第二章 單片機結(jié)構(gòu)

第二章MCS-51單片機結(jié)構(gòu)組成及時序主要內(nèi)容：

1.MCS-51單片機組成（CPU結(jié)構(gòu)、存儲器結(jié)構(gòu)、并行I/O端口結(jié)構(gòu)）

2.MCS-51單片機引腳功能和時序

3.MCS-51單片機復(fù)位

重點理解：

1.

MCS-51系列單片機存儲器結(jié)構(gòu)特點

2.單片機特殊功能寄存器的作用

3.不同場合下單片機引腳的復(fù)用功能

4.單片機的位處理功能及其作用第二章-------1wyx一、MCS-51系列單片機的主要特性：

1)

8位字長CPU和指令系統(tǒng)。

2)1個片內(nèi)時鐘振蕩器和時鐘電路。

3)64K外部數(shù)據(jù)存儲器的地址空間。

4)64K外部程序存儲器的地址空間。

5)32條雙向且分別可位尋址的I／O口線。

6)128字節(jié)的片內(nèi)RAM(52子系列為256字節(jié))。

7)2個16位定時器／計數(shù)器(52子系列為3個)。

8)具有2個優(yōu)先級的5個中斷源結(jié)構(gòu)(52子系列有6個)。

9)1個全雙工串行口。

10)1個布爾處理器。

2.1MCS-51單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)第二章-------2wyx二、MCS-51單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

時鐘源T0T1P0

P1

P2

P3TXDRXDINT0INT1時鐘電路SFR和RAMROM定時/計數(shù)器CPU串行I/O口中斷系統(tǒng)并行I/O口系統(tǒng)總線圖2-1MCS-51單片機的功能模塊框圖

MCS-51單片機的功能模塊框如下圖所示。

MCS-51單片機由8位CPU、只讀存儲器EPROM／ROM、讀寫存儲器RAM、并行I／O口、串行I／O口、定時器／計數(shù)器、中斷系統(tǒng)、振蕩器和時鐘電路等部分組成。各部分之間通過內(nèi)部總線相連。第二章-------3wyxMCS-51的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖第二章-------4wyx圖2-2MCS-51單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖1.MCS-51的CPU

由運算器和控制器所構(gòu)成

1）運算器

對操作數(shù)進行算術(shù)、邏輯運算、位操作、移位等操作。

（1）算術(shù)邏輯運算單元ALU

（2）累加器A

使用最頻繁的寄存器，可寫為ACC。作用：是ALU的輸入之一，又是運算結(jié)果的存放單元。數(shù)據(jù)傳送大多都通過累加器A。MCS-51增加了一部分可以不經(jīng)過累加器的傳送指令，即可加快數(shù)據(jù)的傳送速度，又減少A的“瓶頸”現(xiàn)象。

（3）通用寄存器B

通用的數(shù)據(jù)寄存器和乘除法的專用寄存器。第二章-------5wyx（4）程序狀態(tài)字寄存器PSW

Cy（PSW.7）進位標志位，位操作時作累加器使用。Ac（PSW.6）輔助進位標志位，用于BCD碼的十進制調(diào)整運算。F0（PSW.5）用戶使用的狀態(tài)標志位。RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）4組工作寄存器區(qū)選擇控制位1和位0。

RS1RS0所選的4組寄存器

000區(qū)（內(nèi)部RAM地址00H～07H）

011區(qū)（內(nèi)部RAM地址08H～0FH）

102區(qū)（內(nèi)部RAM地址10H～17H）

113區(qū)（內(nèi)部RAM地址18H～1FH）第二章-------6wyx第二章-------7wyxOV（PSW.2）溢出標志位指示運算是否產(chǎn)生溢出，通常采用雙高判別法。PSW.1位

保留位，未用。P(PSW.0)

奇偶標志位

P=1，A中“1”的個數(shù)為奇數(shù)

