MCS-51系列單片機(jī)基本結(jié)構(gòu)

第2章單片機(jī)根底

2.1概述2.2MCS—51系列單片機(jī)根本結(jié)構(gòu)2.3中央處理器CPU2.4MCS—51單片機(jī)存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)空間2.5并行輸入/輸出接口

2.1概述2.1.1單片機(jī)的產(chǎn)生與開(kāi)展單片機(jī)出現(xiàn)的歷史并不長(zhǎng),但開(kāi)展十分迅猛。它的產(chǎn)生與開(kāi)展和微處理器的產(chǎn)生與開(kāi)展大體同步,自1971年美國(guó)Intel公司首先推出4位微處理器以來(lái),它的開(kāi)展到目前為止大致可分為5個(gè)階段:第1階段〔1971～1976〕:單片機(jī)開(kāi)展的初級(jí)階段。1971年11月Intel公司首先設(shè)計(jì)出集成度為2000只晶體管/片的4位微處理器Intel4004,并配有RAM、ROM和移位存放器,構(gòu)成了第一臺(tái)MCS—4微處理器,而后又推出了8位微處理器Intel8008,以及其它各公司相繼推出的8位微處理器。第2階段〔1976～1980〕:低性能單片機(jī)階段。以1976年Intel公司推出的MCS—48系列為代表,采用將8位CPU、8位并行I/O接口、8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、RAM和ROM等集成于一塊半導(dǎo)體芯片上的單片結(jié)構(gòu),雖然其尋址范圍有限〔不大于4KB〕,也沒(méi)有串行I/O,RAM、ROM容量小,中斷系統(tǒng)也較簡(jiǎn)單,但功能可滿足一般工業(yè)控制和智能化儀器、儀表等的需要。第3階段〔1980～1983〕:高性能單片機(jī)階段。這一階段推出的高性能8位單片機(jī)普遍帶有串行口,有多級(jí)中斷處理系統(tǒng),多個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。片內(nèi)RAM、ROM的容量加大,且尋址范圍可達(dá)64KB,個(gè)別片內(nèi)還帶有A/D轉(zhuǎn)換接口。第4階段〔1983～80年代末〕:16位單片機(jī)階段。1983年Intel公司又推出了高性能的16位單片機(jī)MCS—96系列,由于其采用了最新的制造工藝,使芯片集成度高達(dá)12萬(wàn)只晶體管/片。第5階段〔90年代〕:單片機(jī)在集成度、功能、速度、可靠性、應(yīng)用領(lǐng)域等全方位向更高水平開(kāi)展。2.1.2單片機(jī)的應(yīng)用由于單片機(jī)具有體積小、重量輕、價(jià)格廉價(jià)、功耗低,控制功能強(qiáng)及運(yùn)算速度快等特點(diǎn),因而在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、軍事及家用電器等各個(gè)領(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用。按照單片機(jī)的特點(diǎn),其應(yīng)用可分為單機(jī)應(yīng)用與多機(jī)應(yīng)用。1.單機(jī)應(yīng)用在一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)中,只使用1片單片機(jī)稱為單機(jī)應(yīng)用,這是目前應(yīng)用最多的一種方式。單片機(jī)應(yīng)用的主要領(lǐng)域有:(1)測(cè)控系統(tǒng)。用單片機(jī)可以構(gòu)成各種不太復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)、自適應(yīng)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等,到達(dá)測(cè)量與控制的目的。(2)智能儀表。用單片機(jī)改造原有的測(cè)量、控制儀表,促進(jìn)儀表向數(shù)字化、智能化、多功能化、綜合化、柔性化方向開(kāi)展。(3)機(jī)電一體化產(chǎn)品。單片機(jī)與傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品相結(jié)合,使傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化,控制智能化。(4)智能接口。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),特別是在較大型的工業(yè)測(cè)、控系統(tǒng)中,用單片機(jī)進(jìn)行接口的控制與管理,加之單片機(jī)與主機(jī)的并行工作,大大提高了系統(tǒng)的運(yùn)行速度。