2.mcs-51单片机芯片硬件结构

1第二章MCS51单片机芯片硬件结构2521MCS51系列单片机结构及组成211MCS51系列单片机结构框图MCS51系列单片机属于总线结构2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单片机结构框图振荡器及定时电路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3212MCS51系列单片机组成一个8位CPU包括运算器、控制器以及若干寄存器等部件组成。算术和逻辑运算，可对半字节（4位）和单字节数据进行操作；加、减、乘、除、加1、减1、比较等算术运算；与、或、异或、求补、循环等逻辑运算；布尔处理器。（1）运算器4PC用来存放即将要执行的指令地址，共16位，可对64KROM直接寻址。PC低8位经P0口输出，高8位经P2口输出。（2）程序计数器PC指令寄存器存放指令代码。CPU执行指令过程由程序存储器（ROM）中读取指令代码送入指令寄存器，经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。（3）指令寄存器5时钟电路MCS51芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为XTAL1，输出端为XTAL2。有两种时钟生成电路，内部方式，外部方式。（4）定时与控制部件64K/8K字节程序存储器（ROM）51系列4K字节；52系列8K字节128/256字节数据存储器（RAM）51系列128字节；52系列256字节2/3个16位定时/计数器51系列2个16位定时/计数器；52系列3个7可寻址64K外部数据存储器（RAM）和64K外部程序存储器（ROM）32条可编程I/O口线（4个8位并行I/O端口）一个可编程全双工串行口；五个中断源、两个优先级嵌套中断结构8213MCS51系列单片机芯片引脚182001P71PSSV1XTAL2XTAL181917161514131211109RD73P/WR63P/1T53P/0T43P/1INT33P/0INT23P/TXD13P/RXD03P/RST02P72PCCV212840393200P70P293031PSENPROGALE/EAVPP/80519ALE/（30），ALE允许地址锁存信号。（数据线、地址线复用）当访问外部存储器时，ALE信号负跳变将P0口上低8位地址送入锁存器。PROGALE低电平时，P0口上的内容和锁存器输出一致1）主电源引脚；2）外接晶体或外部振荡器引脚；XTAL1、XTAL2引脚分布（40脚双列直插封装（DIP）方式）3）控制、选通或复用电源引脚10非访问外部存储器期间，ALE以1/6振荡频率输出，访问外部存储器时以1/12振荡频率输出。为编程脉冲输入端，对片内程序存储器进行编程时，此脚输入编程脉冲。PROGRST（9脚）复位信号延续两个机器周期以上的高电平，复位有效。11（29脚）访问外部程序存储器选通信号，低电平有效。PSEN/VPP（31脚）访问内部或外部ROM选择信号。高电平时，访问内部ROM（PC指针超过4K，0FFFH时，自动转向外部ROM），保持低电平，则访问外部ROM。（对于8031，接低电平）EA1EAEA12四个8位双向I/O端口（P0、P1、P2、P3）每一条I/O线都能独立地作输入或输出。P0口（3239）低8位地址/数据线复用或I/O口。P1口（18）常用的I/O口。P2口（2128）常用I/O口或高8位地址线。P3口（1017）双功能口。4）I/O口引脚（32个引脚）13信号引脚的第二功能P3口第二功能7363534333231303PPPPPPPP口线RDWRTTINTINTRXDTXD1010第二功能读选通外部写选通外部计数输入计数器定时器计数输入计数器定时器申请外部中断申请外部中断串行数据接收串行数据发送功能含义RAMRAM1/0/101422MCS51存储器数据存储器（RAM）用来存放程序运行中所需要的常数和变量。当然，全局数据也可以放在RAM中。特点程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）分开，各有各的寻址系统、控制信号和功能。程序存储器（ROM）用来存放程序和始终要保留的数据。15从物理空间上看MCS51单片机有四个存储器地址空间。