P=0，A中“1”的個數(shù)為偶數(shù)2）控制器計算機的指揮控制部件

（1）程序計數(shù)器PC（ProgramCounter）

存放下一條要執(zhí)行的指令在程序存儲器中的地址。基本工作方式有以下幾種：程序計數(shù)器自動加1執(zhí)行有條件轉(zhuǎn)移或無條件轉(zhuǎn)移指令時，PC將被置入新的數(shù)值，從而使程序的流向發(fā)生變化。執(zhí)行子程序調(diào)用或中斷調(diào)用，完成下列操作：①PC的現(xiàn)行值保護②將子程序入口地址或中斷向量的地址送入PC。

第二章-------8wyx

（2）指令寄存器IR、指令譯碼器ID及控制邏輯電路。（3）

數(shù)據(jù)指針DPTR（16位）可作數(shù)據(jù)和地址寄存器

高位字節(jié)寄存器用DPH表示，低位字節(jié)寄存器用DPL表示。

（4）

堆棧指針SP

指示堆棧頂部在內(nèi)部RAM塊中的位置。復(fù)位后，SP中的內(nèi)容為07H。 作用：

①保護斷點

②現(xiàn)場保護

操作：①入棧：SP+1，寫入數(shù)據(jù)。

②出棧：彈出數(shù)據(jù)，SP-1。

第二章-------9wyx2.MCS-51存儲器結(jié)構(gòu)MCS-51系列單片機其存儲結(jié)構(gòu)特點是：

將程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開，并有各自的尋址機構(gòu)和尋址方式，這種結(jié)構(gòu)的單片微型計算機稱為哈佛型結(jié)構(gòu)單片機。在物理上有4個相互獨立的存儲空間：

片內(nèi)和片外程序存儲器；片內(nèi)和片外數(shù)據(jù)存儲器。

在邏輯上有三個彼此獨立的地址空間：

1.片內(nèi)外統(tǒng)一編址的64KB程序存儲器地址空間；

2.256字節(jié)的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器地址空間（高128字節(jié)為特殊功能寄存器）；

3.64KB片外數(shù)據(jù)存儲器地址空間第二章-------10wyx外部ROM內(nèi)部ROM(EA=1)外部ROM(EA=0)0000H0FFFH1000HFFFFH外部RAM(I/O口)0000H0FFFFH程序存儲器（c）特殊功能寄存器區(qū)00H

30H2FH

0FFH工作寄存器區(qū)位尋址區(qū)20H1FH80H7FH0000H0FFFH內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（a）外部數(shù)據(jù)存儲器（b）一般RAM區(qū)

MCS-5l系列存儲器地址空間分配圖

第二章-------11wyx1）MCS-51程序存儲器

6個特殊單元：

0000H復(fù)位后，PC=0000H，開始執(zhí)行程序

0003H外部中斷0（INT0）入口

000BH定時器0中斷（TF0）入口

0013H外部中斷1（INT1）入口

001BH定時器1中斷（TF1）入口

0023H串行口中斷TI/RI入口

程序存儲器用于存放調(diào)試好的應(yīng)用程序和表格常數(shù)。MCS-5l采用16位的程序計數(shù)器PC和l6位的地址總線，64KB片內(nèi)、外的程序存儲器空間連續(xù)、統(tǒng)一。第二章-------12wyx2）MCS-51數(shù)據(jù)存儲器

數(shù)據(jù)存儲器地址空間由內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)存儲器空間組成。內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)存儲器空間存在重疊。通過不同指令來區(qū)別

內(nèi)部數(shù)據(jù)傳送指令：MOV外部數(shù)據(jù)傳送指令：MOVX第二章-------13wyx(1)工作寄存器區(qū)（00H～1FH）分成4組，每組8個寄存器R0-R7(2)位尋址區(qū)（20H～2FH）既可進行字節(jié)尋址，又可進行位尋址。這16個單元共有16×8＝128位,對應(yīng)位地址00H-7FH。(3)通用存儲區(qū)（30H～7FH）

外部數(shù)據(jù)存儲器（0000H～FFFFH）

范圍為64K字節(jié)，采用R0、R1或DPTR寄存器間址方式訪問。

內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器在物理上又可分成三部分：低128字節(jié)RAM、高128字節(jié)RAM(僅8032／8052才有)和專用寄存器(SFR)。