(5)智能民用產(chǎn)品。如在家用電器、玩具、游戲機(jī)、聲像設(shè)備、電子秤、收銀機(jī)、辦公設(shè)備、廚房設(shè)備等許多產(chǎn)品中,單片機(jī)控制器的引入,不僅使產(chǎn)品的功能大大增強(qiáng),性能得到提高,而且獲得了良好的使用效果。2.多機(jī)應(yīng)用單片機(jī)的多機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)可分為功能集散系統(tǒng)、并行多機(jī)處理及局部網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。(1)功能集散系統(tǒng)。多功能集散系統(tǒng)是為了滿足工程系統(tǒng)多種外圍功能的要求而設(shè)置的多機(jī)系統(tǒng)。(2)并行多機(jī)控制系統(tǒng)。并行多機(jī)控制系統(tǒng)主要解決工程應(yīng)用系統(tǒng)的快速性問(wèn)題,以便構(gòu)成大型實(shí)時(shí)工程應(yīng)用系統(tǒng)。(3)局部網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。2.1.3單片機(jī)系列簡(jiǎn)介目前世界上單片機(jī)生產(chǎn)廠商很多,如:Intel、Motorola、Philips、Siemens、NEC、ADM、Zilog等公司,其主流產(chǎn)品有幾十個(gè)系列,幾百個(gè)品種。盡管其各具特色,名稱各異,但作為集CPU、RAM、ROM〔或EPROM〕、I/O接口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)為一體的單片機(jī),其原理大同小異?，F(xiàn)以Intel公司的系列產(chǎn)品為例,說(shuō)明各系列之間的區(qū)別。Intel公司從其生產(chǎn)單片機(jī)開(kāi)始,開(kāi)展到現(xiàn)在,大體上可分為3大系列:MCS—48系列、MCS—51系列、MCS—96系列。該3大系列的性能簡(jiǎn)介見(jiàn)表2―1。表2―1Intel單片機(jī)系列性能簡(jiǎn)介2.2MCS—51系列單片機(jī)根本結(jié)構(gòu)2.2.1MCS—51單片機(jī)系列MCS—51系列單片機(jī)雖已有10多種產(chǎn)品,但可分為兩大系列:MCS—51子系列與MCS—52子系列。MCS—51子系列中主要有8031、8051、8751三種類型。而MCS—52子系列也有3種類型8032、8052、8752。各子系列配置見(jiàn)表2―2所示。表2―2MCS—51系列單片機(jī)配置一覽表表2―2中列出了MCS—51系列單片機(jī)的兩個(gè)子系列,在4個(gè)性能上略有差異。由此可見(jiàn),在本子系列內(nèi)各類芯片的主要區(qū)別在于片內(nèi)有無(wú)ROM或EPROM;MCS—51與MCS—52子系列間所不同的是片內(nèi)程序存儲(chǔ)器ROM從4KB增至8KB;片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器由128個(gè)字節(jié)增至256個(gè)字節(jié);定時(shí)器/計(jì)數(shù)器增加了一個(gè);中斷源增加了1～2個(gè)。另外,對(duì)于制造工藝為CHMOS的單片機(jī),由于采用CMOS技術(shù)制造,因此具有低功耗的特點(diǎn),如8051功耗約為630mW,而80C51的功耗只有120mW。2.2.2MCS—51系列單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及功能部件MCS—51系列單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2―1所示。分析圖2―1,并按其功能部件劃分可以看出,MCS—51系列單片機(jī)是由8大局部組成的。圖2―2為按功能劃分的MCS—51系列單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化框圖。這8大局部是:·一個(gè)8位中央處理機(jī)CPU?！?28個(gè)字節(jié)〔MCS—52子系列為256字節(jié)〕的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM?！?KB〔MCS—52子系列為8KB〕的片內(nèi)程序只讀存儲(chǔ)器ROM或EPROM〔8031和8032無(wú)〕?！?8個(gè)〔MCS—52子系列為21個(gè)〕特殊功能存放器SFR?！?