第1章MCS51单片机结构

发布时间:2021-06-11 06:32:42

第1章 MCS-51单片机结构
单片机原理、接口及应用

第1章 MCS-51单片机结构
内容提要
★MCS-51单片机内部结构 ★存 储 器 ★特殊功能寄存器 ★时钟电路与复位电路 ★引脚功能

第1章 MCS-51单片机结构
1.1.1 概述
MCS-51系列单片机有多种型号的产品: 普通型(51子系列) 8051、8031、8751、89C51、89S51等。 增强型(52子系列) 8032、8052、8752、89C52、89S52等。 它们的结构基本相同,其主要差别反映在存储器的配置上。 8031片内没有程序存储器 8051内部设有4KB的掩模ROM程序存储器 8751是将8051片内的ROM换成EPROM 89C51则换成4KB的闪速EEPROM 89S51结构同89C51, 4KB的闪速EEPROM可在线编程 增强型的存储容量为普通型的一倍
本课以 8XX51 代表这一系列的单片机。

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51系列单片机内部结构如图1-1所示。
基准频率源

计数脉冲

振荡器及 定时电路

4KB/8KB 程序存储器

128/256B 数据存储器

2/3个16位 定时/计数器

CPU

内部中断

64KB

总线扩展控制

可编程 并行I/O口

可编程 串行I/O口

外部中断

控制

P0 P1 P2 P3 串行输出 串行输入

图1-1 ( 图中“/” 两边分别为基本型和增强型 )

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1.1.2 CPU
CPU是单片机的核心部件。它由运算器和控制器等部件组成。 1. 运算器
运算器的功能是进行算术运算:加、减、乘、除、加1、减1 、比较、BCD码十进制调整等 逻辑运算:与、或、异或、求反、循环等逻辑操作 位操作:内部有布尔处理器,它以进位标志位C为位累加器 ,用来处理位操作。可对位置 “1”、对位清零 、位判断等 。 操作结果的状态信息送至状态寄存PSW。

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2.程序计数器PC 程序计数器PC是16位的寄存器,用来存放即将要执行的指
令地址,可对64KB程序存储器直接寻址。执行指令时,PC内容 的低8位经P0口输出,高8位经P2口输出。 3.指令寄存器
指令寄存器中存放指令代码。CPU执行指令时,由程序存储 器中读取的指令代码送入指令存储器,经指令译码器译码后由 定时与控制电路发出相应的控制信号,完成指令功能。

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1.2 存 储 器
MCS-51的储存器结构与常见的微型计算机的配置方法 不同,它将程序存储器和数据存储器分开,各有自己的寻址 方式、控制信号和功能。 程序存储器用来存放程序和始终要保留的常数。 数据存储器存放程序运行中所需要的常数和变量。 从物理空间看,MCS-51有四个存储器地址空间:
片内数据存储器、片外数据存储器 片内程序存储器、片外程序存储器 MCS-51存储器物理结构见下图所示:

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内部数据 存储器

外部程序 存储器

外部数据 存储器

内部程序 存储器 8XX51

(ROM)

(RAM)

MCS-51存储器物理结构

从逻辑上看,MCS-51有三个存储器空间: 片内数据存储器、片外数据存储器 片内、片外统一编址的程序存储器
MCS-51的存储器逻辑结构如图1-2所示。

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1.2.1 程序储存器
程序存储器用来存放编制好的始终保留的固定程序和 表格常数。程序储存器以程序计数器 PC 作为地址指针, 通过16位地址总线,可寻址的地址空间为64KB。
在8051/8751/89C51 片内,分别内置最低地址空间的 4KB ROM/EPROM程序储存器(内部程序储存器),而在8031 片内,则无内部程序储存器,必须外部扩展EPROM。MCS-51 单片机中64KB内、外程序储存器的地址是统一编排的。

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8031单片机无内部程序存储器,地址从0000H~FFFFH都
是外部程序存储空间。EA应始终接地, 对于内部有ROM的单片机(51、52系列) ,EA 引脚接高
电*,使程序从内部ROM开始执行。当PC值超出内部ROM的容 量时,会自动转向外部程序存储器空间。外部程序存储器地 址空间为1000H~FFFFH。
访问程序存储器使用MOVC指令。

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程序存储器中的几个特殊地址的使用:

