第二章MCS-51單片機(jī)結(jié)構(gòu)與時(shí)序

目錄2.1MCS-51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)2.2MCS-51單片機(jī)引腳功能2.3MCS-51單片機(jī)工作方式2.4MCS-51單片機(jī)時(shí)序12.1MCS-51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

MCS-51系列里，所有產(chǎn)品都是以8051為核心電路發(fā)展起來的，都具有8051的基本結(jié)構(gòu)和軟件特征。其結(jié)構(gòu)可以分為CPU、存儲(chǔ)器、IO接口電路、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和中斷系統(tǒng)等五部分。ROM+RAM2運(yùn)算部件：又稱算術(shù)邏輯單元，8位（ArithmeticLogicalUnit—ALU）

完成算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算實(shí)現(xiàn)位及數(shù)據(jù)傳送等操作包括加法器、兩個(gè)8位暫存器TMP1、TMP2和一個(gè)布爾處理器。累加器：8位，有輸入、輸出能力的移位寄存器暫存器：不對(duì)用戶開放，用于臨時(shí)存放8位二進(jìn)制數(shù)PSW：程序狀態(tài)字。用于存放運(yùn)算后形成的狀態(tài)位。溢出、進(jìn)位、借位、結(jié)果為零等2.1.1CPU結(jié)構(gòu)由運(yùn)算器（ALU）、控制器和專用寄存器組構(gòu)成包括移位器、加法器、判斷電路32.控制部件（以定時(shí)控制部件為主）：以主頻為基準(zhǔn)，控制CPU的時(shí)序讀指、指令譯碼、控制各硬件環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)工作組成部分：指令寄存器IR：存放從程序存儲(chǔ)器中取出的指令碼定時(shí)控制邏輯：對(duì)指令寄存器中的指令碼譯碼，并在OSC的配合下產(chǎn)生執(zhí)行指令的有序脈沖，完成指令執(zhí)行。OSC振蕩器：控制器的心臟，為控制器提供時(shí)鐘脈沖。時(shí)鐘頻率越高，單片機(jī)運(yùn)算速度越快。不同單片機(jī)時(shí)鐘頻率不同。43專用寄存器組：主要用來指示當(dāng)前要執(zhí)行指令的內(nèi)存地址、存放操作數(shù)和指示指令執(zhí)行后的狀態(tài)等。是任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)的CPU不可缺少的部件。主要有下面的寄存器：程序計(jì)數(shù)器PC：存放下一條需要執(zhí)行的指令的內(nèi)存地址，自動(dòng)加1。

A、16位PC。能尋址的最大程序存儲(chǔ)器空間多大呢？（內(nèi)部程序存儲(chǔ)器空間+外部程序存儲(chǔ)器空間之和） B、程序執(zhí)行前，PC應(yīng)指向哪里呢？

程序第一條指令的內(nèi)存地址

5累加器A：專用存放操作數(shù)或運(yùn)算結(jié)果。 MOV A,#03H ADD A,#05H通用寄存器B：專門為乘法、除法設(shè)置的8位寄存器，存放乘法運(yùn)算的乘數(shù)、結(jié)果的高8位和除法運(yùn)算的除數(shù)、結(jié)果的余數(shù)。 MOV A,#05H MOV B,#03H MUL AB6程序狀態(tài)字PSW：存放指令執(zhí)行后的有關(guān)狀態(tài)。

例2.1設(shè)程序執(zhí)行前F0=0，RS1、RS0=00B,執(zhí)行后，PSW各位狀態(tài)？ MOVA,#0FH ADDA,#F8H答案：PSW=C1H內(nèi)部RAM低128B分配R0R1R2R3R4R5R6R71組R0~R72組R0~R73組R0~R70組工作寄存器區(qū)分布判斷溢出方法2：最高位進(jìn)位位⊕次高位進(jìn)位位7堆棧指針SP（stackpointer）：指示堆棧棧頂?shù)牡刂?。能自?dòng)加減1.堆棧是一種能按照“先進(jìn)后出”或者“后進(jìn)先出”的規(guī)律存取數(shù)據(jù)的RAM區(qū)域。

