第2章MCS-51单片机的硬件结构

第2章MCS-51单片机的硬件结构2.1MCS-51单片机的硬件结构CPUFlashROM容量:nX4KBSRAM总线总线寄存器映射I/O口4X8bitUART定时器外部中断INT0,1MSC-51单片机寄存器时钟源晶振介绍图2-1中的各功能部件：1.CPU（中央处理器）中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。2.数据存储器（RAM）•51内部有128个字节用户数据存储单元和128个字节的专用寄存器单元，它们是统一编址的，用户能使用的RAM只有128个字节，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。•对于5x系列，有另外的128个字节的SRAM，汇编语言采用间接寻址方式访问，C语言中定义为idata类型即可。3.程序存储器（ROM）•51共有4KBROM(一般为Flash结构)，用于存放用户程序，原始数据或表格等。•对于5x系列，ROM容量为x乘4KB4.中断系统8051具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。5.定时器/计数器（T/C）•8051有两个16位的可编程定时/计数器(Timer0与Timer1)，以实现定时或计数，并产生中断用于控制程序转向。•对于5x系列，增加一个Timer26.串行口（UART）8051内置1个全双工的异步串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送。7.P0口、P1口、P2口、P3口8051共有4个8位并行I/O口，用于对外部数据的传输。8.特殊功能寄存器（SFR）共有21个，是一个具有特殊功能的RAM区。9.时钟电路内置晶振时钟电路，需外置无源晶振。2.2MCS-51的引脚MCS-51系列单片机均采用40Pin封装的双列直接DIP结构，现在我们对这些引脚的功能加以说明：40只引脚按功能分为3类：（1）电源及时钟引脚:Vcc、Vss；XTAL1、XTAL2。（2）控制引脚：PSEN*、EA*、ALE、RESET（即RST）。（3）I/O口引脚：P0、P1、P2、P3，为4个8位I/O口的外部引脚。2.2.1电源及时钟引脚1．电源引脚（1）Vcc（40脚）：+5V电源；（2）Vss（20脚）：接地。2．时钟引脚（1）XTAL1（19脚）（2）XTAL2（18脚）8051的时钟有两种方式，一种是片内时钟振荡方式，但需在18和19脚外接石英晶体和振荡电容，振荡电容的值一般取10p-30p。另外一种是外部时钟方式，即将XTAL1接地，外部时钟信号从XTAL2脚输入。GNDX112-40MC922pC822p内部时钟方式X119X218GND20GNDVCCOUTGNDNCX?12~40MGNDVCCX119X218GND20外部时钟方式2.2.2控制引脚(1)RST/VPD(9脚)：复位信号复用脚，当8051通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指针写入07H，其它专用寄存器被清“0”。RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。然而，初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0-R7）的状态。R210KC10.1uFVCCS5RESETRESTGNDRESET9(2)ALE/PROG*（30脚）：第一功能ALE为地址锁存允许。PROG*为本引脚的第二功能。为编程脉冲输入端。当访问外部存储器时，ALE(地址锁存)的输出用于锁存地址的低8位字节。而访问内部存储器时，ALE端将有一个1/6时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。更有一个特点，当访问外部存储器，ALE会跳过一个脉冲。在编程其间，ALE将用于输入编程脉冲。(3)PSEN*（29脚）：外部程序存储器的读选通信号。(4)EA*/VPP(31脚)EA*为内外程序存储器选择控制端。EA*=1，访问片内程序存储器，但在PC（程序计数器）值超过0FFFH（以51单片机为例）时，即超出片内程序存储器的4K字节地址范围时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。EA*=0，单片机则只访问外部程序存储器。VPP为本引脚的第二功能。用于施加编程电压（例如+21V）。2.2.3I/O口引脚(1)P0口：双向8位三态I/O口，此口为地址总线（低8位）及数据总线分时复用口。(2)P1口：8位准双向I/O口。(3)P2口：8位准双向I/O口，与地址总线（高8位）复用。(4)P3口：8位准双向I/O口，双功能复用口。注意:准双向口与双向三态口的差别。•当3个准双向I/O口作输入口使用时，要向该口先写“1”。然后读回的数据才能真实反映该I/O口的输入状态。•准双向I/O口无高阻的“浮空”状态。P3.0/RXD10EA/VPP31X119X218RESET9P3.7/RD17P3.6/WR16P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.5/T115P1.0/T21P1.1/T2EX2P1.23P1.34P1.45P1.5/MOSI6P1.6/MISO7P1.7/SCK8P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427P2.7/A1528PSEN29ALE/PROG30P3.1/TXD11GND20VCC40U2(AT/STC/SST)89(S/C)5XR210KC10.1uFVCCS5RESETRESTGNDGNDX112-40MC922pC822pVCCVCCR1R2R3R4R5R6R7R8COMRP24K751单片机最小系统•电源•复位电路•时钟电路•PIN31(EA/VPP)拉高•P0上拉电阻2.3MCS-51的CPU由运算器和控制器所构成2.3.1运算器对操作数进行算术、逻辑运算和位操作。