第2章 MCS-51單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)和原理

汽車單片機與車載網(wǎng)絡技術（講義）上冊主講：李鵬偉第三章第2章MCS-51單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)和原理

MCS-51單片機是高性能8位單片機，其代表是8051。該系列其他單片機以8051為核心，再增加一定的功能部件后構(gòu)成的。在單片機中除了有CPU、存儲器和輸入/輸出接口外，還有定時器/計數(shù)器、串行I/O接口和中斷系統(tǒng)等邏輯部件。本章主要介紹MCS-51單片機的基本結(jié)構(gòu)和功能、存儲器、I/O口以及單片機的引腳功能等。2.1MCS-51單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)與封裝2.1.1MCS-51單片機基本結(jié)構(gòu)及功能

MCS-51單片機是由8位CPU、程序存儲器（EPROM/ROM）、數(shù)據(jù)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，各部分通過內(nèi)部總線相連。MCS-51單片機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。圖2-1MCS-51單片機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖下面介紹各部分的功能。中央處理器是MCS-51單片機的核心，完成運算和控制操作。故CPU由運算器和控制器兩大部分組成。1．中央處理器（CPU）（1）運算器。用來完成算術運算、邏輯運算和位操作。它由算術/邏輯單元（ALU）、累加器A、寄存器B、暫存寄存器、程序狀態(tài)字寄存器PSW等組成。算術/邏輯單元（ALU）由加法器和相應的控制器邏輯電路組成，可實現(xiàn)8位數(shù)據(jù)的加減乘除算術運算和與、或等邏輯運算，又具有位處理功能。累加器A是一個非常常用的寄存器。運算時將一個操作數(shù)經(jīng)暫存寄存器送至ALU，與另一個來自暫存寄存器的操作數(shù)在ALU中運算，結(jié)果又送入累加器A中。寄存器B在乘、除運算時用來存放一個操作數(shù)，也用來存放結(jié)果的一部分。暫存寄存器用來暫時存放數(shù)據(jù)總線和其他寄存器送來的操作數(shù)。程序狀態(tài)字寄存器PSW是狀態(tài)標志寄存器，用來保存ALU運算結(jié)果的特征和處理狀態(tài)。（2）控制器。用來統(tǒng)一控制和協(xié)調(diào)單片機進行工作的部件。由程序計數(shù)器PC、指令寄存器IR、指令譯碼器ID和定時及控制邏輯電路等部分組成。程序計數(shù)器PC是16位計數(shù)器，總是存放下一條要讀取指令所在存儲單元的16位地址。每取完一個字節(jié)后PC自動加1。單片機復位時PC自動清0，即裝入地址0000H。指令寄存器IR用來保存當前正在執(zhí)行的一條指令。指令譯碼器ID用來翻譯操作碼，確定所要執(zhí)行的操作。定時與控制邏輯是CPU的核心部件，它控制讀指令、執(zhí)行指令、存取操作數(shù)或運算結(jié)果等操作，向其他部件發(fā)出各種操作控制信號，協(xié)調(diào)各部件工作。2．存儲器

MCS-51單片機的存儲器物理上設計成程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器兩個獨立空間。

MCS-51單片機片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器共有256BRAM單元，其中后128個單元被特殊功能寄存器占用（80H～FFH），供用戶使用的是前128B單元（00H～7FH），用于存放運算結(jié)果、暫存數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)緩存。因此前128B單元簡稱內(nèi)部RAM。片內(nèi)程序存儲器為4KBROM，用于存放程序和原始數(shù)據(jù)，簡稱片內(nèi)ROM，地址范圍為0000H～07FFH。3．定時器/計數(shù)器

MCS-51單片機有2個16位定時器/計數(shù)器，實現(xiàn)定時和計數(shù)功能。4．并行I/O口

MCS-51單片機有4個8位I/O口，即P0、P1、P2和P3，實現(xiàn)數(shù)據(jù)并行輸入輸出。5．串行口

MCS-51單片機有一個全雙工串行口（UART），利用P3.0（RXD）和P3.1（TXD）實現(xiàn)單片機與外設的數(shù)據(jù)傳送。6．中斷控制系統(tǒng)

