第1章MCS-51单片机

1、单片机微型计算机与单片机微型计算机与接口技术接口技术第第第第1 1章章章章MCSMCS- -5151单片机结构单片机结构单片机结构单片机结构lMCS-51MCS-51单片机内部结构单片机内部结构l存存 储储 器器l特殊功能寄存器特殊功能寄存器l时钟电路和复位电路时钟电路和复位电路l引脚引脚 内内 容容 提提 要要1.1.1 概述 51系列单片机内部结构如图1-1所示。 图图1-1 51单片机内部结构P3P1P2 可编程 串行I/O口P0外部中断基准频率源控制 128/256B数据存储器 4KB/8KB程序存储器 2/3个16位定时/计数器 振荡器及 定时电路 CPU 64KB总线扩展控制 可编

2、程并行I/O口内部中断计数脉冲串行输出 串行输入51单片机包含以下几个部分：单片机包含以下几个部分：l一个8位CPU;l一个片内振荡器及时钟电路；l4KB ROM程序存储器；l128B RAM存储器；l64KB外部数据和程序存储器扩展控制电路；l32条可编程I/O线（4个8位并行I/O端口）;l一个可编程双全功串行口；l5个中断源。核心部件。它由运算器和控制器等部件组成。核心部件。它由运算器和控制器等部件组成。 1 1. 运算器运算器 l功能：算术，逻辑运算，位操作功能：算术，逻辑运算，位操作2.2.程序计数器程序计数器PCPCl1616位的寄存器，存放即将要执行的指令地址位的寄存器，存放即将

3、要执行的指令地址3.3.指令寄存器指令寄存器l指令寄存器中存放指令代码。指令寄存器中存放指令代码。 MCS-51 MCS-51将将程序存储器程序存储器和和数据存储器数据存储器分开分开, ,各有自各有自己的寻址方式、控制信号和功能。己的寻址方式、控制信号和功能。l 程序存储器程序存储器存放程序和始终要保留的常数。存放程序和始终要保留的常数。l 数据存储器数据存储器存放程序运行中所需要的常数和变量。存放程序运行中所需要的常数和变量。从从物理空间物理空间看看,MCS-51,MCS-51有四个存储器地址空间：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数据存储器、片外数据存储器片内程序存

4、储器、片外程序存储器片内程序存储器、片外程序存储器 MCS-51MCS-51存储器物理结构见下图所示：存储器物理结构见下图所示： 外部数据 存储器 (RAM)外部程序 存储器 (ROM)内部程序 存储器内部数据 存储器8XX51 从从逻辑上逻辑上看看,MCS-51,MCS-51有三个存储器空间：有三个存储器空间：片内数据存储器、片外数据存储器片内数据存储器、片外数据存储器 片内、片外统一编址的程序存储器片内、片外统一编址的程序存储器 MCS-51存储器物理结构内部数据RAM7FHOOH内部程序ROM0FFFH0FFFHOO00HOO00H(EA=1)内部数据RAM7FHOOH(EA=0)外部数

5、据RAMFFFFH00OOH外部程序ROMFFFFH10OOH10OOH外部数据RAMFFFFH00OOH外部程序ROMFFFFH00OOH00OOH0FFFH0FFFH1000H1000H(EA=1)(EA=1)(EA=0)(EA=0)引脚引脚EAEA决定了决定了4KB4KB程序程序ROMROM地址地址 在片内还是片外在片内还是片外 1.2.1 程序储存器程序储存器l存放编制好的固定程序和表格常数。存放编制好的固定程序和表格常数。l以程序计数器以程序计数器 PCPC作为地址指针，作为地址指针，1616位位地址总线，地址总线，可寻址的地址空间为可寻址的地址空间为64KB64KB。l对于内部有对

6、于内部有ROMROM的单片机，的单片机，EA=1EA=1，使程序先，使程序先从内从内部部ROMROM开始执行。超出内部的开始执行。超出内部的4KB4KB时，会自动转时，会自动转向外部程序向外部程序ROMROM。l访问程序存储器使用访问程序存储器使用MOVC指令。指令。l程序存储器：前一部分程序存储器：前一部分 特殊用途特殊用途后一部分后一部分 存放指令存放指令l程序存储器中的几个特殊地址的使用：程序存储器中的几个特殊地址的使用： 地址地址 用途用途 0000H 0000H 复位操作后的程序入口复位操作后的程序入口 0003H 0003H 外部中断外部中断0 0服务程序入口服务程序入口 000B