地址

用途

0000H

复位操作后的程序入口

0003H

外部中断0服务程序入口

000BH 0013H 001BH

定时器0中断服务程序入口 外部中断1服务程序入口 定时器1中断服务程序入口

0023H

串行口中断服务程序入口

由于两入口地址之间的存储空间有限,因此在编程时,通常在这些 入口地址开始的两三个地址单元中,放入一条转移类指令,已使相应的 程序转到指定的程序存储器区域中执行。

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1.2.2 外部数据存储器
用于存放随机读写的数据。 外部I/O口地址影像区。 MCS-51单片机的外部数据存储器和外部I/O口实行统一编
址 ,并使用相同的 R作D选W通R 控制信号,均使用 MOVX 指
令访问。 MCS-51 单片机最多可扩展64KB外部数据存储器
1.2.3 内部数据储存器
内部数据存储器是使用最多的地址空间,存放随机读写 的数据
通用寄存器区

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堆栈区 运算操作数存放区 指令(算术运算、逻辑运算、位操作运算等)的操作数 只能在此地址空间或特殊功能寄存器地址空间。 内部数据存储器的地址分配
51 系列单片机内部数据存储器地址范围为00~7FH。各 区域地址见下表。 (1)地址 0~1FH的前32个单元称为寄存器区 用途:① 作通用寄存器R0~R7。
② R0与R1可作间址寄存器使用。

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使用时应注意:
32个单元的寄存器区分为四组,使用时只能选其中一组寄存器。

寄存器的选组由程序状态字PSW的RS1和RS0位定。

RS1 RS0

选寄存器组

0

0

0组

0

1

1组

1

0

2组

1

1

3组

初始化时或复位时,自动选中0组。

一旦选中一组,其它三组只能作为数据存储器使用,而不能作为寄存 器使用。

设置多组寄存器可以方便保护现场。

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(2)20H~2FH为位地址区 共16个单元,每单元有八个位,每位有一个位地址,共
128位,位地址范围为00H~7FH,该区既可位寻址,又可字节 寻址。
如 MOV 20H,C (这里C是Cy进位标志位),该指令是将Cy内 容送20H位,如果Cy=1,位20H值为“1”。
(3)除选中的寄存组以外的存储器均可以作为通用RAM区。 (4)堆栈区
8XX51单片机的堆栈设在内部RAM区,深度不大于128字 节,初始化时SP指向07H。
注: 对51基本型单片机只有00H-7FH单元128字节的 RAM区。对52增强型的单片机还有80H-FFH组成的高128字节RAM 区(共256字节RAM )。

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1.3特殊功能寄存器
MCS-51单片机共有21个字节的特殊功能寄存器用英文缩 写SFR (Special Fuction Register)表示。 1.用途: A 累加器、状态标志寄存器 单片机内部各部件专用的控制、状态寄存器 并行口、串行口影射寄存器 2.地址空间: 21个特殊功能器不连续的分布在80H~FFH 128个字节地 址空间,见表1-2。 地址为X0H和X8H是可位寻址的寄存器,表1-2中用“*”表示。

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表1-2中还标注了各SFR的名称、字节地址、可寻址位的位 地址和位名称。
21个特殊功能寄存器的名称及主要功能介绍如下,详细的 用法见后面各节的内容。
A—累加器,自带有全零标志Z,A=0则Z=1;A≠0则Z=0。 该标志常用于程序分支转移的判断条件。
B—寄存器,常用于乘除法运算(见第2章)。 PSW—程序状态字。主要起着标志寄存器的作用,其8位定 义见表1-3。

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D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 位地址

CY AC F0 RS1 RS0 OV -

P

位名称

其中

CY:进/借位标志

反映最高位的进位借位情况,加法为进位、减



为借位。

CY=1,有进/借位 ; CY=0,无进/借位。

AC:辅助进/借位标志

反映高半字节与低半字节之间的进/借位,

AC=1有进/借位; AC=0无进/借位 。

FO:用户标志位。可由用户设定其含义。

RS1,RS0:工作寄存器组选择位。

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OV:溢出标志 反映补码运算的运算结果有无溢出 有溢出 OV=1,无溢出OV=0。
-:无效位。 P:奇偶标志
运算结果有奇个“1”,P=1;运算结果有偶个“1”,P=0。 影响标志位的指令及其影响方式见第2章。 SP—堆栈指针。8XX51单片机的堆栈设在片内RAM, 对堆栈的操作包括压入(PUSH)和弹出(POP)两种方式, 并且遵循后进先出的原则,但在堆栈生成的方向上,与 8086正好相反8XX51单片机的堆栈操作遵循先加后压,先弹 后减的顺序,按字节进行操作。

