8051单片机结构原理

23CPU时序24并行I/O端口第二章MCS51单片机结构原理22单片机存储器配置内容提要21单片机内部结构及引脚21MCS51单片机内部结构及引脚MCS51系列单片机是因特公司1980推出的高档8位机分为二个子系列，、三个版本/8KB8052/803252子系列4KB/8751/4KB8051/803151子系列MCS51EPROM掩膜MOS存储器类型单片机系列一、MCS51单片机内部结构内部结构框图如下单片机结构框图频率基准源计数器内部总线中断中断控制并行I/O口串行输入/输出8051振荡器及定时电路4K/8K字节程序存储器ROM128/256字节数据存储器RAM2个16位定时器/计数器8051CPU64K字节总线扩展控制可编程I/O口48位可编程串行口1、中央处理单元CPU（8位）用于数据处理、位操作（位测试、置位、复位）2、只读存储器ROM（4KB或8KB）用于永久性存储应用程序，掩膜ROM、EPROM、EEPROM3、随机存取存取器RAM（256B）用于程序运行中存储工作变量和数据4、并行输入/输出口I/O（32线）用作系统总线、扩展外存、I/O接口芯片5、串行输入/输出口UART（二线）串行通信、扩展I/O接口芯片6、定时/计数器T（16位增量可编程）它与CPU之间各自独立工作，当它计数满时向CPU中断7、时钟电路FOSC分为内部振荡器、外接振荡电路8、中断系统五源中断、两级优先，可编程进行控制。二、MCS51单片机外部引脚封装形式，见右图01P71PSSV1XTAL2XTALRD73P/WR63P/1T53P/0T43P/1INT33P/0INT23P/TXD13P/RXD03P/RST02P72PCCV00P70PPSENPROGALE/EAVPP/182018191716151413121110921284039322930318051引脚分类1、主电源引脚VSS、VCC2、外接晶振引脚XTAL1、XTAL23、控制或复位引脚RST/VPD当出现两个机器周期高电平时，单片机复位。复位后，P0P3输出高电平；SP寄存器为07H；其它寄存器全部清0；不影响RAM状态。参考复位电路如下0时，只访问外部程序存储器,即外ROM1时，访问内部程序存储器,即内ROM/VPP内外ROM选择端对于8751单片机编程时，该端施加编程电压4、输入/输出引脚P00P07；P10P17；P20P27；P30P37四个I/O口，每口八条线；还兼作地址/数据线。EAEAEAALE/PROG地址锁存控制端提供1/6FOSC振荡频率；为其内的EPROM输入编程脉冲PSEN外部程序存储器的读选通信号端22MCS51单片机内存配置一、MCS51单片机的内存结构H00000080HRAM内部00FFH能寄存器特殊功0FFFFH）（外部K64RAM数据存储器H0000007FH0FFFFH0FFFH1EAROM外部0EAROM内部H0000程序存储器1000H物理上分为4个空间，即片内ROM、片外ROM片内RAM、片外RAM逻辑上分为3个空间，即程序内存（片内、外）统一编址MOVC数据存储器（片内）MOV数据存储器（片外）MOVX二、程序存储器寻址范围0000H0FFFFH容量64KB，即地址长度16位1EA，寻址内部ROM；0EA，寻址外部ROM。当PC值超过片内ROM容量时会自动转向外部存储器空间。EA8031单片机接低电平。作用存放程序及程序运行时所需的常数。七个具有特殊含义的单元是0000H系统复位，PC指向此处；0003H外部中断0入口000BHT0溢出中断入口0013H外中断1入口001BHT1溢出中断入口0023H串口中断入口002BHT2溢出中断入口三、内部数据存储器物理上分为两大区域00H7FH即128B内RAM区80HFFH即SFR区。组通用寄存器区第0组通用寄存器区第1组通用寄存器区第2组通用寄存器区第3）（位地址位寻址区FHH220区用户RAMH00H08/H07H10/FH0H18/H17H20/FH1H30/FH2FH7R0、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7即可位寻址，又可字节直接/DIRECT寻址数据缓冲区、堆栈区、工作单元位寻址区（20H2FH）16个字节。