棧頂、棧底；訪問堆棧只能用PUSH、POP指令。

有無數(shù)據(jù)的判斷；數(shù)據(jù)指針DPTR（datapointer）：有DPH、DPL組成的16位寄存器，用來存放片內(nèi)ROM的地址，也可以用來存放片外RAM和片外ROM地址。MOVDPTR，#2000HMOVXA，@DPTR；片外RAM的2000H單元的內(nèi)容取到A中8小結(jié)單片機(jī)基本結(jié)構(gòu)包括6部分：CPU、存儲(chǔ)器、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、中斷、串行IO、并行IOCPU包括三部分：運(yùn)算器、控制器、專用寄存器組（PC、A、B、PSW、SP、DPTR、）92.1.2存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)1、片內(nèi)ROM存儲(chǔ)器注意：8051內(nèi)部有4KROM，如果不夠用，可以擴(kuò)展，但內(nèi)部ROM+外部ROM<=64K2、片內(nèi)RAM存儲(chǔ)器(課本P55圖2-4) 8051片內(nèi)RAM128字節(jié)（地址00-7FH），片外RAM64KB（地址0000H-FFFFH）。共同占用部分訪問時(shí)用MOV和MOVX指令區(qū)別。片內(nèi)RAM分為：(1）工作寄存器區(qū)（00H-1FH）4組R0-R7 （2）位尋址區(qū)（20H-2FH）：兩種訪問方法。 （3）便箋區(qū)（30H-7FH）片外ROM/EA=0片內(nèi)ROM/EA=1外部ROM0000H0FFFH1000HFFFFH8051ROM地址空間的分配107FH

普通RAM區(qū)30H2FH位尋址區(qū)20H1FH工作寄存器區(qū)00H07H0組00H0FH1組08H17H2組10H1FH3組18HFFHSFR區(qū)80H7FH真正RAM區(qū)00H8051內(nèi)部RAM11RS1、RS0與片內(nèi)工作寄存器組的對(duì)應(yīng)關(guān)系12工作寄存器和RAM地址對(duì)照表

137FH

便箋區(qū)30H2FH位尋址區(qū)20H1FH工作寄存器區(qū)00H20H21H22H23H24H25H26H27H2FH1、位尋址區(qū)是指20H～2FH單元，共16個(gè)單元。2、位尋址區(qū)的

16個(gè)單元（共計(jì)128位）的每1位都有一個(gè)8位表示的位地址,位地址范圍為00H～1FH。4、同樣,位尋址的RAM單元也可以按字節(jié)操作作為一般的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。兩種尋址方法：假如尋找0B位，可以用SETB0BH；SETB21H.3；14內(nèi)部RAM中位地址表157FH真正RAM區(qū)00HFFHSFR區(qū)80H1、高128B的RAM單元中有21個(gè)單元可用，這21個(gè)分散在高128B的地址空間內(nèi)，分別是A，B，PSW，SP，DPH，DPL，P0，P1，P2，P3，IP，IE，TCON，TMOD，TH0，TL0，TH1，TL1，SCON，SBUF，PCON。2、11個(gè)可以按位尋址。規(guī)律：地址可以被8整除。

3特殊功能寄存器區(qū)（SFR）：有特殊用途的寄存器的集合。參見P58表2-3、圖2-6162.1.3I/O端口（后面詳細(xì)介紹）1、并行I/O端口4個(gè)并行I/O端口P0、P1、P2、P3雙向IO功能每個(gè)端口有八位數(shù)據(jù)輸出鎖存器和輸入緩沖器，鎖存器即特殊功能寄存器中的P0、P1、P2、P3四個(gè)端口結(jié)構(gòu)不同，功能不同。只有P0口常作為通用IO為CPU傳送數(shù)據(jù)，是真正的雙向IO，具有較大的負(fù)載能力。(P60表2-4P3口各位的第二功能)2、串行I/O端口數(shù)據(jù)按位傳送。P3.1和P3.0引腳的第二功能作為TxD、RxD使用。由特殊功能寄存器SCON、PCON、SBUF控制。（第九章介紹）172.1.4定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0、T1。T0由TH0+TL0兩個(gè)SFR組成，T1有TH1和TL1兩個(gè)SFR組成。做定時(shí)器使用時(shí)，最大計(jì)時(shí)時(shí)間可以使T0、T1計(jì)數(shù)從全0變?yōu)槿?.即216-1個(gè)計(jì)數(shù)脈沖。做計(jì)數(shù)器使用時(shí)，可以從P3.4、P3.5引腳輸入計(jì)數(shù)信息。2.1.5中斷系統(tǒng)中斷是指CPU暫停原來的程序，轉(zhuǎn)而為外部設(shè)備服務(wù)，并在服務(wù)完成后回到原程序執(zhí)行的過程。5個(gè)中斷源：外部中斷INT0、INT1，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器中斷T0、T1串行口中斷182.2MCS-51單片機(jī)引腳功能8051單片機(jī)為40條引腳雙列直插式封裝引腳可分為三個(gè)部分：端口線、電源線、控制線控制引腳并行I/O口引腳電源及時(shí)鐘引腳191、端口線（P62圖2-7）P0：8位雙向三態(tài)I/O口；訪問外存時(shí)，分時(shí)復(fù)用地址線(低8位)/數(shù)據(jù)總線P1：8位（帶上拉電阻）準(zhǔn)雙向I/O口；P2：8位準(zhǔn)雙向I/O口；訪問外存時(shí)只輸出地址高8位。P3：8位準(zhǔn)雙向I/O口；每個(gè)口線還具有第二功能：202、電源和時(shí)鐘線XTAL1——接外部晶體此引腳接地是內(nèi)部振蕩器的輸入端