7、H 000BH 定时器定时器0 0中断服务程序入口中断服务程序入口 0013H 0013H 外部中断外部中断1 1服务程序入口服务程序入口 001BH 001BH 定时器定时器1 1中断服务程序入口中断服务程序入口 0023H 0023H 串行口中断服务程序入口串行口中断服务程序入口 l用于存放随机读写的数据。用于存放随机读写的数据。l使用相同的使用相同的 作选通控制信号，作选通控制信号，l均使用均使用 MOVXMOVX 指令访问。指令访问。l MCS-51 MCS-51 单片机最多扩展单片机最多扩展64KB64KB外部数据存储器外部数据存储器l是使用最多的地址空间，是使用最多的地址空间，l存

8、放随机读写的数据存放随机读写的数据l通用寄存器区通用寄存器区 RD WRl堆栈区堆栈区l运算操作数存放区运算操作数存放区内部数据存储器的地址分配内部数据存储器的地址分配地址范围地址范围为为00007FH7FH。（1 1）地址）地址 0 01FH1FH的前的前3232个单元称为寄存器区个单元称为寄存器区l用途用途： 作通用寄存器作通用寄存器R0R0R7R7。 R0R0与与R1R1可作间址寄存器使用。可作间址寄存器使用。使用时应注意使用时应注意：3232个单元的寄存器区分为四组，使用时只能个单元的寄存器区分为四组，使用时只能选其中选其中一组一组寄存器。寄存器。l寄存器的选组由程序状态字寄存器的选组

9、由程序状态字PSWPSW的的RS1RS1和和RS0RS0位定。位定。 RS1 RS0 RS1 RS0 选寄存器组选寄存器组 0 0 00 0 0组组 0 1 10 1 1组组 1 0 21 0 2组组 1 1 31 1 3组组 l初始化时或复位时，初始化时或复位时，自动选中自动选中0 0组组。l一旦选中一组，一旦选中一组，其它三组其它三组只能作为数据存储器使用，只能作为数据存储器使用，而而不能作为寄存器不能作为寄存器使用。使用。（2 2）20H20H2FH2FH为位地址区为位地址区 共共1616个单元，每单元有八个位，每位有一个位地址，个单元，每单元有八个位，每位有一个位地址，共共128128

10、位，位地址范围为位，位地址范围为00H00H7FH7FH。该区既可位寻址，又可字节寻址。该区既可位寻址，又可字节寻址。（3 3）除选中的寄存组以外的存储器均可以作为通用）除选中的寄存组以外的存储器均可以作为通用 RAMRAM区。区。 （4 4）堆栈区）堆栈区深度不大于深度不大于128128字节，初始化时字节，初始化时SPSP指向指向07H07H。2121个字节个字节的特殊功能寄存器，用的特殊功能寄存器，用SFR SFR 表示。表示。1.1.用途：用途：l累加器、状态，控制，标志寄存器累加器、状态，控制，标志寄存器2.2.地址空间：地址空间：l不连续的分布在不连续的分布在80H80HFFH 12

11、8FFH 128个字节个字节地址空间，见地址空间，见表表1-21-2。l地址为地址为X0HX0H和和X8HX8H是可是可位寻址位寻址的寄存器，表的寄存器，表1-21-2中用中用“* *”表示。表示。2121个特殊功能寄存器的名称及主要功能：个特殊功能寄存器的名称及主要功能： A A累加器，自带有全零标志累加器，自带有全零标志Z Z，A=0A=0则则Z=1Z=1；A0A0则则Z=0Z=0。该标志常用于程序分支转移的判断。该标志常用于程序分支转移的判断条件。条件。 B B寄存器，常用于乘除法运算（见第寄存器，常用于乘除法运算（见第2 2章）。章）。 PSWPSW程序状态字。主要起着标志寄存器的作程