MCS-51單片機有5個中斷源，包括2個外部中斷，2個定時/計數(shù)中斷，1個串行中斷。有高級和低級兩個優(yōu)先級。7．時鐘電路主要為單片機產(chǎn)生時鐘脈沖序列，石英晶體和微調(diào)電容需要外接，典型晶振頻率為11.0592MHz、12MHz和24MHz，微調(diào)電容容量為20pF～30pF。8．總線為了減少單片機的連線和引腳，提高集成度和可靠性，系統(tǒng)的地址信號、數(shù)據(jù)信號和控制信號都是通過總線傳送的，因此有三種總線，即地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。2.1.2MCS-51單片機引腳分布及功能圖2-2是89C51的引腳結(jié)構(gòu)圖，有雙列直插封裝（DIP）方式和方形封裝方式。下面分別敘述這些引腳的功能。圖2-289C51的引腳結(jié)構(gòu)1．電源引腳VCC和VSS

VCC（40腳）：電源端，接+5V。

VSS（20腳）：接地端，有時標為GND。2．時鐘信號引腳XTAL1和XTAL2

XTAL1（19腳）：接外部晶振和微調(diào)電容的一端，也是外部時鐘源的輸入端。

XTAL2（18腳）：接外部晶振和微調(diào)電容的另一端，采用外部時鐘源時該腳懸空。判斷單片機的振蕩電路是否正常工作，可用示波器查看XTAL2端是否有脈沖信號輸出。3．控制信號引腳RST、ALE、和RST（9腳）：復位信號輸入端，高電平有效。

ALE（30腳）：地址鎖存允許信號端。CPU訪問片外存儲器時該引腳輸出信號作為鎖存低8位地址的控制信號。單片機正常工作時該引腳不斷向外輸出正脈沖信號，頻率為振蕩頻率的1/6。（29腳）：片外程序存儲允許輸出信號端。單片模式時該引腳不接。（31腳）：外部程序存儲器地址允許輸入端。當引腳接高電平時，CPU從片內(nèi)ROM訪問并從內(nèi)部程序存儲器中的指令執(zhí)行；當引腳接低電平時，CPU只訪問片外ROM并執(zhí)行片外程序存儲器中的指令。4．輸入/輸出端口P0、P1、P2和P3

P0口（32～39腳）：8位漏極開路型雙向并行I/O口。

P1口（1～8腳）：8位具有內(nèi)部上拉電阻的準雙向I/O口。

P2口（21～28腳）：8位具有內(nèi)部上拉電阻的準雙向I/O口。

P3口（10～17腳）：8位具有內(nèi)部上拉電阻的準雙向I/O口，每一位又具有特殊功能（第二功能），如表2-1所示。表2-1P3口引腳與特殊功能表端口引腳特殊功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2（外部中斷0）P3.3（外部中斷1）P3.4T0（定時器0的外部輸入）P3.5T1（定時器1的外部輸入）P3.6（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）2.2MCS-51單片機內(nèi)部存儲器

CPU訪問存儲器時，一個地址對應唯一的存儲器單元，可以是ROM，也可以是RAM，并用同類訪問指令，此種存儲器結(jié)構(gòu)稱為普林斯頓結(jié)構(gòu)。MCS-51單片機的存儲器在物理上是分開的，共有4個存儲空間：片內(nèi)程序存儲器、片外程序存儲器、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器和片外數(shù)據(jù)存儲器，這種程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開的結(jié)構(gòu)形式稱為哈佛結(jié)構(gòu)。

