第2章 MCS-51单片机的结构和原理

第二章MCS-51单片机的结构和原理内容标题1、MCS-51系列单片机的结构2、MCS-51单片机引脚及其功能3、8051存储器的配置4、CPU的时序5、复位及复位电路6、输入/输出端口结构2.1MCS-51系列单片机的结构MCS-51是Intel公司于1980年推出的高档系列8位单片机，主要有8051、8031、8751、80C51BH等。在本课程中，为了叙述方便，以8051为例进行讨论。2.1.1MCS-51单片机的基本组成MCS-51系列单片机内部由8部分组成（见下页图）：8位CPURAM（128B/256B）ROM/EPROM（4KB/8KB）并行I/O接口（4个）定时器/计数器（2个/3个）中断控制器全双工串行I/O口振荡器和时钟电路(A/D转换器,D/A转换器,WatchdogTimer,可编程计数阵列,USB2.0接口,CAN总线控制器,JTAG接口,闪存等等)2.1MCS-51系列单片机的结构2.1MCS-51系列单片机的结构•MCS-51系列单片机的性能如下表HMOS对电平要求低(大于2.0V,小于0.8V),功耗大.CMOS对电平要求高(大于4.5V,小于0.45V),功耗低.2.1MCS-51系列单片机的结构•2.1.2MCS-51单片机的内部结构（见下图）2.1MCS-51系列单片机的结构•8051的基本特征：•8位CPU；•片内时钟振荡器；•4KB程序存储器ROM（FLASHROM）；•片内有128B（256B）数据存储器RAM；•可寻址外部程序存储器和数据存储器空间各64KB；•21个特殊功能寄存器SFR；•4个8位并行I/O口，共32根I/O线；•1个全双工串行口；•2（3）个16位定时器/计数器；•5（6）个中断源，有2个优先级；•具有位寻址功能，适用于位（布尔）处理。2.1MCS-51系列单片机的结构一、CPU1、运算器由ALU、暂存器（1、2）、ACC(Accumulator)、B、PSW(ProgramStatusWord)、和一个布尔处理器（作位运算）等组成.另外,堆栈指针SP(StackPointer)、数据指针DPTR(Datapointer).2、控制器由PC(ProgramCounter)、IR(InstructionRegister)、ID(InstructionDecoder)等组成.二、存储器ROM(ReadOnlyMemory)、RAM(RandomAccessMemory).三、I/O端口2.2MCS-51单片机的引脚及其功能其引脚如右图所示，为40脚。分为4类：1、电源引脚Vcc、Vss2、时钟电路引脚XTAL1、XTAL23、控制信号引脚RST/VPD：复位输入/备用电源输入ALE//PROG：地址锁存输出/编程脉冲输入2.2MCS-51单片机的引脚及其功能/PSEN：程序存储器允许（从EPROM/ROM中读取指令）/EA/Vpp：外部程序存储器地址允许输入/编程电压输入当/EA接高电平时，CPU只访问及执行片内EPROM/ROM，但当PC的值超过0FFFH（对8751/8051为4KB）时，将自动转去执行片外程序存储器的内容当/EA接低电平时，CPU只访问及执行片外EPROM/ROM中的程序Vpp=12V~21V，对8751片内的EPROM固化程序ALE、/PSEN的负载能力：8个LS型TTL4、输入/输出端口P0~P32.38051存储器的配置2.3.08051存储器概述一般的微机的只有一个存储空间，统一编址，ROM和RAM可以安排在任一范围内，用相同的指令访问ROM或RAM，这种结构称为普林斯顿结构。8051的存储器在物理上分为四个存储空间：片内程序存储器、片外程序存储器和片内数据存储器、片外数据存储器，这种程序存储器和数据存储器分开的结构称为哈佛结构。8051的存储器空间分为三类（程序员的角度）：1、片内、外统一编址的程序存储空间，0000H~FFFFH共64KB（16位地址）2.38051存储器的配置2、片外数据存储空间，0000H~FFFFH共64KB（16位地址）3、片内数据存储空间，00H~FFH共256B（8位地址）。