12、序状态字。主要起着标志寄存器的作用，其用，其8 8位定义见表位定义见表1-31-3。 其中其中 CYCY：进：进/ /借位标志借位标志CY=1CY=1，有进，有进/ /借位借位 ； CY=0CY=0，无进，无进/ /借位。借位。 ACAC：辅助进：辅助进/ /借位标志借位标志AC=1AC=1有进有进/ /借位；借位； AC=0AC=0无进无进/ /借位借位 。 FOFO：用户标志位。可由用户设定其含义。：用户标志位。可由用户设定其含义。 RSRS1 1，RSRS0 0：工作寄存器组选择位。：工作寄存器组选择位。 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 CY AC F0RS1 RS0OV

13、 P位地址位名称 OV OV：溢出标志：溢出标志有溢出有溢出 OV=1OV=1，无溢出，无溢出OV=0OV=0。 - -：无效位。：无效位。 P P：奇偶标志：奇偶标志 运算结果有奇个运算结果有奇个“1 1”，P=1P=1； 运算结果有偶个运算结果有偶个“1 1”，P=0P=0。SPSP堆栈指针。设在堆栈指针。设在片内片内RAMRAM，lPOP, PUSHPOP, PUSHl先进后出，后进先出的原则，先进后出，后进先出的原则，l与与80868086正好相反正好相反, , 向上生长向上生长 DPTRDPTR数据指针寄存器数据指针寄存器 用来存放用来存放1616位地址值位地址值，以便用间接寻址或变

14、址以便用间接寻址或变址寻址片外存储器寻址片外存储器。可分成可分成DPLDPL和和DPHDPH两个两个8 8位寄存器位寄存器P0 P1 P2 P3P0 P1 P2 P3I/OI/O端口寄存器端口寄存器四个并行四个并行I/OI/O端口映射入端口映射入SFRSFR中的寄存器。中的寄存器。通过对该寄存器的读通过对该寄存器的读/ /写，可实现写，可实现从相应从相应I/OI/O端口的输入端口的输入/ /输出。输出。 例如：指令例如：指令 MOV PMOV P1 1，A A 指令指令MOV AMOV A，P3P3此外还有如下寄存器，它们将在后面章节介绍：此外还有如下寄存器，它们将在后面章节介绍：IPIP中断

15、优先级控制寄存器。中断优先级控制寄存器。IEIE中断允许控制寄存器。中断允许控制寄存器。 TMODTMOD定时器定时器/ /计数器方式控制寄存器。计数器方式控制寄存器。TCONTCON定时器定时器/ /计数器控制寄存器。计数器控制寄存器。THTH0 0，TLTL0 0定时器定时器/ /计数器计数器0 0。THTH1 1，THTH1 1定时器定时器/ /计数器计数器1 1。SCONSCON串行端口控制寄存器。串行端口控制寄存器。SBUFSBUF串行数据缓冲器。串行数据缓冲器。 PCONPCON电源控制寄存器。电源控制寄存器。注：注： 在在5252子系列中，子系列中，高高128128字节字节RAM

16、RAM和和SFRSFR的地址是重叠的，的地址是重叠的，访问高访问高128128字节字节RAM:RAM:寄存器间址，寄存器间址，访问访问SFRSFR则：直接寻址，则：直接寻址，访问低访问低128128字节字节RAMRAM时，两种寻址均可采用。时，两种寻址均可采用。 内部振荡方式内部振荡方式： 在引脚在引脚 XTAL1 1和和 XTAL2XTAL2外接晶体振荡器（简称晶外接晶体振荡器（简称晶振）如图振）如图1-31-3所示。所示。XTAL1XTAL2GND8XX51C01C02图1-3 内部振荡方式 内部振荡方式内部振荡方式和和外部振荡方式外部振荡方式。电容电容C01C01、C02C02起稳定振荡

17、频率、起稳定振荡频率、快速起振的作用快速起振的作用。 外部振荡方式外部振荡方式是把是把已有的时钟信号引入单已有的时钟信号引入单片机。片机。适宜用于使单片机的时适宜用于使单片机的时钟与外部信号保持一致。钟与外部信号保持一致。外部时钟XTAL1XTAL2GND8XX51悬空外部时钟XTAL1XTAL2GND悬空CHMOSHMOS图14外部振荡方式8XX518XX511.4.2 基本时序单位基本时序单位单片机的时序单位有：单片机的时序单位有：l振荡周期振荡周期：晶振的振荡周期，又称时钟周期，晶振的振荡周期，又称时钟周期，为为最小最小的时序单位。的时序单位。l状态周期状态周期：振荡频率经：振荡频率经二

