微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用課件-第6章-1

6.1MCS-51內(nèi)部資源及工作時(shí)序6.1.1MCS-51的特點(diǎn)和基本組成

MCS-51系列單片機(jī)種類(lèi)很多，8051是最早最典型的產(chǎn)品，其他產(chǎn)品都是在8051核心電路上增、減、改變而來(lái)的，都具有8051的基本結(jié)構(gòu)和軟件特征。6.1.28051的內(nèi)部資源

6.1.2.1.CPU核心部件字長(zhǎng)8位1.運(yùn)算器

（1）

算術(shù)/邏輯單元ALU

（2）累加器A(ACC)

8位頻繁使用（3）

寄存器B

8位乘除運(yùn)算專(zhuān)用

8位運(yùn)算電路

（4）

程序狀態(tài)器寄存器PSW（8位）8位標(biāo)志寄存器存放運(yùn)算結(jié)果的狀態(tài)信息，以供程序查詢(xún)和判斷1）Cy(PSW.7)無(wú)符號(hào)數(shù)的進(jìn)/借位標(biāo)志位和運(yùn)算結(jié)果的邏輯分析位。運(yùn)算過(guò)程中Cy由運(yùn)算電路自動(dòng)置1或清0。Cy在位操作時(shí)被稱(chēng)為累加器，此時(shí)常將其用字母C表示。

2）AC(PSW.6)半進(jìn)位（或借位）兩個(gè)8位數(shù)進(jìn)行加減運(yùn)算時(shí)，運(yùn)算過(guò)程中低4位向高4位有進(jìn)/借位時(shí)AC=1，否則AC=0。AC位為BCD碼運(yùn)算時(shí)運(yùn)算結(jié)果調(diào)整的輔助標(biāo)志位。3）F0(PSW.5)

用戶(hù)自定義標(biāo)志位可軟件設(shè)置5）OV(PSW.2)溢出標(biāo)志位溢出時(shí)OV=1，否則OV=0，專(zhuān)指有符號(hào)數(shù)4）RS1RS0(PSW.4PSW.3)工作寄存器組選擇標(biāo)志位7）P(PSW.0)奇偶校驗(yàn)標(biāo)志位A中1的個(gè)數(shù)為奇數(shù)時(shí)P=1，反之P=0

。

（5）

布爾處理器

8051是8位微處理器，具有1位微處理器的功能，布爾處理器具有較強(qiáng)的布爾變量處理能力以位為單位進(jìn)行運(yùn)算和操作，以C作為累加器，內(nèi)部RAM的所有可尋址的位作為操作位或存儲(chǔ)位，有自己的指令系統(tǒng)。6）D1(PSW.1)保留位。2.控制器

控制器是計(jì)算機(jī)的指揮控制部件，它對(duì)來(lái)自存儲(chǔ)器中的指令進(jìn)行譯碼，并通過(guò)定時(shí)和控制電路在規(guī)定的時(shí)刻發(fā)出各種操作所需要的控制信號(hào)，使各部件協(xié)調(diào)工作，完成指令所規(guī)定的操作。（1）

程序計(jì)數(shù)器PC16位的計(jì)數(shù)器，也稱(chēng)為程序指針寄存器，其內(nèi)容為CPU將要執(zhí)行的下一條指令的首地址，PC將決定程序的流程，每執(zhí)行完一條指令PC會(huì)自動(dòng)增值，增值量與已執(zhí)行過(guò)的指令的長(zhǎng)度有關(guān)，尋址范圍為64KB?？梢酝ㄟ^(guò)轉(zhuǎn)移、調(diào)用、返回等指令改變其內(nèi)容，以實(shí)現(xiàn)程序的轉(zhuǎn)移，復(fù)位后PC=0000H（2）

指令寄存器IR和指令譯碼器ID

CPU執(zhí)行指令時(shí)，首先根據(jù)程序指針PC中的地址從ROM中取出要執(zhí)行的指令代碼送至指令寄存器IR，然后由指令譯碼器ID譯碼。IR主要用于寄存指令代碼，ID則是負(fù)責(zé)指令代碼的“解釋”。（3）堆棧指針寄存器SP

堆棧是在存儲(chǔ)器中開(kāi)辟的一段具有特殊功能的存儲(chǔ)空間，該存儲(chǔ)空間

利用堆棧操作指令可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的“先進(jìn)后出”存取。微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的堆棧常用作中斷時(shí)的斷點(diǎn)地址存儲(chǔ)、程序調(diào)用時(shí)的返回地址存儲(chǔ)以及中斷服務(wù)程序和子程序設(shè)計(jì)時(shí)保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)涉及到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