個(gè)8位并行輸入輸出I/O接口:P0口、P1口、P2口、P3口〔共32線〕,用于并行輸入或輸出數(shù)據(jù)?！?個(gè)串行I/O接口?！?個(gè)〔MCS—52子系列為3個(gè)〕16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器?！?個(gè)具有5個(gè)〔MCS—52子系列為6個(gè)或7個(gè)〕中斷源,可編程為2個(gè)優(yōu)先級(jí)的中斷系統(tǒng)。它可以接收外部中斷申請(qǐng),定時(shí)器/計(jì)數(shù)器中斷申請(qǐng)和串行口中斷申請(qǐng)。圖2―1MCS—51系列單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖圖2―2MCS—51系列單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化框圖2.2.3單片機(jī)外部引腳說(shuō)明MCS—51系列單片機(jī)芯片均為40個(gè)引腳,HMOS工藝制造的芯片采用雙列直插〔DIP〕方式封裝,其引腳示意及功能分類如圖2―3所示。CMOS工藝制造的低功耗芯片也有采用方型封裝的,但為44個(gè)引腳,其中4個(gè)引腳是不使用的。圖2―3MCS—51系列單片機(jī)引腳及總線結(jié)構(gòu)(a)管腳圖；(b)引腳功能分類1.主電源引腳Vcc和VssVCC〔40腳〕:接+5V電源正端;VSS〔20腳〕:接+5V電源地端。2.外接晶體引腳XTAL1和XTAL2XTAL1〔19腳〕:接外部石英晶體的一端。在單片機(jī)內(nèi)部,它是一個(gè)反相放大器的輸入端,這個(gè)放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。當(dāng)采用外部時(shí)鐘時(shí),對(duì)于HMOS單片機(jī),該引腳接地;對(duì)于CHMOS單片機(jī),該引腳作為外部振蕩信號(hào)的輸入端。XTAL2〔18腳〕:接外部晶體的另一端。在單片機(jī)內(nèi)部,接至片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸出端。當(dāng)采用外部時(shí)鐘時(shí),對(duì)于HMOS單片機(jī),該引腳作為外部振蕩信號(hào)的輸入端;對(duì)于CHMOS芯片,該引腳懸空不接。3.控制信號(hào)或與其它電源復(fù)用引腳控制信號(hào)或與其它電源復(fù)用引腳有RST/VPD、、和等4種形式?！?〕RST/VPD〔9腳〕:RST即為RESET,VPD為備用電源,所以該引腳為單片機(jī)的上電復(fù)位或掉電保護(hù)端?！?〕(30腳):當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí),ALE〔允許地址鎖存信號(hào)〕以每機(jī)器周期兩次的信號(hào)輸出,用于鎖存出現(xiàn)在P0口的低8位地址?！?〕〔29腳〕:片外程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)輸出端,低電平有效。〔4〕〔31腳〕:為訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器控制信號(hào),低電平有效。4.輸入/輸出〔I/O〕引腳P0口、P1口、P2口及P3口〔1〕P0口〔39腳～32腳〕:P0.0～P0.7統(tǒng)稱為P0口?！?〕P1口〔1腳～8腳〕:P1.0～P1.7統(tǒng)稱為P1口,可作為準(zhǔn)雙向I/O接口使用。〔3〕P2口〔21腳～28腳〕:P2.0～P2.7統(tǒng)稱為P2口,一般可作為準(zhǔn)雙向I/O接口?！?〕P3口〔10腳～17腳〕:P3.0～P3.7統(tǒng)稱為P3口。表2―3P3口第2功能表2.3中央處理器CPU中央處理器是單片機(jī)內(nèi)部的核心部件,它決定了單片機(jī)的主要功能特性。它由運(yùn)算部件和控制部件兩大局部組成。2.3.1運(yùn)算部件運(yùn)算部件是以算術(shù)邏輯單元ALU為核心,加上累加器A、存放器B、暫存器TMP1和TMP2、程序狀態(tài)存放器PSW及專門用于位操作的布爾處理機(jī)組成的〔見(jiàn)圖2―1〕,它能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的算術(shù)邏輯運(yùn)算,位變量處理和數(shù)據(jù)傳送操作。1.