单片机原理及应用(C51版)第2章MCS-51单片机基本结构

1、2.1 MCS-512.1 MCS-51单片机的基本组成单片机的基本组成2.2 2.2 存储器配置存储器配置2.3 2.3 时钟电路与时序时钟电路与时序2.4 2.4 复位电路复位电路本章重点内容：本章重点内容：1 MCS-511 MCS-51单片机硬件的功能结构及内部组成单片机硬件的功能结构及内部组成 2 2 单片机引脚功能及应用特点单片机引脚功能及应用特点 3 3 片内数据存储器和特殊功能寄存器的组织特点片内数据存储器和特殊功能寄存器的组织特点 4 4 单片机的工作方式和典型的单片机的工作方式和典型的CPUCPU时序时序第第2 2章章 MCS-51MCS-51单片机基本结构单片机基本结构2

2、.1 MCS-512.1 MCS-51单片机总体结构单片机总体结构 MCS-51 MCS-51系列单片机可分为两大系列：系列单片机可分为两大系列： 51 51子系列和子系列和5252子系列。子系列。 5151子系列子系列单片机的典型产品有单片机的典型产品有80518051、87C5187C51、AT89S51AT89S51、STC89S51STC89S51等。它们的结构基本相同，其主要等。它们的结构基本相同，其主要差别反映在片内存储器的配置上有所不同差别反映在片内存储器的配置上有所不同 。 5252子系列子系列单片机的典型产品有单片机的典型产品有80528052、87C5287C52， AT8

3、9S52AT89S52、STC89S52STC89S52。内含。内含8KB8KB的掩模的掩模ROMROM程序存储器和程序存储器和256B256B的的RAMRAM数据存储器。数据存储器。 2.1.1 80512.1.1 8051单片机的基本组成单片机的基本组成 51 51单片机内部由单片机内部由CPUCPU、4KB4KB的的ROMROM、128B128B的的RAMRAM、4 4个个8 8位位的的I/OI/O并行端口、一个串行口、两个并行端口、一个串行口、两个1616位定时位定时/ /计数器及中计数器及中断系统等组成。断系统等组成。 80518051单片机内部基本结构框图单片机内部基本结构框图 8

4、051单片机系统结构原理框图单片机系统结构原理框图。1. CPU1. CPU CPU CPU是单片机内部的核心部件，是单片机的指挥和是单片机内部的核心部件，是单片机的指挥和控制中心。控制中心。CPUCPU可分为运算器和控制器两大部分。可分为运算器和控制器两大部分。 (1) (1) 控制器控制器 控制器的功能是：接受来自程序存储器控制器的功能是：接受来自程序存储器ROMROM存储单存储单元的指令，并对其进行译码，通过定时和控制电路，元的指令，并对其进行译码，通过定时和控制电路，按时序规定发出指令功能所需要的各种（内部和外部）按时序规定发出指令功能所需要的各种（内部和外部）控制信息，使各部分协调工

5、作，完成指令功能所需的控制信息，使各部分协调工作，完成指令功能所需的操作。操作。 控制器主要包括程序计数器、指令寄存器、指令译控制器主要包括程序计数器、指令寄存器、指令译码器及定时控制电路等。码器及定时控制电路等。 (2) (2) 运算器运算器ALUALU 运算器的功能是：对数据进行算术运算和逻辑运算。运算器的功能是：对数据进行算术运算和逻辑运算。计算机对任何数据的加工、处理必须由运算器完成。计算机对任何数据的加工、处理必须由运算器完成。 2. RAM2. RAM RAM RAM为单片机内部数据存储器。其存储空间包括随为单片机内部数据存储器。其存储空间包括随机存储器区、寄存器区、特殊功能寄存器

6、及位寻址区。机存储器区、寄存器区、特殊功能寄存器及位寻址区。3. ROM3. ROM ROM ROM为单片机内部程序存储器。为单片机内部程序存储器。4. 4. 并行并行I/OI/O口口 P0 P0P3P3是四个是四个8 8位并行位并行I/OI/O口，每个口既可作为输入，口，每个口既可作为输入，也可作为输出。单片机在与外部存储器及也可作为输出。单片机在与外部存储器及I/OI/O端口设备端口设备交换信息时，必须由交换信息时，必须由P0P0P3P3口完成。口完成。 5. 5. 定时器定时器/ /计数器计数器 定时器定时器/ /计数器用于定时和对外部事件进行计数。计数器用于定时和对外部事件进行计数。