低128字節(jié)RAM由工作寄存器區(qū)、位尋址區(qū)和通用RAM區(qū)組成。數(shù)據(jù)存儲器地址空間8032／8052的高128字節(jié)RAM和專用寄存器(SFR)空間重合，通過不同尋址方式區(qū)別第二章-------14wyx在低128字節(jié)RAM中,00H~1FH共32單元是4個通用工作寄存器區(qū)。每一個區(qū)有8個通用寄存器R0~R7。寄存器和RAM地址對應(yīng)關(guān)系如表2.2。與PSW中RS0、RS1位關(guān)系如下表RS1RS0寄存器組片內(nèi)PAM地址通用寄存器名稱000組00H~07HR0~R7011組08H~0FHR0~R7102組10H~17HR0~R7113組18H~1FHR0~R7表2.2寄存器與RAM地址對照表表2.1RS1、RS0與片內(nèi)工作寄存器組的對應(yīng)關(guān)系第二章-------15wyx工作寄存器區(qū)

20H~2FH單元是位尋址區(qū)。這16個單元(共計16×8=128位)的每一位都賦予了一個位地址，位地址范圍為00H~7FH。位尋址區(qū)的每一位都可當作軟件觸發(fā)器，由程序直接進行位處理。通?？梢园迅鞣N程序狀態(tài)標志、位控制變量存于位尋址區(qū)內(nèi)。第二章-------16wyx位尋址區(qū)第二章-------17wyx

30H~7FH是數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，也即用戶RAM區(qū)，共80個單元。由于工作寄存器區(qū)、位尋址區(qū)、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)統(tǒng)一編址，使用同樣的指令訪問，這三個區(qū)的單元既有自己獨特的功能，又可統(tǒng)一調(diào)度使用。因此，前兩個區(qū)未使用的單元也可作為用戶RAM單元使用，使容量較小的片內(nèi)RAM得以充分利用。第二章-------18wyx通用存儲區(qū)外部數(shù)據(jù)存儲器一般由靜態(tài)RAM構(gòu)成，其容量大小由用戶根據(jù)需要而定,最大可擴展到64KBRAM,地址是0000H~0FFFFH。CPU通過MOVX指令訪問外部數(shù)據(jù)存儲器,用間接尋址方式,R0、R1和DPTR都可作間接寄存器。注意,外部RAM和擴展的I/O接口是統(tǒng)一編址的,所有的外擴I/O口都要占用64KB中的地址單元。第二章-------19wyx外部數(shù)據(jù)存儲器3）特殊功能寄存器地址空間

共有21個專用寄存器SFR，離散分布在片內(nèi)RAM的高128字節(jié)地址80H～0FFH中。程序計數(shù)器PC不占據(jù)RAM單元，在除PC外的專用寄存器SFR中，有11個專用寄存器既可字節(jié)尋址，又可位尋址（字節(jié)地址為8的整倍數(shù)）。標識符名稱字節(jié)地址*Acc累加器E0H*BB寄存器F0H*PSW程序狀態(tài)字D0HSP堆棧指針81HDPTR數(shù)據(jù)指針(DPH和DPL)82H,83H*P0口080H*P1口190H*P2口2A0H*P3口3B0H*IP中斷優(yōu)先級寄存器B8H*IE中斷控制寄存器A8HTMOD定時器方式寄存器89H*TCON定時器控制寄存器88H標識符名稱字節(jié)地址TH0計數(shù)器0高位8CHTL0計數(shù)器0低位8AHTH1計數(shù)器1高位8DHTL1計數(shù)器1低位8BH*SCON串行口控制98HSBUF串行數(shù)據(jù)緩沖器99HPCON電源控制97H位地址的表示法例如：

