二、8051的结构和原理

第二章8051的结构和原理 有关MCS 51机的性能特点 在第一章已作了简单介绍 本节将进一步详细介绍它的结构 使大家对它的性能有更深入的了解 MCS 51的典型产品是8051 8031 8751 8051是ROM型单片机 内部有4KROM 8031无片内ROM 8751片内有4KEPROM 89C51片内有4KEEPROM 除此以外 它们的内部结构及引脚完全相同 本章将以MCS 51系列的8051为典型例子 详细介绍单片机的结构 性能 存储器结构及工作原理等内容 通过对这些内容的掌握 可以起到举一反三 触类旁通的作用 2 1MCS 51单片机的结构 以8051为例给出的单片机功能方块图如下 MCS 51单片机组成框图 8051的内部结构展开图 128 8RAM RAM地址寄存器 P3口 P1口 P2口 P0口 锁存器 锁存器 锁存器 锁存器 中断控制定时 计数器串行I O口 SP 寄存器B 累加器A 暂存器1 暂存器2 程序状态字PSW 指令寄存器IR 指令译码器ID 数据指针DPTR 缓冲器 程序计数器 PC增1 程序地址寄存器AR 定时与控制 4K 8ROM ALU CPU 2 1 1CPU 运算器 CPU 算术 逻辑部件ALU ArithmeticLogicUnit 累加器ACC Accumulator 程序状态字寄存器PSW ProgramStatusWord 暂存寄存器 寄存器B 控制器 定时控制与条件转移逻辑电路 程序计数器PC 指令寄存器IR 指令译码器ID 1 8051的时钟 时钟可以由两种方式产生 内部方式和外部方式 1 内部方式 在XTAL1和XTAL2端外接石英晶体作定时元件 时钟发生器对振荡脉冲二分频 即若石英频率fosc 6MHz 则时钟频率 3MHz fosc可在1 2MHz 12MHz选择 小电容可以取30pF左右 2 外部方式 通过XTAL2接入外部时钟 2 8051的基本时序周期 计算机工作要有严格的时序 事实上 计算机更象一个大钟 什么时候分针动 什么时候秒针动 什么时候时针动 都有严格的规定 一点也不能乱 基本时序单位 3 机器周期 一个机器周期包括6个时钟周期 4 指令周期 执行一条指令的时间 1 振荡周期 晶体振荡器的周期 2 状态周期 振荡周期2分频 也称时钟周期 INTEL对每一条指令都给出了它的指令周期数 MCS 51单片机的所有指令中 有一些完成得比较快 只要一个机器周期就行了 有一些完成得比较慢 得要2个机器周期 还有两条指令要4个机器周期才行 若fosc 6MHz 则8051的 振荡周期 1 6us 时钟周期 1 3us 机器周期 2us 指令周期 2 8us 2 1 28051的片内存储器 8051单片机与一般微机的存储器配置方式很不相同 一般微机通常只有一个逻辑空间 可以随意安排ROM或RAM 访问存储器时 同一地址对应唯一的存储单元 可以是ROM也可以是RAM 并用同类访问指令 这种结构称为普林斯顿结构 冯 诺依曼结构 而MCS 51则不同 8051在物理结构上设计成程序存储器与数据存储器独立分开的哈佛结构 片内程序存储器4KB ROM0000H 0FFFH 片内数据存储器128B RAM00H 7FH 2 1 38051的I O端口 8051有四个8位并行双向I O口P0 P1 P2 P3 一个串行口 2 1 48051的特殊功能寄存器SFR 8051内部有21个特殊功能寄存器 分别叫SP IE IP PCON 与内部RAM统一编址80H FFH 2 2MCS 51单片机的存储器组织 8051在物理结构上有四个存储空间 片内程序存储器 片外程序存储器 片内数据存储器 片外数据存储器 new 片外 片外 程序存储器 数据存储器 8051在逻辑上 即从用户角度上8051有三个存储空间 片内外统一编址的程序存储器片内外不统一编址的数据存储器特殊功能寄存器 片内 一 程序存储器及地址空间 作用 程序存储器用于存放编好的程序和表格常数 8051片内有4K字节ROM 片外用16位地址线最多可扩展64K字节ROM 两者是统一编址的 如果EA端保持高电平 8051执行片内前4KBROM地址 0000H 0FFFH 中的程序 当寻址范围超过4KB 1000H FFFFH 时 则从片外存储器取指令 当EA端保持低电平时 8051的所有取指令操作均在片外程序存储器中进行 这时片外存储器可以从0000H开始编址 在程序存储器中 有6个单元具有特殊功能 0003H 外部中断0入口 000BH 定时器0溢出中断入口 