8051的存储空间配置如下页的图2-4所示三类不同存储空间（逻辑空间）的访问方法：用不同的指令区别：访问片内外ROM用MOVC指令；访问片外RAM用MOVX指令；访问片内RAM用MOV指令；2.38051存储器的配置•存储器空间分布图:2.38051存储器的配置2.3.1程序存储器的地址空间一、注意几个问题：1、总空间容量（64KB）2、8051/8751片内ROM/EPROM的容量（4KB）3、引脚/EA接高、低电平对程序空间的选择性（图2-4）4、8051从片内外取指令的速度相同二、程序存储器保留的存储单元•0000H,0003H,000BH,0013H,001BH,0023H,002BH.2.38051存储器的配置•保留单元和中断矢量地址：0000H单元为系统复位入口单元中断源中断向量地址外部中断00003H定时器/计数器0中断000BH外部中断10013H定时器/计数器1中断001BH串行口中断0023H定时器/计数器2中断002BH2.38051存储器的配置2.3.2数据存储器的地址空间一、片外RAM最大范围：0000H~FFFFH，64KB；用指令MOVX访问.二、片内RAM最大范围：00H~FFH，256B；用指令MOV访问.分为两部分：低128B（00~7FH）为真正的RAM区，高128B（80~FFH）为特殊功能寄存器（SFR）区。见下页图2-5。2.38051存储器的配置•片内RAM空间2.38051存储器的配置1、低128BRAM（00H~7FH）可直接、间接访问。分为三个区域（见上页图）：（1）工作寄存器组区（字节地址00H~1FH，见下图）4组32个单元，每组8个寄存器R0、R1、R2……R7（2）位寻址区（字节地址20H~2FH）共16个单元128位，位地址：00H~7FH（3）用户RAM区（字节地址30H~7FH）共80个单元，为用户RAM区（堆栈、数据缓冲)2.38051存储器的配置2、高128BRAM----特殊功能寄存器（SFR）8051在高128B中，只有21个SFR，离散地分布在80H~FFH中（见表2-6）。只能够直接访问。2.38051存储器的配置•专用寄存器区(SFR)图2-6SFR中的位地址分布图2.38051存储器的配置这里介绍部分SFR（1）累加器ACC(E0H),指令中用A表示,有一全0标志Z（2）寄存器B（F0H）在乘除指令中固定用，也作一般寄存器用（3）程序状态字PSW（D0H）8位CYACF0RS1RS0OV--PPSW位地址PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0位标志CYACF0RS1RS0OVF1PCY（PSW.7）——进位（借位）标志位。其功能有二：一是存放算术运算的进位（）时，CY由硬件置“1”，否则清“0”；二是在进行位操作时，CY作为累加器借位）标志，在作加法（减法）运算时，如果操作结果的最高位有进位（借位C使用，可进行位传送、位与位的逻辑运算等位操作，会影响该标志位。AC（PSW.6）——辅助进位标志位。在进行加法（减法）运算中，当低4位向高4位进位（借位）时，AC由硬件置“1”，否则AC位被清“0”。AC位常用于调整BCD码运算结果。F0（PSW.5）——用户标志位。这是一个留给用户自己定义的标志位，可以根据自己的需要通过软件方法置位或复位F0位，用以控制程序的转向。RS1和RS0（PSW.4，PSW.3）——工作寄存器组选择位。工作寄存器共有4组，对应关系见表2-5。RS1和RS0这两位的状态是由软件置“1”或清“0”来设置的，被选中的工作寄存器组即为当前工作寄存器组。注意：当单片机上电或复位后，RS1RS0=00，选中第0组。OV（PSW.2）——溢出标志位。在带符号数的算术运算时，如果运算结果超出了8位二进制数所能表示的符号数有效范围（-128～+127），这产生了溢出OV=1，表示运算结果是错误的；否则，OV=0即无溢出产生，表示运算结果正确。