1、第二章 MCS-51系列单片机的硬件结构,第一节总体概况 主要功能 MCS-51系列单片机是Intel公司1980年推出的高性能8位单片微型计算机，包括51和52子系列。 在51子系列中，主要有8031、8051、8751三种机型，它们的指令系统和芯片引脚完全兼容，仅片内ROM有所不同。,51子系列的主要功能为： 8位CPU 。 片内带振荡器，振荡频率fosc范围为 1.212MHz；可有时钟输出。 128个字节的片内数据存储器。 4K字节的片内程序存储器（8031无）。 程序存储器的寻址范围为64K字节。 片外数据存储器寻址范围为64K字节。 21个字节专用寄存器。 4个8位并行I/O接口：
2、P0、P1、P2、P3。 1个全双工串行I/O接口，可多机通信。,2个16位定时器/计数器 。 中断系统有5个中断源，可编程两个优先级。 111条指令，含乘法指令和除法指令。 有强的位寻址、位处理能力。 片内是单总线结构。 用单一 +5V电源。,52子系列主要有8032、8052种机型。 与51子系列不同处为： 片内数据存储器增至256个字节； 片内程序存储器增至8KB（8032无）； 有3个16位定时器/计数器； 中断系统有6个中断源 。 其他性能都和 51子系列相同。,内部结构框图,编程结构图,外部引脚说明,MCS-51系列单片机芯片有40个引脚。 HMOS (High-performan
3、ce MOS)工艺的芯片采用双列直插式封装，CMOS工艺的芯片也有方型式封装的。,外部引脚说明,各引脚说明如下： 主电源引脚 外接晶体引脚 输入/输出引脚 控制线,外部引脚说明,归纳起来有两点： 功能多，引脚少，许多引脚有第二功能。 单片机对外呈三总线形式。,第二节 微处理器,运算器 微处理器又称CPU，由运算器和控制器组成。 运算器在图2-1的中部，如右,运算器,算术逻辑单元 在控制器所发出的内部控制信号的控制下进行各种算术、逻辑操作。 51的ALU除了能完成一般操作外，其特点是： 在B寄存器配合下，能完成乘法与除法操作。 可进行多种内容交换操作。 能作比较判跳操作。 有很强的位操作功能。,
4、运算器,累加器 累加器A是最常用的专用寄存器。 进入ALU作算术操作和逻辑操作的操作数很多来自A ，操作的结果也常送回A。 许多单操作数指令都是针对A的。 如 INC A、 CLR A、 RL A 大量双操作数指令的一个操作数 也来自A。 如 ADD A，#dataANL A，#data,运算器,程序状态字 程序状态字PSW是8位寄存器。,程序状态字,进位标志位C（PSW.7)： 在执行某些算术操作类、逻辑操作类指令时，可被硬件或软件置位或清零。如8位加法运算结果的最高位D7有进位，或者减法运算结果的最高位D7有借位，C=1；没有进位或借位，C=0。 半数以上的位操作类指令都与C有关，可见在位
5、处理时，它起“位累加器”的作用。 如 ORL C，bit,程序状态字,辅助进位标志位AC（PSW.6)： 8位加法运算时，若低半字节的最高位D3有进位，AC=1，否则AC=0 ； 8位减法运算时，若低半字节的最高位D3有借位，AC=1，否则AC=0。 在BCD码运算时进行二-十进制调整被用到,程序状态字,辅助进位标志位AC（PSW.6)： 8位加法运算时，若低半字节的最高位D3有进位，AC=1，否则AC=0 ； 8位减法运算时，若低半字节的最高位D3有借位，AC=1，否则AC=0。 软件标志位F0 （PSW.5)： 这是用户定义的一个标志位。,程序状态字,工作寄存器组选择位RS1、RS0（PS
6、W.4、PSW.3)： 可用软件置位或清零，以选定4组工作寄存器之一投入工作。,程序状态字,溢出标志位OV（PSW.2)： 在进行8位补码加、减法运算时，OV=1，表示溢出（结果超出-128127范围）； OV=0，表示没有溢出。 （无符号数加减也影响，OV=C6 + C7) 乘法：MUL AB 当积255时 ，OV=1，否则OV=0。 除法：DIV AB 当B中为0时， OV=1，否则OV=0。,程序状态字,奇偶标志位P （PSW.0)： 每执行一条指令，单片机都能根据累加器A中1的个数的奇偶自动令置位或清零。 奇为1，偶为0。,例2-1试分析执行指令MOV A，#7FHADD A，#47H
7、 后，累加器A、C、AC、OV、P的内容是什么？,0111 1111 （7FH）,0100 0111 （47H）,0,、,例2-1试分析执行指令MOV A，#7FHADD A，#47H 后，累加器A、C、AC、OV、P的内容是什么？,0111 1111 （7FH）,0100 0111 （47H）,0,1,1,、,、,、,例2-1试分析执行指令MOV A，#7FHADD A，#47H 后，累加器A、C、AC、OV、P的内容是什么？,0111 1111 （7FH）,0100 0111 （47H）,0,0,0,1,1,、,、,、,、,、,例2-1试分析执行指令MOV A，#7FHADD A，#47H