算術(shù)邏輯單元ALU與累加器ACC、存放器B算術(shù)邏輯單元ALU不僅能完成8位二進(jìn)制數(shù)的加〔帶進(jìn)位加〕、減〔帶借位減〕、乘、除、加1、減1及BCD加法的十進(jìn)制調(diào)整等算術(shù)運(yùn)算,還能對(duì)8位變量進(jìn)行邏輯“與〞、“或〞、“異或〞、求補(bǔ)、清零等邏輯運(yùn)算,并具有數(shù)據(jù)傳送,程序轉(zhuǎn)移等功能。累加器ACC簡(jiǎn)稱累加器A,為一個(gè)8位存放器,它是CPU中使用最頻繁的存放器。進(jìn)入ALU作算術(shù)和邏輯運(yùn)算的操作數(shù)多來(lái)自于A,運(yùn)算結(jié)果也常送回A保存。存放器B是為ALU進(jìn)行乘除法設(shè)置的。2.程序狀態(tài)字程序狀態(tài)字存放器PSW〔8位〕是一個(gè)標(biāo)志存放器,它保存指令執(zhí)行結(jié)果的特征信息,以供程序查詢和判別。其程序狀態(tài)字格式及含義如下:CY〔PSW.7〕——進(jìn)位標(biāo)志位。AC〔PSW.6〕——輔助進(jìn)位〔或稱半進(jìn)位〕標(biāo)志。F0〔PSW.5〕——由用戶定義的標(biāo)志位。RS1〔PSW.4〕、RS0〔PSW.3〕——工作存放器組選擇位。OV〔PSW.2〕——溢出標(biāo)志位。由硬件置位或清零。PSW.7PSW.0PSW.1——未定義位。P〔PSW.0〕——奇偶標(biāo)志位。3.布爾處理機(jī)布爾處理〔即位處理〕是MCS—51單片機(jī)ALU所具有的一種功能。單片機(jī)指令系統(tǒng)中的布爾指令集〔17條位操作指令〕,存儲(chǔ)器中的位地址空間,以及借用程序狀態(tài)標(biāo)志存放器PSW中的進(jìn)位標(biāo)志CY作為位操作“累加器〞,構(gòu)成了單片機(jī)內(nèi)的布爾處理機(jī)。2.3.2控制部件及振蕩器控制部件是單片機(jī)的神經(jīng)中樞,它包括定時(shí)和控制電路、指令存放器、譯碼器以及信息傳送控制等部件。單片機(jī)的定時(shí)控制功能是由片內(nèi)的時(shí)鐘電路和定時(shí)電路來(lái)完成的,而片內(nèi)的時(shí)鐘產(chǎn)生有兩種方式:一種是內(nèi)部時(shí)鐘方式;一種是外部時(shí)鐘方式,如圖2―4〔a〕、〔b〕所示。圖2―4HMOS型MCS—51單片機(jī)時(shí)鐘產(chǎn)生方式〔a〕內(nèi)部振蕩器方式;〔b〕外部振蕩器方式采用內(nèi)部時(shí)鐘方式時(shí),如圖2―4〔a〕所示。片內(nèi)的高增益反相放大器通過(guò)XTAL1、XTAL2外接作為反響元件的片外晶體振蕩器〔呈感性〕與電容組成的并聯(lián)諧振回路構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器,向內(nèi)部時(shí)鐘電路提供振蕩時(shí)鐘。振蕩器的頻率主要取決于晶體的振蕩頻率,一般晶體可在1.2～12MHz之間任選,電容C1、C2可在5～30pF之間選擇,電容的大小對(duì)振蕩頻率有微小的影響,可起頻率微調(diào)作用。

2.4MCS—51單片機(jī)存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)空間

2.4.1MCS—51單片機(jī)存儲(chǔ)器分類及配置MCS—51單片機(jī)存儲(chǔ)器的分類從物理結(jié)構(gòu)上可分為:片內(nèi)、片外程序存儲(chǔ)器〔8031和8032沒(méi)有片內(nèi)程序存儲(chǔ)器〕與片內(nèi)、片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器4個(gè)局部;從尋址空間分布可分為:程序存儲(chǔ)器、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器3大局部;從功能上可分為:程序存儲(chǔ)器、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、特殊功能存放器、位地址空間和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器5大局部。MCS—51系列單片機(jī)存儲(chǔ)器的配置除表2―2所示的片內(nèi)ROM〔或EPROM〕和RAM外,另外還有128個(gè)字節(jié)的RAM區(qū)作為特殊功能存放器〔SFR〕區(qū)。片內(nèi)、片外程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器各自總?cè)萘繛?4KB。MCS—51系列單片機(jī)存儲(chǔ)器系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)如圖2―5所示。