单片机_02(10)-第二章MCS-51单片机的结构和原理.

1、2-1 概述 MCS-51系列（8051、8751、8031）单片机特点： 内部包含一个高性能8位p（微处理器）； 片内有128/256字节，RAM采用寄存器结构（共32个寄存器）； 21个特殊寄存器SFR； 内部含有4K或8K程序存储器（EPROM/ROM）； 2-1 概述 4个8位并行口； 有一个全双工的SIO(串行口)； 2/3个16位CTC（定时器/计数器）； 有5/6个中断源、中断优先级可程序控制； 片内振荡器； 片外可扩充64K程序空间、64K数据I/O空间，总寻址范围128K。 1、框图2-2 MCS-51系列单片机结构2、简化图 3、引脚图引脚介绍 电源线(2条) Vcc为十5

2、V电源线，Vss为接地线。 引脚介绍(1)端口线(4832条) 1)P0.0一P0.7：这组引脚共有8条，为P0口所专用，其中P07为最高位，P0.0为最低位。这8条引脚有两种不同的功能，分别使用于两种不同情况。 第一种情况是8051不带片外存储器，P0口可以作为通用口使用，P0.0一P07用于传送CPU的输入输出数据。这时，输出数据可以得到锁存，不需外接专用锁存器，输入数据可以得到缓冲，增加了数据输入的可靠性；引脚介绍 第二种情况是8051带片外存储器，P0.0P0.7在CPU访问片外存储器时用于传送片外存储器的低8位地址，然后传送CPU对片外存储器的读写数据。8751的P0口还有第三种功能

3、，它们可以用来给8751片内EPROM编程或进行编程后的读出校验。这时，P0.0一P0.7用于传送EPROM的编程机器码和读出校验码。引脚介绍2)P1.0一P1.7：这8条引脚和P0口的8条引脚类似，P17为最高位，P10为最低位。当P1口作为通用I0口使用时，P1.0一P1.7的功能和P0口的第一功能相同，也用于传送用户的输入和输出数据。8751的P1口还有第二功能，即它在8751编程校验时用于输入片内EPROM的高8位(实际是高4位)地址。引脚介绍3)P2.0一P27：这组引脚的第一功能和上述两组引脚的第一功能相同，即它可以作为通用口使用。它的第二功能和P0口引脚的第二功能相配合，用于输出

4、片外存储器的高8位地址，共同选中片外存储器单元，但并不能像P0口那样还可以传送存储器的读写数据。( 8751的P2.0P2.7引脚的第三功能，是可以配合P1.0一P1.3传送片内EPROM的12位地址中的低8位地址。)引脚介绍4)P3.0一P3.7：这组引脚的第一功能和其余三个端口的第一功能相同。第二功能作控制用，每个引脚并不完全相同，如表2.4所列。 引脚介绍(3)控制线(6条) ALE/PROG：地址锁存允许编程线，配合P0口引脚的第二功能使用。引脚介绍 在访问片外存储器时，8051CPU在P0.0一P0.7引脚线上输出片外存储器低8位地址的同时还在ALE/PROG线上输出一个高电位脉冲，

5、用于把这个片外存储器低8位地址锁存到外部专用地址锁存器，以便空出P0.0一P0.7引脚线去传送随后面来的片外存储器读写数据。引脚介绍 在不访问片外存储器时，8051自动在从ALE线上输出频率为16的脉冲序列。该脉冲序列可用作外部时钟源或作为定时脉冲源使用。 对于8751 ALE/PROG线还具有第二功能。它可以在对8751片内EPR0M编程校验时传送52ms宽的负脉冲。引脚介绍EAVpp：允许访问片外存储器编程电源线，可以控制8051使用片内ROM还是使用片外ROM。若EA1，则允许使用片内ROM：若EA=0，则允许使用片外ROM，如图24(a)所示。 对8751EAVpp用于在片内EPROM

