单片机原理及应用-第2章__MCS-51单片机的结构和工作原理

第2章MCS-51单片机的结构和工作原理本章学习任务：掌握单片机内部结构。掌握单片机引脚功能。掌握单片机的存储器空间分配。掌握单片机的复位电路、时钟电路及指令时序。2.1单片机的内部结构8051单片机内部结构如图2-1所示，包含中央处理器CPU、存储器、定时器/计数、I/O接口器、中断控制系统等。1.存储器（1）ROM（ReadOnlyMemory）ROM一般为1～32K字节，用于存放应用程序，故又称为程序存储器。根据片内ROM的结构，单片机又可分为无ROM型、ROM型和可擦除可编程只读存储器EPROM（ElectricallyProgrammableRead-OnlyMemory）型三类。（2）RAM（RandomAccessMemory）RAM主要用来存放实时数据或作为通用寄存器、数据堆栈和数据缓冲器之用。正常工作时，既能读又不能写，停电后再加电期间信息会丢失。2.中央处理器（CPU）8051内部CPU由运算器（ALU），控制器（定时控制部件等）和专用寄存器三部分构成。（1）算术逻辑部件ALU（ArithmeticLogicUnit）8051的ALU是一个运算器，进行加、减、乘、除四则运算，进行与、或、非、异或等逻辑运算，还具有数据传送、移位、判断和程序转移等功能。（2）定时控制部件定时控制部件起着控制器作用，由定时控制逻辑、指令寄存器IR和振荡器OSC等电路组成。指令寄存器IR用于存放从程序存储器中取出的指令码，定时控制逻辑用于对IR中指令码译码，并在OSC配合下产生指令的时序脉冲，以执行相应的指令。OSC（Oscillator）是控制器的心脏，能为控制器提供时钟脉冲。定时与控制逻辑：时序部件（时钟系统和脉冲分配器构成）和微操作控制部件组成；发送控制信号，协调各部件工作。（3）专用寄存器组累加器A（Accumulator）它既可用于存放操作数，也可用于存放运算的中间结果。在进行算术或逻辑运算时，通常两个操作数中的一个放在A中，运算完成后，运算结果也存放在A中。指令系统中A表示累加器，ACC表示累加器的符号地址。通用寄存器B（GeneralPurposeRegister）：是一个8位的特殊功能寄存器，主要用于乘法和除法运算。乘法运算时，A中存放被乘数，B中存放乘数，完成乘法操作后，乘积的高8位存于B中，低8位存于A中；除法运算时，A中存放被除数，B中存放除数，完成除法操作后，商存于A中，余数存于B中。在其它指令中，B可作为一般的寄存器使用，用于暂存数据。程序状态字寄存器PSW（PromgramStatusWord）PSW是一个八位标志寄存器，用来存放指令执行后的有关状态。①进位标志位Cy（Carry）在加法运算时，若累加器最高位A7有进位，则Cy＝1；否则Cy＝0。在减法运算时，若A7有了借位，则Cy＝1；否则Cy＝0。②辅助进位标志位AC（AuxiliaryCarry）若AC＝0，则表示加减过程中A3没有向A4进位或借位；若AC＝1，则表示加减过程中A3向A4有进位或借位。③用户标志位F0（Flagzero）通常不是机器在执行指令过程中自动形成的，而是由用户根据程序执行的需要通过传送指令确定。④寄存器选择位RS1和RS0用户通过改变RS1和RS0的状态可以方便地决定R0—R7的实际物理地址，工作寄存器R0—R7的物理地址和RS1、RS0之间的关系如表2-1所示。⑤溢出标志位OV（Overflow）若机器在执行运算指令过程中，累加器A中运算结果超出了八位数能表示的范围，则OV标志自动置1；否则OV＝0。⑥奇偶标志位P（Parity）若P＝1，则累加器A中“1”的个数为奇数；若P＝0，则累加器A中的“1”的个数为偶数。例2-1RS1RS0=00B，F0=0，A=85H，R0=20H，（20H）=AFH，执行如下指令，PSW中各位的状态是什么？