XTAL2——接外部晶體的另一端是內(nèi)部振蕩器輸出端

VCC，VSS——電源和地+5V電源供電使用TTL電平

振蕩器213、控制線

RST——復(fù)位信號(hào)需要讓8051復(fù)位時(shí)，給該引腳高電平，并保持24個(gè)時(shí)鐘周期。如圖P64圖2-8：

—地址鎖存允許/編程線有外部存儲(chǔ)器：訪問外存時(shí)鎖存低8位地址（P65圖2-12）無外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE輸出為晶振6分頻的脈沖序列，可用作外部時(shí)鐘源；3、控制線PSEN-----允許訪問片外存儲(chǔ)器/編程電源線。（P55圖2-4）

/EA=1從內(nèi)部開始執(zhí)行程序；/EA=0只訪問外程序存儲(chǔ)器；222.2.28031對(duì)外部存儲(chǔ)器的連接：（參見P65圖2-12

8031對(duì)外部ROM、RAM的連接）1、8031對(duì)外部ROM的讀操作過程：

MOVCA，@A+DPTR；A←（A+DPTR）=x

使用到ALE地址鎖存、PSEN選通ROM。2、8031對(duì)外部RAM的寫操作過程：

MOVX@DPTR，A；x->2050H

使用到ALE地址鎖存、/WR=0，/RD=1；23P2.7~P2.0P0.7~P0.0ALEPSENWRRDEA74LS373A15~A0A15~A01#ROM

(64K×8）D7~D02#RAM

(64K×8）D7~D089C51和外部ROM、RAM的連接圖DPHDPLMOVCA，@A+DPTR；A←（A+DPTR）=xMOVX@DPTR，A；x->2050H24小結(jié)存儲(chǔ)器分類有兩種分法：1、按功能劃分：

ROM、RAM2、按與CPU的位置關(guān)系劃分：分為片內(nèi)ROM、RAM；片外ROM、RAM片內(nèi)RAM又可分成四部分 工作寄存器區(qū)（4組R0~R7）、位尋址區(qū)、便箋區(qū)、SFR區(qū)8051的引腳40條電源和時(shí)鐘、并行IO、控制引腳（RST、EA、PSEN、ALE）8031對(duì)片外存儲(chǔ)器的連接25作業(yè)2.7、2.11、2.13、2.15262.3MCS-51單片機(jī)工作方式復(fù)位方式程序執(zhí)行方式節(jié)電方式EPROM的編程和校驗(yàn)方式(略)272.3.1復(fù)位方式復(fù)位目的：開機(jī)需要復(fù)位，使CPU以及其它功能部件處于確定的初始狀態(tài)，并從該初始狀態(tài)開始工作。MCS-51單片機(jī)在時(shí)鐘電路工作以后,在RST引腳持續(xù)給出24個(gè)時(shí)鐘周期的高電平就可以完成復(fù)位操作。表2-5復(fù)位后的內(nèi)部寄存器狀態(tài)PC=0000H表示復(fù)位后程序的入口地址為0000H。從0000H開始執(zhí)行程序。所以通常在該地址放跳轉(zhuǎn)指令，以便跳到任意ROM地址執(zhí)行PSW=00H,其中RS1(PSW.4)=0,RS0(PSW.3)=0,表示復(fù)位后單片機(jī)選擇工作寄存器0組。SP=07H表示復(fù)位后堆棧在片內(nèi)RAM的08H單元處建立282.3.2程序執(zhí)行方式單步執(zhí)行：用于程序調(diào)試時(shí)。按一次單步執(zhí)行鍵就執(zhí)行一條用戶指令。 例如，在keil中單步執(zhí)行如下程序段： MOV A,#05H ADD A,#0AH SJMP $ END