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DPTR——数据指针寄存器 用来存放16位地址值,以便用间接寻址或变址寻址片
外存储器。DPTR可分成DPL和DPH两个8位寄存器分别使用。 P0 P1 P2 P3——I/O端口寄存器
是四个并行I/O端口映射入SFR中的寄存器。通过对该 寄存器的读/写,可实现从相应I/O端口的输入/输出。 例如:指令 MOV P1,A实现了把A累加器中的内容从P1端口 输出的操作。指令MOV A,P3实现了把P3端口线上的信息输 入到A中的操作。

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此外还有如下寄存器,它们将在后面章节介绍: IP——中断优先级控制寄存器。 IE——中断允许控制寄存器。 TMOD——定时器/计数器方式控制寄存器。 TCON——定时器/计数器控制寄存器。 TH0,TL0——定时器/计数器0。 TH1,TH1——定时器/计数器1。 SCON——串行端口控制寄存器。 SBUF——串行数据缓冲器。 PCON——电源控制寄存器。

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注: 在52子系列中,高128字节RAM和SFR的地 址是重叠的,究竟访问哪一块可通过不同的寻 址方式加以区分,访问高128字节RAM采用寄存 器间址,访问SFR则只能采用直接寻址,访问低 128字节RAM时,两种寻址均可采用。

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1.4 时钟电路与复位电路 1.4.1 时钟电路

单片机的时钟信号用来提供单片机内各种微操作时间基

准,8XX51单片机的时钟信号通常有两种电路形式:

内部振荡方式和外部振荡方式。

C01

内部振荡方式:

XTAL2

在引脚 XTAL1和 XTAL2外接晶体振

C02

XTAL1

荡器(简称晶振)如图1-3所示。

GND

★电容器C01、C02起稳定振 荡频率、快速起振的作用。 电容值一般为 5~30PF。

8XX51
图1-3 内部振荡方式

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由于单片机内部有一个高增益运算放大器,当外接晶振后,就构成了 自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。

外部振荡方式是 把已有的时钟信号引入 悬空
单片机。这种方式适宜 外部 用于使单片机的时钟与 时钟
外部信号保持一致。外
部振荡方式如图1-4所
示。

XTAL2 XTAL1 GND
8XX51
CHMOS

外部 时钟
悬空

XTAL2
XTAL1 GND
88XXXX5511
HMOS

对HMOS的单片机(8031、 图1-4外部振荡方式

8031AH等)外部时钟信号由XTAL2引入,对于CHMOS的单 片机(8XCXX),外部时钟由XTAL1引入。

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1.4.2 基本时序单位
单片机的时序单位有: 振荡周期:晶振的振荡周期,又称时钟周期,为最小的
时序单位。 状态周期:振荡频率经单片机内的二分频器分频后提供
给片内CPU的时钟周期。因此,一个状态周期包含2个 振荡周期。 机器周期(MC):1个机器周期由6个状态周期及12个振 荡周期组成。是计算机执行一种基本操作的时间单位。

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指令周期:执行一条指令所需的时间。一个指令周期由1~4 个机器周期组成,依据指令不同而不同。 4种时序单位中,振荡周期和机器周期是单片机内计算 其他时间值(例如,波特率、定时器的定时时间等)的基 本时序单位。
例:单片机外接晶振频率12MHZ时的各种时序单位: 振荡周期=1/fosc=1/12MHZ=0.0833us 状态周期=2/fosc=2/12MHZ=0.167us 机器周期=12/fosc=12/12MHZ=1us 指令周期=(1~4)机器周期=1~4us

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1.4.3 复位电路
复位操作则使单片机的片内电路初始化,使单片机从 一种确定的状态开始运行。 当MCS-51系列单片机的复位引脚 RST出现 5ms以上的高 电*时,单片机就完成了复位操作。如果RST持续为高 电*,单片机就处于循环复位状态。 复位操作通常有2种基本形式: 上电复位 开关复位

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上电复位要求接通电源后,自动实现复位。 开关复位要求在电源接通的条件下,在单片机运行期 间,用接钮开关操作使单片机复位。 常用的上电且开关复位电路如 图1-5所示。

