1、第二章 MCS-51单片机 组成与工作原理2-1 MCS-51单片机结构及组成 2-2 MCS-51单片机存储器组织,2-1 MCS-51单片机结构及组成一、系统资源及主要性能特点1、系统资源8051单片机是Intel公司1980推出的高档8位单片机，采 用40脚双列直插封装或44脚方形封装，51、52系列功能兼容。80C51内包括：8位CPU，包含适于布尔处理的处理机；内部4K字节ROM，128字节RAM，外部可扩展到64K；21个特殊功能寄存器；32根IO口线，分四个IO口：P0、P1、P2、P3口；2个16位的定时器计数器；一个中断系统：具有5个中断源，2个优先级；一个全双工串行口；可寻
2、址64K的外部程序、数据存储空间；,2、性能特点单片机为哈佛结构的计算机，除上述基本资源外，还具 有如下特点：外部程序存储器：可扩展到64KB；外部数据存储器：可扩展到64KB；堆 栈：最深128B；输入 / 输出口线：32根；寄 存 器 区：划出RAM中32B作为通用寄存器；具有位寻址功能；单一“+5V”电源； 系统时钟112 MHz，常用12MHz、11.0592MHz 和 6MHz。,二、MCS-51单片机基本结构 1、内部结构框图结构简图如图2-1所示包括：CPU、存储器（ROM、RAM）、I/O接口等计算机的基本组成。,2、外部引脚 共40个引脚，大致可分为四类，其逻辑符号如图2-2
3、所示。1）电源引脚VCC和VSSVCC：40脚，电源端，+5VVSS：20脚，接地端（GND）2）时钟电路引脚XTAL1：19脚，外接晶振输入引脚。XTAL2：18脚，外接晶振输出引脚。3）控制线引脚共4根，其中3根为双功能RST/VPD ：9脚，复位/备用电源。RST-通过外接复位电路实现上电复位或按键复位。VPD-可外接备用电源，在VCC掉电时向RAM供电。, /VPP ：31脚，内外ROM的选择/ EPROM编程电源。=0：访问外部ROM；=1：访问内部ROM；PC值超过0FFFH（4KB）时，自动转向外ROM。VPP -在8751片内EPROM编程期间，为21V编程电源输入端。ALE/
4、 ：30脚，地址锁存允许/编程脉冲。ALE-访问外ROM或RAM时，用来驱动地址锁存器锁存P0口分时送出的低8位地址（下降沿有效）。不访问外存储器时，该端以1/6时钟频率输出正脉冲，可用作为外部时钟。带8个LS型TTL门电路。- 8751片内EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。 ：29脚，读外部ROM选通信号，即该脚有效时（上升沿），外ROM允许输出。每个机器周期2次有效。从内部ROM取指时不产生。可带8个LS型TTL门电路。,4）I/O引脚P0口：P0.0P0.7，3932脚，外接存储器时作地址/数据分时使用口线；不接外部存储器时，可用作为8位准双向 I/O口。P1口：P1.0P1.7，
5、18脚，8位准双向I/O口。P2口：P2.0P2.7，2128脚，8位准双向I/O口。外接存储器时作为高8位地址总线。P3口：P3.0P3.7，1017脚，8位准双向I/O口，出于芯片引脚数的限制，P3口具有第二输出、输入功能。三、微处理器（CPU） （一）运算器 组成：ALU、TMP1、TMP2、A、B、PSW、DA A电路和布尔 处 理机等。,DA A：BCD码十进制修正，由专用电路实现。布尔处理机：进位位CY，被称作“位累加器”，可在任何可寻址的位与CY间进行逻辑运算操作。与通用CPU相比，增加了暂存寄存器和B寄存器（二）控制器组成：PC、SP、DPTR、IR、ID、PLA等1、时钟电路
6、（1）振荡源（oscillation）MCS-51的HMOS（或CMOS）芯片内部时钟电路的振荡源有两种方式提供，即内部自激振荡方式、外部振荡脉冲源方式。,（1）振荡源（oscillation） 内部方式 在XTAL1、XTAL2跨接定时元件和两个电 容就构成了自激振荡器。如图2-3.1所示。C1、C2取530PF，起微调和稳定作用。晶振频率：fosc=1.212MHZ常用频率为6、12、11.0592 MHz。外部方式 外部振荡脉冲信号直接由XTAL1端输入，此时，CMOS单片机XTAL2应悬空，此时 片内振荡电路不起作用，如图2-3.2所示。常用于多块80C51同时工作，以便同步。,（2）
