第2章-MCS-51系列单片机的结构及原理

1、第二章： MSC-51系列微控制器的结构和原理，2.2 MSC-51系列微控制器的内部结构，2.3 MSC-51系列微控制器的引脚功能，2.4并行输入/输出端口2.5时钟电路的主要部件和复位2.6掉电保护和低功耗设计，2.0 MSC-51系列微控制器1.8033 8751芯片的主要性能包含4KB的EPROM；8031芯片在没有ROM的情况下使用时需要外部epROM。2.8031、8051和8751有相似之处(特征):(1) 8位中央处理器；为了控制；(2)128B片上数据存储器；(3)可以寻址64KB片外程序存储器；(4)可以寻址64KB片外数据存储器；(5)32条双向和可单独寻址的输入/输出

2、线；(6)全双工异步串口；(7)两个6位定时器/计数器；(8)五个中断源和两个中断优先级；(9)有一个片上时钟振荡器；(10)采用高性能HMOS生产工艺；(11)布尔处理(位操作)能力；(12)共有111条基本指令，其中64条是单机循环指令。2.1 MCS-51系列单片机的内部总体结构，图2-1 MCS-51系列单片机的基本结构，图2-2 MCS-51片上总体结构框图，MCS-51系列单片机八部分：1。中央处理器是单片机的核心部件，实现操作和控制功能。2.只读存储器只读存储器(4KB或8KB)用于存储应用程序，屏蔽只读存储器、可编程只读存储器、可编程只读存储器、随机存取存储器只读存储器(256

3、B)用于存储程序运行期间的工作变量和数据。4.特殊功能寄存器22个特殊寄存器(21个可寻址)，它们分散分布在8051个芯片和128个高度单元中。5.并行接口用作系统总线、扩展外部存储器、输入/输出接口芯片6、串行接口串行通信、扩展输入/输出接口芯片7、定时器/计数器计时和计数。与中央处理器独立工作，并在中央处理器计数时中断。8.中断系统有五个中断源和两个优先级，可以通过编程来控制。图2-2(a)MCS-51系列单片机引脚，2.2MCS-51系列单片机引脚功能，40引脚功能：1:电源引脚VSS和VCCVSS(20引脚):接地；Vcc(引脚40):连接至5V电源。通常，低频和高频滤波电容应连接在V

4、SS和VCC之间。2:外部晶体引脚XTAL1和XTAL2XTAL1(19引脚):连接外部应时晶体和微调电容的一端。在单片机内部，它是振荡反相放大器的输入，构成片内振荡器。使用外部时钟时，该引脚必须接地；使用外部振荡器时，HMOS单片机：此引脚接地；该引脚用作驱动端。Xtal2(引脚18):连接到外部晶体的另一端。在单片机中，它连接到振荡反相放大器的输出端。当使用外部时钟时，此引脚用作输入端；使用外部振荡器时，HMOS单片机：此引脚接收振荡器信号；该引脚应该暂停。3:控制或重用引脚RST/VPD、ALE/PROG、PSEN和EA/VPPRESET/VPD(9引脚):复位信号输入/待机电源输入。高

5、水平是有效的。当振荡器运行时，高电平在该引脚上出现超过两个机器周期，这将复位单片机；复位时：P0-P3输出高电平；SP寄存器为07H；所有其他寄存器清0。掉电保护功能，VCC掉电，此引脚可连接备用电源，防止内部内存数据丢失；当VCC低于规定的电平，而VPD在规定的电压范围(50.5伏)内时，VPD向内部随机存取存储器提供备用电源。ALE/PROG(30引脚):数据锁存使能信号输出端/片内EPROM编程脉冲输入端。当访问外部存储器时，MCS-51系列单片机使用P0端口作为低8位地址输出端口，也作为数据输入/输出端口。为了避免地址和数据之间的混淆，地址通常在数据传输之前发送。ALE(允许数据锁存)

6、数据锁存从端口P0输出的低8位，从而实现低地址和数据的分离。在单片机加电和正常工作期间，ALE将以时钟振荡频率的1/6的固定频率周期性地输出正脉冲信号。当编程(固化)8751片内EPROM时，该引脚的第二个功能PROG用于输入编程脉冲。psen(引脚29):允许程序存储的输出端。是外部程序存储器的读选通信号，在低电平时有效。在从外部程序存储器获取指令(或常数)的过程中，每个机器周期有效两次。无论何时访问外部数据存储器，这两个有效信号都不会出现。EA/VPP(引脚31):编程存储器地址许可输入端/片上EPROM编程电压输入端。当只读存储器终端保持高电平时，内部和外部只读存储器选择终端访问内部程序

