第2章-MCS-51單片機硬件結(jié)構(gòu)要點課件

2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用1

從應(yīng)用的角度介紹單片機的體系結(jié)構(gòu)，了解單片機內(nèi)部功能模塊框圖、CPU時序，熟悉時鐘電路及復(fù)位電路，掌握單片機引腳及其外特性以及幾個重要SFR的使用，對單片機的存儲器分配要非常清晰。第2章MCS-51單片機硬件結(jié)構(gòu)2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用2

MCS-51是Intel公司1980年推出的8位高性能單片機系列，它們的外部引腳和指令系統(tǒng)完全兼容，差別只在于片內(nèi)程序存儲器的不同。

8031無片內(nèi)ROM，8051有4KB片內(nèi)掩膜ROM，8751有4KB片內(nèi)EPROM。選用新一代80C51中的FLASH版本AT89系列芯片。2.1單片機的結(jié)構(gòu)2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用3

MCS-51系列芯片及制造工藝如下：2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用4

MCS-51內(nèi)部主要有如下五部分組成：CPU結(jié)構(gòu)、存儲器結(jié)構(gòu)、I/O端口、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)。2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用5

MCS-51內(nèi)部資源有：（1）微處理器（CPU）；（2）數(shù)據(jù)存儲器（RAM）；（3）程序存儲器（4KBFlashROM）；（4）4個8位可編程并行I/O口（P0口、P1口、P2口、 P3口）；（5）1個全雙工串行口；（6）2個16位定時器/計數(shù)器；（7）中斷系統(tǒng)；（8）特殊功能寄存器（SFR）。2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用62.1.1單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖一、CPU結(jié)構(gòu)

MCS-51內(nèi)部有如下三部分電路組成：ALU、定時控制部件、專用寄存器組。（一）算術(shù)邏輯單元ALU

ALU是一個性能極強的運算器，可以進(jìn)行四則運算，也可以進(jìn)行邏輯運算等功能。2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用7（二）定時控制部件MCS-51定時控制部件有如下三部分組成

1、指令寄存器IR

存放當(dāng)前要執(zhí)行指令的操作碼

2、振蕩器OSC

輸入端---XTAT1和XTAT2接晶振振蕩器輸出。輸入端---輸出系列方波

3、定時控制邏輯

根據(jù)IR中內(nèi)容結(jié)合OSC輸出，產(chǎn)生節(jié)拍脈沖序列，完成不同指令的運行。2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用8

OSC振蕩器產(chǎn)生的矩形時鐘脈沖序列，其頻率是單片機的重要性能指標(biāo)之一，時鐘頻率越高，單片機控制器的控制節(jié)拍就越快，運算速度就越快。

因此不同型號的單片機需要的時鐘頻率也是不相同的。（三）專用寄存器組—特殊功能寄存器

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)。2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用9

專用寄存器組主要包括程序計數(shù)器PC、累加器A、程序狀態(tài)字PSW、堆棧指針SP、數(shù)據(jù)指針DPTR和通用寄存器B等。二、存儲器

程序存儲器:

4KB片內(nèi)ROM;

數(shù)據(jù)存儲器:128B片內(nèi)RAM;

21個片內(nèi)特殊功能寄存器SFR。 可尋址外部程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器空間各為64KB。2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用10三、I/O端口

I/O端口是MCS-51對外部實現(xiàn)控制和信息交換的必經(jīng)之路，I/O端口有串行和并行之分。

MCS-51具有4個8位并行I/O口P0～P3,作為輸入/輸出；

1個全雙工串行口UART,用于串行通信。

串行一次傳送1位二進(jìn)制信息。

并行一次傳送8為二進(jìn)制信息。2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用11四、定時器/計數(shù)器

MCS-51內(nèi)部有2個16位定時／計數(shù)器分別為T0和T1，可用作定時或計數(shù)。五、中斷系統(tǒng)

具有5個中斷源：2個外中斷INT0和INTl,3個內(nèi)中斷：即2個定時／計數(shù)中斷,一個串口中斷。

具有2個中斷優(yōu)先級嵌套結(jié)構(gòu)。2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用122023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用13