7、时序振荡脉冲并不直接使用，由XTAL2端送往内部时钟电路：经过2分频，向CPU提供2相时钟信号P1和P2；再经3分频，产生ALE时序；经过12分频，成为机器周期信号，如图2-3.3所示。 需要指出的是，CPU的运算操作在P1期间，数据传送在P2期间。,时钟周期：振荡器输出的时钟脉冲频率的倒数。为单片机中最小、最基本的时间单位。 状态周期：振荡信号经2分频后获得的信号周期，称 S，显然，S为时钟周期的2倍。 机器周期：12个时钟周期为一个机器周期，对应计算 机执行一个基本操作所需的时间。 指令周期：执行一条指令所需的时间，至少包含一个 机器周期。 指令字节：指令占用存储空间的字节数，有单字节、
8、双字节、三字节三类。当时钟频率为12MHz和6MHz时，时钟周期分别为 1/12us和1/6us ，机器周期分别为1us和2us。,ALE时序：地址锁存信号，每个机器周期2次有效，分别在S1、S4状态。每次出现，CPU进行一次取指操作。2、复位电路MCS-51单片机的复位信号，高电平有效。电路结构如图2-4, RST/VPD引脚至少保持2个机器周期的高电平，才能复位。 （1）复位工作状态复位时，各SFR寄存器的状态为：（PC）=0000H；（SP）=07H；（P0P3）=FFH；其余SFR寄存器内容均为0；RAM的内容保持不变；外部引脚，ALE=0， =1。,（2）复位电路复位方式有上电自动复
9、位、按键手动复位两种。 如图2-4所示。在按键手动电平复位电路中，具有上 电和按键双重功能。,3、指针 程序计数器 PC 16位计数器，指向程序存储器中被执行的指令所在的地址。本身没有地址，在物理上独立。寻址范围0000FFFFH的64KB空间。 数据指针DPTR 16位地址指针，可寻址范围0000FFFFH 的64KB空间，可指向程序、数据存储器。 堆栈指针SP 8位地址寄存器，SP用来管理堆栈。它指向内部RAM的一个存储单元，且总是指向栈顶单元。MCS-51的堆栈是内部RAM中的一个部分，符合“先进后出、后进先出”原则。,四、存储器MCS-51的程序存储器与数据存储器是分开的，地址空 间重
10、迭，最大可扩展到64KB。 1、程序存储器ROM （1）80C31内部无程序存储器由于8C031无片内程序存储器，需外接，因此， 端必须 外接低电平，如图2-6所示。 （2）80C51、87C51内部有4KB ROM/EPROM=0，使用外部程序存储器；=1，使用内部程序存储器4KB空间，当PC的值超过4KB范围时，自动转向外部程序存储器。 2、数据存储器RAM （1）内部RAM中低128B，007FH； （2）外部RAM，可扩至64KB，0000FFFFH,五、并行输入/输出口MCS-51单片机有4个8位并行I/O口，P0P3，共32根口线。 每个端口都包括：锁存器（即SFR：P0-P3）、
11、输出驱动器、 两个三态缓冲器以及控制电路。结构如下图所示。,1、P1口（90H） 特点： （1）准双向口：作为I/O输入时，口锁存器必须置“1”，使T截止，输入信号通过“读引脚”三态缓冲器进入内部总线。 （2）内部有上拉电阻（20K40K）； （3）CPU读P1口的二种情况：读P1口的锁存器状态值：“读改写”指令。 例ANL P1，#0FH；读P1口的引脚（外部输入）。例MOV A，P1；,2、P3口（B0H）特点： （1）准双向口：条件为第二功能输出端常“1”，与门开锁； （2）第二功能口：作为第二功能口使用时，（P3）=FFH；某 位作为第二功能输入时，第二功能输出也必须置“1”。,第二功
12、能输出：P3.0RXD，串行输出口；P3.6 ，外部数据存储器写选通信号 P3.7 ，外部数据存储器读选通信号第二功能输入：P3.1TXD，串行输入口； P3.2 ，外部中断输入0 ； P3.3 ，外部中断输入1；P3.4T0，外部计数输入0P3.5T1，外部计数输入1； 3、P2口（A0H） 特点： （1）控制端高电平时，作为高8位地址输出口。 （2）控制端低电平时，最小系统（8051、8751）作准双向口。,P2口结构 4、P0口（80H） 特点： （1）控制端高电平时，作为低8位地址和8位数据分时使用口，供扩展时使用。 （2）控制端低电平时，T1截止，使T2漏极开路，输出“1”时须外接上
13、拉电阻，最小系统（80C51、87C51）作准双向。,P0口结构 注意： P0口作地址/数据总线输出时，通过反相器、与门工作。 P0口作外部数据输入时，CPU使T1、T2均截止，引脚浮空，第三态，数据经“读引脚”输入缓冲器进入内部总线-是真正的双向口。,端口小结： （1）系统总线：地址总线（16位）：P0（地址低8位）、P2口（地址高8位） 数据总线（8位）：P0口（地址/数据分时使用）；控制总线（6根）：P3口的第二功能、和9、29、30、31脚； （2）供用户使用的端口：P1口、部分未作第二功能的P3口； （3）P0口作地址/数据时，是真正的双向口，三态，负载能力为8个LSTTL电路；P1