6、编程校验时输入1V编程电源。引脚介绍 PSEN：片外ROM选通线，在执行访问片外ROM的指令MOVC时，8051自动在PSEN线上产生一个负脉冲，用于为片外ROM芯片的选通。其它情况下，PSEN线均为高电平封锁状态。引脚介绍RSTVPD：复位备用电源线，可以使8051处于复位(即初始化)工作状态。通常，8051的复位有自动上电复位和人工按钮复位两种。 RSTVPD的第二功能是作为备用电源输入端。当主电源Vcc发生故障而降低到规定低电平时，RSTVPD线上的备用电源自动投入，以保证片内RAM中信息不丢失。 引脚介绍XTAL1和XTAL2： 片内振荡电路输入线，这两个端子用来外接石英晶体和微调电容

7、，即用来连接8051片内OSC的定时反馈回路。 石英晶振起振后要能在XTAL2线上输出一个3V左右的正弦波，使MCS51片内的OSC电路按石英晶振相同频率自激振荡。通常，0SC的输出时钟频率为0516MHz，典型值为12MHz或110592MHz。电容C01和C02可以帮助起振，典型值为30PF，调节它们可以达到微调频率的目的。 二、MCS-51微处理器 运算器：ALU、布尔处理器、ACC、B、TMP1、TMP2、PSW、十进制调整电路。 控制器：指令寄存器、程序计数器PC、定时与控制电路。三、MCS-51相关的硬件电路(1)振荡电路的构成a)HMOS型MCS-51系列的振荡电路 (1)振荡电

8、路的构成b、CHMOS型MCS-51系列的振荡电路 时钟发生器就是上述的2分频触发器，它向芯片提供了一个2节拍的时钟信号。在每个时钟的前半个周期，节拍1信号有效；后半周期，节拍2信号有效。（2）时钟电路的构成：a、内部时钟 （2）时钟电路的构成：b、外部时钟 2、MCS-51系列单片机复位状态和复位电路(1)复位软件状态a、MCS-51系列的复位信号RST：高电平有效,在振荡器运行时，使RST脚至少保持2个机器周期（24个振荡周期）的高电平而实现的。b、复位操作不影响片内RAM的内容，但使/PSEN和ALE/PROG两个控制信号为高电平，处于准备工作状态，而PC及特殊寄存器则变成如下状态：2、

9、MCS-51系列单片机复位状态和复位电路(2)复位硬件状态 P0、P2口处于三态； ALE、/PSEN处于高电平。 2、MCS-51系列单片机复位状态和复位电路3）复位电路 上电复位电路 2、MCS-51系列单片机复位状态和复位电路 上电开关复位 2-3 MCS51单片机工作方式 1复位方式 单片机在开机时都需要复位，以便中央处理器CPU以及其它功能部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。MCS-51的RST引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效，持续时间要有24个时钟周期以上。 例如：若MCS51单片机时钟频率为12MHz，则复位脉冲宽度至少应为2us。单片机复位后，其片内

10、各寄存器状态如表24所列。这时，堆栈指针SP为07H，ALE、/PSEN，P0，P1，P2和P3口各引脚均为高电平，片内RAM中内容不变。 执行方式 单步执行方式通常可以分为单步执行和连续执行两种工作方式。单步执行方式是指单片机在控制面板上某个按钮(即单步执行键)控制下一条条执行用户程序中指令的方式，即按一次单步执行键就执行一条用户指令的方式。 单步执行方式常常用于用户程序的调试 单步执行方式是利用单片机外部中断功能实现的。单步执行键相当于外部中断的中断源，当它被按下时相应电路就产生一个负脉冲(即中断请求信号)送到单片机的/INT0或/INT1引脚，MCS51单片机在/INT0上的负脉冲作用下

11、便能自动执行预先安排在中断服务程序中的如下两条指令： LOOP1: JNBP3.2 ，LOOP1; LOOP2： JB P3.2 ，LOOP2 ； RETI 连续执行方式 连续执行方式是所有单片机都需要的一种工作方式，被执行程序可以放在片内或片外ROM中。由于单片机复位后程序计数器PC=0000H，因此机器在加电或按钮复位后总是到0000H处执行程序，这就可以预先在0000H处放一条转移指令，以便跳转到0000HFFFFH中的任一地址执行程序。 3节电工作方式 节电方式是一种能减少单片机功耗的工作方式，通常可以分为空闭(等待)方式和掉电(停机)方式两种。只有CHMOS型器件才有这种工作方式，C