7、存储器，但是当个人计算机(程序计数器)值超过0FFFH(对于8051/8751/80C51)或1FFFH(对于8052)时，它将自动切换到访问外部存储器。当EA终端保持低电平时，不管是否有内部程序存储器，只访问外部程序存储器。VPP:在对8751片内EPROM编程时，该引脚用于施加21V的编程功率。4:输入/输出引脚P0、P1、P2和P3端口P0 (P0.0-P0.7有8个引脚，即39-32个引脚):P0端口是一个双向8位三态输入/输出端口。当访问外部存储器时，它可以在分时中用作低8位地址线和8位数据线。P1端口(P1.0-P1.7有8个引脚，即引脚1-8): P1端口是一个带有内部上拉电阻的

8、8位双向输入/输出端口，它在EPROM编程和程序验证期间接收较低的8位地址。当访问外部存储器时，它可以用作上面的8位地址线。P2端口(P2.0-P2.7有8个引脚，即引脚21-28): P2端口是一个带有内部上拉电阻的8位双向输入/输出端口，它在EPROM编程和程序验证期间接收较高的8位地址。P3端口(3.0-3.7有8个引脚，即10-17个引脚):P3端口是一个带有内部上拉电阻的8位双向输入/输出端口。在MCS-51单片机中，这八个引脚有自己的第二功能。表2-1显示了P3港的第二个功能。表2-2-1P 3端口的第二个功能表，2.3.2除了电源、复位、时钟访问和用户输入输出端口外，三总线结构的

9、微控制器的引脚都设置为系统扩展。这些引脚形成一个三总线。(1)地址总线(AB):地址总线的宽度为16位，低8位地址(A0-a7)由端口P0通过地址锁存器提供；P2端口直接提供高位8位地址(A8-A15)。地址信号由中央处理器发送，因此地址总线是单向的。(2)数据总线(DB):数据总线的宽度为8位，用于传输数据和指令，由P0端口提供。(3)控制总线(CB):由P3端口的第二功能状态和四条独立的控制线复位、ea、psen和ale组成。控制总线可以随时掌握各种部件的状态，并根据需要向相关部件发出命令。累加器ACC、寄存器b、寄存器TMP1、TMP2、程序状态寄存器PSW、布尔处理器、BCD码调整电路

10、、时钟发生器、时序控制逻辑、程序计数器PC、程序地址寄存器、数据指针寄存器DPTR、堆栈指针SP、算术单元、控制器、算术逻辑运算单元ALU、指令寄存器、指令译码器、2.3 MCS-51系列单片机2 . 3 . 0的主要部件。组成：运算单元和控制器。算术单元：由加法器和其他逻辑电路组成。它是对数据进行算术和逻辑运算的执行部件。它可以完成算术加法、减法、乘法和除法、逻辑“与”、“或”和“异或”运算、循环移位运算、位运算等功能。此外，程序状态标志寄存器的相关位应该受到判断操作结果的影响。控制器：的指令寄存器：8位寄存器，用于暂时存储指令并等待解码。指令解码器：当一条指令被发送到解码器时，它被解码，也

11、就是说，该指令被转换成执行该指令所需的电信号。根据解码器输出的信号，中央处理器的时序控制电路定期产生执行指令所需的各种控制信号，使计算机能够正确执行程序所需的各种操作。51系列微控制器有四个物理存储空间：片内程序存储器(4KB) -片外程序存储器(扩展64KB) -片内数据存储器(128B) -片外数据存储器(扩展64kb) (a)程序存储器，(b)内部数据存储器，(c)外部数据存储器MCS-51单片机存储器结构，2.3.1程序存储器存储所需的程序和数据外部可扩展64KB，地址长度：16位。地址由PC机指示，寻址范围为0000HFFFFH。EA=0，寻址外部只读存储器；EA=1，寻址内部只读存

12、储器，当个人计算机的值超过片上只读存储器的容量时，自动转到外部存储空间。程序存储器中有六个具有特殊功能的单元：0000H-0002H:所有程序的入口地址。8051复位后，电脑指向这里，中央处理器总是从0000单元开始执行程序。0003H-000AH:外部中断0入口。000BH-0012H:定时器0溢出中断条目。0013H-001AH:外部中断1入口。001BH-0022H:定时器1溢出了中断条目。0023H-002AH:串行端口中断入口。程序存储器，2.3.2数据存储器8051在芯片内部有128个单元(00H-7FH)的随机存取存储器，在芯片外部有64KB的随机存取存储器：它在物理上被分成两个

13、区域：00H7FH，即128B中的随机存取存储器区域，和80HFFH，即SFR区域。用于访问片内随机存取存储器的“MOV”指令和用于访问片外随机存取存储器的“MOVX”指令。片外随机存取存储器通常是间接寻址的，R0、R1和DPTR可以用作地址间寄存器。R0和R1是8位地址指针，寻址范围为256字节；DPTR是一个16位地址指针，寻址范围为64KB。8051内部数据存储器128单元被分成三个区域：8051内部数据存储器128单元被分成三个区域：工作寄存器区域：4组工作寄存器被安排在00-1FH之间，每组占用8个随机存取存储器字节，被表示为R0-R7。PSW的RS1和RS0确定当前工作寄存器组号(