MCS-51單片機的存儲器從邏輯上劃分為3個存儲地址空間：片內(nèi)外統(tǒng)一編址的64KB程序存儲器地址空間（0000H～FFFFH），64KB片外數(shù)據(jù)存儲器地址空間（0000H～FFFFH），256字節(jié)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器地址空間。CPU訪問片內(nèi)、片外ROM指令用MOVC，訪問片外RAM指令用MOVX，訪問片內(nèi)RAM指令用MOV。圖2-3為MCS-51單片機的存儲器配置。2.2.1程序存儲器程序存儲器用來存放調(diào)試好的應用程序和表格常數(shù)。內(nèi)部有ROM的單片機，在正常運行時應把引腳接高電平，使程序從內(nèi)部ROM開始執(zhí)行，當PC值超過內(nèi)部ROM地址空間時，自動轉(zhuǎn)向外部ROM去執(zhí)行程序。對內(nèi)部無ROM的單片機，應始終接低電平，迫使CPU從外部ROM取指令。圖2-3MCS-51單片機的存儲器配置

64KB程序存儲器中的7個入口地址具有特殊功能。

0000H單元：程序的起始地址，系統(tǒng)復位后PC的值為0000H，0000H～0002H單元用于初始化，一般在起始地址單元中設置一條絕對轉(zhuǎn)移指令使之轉(zhuǎn)向主程序處執(zhí)行。其他6個特殊功能的入口地址分別對應6種中斷源的中斷服務程序入口地址，如表2-2所示。通常在中斷入口地址處寫一條跳轉(zhuǎn)指令，跳轉(zhuǎn)到中斷服務程序處執(zhí)行。表2-2中斷向量入口地址表中斷源入口地址外部中斷00003H定時計數(shù)器T0溢出000BH外部中斷10013H定時計數(shù)器T1溢出001BH串行口中斷0023H定時計數(shù)器T2溢出或T2EX輸入負跳變002BH2.2.2數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)存儲器RAM用于存放運算的中間結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖等。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，當訪問片內(nèi)RAM時，用MOV類指令；當訪問片外RAM時，則用MOVX類指令。片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器在物理上又分為三部分：低128BRAM、高128BRAM（僅52系列）和特殊功能寄存器（SFR）。1．片外RAM片外RAM與片內(nèi)RAM的低地址部分（0000H～00FFH）是重疊的。片內(nèi)RAM使用MOV指令，片外64KBRAM空間專門為MOVX指令所用，采用R0、R1或DPTR寄存器間接尋址方式訪問。如MOVXA，@DPTR。2．片內(nèi)RAM（1）低128BRAM（00H～7FH）片內(nèi)RAM的低128BRAM由工作寄存器區(qū)、位尋址區(qū)和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)組成，如圖2-4所示。圖2-4低128BRAM區(qū)

00H～1FH地址安排為4組工作寄存器區(qū)，每組有8個工作寄存器（R0～R7），共占32個單元，見表2-3。通過對程序狀態(tài)字PSW中RS1、RS0的設置，每組寄存器均可選作CPU的當前工作寄存器組。表2-3工作寄存器地址表RS1RS0寄存器組R0R1R2R3R4R5R6R700工作寄存器組000H01H02H03H04H05H06H07H01工作寄存器組108H09H0AH0BH0CH0DH0EH0FH10工作寄存器組210H11H12H13H14H15H16H17H11工作寄存器組38H19H1AH1BH1CH1DH1EH1FH內(nèi)部RAM中的20H～2FH是16個單元的位尋址區(qū)，這16個單元共有128位，其位地址為00H～7FH。所謂位尋址是指CPU能直接對這些位進行置“1”、清“0”、求反、傳送等邏輯操作。數(shù)據(jù)緩沖區(qū)是片內(nèi)RAM中30H～7FH的80個單元，只能以存儲單元的形式使用，一般常把堆棧開辟于此區(qū)中。（2）高128BRAM（80H～0FFH）該存儲區(qū)僅52子系列有，只可用間接尋址方式訪問。（3）特殊功能寄存器（SFR）（80H～0FFH）該區(qū)存放相應功能部件的控制命令的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，MCS-51系列單片機的特殊功能寄存器共有22個，可直接尋址的有21個。①程序計數(shù)器PC（ProgramCounter）。PC是16位計數(shù)器，內(nèi)容為將要執(zhí)行的指令地址，有自動加1功能，以實現(xiàn)程序順序執(zhí)行。PC沒有地址，不可以尋址。但在執(zhí)行轉(zhuǎn)移、調(diào)用、返回等指令時自動改變其內(nèi)容實現(xiàn)程序執(zhí)行順序的改變。②累加器A（ACC，Accumulator）。ACC為8位寄存器，用于寄放操作數(shù)，也是ALU運算結(jié)果的暫存單元，也是數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站，在變址尋址方式中把累加器作為變址寄存器使用。因此累加器A使用非常頻繁。③寄存器B。8位寄存器，主要用于乘、除運算。④程序狀態(tài)字PSW（ProgramStatusWord）。8位寄存器，寄存指令執(zhí)行的狀態(tài)信息。PSW的各位定義如下：位序PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0位標志CYACF0RS1RS0OV—PPSW各位的功能如下：