12、HMOS型单片机是一种低功耗器件，正常工作时消耗1120mA电流，闲状态时为1.75mA电流：掉电方式为550uA。因此CHMOS型单片机特别适用于低功耗应用场合。 CHMOS型单片机的节电方式是由特殊功能寄存器PCON控制的，PCON各位定义为： 其中，SMOD为串行口波特率倍率控制位，若SMOD1，则串行口波特率倍率；SMOD=0,则波特率不加倍。GF1和GF0，为通用标志位，用户可通过指令改变它们的状态；PD为掉电控制位：IDL为空闲控制位。PD和IDL的片内控制电路如图211所示。 (1) 掉电方式 80C51执行如下指令使可进入掉电方式 MOV PCON，#02H ：PD-1 上述指

13、令执行后PD端变为高电平，振荡器因此停振，片内所有功能部件停止工作，但片内RAM和特殊功能寄存器(SFR)中内容保持不变，ALE和/PCON的输出为逻辑低电平。在掉电期间，Vcc电源可以降为2V(可以由于电他供电)，但80C31退出掉电方式必须等待恢复十5V电压后经过一段时间才能允许。 80C51从掉电状态退出的唯一方法是硬件复位，即需要给RST引脚外加一个足够宽的复位正脉冲，80C51复位后SFR重新被初始化，但RAM中内容保持不变。因此若要使得80C51在掉电后继续执行掉电前的程序，那就必须在掉电前预先把SFR中内容保存到片内RAM，并在掉电方式退出后为SFR恢复掉电前的状态。 (2) 空

14、闲方式 80C51执行如下指令可以进入空闲方式 MOV PCON，#01H ：IDL一1 上述指令执行后/IDL端变为低电平，与门无输出，CPU停止工作，但中断、串行口和定时器计数器可以继续工作。此时，CPU现场(即SP、PC、PSW和ACC等)、片内RAM和SFR中其它寄存器内容均维持不变，ALE和/PSEN变为高电平等等。 总之，CPU进入空闲状态后是不工作的，但各功能部件保持了进入空闲状态前的内容，且功耗很小。因此，在程序执行过程中，用户在CPU无事可做或不希望它执行有用程序时，应让它进入空闲状态，一旦需要继续工作就让它退出空闲状态。 4编程和校验方式 a)8751H编程和校验方式 编程

15、是指利用特殊手段对单片机片内部的EPROM进行写入的过程，校验则是对刚刚写入的程序代码进行读出校验的过程。因此，单片机的编程和校验方式只有EPROM器件(如8751H这样的器件)才有。 8751H和8051类似，不过8751H内部的4KB程序存储器是EPROM型，而8051是ROM型的。8751H片内EPROM有编程、校验和保密编程等工作方式。在每种工作方式下，8751H各引脚的输入电平是不相同的，如表26所列。表中，“1”表示逻辑高电平；“0”表示逻辑低电平；表示任意逻辑电乎；VPP为21V0.5V，/PROG的编程脉冲为50ms负脉冲。 应当注意：EAVPP上编程电源电压不能大于215V，

16、即使是一个小小的尖脉冲也会引起器件的永久性损坏。 (1) EPROM的编程方式 (2) EPROM的校验方式 875l的EPROM的校验方式要求它的引脚按表26中相应状态连接，如图215所示。和编程类似，EPROM校验也是在另一台主单片机控制下进行的。在校验时，主单片机把12位地址送入被校验的8751H的P2和P1口，以选中读出相应EPROM存储单元中内容，经P0口送给主单片机。主单片机把该读出代码和编程时写入的编程代码进行比较：若两者结果相同，则该单元编程正确：若结果不同，则应查明原因，重新进行编程，直到正确为止。 875lH的EPROM的校验方式要求它的引脚按表215中相应状态连接 (3)

17、 EPROM的保密方式 8751H的保密编程要求它的引脚按表26中相应状态连接，它和图214的唯一区别在于P27应接逻辑高电平“1” 。 8751H EPROM保密编程的过程和EPROM编程过程类似，在此不再多述。 b) Flash 89c51的编程和程序校验 AT89c51单片机内部有一个4K字节的Flash EPROM。这个Flash存储阵列通常是处于已擦除状态(即存储单元的内容为FFH)，随时可对它进行编程。编程接口可接收高电压(12v)或低电压(Vcc)的允许编程信号。低电压编程方式可很方便地对AT89c51LV651内的用户系统进行编程而高电压编程方式则可与通用的EPROM编程器兼容

