1. MCS-51单片机结构及原理

1单片机的应用单片机的学习学时安排参考书：《单片机原理与接口技术》，北航，李朝青《MSC-51单片机原理及嵌入式系统应用》，西电，王忠飞引言2第1章MCS-51单片机的硬件组成本章内容：（1）MCS-51系列的8051的基本结构；（2）存储器结构及其配置；（3）P0、P1、P2、P3四个I/O口的基本工作原理和操作特点；（4）单片机的时序；（5）复位。31.1.1MCS-51的基本组成MCS-51单片机（以8051为例，Intel产品）1个8位CPU；1个片内振荡器及时钟电路；128字节RAM（数据存储器）；4K字节ROM（程序存储器）；2个16位定时器/计数器；32条可编程的I/O线（四个8位并行I/O端口）；1个全双工串行口；5个中断源；1.1MCS-51单片机组成及结构42.1MCS-51单片机组成及结构端口0驱动器端口2驱动器RAM（128×8）端口0锁存器端口2锁存器ROM（4K×8）程序地址寄存器缓冲器PC加1寄存器程序计数器PC数据指针DPTR堆栈指示器SPPCONSCONTMODTCONTH0TL0TH1TL1SBUF（TX）SBUF（RX）IE中断、串行口和定时器RAM地址寄存器ACCB寄存器ALU状态寄存器暂存器2暂存器1定时与控制指令寄存器端口1锁存器端口3锁存器端口1驱动器端口3驱动器XTAL1XTAL2P0.0～P0.7P2.0～P2.7P1.0～P1.7P3.0～P3.7ALERSTPSENEAVccVss（＋5V）51.1.2MCS-51单片机的引脚与功能逻辑符号1.1MCS-51单片机组成及结构引脚分配6（1）电源线＋5V供电VCC（40）——＋5VGND（20）——地1.1.2MCS-51单片机的引脚与功能引脚分配P0（2）晶体振荡器信号输入输出XTAL1（18）——晶体振荡器信号输入XTAL2（19）——晶体振荡器信号输出（3）输入/输出线P0.0~P0.7P0口P1.0~P1.7P1口P2.0~P2.7P2口P3.0~P3.7P3口P1P2P37EA/VPP31X119X218RESET9RD/P3717WR/P3616P32/INT012P33/INT113P34/T014P35/T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/PRDG30P31/TXD11P30/RXD10VCC40U1STC89C52VDD3I/O2GND1U2DS18B20VCCR1RES2233445566778899Com1R10VCCabcdefgdpdpabcdefggfedcbadpdpdpdpdpdpaaaaabbbbbcccccdddddeeeeefffffgggggC130pC230p12Y112MR2VCCVCCVCCC1+1V+2C1-3C2+4C2-5V-62Cout72Cin8251out9251in10151in11151out121Cin131Cout14GND15VCC16MAX232U3MAX232100pFMAXc410ufMAXc310ufMAXc510ufMAXc110ufMAXc2VCCTXDRXDTXDRXD2222162738495DB910uFCs2S1VCCVBUS1D-2D+3GND465usbP20P2012345678JP1f9g10e1d2K3c4DP5b6a7K8D2f9g10e1d2K3c4DP5b6a7K8D3f9g10e1d2K3c4DP5b6a7K8D1f9g10e1d2K3c4DP5b6a7K8D4f9g10e1d2K3c4DP5b6a7K8D5f9g10e1d2K3c4DP5b6a7K8D6VCC8P0口：双向I/O,即可作为地址/数据总线口，也可作为普通I/O；P1口:准双向I/O口，通用I/O；P2口:准双向I/O口，也可作为地址总线口输出地址高8位，也可作普通I/O；P3口：多用途端口（第二功能操作），也可作普通I/O。