1、第2章 单片机基本原理,2.1 MCS-51系列单片机简介,MCS-51系列单片机是美国Intel公司在1980年推出的高性能8位单片机，它包含51和52 两个子系列。对于51子系列，主要有8031、8051、8751 三种机型，它们的指令系统与芯片引脚完全兼容，仅片内程序存储器有所不同，8031芯片不带ROM，8051芯片带4KROM，8751芯片带4KEPROM。51子系列的主要特点为： 8位CPU。 片内带振荡器，频率范围1212MHZ。 片内带128字节的数据存储器。 片内带4K的程序存储器。 程序存储器的寻址空间为64K字节。 片外数据存储器的寻址空间为64K字节。 128个用户位寻
2、址空间。,21个字节特殊功能寄存器。 4个8位的并行I/O接口：P0、P1、P2、P3。 2个16位定时器/计数器 2个优先级别的5个中断源。 1个全双工的串行I/O接口，可多机通信。 111条指令，含乘法指令和除法指令。 片内采用单总线结构。 有较强的位处理能力。 采用单一+5V电源。对于52子系列，有8032、8052、8752 三种机型。52子系列与51子系列相比大部分相同，不同之处在于：片内数据存储器增至256字节；8032芯片不带ROM，8052芯片带8KROM，8752芯片带8KEPROM；有3个16位定时器/计数器；6个中断源。本书以51子系列的8051介绍MCS-51单片机的基
3、本原理,2.2 MCS-51系列单片机的结构原理,2.2.1 MCS-51系列单片机的基本组成,2.2.2 MCS-51系列单片机的内部结构,2.2.3 MCS-51系列单片机的中央处理器（CPU）,一运算部件,运算部件以算术逻辑运算单元ALU为核心，包含累加器ACC（简称A）、B寄存器、暂存器、标志寄存器PSW等许多部件，它能实现算术运算、逻辑运算、位运算、数据传输等处理。,标志寄存器PSW是一个8位的寄存器，它用于保存指令执行结果的状态，以供程序查询和判别。,C（PSW.7）：进位标志位。,AC（PSW.6）：辅助进位标志位。,F0（PSW.5）：用户标志位。,RS1、RS0（PSW.4、
4、PSW.3）：寄存器组选择位。,OV（PSW.2）：溢出标志位。,P（PSW.0）：奇偶标志位（偶）。若累加器A中1的个数为奇数，则P置位，若累加器A中1的个数为偶数，则P清零。,【例2-1】 试分析下面指令执行后，累加器A，标志位C、AC、OV、P的值？ MOV A，#67H ADD A，#58H,加法运算过程如下：,67H=01100111B 58H=01011000B0 1 1 0 0 1 1 1 B + 0 1 0 1 1 0 0 0 B1 0 1 1 1 1 1 1 =0BFH则执行后累加器A中的值为0BFH，由相加过程得C=0、AC=0、OV=1、P=1。,二控制部件,控制部件是单
5、片机的控制中心，它包括定时和控制电路、指令寄存器、指令译码器、程序计数器PC、堆栈指针SP、数据指针DPTR以及信息传送控制部件等。它先以振荡信号为基准产生CPU的时序，从ROM中取出指令到指令寄存器，然后在指令译码器中对指令进行译码，产生指令执行所需的各种控制信号，送到单片机内部的各功能部件，指挥各功能部件产生相应的操作，完成对应的功能。,2.2.4 MCS-51系列单片机的存储器结构,MCS-51单片机存储器结构与一般微机的存储器结构不同，分为程序存储器ROM和数据存储器RAM。程序存储器存放程序、固定常数和数据表格。数据存储器用作工作区及存放数据。,一程序存储器,1程序存储器的编址与访问