14、P3是准双向口，负载能力为4个LSTTL电路。 （4）P0P3在用作输入之前必须先写“1”，即：（P0）=FFH （P3）=FFH 。,六、MCS-51单片机最小应用系统结构 1、8751/8051最小应用系统外接时钟电路和复位电路，即构成应用系统，如图2-6.1。特点： 1）不扩展外ROM、外RAM， 接高电平，P0P3口都可用作I/O口； 2）128BRAM、4KBROM，容量有限； 3）开发时、应用时P0、P2口的环境差异较大； 4）8051系统应用软件需厂家置入，一般用作为大批量产品。 2、80C31最小应用系统外接时钟电路和复位电路，需外扩一片程序存储器，一 般为EPROM，构成应用
15、系统，如图2-6.2。 特点： 1）P0、P2口只能作总线用，剩下P1、P3口作I/O口。 2） 接地，ALE、 作为地址锁存和读ROM信号。,2-2 MCS-51单片机存储器组织MCS-51存储器可分为五类：程序存储器、内部数据存 储器、特殊功能存储器、位寻址区、外部扩展的数据存储器和 扩展I/O口。如图2-7所示。,一、程序存储器1、程序存储器作用及寻址范围作 用：存放指令（程序）的存储器，用PC作地址指针。寻址范围：0000FFFFH，共64KB；片内、片外统一编址。片内：PC=00000FFFH；片外：PC=1000FFFFH；2、ROM低端的几个特殊入口地址0000H：CPU开始执行
16、指令时的第一个取指单元，每次执行时 PC的内容总是0000H；0003H002B：中断专用固定入口地址（系统规定）；一般：我们总是从ROM的0030H单元开始存放用户指令。,二、内部数据存储器字节地址：007FH；有128个8位单元字节。按功能划分为三个部分： 1、工作寄存器区：001FH （1）共分4个区，0007，080F，1017，181F； （2）每区有8个工作寄存器：R0R7； （3）当前工作寄存器区：由PSW中的第三、第四位选择，具 有快速保护现场数据的作用，也可作为一般的数据缓冲器。 PSW4（RS1） PSW3（RS0） 当前区 字节地址 工作寄存器0 0 0 区 0007H
17、（R0R7）0 1 1 区 080FH （R0R7）1 0 2 区 1017H （R0R7）1 1 3 区 181FH （R0R7）,2、位寻址区： 20H2FH共16个字节，168=128个位，位地址：007FH。51系列整个位地址空间为：00FFH，共211位。 1）007FH为片内RAM中202FH的16个字节单元 中的128个位。 2）80FFH中11个SFR的可寻址位，83位。它们是：A、B、PSW、P0P3、TCON、SCON、IE、IP52系列的SFR可寻址为93位，共221位。 3、数据缓冲区： 30H7FH （1）作为通用的按字节操作的数据缓冲区。 （2）常开辟为堆栈区。堆栈
18、主要为子程序和中断操作而设立，是一种数据结构， 它只允许在其一端进行数据的插入和删除操作，又称为入栈和 出栈，MCS-51的堆栈是向上生长型的。,堆栈的特点： 是一个符合“先进后出、后进先出”的RAM区域 SP总是指向堆栈的顶部（保存有数据）； 堆栈可以设在内部RAM中的任意区域，一般开辟 在307FH中。 堆栈的功能： 保护断点-保护从主程序转向子程序、中断时的断点，发生转移时自动完成。 保护现场-对子程序、中断程序中要用到的、现场的某些寄存器的内容进行保护，以保证返回时确恢复。软件指令方式实现。 数据的临时存放。,三、特殊功能寄存器区：80FFH即SFR，包括I/O锁存器、定时器、串行口、
19、中断、状态、控制寄存器等共21个。离散地分布在80FFH中（不包括PC）。 如下所示：算术运算寄存器：A、B、PSW指针寄存器：SP、DPTR（DPH，DPL）并行口：P0、P1、P2、P3串行口：SCON、SBUF、PCON中断系统：IP、IE定时/计数器：TMOD、TCON、TH0、TL0、TH1、TL1特别需要指出的是，51系列内部RAM，80FFH中未定义 的单位为不可访问单元。,四、外部扩展数据存储器和扩展I/O口外部扩展数据存储器：最大可扩展到64KB，由P3口的第二功能、控制其读、写，并通过MOVX指令访问。扩展I/O口：MCS-51单片机将其看作外RAM的一个单元，与外RAM统一编址，提供16位寻址能力，寻址范围也是64K，但需要注意的是，为区别于外RAM地址，扩展I/O口一般用高端地址。,本章小结,1、单片机结构框图、硬件资源、引脚功能 2、 CPU、存储器配置、P0P3口 3、内部数据存储器、特殊功能存储器、位 地址空间、程序存储器、数据存储器和外部扩展端口 重点：引脚功能、存储器空间结构 难点：存储器地址和存储器的内容难以区 别，字节地址和位地址难以理解,
