第1章MCS51单片机的结构与原理

1、第1章MCS-51单片机的结构与原理,主要内容：典型单片机（MCS-51,MSP430,EM78,PIC,Motorola,AVR）的性能，MCS-51内部结构、特点、工作方式、时序和最小应用系统。为学生后续学习单片机应用系统设计、利用单片机解决工程实际问题打下坚实的基础。重点在于基本概念、组成原理、特点及MCS-51的最小应用系统，难点在于时序。,典型单片机有MCS-51、MSP430、EM78、PIC、Motorola、AVR等。MCS-51为主流产品，性能如表1.1.1。MSP430为低功耗产品，功能较强，性能如表1.1.2。EM78为低功耗产品，价格较低，性能如表1.1.3。PIC为低

2、电压、低功耗、大电流LCD驱动、低价格产品，性能如表1.1.4。Motorola是世界上最大的单片机生产厂家之一，品种全、选择余地大、新产品多。其特点是噪声低，抗干扰能力强，比较适合于工控领域及恶劣的环境。性能如表1.1.5。AVR为高速、低功耗产品，支持ISP、IAP，I/O口驱动能力较强。性能如表1.1.6。,1.1典型单片机性能概览,1.2MCS-51单片机硬件结构及引脚,MCS-51系列单片机都是以Intel公司最早的典型产品8051为核心，增加了一定的功能部件后构成的，因此，本章以8051为主介绍MCS-51系列单片机。1.2.1MCS-51单片机的内部结构MCS-51单片机的组成：

3、CPU(进行运算、控制)、RAM(数据存储器)、ROM(程序存储器）、I/O口(串口、并口）、内部总线和中断系统等。组成框图如下：,内部结构如下：,组成：运算器、控制器。8051的CPU包含以下功能部件：（1）8位CPU。（2）布尔代数处理器，具有位寻址能力。（3）128B内部RAM数据存储器，21个专用寄存器。（4）4KB内部掩膜ROM程序存储器。（5）2个16位可编程定时器/计数器。（6）32个（48位）双向可独立寻址的I/O口。（7）1个全双工UART（异步串行通信口）。（8）5个中断源、两级中断优先级的中断控制器。（9）时钟电路，外接晶振和电容可产生1.2MHz12MHz的时钟频率。（

4、10）外部程序/数据存储器寻址空间均为64KB。（11）111条指令，大部分为单字节指令。（12）单一+5V电源供电，双列直插40引脚DIP封装。,1.中央处理器（CPU）,（1）运算器组成：8位算术逻辑运算单元ALU（ArithmeticLogicUnit）、8位累加器A（Accumulator）、8位寄存器B、程序状态字寄存器PSW（ProgramStatusWord）、8位暂存寄存器TMP1和TMP2等。功能：完成算术运算和逻辑运算。（2）控制器组成：程序计数器PC（ProgramCounter,16位）、指令寄存器IR（InstructionRegister）、指令译码器ID（Inst

5、ructionDecoder）、堆栈指针SP、数据指针DPTR、定时控制逻辑和振荡器OSC等电路。功能：CPU根据PC中的地址将欲执行指令的指令码从存储器中取出，存放在IR中，ID对IR中的指令码进行译码，定时控制逻辑在OSC配合下对ID译码后的信号进行分时，以产生执行本条指令所需的全部信号。,MCS-51系列单片机配置一览表,2.存储器,MCS-51的存储器可分为程序存储器和数据存储器,又有片内和片外之分。（1）程序存储器一般将只读存储器（ROM）用做程序存储器。可寻址空间为64KB，用于存放用户程序、数据和表格等信息。,MCS-51单片机按程序存储器可分为内部无ROM型（如8031）和内部