0013H 外部中断1入口 001BH 定时器1溢出中断入口 0023H 串行口中断入口 使用时 通常在这些入口地址处存放一条绝对跳转指令 使程序跳转到用户安排的中断程序起始地址 或者从0000H起始地址跳转到用户设计的初始程序上 0000H 8051复位后 PC 0000H 即程序从0000H开始执行指令 二 数据存储器及地址空间 数据存储器 片外RAM64KB 地址范围0000H FFFFH 片内RAM128B 地址范围00H 7FH 片内数据存储器空间分布图 通用RAM区 80B 位地址区 16B 寄存器区4组 32B 7FH 寄存器3组寄存器2组寄存器1组寄存器0组 寄存器区4组 32B 由PSW中的2位RS1 RS0来决定选哪一组为当前工作寄存器 RS1 RS0 00选0组RS1 RS0 01选1组RS1 RS0 10选2组RS1 RS0 11选3组 在位地址区 每一个BIT都有一个地址 共16 8 128位 00H 30H2FH20H1FH 片内数据存储器空间分布图 通用RAM区 80B 位地址区 16B 7FH 寄存器3组寄存器2组寄存器1组寄存器0组 寄存器0组 寄存器区4组 32B RS1 RS0 00 00H 30H2FH20H1FH 片内数据存储器空间分布图 通用RAM区 80B 位地址区 16B 7FH 寄存器3组寄存器2组寄存器1组寄存器0组 寄存器1组 寄存器区4组 32B RS1 RS0 01 00H 30H2FH20H1FH 片内数据存储器空间分布图 通用RAM区 80B 位地址区 16B 7FH 寄存器3组寄存器2组寄存器1组寄存器0组 寄存器2组 寄存器区4组 32B RS1 RS0 10 00H 30H2FH20H1FH 片内数据存储器空间分布图 通用RAM区 80B 位地址区 16B 7FH 寄存器3组寄存器2组寄存器1组寄存器0组 寄存器3组 寄存器区4组 32B RS1 RS0 11 00H 30H2FH20H1FH 片内数据存储器空间分布图 通用RAM区 80B 位地址区 16B 7FH 寄存器3组寄存器2组寄存器1组寄存器0组 位地址区 00H 30H2FH20H1FH 片内数据存储器空间分布图 通用RAM区 80B 位地址区 16B 00H 30H2FH20H1FH 7FH 寄存器3组寄存器2组寄存器1组寄存器0组 通用RAM区 共80个字节 作为一般的数据缓冲区并可设置堆栈区 三 特殊功能寄存器 21个字节 SFR SpecialFunctionalRegister 见书P6表1 3 与ALU相关的 3个 ARegister Accumulator 累加器 累加器 通常用A或ACC表示 可字节寻址 E0H 也可位寻址 E0H E7H 它是一个寄存器 而不是一个做加法的部件 在运算器做运算时其中一个数一定是在ACC中 BRegister 暂存寄存器 暂存寄存器 在做乘 除法时放乘数或除数及结果 PSW ProgramStatusWord 程序状态字 PSW是8位寄存器 用于作为程序运行状态的标志 这是一个很重要的部件 里面存放了CPU工作时的很多状态 借此 我们可以了解CPU的当前状态 并作出相应的处理 它的各位功能如下 当CPU进行各种逻辑操作或算术运算时 为反映操作或运算结果的状态 把相应的标志位置1或清0 这些标志的状态 可由专门的指令来测试 也可通过指令来读出 它为计算机确定程序的下一步进行方向提供依据 PSW寄存器中各位的名称及位置如下表所示 下面说明各标志位的作用 CY 进位标志 加减运算时 保存最高位进位 借位状态 AC 半进位标志 例 78H 97H01111000 10010111100001111 有进位CY 1 没有半进位AC 0 RS1 RS0 工作寄存器组选择位 00选择工作寄存器0组01选择工作寄存器1组10选择工作寄存器2组11选择工作寄存器3组P 奇偶校验位 它用来表示累加器A内容中二进制数位 1 的个数的奇偶性 若为奇数 则P 1 否则为0 例 某运算结果是78H 01111000 则P 0 F0 用户标志位 作为软件标志 由编程人员决定何时使用 OV 溢出标志位 有符号数运算时 如果发生溢出 OV置 1 否则清 0 与指针相关的 2个 SP StackPointer 堆栈指针 8位寄存器 用来指定堆栈的栈顶位置 初值为07H 它是加1计数 DPTR DataPointer 分成DPH DPL两个 数据指针可以用它来访问外部数据存储器中的任一单元 也可以作为通用寄存器来用 由我们自已决定如何使用 P0 