CPU與各部件間通過內(nèi)部總線相連。三總線結(jié)構(gòu)（地址總線AB，數(shù)據(jù)總線DB，控制總線CB）MCS-51共有如下兩種封裝1、雙列直插式封裝（HMOS型器件）2.1.2單片機引腳及其外特性2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用142、方形封裝（CHMOS型器件）2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用158051是40引腳雙列直插型封裝。將其分為3部分來說明。（1）主電源與時鐘引腳

VCC：電源端,+5V；

VSS：接地端；

XTAL1：外接晶振端,

片內(nèi)反相放大器輸入端；

XTAL2：外接晶振端,

片內(nèi)反相放大器輸出端；2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用16（2）控制引腳

RST/VPD:復(fù)位信號輸入端，高電平有效。晶振工作時，RST引腳保持2個機器周期以上高電平將使單片機復(fù)位。第二功能VPD，備用電源的輸入端。

:程序存儲允許輸出端,低電平有效。訪問片外程序存儲器時,此端口定時輸出負(fù)脈沖作為讀選通信號。

ALE/

:地址鎖存允許信號輸出端。訪問片外存儲器時，ALE作為鎖存低8位地址的控制信號。

2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用17

不訪問片外存儲器時，ALE引腳周期性地以1/6振蕩器頻率向外輸出正脈沖信號。

/Vpp:外部程序存儲器地址允許輸入端/固化編程電壓輸入端。

當(dāng)引腳接高電平時，CPU只訪問片內(nèi)程序存儲器,但當(dāng)PC值超過0FFFH時,將自動轉(zhuǎn)向訪問片外程序存儲器。

當(dāng)

引腳接低電平時,CPU只訪問片外程序存儲器。2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用18

無片內(nèi)ROM的8031系統(tǒng),需外擴EPROM,該引腳須接地。

（3）I/O引腳

P0口:漏極開路8位雙向I/O口。負(fù)載驅(qū)動能力為每位8個LS型TTL。

P1～P3口:帶內(nèi)部上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O口。負(fù)載驅(qū)動能力為每位4個LS型TTL。P3口每個引腳還具有第二功能,在圖中是用括號括起來的。2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用192.2單片機時鐘電路及CPU時序2.2.1單片機時鐘電路 單片機是一個按照時鐘節(jié)拍工作的復(fù)雜數(shù)字電路。圖（a）是采用內(nèi)部時鐘的電路。C1和C2:30pF±10pF,晶振頻率:1.2～12MHz。常用為6MHz或12MHz。2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用202.2.2CPU時序

CPU在執(zhí)行指令時,是將一條指令分解為一系列特定的微操作,這些微操作所對應(yīng)的脈沖信號在時間上的先后次序稱為時序。1.描述時序的單位（1）振蕩周期（又叫節(jié)拍，用P表示）

為單片機提供定時信號的振蕩源的周期。如外接晶振頻率為

,振蕩周期就為其倒數(shù),即1/

。2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用21（2）狀態(tài)周期（狀態(tài)用S表示）

振蕩脈沖經(jīng)過片內(nèi)時鐘電路二分頻后就是單片機的時鐘信號,該時鐘信號的周期稱為狀態(tài)周期。

1個狀態(tài)包含2個節(jié)拍,前半周期對應(yīng)的節(jié)拍表示為S1P1,后半周期對應(yīng)的節(jié)拍表示為S1P2。（3）機器周期

指令執(zhí)行過程可劃分為幾個基本操作,如取指令、讀存儲器、寫存儲器等,完成一個基本操作所需的時間稱為機器周期。2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用22

一個機器周期由6個狀態(tài),或者12個振蕩周期組成,即12/

。一個機器周期中的12個振蕩周期可依次表示為S1P1、S1P2、S2P1、S2P2、…、S6P1、S6P2。（4）指令周期

執(zhí)行一條指令所占用的全部時間稱為指令周期。 通常指令周期由1～4個機器周期組成,乘除法指令執(zhí)行時間最長,為4個機器周期。其余均為單周期和雙周期指令。2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用23

例2.1選用=6MHz晶振,求振蕩周期、狀態(tài)周期、機器周期和最長指令周期。解:振蕩周期=1/=1/6μs,狀態(tài)周期=2/=1/3μs,機器周期=12/=2μs，最長指令周期為4個機器周期,即8μs。

在MCS-51指令系統(tǒng)中,指令由單字節(jié)、雙字節(jié)和三字節(jié)組成。2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用24