9（4）控制信号线ALE（30）——地址锁存控制信号（AddressLatchEnable），ALE用于将地址总线的低八位锁存。该信号频率为晶振频率的1/6，可作为外部定时或时钟使用。1.1.2MCS-51单片机的引脚与功能引脚分配PSEN（29）——外部程序存储器读选通信号（ProgramStoreEnable）该信号为低电平时，CPU从外部程序存储器单元读取指令。10（31）——内外程序存储器选择控制（ExternalAccessEnable）＝0，CPU对程序存储器的操作仅限于单片机外部程序存储器。＝1，CPU对程序存储器的操作从单片机内部程序存储器开始，并可延伸到单片机的外部程序存储器。EAEAEA1.1.2MCS-51单片机的引脚与功能（4）控制信号线（续）引脚分配RESET（9）——复位信号。RESET持续2个机器周期以上的高电平，单片机复位。p8511（5）部分引脚的第二功能(复用，同一个引脚被双重定义)1.1.2MCS-51单片机的引脚与功能第二功能RXD串行输入T1定时器1外部计数信号输入T0定时器0外部计数信号输入INT1外部中断1，输入TXD串行输出INT0外部中断0，输入WR外部数据存储器写选通信号,输出端口引脚P3.0P3.2P3.1P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7RD外部数据存储器读选通信号,输出12（5）部分引脚的第二功能程序存储器固化所需的信号编程脉冲ALE/PROGp3编程电压/VPP备用电源引入RESET/VPD:当电源电压下降到某个给定下限时，备用电源由该引脚向单片机芯片内部RAM供电，以保护内部RAM的内容不丢失。1.1.2MCS-51单片机的引脚与功能EA13TMP1TMP2ALUPSW4K字节ROMACCSPB寄存器RAM地址寄存器地址译码器与128字节RAMP2口锁存器P2口驱动器P3口锁存器P3口驱动器P1口锁存器P1口驱动器P0口锁存器P0口驱动器程序地址寄存器PCPC加1寄存器缓冲器DPTRPCONSCONTMODTCONTH0TL0TH1TL1SBUFIEIP中断模块串行口模块定时器/计数器模块指令寄存器定时与控制电路PSENALERESETEAXTAL1XTAL2OSCC1C2P2.0~P2.7P0.0~P0.7P3.0~P3.7P1.0~P1.7VccGND振荡器总线数据存储器程序存储器特殊功能寄存器I/O口I/O口运算器控制器1.1.3MCS-51单片机的内部结构14（一）中央处理器（CPU）CPU由运算器和控制器组成，它是单片机的核心，完成运算和控制操作。1.1.3MCS-51单片机的内部结构1.运算器组成：算术逻辑运算器ALU，算术累加器ACC，寄存器B，暂存器TMP1，暂存器TMP2，布尔累加器Cy等功能：进行移位、算术运算和逻辑运算；MCS-51运算器还包含有一个布尔（位）处理器,用来处理位操作。15（1）累加器A（8位）功能：暂存操作数及保存运算结果；A是MCS-51单片机中最繁忙的寄存器；（2）寄存器B（8位）功能：用于乘法、除法运算，对于其它指令可作为一个寄存器使用；（3）程序状态字寄存器PSW（8位）p10功能：存放累加器A在运算过程标志位（P，OV，AC，Cy）的状态；指出CPU所使用的当前工作寄存器组。1.1.3MCS-51单片机的内部结构16CYACF0RS0OVPRS1PSW.7PSW.0CY(PSW.7)进位/借位标志位。若ACC在运算过程中发生了进位或借位，则CY=1；否则=0。它也是布尔处理器的位累加器，可用于布尔操作。AC(PSW.6)半进位/借位标志位。若ACC在运算过程中，D3位向D4位发生了进位或借位，则CY=1,否则=0。机器在执行“ADD”指令时自动要判断这一位，我们可以暂时不关心它。F0(PSW.5)——用户标志位。