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16）（K64FFFFH0）（K4FFFH0/H10000EAROM外部1EAROM内部H0000程序存储器映象H0000H0080/FH007RAM内部H0100/FFH00特殊功能寄存器）（K64FFFFH0）（外部K64RAM数据存储器映象8051存储器映象17221程序存储器程序存储器以PC（程序计数器）作地址指针，可寻址空间为64K（0000HFFFFH）字节。8051/8751单片机内部分别驻留4K（0000H0FFFH）字节ROM/EPROM。8031则没有片内程序存储器。188031单片机接低电平。EA51系列单片机64K字节程序存储器统一编址。1EA程序从片内ROM开始执行，当PC值超过片内ROM容量时会自动转向外部存储器空间。0EA程序从外部存储器开始执行。1951系列单片机复位后PC0000H，系统从0000H开始执行程序。安排一条跳转指令。0003H0032H单元被保留专用于中断服务程序（入口地址）。每个中断服务程序只有8个字节单元存放，显然不够，故此8个单元通常放一条跳转指令。指向被实际分配的中断服务程序段。20H0000H0003/H0002H0013/H0012H0023/H0022H0033/H0032BH000/AH000BH001/AH001BH002/AH002）（外部中断0INT0）（外部中断1INT1溢出中断0T溢出中断1T串行口中断溢出中断2TLJMP区用户ROMFFFFH021中断服务程序首地址外部中断0（）0003H定时器0溢出中断000BH外部中断1（）0013H定时器1溢出中断001BH串行口中断0023H定时器2溢出/T2EX（负跳变）002BH0INT0INT22222数据存储器MCS51系列单片机的数据存储器在物理和逻辑上都分为两个地址空间。00H7FH（0127）128字节RAM区；80HFFH（128255）128字节专用寄存器区。23内部RAM低128字节（00H7FH）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FH7H00区用户RAMH00H08/H07H10/FH0H18/H17H20/FH1H30/FH2FH7四个通用寄存器区，每个区有8个工作寄存器R0R7D4D3000区；D4D3011区；D4D3102区；D4D3113区根据程序状态字PSW（特殊功能寄存器，地址D0H）中的D4D3位来指示的。通过对PSW的D4D3的修改，便能任意选择一个工作寄存器区。寄存器区24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EH2FH2H20H21H77FH7H76EH7H75DH7H74CH7H73BH7H72AH7H71H79H70H78H07FH0H06EH0H05DH0H04CH0H03BH0H02AH0H01H09H00H0825用户RAM区（数据缓冲区）单元地址30H7FH在此区域中，用户只能以存储单元（字节）形式使用。通常将堆栈建立在此区域中。26内部RAM高128字节（80HFFH）专用功能寄存器区（SFR）223外部数据存储器以后介绍外部扩展时会讲到27223专用功能寄存器（SFR）分布位置在（内部）RAM区域“80HFFH”中，这区域不做一般RAM使用，而作为专用功能寄存器使用，具体执行功能如下锁存器、定时器、串行口数据缓冲器、各种控制寄存器、状态寄存器等。不同情况执行不同功能28累加器ACC（最常用专用寄存器）暂存寄存器，用于提供操作数和存放运算结果。直接与内部总线相连，所以传输速度很快。一般信息传递和交换都要通过ACC。常用专用功能寄存器29寄存器B乘法指令两个操作数分别取自A、B，其结果放在A、B寄存器队中；除法指令，被除数取自A，除数取自B，商放A，余数放B。30CYACF0RS1RS0OVP程序状态控制字PSWRS1，RS0选择工作寄存器区；（前面提到的第3和第4位）CY高位进位标志，8位运算产生进位或借位；AC辅助进位标志，半字节（4位）进位标志；OV溢出标志位，用于带符号数运算的溢出。P奇偶校验标志位，A寄存器中奇偶性判别。“1”的个数为偶P0；“1”的个数位奇P1F0用户定义标志位可定义成“0”或者“1”，用于判断程序的转向等等，它不是系统产生的，是用软件的形式写入或者清除的。程序执行过程中，状态控制字始终跟踪着程序的执行，一条语句执行完后，处于什么状态，从状态字中能够反映出来。31数据指针DPTR16位寄存器，DPH（高8位），DPL（低8位）用来访问外部RAM的地址寄存器，地址范围64K。“端口P0P3”与“专用寄存器P0P3”“端口名”和“寄存器名”一一对应可采用直接寻址方式参与操作。MOVA，P032串行数据缓冲器SBUF存放欲发送或已接收的数据。虽然用一个缓冲器99H，但却以两个独立的缓冲器出现。