從指令的執(zhí)行速度來看,單字節(jié)和雙字節(jié)指令一般為1～2機器周期,而三字節(jié)指令都是2機器周期,只有乘、除指令占4個機器周期。

MCS-指令可分為六類：1）單字節(jié)單周期指令4）雙字節(jié)單周期指令2）單字節(jié)雙周期指令 5）雙字節(jié)雙周期指令3）單字節(jié)四周期指令6）三字節(jié)雙周期指令2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用25

MCS-51執(zhí)行一條指令分為取指和執(zhí)行兩個階段。

取指令----根據(jù)PC取指令碼

執(zhí)行指令-根據(jù)OP碼產(chǎn)生微操作序列，完成指令2.MCS-51取指/執(zhí)行時序

MCS-51取指/執(zhí)行時序如圖3.4所示，也可以通過示波器觀察XTAL2和ALE端信號。在每個機器周期內(nèi)ALE引腳上的信號兩次有效，第1次出現(xiàn)在S1P2和S2P1期間，第2次出現(xiàn)在S4P2和S5P1期間。2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用262023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用272.3.1復(fù)位操作的主要功能

復(fù)位是單片機的初始化,復(fù)位后CPU和系統(tǒng)中的其它功能部件都處在一個初始狀態(tài)，并從此狀態(tài)開始工作2.3單片機復(fù)位2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用28

復(fù)位后不會改變片內(nèi)RAM中低128B的內(nèi)容,但將使特殊功能寄存器SFR初始化。

復(fù)位后，除了堆棧指針SP為07H，

IP、IE、SBUF和PCON有不定狀態(tài)出現(xiàn)，以及P0～P3輸出高電平而設(shè)置為輸入外，其余專用寄存器都清0。2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用29

如程序指針PC清零，將使單片機從復(fù)位入口0000H單元開始執(zhí)行程序。如果單片機運行時出錯或進(jìn)入死循環(huán)，可以按復(fù)位按鈕重新啟動。

2.3.2復(fù)位電路

單片機的外部復(fù)位方式有上電復(fù)位和手動復(fù)位兩種,要使單片機復(fù)位,必須使RST引腳加上兩個機器周期以上的高電平,也就是此電路中時間常數(shù)RC必須滿足：RC＞2×12/。2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用30

一般取RC值在10ms以上,如圖中的RC=22ms,完全能滿足復(fù)位條件。2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用31MCS-51單片機的工作方式

單片機的工作方式是進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)，包括：復(fù)位方式、程序執(zhí)行方式、節(jié)電方式以及編程和校驗方式。一、復(fù)位方式

通過復(fù)位電路來實現(xiàn)，從而使CPU以及其他的功能部件處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用32二、程序執(zhí)行方式

程序執(zhí)行方式是單片機的基本工作方式，通常可分為單步執(zhí)行和連續(xù)執(zhí)行兩種。

單步執(zhí)行方式是指單片機在某個按鍵的控制下逐條執(zhí)行用戶程序中指令的方式，即按一次單步執(zhí)行鍵就執(zhí)行一條用戶指令。常用于用戶程序的調(diào)試。

這種方式利用單片機外部中斷功能來實現(xiàn)的。例如：LOOP1:JNBP3.2,LOOP1;P3.2=0不往下執(zhí)行

LOOP2:JBP3.2,LOOP2;P3.2=1不往下執(zhí)行2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用33

連續(xù)執(zhí)行方式是指所有單片機都需要的一種工作方式，被執(zhí)行的程序放在ROM中，復(fù)位后從0000H開始運行，所以0000H處常放一條轉(zhuǎn)移指令，以便轉(zhuǎn)移到用戶程序執(zhí)行。三、節(jié)電工作方式 節(jié)電方式是一種降低功耗的方式，只有CMOS器件才有這種方式。由電源控制寄存器PCON控制。2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用34

節(jié)電工作方式有空閑方式和掉電方式兩種。1）空閑方式

狀態(tài)：

CPU不工作，片內(nèi)功能保持（片內(nèi)RAM,SFR內(nèi)容）不變；中斷、定時器、串行口等電路正常工作。

進(jìn)入方法： CPU執(zhí)行如下指令可以進(jìn)入：MOV PCON ,#01H

退出方法：1、被允許的中斷源發(fā)出中斷請求。

2、硬件復(fù)位。2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用352）掉電方式

狀態(tài)：

時鐘停振，片內(nèi)RAM、SFR內(nèi)容不變；功耗：電流5~50微安，電壓Vcc降為3V。

中斷、定時器、串行口電路不工作。

進(jìn)入方法：

CPU執(zhí)行如下指令可以進(jìn)入：MOV PCON ,#02H

退出方法：1、先使Vcc=5V。

2、硬件復(fù)位。2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用36

從使用的角度看有3個存儲空間,如圖所示。程序存儲器:

片內(nèi)外統(tǒng)一編址64KB數(shù)據(jù)存儲器:

片外64KB片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器:

256B2.4單片機的存儲器分配2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用372.4.1程序存儲器地址空間

程序存儲器用于存放用戶的應(yīng)用程序,使用時是只讀的。8051程序存儲空間片內(nèi)外統(tǒng)一編址,都用MOVC指令,程序存儲器地址分配如下:片內(nèi)4KB: 0000H～0FFFH片外擴展64KB: 0000H～FFFFH

如何區(qū)分低4KB重疊的地址？

當(dāng)

接高電平時,PC在0000H～0FFFH低4KB范圍內(nèi)執(zhí)行片內(nèi)ROM中程序,只有當(dāng)指令地址超過0FFFH后,才自動轉(zhuǎn)向片外ROM取指。2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用38

當(dāng)

接低電平時,PC在0000H～FFFFH范圍都執(zhí)行片外ROM中程序。8031片內(nèi)不帶ROM,所以使用時必須使

接地,以便能夠從外部擴展ROM中取指令。

程序存儲器中有些固定的單元是留給系統(tǒng)用的,專門用于存放復(fù)位和中斷處理程序的入口地址，不要與這些入口地址沖突。2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用390000H：復(fù)位入口，系統(tǒng)復(fù)位后PC指向0000H,程序就從0000H開始執(zhí)行。0003H：外中斷0入口地址；000BH：定時器T0中斷入口地址；0013H：外中斷1入口地址；001BH：定時器T1中斷入口地址；0023H：串口中斷入口地址；2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用40

MCS-51數(shù)據(jù)存儲器用于存放程序執(zhí)行的中間結(jié)果、數(shù)據(jù)緩沖等,使用時它們均可讀寫。片外RAM

64KB:0000H～FFFFH片內(nèi)RAM256B分為2部分:

低128B用戶RAM區(qū):00H～7FH

特殊功能寄存器區(qū)SFR:80H～FFH2.4.2數(shù)據(jù)存儲器地址空間2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用418052多了第3部分,與80H～FFH空間重疊的高128B。 片內(nèi)RAM低128B又可分為工作寄存器區(qū)、位尋址區(qū)和用戶數(shù)據(jù)區(qū)3部分。2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用42（1）工作寄存器區(qū)

4個工作寄存器組:地址00H～1FH,每組有8個工作寄存器,都以R0～R7命名。

通過對程序狀態(tài)字寄存器PSW中RS1、RS0這2位的4個組合來指定哪一組。

其它未選中的工作寄存器組,可用做一般RAM單元。CPU復(fù)位后,選中的是第0組工作寄存器。2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用43

工作寄存器區(qū)的尋址方式最靈活,存取速度也最快。（2）位尋址區(qū) 位尋址區(qū)16個字節(jié)128位,每位都對應(yīng)一個地址。

字節(jié)地址:

20H～2FH

位地址:

00H～7FHCPU能直接尋址這些位,執(zhí)行置位、清零等位操作。2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用44

MCS-51布爾處理的存儲空間指的就是位尋址區(qū)。這些單元也可作為一般RAM使用,進(jìn)行字節(jié)操作。 如何區(qū)分00H～7FH是位地址還是字節(jié)地址呢？

觀察是否使用了位操作指令來區(qū)分,位操作指令中使用的是一位累加器C,而不是字節(jié)操作指令中8位累加器A。2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用453.4.2數(shù)據(jù)存儲器地址空間42023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用46（3）用戶RAM區(qū)

用戶RAM區(qū):30H～7FH,是供用戶隨意使用,如用于建立堆棧、數(shù)據(jù)緩沖和數(shù)據(jù)暫存等用途。

30H～7FH可以采用直接尋址和寄存器間接尋址；8052的80H～FFH用戶RAM,只能通過寄存器間接尋址來訪問。2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用472.4.3特殊功能寄存器

