第一章MCS51单片机的结构与原理

第一章MCS51单片机的结构与原理1．试比较MCS-51，MSP430，EM78，PIC，M6800及AVP等系列单片机的特点。解：MCS-51为主流产品。MSP430的功能较强。是一种特低功耗的Flash微控制器。主要用于三表及超低功耗场合。EM78系列单片机采用高速CMOS工艺制造，低功耗设计为低功耗产品，价格较低。具有三个中断源、R-OPTION功能、I/O唤醒功能、多功能I/O口等。具有优越的数据处理性能，采用RISC结构设计。PIC系列8位单片机是Microship公司的产品。CPU采用RISC结构，运行速度快，价格低适于用量大、档次低、价格敏感的产品。Motorola是世界上最大的单片机生产厂家之一，品种全、选择余地大、新产品多。其特点是噪声低，抗干扰能力强，比较适合于工控领域及恶劣的环境。AVR是增强RISC内载Flash的单片机，单片机内部32个寄存器全部与ALU直接连接，突破瓶颈限制，每1MHz可实现1MIPS的处理能力，为高速、低功耗产品。端口有较强的负载能力，可以直接驱动LED。支持ISP、IAP，I/O口驱动能力较强。2．MCS-51系列单片机在片内集成了哪些主要逻辑功能部件？各个逻辑部件的主要功能是什么？解：MCS-51单片机在片内集成了中央处理器（CPU）、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、定时器/计数器、并行I/O接口、串行I/O接口和中断系统等几大单元。CPU是整个单片机的核心部件，由运算器和控制器组成。运算器可以完成算术运算和逻辑运算，其操作顺序在控制器控制下进行。控制器是由程序计数器PC（ProgramCounter）、指令寄存器IR（InstructionRegister）、指令译码器ID（InstructionDecoder）、定时控制逻辑和振荡器OSC等电路组成。CPU根据PC中的地址将欲执行指令的指令码从存储器中取出，存放在IR中，ID对IR中的指令码进行译码，定时控制逻辑在OSC配合下对ID译码后的信号进行分时，以产生执行本条指令所需的全部信号。程序存储器（ROM）用于存储程序、常数、表格等。数据存储器（RAM）用于存储数据。8051内部有两个16位可编程序的定时器/计数器T0和T1，均为二进制加1计数器。可用于定时和对外部输入脉冲的计数。8051的中断系统主要由中断允许控制器IE和中断优先级控制器IP等电路组成。可实现对5个中断源的管理。8051的中断系统主要由中断允许控制器IE和中断优先级控制器IP等电路组成。其中，IE用于控制5个中断源中哪些中断请求被允许向CPU提出，哪些中断源的中断请求被禁止；IP用于控制5个中断源的中断请求的优先权级别。I/O接口是MCS-51单片机对外部实现控制和信息交换的必经之路，用于信息传送过程中的速度匹配和增加它的负载能力。可分为串行和并行I/O接口。3．MCS-51系列单片机的引脚中有多少根I/O线？它们与单片机对外的地址总线和数据总线之间有什么关系？其地址总线和数据总线各有多少位？对外可寻址的地址空间有多大？解：80C51单片机有4个I/O端口，每个端口都是8位双向口，共占32根引脚。每个端口都包括一个锁存器（即专用寄存器P0～P3）、一个输入驱动器和输入缓冲器。通常把4个端口称为P0～P3。在无片外扩展的存储器的系统中，这4个端口的每一位都可以作为双向通用I/O端口使用。在具有片外扩展存储器的系统中，P2口作为高8位地址线，P0口分时作为低8位地址线和双向数据总线。4．8051单片机的控制总线信号有哪些？各有何作用？解：控制线一共有6条：（1）ALE/PROG：地址锁存允许/编程线，配合P0口引脚的第二功能使用。在访问片外存储器时，8051ＣＰＵ在P0.7～P0.0引脚上输出片外存储器低８位地址的同时在ALE/PROG上输出一个高电位脉冲，用于把这个片外存储器低８位地址锁存到外部专用地址锁存器，以便空出P0.7～P0.0引脚线去传送随后而来的片外存储器读写数据。