上电后,由于电容充电,使 RST持续一段高电*时间。当单片 机已在运行过程中时,按下复位键 也能使 RST持续一段时间的高电*,
从而实现上电且开关复位的操作。 通常选择
C=10?f ,R=10K?。

VCC RST
C R 8XX51
图1-5 复位电路

第1章 MCS-51单片机结构

单片机的复位操作是使SFR寄存器进入初始化,不改变片 内RAM区中的内容。

几个主要特殊功能寄存器复位状态归纳如下:

PC=0000H 程序计数器为零表明单片机复位后程序从 0000H地址单元开始执行。

A=00H

表明累加器已被清零。

PSW=00H 表明选寄存器0组为工作寄存器组。

SP=07H 表明堆栈指针指向片内RAM 07H单元,根据 堆栈操作的先加后压法则,第一个被压入的数据被写入 08H单元中。

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P0~P3=FFH 表明已向各端口线写入1,各端口既 可 用于输入又可用于输出。
记住一些特殊功能寄存器复位后的主要状态, 对于熟悉单片机操作,减短应用程序中的初始化 部分是十分必要的。
其它的特殊功能寄存器复位后的状态见教材表1-4。

第1章 MCS-51单片机结构
1.5 引脚功能
8XX51单片机有44引脚的
方形封装形式和40个引脚的双
列直插式封装形式,最常用的
40个引脚封装,见图1-6.
各个引脚的功能说明如下: Vss:接地端。 Vcc:电源端,接+5V。 XTAL1,XTAL2: 接外部晶体或外部时 钟。 RST/VPD:①复位信号输入。 ②接备用电源,当VCC掉电后,在低功 耗条件下保持内部RAM中的数据。

图1-6

第1章 MCS-51单片机结构
ALE/PROG: ①ALE 地址锁存允许。 ALE输出脉
冲的频率为振荡频率的1/6。 ②PROG 对8751单片机片内 EPROM
编程时,编程脉冲由该引脚引入。 PSEN:程序存储器允许。输出读外部 程序存储器的选通信号。 EA/VPP:
① EA =0,单片机只访问外部程序 存储器。
EA =1,单片机访问内部程序存 储器。
②在8751单片机片内EPROM编程期间, 此引脚引入21V编程电源VPP。

图1-6

第1章 MCS-51单片机结构
P0.0~P0.7:P0口,数据/低八位地址复用总线端口。 P1.0~P1.7:P1口,静态通用端口。 P2.0~P2.7:P2口,高八位地址总线端口。 P3.0~P3.7:P3口,双功能静态端口。
在增强型的52系列单片机中,P1.0、P1.1除为端口 线外,还为定时/计数器2的外部引脚 T2和T2EX。

第1章 MCS-51单片机结构
在51系列单片机的2051/1051 型号中因无P0口和P2口总线 引脚,因此只有20个引脚(见 图1.7),由于不能进行外部 扩展,因此无PSEN引脚,它 们内部有一个模拟比较器,相
比较的模拟信号由P1.0 (AIN0)和P1.1(AIN1)输 入,而模拟比较器的输出接 P3.6,在内部已连接,因此外
部无P3.6引脚。

图1-7

第1章 MCS-51单片机结构
1.6 小 结
单片机是集CPU、存储器、I/O接口于一体的大规模集成电路 芯片。MCS-51系列单片机是目前市场上应用最广泛的单片机机型。 本章重点是单片机的内部结构和存储器结构 ★ 51系列单片机内部包含: 一个8位的CPU。 4KB程序存储器ROM(视不同产品型号不同:8031内部无ROM; 8051内部为掩模式ROM;8751为EPROM;89C51内部为FLASH EEPROM)。 128字节RAM数据存储器。

第1章 MCS-51单片机结构
两个16位定时器/计数器。

可寻址64KB外部数据存储器和64KB外部程序存 的控制电路。

储器空间

32条可编程的I/O线(四个8位并行I/O端口)。

一个可编程全双工串行口。

具有两个优先级嵌套中断结构的五个中断源。

★ 掌握51系列单片机各存储空间的地址分配,使用特点及数据
操作方法。现将此内容归纳于教材表1-5中,此表是编程和硬件 扩展的基础,相当重要,务必要熟记和掌握。


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