連續(xù)執(zhí)行：正常的程序運(yùn)行情況。292.3.3節(jié)電工作方式 減少單片機(jī)功耗的工作方式。分為空閑（等待）方式、掉電（停機(jī)）方式。都可以通過程序控制。PD=1掉電方式：①振蕩器停振、所有功能部件停止工作。②RAM、SFR內(nèi)容保持。③VCC電源可以降低為2V（備用電源）。④ALE、PSEN變?yōu)榈碗娖? MOVPCON，#02H；PD←1進(jìn)入掉電方式 退出方法：振蕩器開始振蕩之后，硬件復(fù)位。IDL=1空閑方式：①CPU停止工作。②中斷、串行口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器繼續(xù)工作。③ALE、PSEN變?yōu)楦唠娖健＂躌AM和SFR內(nèi)容保持

MOVPCON，#01H；IDL←1進(jìn)入空閑方式退出方法：硬件復(fù)位或者中斷用途：CPU無事可做或不希望它執(zhí)行有用程序時(shí)進(jìn)入此狀態(tài)。SMOD位：串行口波特率倍頻控制位。SMOD=1則串行口波特率倍頻GF1、GF0：通用標(biāo)志位，用戶可以通過指令改變其狀態(tài)。PowerDownIDLE30掉電/空閑方式的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)：CPU不工作時(shí)可進(jìn)入掉電/空閑方式，以節(jié)約能耗。多用在航空航天上?！纠恳笤谑须娬r(shí)執(zhí)行用戶程序，停電時(shí)依靠備用電池處于空閑狀態(tài)，市電恢復(fù)后繼續(xù)執(zhí)行停電前的用戶程序。交流停電檢測(cè)電路作用：市電正常，使P1.0引腳為低電平；市電停，使P1.0腳為高電平。P1.0為高電平(停電),置標(biāo)志位GF0為1表示系統(tǒng)初始化其他操作GF0=1？令I(lǐng)DL=1YN主程序流程保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)P1.0=1？置1GF0清零GF0返回主程序YNT0中斷服務(wù)程序（不完整）312.3.4編程和校驗(yàn)方式（不必掌握） 對(duì)于有EPROM型單片機(jī)，利用特殊手段進(jìn)行寫EPROM操作，然后對(duì)寫入的程序代碼讀出驗(yàn)證。 8051是ROM型，8751是EPROM型。322.4MCS-51單片機(jī)時(shí)序單片機(jī)時(shí)序：CPU在執(zhí)行指令時(shí)所需控制信號(hào)的時(shí)間順序。簡(jiǎn)言之就是控制信號(hào)在時(shí)間上的相互關(guān)系。時(shí)序信號(hào)兩類：1、用于片內(nèi)功能部件的控制，對(duì)用戶沒有意義2、用于片外存儲(chǔ)器、IO端口等的控制。例如單片機(jī)和ROM連接的握手信號(hào)、單片機(jī)和AD連接的握手信號(hào)等。這種時(shí)序信號(hào)關(guān)系到硬件電路是否能正常工作。33MCS51單片機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘電路框圖振蕩器XTAL1XTAL2

÷2

P1P2狀態(tài)時(shí)鐘÷3÷6時(shí)鐘發(fā)生器ALE機(jī)器周期請(qǐng)問：機(jī)器周期和時(shí)鐘周期之間是什么關(guān)系？假設(shè)外接晶振12MHz，那么機(jī)器周期為多少呢？ALE：有外部存儲(chǔ)器時(shí)作為地址鎖存信號(hào)；沒有外部存儲(chǔ)器的時(shí)候，是6分頻輸出的時(shí)鐘脈沖342.4.1機(jī)器周期、指令周期、時(shí)鐘周期時(shí)鐘周期=震蕩周期=時(shí)鐘脈沖頻率的倒數(shù)（最小單位）機(jī)器周期：實(shí)現(xiàn)特定功能所需的時(shí)間。 機(jī)器周期=12個(gè)時(shí)鐘周期，含有(S1-S6)六個(gè)狀態(tài)，一共12個(gè)節(jié)拍，分別記做S1P1、S1P2、S2P1……….指令周期（最大時(shí)間單位）：執(zhí)行一條指令所需要的時(shí)間，有n個(gè)機(jī)器周期組成（n=1、2、4）。不同指令需要的指令周期不同，MCS51的指令包含單周期指令、雙周期指令、四周期指令（乘法和除法）等三種。單周期指令即在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)就能夠完成的指令包含的機(jī)器周期數(shù)越少的指令執(zhí)行速度越快。思考：?jiǎn)纹瑱C(jī)外接12M晶振，請(qǐng)問其時(shí)鐘周