在不访问片外存储器时，8051自动在ALE/PROG上输出频率为fosc/6的脉冲序列。该脉冲序列可用作外部时钟源或作为定时脉冲源使用。（2）EA/Vpp：允许访问片外存储器／编程电源线，可以控制8051使用片内ＲＯＭ还是使用片外ＲＯＭ。若EA＝０，则允许使用片内ＲＯＭ；若EA＝１则允许使用片外ＲＯＭ。（3）PSEN：片外ＲＯＭ选通线，在执行访问片外ＲＯＭ的指令ＭＯＶＣ时，8051自动在PSEN上产生一个负脉冲，用于为片外ＲＯＭ芯片的选通。其他情况下PSEN线均为高电平封锁状态。（4）RST/VPD：复位／备用电源线，可以使８０５１处于复位工作状态。5．什么是指令？什么是程序？简述程序在计算机中的执行过程。解：指令：人为输入计算机，由计算机识别并执行一步步操作的命令的形式称为指令。程序：一系列指令的有序集合称为程序。程序在计算机中是按序执行的，CPU通过程序计数器PC控制程序的执行顺序，一般情况下程序是按序执行的，当执行转移、调用、返回等指令时，程序转移到相应的目的地址处执行。CPU根据程序计数器PC中的地址将欲执行指令的指令码从存储器中取出，存放在IR中，ID对IR中的指令码进行译码，定时控制逻辑在OSC配合下对ID译码后的信号进行分时，产生执行本条指令所需的全部信号，完成本条指令的执行。6．8051单片机的存储器组织采用何种结构？存储器地址空间如何划分？各地址空间的地址范围和容量如何？使用上有何特点？解：（1）８０Ｃ５１在结构上的特点８０Ｃ５１采用将程序存储器和数据存储器截然分开，分别寻址的结构，称为Harvard结构。（2）在物理和逻辑上的地址空间存储器上设有４个存储器空间：片内程序存储器、片外程序存储器、片内数据存储器、片外数据存储器。在逻辑上有３个存储器地址空间：片内、片外统一的６４ＫＢ程序存储器地址空间，片内２５６Ｂ数据存储器地址空间，片外６４ＫＢ的数据存储器地址空间。（3）访问格式访问片内ＲＡＭ采用ＭＯＶ格式访问片外ＲＡＭ采用ＭＯＶＸ格式7．何为堆栈指针？堆栈操作有何规定？解：堆栈是一个特殊的存储区。主要功能是暂时存放数据和地址，通常用来保护断点和现场。它的特点是按照“先进后出”的存取数据。堆栈指针SP是一个8位寄存器，是用于指示堆栈的栈顶地址的寄存器，它决定了堆栈在内部RAM中的物理位置。8．8051单片机有多少个特殊功能寄存器？这些特殊功能寄存器能够完成什么功能？特殊功能寄存器中的哪些寄存器可以进行位寻址？解：８０５１有21个特殊功能寄存器（PC除外），它们被离散地分布在内部RAM的80H～FFH地址单元中，共占据了128个存储单元，其中有83位可以位寻址。特殊功能寄存器SFR的分布和功能见教材P18表1.2.2。9．MCS-51单片机的I/O口有什么特点？解：８０５１单片机的４个Ｉ／Ｏ口在结构上是基本相同的，但又各具特点。这四个端口都是８位双向口，每个端口都包括一个锁存器、一个输出驱动器和输入缓冲器。在无片外扩展存储器的系统中，这四个端口的每一位都可以作为双向通用Ｉ／Ｏ端口使用。在作为一般的通用Ｉ／Ｏ输入时，都必须先向锁存器写入“１”，使输出驱动场效应管ＦＥＴ截止，以免误读数据。各自特点如下：（1）P0口为双向8位三态I/O口，它既可作为通用I/O口，又可作为外部扩展时的数据总线及低8位地址总线的分时复用口。作为通用I/O口时，输出数据可以得到锁存，不需外接专用锁存器；输入数据可以得到缓冲，增加了数据输入的可靠性。每个引脚可驱动8个TTL负载。（2）P1口为8位准双向I/O口，内部具有上拉电阻，一般作通用I/O口使用，它的每一位都可以分别定义为输入线或输出线，作为输入时，锁存器必须置1。每个引脚可驱动4个TTL负载。（3）P2口为8位准双向I/O口，内部具有上拉电阻，可直接连接外部I/O设备。它与地址总线高8位复用，可驱动4个TTL负载。一般作为外部扩展时的高8位地址总线使用。（4）P3口为8位准双向I/O口，内部具有上拉电阻，它是双功能复用口，每个引脚可驱动4个TTL负载。