堆棧指針寄存器SP是1個(gè)8位寄存器，存放堆棧地址，系統(tǒng)復(fù)位后，8051單片機(jī)的SP初值（默認(rèn)值）為07H。而在實(shí)際應(yīng)用中，為避免數(shù)據(jù)空間沖突，堆棧資源需要用戶(hù)根據(jù)實(shí)際需求在內(nèi)部低128B的RAM高端開(kāi)辟。堆棧開(kāi)辟方法很簡(jiǎn)單，只需要給SP堆棧指針寄存器定義1個(gè)存儲(chǔ)單元地址即可，該地址稱(chēng)為棧底地址，該單元即為棧底單元，需要指出的是棧底單元不屬于堆?？臻g即不可使用。進(jìn)棧，SP+1，后輸入數(shù)據(jù)出棧，輸出數(shù)據(jù)，SP-1（4）數(shù)據(jù)指針寄存器(DPTR)

數(shù)據(jù)指針寄存器DPTR是1個(gè)16位的專(zhuān)用寄存器，它由兩個(gè)8位的寄存器組成，DPH是DPTR的高8位，DPL是DPTR的低8位，它們也可以獨(dú)立使用。在MOVX指令中，DPTR用來(lái)存放片外RAM或I/O接口的端口地址；在MOVC指令即查找ROM存放在ROM中的數(shù)據(jù)表時(shí)，DPTR用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)表的首地址。6.1.2.28051存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

馮.諾依曼存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

ROM、RAM、外設(shè)端口統(tǒng)一編址

哈佛存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

ROM、RAM、外設(shè)端口分開(kāi)（獨(dú)立）編址6.1.2.28051存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)MCS-51有4個(gè)物理上相互獨(dú)立的地址空間。片內(nèi)ROM和片外ROM片內(nèi)RAM和片外RAM

從用戶(hù)使用的角度分為三類(lèi)：片內(nèi)片外統(tǒng)一編址的ROM0000H~FFFFH64KB00H~FFH256B片內(nèi)RAM64KB片外RAM和I/O端口地址1.程序存儲(chǔ)器

ROM

8051從片內(nèi)和片外ROM中取指令時(shí)間相同。8051單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器ROM最多允許64KB，用于存放用戶(hù)程序、數(shù)據(jù)和表格等信息EA=1,兩者統(tǒng)一編址，PC在0000H~0FFFH從片內(nèi)取指令，PC大于0FFFH時(shí)則從片外ROM取指。

EA=0，片內(nèi)ROM不起作用，片外ROM從0000H~FFFFH，對(duì)于片內(nèi)無(wú)ROM的8031/2單片機(jī)，EA應(yīng)接地，以便從外部擴(kuò)展ROM中取指令。

0000H~0002H，系統(tǒng)復(fù)位PC=0000H如果程序不從0000H單元開(kāi)始，則在此處安排一條無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令，以便直接轉(zhuǎn)去執(zhí)行用戶(hù)程序。0003H~002AH，共40單元，分為5段作為5個(gè)中斷源的中斷地址區(qū)。0003H~000AHINT00023H~002AH串行口0013H~001AHINT1000BH~0012HT/C0001BH~0022HT/C1

注：8個(gè)字節(jié)難以存放中斷服務(wù)程序安排一條無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令。

ROM存儲(chǔ)器特殊單元2.片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

RAM8051單片機(jī)內(nèi)部RAM共有256B，分為低128B數(shù)據(jù)區(qū)和高128B特殊功能寄存器區(qū)。

（1）.片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器低128單元1）.工作寄存器（00H~1FH）32個(gè)單元分4組，存放操作數(shù)和中間結(jié)果，通用寄存器，可以就近存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，提高了單片機(jī)的運(yùn)算速度。任一時(shí)刻，CPU只能使用其中一組。2）.位尋址區(qū)（20H~2FH）16個(gè)單元共128位，每一位都有相應(yīng)的位地址，既可以作一般的RAM也可以位尋址。

布爾處理器的存儲(chǔ)空間00H~7FH，低128B地址也是00H~7FH，用不同的尋址方式區(qū)分，訪問(wèn)128BRAM用直接尋址和間接尋址，訪問(wèn)128位地址用位尋址方式。3）.用戶(hù)區(qū)（30H~7FH）

供用戶(hù)使用，共80個(gè)單元，存放用戶(hù)數(shù)據(jù)和做堆棧區(qū)用。（2）.高128B特殊功能寄存器區(qū)

（80H~FFH）8051單片機(jī)的21個(gè)特殊功能寄存器（SFR）不連續(xù)的分散在內(nèi)部RAM的高128B，SFR的映射地址如表6-3所示。SFR的訪問(wèn)可用寄存器名稱(chēng)也可以用SFR對(duì)應(yīng)的單元地址。

