第2章-MCS-51系列单片机的结构及原理

第2章:MCS-51系列单片机的结构及原理2.1MCS-51系列单片机的内部结构2.2MCS-51系列单片机的引脚功能2.3MCS-51系列单片机的主要组成部分2.4并行I/O口2.5时钟电路与复位2.6掉电保护和低功耗设计2.0MCS-51系列单片机的主要性能1.8031、8051、8751三者不同之处：•8051是ROM型单片机，内部有4KB的ROM；•8751片内含有4KB的EPROM；•8031片内没有ROM使用时需外接EPROM。2.8031、8051、8751三者相同之处(特性)：（1）面向控制的8位CPU；（2）128B的片内数据存储器；（3）可以寻址64KB的片外程序存储器；（4）可以寻址64KB的片外数据存储器；（5）32根双向和可单独寻址的I/O线；（6）一个全双工的异步串行口；（7）两个6位定时/计数器；（8）5个中断源，两个中断优先级；（9）有片内时钟振荡器；（10）采用高性能HMOS生产工艺生产；（11）有布尔处理（位操作）能力；（12）含基本指令111条，其中单机器周期指令64种。2.1MCS-51系列单片机的内部总体结构图2-1MCS-51单片机的基本结构88微处理器(运算部件)控制部件B数据存储器RAMP0口P2口程序存储器P1口P3口串行口定时/计数器中断系统特殊功能寄存器(SFR)88ROM/EPROMVCCVSSXTAL1XTAL2PSENALEEARESET图2-2MCS-51片内总体结构框图RST端口0驱动器端口2驱动器RAM地址锁存器RAM128*8端口0锁存器端口2锁存器ROM4K*8B寄存器程序地址寄存器缓冲器PC+1寄存器PCDPTR指针VCCVSSP1.0～P1.7堆栈指针SPACCTMP2PSW端口3锁存器端口1锁存器端口1驱动器端口3驱动器TMP1SCONTMODPCONTCONTL0TH1TH0TL1IESBUF(TX/RX)IP中断、串行口和定时器逻辑OSCP3.0～P3.7ALEPSENXTAL2XTAL1ALU(+5V)指令寄存器定时与控制指令译码器P0.0～P0.7P2.0～P2.7MCS-51系列单片机的的八个部分：1、中央处理单元CPU（8位）单片机的核心部件，实现运算和控制功能。2、只读存储器ROM（4KB或8KB）用于存储应用程序，掩膜ROM、EPROM、EEPROM3、随机存取存储器RAM（256B）用于存放程序运行中的工作变量和数据4、特殊功能寄存器22个专用寄存器（21个可寻址），离散分布在8051片内高128单元。5、并行接口用作系统总线、扩展外存、I/O接口芯片6、串行接口串行通信、扩展I/O接口芯片7、定时/计数器定时、计数作用。与CPU之间各自独立工作，当它计数满时向CPU中断。8、中断系统五个中断源、两级优先，可编程进行控制。图2-2（a）MCS-51系列单片机的引脚P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7VSSP1.0RST/VPDRXD/P3.0TXD/P3.1INT0/P3.2INT1/P3.3T0/P3.4T1/P3.5WR/P3.6RD/P3.7XTAL2XTAL112345678910111213141516171819208031805187514039383736353433323130292827262521222324VCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VppALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.02.2MCS-51系列单片机的引脚功能2.2.1MCS-51系列单片机引脚功能01p.71p.SSV1XTAL2XTALRD73p/.WR63p/.1T53p/.0T43p/.1INT33p/.0INT23p/.TXD13p/.RXD03p/.RST02p.72p.CCV00p.70p.PSENPROGALE/EAVpp/18201819171615141312111092128403932293031805140条引脚的功能：1:电源引脚VSS和VCCVSS（20脚）：接地；VCC（40脚）：接＋5V电源。通常，VSS和VCC之间应该接低频和高频滤波电容。2:外接晶体引脚XTAL1和XTAL2XTAL1（19脚）：接外部石英晶体和微调电容的一端。在单片机内部，它是一个振荡反向放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。使用外部时钟时，该引脚必须接地；使用外部振荡器时，HMOS单片机：该引脚接地；CHMOS单片机：该引脚作为驱动端。XTAL2（18脚）：接外部晶体的另一端。在单片机内部，接至上述振荡反向放大器的输出端。使用外部时钟时，该引脚作为输入端；使用外部振荡器时，HMOS单片机：该引脚接收振荡器信号；CHMOS单片机：该引脚应悬浮。3:控制或与其它电源复用引脚RST/VPD，ALE/PROG，PSEN和EA/VPPRESET/VPD（9脚）：复位信号输入端/备用电源输入端。高电平有效，当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期以上的高电平，将使单片机复位；复位时：P0-P3输出高电平；SP寄存器为07H；其它寄存器全部清0。掉电保护功能，VCC掉电，此引脚可接备用电源，以保持内部RAM的数据不丢失;当VCC低于规定水平，VPD在规定的电压范围（5±0.5V）内，VPD向内部RAM提供备用电源。ALE/PROG（30脚）：地址锁存允许信号输出端/片内EPROM编程脉冲输入端。访问外部存储器时，MCS-51系列单片机用P0口作为低8位地址输出口，又作为数据输入/输出口。为了使地址与数据不致于混淆，通常先送地址再传送数据。ALE（允许地址锁存）将P0口输出的低8位地址锁存，从而实现低位地址与数据的分离。单片机上电正常工作期间，ALE端会周期性地以时钟振荡频率1/6的固定频率向外输出正脉冲信号。在对8751片内EPROM编程（固化）时，此引脚第二功能PROG用于输入编程脉冲。