特殊功能寄存器SFR:80H～FFH,用來對單片機各功能模塊進(jìn)行控制和管理。

21個SFR,其功能已作了專門的規(guī)定,用戶不能修改其結(jié)構(gòu),用戶也不能訪問除這21個以外的地址。 訪問特殊功能寄存器僅允許使用直接尋址,但對表中字節(jié)地址的末位為“0”或“8”的SFR還允許使用位尋址。2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用482023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用493.4.2數(shù)據(jù)存儲器地址空間82023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用50（1）程序計數(shù)器PC（ProgramCounter）

程序計數(shù)器在物理上是獨立的,它不屬于SFR。

PC是一個16位的計數(shù)器,尋址范圍為64KB。PC用于存放下一條要執(zhí)行的指令地址,能自動加1,實現(xiàn)程序的順序執(zhí)行。

PC本身沒有地址,無法對它進(jìn)行訪問,但可通過控制轉(zhuǎn)移指令改變其內(nèi)容,實現(xiàn)PC指向哪里,程序就執(zhí)行到哪里。2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用51（2）累加器ACC（Accumulator）

累加器是8位寄存器,它既可用于存放操作數(shù),也可存放運算的中間結(jié)果。 大部分指令中的一個操作數(shù)多取自累加器,大部分算術(shù)邏輯運算都是通過累加器進(jìn)行,運算結(jié)果也再存放入累加器中,累加器由此而得名。 在指令中用A作為累加器ACC的助記符。2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用52（3）B寄存器

B寄存器也是8位寄存器,主要用于乘除法指令中。B也可作為一般通用寄存器用。（4）數(shù)據(jù)指針DPTR（Datapointer） 數(shù)據(jù)指針為用戶可操作的唯一的16位寄存器。程序中既可按16位寄存器使用,也可以分為高8位寄存器DPH和低8位寄存器DPL來用。2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用53用于訪問片外RAM時：MOVXA,@DPTR

;讀取外RAM單元數(shù)據(jù)MOVX@DPTR,A

;數(shù)據(jù)存入外RAM單元用于訪問程序存儲器時：MOVCA,@A+DPTR

;讀取ROM單元數(shù)據(jù)2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用54（5）堆棧指針SP（StackPointer）

堆棧:按照先進(jìn)后出的原則進(jìn)行存取的一段存儲器區(qū)域。最先入棧的數(shù)據(jù)放在堆棧的最底部,而最后入棧的數(shù)據(jù)放在棧的頂部,因此,最后入棧的數(shù)據(jù)出棧時則是最先的。

堆棧指示器SP（稱堆棧指針）:在MCS-51片內(nèi)RAM任何一個連續(xù)區(qū)間中開辟一個區(qū)域作為堆棧區(qū),并用一個專用的寄存器來指示堆棧中數(shù)據(jù)存取的位置2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用55

這個寄存器就叫堆棧指針SP,它是一個8位地址寄存器,總是指向堆棧中棧頂?shù)奈恢?。棧?堆棧中最上面單元。棧底:堆棧指針的初值稱為堆棧的棧底。

堆棧操作都是對棧頂進(jìn)行的。進(jìn)棧:數(shù)據(jù)寫入堆棧,或稱壓入,使用PUSH指令；2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用56

圖（b）為數(shù)據(jù)壓入示意,先執(zhí)行SP←SP＋1,使SP指向69H,后執(zhí)行數(shù)據(jù)A壓入；

出棧:從堆棧中取出數(shù)據(jù),或稱彈出,使用POP指令。圖（c）為數(shù)據(jù)彈出示意,先執(zhí)行SP←SP-1,使SP指向68H,后執(zhí)行數(shù)據(jù)A彈出。2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用57

堆棧設(shè)立是為了中斷響應(yīng)或子程序調(diào)用時,保護(hù)斷點和保護(hù)現(xiàn)場。（6）程序狀態(tài)字PSW（ProgramStatusWord）

程序狀態(tài)字PSW是一個8位寄存器,用于存放程序運行的狀態(tài)信息,有些位可由軟件設(shè)置,有些位則由硬件運行時自動設(shè)置。2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用58

PSW的各位定義如表所示,其中PSW.1是保留位,未使用,其余各位定義如下：①CY（PSW.7）進(jìn)位標(biāo)志

當(dāng)加減結(jié)果產(chǎn)生進(jìn)位或借位時,由硬件自動將CY置1,否則清0；在位操作中作位累加器C使用。②AC（PSW.6）輔助進(jìn)位標(biāo)志2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用59