帶*的SFR是可以位尋址的，在21個(gè)SFR中，可以位尋址的寄存器有11個(gè)，其單元地址均可被8整除，提供88個(gè)位空間。

片外RAM的地址范圍為0000H~FFFFH，其中0000H~00FFH與片內(nèi)RAM重疊，若8051單片機(jī)擴(kuò)展接口，將占用部分外RAM單元地址作為接口的端口地址。8051MCU4個(gè)并行I/O口P0~P3共32位根I/O線。雙向I/O功能一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸出鎖存器一個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸入緩沖器CPU將數(shù)據(jù)從并行I/O接口輸出時(shí)，可以得到鎖存，輸入時(shí)可得到緩存。3.片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM6.1.2.38051并行I/O接口CPU訪問(wèn)片外存儲(chǔ)器時(shí)，P2輸出地址線的高8位地址碼(A15~A8)P0輸出地址線的低8位地址碼(A7~A0)P0口兼作8位雙向數(shù)據(jù)總線D7~D0分時(shí)復(fù)用P0口不接外存儲(chǔ)器或不擴(kuò)展I/O接口，P0口可作數(shù)據(jù)輸入/出。P1口常作數(shù)據(jù)輸入/出，CPU傳送用戶(hù)數(shù)據(jù)用，P3口除作為數(shù)據(jù)輸入/出使用外還有第二功能。6.1.2.4.定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（T/C）8051單片機(jī)

2個(gè)16位T/CTC0和TC1TC0TH0（8CH）高8位TL0（8AH）低8位TC1TH1（8DH）高8位TL1（8BH）低8位存計(jì)數(shù)初值，加1計(jì)數(shù)6.1.2.58051串行接口8051單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)可編程的全雙工串行接口。CPU→串→TxDRxD→串→CPU2個(gè)8位SBUF寄存器，共用一個(gè)99H，讀寫(xiě)區(qū)分。6.1.2.68051中斷系統(tǒng)8051單片機(jī)可實(shí)現(xiàn)中斷控制，以提高CPU的運(yùn)行效率。8051單片機(jī)共有5個(gè)中斷源，包括2個(gè)外部中斷、2個(gè)定時(shí)器中斷和1個(gè)串行口中斷。每個(gè)中斷源均有高低兩個(gè)優(yōu)先級(jí)且有固定的入口地址。0003H~000AHINT00023H~002AH串行口0013H~001AHINT1000BH~0012HT/C0001BH~0022HT/C1

注：8個(gè)字節(jié)難以存放中斷服務(wù)程序安排一條無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令。6.1.38051時(shí)序1.8051單片機(jī)時(shí)序單位（1）

節(jié)拍（P）（3）

機(jī)器周期

6個(gè)狀態(tài)為1個(gè)機(jī)器周期，即TM=6S(S1~S6)=12P。8051單片機(jī)時(shí)序的單位從小到大依次為節(jié)拍、狀態(tài)、機(jī)器周期、指令周期。（2）

狀態(tài)（S）2個(gè)節(jié)拍為一個(gè)狀態(tài)S（P1P2）

時(shí)鐘周期T即節(jié)拍(P),

T=1/fosc。若fosc=1MHz，則T=1μS。

若fosc=12MHz，則TM=1μS。（4）指令周期指令周期是最大的時(shí)序定時(shí)單位，執(zhí)行一條指令所需要的時(shí)間為指令周期。2.8051單片機(jī)指令執(zhí)行時(shí)序6.1.4MCS-51單片機(jī)引腳功能1.電源引腳VCC和接地引腳Vss8051單片機(jī)采用+5V電源供電，VCC為+5V電源端，Vss為電源接地端。8051單片機(jī)中高電平“1”電壓標(biāo)準(zhǔn)為5V，低電平“0”電壓標(biāo)準(zhǔn)為0V。2.時(shí)鐘引腳XTALl和XTAL2PSEN（2）

。片外ROM選通信號(hào)，低電平有效，從片外ROM讀取指令和常數(shù)，每個(gè)機(jī)器周期該信號(hào)兩次有效，以實(shí)現(xiàn)對(duì)片外ROM單元的讀操作。（3）EA/VPP

。內(nèi)部ROM選擇控制信號(hào)。EA=0，內(nèi)ROM無(wú)用，只用外ROM。EA=1，內(nèi)外ROM都用，PC>4K,自動(dòng)讀外ROM。

VPP用于8751的EPROM編程時(shí)，轉(zhuǎn)入21V編程電壓。3.控制信號(hào)引腳（1）ALE/PROG。址鎖存控制信號(hào)。在訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE用于鎖存出現(xiàn)在P0口上的低8位地址，以實(shí)現(xiàn)低8位地址和8位數(shù)據(jù)的隔離。ALE就以時(shí)鐘振蕩頻率1/6的固定頻率，周期地向外輸出正脈沖信號(hào)。（4）RST/VPD

復(fù)位信號(hào)，2個(gè)機(jī)器周期的高電平就可以復(fù)位，VPD為備用電源的輸入端。當(dāng)主電源VCC發(fā)生故障時(shí)，VPD的備用電源自動(dòng)投入，以保證片內(nèi)RAM的信息不丟失。4.并行I/O端口P0、P1、P2和P3

（1）P0口(P0.7~P0.0)。P0口是8位雙向I/O口，每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)LS型TTL負(fù)載。在訪問(wèn)片外存儲(chǔ)器時(shí)，P0分時(shí)提供低8位地址線和8位雙向數(shù)據(jù)線。當(dāng)不接片外存儲(chǔ)器或不擴(kuò)展I/O接