ADDA，@R0最高位有进位，所以最高位进位CP=1，即Cy=1；次高位上无进位，所以次高位进位CS=0；在加法过程中，低4位向高4位有进位，所以AC=1；运算结果中1的个数为3，是奇数，所以P=1；OV状态有如下关系确定所以PSW=11000101B=C5H程序计数器PC（ProgramCounter）PC是一个二进制16位的程序地址寄存器。当CPU顺序执行指令时，首先根据PC所指地址，取出指令，然后PC的内容自动加1，指向下一条指令的地址。只有在执行转移、子程序调用指令及中断响应时例外，那时PC的内容不再加1，而是被自动置入新的地址。单片机上电复位或按键复位时，PC=0000H，CPU就从ROM区0000H处开始执行程序。堆栈指针SP（StackPointer）：SP是一个八位寄存器，能自动加1或减1，专门用来存放堆栈的栈顶地址。栈顶地址始终在SP中，是可以改变的，它决定堆栈中是否存放有数据。因此，当堆栈中空无数据时，栈顶地址必定和栈底地址重合，数据指针DPTR（DataPointer）：DPTR是一个16位的寄存器，由两个八位寄存器DPH和DPL拼装而成，其中，DPH为DPTR的高八位，DPL为DPTR的低八位。DPTR可以用来存放片内ROM的地址，也可以用来存放片外RAM和片外ROM的地址。3．I/O端口（1）并行I/O端口P0它的第一功能可以作为通用I/O口使用。它的第二功能和P2口引脚第二功能相配合，用于输出片外存储器的低8位地址，然后传送CPU对片外存储器的读写数据。P1口为通用I/O使用时，用于传递用户的输入/输出数据。P2口的第一功能是作为通用Ｉ/Ｏ口使用。它的第二功能和P0口引脚第二功能相配合，用于输出片外存储器的高8位地址。P3这组引脚的第一功能和其于三个端口的第一功能相同，第二功能起控制作用，如表2-2所示。（2）串行I/O端口一个全双工的可编程串行I/O端口。串行发送数据线TXD，串行数据接收线RXD。在发送时，CPU由一条写发送缓冲器的指令把数据写入串行口的发送缓冲器SBUF中，然后从TXD端一位位地向外发送。与此同时，接收端RXD也可一位位地接收数据，直到收到一个完整的字符数据后通知CPU，再用一条指令把接收缓冲器中内容读入累加器。4．定时器/计数器两个16位可编程序的定时器/计数器，命名为T0和T1，具有四种工作方式。定时器/计数器T0由TH0和TL0构成，T1由TH1和TH1构成。TMOD（定时器方式寄存器）用于控制和确定各定时器/计数器的功能和工作模式。TCON用于控制定时器/计数器T0、T1启动和停止计数，同时包含定时器/计数器的状态。2.2单片机的存储器结构8051单片机的存储器地址空间分配如图2-4所示。1．程序存储器地址空间程序存储器用于存放编好的程序和表格常数。程序存储器通过16位程序计数器寻址，寻址能力为64KB，这使得指令能在64KB地址空间内任意跳转。8031内部没有ROM，只有8051才有4KBROM，地址范围0000H~0FFFH。2．数据存储器地址空间（1）片内RAM①工作寄存器区：8051的前32个单元（地址00H～1FH）称为寄存器区。通过对特殊功能寄存器PSW中RS1、RS0两位的编程设置，可选择任一寄存器组为工作寄存器组，方法如表2-1所示。②位寻址区：字节地址20H到2FH称为位地址区，共有16个字节，计128位，每位都有相应的位地址，位地址范围为00H～7FH，见表2-3。位寻址区有两种访问方式：一是按字节访问；另一种是通过位寻址，对位寻址区128位进行位操作。③便笺区：30H~7FH，便笺区共有80个RAM单元，用于存放用户数据或作堆栈区使用。MCS-51对便栈区中每个RAM单元是按字节存取的。④特殊功能寄存器（21个）：8051片内高128BRAM中，有21个特殊功能寄存器（SFR），它们离散地分布在80H～FFH的RAM空间中。访问特殊功能寄存器只允许使用直接寻址方式。特殊功能寄存器表2-4所示。（2）片外RAMMCS-51应用系统往往是一个扩展系统。当片内RAM不够用时，可在片外部扩充数据存储器。