1．算术逻辑运算单元ALU2．累加器A使用最频繁的寄存器，可写为Acc。A的作用：（1）是ALU的输入之一，又是运算结果的存放单元。（2）数据传送大多都通过累加器A。MCS-51增加了一部分可以不经过累加器的传送指令，即可加快数据的传送速度，又减少A的“瓶颈堵塞”现象。A的进位标志Cy同时又是位处理机的位累加器。3．程序状态字寄存器PSW（1）Cy（PSW.7）进位标志位（2）Ac(PSW.6)辅助进位标志位。（3）F0（PSW.5）用户使用的状态标志位。（4）RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）：4组工作寄存器区选择控制位1和位0。RS1RS0所选的4组寄存器000区（内部RAM地址00H～07H）011区（内部RAM地址08H～0FH）102区（内部RAM地址10H～17H）113区（内部RAM地址18H～1FH）（5）OV（PSW.2）溢出标志位指示运算是否产生溢出。（6）PSW.1位:保留位，未用（7）P(PSW.0)奇偶标志位P=1，A中“1”的个数为奇数P=0，A中“1”的个数为偶数2.3.2控制器1．程序计数器PC（ProgramCounter）存放下一条要执行的指令在程序存储器中的地址。基本工作方式有以下几种：（1）程序计数器自动加1（2）执行有条件转移或无条件转移指令时，程序计数器将被置入新的数值，从而使程序的流向发生变化。（3）在执行调用子程序调用或中断调用，完成下列操作：①PC的现行值保护②将子程序入口地址或中断向量的地址送入PC。2．指令寄存器IR、指令译码器及控制逻辑电路2.4MCS-51存储器的结构哈佛（Harvard）结构存储器空间可划分为5类：1.程序存储器空间2.内部数据存储器空间3.特殊功能寄存器SFR-SpecialFunctionRegister4.位地址空间:211个可寻址位。5.外部数据存储器空间:片外可扩展64K字节RAM。2.4.1程序存储器存放应用程序和表格之类的固定常数。分为片内和片外两部分，由EA*引脚上所接的电平确定。程序存储器中的0000H地址是系统程序的启动地址5个单元具有特殊用途表2-15种中断源的中断入口地址外中断00003H定时器T0000BH外中断10013H定时器T1001BH串行口0023H2.4.2内部数据存储器128个，字节地址为00H～7FH。00H～1FH：32个单元，是4组通用工作寄存器区20H～2FH：16个单元，可进行128位的位寻址30H～7FH：用户RAM区，只能进行字节寻址，用作数据缓冲区以及堆栈区。2.4.3特殊功能寄存器（SFR）CPU对各种功能部件的控制采用特殊功能寄存器集中控制方式，共21个。有的SFR可进行位寻址，其字节地址的末位是0H或8H。表2-2是SFR的名称及其分布。下面介绍SFR块中的某些寄存器。表2-2SFR的名称及其分布1．堆栈指针SP指示堆栈顶部在内部RAM块中的位置复位后，SP中的内容为07H。（1）保护断点（2）现场保护堆栈向上生长2.数据指针DPTR高位字节寄存器用DPH表示，低位字节寄存器用DPL表示。3.I/O端口P0～P3P0～P3分别为I/O端口P0～P3的锁存器。4.寄存器B为执行乘法和除法操作设置的。在不执行乘、除的情况下，可当作一个普通寄存器来使用。5.串行数据缓冲器SBUF存放欲发送或已接收的数据，一个字节地址，物理上是由两个独立的寄存器组成，一个是发送缓冲器，另一个是接收缓冲器。6.定时器/计数器两个16位定时器/计数器T1和T0，各由两个独立的8位寄存器组成：TH1、TL1、TH0、TL0，只能字节寻址，但不能把T1或T0当作一个16位寄存器来寻址访问。2.4.4位地址空间211个（128个+83个）寻址位。位地址范围为：00H～FFH。内部RAM的可寻址位128个(字节地址20H～2FH)见表2-3（P24）。特殊功能寄存器SFR为83个可寻址位，见表2-4（P24）。2.4.5外部数据存储器最多可外扩64K字节的RAM或I/O。使用各类存储器，注意几点：(1)地址的重叠性表2-3内部RAM的可寻址位及位地址表2-4SFR中的位地址分布程序存储器（ROM）与数据存储器（RAM）全部64K字节地址空间重叠)。(2)程序存储器（ROM）与数据存储器（RAM）在使用上是严格区分的。(3)位地址空间共有两个区域。(4)片外数据存储区中，RAM与I/O端口统一编址。所有外围I/O端口的地址均占用RAM单元地址，使用与访问外部数据存储器相同的传送指令。图2-6为各类存储器在存储器空间的位置的总结。2.5并行I/O端口4个双向的8位并行I/O端口(Port)，记作P0～P3属于特殊功能寄存器，还可位寻址。2.5.1P0端口（1）P0作输出口使用注意：必须外接上拉电阻才能有高电平输出。（2）P0作输入口使用区分“读引脚”和“读锁存器”。“读引脚”引脚上的状态经缓冲器读入内部总线；“读锁存器”把锁存器Q端的状态读入内部总线。当指令中的目操作数是并行端口时，该指令执行的是读出端口锁存器数据，并通过源操作数修改之，然后再写回到端口锁存器。涉及到“读锁存器”操作的指令有：ANLP1，ACPLP1·2INCP1等等。而当指令中的源操作数是并行端口时，该指令执行的是读取端口引脚PX.i上的状态。涉及到“读引脚”操作的指令有：ANLA，P1MOVC，P1·5等等。2.5.2P1端口P1口只作通用的I/O口使用，因此输出电路中有上拉电阻。因此：（1）P1口作为输出口使用时，外电路无需再接上拉电阻。（2）P1口作为输入口使用时，应先向其锁存器先写入“1”。2.5.3P2端口在实际应用中，P2口可以作为高位地址线使用，也可以作为通用I/O口使用。2.5.4P3端口P3口的