6、,MCS-51单片机的程序存储器，从物理结构上分为片内和片外程序存储器，而对于片内程序存储器，在MCS-51系列中，不同的芯片各不相同，8031和8032内部没有ROM，8051内部有4KBROM，8751内部有4KBEPROM，8052内部有8KBROM，8752内部有8KBEPROM。,对于内部没有ROM的8031和8032，工作时只能扩展外部ROM，最多可扩展64K，地址范围为0000HFFFFH,对于内部有ROM的芯片，根据情况外部可以扩展ROM，但内部ROM和外部ROM共用64K存储空间，其中，片内程序存储器地址空间和片外程序存储器的低地址空间重叠。51子系列重叠区域为0000H0F
7、FFH，52子系列重叠区域为0000H1FFFH。,片 外ROMEA=0,片 外 ROMEA=0,片 内 ROMEA=1,片 外 ROM,0000H,FFFFH,0000H,0FFFH,1000H,FFFFH,片 外 ROMEA=0,片 内 ROMEA=1,片 外 ROM,0000H,1FFFH,2000H,FFFFH,（a）片内无ROM,（b）片内有4K ROM,（c）片内有8K ROM,2程序存储器的7个特殊地址,复位地址0000H，,二数据存储器,从物理结构上分为片内数据存储器和片外数据存储器。,1片内数据存储器,对于51子系列，片内数据存储器RAM有128字节，编址为00H7FH；对于
8、52子系列，片内数据存储器有256字节，编址为00HFFH；除了RAM块外，还有特殊功能寄存器（SFR）块，编址为80HFFH ，与52系列RAM后128字节编址重叠的。后者也有128字节，编址为80HFFH；后者与前者的的。访问时通过不同的指令相区分。,片内数据存储器按功能分成以下几个部分：工作寄存器组区、位寻址区、一般RAM区，其中还包含堆栈区。,工作寄存器组区,00H1FH单元为工作寄存器组区，共32个字节。工作寄存器也称为通用寄存器，用于临时寄存8位信息。工作寄存器共有4组，称为0组、1组、2组和3组，每组8个，分别依次用R0R7表示,2.位寻址区,20H2FH为位寻址区，共16字节，
9、128位。这128位每位都可以按位方式使用，每一位都有一个位地址，位地址范围为00H7FH,3.一般RAM区,30H7FH是一般RAM区，也称为用户RAM区，共80字节，对于52子系列，一般RAM区从30HFFH单元。另外，对于前两区中未用的单元也可作为用户RAM单元使用。,4. 堆栈区与堆栈指针,堆栈是按先入后出、后入先出的原则进行管理的一段存储区域。MCS-51单片机中，堆栈是用片内数据存储器的一段区域，在具体使用时应避开工作寄存器、位寻址区，一般设在2FH以后的单元，如工作寄存器和位寻址区未用，也可开辟为堆栈。,5. 特殊功能寄存器,CPU专用寄存器：累加器A（E0H），寄存器B（F0H
10、），程序状态寄存器PSW（D0H），堆栈指针SP（81H），数据指针DPTR（82H、83H）。,并行接口：P0P3（80H、90H、A0H、B0H）。 串行接口：串口控制寄存器SCON（98H），串口数据缓冲器SBUF（99h），电源控制寄存器PCON（87H）。 定时/计数器：方式寄存器TMOD（89H），控制寄存器TCON（88H），初值寄存器TH0、TL0（8CH、8AH）/TH1、TL1（8DH、8BH）。 中断系统：中断允许寄存器IE（A8H），中断优先级寄存器IP（B8H）。,定时/计数器2相关寄存器：定时/计数器2控制寄存器T2CON（CBH），定时/计数器2自动重装寄存器RL
11、DL、RLDH（CAH、CBH），定时/计数器2初值寄存器TH2、TL2（CDH、CCH）。（仅52子系列有）,在表中，字节地址能被8整除的既能按字节方式处理，也能够按位方式处理。,2片外数据存储器,扩展的外部数据存储器最多64KB，地址范围为0000H0FFFFH，通过DPTR作指针间接方式访问，对于低端的256字节，可用两位十六进制地址编址，地址范围为00H0FFH，可通过R0和R1间接方式访问。,说明： 第一，64K的程序存储器和64K的片外数据存储器地址空间都为0000H0FFFFH，地址空间是重叠的，它们如何区分呢？,第二，片内数据存储器和片外数据存储器的低256字节的地址空间是重叠