18、分频二分频器分频后的时钟器分频后的时钟周期。因此，一个状态周期包含周期。因此，一个状态周期包含2 2个振荡周期个振荡周期。l机器周期机器周期（MCMC）：）：6 6个状态周期个状态周期及及1212个振荡周个振荡周期组成。期组成。l指令周期指令周期 执行一条指令所需的时间。一个指执行一条指令所需的时间。一个指令周期由令周期由1 14 4个机器周期组成，依据指令不同个机器周期组成，依据指令不同而不同。而不同。例：单片机外接晶振频率例：单片机外接晶振频率12MHZ12MHZ时的各种时序单位：时的各种时序单位： 振荡周期振荡周期=1/fosc=1/12MHZ=0.0833us=1/fosc=1/12M

19、HZ=0.0833us 状态周期状态周期=2/fosc=2/12MHZ=0.167us=2/fosc=2/12MHZ=0.167us 机器周期机器周期=12/fosc=12/12MHZ=1us=12/fosc=12/12MHZ=1us 指令周期指令周期=(1=(14)4)机器周期机器周期=1=14us4us 1.4.3 1.4.3 复位电路复位电路l复位操作则使单片机的片内电路初始化，复位操作则使单片机的片内电路初始化，l单片机的复位引脚单片机的复位引脚 RSTRST出现出现 5 5msms以上的以上的高高电平电平时，单片机就完成了时，单片机就完成了复位复位操作。操作。l如果如果RSTRST持

20、续为高电平，单片机就处于循环持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。复位状态。l复位操作通常有复位操作通常有2 2种基本形式：种基本形式： 上电复位上电复位 开关复位。开关复位。 复位操作是使复位操作是使SFRSFR寄存器进入寄存器进入初始化初始化，不改变片内不改变片内RAMRAM区区中的内容。中的内容。 几个主要特殊功能寄存器复位状态几个主要特殊功能寄存器复位状态： l PC=0000HPC=0000H，程序计数器为零，复位后程序，程序计数器为零，复位后程序从从0000H0000H地址单元开始执行。地址单元开始执行。l A=00H 表明累加器已被清零。表明累加器已被清零。l PSW=00H

21、表明选寄存器表明选寄存器0组为工作寄存器组。组为工作寄存器组。l SP=07H 表明堆栈指针指向片内表明堆栈指针指向片内RAM 07H单单元，第一个被压入的数据被写入元，第一个被压入的数据被写入08H单元中。单元中。l P0P3=FFH 表明已向各端口线写入，各端表明已向各端口线写入，各端口既可用于输入又可用于输出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。十分必要的。 各个引脚的功能说明如下。各个引脚的功能说明如下。Vs

22、s: 接地。接地。Vcc: 接接+5V。XTAL1，XTAL2: 接外部晶体或外部时钟。接外部晶体或外部时钟。RST/VPDRST/VPD： 复位信号输入。复位信号输入。接备用电源。掉电后，接备用电源。掉电后，在低功耗条件下保持在低功耗条件下保持内部内部RAMRAM中的数据中的数据最常用的最常用的40个引脚封装，个引脚封装，lALE/PROGALE/PROG： ALE ALE 地址锁存允许。地址锁存允许。 ALEALE输出脉冲的频率为振荡频率的输出脉冲的频率为振荡频率的1/61/6。 PROG PROG 对对87518751单片机片内单片机片内 EPROM EPROM 编程时，编程脉冲由该引脚

23、引编程时，编程脉冲由该引脚引入。入。lPSEN PSEN ：程序存储器允许。输出读外部程序存储器的选通信号。：程序存储器允许。输出读外部程序存储器的选通信号。lEA/VPPEA/VPP： EA =0EA =0，单片机只访问外部程序存储器。，单片机只访问外部程序存储器。 EA =1EA =1，单片机访问内部程序存储器。，单片机访问内部程序存储器。 在在87518751单片机片内单片机片内EPROMEPROM编程期间，此引脚引入编程期间，此引脚引入21V21V编程电源编程电源VPPVPP。l P0.0P0.0P0.7P0.7：P0P0口，数据口，数据/ /低八位地址复用总线端口。低八位地址复用总线端口。l P1.0P