PSEN（29脚）：程序存储允许输出端。是外部程序存储器的读选通信号，低电平有效。在外部程序存储器取指令（或常数）期间，每一个机器周期两次有效。每当访问外部数据存储器时，这两次有效的信号将不出现。EA/VPP（31脚）：程序存储地址允许输入端/片内EPROM编程电压输入端。EA：内\外ROM选择端当EA端保持高电平时，访问内部程序存储器，但在PC（程序计数器）值超过0FFFH（对于8051/8751/80C51）或1FFFH（对于8052）时，将自动转向访问外部存储器。当EA端保持低电平时，不管是否有内部程序存储器，只访问外部程序存储器。VPP：在对8751片内EPROM编程时，此引脚用于施加21V的编程电源。4:输入/输出引脚P0口、P1口、P2口、P3口P0口（P0.0-P0.7共8条引脚，即39-32脚）：P0口是双向8位三态I/O口。在访问外部存储器时，可分时用作低8位地址线和8位数据线。P1口（P1.0-P1.7共8条引脚，即1-8脚）：P1口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，EPROM编程时和程序验证时，它接收低8位地址。在访问外部存储器时，可用作高8位地址线。P2口（P2.0-P2.7共8条引脚，即21-28脚）：P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，EPROM编程时和程序验证时，它接收高8位地址。P3口（P3.0-P3.7共8条引脚，即10-17脚）：•P3口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。在MCS-51单片机中，这8个引脚都有各自的第二功能。•表2-1表示出了P3口的第二功能。位线引脚第二功能P3.010RXD（串行输入口）P3.111TXD（串行输出口）12INT0（外部中断0）13INT1（外部中断1）P3.414T0（定时器0的计数输入）P3.515T1（定时器1的计数输入）16WR（外部数据存储器写脉冲）17RD（外部数据存储器读脉冲）P3.6P3.7表2-1P3口的第二功能表2.3.2三总线结构单片机的引脚除了电源、复位、时钟接入、用户I/O口外，其余引脚都是为了实现系统扩展而设置的。这些引脚构成了三总线形式。（1）地址总线（AB）：•地址总线宽度为16位，由P0口经地址锁存器提供低8位地址（A0-A7）；P2口直接提供高8位地址（A8-A15）。•地址信号是由CPU发出的，故地址总线是单方向的。（2）数据总线（DB）：数据总线宽度为8位，用于传送数据和指令，由P0口提供。（3）控制总线（CB）：•由P3口的第二功能状态和4根独立控制线RESET,EA,PSEN,ALE组成。•控制总线随时掌握各种部件的状态，并根据需要向有关部件发出命令。累加器ACC、寄存器B、暂存器TMP1、TMP2、程序状态寄存器PSW、布尔处理器、BCD码调整电路时钟发生器、定时控制逻辑、程序计数器PC、程序地址寄存器、数据指针寄存器DPTR、堆栈指针SP运算器控制器算术、逻辑运算部件ALU指令寄存器指令译码器2.3MCS-51系列单片机的主要组成部分2.3.0CPU作用：读入和分析每条指令，根据每条指令的功能要求，控制各个部件执行相应的操作。组成：运算器和控制器。SFRRAM位寻址区工作寄存器0-3组外部RAMRAM0000FFFF00203080FF外部ROM内部ROMEA=1外部ROMEA=000000FFF1000FFFF存储器51系列单片机在物理上有4个存储空间：片内程序存储器（4KB）----0000H~0FFFH片外程序存储器（扩展64KB）----0000H~0FFFH,1000H~1FFFH片内数据存储器（128B）----00H~80H片外数据存储器（扩展64KB）----0000H~FFFFH（a）程序存储器（b）内部数据存储器（c）外部数据存储器MCS-51单片机存储器结构2.3.1程序存储器存放程序及程序运行时所需的数据。外部可扩64KB，地址长度：16位。该地址由PC指示,寻址范围：0000H~FFFFH。EA=0，寻址外部ROM；EA=1，寻址内部ROM，当PC值超过片内ROM容量时会自动转向外部存储器空间。在程序存储器中有6个单元具有特殊功能：•0000H-0002H：是所有执行程序的入口地址，8051复位后，PC指向此处，CPU总是从0000H单元开始执行程序。•0003H-000AH：外部中断0入口。•000BH-0012H：定时器0溢出中断入口。•0013H-001AH：外部中断1入口。•001BH-0022H：定时器1溢出中断入口。•0023H-002AH：串行口中断入口。0000H0FFFH1000HFFFFHEA=1内部EA=0外部外部PSEN0000HFFFFHROM0003H000BH0013H001BH0023H复位入口INT0中断入口T0中断入口INT1中断入口T1中断入口串口中断入口程序存储器2.3.2数据存储器8051片内有128单元（00H-7FH）的RAM，片外有64KB的RAM：物理上分为两大区域：00H~7FH即128B内RAM区80H~FFH即SFR区。访问片内RAM用“MOV”指令，访问片外RAM用“MOVX”指令。对片外RAM常采用间接寻址方式，R0，R1和DPTR都可以作为间址寄存器。R0，R1是8位地址指针，寻址范围256个字节；DPTR是16位地址指针，寻址范围64KB。8051内部数据存储器128单元分为3个区域：组通用寄存器区第0组通用寄存器区第1组通用寄存器区第2组通用寄存器区第3）（位地址位寻址区FH7~H00区用户RAMH00H08/H07H10/FH0H18/H17H20/FH1H30/FH2FH7R0、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7即可位寻址，又可字节寻址数据缓冲区、堆栈区、工作单元8051内部数据存储器128单元分为3个区域：•工作寄存器区：00-1FH间安排了4组工作寄存器，每组占用8个RAM字节，记为R0-R7。PSW的RS1、RS0决定当前工作寄存器组号(p18