一个发送，一个接收。一个名字一个地址/单元（99H）两个作用（接收和发送）发送和接收不会同时进行。定时器/计数器两个16位定时/计数器T0、T1。各有两个8位独立寄存器组成，TH0、TL0，TH1、TL1。其他控制寄存器33寄存器位地址/位定义地址F7F6F5F4F3F2F1F0位地址BF0H字节地址E7E6E5E4E3E2E1E0ACCE0D7D6D5D4D3D2D1D0PSWCYACF0RS1RS0OV/PD0HBFBEBDBCBBBAB9B8IPB8HB7B6B5B4B3B2B1B0P3P37P36P35P34P33P32P31P30B0HIEA8HA7A6A5A4A3A2A1A0P2P27P26P25P24P23P22P21P20A0HSBUF99H34位地址和字节地址的区分和表达根据具体语句进行区分，例如1MOVP0,F0因为P0是字节地址，所以此时的F0为“字节地址”。2MOVC,F0因为C是位地址（近位位），所以此时的F0为“位地址”。35SCON98H9796959493929190P1P17P16P15P14P13P12P11P1090HTH18DHTH08CHTL18BHTL08AHTMODGATEC/TM1M0GATEC/TM1M089H8F8E8D8C8B8A8988TCONTF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT088HPCONSMOD/GF1GF0PDIDL87HDPH83HDPL82HSP81H8786858483828180P0P07P06P05P04P03P02P01P0080H注意位地址和字节地址的区分和表达36注意通常情况下，单元地址能够被8整除的，通常都能够进行“位寻址”或称为“位操作”例如80H,88H等等。3723并行I/O端口电路（了解即可）QQDCP写入内部总线读锁存器读引脚X0PCCV数据地址/控制锁存器MUXP0口地址/数据复用口38锁存器数据输出三态输入数据缓冲器多路转换器MUX，控制电路数据输出时（写P0口）由于锁存器的存在，故P0端口可以直接和外设相连外设发光二极管，继电器等等。内部写脉冲加在D触发器CP端，数据写入锁存器，由端口引脚输出。作为一般I/O口使用39数据输入时（读P0口），有两种情况读引脚读芯片引脚上的数据，“读引脚”缓冲器打开，通过内部数据总线读入；MOV指令的读口操作。读端口通过打开读锁存器缓冲器读锁存器Q端的状态，例如语句ANLP0，A。（将P0与A的内容“与”以后再放入P0中）作为地址/数据复用口使用打开控制与门，使得内部地址/数据线与驱动场效应管栅极反相接通状态。40根据端口特点，P0，P2口结构基本一致，内部有一个多路开关MUX，根据CPU控制可作为I/O口，也可作为外部存储器扩展时用作16位地址总线。P1，P3口结构基本一致，为双向口。注意，一般地说，P1口多用作I/O或位操作；而P3口多用于第二功能。41P0口为三态双向口，扩展外部存储器时，它是地址总线和数据总线的复用（低8位）。低8位地址通过ALE信号负跳变将其锁存在外部锁存器中。单独作I/O口用时，由于输出电路是漏极开路，必须外接上拉电阻。能带8个LSTTL门电路。端口功能42P1口常用I/O口，每一位都能作为可编程的输入或输出线。输出端无需上拉电阻。P2口可以作为输入口或输出口使用；但一般作为扩展系统的地址总线，输出高8位地址。与P0口一起组成16位地址总线。P3口双功能口。作为第一功能使用同P1口。第二功能如下表43端口引脚第二功能P30RXD（串行输入口）P31TXD（串行输出口）P320INT（外部中断0输入线，负跳变）P331INT（外部中断1输入线，负跳变）P34T0（定时器0外部输入）P35T1（定时器1外部输入）P36WR（外部数据存储器写选通信号输出）P37RD（外部数据存储器写读通信号输出）P3口第二功能4424振荡器时钟及时序振荡有两种方式外部、内部时钟发生器将震荡频率2分频，为芯片提供一个两相时钟信号。（时钟频率为震荡频率的2分频，而时钟周期为震荡周期的2倍）45时序定时单位（1）拍节P振荡脉冲周期，用P表示；振荡脉冲周期振荡器产生振荡频率，振荡频率由高到低，再由低到高所用的时间为一个震荡周期。（2）状态S时钟信号周期，用S表示；时钟信号由震荡信号通过时钟发生器发送出来的，时钟信号周期是震荡脉冲周期的2倍。46（3）机器周期MCS51采用定时方式，因此有固定的机器周期，一个机器周期等于6个状态周期，12个振荡周期；（4）指令周期执行一条指令所需要的时间（因为指令不同，所以指令周期可长可短）。可包含一、二、三或四个机器周期。机器周期是时钟周期