圖2―5MCS—51單片機(jī)存儲(chǔ)器空間結(jié)構(gòu)圖〔a〕程序存儲(chǔ)器;〔b〕內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器;〔c〕外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器2.4.2程序存儲(chǔ)器1.程序存儲(chǔ)器的編址計(jì)算機(jī)的工作是按照事先編制好的程序命令一條條循序執(zhí)行的,程序存儲(chǔ)器就是用來(lái)存放這些已編好的程序和表格常數(shù),它由只讀存儲(chǔ)器ROM或EPROM組成。2.程序運(yùn)行的入口地址實(shí)際應(yīng)用時(shí),程序存儲(chǔ)器的容量由用戶根據(jù)需要擴(kuò)展，而程序地址空間原那么上也可由用戶任意安排。但程序最初運(yùn)行的入口地址，MCS—51單片機(jī)是固定的,用戶不能更改。程序存儲(chǔ)器中有復(fù)位和中斷源共7個(gè)固定的入口地址見(jiàn)表2―4。表2―4MCS—51單片機(jī)復(fù)位、中斷入口地址單片機(jī)復(fù)位后程序計(jì)數(shù)器PC的內(nèi)容為0000H,故必須從0000H單元開(kāi)始取指令來(lái)執(zhí)行程序。0000H單元是系統(tǒng)的起始地址,一般在該單元存放一條無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令,用戶設(shè)計(jì)的程序是從轉(zhuǎn)移后的地址開(kāi)始存放執(zhí)行的。2.4.3內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

1.內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的編址MCS—51系列單片機(jī)的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器由讀寫(xiě)存儲(chǔ)器RAM組成,用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。它由RAM塊和特殊功能存放器〔SFR〕塊組成,其結(jié)構(gòu)如圖2―5〔b〕所示。2.內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM塊由圖2―5〔b〕可見(jiàn),內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM塊共分為工作存放器區(qū)、位尋址區(qū)和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)3個(gè)局部。1〕工作存放器區(qū)內(nèi)部RAM塊的00H～1FH區(qū),共分4個(gè)組,每組有8個(gè)工作存放器R0～R7,共32個(gè)內(nèi)部RAM單元。存放器和RAM地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2―5所示。表2―5工作存放器和RAM地址對(duì)照表工作存放器共有4組,但程序每次只用1組,其它各組不工作。哪1組存放器工作由程序狀態(tài)字PSW中的PSW.3〔RS0〕和PSW.4〔RS1〕兩位來(lái)選擇,其對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2―6所示。CPU通過(guò)軟件修改PSW中RS0和RS1兩位的狀態(tài),就可任選一個(gè)工作存放器工作,這個(gè)特點(diǎn)使MCS—51單片機(jī)具有快速現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)功能,對(duì)于提高程序的效率和響應(yīng)中斷的速度是很有利的。假設(shè)程序中并不要4個(gè)工作存放器組,那么剩下的工作存放器組所對(duì)應(yīng)的單元也可以作為一般的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)使用。表2―6工作存放器組的選擇表2〕位尋址區(qū)20H～2FH單元為位尋址區(qū),這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～7FH,如表2―7所示。位尋址區(qū)的每1位都可當(dāng)作軟件觸發(fā)器,由程序直接進(jìn)行位處理。通?？梢园迅鞣N程序狀態(tài)標(biāo)志,位控制變量存于位尋址區(qū)內(nèi)。