CY（PSW.7）進位標志。加減法運算時如果結(jié)果的最高位（D7位）向上有進位或借位，CY置1，否則清0。在位操作時CY又作為位累加器使用。

AC（PSW.6）半進位標志。加減運算時如果運算結(jié)果低半字節(jié)（D3位）向高半字節(jié)有進位或借位，AC置1，否則清0。F0（PSW.5）用戶標志位。

RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）工作寄存器組選擇控制位。用軟件對RS1、RS0作不同組合，以確定工作寄存器的組號，如表2-3所示。

OV（PSW.2）溢出標志。帶符號數(shù)補碼運算時，如果有溢出，即當運算結(jié)果超出－128～＋127的范圍時，OV置1；無溢出時OV清0。—（PSW.1）為保留位。

P（PSW.0）奇/偶標志。每個指令周期均由硬件來置位或清0，以指出累加器A中1的個數(shù)的奇偶性。若1的個數(shù)為奇數(shù)，則P置位，否則清0。⑤堆棧指針SP。堆棧是一個特殊的存儲區(qū)，暫存數(shù)據(jù)和地址，它是按“先進后出”的原則存放數(shù)據(jù)的。第一個進棧的數(shù)據(jù)所在的存儲單元稱為棧底，最后進棧數(shù)據(jù)的存儲單元叫做棧頂，SP是8位特殊功能寄存器，始終指向棧頂在片內(nèi)RAM中的位置，每存或取一字節(jié)數(shù)據(jù)SP就自動加或減1，系統(tǒng)復位后SP的初始值為07H，即堆棧實際從08H單元開始工作。⑥數(shù)據(jù)指針DPTR。DPTR是16位的特殊功能寄存器，由高8位字節(jié)DPH和低8位字節(jié)DPL組成。用于存放16位地址，作間址寄存器和基址寄存器使用，以便訪問片外RAM和ROM。DPTR可以作為2個獨立的8位寄存器DPH和DPL使用。⑦并行I/O接口P0、P1、P2和P3。均為8位，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入或輸出。其余的特殊功能寄存器在以后章節(jié)介紹。2.3MCS-51單片機I/O端口電路、時鐘電路與工作方式2.3.1MCS-51單片機I/O端口的結(jié)構(gòu)及使用方法

MCS-51單片機內(nèi)有4個8位并行I/O口，稱為P0、P1、P2和P3。每個端口都是8位準雙向I/O口，共占32個引腳。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。在具有片外擴展存儲器的系統(tǒng)中，P2口送出高8位地址，P0口為雙向總線，分時送出低8位地址和數(shù)據(jù)的輸入/輸出。1．P0口