168128位，每一位都有一个位地址，范围为00H7FH，位地址区也可作为一般RAM使用。位寻址区单元地址位地址EH2FH2H20H21H77FH7H76EH7H75DH7H74CH7H73BH7H72AH7H71H79H70H78H07FH0H06EH0H05DH0H04CH0H03BH0H02AH0H01H09H00H08四、特殊功能寄存器MCS51单片机内共有22个特殊功能寄存器，包括PC及SFR。PC为程序计数器。它是一个双字节寄存器,寻址范围为0000HFFFFH，即064KB。SFR为特殊功能寄存器。其寻址空间80HFFH其中，51子系列有18个寄存器，占有21个字节；52子系列有21个寄存器，占有26个字节。51子系列SFR的地址分配及位地址见下页表寄存器位地址/位定义地址F7F6F5F4F3F2F1F0BF0HE7E6E5E4E3E2E1E0ACCE0D7D6D5D4D3D2D1D0PSWCYACF0RS1RS0OV/PD0HBFBEBDBCBBBAB9B8IPB8HB7B6B5B4B3B2B1B0P3P37P36P35P34P33P32P31P30B0HIEA8HA7A6A5A4A3A2A1A0P2P27P26P25P24P23P22P21P20A0HSBUF99HSCON98H9796959493929190P1P17P16P15P14P13P12P11P1090HTH18DHTH08CHTL18BHTL08AHTMODGATEC/TM1M0GATEC/TM1M089H8F8E8D8C8B8A8988TCONTF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT088HPCONSMOD/GF1GF0PDIDL87HDPH83HDPL82HSP81H8786858483828180P0P07P06P05P04P03P02P01P0080H注意1、表中共有5个双字节寄存器。2、PC也为双字节寄存器，但是不在80HFFH范围内。3、表中，凡地址能被8整除的寄存器都是可位寻址的寄存器。各寄存器的名称1、算术运算寄存器（1）A累加器。（2）BB寄存器，乘、除法运算用。（3）PSW程序状态字寄存器包含程序运行状态、信息。CY进位/借位标志；位累加器。AC辅助进/借位标志；用于十进制调整。F0用户定义标志位；软件置位/清零。OV溢出标志；硬件置位/清零。P奇偶标志；A中1的个数为奇数P1；否则P0。RS1、RS0寄存器区选择控制位。000区R0R7011区R0R7102区R0R7113区R0R7PRS0RS1OVF0ACCYPSW2、指针寄存器（1）程序计数器PC指明即将执行的下一条指令的地址程序存储器地址，在物理上独立，复位时PC0000H。（2）堆栈指针SP指明栈顶元素的地址，8位，可软件设置初值，复位时SP07H。（3）数据指针DPTRDPTR；指明访问的数据存储器的单元地址，16位，寻址范围64KB。DPTRDPHDPL，也可单独使用。3、并行输入/输出端口寄存器P0、P1、P2、P3实为相应端口锁存器。4、串行输入/输出端口（1）串行数据缓冲器SBUF是物理上独立的两个寄存器，共同使用一个地址（99H）。（2）串行控制/状态寄存器SCON控制监视串行口的工作状态（3）电源控制寄存器PCON控制单片机的低功耗工作方式及波特率选择。5、中断系统（1）中断优先级寄存器IP2级优先，可软件设定（2）中断允许寄存器IE6、定时/计数器（1）定时器方式寄存器TMOD（2）定时器控制寄存器TCON（3）计数寄存器TH0、TL0；TH1、TL1。可用于设定计数初值。五、址空间（1）内部RAM20H2FH共16个单元可按位寻址128位。（2）SFR80HFFH51子系列，有11个寄存器，83位；52子系列，有12个寄存器，93位。