PSW.1位——保留未用。P（PSW.0）——奇偶标志位。表明运算结果累加器A中内容的奇偶性。如果A中有奇数个“1”，则P置“1”，否则置“0”。凡是改变累加器A中内容的指令均会影响P标志位。注意：P标志位对串行通信中的数据传输有重要的意义。在串行通信中常采用奇偶校验的办法来校验数据传输的可靠性。2.38051存储器的配置（4）堆栈指针SP（81H）SP初值为07H，堆栈地址向大的方向变化（与微机堆栈地址向小的方向变化相反）；一般使SP初值为5FH。（5）数据指针DPTR（83H、82H）是一个唯一的16位寄存器，即可整体作为16位寄存器使用，也可作为两个独立的8位寄存器DPH、DPL使用。DPTR主要用作16位间址寄存器，访问程序存储器和片外数据寄存器。（6）I/O端口P0~P3（80H、90H、A0H、B0H）是四个I/O口的映射寄存器2.4CPU时序2.4.1片内振荡器及时钟信号的产生1、振荡电路C1、C2取30pF，晶振：1.2~12MHz.2、外部时钟上拉电阻取5.1kΩ,外部时钟频率小于12MHz.•（HMOS器件）(a)HMOS和CHMOS型器件(b)HMOS型器件(c)CHMOS型器件图2-11MCS-51和外部时钟的连接方式2.4CPU时序3、时钟信号振荡信号（其周期为振荡周期）频率的二分频为状态信号，其周期为状态周期S，也叫时钟周期；一个状态周期的两个振荡信号称作两个相位P1、P2，也叫两个拍节。2.4CPU时序2.4.2机器周期和指令周期机器周期：是CPU访问存储器一次所需要的时间。是单片机的重要计时单位。一个机器周期含12个振荡周期、6个状态（S1~S6）若晶振为6MHz，则机器周期为2μs，若晶振为12MHz，则机器周期为1μs。指令周期：完成一条指令所需要的时间，有单、双、四机器周期2.4.3CPU取指、执行周期时序指令的字节数：单、双、三字节下页图绘制出了几类指令的执行时序。2.4CPU时序可通过测量ALE确定CPU是否工作，ALE有时钟的特点。S1S2S3S4S5S6S1S2S3S4S5S6S1S2S3S4S5S6S1S2S3S4S5S6S1S2S3S4S5S6S1S2S3S4S5S6读操作码再读下一个操作码读下一个操作码(丢弃)读操作码读第二字节读下一个操作码读下一个操作码(丢弃)再读下一个操作码读下一个操作码(丢弃)读操作码不取指无ALE地址数据访问外部存储器(a)单字节单周期指令，如INCA(b)双字节单周期指令，如ADDA,#data(c)单字节双周期指令，如INCDPTR(d)单字节双周期指令S1S2S3S4S5S6P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2S1S2S3S4S5S6P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2读操作码不取指再读下一个操作码如MOVX类指令ALEOSC一个机器周期一个机器周期2.5复位及复位电路2.5.1复位操作复位后一些寄存器的状态（见下表）2.5复位及复位电路2.5.2复位信号及其产生RST引脚高电平持续两个机器周期以上，系统便实现复位（CPU在S5P2状态对RST采样）2.5.3复位电路复位电路是单片机应用系统的一部分基本电路。复位操作有上电自动复位和两种方式按键手动复位2.5复位及复位电路下图为上电复位电路、按键电平复位电路和按键脉冲复位电路2.6输入/输出端口结构8051单片机的四个8位并行口是P0(开漏输入/输出,双向口),P1、P2和P3均为准双向口，每一条I/O线都能独立地作输入/输出.准双向口：作输入时，先向端口写1大多数端口线都有双重功能，介绍如下：1、P0口具有双重功能：（1）作为通用I/O，外接I/O设备。（2）作为地址/数据总线。在有片外扩展存储器的系统中，低8位地址和数据由P0口分时传送。2、P1口是唯一的单功能口：作为输入/输出口，P1口的每一