8、 后，累加器A、C、AC、OV、P的内容是什么？,0111 1111 （7FH）,0100 0111 （47H）,1,0,0,0,0,1,1,、,、,、,、,、,、,、,例2-1试分析执行指令MOV A，#7FHADD A，#47H 后，累加器A、C、AC、OV、P的内容是什么？,0111 1111 （7FH）,0100 0111 （47H）,（C6H）,1,0,0,0,0,1,1,1,、,、,、,、,、,、,、,（A）= C6H,C=0 AC=1,OV=1,P=0,控制器,在图2-1的左下方。 含指令寄存器、指令译码器、定时及控制电路，能根据不同的指令产生相应的操作时序和控制信号。,振荡器和
9、CPU时序,振荡器 51单片机内含一个高增益的反相放大器，通过XTAL1、XTAL2外接作为反馈元件的晶体后，构成自激振荡器。 也可采用片外振荡器。 接法见表2-2,振荡器和CPU时序,CPU时序 振荡器输出的脉冲经过2分频成为内部时钟信号，用作单片机内部各功能部件按序协调工作的控制信号；其周期称为时钟周期（也称状态周期）。 6个时钟周期构成1个机器周期。 CPU执行一条指令的时间称为指令周期。 指令周期以机器周期为单位。51单片机除乘法指令、除法指令是4周期指令外，其余都是单周期指令和双周期指令。,振荡器和CPU时序,CPU时序 以S1、S2、S6表示一个机器周期的6个时钟周期，已P1、P2
10、表示每个时钟周期的2个节拍，则一个机器周期依次有S1P1、S1P2、S2P1、S2P2、S6P2等12个振荡周期。除了访问片外数据存储器外，ALE脉冲于每个机器周期的S1P2至S2P1及S4P2至S5P1期间各发生一次。,振荡器和CPU时序,第三节 存储器,既然是单片微机，片内除CPU外，必然还有存储器。目前一般计算机常用的是von neumann结构，即数据与程序合用一个存储空间； 而单片机大多采用harvard结构，即数据存储空间与程序存储空间相互分离开来。 一般把ROM用作程序存储器，而RAM用作数据存储器。,第三节 存储器,MCS-51系列单片机内含存储器的容量,程序存储器,编址与访问
11、 程序计数器PC指明取指令的地址，PC有16位，程序存储器可寻址范围（地址空间）是64KB。 程序存储器编址从0000H开始，最大可至FFFFH。 64KB程序存储器空间由片内程序存储器空间和外部程序存储器空间组成。 在8051/8951片内，分别驻留最低地址空间的4KB的ROM/EPROM，而8031则无内部程序存储器，需外部扩展EPROM。 8052内部驻留最低地址空间的8KB ROM，8032无内部程序存储器，同样需外部扩展EPROM。,程序存储器,程序存储器编址规律为：先片内，后片外，片内、片外连续，二者一般不重叠。,51子系列,52子系列,程序存储器,7个特殊单元 第一个是0000H
12、单元。计算机系统复位后自0000H单元开始执行程序。 另外6个则对应中断源,数据存储器,编址与访问 51单片机的数据存储器地址空间分为片内RAM和片外RAM独立的两部分。 片内RAM用8位寻址，不使用三总线； 片外RAM用16位寻址，使用三总线，可寻址范围（地址空间）是64KB，编址从0000H开始，最大可至FFFFH。 从软件的角度看，访问内部数据存储器，用MOV指令；访问片外RAM，用MOVX指令。,数据存储器,在51系列单片机中，除了有片内RAM外，还有特殊功能寄存器(SFR)，也占有128B的地址空间。内部数据存储器在地址空间上又可以区分为前128B和后128B两块： 00H7FH(0
13、127)单元组成低128B的地址空间。 80HFFH(128255)单元组成高128B的地址空间。 在51子系列中，只有128B的RAM和128B的特殊功能寄存器块，后者占有80HFFH(128255)地址空间，两块地址空间是相连的。 在52子系列中，高128B的RAM和128B的特殊功能寄存器块共同占有80HFFH(128255)地址空间，这两块地址空间是重叠的，采用不同寻址方式的指令来访问这部分地址空间可以区别是访问高128B的RAM ，还是访问SFR 。,数据存储器,数据存储器的编址图51子系列 52子系列,数据存储器,当只需要扩展少量片外数据存储器，容量不超过256个单元时，也可以按8