6、有ROM型（如8051）两种，连接时引脚有区别。程序存储器结构如右图所示：,（2）数据存储器,一般将随机存储器（RAM）用做数据存储器。可寻址空间为64KB。MCS-51数据存储器可分为片内和片外两部分。,片外RAM：最大范围：0000HFFFFH，64KB；用指令MOVX访问。片内RAM：最大范围：00HFFH，256B；用指令MOV访问。又分为两部分：低128B（007FH）为真正的RAM区，高128B（80FFH）为特殊功能寄存器（SFR）区。如右图所示。,内部RAM的20H2FH单元为位寻址区，既可作为一般单元用字节寻址，也可对它们的位进行寻址。位地址为00H7FH。CPU能直接寻址这

7、些位（称MCS-51具有布尔处理功能），位地址分配如右表所示。,3特殊功能寄存器（SFR）,MCS-51有21个特殊功能寄存器（也称为专用寄存器），包括算术运算寄存器、指针寄存器、I/O口锁存器、定时器/计数器、串行口、中断、状态、控制寄存器等，它们被离散地分布在内部RAM的80HFFH地址单元中（不包括PC），共占据了128个存储单元，构成了SFR存储块。其字节地址可被8整除的SFR可位寻址。SFR反映了MCS-51单片机的运行状态。特殊功能寄存器分布如右表所示。,（2）累加器A（Accumulator）累加器A是8位寄存器，又记做ACC，是一个最常用的专用寄存器。在算术/逻辑运算中用于存放

8、操作数或结果。（3）寄存器B寄存器B是8位寄存器，是专门为乘除法指令设计的，也作通用寄存器用。,（1）程序计数器PC（ProgramCounter）程序计数器PC在物理上是独立的，它不属于SFR存储器块。PC是一个16位的计数器，专门用于存放CPU将要执行的指令地址（即下一条指令的地址），寻址范围为64KB，PC有自动加1功能，不可寻址，用户无法对它进行读写，但是可以通过转移、调用、返回等指令改变其内容，以控制程序执行的顺序。,（4）工作寄存器内部RAM的工作寄存器区00H1FH共32个字节被均匀地分成四个组（区），每个组（区）有8个寄存器，分别用R0R7表示，称为工作寄存器或通用寄存器，其中

9、，R0、R1还经常用于间接寻址的地址指针。在程序中通过程序状态字寄存器（PSW）第3、4位设置工作寄存器区。,（5）程序状态字PSW（ProgramStatusWord）程序状态字PSW是8位寄存器，用于存放程序运行的状态信息，PSW中各位状态通常是在指令执行的过程中自动形成的，但也可以由用户根据需要采用传送指令加以改变。其定义格式如下页表所示。,其中：Cy：进借位标志；AC：辅助进借位标志；F0：用户标志；RS1、RS0：工作寄存器组（区）选择（如下表所示）；OV：溢出标志位，有溢出时置1；P：奇偶标志位。A中有奇数个1时置1。,（6）数据指针DPTR（DataPointer，16位）数据指

10、针DPTR是16位的专用寄存器，即可作为16位寄存器使用，也可作为两个独立的8位寄存器DPH（高8位）、DPL（低8位）使用。DPTR主要用作16位间址寄存器，访问程序存储器和片外数据寄存器。（7）堆栈指针SP（StackPointer，8位）堆栈是一种数据结构，是内部RAM的一段区域。堆栈存取数据的原则是“后进先出”。堆栈指针SP是一个8位寄存器，用于指示堆栈的栈顶，它决定了堆栈在内部RAM中的物理位置。MCS-51单片机的堆栈地址向大的方向变化（与微机堆栈地址向小的方向变化相反）。系统复位后，SP初值为07H，实际应用中通常根据需要在主程序开始处对堆栈指针SP进行初始化，一般设置SP为60

11、H。设立堆栈的目的是用于数据的暂存，中断、子程序调用时断点和现场的保护与恢复。,（8）I/O口专用寄存器（P0,P1,P2,P3）8051片内有4个8位并行I/O接口P0,P1,P2和P3，在SFR中相应有4个I/O口寄存器P0,P1,P2和P3。（9）定时器/计数器（TL0,TH0,TL1和TH1）MCS-51单片机中有两个16位的定时器/计数器T0和T1，它们由4个8位寄存器（TL0,TH0,TL1和TH1）组成，2个16位定时器/计数器是完全独立的。可以单独对这4个寄存器进行寻址，但不能把T0和T1当做16位寄存器来使用。（10）串行数据缓冲器（SBUF）串行数据缓冲器SBUF用于存放需