P0口的字節(jié)地址為80H，位地址為80H～87H。圖2-5所示為P0口某一位的結(jié)構(gòu)圖。它由一個輸出鎖存器、2個三態(tài)輸入緩沖器和輸出驅(qū)動電路及控制電路組成。圖中控制信號C的狀態(tài)決定轉(zhuǎn)換開關的位置。當C=0時，開關處于圖示位置；當C=1時，開關撥向反相器輸出端位置。圖2-5P0口某位結(jié)構(gòu)圖VCC10KΩ（1）P0口用作輸入/輸出口當執(zhí)行一條由端口輸入的指令時，“讀引腳”脈沖把三態(tài)緩沖器2打開，這樣，端口引腳上的數(shù)據(jù)經(jīng)過緩沖器2讀入到內(nèi)部總線。在讀入端口引腳數(shù)據(jù)時，由于輸出驅(qū)動VT2并接在引腳上，如果VT2導通，就會將輸入的高電平拉成低電平，產(chǎn)生誤讀。因此在端口執(zhí)行輸入操作前，應先向端口鎖存器寫入1，也就是使鎖存器Q的反的值=0。因為控制線C=0，因此VT1和VT2全截止，引腳處于懸浮狀態(tài)，可作高阻抗輸入。例如執(zhí)行：

MOVA，P0

CPU執(zhí)行的是“讀引腳”的操作，將P0口上的數(shù)據(jù)讀入累加器A，必須注意，執(zhí)行該類輸入指令前必須把鎖存器寫入“1”。當P0口作為輸出端口時，CPU執(zhí)行“讀—修改—寫”的操作，內(nèi)部數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)在“寫鎖存器”的信號作用下由D端進入鎖存器，經(jīng)鎖存器的反相端送至VT2，在經(jīng)VT2反相，在P0.X引腳上出現(xiàn)的數(shù)據(jù)正好是內(nèi)部總線的數(shù)據(jù)。例如執(zhí)行：ANLP0，A內(nèi)部產(chǎn)生的“讀鎖存器”操作信號使鎖存器Q端數(shù)據(jù)進入內(nèi)部數(shù)據(jù)總線，在與累加器A進行邏輯運算后，結(jié)果又送回P0的接口鎖存器并出現(xiàn)在引腳上。（2）P0口用作地址/數(shù)據(jù)總線當系統(tǒng)進行片外ROM擴展或進行片外RAM擴展，P0口用作地址/數(shù)據(jù)總線。2．P1口

P1口的字節(jié)地址為90H，位地址為90H～97H。圖2-6所示為P1口某一位的結(jié)構(gòu)圖。它由一個輸出鎖存器、2個三態(tài)輸入緩沖器和輸出驅(qū)動電路組成。輸出驅(qū)動電路只有一個場效應管VT1，同時內(nèi)部帶上拉電阻。圖2-6P1口某位結(jié)構(gòu)圖

P1口可作通用雙向I/O口用，不必再外接上拉電阻。當端口用作輸入時和P0口一樣，必須先向?qū)逆i存器寫入“1”，使VT1截止，然后讀引腳。3．P2口

P2口的字節(jié)地址為0A0H，位地址為0A0H～0A7H。圖2-7所示為P2口某一位的結(jié)構(gòu)圖。它由一個輸出鎖存器、2個三態(tài)輸入緩沖器和輸出驅(qū)動電路及控制電路組成。輸出驅(qū)動電路只有一個場效應管VT1，同時內(nèi)部帶上拉電阻。圖2-7P2口某位結(jié)構(gòu)圖P2口作為輸入/輸出口使用時和P0口一樣。例如執(zhí)行：

ANLP2，A

CPU執(zhí)行的是“讀—修改—寫”的操作。內(nèi)部產(chǎn)生的“讀鎖存器”操作信號使鎖存器Q端數(shù)據(jù)進入內(nèi)部數(shù)據(jù)總線，在與累加器A進行邏輯運算后，結(jié)果又送回P2口的接口鎖存器并出現(xiàn)在引腳上。例如執(zhí)行：