PSW.6PSW.51.1.3MCS-51单片机的内部结构PSW171.1.3MCS-51单片机的内部结构PSW.7PSW.0RS1(PSW.4)、RS0(PSW.3)工作寄存器组选择位。RS1，RS0=01则选择了工作寄存器组1区R0～R7分别代表08H～0FH单元。RS1，RS0=10则选择了工作寄存器组2区R0～R7分别代表10H～17H单元。RS1，RS0=11则选择了工作寄存器组3区R0～R7分别代表18H～1FH单元。CYACF0RS0OVPRS1PSW.4PSW.3RS1，RS0=00则选择了工作寄存器组0区R0～R7分别代表08H～0FH单元。PSW18CYACF0RS0OVPRS1PSW.7PSW.0OV(PSW.2)溢出标志位。OV=1时特指累加器在进行带符号数(-128—+127)运算时出错（超出范围）；OV=0时未出错。PSW.1未定义。P(PSW.0)奇偶标志位。P=1表示累加器中“1”的个数为奇数P=0表示累加器中“1”的个数为偶数CPU随时监视着ACC中的“1”的个数,并反映在PSW中PSW.2PSW.11.1.3MCS-51单片机的内部结构PSW19（4）布尔处理器Cy实现各种位逻辑运算和传送；MCS-51具有一个位寻址空间。（5）TMP1和TMP2为8位暂存寄存器存放参与运算的操作数。1.1.3MCS-51单片机的内部结构MCS-51仅能实现两个8位二进制数的算术逻辑运算！202.控制器组成：定时与控制部件，复位电路，程序计数器（PC），指令寄存器、指令译码器，数据指针（DPTR）,堆栈指针（SP）等作用：产生计算机所需的时序，控制程序自动执行。CPU程序存储器指令寄存器外RAM,EPROM,外I/O指令译码器控制单片机各部分的运行,产生ALE，PSEN,RD/WR1.1.3MCS-51单片机的内部结构21程序计数器PC（16位）程序计数器PC用来存放将要执行的指令地址，共16位，低8位经P0口输出，高8位经P2口输出。CPU每取一次机器码，PC内容自动加一，CPU执行一条指令，PC内容自动增加该指令的长度。CPU复位后，PC内容为0000H，它标志着程序从头开始执行。PC的内容变化决定程序的流向。指令寄存器（8位）指令寄存器中存放将要执行的指令代码，通过指令译码器，将指令代码转化为电信号——控制信号ALE等。1.1.3MCS-51单片机的内部结构221.1.3MCS-51单片机的内部结构数据指针DPTR（16位）数据指针DPTR为一个16位的专用寄存器，其高位用DPH表示，其低位用DPL表示，它即既可以作为一个16位的寄存器来使用，也可作为两个8位的的寄存器DPH和DPL使用。DPTR在访问外部数据存储器时既可用来存放16位地址，也可作地址指针使用。如MOVX@DPTR，A。堆栈指针寄存器SP（8位）用于管理堆栈，指出栈顶位置。231.2MCS－51单片机的存储器MCS-51单片机的程序存储器和数据存储器分开设置（哈佛结构），地址空间相互独立。MCS－51存储器地址空间可分为以下5类：（1）程序存储器，最大空间64K；（2）片内数据存储器，128个单元；（3）特殊功能寄存器，共21个；（4）位寻址空间，210位；（5）外部数据寄存器，最大空间64K。这些资源与单片机应用的关系密切，下面我们介绍上述5类存储空间的功能。241.2.1程序存储器程序存储器用来存放程序及表格和常数，最大寻址空间64K单元。MCS－51系列产品按程序存储器配置类型分为3类：8051芯片含有4k个单元的ROM；8751芯片含有4k个单元的EPROM；8031中无程序存储器，需要扩展程序存储器。在实际应用中，用户既可使用芯片内部的程序存储器，也可以使用芯片外部的程序存储器，但最大空间为64k，程序存储器的地址空间构成与引脚的接法有关。EA251.2.1程序存储器（1）芯片内部含有程序存储器的单片机（8051/8751）当