位名稱CY、RS0

寄存器名加序號PSW.7，ACC.1

字節(jié)地址加序號20H.3

直接位地址00H第二章-------20wyx（1）累加器ACC—累加器A在大部分的算術(shù)運算中存放某個操作數(shù)和運算結(jié)果。（2）寄存器B—寄存器B主要用于與累加器A配合執(zhí)行乘法和除法指令的操作。（3）程序狀態(tài)字PSW—8位寄存器，用來存放程序狀態(tài)信息。某些指令的執(zhí)行結(jié)果會自動影響PSW的有關(guān)狀態(tài)標志位，有些狀態(tài)位可用指令來設(shè)置。

特殊功能寄存器第二章-------21wyx（4）堆棧指針SP

棧指針SP為一個8位專用寄存器，每存入(或取出)一個字節(jié)數(shù)據(jù)，SP就自動加1(或減1)，SP始終指向新的棧頂。系統(tǒng)復(fù)位后錢指針初始化為07H。（5）數(shù)據(jù)指針DPTR16位的專用寄存器，由高位字節(jié)DPH和低位字節(jié)DPL組成?？勺鳛橐粋€16位寄存器使用，也可以作為2個獨立的8位寄存器DPH和DPL使用。（6）

I/O端口P0～P3

專用寄存器P0～P3分別是I/O端口P0～P3的鎖存器?？梢园袸/O口當作一般的專用寄存器來使用，沒有專門設(shè)置的口操作指令，全部采用統(tǒng)一的MOV指令。第二章-------22wyx關(guān)于數(shù)據(jù)存儲器

1）根據(jù)地址總線寬度，在片外可擴展的存儲器最大容量為64KB，地址范圍為0000H～FFFFH。2）片外數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器的操作使用不同的指令和控制信號，允許兩者的地址重復(fù)。因此，片外要擴展的數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器各為64KB。3）片外數(shù)據(jù)存儲器與片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器的操作指令亦不同(對片外RAM用MOVX指令)，所以也允許兩者的地址重復(fù)，內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器的地址00H～FFH，外部擴展數(shù)據(jù)存儲器的地址可以從0000H～FFFFH。注意：采用R0、R1或DPTR寄存器間址方式訪問片外數(shù)據(jù)存儲器。當采用R0、R1間址時只能訪問低256字節(jié)，采用DPTR間址可訪問整個64K字節(jié)空間。第二章-------23wyx3.并行I/O接口

MCS-5l單片機內(nèi)有四個8位并行I／O端口，為P0、P1、P2和P3。每個端口都是8位準雙向I／O口，共占32根引腳。每個端口都包含一個鎖存器、一個輸出驅(qū)動器和一個輸入緩沖器。

并行I/O接口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

P0口的每位鎖存器均由D觸發(fā)器組成，用來鎖存輸出的信息。在CPU的“寫鎖存器”信號驅(qū)動下，將內(nèi)部總線上的數(shù)據(jù)寫入鎖存器中。

P0口某位的結(jié)構(gòu)圖

第二章-------24wyx

當由P0口輸入數(shù)據(jù)時，由于外部輸入信號既加在緩沖輸入端上，又加在驅(qū)動電路的漏極上。如果這時T2是導(dǎo)通的，則引腳上的電位始終被鉗位在0電平上，輸人數(shù)據(jù)不可能正確地讀人。因此，在輸入數(shù)據(jù)時，應(yīng)先把P0口置1，使兩個輸出FET均關(guān)斷，使引腳“浮置”，成為高阻狀態(tài)，這樣才能正確地插人數(shù)據(jù)。這就是所謂的準雙向口（輸出數(shù)據(jù)時需接上拉電阻）。第二章-------25wyx

P1口為準雙向口，其1位的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示。它在結(jié)構(gòu)上與P0口的區(qū)別在于輸出驅(qū)動部分。其輸出驅(qū)動部分由場效應(yīng)管V1與內(nèi)部上拉電阻組成。當其某位輸出高電平時，可以提供拉電流負載，不必像P0口那樣需要外接上拉電阻。第二章-------26wyx

P2口當作為準雙向通用I/O口使用時，控制信號使轉(zhuǎn)換開關(guān)接向左側(cè)，鎖存器Q端經(jīng)反相器3接V1，其工作原理與P1相同，也具有輸入、輸出、端口操作三種工作方式，負載能力也與P1相同。第二章-------27wyx