加減運算中當(dāng)?shù)?位向高4位進(jìn)位或借位時,AC由硬件置位,否則清0。在十進(jìn)制調(diào)整中也要用到AC位狀態(tài)。③F0（PSW.5）用戶標(biāo)志④RSl和RS0（PSW.4，PSW.3）工作寄存器組選擇位用于設(shè)定當(dāng)前工作寄存器的組號,上電復(fù)位后RS1、RS0為00B,CPU選擇第0組為當(dāng)前工作寄存器組。切換當(dāng)前工作寄存器組到1區(qū)指令：MOV

PSW，＃00001000B,即08H～0FH的R0～R7。2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用60⑤OV（PSW.2）溢出標(biāo)志位

在有符數(shù)加減運算中,OV=1表示加減運算結(jié)果超出了累加器A所能表示的有符數(shù)范圍（-128～+127),

產(chǎn)生了溢出,運算結(jié)果是錯誤的；OV=0表示運算正確。 在乘法運算中,OV=1表示乘積超過255,即乘積分別在B與A中；否則,OV=0,表示乘積只在A中。 在除法運算中,OV=1表示除數(shù)為0,除法不能進(jìn)行；否則,OV＝0,除數(shù)不為0,除法可正常進(jìn)行。2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用61⑥P（PSW.0）奇偶標(biāo)志位

表明累加器A中內(nèi)容的奇偶性,每個指令周期都由硬件來置位或清零。如果A中有奇數(shù)個“1”,則P=1,否則,P=0。凡是改變累加器A中內(nèi)容的指令均會影響P標(biāo)志。 例：指出表中各指令分別屬于MCS-51哪個存儲空間？指出所屬存儲空間本身的尋址范圍為多大？2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用62

思路:根據(jù)各指令的助詞符和操作數(shù)標(biāo)識,可得到各指令所屬的存儲空間和所屬存儲空間的尋址范圍。2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用63一、I/O接口的作用1、I/O接口的地位

I/O接口處于外設(shè)和CPU間，是CPU和外設(shè)間的橋梁和通道2.5單片機的并行口2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用64 2、I/O接口的作用1.實現(xiàn)CPU和不同外設(shè)的速度匹配

大多數(shù)的外設(shè)的速度很慢，無法和μs量級的單片機速度相比。

傳送的方式有同步、異步、中斷和DMA方式

要求：必須實現(xiàn)CPU與外設(shè)速度匹配2.改變數(shù)據(jù)傳送方式

并行傳送---串行傳送 串行傳送---并行傳送2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用653.改變信號性質(zhì)和信號電平

1）改變信號性質(zhì)

2）改變信號電平二、外部設(shè)備的編址

首先搞清楚I/O接口（Interface）和I/O端口（Port）的概念。

I/O端口：簡稱I/O口，指具有端口地址的寄存器或緩沖器。2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用66

I/O接口：是指單片機與外設(shè)間的I/O接口芯片，一個接口中可以有幾個I/O端口。例如：Intel8255、Intel8155一個I/O接口芯片可以有多個I/O端口，分為：

（1）數(shù)據(jù)口（2）命令口（3）狀態(tài)口I/O端口編址是給所有I/O接口中的寄存器編址。I/O端口編址兩種方式：獨立編址與統(tǒng)一編址。2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用67

1．獨立編址

I/O寄存器地址空間和存儲器地址空間分開編址，不占存儲器地址，但需專門讀寫I/O的指令和控制信號。

2．統(tǒng)一編址

I/O寄存器與數(shù)據(jù)存儲器單元同等對待，作為存儲單元統(tǒng)一編址。2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用68

不需要專門的I/O指令，直接使用訪問數(shù)據(jù)存儲器的指令進(jìn)行I/O操作，簡單、方便且功能強。

每一接口芯片中的一個功能寄存器（端口）的地址,就相當(dāng)于一個RAM單元。2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用69

優(yōu)點：1.不需要專門的指令，訪問外部存儲器的指令適用于I/O口的訪問，增強了CPU對外部端口的處理能力。2.外設(shè)端口地址安排靈活，數(shù)量不受限制三、I/O數(shù)據(jù)的四種傳送方式