MOVA，P2

CPU執(zhí)行的是“讀引腳”的操作。將P2口鎖存器的內(nèi)容送入累加器A。必須注意，執(zhí)行該類輸入指令前必須把鎖存器寫入“1”。當單片機系統(tǒng)需要進行片外ROM擴展或進行片外RAM擴展時，P2口可用于輸出高8位地址。4．P3口

P3口的字節(jié)地址為0B0H，位地址為0B0H～0B7H。圖2-8所示為P3口某一位的結(jié)構(gòu)圖。它由一個輸出鎖存器、3個三態(tài)輸入緩沖器和輸出驅(qū)動電路組成。輸出驅(qū)動電路只有一個場效應管VT1，同時內(nèi)部帶上拉電阻。比P1口多了一個第二功能控制部分的邏輯電路。圖2-8P3口某位結(jié)構(gòu)圖

P3口是一個多功能端口。圖中“與非”門的作用是一個開關，決定是輸出鎖存器Q端數(shù)據(jù)，還是輸出第二功能（W）的信號。當W=1時，輸出Q端信號；當Q=1時，可輸出W線信號。當P3口作為輸入使用時，同P0～P2口一樣，先由軟件向口鎖存器寫1，即使D鎖存器Q端保持“1”，“與非”門輸出為0，場效應管截止，引腳端可作為高阻輸入。當CPU執(zhí)行讀命令操作時，使緩沖器2上的“讀引腳”信號有效，三態(tài)緩沖器2開通，于是引腳的狀態(tài)經(jīng)緩沖器3、緩沖器2送至CPU內(nèi)部總線。當某位被用作第二功能時，該位D鎖存器Q端被內(nèi)部硬件自動置“1”，使“與非”門對第二功能是暢通的。由于端口不作為I/O口（不執(zhí)行MOVA，P3），故“讀引腳”信號無效，緩沖器2不通，第二輸入功能信號經(jīng)緩沖器4送入第二輸入功能端。注意：P0口與其他口不同，它的輸出級無上拉電阻。P1～P3口都是準雙向口，作為輸入時必須先對相應端口鎖存器寫1。2.3.2MCS-51單片機時鐘電路時鐘電路用于產(chǎn)生單片機工作所需的時鐘信號。單片機是一個復雜的同步時序電路，因此必須受控于唯一的時鐘信號，而時序所研究的則是指令執(zhí)行時各信號之間的相互時間關系。1．單片機時鐘電路單片機芯片內(nèi)部有一個高增益反相放大器，用于構(gòu)成振蕩器，XTAL1為反相放大器的輸入端，XTAL2為輸出端，兩端跨接石英晶體和兩個電容就構(gòu)成穩(wěn)定的自激振蕩器。電容器C1和C2通常取30pF左右，可穩(wěn)定頻率并對振蕩頻率有微調(diào)作用。振蕩脈沖頻率范圍為fosc=0～24MHz。單片機的時鐘電路有兩種方式：內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。如圖2-9所示。圖2-9單片機的時鐘電路2．CPU時序的幾個概念（1）節(jié)拍與狀態(tài)周期節(jié)拍（用P表示）是指振蕩脈沖的周期。振蕩脈沖經(jīng)過兩分頻后就是單片機的時鐘信號，把時鐘信號的周期定義為狀態(tài)（用S表示）。即一個狀態(tài)包含兩個節(jié)拍。時鐘周期也稱為狀態(tài)周期，它是計算機中最基本的時間單位。MCS-51單片機中一個時鐘周期為振蕩周期的2倍。（2）機器周期和指令周期一個機器周期是指CPU訪問存儲器一次所需要的時間，一個機器周期包括12個振蕩周期，分為6個狀態(tài)：S1～S6，每個狀態(tài)又分為兩個節(jié)拍。指令周期是完成一條指令所需要的時間。MCS-51單片機系統(tǒng)中有單周期指令、雙周期指令和四周期指令。四周期指令只有乘、除兩條指令。振蕩周期=1/fosc狀態(tài)周期=2/fosc機器周期=12/fosc指令周期=（1～4）機器