14、位二进制数编址，从00H开始，最大可至FFH。 此外，使用位操作指令还可以访问某些片内RAM与SFR块单元其中的一位，这些位也是按8位二进制数编址，从00H开始，最大可至FFH。构成另一个独立的地址空间-“位地址”空间。 对于这些不同的地址空间，是通过采用不同的指令来加以区别的，不会造成混淆。,数据存储器,数据存储器,片内数据存储器 右为51子系列单片机片内RAM的配置图。共分三个区域： 工作寄存器区 位寻址区 数据缓冲区,32个单元 00H1FH,16个单元 20H2FH 前128个位地址 位地址：00H 7FH,80个单元 30H7FH,数据存储器,（1）工作寄存器区 工作寄存器也称通用寄
15、存器，R0R7共8个。 工作寄存器区有32个单元，分成4个组。每组8个单元，用作8个寄存器，都以R0R7来表示。 PSW中RS1、RS0指定哪一组是当前正在工作的工作寄存器组，其它工作寄存器组不工作，待用。,数据存储器,CLR PSW.4 SETB PSW.3 MOV R0,#28H第三条指令将28H送 入工作寄存器1组的 R0,即送入片内RAM 的08H单元.,数据存储器,（2）位寻址区 每位都被编址。 8bit16=128bit 00H7FH 可用为标志、状态、位变量,数据存储器,数据存储器,（3）数据缓冲区 用户RAM有80个单元，30H7FH（52子系列有208个单元，30HFFH）。
16、 由于三个区统一编址，前两个区（工作寄存器区、位寻址区）也可按字节访问，所以对于没有使用的前两个区的单元，也可作为用户RAM使用。 （4）堆栈和堆栈指针 片内RAM的部分单元还可作为堆栈使用。 51单片机复位后，堆栈指针SP=07H，堆栈栈顶从08H单元开始使用。为了不占工作寄存器区、位寻址区，可将SP用指令置为2FH或更大值。如果SP=2FH，则栈顶从30H单元开始使用。,数据存储器,特殊功能寄存器块特殊功能寄存器（SFR）也称专用寄存器。包括累加器A、B寄存器、PSW、并行I/O口、串行I/O口、定时器/计数器、中断系统等，都有专门用途。51单片机将（除PC外的）SFR与片内RAM统一编址
17、，可直接寻址。占用后128个地址空间，80HFFH。,数据存储器,特殊功能寄存器块 51子系列除PC外，有18个专用寄存器，其中3个是双字节的，共占用21个字节。52子系列除PC外，有21个专用寄存器，其中5个是双字节的，共占用26个字节。若地址可被8整除，即地址为xxxxx000B（x0H、x8H。）的是可位寻址的单元。其中有12个可位寻址的单元，共有可寻址位=812-3（未定义）=93位。 字节地址也是该单元最低位的位地址。,数据存储器,特殊功能寄存器块,数据存储器,特殊功能寄存器块,数据存储器,特殊功能寄存器块,第三章 MCS-51系列单片机的指令系统和 汇编语言程序示例,第一节汇编语言
18、与指令系统 汇编语言程序设计的重要性 计算机语言分机器语言、汇编语言、高级语言。 高级语言面向过程。汇编语言面向机器，优秀的程序员编出的程序质量优于高级语言编制的程序（高级语言编制的程序比汇编语言编制的程序长度长出15%200%，程序执行的时间长出50%300%） 。,内部结构框图,编程结构图,数据传送方式,堆栈指针SP（Stack Pointer）是一个专用地址寄存器，它指明栈顶位置，起着管理堆栈的作用。,字长 计算机内部并行处理的数据宽度 (以二进制位计),微机的字长有1、4、8、16、32位。目前国内应用最多的是8、16、32位。 微型计算机结构 CPU集成在一块芯片上，称微处理机或微处
19、理器（Microprocessor）。 存储器也集成在一块块独立的芯片。,第二 节 微处理器,不同型号的CPU的结构有所不同 图1-14是典型的8位微处理器结构框图 这种结构称为编程结构,四、程序计数器PC,程序计数器PC（Program Counter）特殊功能寄存器 复位功能 计数功能 直接置位功能使程序可以顺序执行又可以跳转执行,0000H 74H08H MOV A，#08H 0002H 24H04H ADD A，#04H 0004H 24H05H ADD A，#05H 0006H 02H22H00H LJMP 2200H 0009H 2200H 78H7FH MOV R0，#7FH,四、程序计数器PC,程序计数器PC（Program Counter）特殊功能寄存器 复位功能 计数功能 直接置位功能使程序可以顺序执行又可以跳转执行,以下哪个是用双字节补码表示的-1? A)1001H B)8001H C)FFFEH D)FFFFH 以下哪个是用双字节原码表示的-1? A)1001H B)8001H C)FFFEH D)FFFFH 以下哪个或哪些说法是错误的？ A)CUP每读取一条指令时, PC的内容就自动加1。 B)标志寄存器F，用来存放ALU的运算结果。 C)磁盘属于外围设备组成部分。 D)采用补码表示目的是为了在微机的运算器中就只设置加法器。,