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)緩沖表2―7內(nèi)部RAM中位地址表3〕數(shù)據(jù)緩沖區(qū)30H～7FH是數(shù)據(jù)緩沖區(qū),也即用戶RAM區(qū),共80個(gè)單元。MCS—52子系列片內(nèi)RAM有256個(gè)單元,前兩個(gè)的單元數(shù)與地址都和MCS—51子系列一致。用戶RAM區(qū)從30H～FFH,共208個(gè)單元。4〕堆棧與堆棧指針在程序?qū)嶋H運(yùn)行中,往往需要一個(gè)后進(jìn)先出的RAM區(qū),在子程序調(diào)用、中斷效勞處理等場(chǎng)合用以保護(hù)CPU的現(xiàn)場(chǎng),這種后進(jìn)先出的緩沖區(qū)稱為堆棧。MCS—51單片機(jī)堆棧區(qū)不是固定的,原那么上可設(shè)在內(nèi)部RAM的任意區(qū)域內(nèi),但為了避開(kāi)工作存放器區(qū)和位尋址區(qū),一般設(shè)在30H以后的范圍內(nèi),棧頂?shù)奈恢糜蓪ｉT設(shè)置的堆棧指針存放器SP〔8位〕指出。MCS—51單片機(jī)的堆棧屬向上生長(zhǎng)型,如圖2―6所示。圖2―6MCS—51單片機(jī)堆棧3.特殊功能存放器SFR塊特殊功能存放器SFR,又稱為專用存放器。它專用于控制、管理單片機(jī)內(nèi)算術(shù)邏輯部件、并行I/O口鎖存器、串行口數(shù)據(jù)緩沖器、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)等功能模塊的工作,SFR的地址空間為80H～FFH。表2―8特殊功能存放器名稱、標(biāo)識(shí)符、地址一覽表4.位尋址空間在MCS—51單片機(jī)的內(nèi)部數(shù)據(jù)存放器RAM塊和特殊功能存放器SFR塊中,有一局部地址空間可以按位尋址,按位尋址的地址空間又稱之為位尋址空間。位尋址空間一局部在內(nèi)部RAM的20H～2FH的16個(gè)字節(jié)內(nèi),共128位;另一局部在SFR的80H～FFH空間內(nèi),凡字節(jié)地址能被8整除的專用存放器都有位地址,共93位。因此,MCS—51系列單片機(jī)共有221個(gè)可尋址位,其位地址見(jiàn)表2―7、表2―8所示。2.4.4外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器一般由靜態(tài)RAM芯片組成。擴(kuò)展存儲(chǔ)器容量的大小,由用戶根據(jù)需要而定,但MCS—51單片機(jī)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可用1個(gè)特殊功能存放器——數(shù)據(jù)指針存放器DPTR進(jìn)行尋址。由于DPTR為16位,可尋址的范圍可達(dá)64KB,所以擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的最大容量是64KB。2.5并行輸入/輸出接口2.5.1P0口1.P0口結(jié)構(gòu)P0口是一個(gè)三態(tài)雙向口,可作為地址/數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用口,也可作為通用I/O接口。其1位的結(jié)構(gòu)原理如圖2―7所示。P0口由8個(gè)這樣的電路組成:鎖存器起輸出鎖存作用,8個(gè)鎖存器構(gòu)成了特殊功能存放器P0;場(chǎng)效應(yīng)管〔FET〕V1、V2組成輸出驅(qū)動(dòng)器,以增大帶負(fù)載能力;三態(tài)門1是引腳輸入緩沖器;三態(tài)門2是用于讀鎖存器端口;與門3、倒相器4及模擬轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)構(gòu)成輸出控制電路。圖2―7P0口1位結(jié)構(gòu)原理圖2.地址/數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用功能當(dāng)P0口作為地址/數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用總線時(shí),可分為兩種情況：一種是從P0口輸出地址或數(shù)據(jù),另一種是從P0口輸入數(shù)據(jù)。在訪問(wèn)片外存儲(chǔ)器需從P0輸出地址或數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí),控制信號(hào)應(yīng)為高電平1,使轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)MUX把反向器4的輸出端與V1接通,同時(shí)把與門3翻開(kāi)。3.