18、。 AT89C51单片机中，有些允许用高电压编程方式编程，有些允许用低电压编程方式编程。各自芯片面上的型号和片内特征字节的内容不同。 1Flash 存储器编程 编程前，必须建立好地址、数据和相应的控制信号。编程单元的地址加在P1端口和P2端口的P2.0P2.3(11位地址为0000H0FFFH)，数据从P0端口输入。PSEN应保持低电平，而RST应保持高电平。/EA/Vpp是编程电源的输入端，按要求加入编程电压。ALE/PROG端输入编程脉冲(应为负脉冲信号)。编程时，采用420MHz的振荡器。对AT89c5lLV5l编程的步骤如下： (1) 在地址线上输入要编程单元的地址。 (2) 在数据线

19、上输入要写入的数据字节。 (3) 激活相应的控制信号。 (4) 在采用高电压编程方式时，将/EA/Vpp端的电压加到12V。 (5) 每对Flash存储阵列写入一个字节或每写入一个程序加密位，加一个ALE/PROG编程脉冲。 改变编程单元的地址和要写入的数据，重复步骤15，直到全部文件编程完毕。 每个字节写入周期是自动定时的，通常不大于1.5ms。 2数据查询方式 AT89C51单片机用数据查询方式来检测一个写周期是否结束。在一个写周期期间，如果想读出最后写入的那个字，则读出数据的最高位(P0.7)是原来写入字节最高位的反码。写周期一旦完成后，有效的数据就会出现在所有输出端上，这时可开始下一个

20、写周期。一个写周期开始后，可在任何时间开始进行数据查询。 3准备就绪忙信号 字节编程的过程也可通过RDY/BSY输出信号来监视。在编程期间当ALE变为高电平后，P34(RDY/BSY)端的电平被拉低，表示忙(正在编程)状态。编程完毕后，P3.4的电平变高表示准备就绪状态。 4程序的校验 如果加密位LB1和LB2没有被编程，那么就可以对AT89C51内部已编好的程序进行校验。这时采用图76所示的引脚接法。程序存储器的地址仍由P1端口和P2端口的P2.0、P2.3输入，数据由P0端口输出。P2.6、P2.7和P3.6、P3.7的电平见表74。/PSEN保持低电平，而ALE、/EA和RST保持高电平

21、。校验时，在P0端口上要求外接约10Kn左右的上拉电阻。 程序加密位不能直接校验。加密位的校验可通过观察它们的功能是否被允许来进行。 5片擦除操作 用一组适当的控制信号(见表74)，并保持ALE/PROG脉冲宽度(低电平的时间)约10ms，整个Flash阵列的内容就会被擦除。擦除后，Flash存储阵列全为1状态。注意，在对程序存储器进行重新编程之前必须执行片擦除操作。 6读特征字节 AT89C51单片机内有3个特征字节(地址为030H、031H和032H)，用来指出该器件的厂商、型号和编程电压。其中： (030H)1EH；表示ATMEL公司制造 (031H)5lH；表示型号为89C5l (03

22、1H)61H；表示型号为89LV51 (032H)=FFH；表示编程电压为12V (032H)=05H；表示编程电压为5v 7编程接口 采用合适的控制信号组合，可对Flash存储阵列写入每一个代码字节也可以擦除整个存储阵列的内容。写操作周期是自动定时的，一旦开始写操作后，就会自动确定其完成的时间。2-4 MCS51内部并行IO端口 8051单片机有4个8位双向并行IO端口：P0，P1，P2，P3。每个IO端口除可作为字节的输入输出外，其各条IO线也可单独地用作输入输出线。此外，8031片内还有一个全双工的串行IO端口，能用于IO端口扩展或者串行异步通讯。可见，8051单片机共有34条IO线。各端口编址于特殊功能寄存器中，一般既有字节地址，也有位地址，对相应地址单元的读写，就实现了从相应端口的输入输出操作。 1P0端口 总线IO端口，双向