P1 P2 P3 四个并行输入 输出口的寄存器 它里面的内容对应着管脚的输出 SCON SerialControlRegister 串行口控制器 SBUF SerialDateBuffer 串行数据缓冲器 PCON PowerControlRegister 电源控制及波特率选择 与端口相关的 7个 与定时 计数器相关的 6个 TMOD Timer CounterModeRegister 定时器工作模式寄存器 TCON Timer CounterControlRegister 定时器控制寄存器 TH0 TL0 TH1 TL1 分别是T0 T1的记数初值寄存器 IP InterruptPriorityRegister 中断优先控制器 IE InterruptEnableRegister 中断允许控制器 与中断相关的 2个 课堂练习及思考题补充题 下列是关于8051单片机存储空间的描述 分析其对错 a 特殊功能寄存器容量为21B 没有位地址 b 外部数据存储器容量可达64kB 字节地址和位地址范围均为0000H FFFFHc 程序存储器容量可达64kB 字节地址和位地址范围均为0000H FFFFH 课堂练习及思考题补充题 下列是关于8051单片机存储空间的描述 分析其对错 d 内部数据存储器容量为128B 字节地址和位地址范围均为00H 7FHe 特殊功能寄存器容量为21B 有一部分特殊功能寄存器具有位地址 f 程序存储器容量可达64kB 地址范围为0000H FFFFH 2 MCS 51单片机的工作寄存器组如何选择 若PSW的RS1 RS0位的内容是01 那么此时工作寄存器R1的字节地址是多少 3 MCS 51内部RAM的工作寄存器组一共有多少个存储单元 分为多少组 每组有多少个存储单元 分别以什么作为寄存器名 4 8051存储空间的结构与8086 8088有什么不同 它的物理结构是怎样的 5 MCS 51单片机的内部数据存储器容量是多少 它有什么特点 2 3MCS 51单片机的并行端口结构与操作 8051单片机有4个I O端口 每个端口都是8位准双向口 共占32根引脚 每个端口都包括一个锁存器 即专用寄存器P0 P3 一个输出驱动器和输入缓冲器 通常把4个端口笼统地表示为P0 P3 在无片外扩展存储器的系统中 这4个端口的每一位都可以作为准双向通用I O端口使用 在具有片外扩展存储器的系统中 P2口作为高8位地址线 P0口分时作为低8位地址线和双向数据总线 下面简单介绍一下输入 输出端口结构 2 3 1P0口和P2口的结构 下图为P0口的某位P0 n n 0 7 结构图 它由一个输出锁存器 两个三态输入缓冲器和输出驱动电路及控制电路组成 从图中可以看出 P0口既可以作为I O用 也可以作为地址 数据线用 一 P0口的结构 1 P0口作为普通I O口 输出时若驱动NMOS或其它拉流负载时 需要外接上拉电阻 P0的输出级可驱动8个LSTTL负载 输入时 分读引脚或读锁存器读端口时实际上并不从外部读入数据 而只是把端口锁存器中的内容读入内部总线 经过某种运算和变换后 再写回到端口锁存器 读引脚时才真正地把外部数据读入到内部总线 准双向口 在端口进行输入操作前 应先向端口锁存器写 1 使场效应管截止 引脚处于悬浮状态 变为高阻抗输入 这就是所谓的准双向口 2 P0作为地址 数据总线 在系统扩展时 P0端口作为地址 数据总线使用时 分为 P0引脚输出地址 输入数据 P0引脚输出地址 数据信息 二 P2的内部结构 1 P2口作为普通I O口 CPU发出控制电平 0 使多路开关MUX倒向锁存器输出Q端 构成一个准双向口 其功能与P1相同 2 P2口作为地址总线在系统扩展片外程序存储器 数据存储器且容量超过256B时 CPU发出控制电平 1 使多路开关MUX倒内部地址线 此时 P2输出高8位地址 2 3 2P1口 P3口的内部结构 P1口的一位的结构它由一个输出锁存器 两个三态输入缓冲器和输出驱动电路组成 准双向口 P3的内部结构 DQCLKQ P3 n 读锁存器 内部总线 写锁存器 读引脚 VCC R T P3口引脚 第二输入功能 第二输出功能 一 作为通用I O口与P1口类似 准双向口 W 1 W P3的内部结构 DQCLKQ P3 n 读锁存器 内部总线 写锁存器 读引脚 VCC R T P3口引脚 第二输入功能 第二输出功能 二 P3第二功能 Q 1 此时引脚部分输入 Q 1 W 1 部分输出 Q 1 W输出 W 课堂复习 补充题 1 MCS 51单片机的哪些端口 有两种功能 分别是什么功能