為實現(xiàn)和不同的外設(shè)的速度匹配，I/O接口必須根據(jù)不同外設(shè)選擇恰當(dāng)?shù)腎/O數(shù)據(jù)傳送方式。

I/O數(shù)據(jù)傳送的幾種傳送方式是：（1）同步傳送（2）異步傳送（3）中斷傳送（4）DMA傳送2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用701.同步傳送方式--無條件傳送

1、當(dāng)外設(shè)速度和單片機的速度相比擬時，常采用同步傳送方式，最典型的同步傳送就是單片機和外部數(shù)據(jù)存儲器之間的數(shù)據(jù)傳送。

2、外設(shè)速度非常慢，CPU總認(rèn)為外設(shè)處于準(zhǔn)備好狀態(tài)2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用712.異步傳送--查詢傳送--條件傳送查詢外設(shè)“準(zhǔn)備好”后，再進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送優(yōu)點：通用性好，硬件連線和查詢程序十分簡單缺點：效率不高。為提高效率，通常采用中斷傳送方式2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用723.中斷傳送方式

外設(shè)準(zhǔn)備好后，發(fā)中斷請求，單片機進(jìn)入與外設(shè)數(shù)據(jù)傳送的中斷服務(wù)程序，進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送

中斷服務(wù)完成后又返回主程序繼續(xù)執(zhí)行。工作效率高

CPU可以和外設(shè)并行工作，效率高；系統(tǒng)的實時性好2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用734.DMA傳送（DirectMemoryAccess）

DMA是一種由硬件執(zhí)行數(shù)據(jù)傳送的工作方式，不需要經(jīng)過CPU直接在外設(shè)和內(nèi)存之間傳送。

DMA傳送必須依靠帶有DMA功能的CPU和專用的DMA控制器。

適合批量傳送

速度很快

2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用74四、I/O接口的類型

MCS-51有兩種I/O傳送方式1、串行I/O接口1.串行發(fā)送---中斷一次，發(fā)送一個字節(jié)

1）CPU將發(fā)送的數(shù)據(jù)字節(jié)送到串行口

2）串口發(fā)送完1字節(jié)，產(chǎn)生一次中斷請求

3）CPU響應(yīng)后完成

發(fā)送第2字節(jié)2.串行接收---中斷一次，接收一個字節(jié)

2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用752、并行I/O接口

并行I/O接口可以同時傳送多位信息，需要多條數(shù)據(jù)線 一、MCS-51內(nèi)部并行I/O端口

每個I/O口都有一個8位的數(shù)據(jù)鎖存器和一個8位的數(shù)據(jù)緩沖器.

八位數(shù)據(jù)鎖存器P0、P1、P2、P3為21個特殊寄存器中的四個，用來放需要輸出的數(shù)據(jù)。2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用76

數(shù)據(jù)緩沖器對端口引腳上的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖，但不能鎖存，需要保持到CPU將數(shù)據(jù)讀走。

MCS-51有4個8位準(zhǔn)雙向并行I/O口P0～P3（占32根引腳）,是SFR中4個寄存器,能字節(jié)尋址和位尋址。MCS-51內(nèi)部并行I/O端口的應(yīng)用（一）并行I/O口的操作方式

MCS-51內(nèi)部并行I/O口有三種工作方式

1、輸出數(shù)據(jù)方式

直接使用以端口為目的的操作指令

2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用77MOV P0,AORL P1,#DATAANL P2,AXRL P3,#DATA2、讀端口數(shù)據(jù)方式（讀端口鎖存器中數(shù)據(jù)）

直接使用以端口為源操作指令

MOV A,P0ORL R1,P1ANL 20H,P23、讀引腳方式（讀端口線上的數(shù)據(jù)） 方法：使欲讀端口對應(yīng)的鎖存器為1；用數(shù)據(jù)傳送指令讀該端口

MOV P1,#0FHMOV A,P12023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用78 1P0口

P0口的一位由一個輸出鎖存器、兩個三態(tài)輸入緩沖器、輸出驅(qū)動電路以及輸出控制電路組成。

輸出控制電路由一個與門,一個反相器和一個模擬開關(guān)MUX構(gòu)成,控制口線工作在不同的工作狀態(tài)。2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用79（1）P0作通用I/O口