14、p18)寄存器组0:地址00H07H；寄存器组1:地址08H0FH；第2组寄存器：地址10H17H；注册组3:地址18H1FH。通用寄存器有两种使用方式：mova，r0-mova，00h，位寻址区：占用地址20H-2FH，16B，16*8=128位，每个位有一个对应于位地址00H-7FH的位地址，位地址区也可以作为通用随机存取存储器。用户内存区：地址为30H-7FH，共80字节。这些单元只能以存储单元(字节地址)的形式使用，存储单元是为用户保留的通用内存区域，主要用于存储随机数据和中间结果。该区域的操作说明非常丰富，数据处理方便灵活。在实际应用中，通常需要在内存区域设置堆栈。80C51的堆栈一

15、般设置在30H7FH的范围内。堆栈顶部的位置由SP寄存器指示。复位时的SP初始值为07H，可在系统初始化时复位。在表中，任何地址可被8整除的寄存器都是一个位可寻址寄存器。2.3.3特殊功能寄存器(SFR)特殊寄存器(22，21可寻址)占据8051片内高128单元(80H-FFH)随机存取存储器的21字节单元，并且这些单元是离散分布的。程序计数器：双字节寄存器，16位，未寻址，不在80HFFH范围内。每当中央处理器读取指令的一个字节时，个人计算机可以自动加1以指向指令的下一个字节或下一个指令地址。程序按顺序执行，64KB的只读存储器可以寻址。系统复位时，电脑=0000小时。累加器a: 8位寄存器

16、，地址：E0H，用于存储操作数或运算的中间结果。ACC表示累加器a的符号地址.函数：用于存储操作数，这是ALU输入的一个重要来源。它是算术逻辑单元运算结果的临时存储单元，用于存储运算的中间结果。在数据传输的传输站，单片机中的大部分数据传输都是通过累加器来完成的。在索引寻址模式下用作索引寄存器。寄存器b: 8位，主要用于乘法和除法。它也可以用作通用寄存器。乘法时，乘数存储在B中。乘法后，乘积的高8位存储在B中；在除法过程中，除数存储在B中，余数在除法后存储在B中。程序状态字寄存器PSW: 8位寄存器，存储程序和指令的运行状态信息。进位和借用标志(累加器a的溢出标志位)。当有进位或借位时，由硬件设

17、置CY=1，否则CY=0；空调：半借半借标志(辅助借贷)；当较低的4位进位或从较高的4位借用加法和减法时，硬件设置交流=1，否则交流=0，这适用于十进制调整(只注意这种情况)。F0:用户标志位(软件位)，由用户自己定义；RS1，RS0:当前工作寄存器组的选择位；p:奇偶校验标志位。当ACC中的结果为奇数时，P=1，否则P=0。OV:溢出标志位。溢出时OV=1，否则OV=0。硬件设置/清除。在有符号数运算中，当计算结果超过128127时，发生溢出，硬件置1，表示运算结果错误；否则，清除。在无符号数乘法中，当乘积超过255时，OV=1，表示乘积的高位放在B，低位放在A。否则，OV0表示乘积只放在A

18、.在无符号数除法中，当除数为零时，OV1表示除法不能执行，低8位放在A中.否则，OV=0，并且可以执行除法。堆栈指针：堆栈：根据“先进先出、后进先出”的原则，在内存中专门打开一个区域进行访问。8位，在128字节的片内随机存取存储器中打开一个堆栈区，它总是指示堆栈顶部元素的地址，初始值可以由软件设置。上电复位后，堆栈底部地址为SP=07H。按照先进先出、后进先出的原则访问内存区域。在堆叠操作中，SP首先增加1，然后数据被压入SP指向的单元。在堆叠操作中，首先弹出由服务点指向的单元的数据，然后服务点递减1。此时，服务点指向的单元是新的堆栈顶部。可以看出，80C51单片机的堆栈区域是在地址递增的方向上产生的。堆栈的功能：保护站点和断点。堆栈指针SP，数据指针dptr: 16位寄存器，存储16位地址，寻址范围64KB。用于指示被访问数据存储的单元地址。它由两个8位寄存器DPH和DPL组成，用于存储16位存储器的地址，读写外部数据存储器的随机存取存储器数据，也可以单独使用。间接寻址或索引寻址可以在片外访问64KB的内存数据。示例：MOVDPTR，# 2000h将源数据地址发送至DPTRMOVXA和data；从外部随机存取存储器发送AMOVDPTR，# 0200h将目的地址发送给DPTRMOVXDPTR，a；将一个中的内容发送到外部随机存取存储器，2.4.3并行输入/输