MCS-51给用户提供了可寻址64KB（0000H～FFFFH）的外部扩充RAM的能力，至于扩多少RAM，则根据用户实际需要来定。2.3单片机引脚功能1．电源引脚（1）VCC（40脚）——+5V电源线。（2）VSS（20脚）——接地线。2．时钟电路引脚（晶振引脚）（1）XTAL1（19脚）：接外部晶体和微调电容的另一端；在片内它是振荡电路反相放大器的出入端。在采用外部时钟时，对HMOS型工艺单片机而言，此引脚接地；对CHMOS型而言，该引脚应接外部时钟输入端。（2）XTAL2（18脚）：接外部晶体和微调电容的一端；在8051片内它是振荡电路放大器的输出端。若需采用外部时钟电路时，对HMOS型工艺单片机，此引脚应接外部时钟的输入端；对CHMOS型单片机而言，此引脚应悬空。要检查8051/8031的振荡电路是否正常工作，可用示波器查看XTAL2端是否有脉冲信号输出。3．控制信号引脚（1）ALE/（30脚）：地址锁存允许信号输出/编程脉冲输入引脚。当CPU访问片外存储器时，ALE输出信号控制锁存P0口输出的低8位地址，从而实现P0口数据与低位地址的分时复用。当8051上电正常工作后，自动在ALE端输出频率为fosc/6的脉冲序列（fosc代表振荡器的频率）。该引脚的第二功能是对8751内部4KBEPROM编程写入时，作为编程脉冲的输入端。（2）/VPP（31脚）：允许访问片外存储器/编程电源线。=0，允许使用片外ROM；=1，允许使用片内ROM。对于8031，由于片内无ROM，故必须接低电平。该引脚第二功能VPP是对8751片内EPROM编程写入时，作为21V编程电压的输入端。（4）RST/VPD（9脚）：复位线/备用电源。该引脚的第一功能是复位信号输入端，高电平有效。当此输入端保持两个机器周期的高电平时，就可以完成复位操作。该引脚的第二功能是备用电源的输入端。当主电源VCC发生故障，降低到低电平规定值时，将+5V电源自动接入该引脚，为RAM提供备用电源，以保证存储在RAM中的信息不丢失，从而复位后能继续正常工作。4．输入/输出端口（1）P0口（P0.7~P0.0）P0.7为最高位，P0.0为最低位。这8条引脚共有两种不同的功能，分别使用于两种不同情况。第一种情况是8051不带片外存储器，P0可以作为通用I/O口使用，P0.7~P0.0用于传送CPU的输入/输出数据。这时，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。第二种情况是8051带片外存储器，P0.7~P0.0在CPU访问片外存储器时先是用于传送片外存储器的低8位地址，然后传送CPU对片外存储器的读写数据。（2）P1口（P1.7~P1.0）这8条引脚和P0口的8条引脚类似，P1.7为最高位，P1.0为最低位。当P1口作为通用I/O使用时，P1.7~P1.0的功能和P0口的第一功能相同，也用于传送用户的输入/输出数据。（3）P2口（P2.7~P2.0）这组引脚的第一功能可以作为通用I/O使用。它的第二功能和P0口引脚的第二功能相配合，用于输出片外存储器的高8位地址，共同选中片外存储器单元，但并不能像P0口那样还可以传送存储器的读写数据。（4）P3口（P3.7~P3.0）这组引脚的第一功能和其余三个端口的第一功能相同。第二功能作控制用，如表2-2所示。2.4时钟电路与时序2.4.1时钟信号的产生1．内部振荡方式8051芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。反相放大器的输入端为XTAL1，输出端为XTAL2，分别为8051的19引脚和18引脚，在XTAL1和XTAL2两端跨接石英晶体及两个电容就可以构成稳定的自激振荡器，见图2-11。通常OSC的输出时钟频率fOSC为0.5~16MHz，典型值为12MHz或11.0592MHz。电容C01和C02通常取30pF左右，对振荡频率有微调作用。2．外部时钟方式将外部已有的时钟信号引入单片机，常见的几种电路结构如图2