作为通用I/O口时，功能与P1口相同，常用第二功能。作为第二功能使用时，各位的作用见教材P23表1.2.5所示。10．DPTR是什么寄存器？它的作用是什么？解：数据指针DPTR是16位的专用寄存器，它由两个8位的寄存器DPH（高8位）和DPL（低8位）组成。专门用来寄存片外RAM及扩展I/O口进行数据存取时的地址。编程时，既可以按16位寄存器来使用，也可以按两个8位寄存器来使用（即高位字节寄存器DPH和低位字节寄存器DPL）。DPTR主要是用来保存16位地址，当对64KB外部数据存储器寻址时，可作为间址寄存器使用。11．8051单片机的PSW寄存器各位标志的意义如何？解：程序状态字PSW是8位寄存器，用于存放程序运行的状态信息，PSW中各位状态通常是在指令执行的过程中自动形成的，但也可以由用户根据需要采用传送指令加以改变。各个标志位的意义如下：PSW.7（Cy）：进位标志位。PSW.6（AC）：辅助进位标志位，又称为半进位标志位。PSW.5（F0）：用户标志位。PSW.4、PSW.3（RS1和RS0）：寄存器组选择位。PSW.2（OV）：溢出标志位。PSW.1（空缺位）：此位未定义。PSW.0（P）：奇偶校验位12．开机复位后，CPU使用的是哪组工作寄存器？它们的地址是什么？CPU如何确定和改变当前工作寄存器组？解：开机复位后，ＣＰＵ使用的是第０组工作寄存器。它们的地址是００Ｈ－０７Ｈ。ＣＰＵ通过对程序状态字ＰＳＷ中ＲＳ１和ＲＳ０的设置来确定和改变当前工作寄存器组。13．8051片内数据存储器有多少字节？存储空间地址范围为多少？解：8051片内数据存储器有２５６Ｂ寻址空间。存储器空间的地址范围为：00Ｈ—－FFＨ在这个存储器空间又可分为：基本的数据存储区：００Ｈ—－７ＦＨ，可划分为工作寄存器、位寻址区、堆栈与数据缓冲区。14．8051片内RAM低128单元划分为哪三个主要部分？各部分主要功能是什么？解：片内ＲＡＭ低１２８单元划分及主要功能如下：（1）工作寄存器组（００Ｈ——１ＦＨ）这是一个用寄存器直接寻址的区域，内部数据ＲＡＭ区的０—３１，共３２个单元。它是４个通用工作寄存器组，每个组包含８个８位寄存器，编号为Ｒ０——Ｒ７。（2）位寻址区（２０Ｈ——２ＦＨ）１６个字节单元，共包含１２８位，这１６个字节单元既可以进行字节寻址，又可以实现位寻址。主要用于位寻址。（3）堆栈与数据缓冲区（３０Ｈ——７ＦＨ）用于设置堆栈、存储数据。15．8051单片机的片内，片外存储器如何选择？解：程序存储器通过EA/Vpp引脚选择。若EA＝０，则允许使用片内ＲＯＭ；若EA＝１则允许使用片外ＲＯＭ。数据存储器通过指令区分：访问片内ＲＡＭ采用ＭＯＶ指令，访问片外ＲＡＭ采用ＭＯＶＸ指令。16．MCS-51单片机的时钟周期，机器周期，指令周期是如何定义的？当主频为12MHz的时候，一个机器周期是多长时间？执行一条最长的指令需要多长时间？解：时钟周期又称为振荡周期，由单片机内部振荡电路OSC产生，定义为OSC时钟频率的倒数。时钟周期又称为节拍（用P表示）。时钟周期是时序中的最小单位。一个状态有两个节拍，机器周期定义为实现特定功能所需的时间。MCS-51的机器周期由12个时钟周期构成。执行一条指令所需要的时间称为指令周期，指令周期是时序中的最大单位。由于机器执行不同指令所需的时间不同，因此不同指令所包含的机器周期数也不尽相同。MCS-51的指令可能包括1～4个不等的机器周期。当MCS-51的主频为12MHz时，一个机器周期为1s。执行一条指令需要的最长时间为4s。17．8051单片机复位后，各寄存器的初始状态如何？复位方法有几种？解：8051单片机复位后机器的初始状态，即各寄存器的状态：ＰＣ之外，复位操作还对其它一些特殊功能寄存器有影响，它们的复位状态如下：寄存器复位时内容寄存器复位时内容PC0000ＨTCON0×000000BACC00HTL000HB00HTH000HPSW00HTH100HS