12、的，它们如何区分呢？,2.2.5 MCS-51系列单片机的输入/输出接口,MCS-51系列单片机有4个8位的并行I/O接口：P0、P1、P2和P3口。它们是特殊功能寄存器中的4个。这4个口，既可以作输入，也可以作输出，既可按8位处理，也可按位方式使用。输出时具有锁存能力，输入时具有缓冲功能。,一P0口,P0口是一个三态双向口，可作为地址数据分时复用口，也可作为通用的I/O接口。它包括一个输出锁存器、两个三态缓冲器、输出驱动电路和输出控制电路组成 ，它的一位结构如图 ：,2,1,&,D,Q,CLK,锁存器,读锁存器,写锁存器,内部总线,读引脚,地址数据,控制,Vcc,GND,P0.x,V2,V1
13、,3,MUX,1,0,当P0口作通用I/O接口时，应注意以下两点： （1）在输出数据时，由于V2截止，输出级是漏极开路电路，要使“1”信号正常输出，必须外接上拉电阻。 （2）P0口作为通用I/O口输入使用时，在输入数据前，应先向P0口写“1”.另外，P0口的输出级具有驱动8个LSTTL负载的能力，输出电流不大于800A,二P1口,P1口是准双向口，它只能作通用I/O接口使用。P1口的结构与P0口不同，它的输出只由一个场效应管V1与内部上拉电阻组成，如图,输入输出原理特性与P0口作为通用I/O接口使用时一样，当其输出时，可以提供电流负载，不必像P0口那样需要外接上拉电阻。P1口具有驱动4个LST
14、TL负载的能力。,三P2口,P2口也是准双向口，它有两种用途：通用I/O接口和高8位地址线。它的1位的结构如图，与P1口相比，它只在输出驱动电路上比P1口多了一个模拟转换开关MUX和反相器3。,1,0,四P3口,P3口1位的结构如图2.9。它的输出驱动由与非门3、V1组成，输入比P0、P1、P2口多了一个缓冲器4。,P3口除了作为准双向通用I/O口使用外，它的每一根线还具有第二种功能。,2.3 MCS-51系列单片机的外部引脚及片外总线,2.3.1 外部引脚,一输入/输出引脚,（1）P0口（3932脚）：P0.0P0.7统称为P0口。在不接片外存储器与不扩展I/O口时，作为准双向输入/输出口。
15、在接有片外存储器或扩展I/O口时，P0口分时复用为低8位地址总线和双向数据总线。 （2）P1口（18脚）：P1.0P1.7统称为P1口，可作为准双向I/O口使用。对于52子系列，P1.0与P1.1还有第二功能：P1.0可用作定时器/计数器2的计数脉冲输入端T2，P1.1可用作定时器/计数器2的外部控制端T2EX。 （3）P2口（2128脚）：P2.0P2.7统称为P2口，一般可作为准双向I/O口使用；在接有片外存储器或扩展I/O口且寻址范围超过256字节时，P2口用作高8位地址总线。 （4）P3口（1017脚）：P3.0P3.7统称为P3口。除作为准双向I/O口使用外，还可以将每一位用于第二功
16、能，而且P3口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能。,二控制线,（1）ALE/PROG（30脚）：地址锁存信号输出端。ALE在每个机器周期内输出两个脉冲。,（2）PSEN（29脚）：片外程序存储器读选通信号输出端，低电平有效。,（3）RST/VPD（9脚）：RST即为RESET，VPD为备用电源。当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平，就可实现复位操作，使单片机回复到初始状态。上电时，考虑到振荡器有一定的起振时间，该引脚上高电平必须持续10 ms以上才能保证有效复位。,（4） /VPP（31脚）：EA为片外程序存储器选用端。该引脚低电平时，选用片外程序存储