通用I/O接口功能當(dāng)P0口作為通用I/O接口使用,在CPU向端口輸出數(shù)據(jù)時(shí),對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)為0,轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)把輸出級(jí)與鎖存器端接通,同時(shí)因與門3輸出為0使V2截止,此時(shí),輸出級(jí)是漏極開(kāi)路電路。當(dāng)P0口作為通用I/O接口時(shí),要注意兩點(diǎn):第一,在輸出數(shù)據(jù)時(shí),由于V2截止,輸出級(jí)是漏極開(kāi)路電路,要使“1〞信號(hào)正常輸出,必須外接上拉電阻。第二,P0口作為通用I/O使用時(shí)是一準(zhǔn)雙向口。4.端口操作MCS—51單片機(jī)有不少指令可直接進(jìn)行端口操作,例如:ANLP0,A;〔P0〕←〔P0〕∧〔A〕ORLP0,＃data;〔P0〕←〔P0〕∨dataDELP0;〔P0〕←〔P0〕－12.5.2P1口P1口為準(zhǔn)雙向口,其1位的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2―8所示。它在結(jié)構(gòu)上與P0口的區(qū)別在于輸出驅(qū)動(dòng)局部,其輸出驅(qū)動(dòng)局部由場(chǎng)效應(yīng)管V1與內(nèi)部上拉電阻組成。當(dāng)其某位輸出高電平時(shí),可以提供拉電流負(fù)載,不必象P0口那樣需要外接電阻。從功能上來(lái)看P1只有一種功能〔對(duì)MCS—51子系列〕,即通用輸入輸出I/O接口,具有輸入、輸出、端口操作3種工作方式,每1位口線能獨(dú)立地用作輸入或輸出線。圖2―8P1口的結(jié)構(gòu)原理圖2.5.3P2口P2口也是一準(zhǔn)雙向口,其1位的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2―9所示。它具有通用I/O接口或高8位地址總線輸出兩種功能,所以其輸出驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)比P1口輸出驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)多了一個(gè)輸出模擬轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)MUX和反相器3。圖2―9P2口的結(jié)構(gòu)原理圖當(dāng)作為準(zhǔn)雙向通用I/O接口使用時(shí),控制信號(hào)使轉(zhuǎn)換開(kāi)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(fù)載能力也與P1口相同。

2.5.4P3口P3口的1位結(jié)構(gòu)如圖2―10所示。它的輸出驅(qū)動(dòng)由與非門3、V1組成,比P0、P1、P2口結(jié)構(gòu)多了一個(gè)緩沖器4。P3口除了可作為通用準(zhǔn)雙向I/O接口外,每1根線還具有第2功能。當(dāng)P3口作為通用I/O接口時(shí),第2功能輸出線為高電平,使與非門3的輸出取決于口鎖存器的狀態(tài)。在這種情況下,P3口仍是1個(gè)準(zhǔn)雙向口,它的工作方式、負(fù)載能力均與P1、P2口相同。當(dāng)P3口作為第2功能〔各引腳功能見(jiàn)表2―3〕使用時(shí),其鎖存器Q端必須為高電平,否那么V1管導(dǎo)通,引腳被箝位在低電平,無(wú)法輸入或輸出第2功能信號(hào)。當(dāng)Q端為高電平時(shí),P3口的口線狀態(tài)就取決于第2功能輸出線的狀態(tài)。圖2―10P3口的結(jié)構(gòu)原理圖2.6.1CPU時(shí)序計(jì)算機(jī)在執(zhí)行指令時(shí),通常將一條指令分解為假設(shè)干根本的微操作,這些微操作所對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)在時(shí)間上的先后次序稱為計(jì)算機(jī)的時(shí)序。為便于理解時(shí)序,先介紹幾個(gè)常用名詞。振蕩周期:為單片機(jī)提供定時(shí)信號(hào)的振蕩源的周期〔晶振周期或外加振蕩源周期〕。狀態(tài)周期:2個(gè)振蕩周期為1個(gè)狀態(tài)周期,用S表示。機(jī)器周期:1個(gè)機(jī)器周期含6個(gè)狀態(tài)周期,用S1、S2、…、S6表示,共有12個(gè)節(jié)拍。例如:外接晶振為12MHz時(shí),MCS—51單片機(jī)的4個(gè)時(shí)間周期的具體值為:振蕩周期=1/12μs;狀態(tài)周期=