P3口與Pl口的輸出驅(qū)動部分及內(nèi)部上拉電阻相同，但比P1口多了一個第二功能控制部分的邏輯電路〔由一個與非門和一個輸入緩沖器組成〕第二章-------28wyxP3.0(RXD)：串行輸入端。P3.1(TXD)：串行輸出端。P3.2(INT0)：外部中斷0輸入端，低電平有效。P3.3(INT1)：外部中斷1輸入端，低電平有效。P3.4(T0)：定時／計數(shù)器0外部事件計數(shù)輸入端。P3.5(T1)：定時／計數(shù)器1外部事件計數(shù)輸入端。P3.6(WR)：外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通信號，低電平有效。P3.7(RD)：外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通信號，低電平有效。

P3口每位的第二功能：第二章-------29wyxP0～P3的功能及使用時的注意事項

1.在無片外擴展存儲器的系統(tǒng)中，這四個端口的每一位都可以作為準雙向通用I／O端口使用。在具有片外擴展存儲器的系統(tǒng)中，P2口作為高8位地址線，P0口作為雙向總線，分時作為低8位地址和數(shù)據(jù)的輸入／輸出線。

2.P0口作為通用雙向I／O口用時，必須外接上拉電阻。

3.P3口除了作通用I／O使用外，它的各位還具有第二功能。當P3口某一位用于第二功能作輸出時，則不能再作通用I／O使用。

4.當P0～P4端口用作輸入時，為了避免誤讀，都必須先向?qū)?yīng)的輸出鎖存器寫入“l(fā)”，使FET截止。然后再讀端口引腳。

如：MOVP1,#0FFHMOVA,P1第二章-------30wyx4.串行I/O接口

MCS-51單片機內(nèi)部有一個可編程全雙工串行接口，由RXD和TXD進行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。第二章-------31wyx

MCS-51及其5l子系列的其它成員都具有相同的中斷結(jié)構(gòu)。

8051有5個中斷源—2個外部中斷源INT0和INT1，2個片內(nèi)定時器／計數(shù)器溢出中斷源，1個片內(nèi)串行口中斷源。分為兩級——高級中斷和低級中斷。其中任何一個中斷源的優(yōu)先級均可由軟件設(shè)定為高級或低級，能實現(xiàn)兩級中斷服務(wù)程序嵌套。

都是可屏蔽的，由軟件設(shè)定。6.中斷系統(tǒng)

MCS-51單片機內(nèi)部有兩個16位的可編程加1定時/計數(shù)器。5.定時器/計數(shù)器2.2MCS-51單片機的引腳及功能

一、引腳：40腳分三類1、電源線和時鐘信號線共4根

VCC，GND——電源和地+5V電源供電；

X1——時鐘振蕩器輸入端，內(nèi)部振蕩器輸入端；

X2——時鐘振蕩器輸出端，內(nèi)部振蕩器輸出端。2、控制線4根RST——復(fù)位信號，晶振工作后2個機器周期的高電平復(fù)位CPU；ALE——地址鎖存信號訪問外部存儲器時該信號鎖存低8位地址；無RAM時，ALE為晶振6分頻；/PSEN——外部程序存儲器讀從程序存儲器中取指令或讀取數(shù)據(jù)時，該信號有效。/EA——程序存儲器有效地址，/EA=1從內(nèi)部開始執(zhí)行程序；/EA=0從外部開始執(zhí)行程序；3、I/O口線32根----MCS-51系列單片機P0、P1、P2、P3共32位，對應(yīng)芯片的32根引腳。第二章-------32wyx單片機的片外三總線結(jié)構(gòu)第二章-------33wyx二、時鐘電路及時序

1.時鐘電路

MCS-5l單片機內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTALl和XTAL2分別是反相放大器的輸入端和輸出端，由這個放大器與作為反饋元件的片外晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成了一個自激振蕩器，如圖2-4所示。這種方式形成的時鐘信號稱為內(nèi)部時鐘方式。圖2-