17、器，高电平或悬空时选用片内程序存储器。,三主电源引脚,VCC（40脚）：接+5 V电源正端。 VSS（20脚）：接+5 V电源地端。,四外接晶体引脚,XTAL1、XTAL2（19、18脚）：当使用单片机内部振荡电路时，这两个引脚用来外接石英晶体和微调电容，如图2-10（a）。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部时钟时，对于HMOS单片机，XTAL1引脚接地，XTAL2接片外振荡脉冲输入（带上拉电阻）；对于CHMOS单片机，XTAL2引脚接地，XTAL1接片外振荡脉冲输入（带上拉电阻），如图2-11（b）和（c）。,（a）内部时钟方式 （b）HMOS工
18、艺外接时钟 （c）CHMOS工艺外接时钟,2.3.2 片外总线结构,一地址总线地址总线宽度为16位，寻址范围都为64KB。由P0口经地址锁存器提供低8位（A7A0），P2口提供高8位（A15A8）而形成。可对片外程序存储器和片外数据存储器寻址。 二数据总线数据总线宽度为8位，由P0口直接提供。 三控制总线控制总线由第二功能状态下的P3口和4根独立的控制线RST、EA、ALE和PSEN组成。,2.4 MCS-51系列单片机的工作方式,2.4.1 复位方式,在时钟电路工作以后，当外部电路使得RST端出现2个机器周期（24个时钟周期）以上的高电平，系统内部复位。复位有两种方式：上电复位和按钮复位。如
19、图所示。,（a） 上电复位电路 （b） 按钮复位电路,2.4.2 程序执行方式,2.4.3 单步执行方式,所谓单步执行，是指在外部单步脉冲的作用下，使单片机一个单步脉冲执行一条指令后就暂停下来，再一个单步脉冲再执行一条指令后又暂停下来。它通常用于调试程序、跟踪程序执行和了解程序执行过程。,单片机没有单步执行中断，MCS-51单片机的单步执行也要利用中断系统完成。MCS-51的中断系统规定，从中断服务程序中返回之后，至少要再执行一条指令，才能重新进入中断。,将外部脉冲加到INT0引脚，平时让它为低电平，通过编程规定INT0为电平触发。那么，不来脉冲时INT0总处于响应中断的状态。 在INT0的中
20、断服务程序中安排下面的指令： PAUSE0：JNB P3.2，PAUSE0 ；若INT0=0，不往下执行 PAUSE1：JB P3.2，PAUSE1 ；若INT0=1，不往下执行 RETI ；返回主程序执行下一条指令,2.4.4 节电方式,一HMOS单片机的掉电方式,HMOS芯片本身运行功耗较大，这类芯片没有设置低功耗运行方式。为了减小系统的功耗，设置了掉电方式，RST/Vpd端接有备用电源，即当单片机正常运行时，单片机内部的RAM由主电源Vcc供电，当Vcc掉电，Vcc电压低于RST/Vpd端备用电源电压时，由备用电源向RAM维持供电，保证RAM中数据不丢失。这时系统的其它部件都停止工作，包
21、括片内振荡器。,二CHMOS的节电运行方式,HMOS的芯片运行时耗电少，有两种节电运行方式：待机方式和掉电保护方式。以进一步降低功耗，它们特别适用于电源功耗要求低的应用场合。,2.4.5 编程和校验方式,2.5 MCS-51系列单片机的时序,2.5.1 机器周期和指令周期,指令周期： 计算机取一条指令至执行完该指令需要的时间称为指令周期，不同的指令，指令周期不同。单片机的指令周期以机器周期为单位。MCS-51系列单片机中，大多数指令的指令周期由一个机器周期或两个机器周期组成，只有乘法、除法指令须要4机器周期指令。 机器周期：机器周期是单片机的基本操作周期，每个机器周期包含S1、S2、S66个状态，每个状态包含2拍P1和P2，每一拍为一个时钟周期（振荡周期）。因此，一个机器周期包含12个时钟周期。依次可表示为S1P1、S1P2、S2P1、S2P2、S6P1、S6P2。,2.5.2 单机器周期指令的时序,单字节单机器周期指令,双字节单机器周期指令,2.5.3 双机器周期指令的时序,单字节、双机器周期指令的时序,作业 习 题 3、5、7,