六、外部数据存储器（1）容量最大扩展到64KB（2）寻址范围0000HFFFFH（3）寻址方式间接寻址可用R0，R1DPTR时钟的基本概念启动单片机后，指令执行顺序取指令分析执行23CPU时序ALE2S6S2S6S3S4S5S3S4S5S1S1S一个机器周期P1P2P1P22S1S6S1S单字节单周期指令例INCA读操作码）读下一个操作码（丢弃3S4S5S以上是单周期单字节指令在执行过程中ALE脉冲、取指操作、执行操作等在时间上的先后关系。时序的定义单片机内的各种操作都是在一系列脉冲控制下进行的，而各脉冲在时间上是有先后顺序的，这种顺序就称为时序。执令周期即从取指到执行完，所需时间。不同机器指令周期不一样；即使相同机器，不同的指令其指令周期也不一样。机器周期机器的基本操作周期。个指令周期含若干机器周期（单、双、四周期）每个状态周期含两个振荡周期，即相位P1、P2。振荡周期由振荡时钟产生。振荡周期TOSC1/FOSC一个机器周期12个振荡周期121/FOSC。例如，若FOSC12MHZ，则一个机器周期1S。状态周期一个机器周期分6个状态周期SIALE2S1S6S1S单字节单周期指令例INCA读操作码）读下一个操作码（丢弃3S4S5S2S1S6S1S3S4S5S读操作码读第二个字节双字节单周期指令例ADDA，DATA2S1S6S3S4S5S2S1S6S3S4S5S读操作码读操作码（丢弃）单字节双周期指令例INCDPTR2P1P1S2S6S2P1P1S2S6S3S4S5S3S4S5S当ALE（ALE信号为振荡频率6分频）正跳变时，对应单片机进行一次读指令操作。一个机器周期二次出现，在S1P2和S2P1及S4P2和S5P1期间。有效宽度为一个状态。（1）单字节单周期指令INCA只需进行一次读指令操作（指令只有一个字节），当第二个ALE有效时，由于PC没有加1，读出的还是原指令。属于一次无效操作。（2）双字节单周期指令ADDA，DATAALE两次读操作都有效，第一次读操作码（指令第一字节），第二次读立即数（指令第二字节）。（3）单字节双周期指令INCDPTR两个机器周期共进行四次读指令操作，但其后三次的读操作都是无效的。时钟的产生XTAL1（19）、XTAL（18）。1、内部方式与作为反馈元件的片外晶体或陶瓷谐振器一起组成一个自激振荡器。2、外部方式CMOS工艺的8031，其XTAL1接外信号；XTAL2可悬空。HMOS工艺的8031，其XTAL2接外信号；XTAL1接地。小结1、MCS51存储结构分配是怎样的2、SFR中各寄存器的名称布置作业P352524并行I/O端口四个端口、双向、每个口包含一个锁存器、一个输出驱动器和二个输入缓冲器。一、P0口1、结构P0口电路图如下图P0口地址/数据复用口QQDCP写入内部总线读锁存器读引脚X0PCCV数据地址/控制锁存器MUX2、通用I/O口1）读（端口外数据内部寄存器）方式1（读锁存器）QG2D内部总线,适于“读修改写”方式2（读引脚）P0XG1D内部总线。作为通用I/O使用，是一个准双向口“在输入数据时应先把口置1，使两个FET都截止，引脚处于悬浮状态，可作高阻抗输入”2）写（片内数据端口）数据锁存MUXP0X3）地址/数据总线口控制MUX写地址/数据为1，P0X高地址/数据为0，P0X低读经缓冲器G1读入4负载能力可带8个TTL输入，驱动NMOS时，接上拉电阻。总结特点（1）P0口可作通用I/O口使用，又可作地址/数据总线口；（2）P0既可按字节寻址，又可按位寻址；（3）P0作为输入口使用时是准双向口；（4）作通用I/O口输出时是开漏输出；（5）作地址/数据总线口时，P0是一真正双向口，而作通用I/O口时，只是一个准双向口。二、P1口1、结构只能作I/O口用，且是一个准双向口。内部已有上拉电阻，不是开漏输出口。2、特点（1）无地址/数据口功能（2）可按字节寻址，也可按位寻址（3）作I/O输入口时是一准双向口，不是开漏输出。三、P2口1、结构2、特点（1）当P2口作为通用I/O时，是一准双向口。（2）从P2口输入数据时，先向锁存器写“1”。（3）可位寻址，也可按字节寻址（4）可输出地址高8位。四、P3口1、结构2、特点（1）作通用I/O时，“