAM使用。位尋址區(qū)24用戶RAM區(qū)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)單元地址：30H7FH在此區(qū)域中，用戶只能以存儲(chǔ)單元字節(jié)形式使用。通常將堆棧建立在此區(qū)域中。25內(nèi)部RAM高128字節(jié)80HFFH專用功能存放器區(qū)SFR2-2-3 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以后介紹262-2-3 專用功能存放器SFR分布在RAM區(qū)域80HFFH中，具體執(zhí)行功能：鎖存器、定時(shí)器、串行口數(shù)據(jù)緩沖器、各種控制存放器、狀態(tài)存放器等。27累加器ACC最常用專用存放器暫存存放器，用于提供操作數(shù)和存放運(yùn)算結(jié)果。直接與內(nèi)部總線相連。一般信息傳遞和交換都要通過ACC。常用專用功能存放器28存放器B乘法指令兩個(gè)操作數(shù)分別取自A、

9、B，其結(jié)果放在A、B存放器隊(duì)中；除法指令，被除數(shù)取自A，除數(shù)取自B，商放A，余數(shù)放B。29程序狀態(tài)控制字PSWRS1，RS0-選擇工作存放器區(qū)；CY-高位進(jìn)位標(biāo)志，8位運(yùn)算產(chǎn)生進(jìn)位或借位；AC-輔助進(jìn)位標(biāo)志，半字節(jié)進(jìn)位標(biāo)志；OV-溢出標(biāo)志位，用于帶符號(hào)數(shù)運(yùn)算的溢出。P奇偶校驗(yàn)標(biāo)志位，A存放器中奇偶性判別。“1的個(gè)數(shù)為偶P=0“1的個(gè)數(shù)位奇P=130數(shù)據(jù)指針DPTR16位存放器，DPH，DPL用來訪問外部RAM的地址存放器，地址范圍64K。端口P0P3專用存放器P0P3端口名和存放器名一一對(duì)應(yīng)可采用直接尋址方式參與操作。MOV A，P031串行數(shù)據(jù)緩沖器SBUF存放欲發(fā)送或已接收的數(shù)據(jù)。雖然用一

10、個(gè)緩沖器99H，但卻以兩個(gè)獨(dú)立的緩沖器出現(xiàn)。一個(gè)發(fā)送，一個(gè)接收。定時(shí)器/計(jì)數(shù)器兩個(gè)16為定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0、T1。各有兩個(gè)8為獨(dú)立存放器組成，TH0、TL0，TH1、TL1。其他控制存放器3233342-3 并行I/O端口電路P0口：地址/數(shù)據(jù)復(fù)用口35鎖存器：數(shù)據(jù)輸出三態(tài)輸入數(shù)據(jù)緩沖器多路轉(zhuǎn)換器MUX，控制電路數(shù)據(jù)輸出時(shí)寫P0口：由于鎖存器的存在，故P0端口可以直接和外設(shè)相連。內(nèi)部寫脈沖加在D觸發(fā)器CP端，數(shù)據(jù)寫入鎖存器，由端口引腳輸出。作為一般I/O口使用36數(shù)據(jù)輸入時(shí)讀P0口，有兩種情況：讀引腳：讀芯片引腳上的數(shù)據(jù)，“讀引腳緩沖器翻開，通過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線讀入；MOV指令的讀口操作。讀端口：通

11、過翻開讀鎖存器緩沖器讀鎖存器Q端的狀態(tài)，例如語句：ANL P0，A 。作為地址/數(shù)據(jù)復(fù)用口使用翻開控制與門，使得內(nèi)部地址/數(shù)據(jù)線與驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管柵極反相接通狀態(tài)。37根據(jù)端口特點(diǎn)，P0，P2口結(jié)構(gòu)根本一致，內(nèi)部有一個(gè)多路開關(guān)MUX，根據(jù)CPU控制可作為I/O口，也可作為外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展時(shí)用作16位地址總線。P1，P3口結(jié)構(gòu)根本一致，為雙向口。注意，一般地說，P1口多用作I/O或位操作；而P3口多用于第二功能。38P0口：為三態(tài)雙向口，擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器時(shí)，它是地址總線和數(shù)據(jù)總線的復(fù)用低8位。低8位地址通過ALE信號(hào)負(fù)跳變將其鎖存在外部鎖存器中。單獨(dú)作I/O口用時(shí)，由于輸出電路是漏極開路，必須外接上拉電

12、阻。能帶8個(gè)LSTTL電路。端口功能39P1口：常用I/O口，每一位都能作為可編程的輸入或輸出線。輸出端無需上拉電阻。P2口：可以作為輸入口或輸出口使用；但一般作為擴(kuò)展系統(tǒng)的地址總線，輸出高8位地址。與P0口一起組成16位地址總線。P3口：雙功能口。作為第一功能使用同P1口。第二功能如下表：40P3口第二功能412-4 振蕩器時(shí)鐘及時(shí)序振蕩有兩種方式：外部、內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器：將震蕩頻率2分頻，為芯片提供一個(gè)兩相時(shí)鐘信號(hào)。時(shí)序定時(shí)單位：1拍節(jié)P：振蕩脈沖周期，用P表示；2狀態(tài)S：時(shí)鐘信號(hào)周期，用S表示；423機(jī)器周期：MCS-51采用定時(shí)方式，因此有固定的機(jī)器周期，一個(gè)機(jī)器周期等于6個(gè)狀態(tài)周期，1

13、2個(gè)振蕩周期；4指令周期：執(zhí)行一條指令所需要的時(shí)間?？砂?、二、三或四個(gè)機(jī)器周期。時(shí)鐘周期是振蕩周期2分頻；機(jī)器周期是振蕩周期12分頻。43當(dāng)振蕩頻率為12M時(shí)，一個(gè)機(jī)器周期是1微秒s頻率=1/周期，周期=1/頻率一個(gè)振蕩周期=1/12s，一個(gè)機(jī)器周期是1s。當(dāng)振蕩頻率為6M時(shí)，一個(gè)機(jī)器周期是2微秒sMCS-51共有111條指令。按其長(zhǎng)度可分為：?jiǎn)巫止?jié)指令、雙字節(jié)指令、三字節(jié)指令。44單字節(jié)單周期指令例：INC A雙字節(jié)單周期指令例：ADD A，DATA單字節(jié)雙周期指令例：INC DPTR45當(dāng)ALEALE信號(hào)為振蕩頻率6分頻正跳變時(shí)，對(duì)應(yīng)單片機(jī)進(jìn)行一次讀指令操作。一個(gè)機(jī)器周期二次出現(xiàn)，在S1P2和S2P1及S4P2和S5P1期間。有效寬度為一個(gè)狀態(tài)。1單字節(jié)單周期指令：INC A只需進(jìn)行一次讀指令操作指令只有一個(gè)字節(jié)，當(dāng)?shù)诙€(gè)ALE有效時(shí)，由于PC沒有加1，讀出的還是原指令。屬于一次無效操作。462雙字節(jié)單周期指令：ADD A，#dataALE兩次讀操作都有效，第一次讀操作碼指令第一字節(jié)，第二次讀立即數(shù)指令第二字節(jié)。3單字節(jié)雙周期指令：INC DPTR兩個(gè)機(jī)器周期共進(jìn)行四次讀指令操作，但其后三次的讀操作都是無效的。47MOVX：先在ROM中讀出指令，然后對(duì)外部RAM進(jìn)行讀/寫操作