7、6. 6. 中断系统中断系统 51 51单片机有单片机有5 5个中断源，中断处理系统灵活、方便，个中断源，中断处理系统灵活、方便，使单片机处理问题的灵活性和工作的效率大大提高。使单片机处理问题的灵活性和工作的效率大大提高。 7. 7. 串行接口串行接口串行接口提供对数据各位按序一位一位地传送。串行接口提供对数据各位按序一位一位地传送。 8. 8. 时钟电路时钟电路OSCOSC时钟电路用于产生单片机中最基本的时间单位。时钟电路用于产生单片机中最基本的时间单位。 2.1.2 MCS-512.1.2 MCS-51引脚功能引脚功能MCS-51MCS-51单片机采用单片机采用4040脚双列直插式封装，其

8、引脚排列及逻脚双列直插式封装，其引脚排列及逻辑符号如图所示。辑符号如图所示。 1 1主电源引脚主电源引脚VCCVCC和和VSSVSS VCC VCC：接主电源：接主电源+5V+5V。 VSS VSS：电源接地端。：电源接地端。2 2时钟电路引脚时钟电路引脚XTAL1XTAL1和和XTAL2 XTAL2 XTAL1 XTAL1是片内振荡器反相放大器的输入端，是片内振荡器反相放大器的输入端，XTAL2XTAL2是片是片内振荡器反相放大器的输出端，也是内部时钟发生器的输内振荡器反相放大器的输出端，也是内部时钟发生器的输入端。入端。 3. 3. 控制信号引脚控制信号引脚(1) RST/VPD(1) R

9、ST/VPD RST/VPD RST/VPD为复位为复位/ /备用电源输入端。备用电源输入端。 (2) ALE/ALE/(2) ALE/ALE/为低为低8 8位地址锁存使能输出位地址锁存使能输出/ /编程脉冲输编程脉冲输入端。入端。 (3) (3) 为外部程序存储器控制信号，即读选通信号为外部程序存储器控制信号，即读选通信号 (4) /VPP(4) /VPP 为外部程序存储器允许访问为外部程序存储器允许访问/ /编程电源输入。编程电源输入。 PSENEA 4. 4. 并行并行I/OI/O口口P0P0P4P4端口引脚端口引脚(1) P0(1) P0口（口（P0.0P0.0P0.7P0.7） P0

10、 P0口是一个口是一个8 8位漏极开路型双向位漏极开路型双向I/OI/O端口。端口。 P0P0口可作口可作通用通用I/OI/O口使用，但在端口进行输入操作前，应先向端口口使用，但在端口进行输入操作前，应先向端口的输出锁存器写的输出锁存器写“1 1” ”。 (2) P1(2) P1口（口（P1.0P1.0P1.7P1.7） P1 P1口是一个内部带上拉电阻的口是一个内部带上拉电阻的8 8位准双向位准双向I/OI/O端口。当端口。当P1P1输出高电平时，能向外部提供拉电流负载，因此，不需输出高电平时，能向外部提供拉电流负载，因此，不需再外接上拉电阻。再外接上拉电阻。 (3) P2(3) P2口（口

11、（P2.0P2.0P2.3P2.3） P2 P2口也是一个内部带上拉电阻的口也是一个内部带上拉电阻的8 8位准双向位准双向I/OI/O端口。端口。当当CPUCPU访问外部存储器时，访问外部存储器时，P2P2口自动用于输出高口自动用于输出高8 8位地址，位地址，与与P0P0口的低口的低8 8位地址一起形成外部存储器的位地址一起形成外部存储器的1616位地址总线。位地址总线。 (4) P3(4) P3口（口（P2.0P2.0P2.7P2.7） P3 P3口是一个内部带上拉电阻的口是一个内部带上拉电阻的8 8位多功能双向位多功能双向I/OI/O端口。端口。 2.22.2存储器配置存储器配置2.2.1

12、 AT89S512.2.1 AT89S51单片机存储配置简介单片机存储配置简介 51 51系列的存储器把程序和数据的存储空间严格区分系列的存储器把程序和数据的存储空间严格区分开。开。 MCS-51MCS-51（80518051）存储结构如图所示。）存储结构如图所示。程序存储器程序存储器数据存储器数据存储器MCS-51MCS-51存储器的划分方法如下：存储器的划分方法如下：(1) (1) 从物理结构上划分，有从物理结构上划分，有4 4个存储空间。个存储空间。 片内程序存储器。片内程序存储器。 片外程序存储器。片外程序存储器。 片内数据存储器。片内数据存储器。 片外数据存储器。片外数据存储器。(2

13、) (2) 从逻辑上划分，有从逻辑上划分，有3 3个存储器地址空间。个存储器地址空间。 片内外统一编址的片内外统一编址的64KB64KB的程序存储器地址空间。的程序存储器地址空间。 片内（片内（128+128128+128）B B数据存储器地址空间。数据存储器地址空间。 片外片外64KB64KB的数据存储器地址空间。的数据存储器地址空间。 在访问不同的逻辑存储空间时，在访问不同的逻辑存储空间时，MCS-51MCS-51提供了不同形提供了不同形式的指令：式的指令： MOVMOV指令用于访问内部数据存储器。指令用于访问内部数据存储器。 MOVCMOVC用于访问片内外程序存储器。用于访问片内外程序存