當(dāng)P0口作為通用I/O口使用,控制信號為“0”。此信號一方面使模擬開關(guān)MUX把鎖存器的

端與T2柵極接通；另一方面把與門封鎖,使T1截止。

因此,輸出驅(qū)動工作在需外接上拉電阻的漏極開路方式。信號流程為？2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用80

P0口輸出:內(nèi)部總線信號→鎖存器D端→鎖存器的

端（作了第一次倒相）→

T2柵極（經(jīng)T2再次反相）→P0口的引腳上。 內(nèi)部總線送來的信號與到達(dá)P0口引腳上的信號是相同的。

2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用81

P0口輸入:輸入信號除加在三態(tài)緩沖器輸入端上,還加在T2的陽極上,輸入信號可能會受到T2狀態(tài)的影響。

如果此前該端口曾輸出鎖存過數(shù)據(jù)“0”,則T2是導(dǎo)通的,這樣引腳上的電位將被T2箝位在“0”電平上,使輸入的“1”信號無法讀入。2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用82

在輸入數(shù)據(jù)前,應(yīng)先向端口寫“1”,使T2截止,

去除T2對讀1的影響。因此,要遵循“先寫1,后讀入”才能正確使用,因此,P0口被稱為準(zhǔn)雙向口。圖中上面一個三態(tài)緩沖器是為讀鎖存器Q端信號而設(shè)置的,即用于所謂“讀－改－寫”類指令。2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用83

如執(zhí)行“ANLP0,A”指令時,CPU是先讀入P0口鎖存器中的數(shù)據(jù),以避免讀引腳時可能會受到負(fù)載的影響,再將該數(shù)據(jù)和累加器A中的數(shù)據(jù)相“與”,經(jīng)過運算修改,最后將結(jié)果送回P0口。（2）P0作地址/數(shù)據(jù)總線

在擴展系統(tǒng)中訪問片外存儲器時,P0口是作為復(fù)用的地址/數(shù)據(jù)總線。2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用84

此時,控制信號為“1”。一方面使模擬開關(guān)MUX與反相器輸出端接通,把地址/數(shù)據(jù)信息經(jīng)反相器和T2接通,另一方面使與門打開。信息通過與門驅(qū)動T1,又經(jīng)反相器后去驅(qū)動T2,兩個FET構(gòu)成推拉式輸出電路,

負(fù)載能力增強,可以驅(qū)動8個LSTTL負(fù)載。2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用85若地址/數(shù)據(jù)信息為“0”

T1截止,T2導(dǎo)通,引腳上輸出為“0”；若地址/數(shù)據(jù)信息為“1”

T1導(dǎo)通,T2截止,引腳上輸出為“1”。2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用86

P0口輸入數(shù)據(jù)時,首先低8位地址信息出現(xiàn)在地址/數(shù)據(jù)總線上,引腳的狀態(tài)與地址/數(shù)據(jù)總線的地址信息相同。

2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用87

硬件會自動使開關(guān)MUX撥向鎖存器

端,并向P0口寫入FFH,同時“讀引腳”信號有效,數(shù)據(jù)經(jīng)下面緩沖器讀入內(nèi)部數(shù)據(jù)總線。

P0口只有在作為地址/數(shù)據(jù)總線使用時才是一個真正的雙向口。2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用88 2P2口

P2口結(jié)構(gòu)與P0口類似。不同之處是省去了與門,T1改為上拉電阻,P2作為輸出口時,能向外提供推拉電流。MUX改接到鎖存器的Q端,并經(jīng)反相器接到輸出管T的柵極。2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用89（1）P2作通用I/O口

控制信號將鎖存器Q端與輸出級接通,信號路徑:

內(nèi)部總線→D端→Q端→MUX→反相器→驅(qū)動輸出管的柵極→陽極輸出至P2口引腳。2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用90P2口作輸入:

輸入信號從下面三態(tài)緩沖器輸入到內(nèi)部總線。也要“先寫1,后讀入”因此,P2口也是一個準(zhǔn)雙向口。2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用91（2）P2作地址總線

在訪問片外存儲器時P2口作為高8位的地址總線,控制信號將MUX與地址信號接通,地址信號經(jīng)反相器去驅(qū)動輸出管T的柵極,從T的陽極輸出到P2口的引腳上。2023/7/23MCS-51單片機原理與應(yīng)用92

訪問片外ROM時,P2口輸出高8位地址A8～A15,該地址來源于程序計數(shù)器PC的高8位；

以16位地