14、储器。 MOVXMOVX用于访问外部数据存储器。用于访问外部数据存储器。 2.2.2 2.2.2 程序存储器程序存储器 程序存储器用于存放已编制好的程序及程序中用程序存储器用于存放已编制好的程序及程序中用到的常数。到的常数。 程序存储器由程序存储器由ROMROM构成，单片机掉电后构成，单片机掉电后ROMROM内容不内容不会丢失。会丢失。 51 51子系列单片机内部子系列单片机内部ROMROM为为4KB4KB，片内、片外程序，片内、片外程序存储器的实际使用地址空间是连续的。存储器的实际使用地址空间是连续的。5252子系列单片子系列单片机内机内ROMROM为为8KB8KB。 在程序存储器中，在程序

15、存储器中，MCS-51MCS-51定义了定义了7 7个单元用于特殊用途：个单元用于特殊用途： 0000H 0000H：CPUCPU复位后，复位后，PC=0000HPC=0000H，程序总是从程序存储，程序总是从程序存储器的器的 0000H0000H单元开始执行。单元开始执行。 0003H 0003H：外部中断：外部中断0 0中断服务程序入口地址。中断服务程序入口地址。 000BH 000BH：定时器：定时器/ /计数器计数器0 0溢出中断服务程序的入口地址溢出中断服务程序的入口地址。 0013H 0013H：外部中断：外部中断1 1中断服务程序入口地址。中断服务程序入口地址。 001BH 00

16、1BH：定时器：定时器/ /计数器计数器1 1溢出中断服务程序的入口地址溢出中断服务程序的入口地址。 0023H 0023H：串行口中断服务程序的入口地址。：串行口中断服务程序的入口地址。 002BH 002BH：定时器：定时器/ /计数器计数器2 2溢出或溢出或T2EXT2EX（P1.1P1.1）端负跳变）端负跳变时的入口地址（仅时的入口地址（仅5252子系列所特有）。子系列所特有）。2.2.3 2.2.3 数据存储器数据存储器 数据存储器用于存放程序运算的中间结果、数据存储器用于存放程序运算的中间结果、状态标志位等。状态标志位等。 数据存储器由数据存储器由RAMRAM构成，一旦掉电，其数构

17、成，一旦掉电，其数据将丢失。据将丢失。1.1.数据存储器配置数据存储器配置 数据存储器分为内部数据存储器和外部数数据存储器分为内部数据存储器和外部数据存储器，是两个独立的地址空间，应分别单据存储器，是两个独立的地址空间，应分别单独编址。独编址。 片内数据存储器的配置片内数据存储器的配置1 1）片内数据存储器）片内数据存储器256B256B地址空间和地址空间和SFRSFR。 内部数据存储器是最活跃、最灵活的存储空间，内部数据存储器是最活跃、最灵活的存储空间，MCS-MCS-5151指令系统寻址方式及应用程序大部分是面向内部数据存指令系统寻址方式及应用程序大部分是面向内部数据存储器的。储器的。 内

18、部数据存储器由片内内部数据存储器由片内RAMRAM和特殊功能寄存器和特殊功能寄存器SFRSFR两大两大部分统一编址。部分统一编址。 片内片内RAMRAM低低128B128B，地址空间为，地址空间为00H00H7FH7FH。 高高128B128B为特殊功能寄存器（为特殊功能寄存器（SFRSFR）区，地址空间为）区，地址空间为80H80HFFHFFH，其中仅有，其中仅有2121个字节单元是有定义的。个字节单元是有定义的。2 2）外部数据存储器最大可扩充为）外部数据存储器最大可扩充为64KB64KB，其指示地址靠数，其指示地址靠数据指针据指针DPTRDPTR（1616位）。位）。2. 2. 工作寄存

19、器区工作寄存器区 在低在低128B128B的的RAMRAM区中，将地址区中，将地址00001FH1FH共共3232个单元设个单元设为工作寄存器区，这为工作寄存器区，这3232个单元又分为个单元又分为4 4组，每组由组，每组由8 8个单个单元按序组成通用寄存器元按序组成通用寄存器R0R0R7R7。 通用寄存器通用寄存器R0R0R7R7不仅用于暂存中间结果，而且是不仅用于暂存中间结果，而且是CPUCPU指令中寻址方式不可缺少的工作单元。指令中寻址方式不可缺少的工作单元。3. 3. 可位寻址区可位寻址区 地址为地址为20H20H2FH2FH的的1616个个RAMRAM（字节）单元，既可以像（字节）单

20、元，既可以像普通普通RAMRAM单元按字节地址进行存取，又可以按位进行存取，单元按字节地址进行存取，又可以按位进行存取，这这1616个字节共有个字节共有128(16128(168)8)个二进制位，每一位都个二进制位，每一位都分配一个位地址，编址为分配一个位地址，编址为00H00H7FH 7FH 。4. 4. 数据缓冲区数据缓冲区 在在30H30H7FH7FH区的区的8080个个RAMRAM单元为用户单元为用户RAMRAM区，只能按字区，只能按字节存取。所以，节存取。所以，30H30H7FH7FH区是真正的数据缓冲区。区是真正的数据缓冲区。2.2.4 2.2.4 特殊功能寄存器特殊功能寄存器 在

21、片内数据存储器的在片内数据存储器的80H80HFFHFFH单元（高单元（高128B128B）中，有）中，有2121个单元作为专用寄存器（个单元作为专用寄存器（SFRSFR），又称特殊功能寄存器。），又称特殊功能寄存器。 （1) 1) 累加器累加器ACCACC：字节地址为：字节地址为E0HE0H，并可对其，并可对其D0D0D7D7各位进行位寻址。各位进行位寻址。D0D0D7D7位地址相应为位地址相应为E0HE0HE7HE7H。 （2 2）程序状态字）程序状态字PSWPSW：字节地址为：字节地址为D0HD0H。 D0 D0D7D7数据位的位地址相应为数据位的位地址相应为D0HD0HD7HD7H。并

22、可对其。并可对其D0D0D7D7各位进行位寻址。主要用于寄存当前指令执行后的各位进行位寻址。主要用于寄存当前指令执行后的某些状态信息。某些状态信息。 例如：例如：CyCy表示进位表示进位/ /借位标志，指令助记符为借位标志，指令助记符为C C，位地，位地址为址为D7HD7H（也可表示为（也可表示为PSW.7PSW.7）。）。 （3 3）堆栈指针）堆栈指针SPSP：字节地址为：字节地址为81H81H，不能进行位寻址。，不能进行位寻址。 （4 4）端口）端口P1P1：字节地址为：字节地址为90H90H，并可对其，并可对其D0D0D7D7各位各位进行位寻址。进行位寻址。D0D0D7D7数据位的位地址

23、相应为数据位的位地址相应为90H90H97H97H（也（也可表示为可表示为P1.0P1.0P1.7P1.7）。）。2.3 2.3 时钟电路与时序时钟电路与时序2.3.1 CPU2.3.1 CPU时序时序 时序就是计算机指令执行时各种微操作在时间上的顺序关系。时序就是计算机指令执行时各种微操作在时间上的顺序关系。计算机所执行的每一操作都是在时钟信号的控制下进行的。每执计算机所执行的每一操作都是在时钟信号的控制下进行的。每执行一条指令，行一条指令，CPUCPU都要发出一系列特定的控制信号，以实现指令都要发出一系列特定的控制信号，以实现指令的正确执行。的正确执行。1. 1. 时钟周期、机器周期和指令

24、周期时钟周期、机器周期和指令周期 (1) (1) 时钟周期时钟周期 时钟周期也称振荡周期，即振荡器的振荡频率时钟周期也称振荡周期，即振荡器的振荡频率foscfosc的倒数，的倒数，是时序中最小的时间单位。是时序中最小的时间单位。 (2) (2) 机器周期机器周期 执行一条指令的过程可分为若干个阶段，每一阶段完成一规执行一条指令的过程可分为若干个阶段，每一阶段完成一规定的操作，完成一个规定操作所需要的时间称为一个机器周期。定的操作，完成一个规定操作所需要的时间称为一个机器周期。 (3) (3) 指令周期指令周期 指令周期定义为执行一条指令所用的时间。指令周期定义为执行一条指令所用的时间。 2.

25、MCS-512. MCS-51单片机的取指执行时序单片机的取指执行时序 取指令阶段把程序计数器取指令阶段把程序计数器PCPC中的指令地址送到程中的指令地址送到程序存储器，选中指定单元并从中取出需要执行的指令。序存储器，选中指定单元并从中取出需要执行的指令。指令执行阶段对指令操作码进行译码，以产生一系列指令执行阶段对指令操作码进行译码，以产生一系列控制信号完成指令的执行。控制信号完成指令的执行。2.3.2 2.3.2 时钟电路时钟电路 MCS-51 MCS-51的时钟电路有以上三种接法，如图所示。的时钟电路有以上三种接法，如图所示。实际使用时一般是采用实际使用时一般是采用a a图接法，即只需一个晶振（频图接法，即只需一个晶振（频率根据需要选择），率根据需要选择），2 2个个30PF30P