12、要发送和接收的数据，它由两个独立的寄存器组成（发送缓冲器和接收缓冲器），要发送和接收的操作其实都是对串行数据缓冲器SBUF进行的。（11）其他控制寄存器（中断、串行、定时计数控制、波特率设置等）除上述外，还有IP,IE,TCON,SCON和PCON等几个寄存器，主要用于中断、定时和串行口的控制，,I/O接口是MCS-51单片机对外部实现控制和信息交换的必经之路，用于信息传送过程中的速度匹配和增加它的负载能力。8051内部有4个8位并行接口P0,P1,P2,P3，有1个全双工的可编程串行I/O接口。5定时器/计数器8051内部有两个16位可编程序的定时器/计数器，均为二进制加1计数器，分别命名为

13、T0和T1。T0和T1均有定时器和计数器两种工作模式。在定时器模式下，T0和T1的计数脉冲可以由单片机时钟脉冲经12分频后提供。在计数器模式下，T0和T1的计数脉冲可以从P3.4和P3.5引脚上输入。对T0和T1的控制由定时器方式选择寄存器TMOD和定时器控制寄存器TCON完成。,4I/O接口,6中断系统,中断：指CPU暂停原程序执行，转而为外部设备服务（执行中断服务程序），并在服务完后返回到原程序执行的过程。中断系统：指能够处理上述中断过程所需要的硬件电路。中断源：指能产生中断请求信号的源泉。8051可处理5个中断源（2个外部，3个内部）发出的中断请求，并可对其进行优先权处理。外部中断的请求

14、信号可以从P3.2,P3.3（即和）引脚上输入，有电平或边沿两种触发方式；内部中断源有3个，2个定时器/计数器中断源和1个串行口中断源。8051的中断系统主要由中断允许控制器IE和中断优先级控制器IP等电路组成。,1.2.2MCS-51单片机外部引脚,1电源线GND：接地引脚。VCC：正电源引脚。接5V电源。,MCS-51系列单片机中，各类单片机都是相互兼容的，只是引脚功能略有差异。8051单片机有40个引脚，分为端口线、电源线和控制线三类。,2端口线P0P3口：48=32条。（1）P0口（P0.0P0.7）8位双向三态I/O口，可作为外部扩展时的数据总线/低8位地址总线的分时复用口。又可作为

15、通用I/O口，每个引脚可驱动8个TTL负载。对EPROM型芯片（如8751）进行编程和校验时，P0口用于输入/输出数据。,（2）P1口（P1.0P1.7）,8位准双向I/O口，内部具有上拉电阻，可作为通用I/O口。每个引脚可驱动4个TTL负载。（3）P2口（P2.0P2.7）8位准双向I/O口，内部具有上拉电阻，可作为外部扩展时的高8位地址总线。又可作为通用I/O口，每个引脚可驱动4个TTL负载。对EPROM型芯片（如8751）进行编程和校验时，用来接收高8位地址。（4）P3口（P3.0P3.7）8位准双向I/O口，内部具有上拉电阻。它是双功能复用口，作为通用I/O口时，功能与P1口相同，常用

16、第二功能。每个引脚可驱动4个TTL负载。作为第二功能使用时，各位的作用如下页表所示。,3控制线（1）RST/VPDRST/VPD引脚是复位信号/备用电源线引脚。当8051通电时，在RST引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。,（2）ALE/,地址锁存允许/编程引脚。当访问外部程序存储器时，ALE的输出用于锁存地址的低位字节，以便P0口实现地址/数据复用。当不访问外部程序存储器时，ALE端将输出一个1/6时钟频率的正脉冲信号。ALE/是复用引脚，其第二功能是对EPROM型芯片（如8751）进行编程和校验时，此引脚传送52ms宽的负脉冲选通信号，程序计数器PC的16位地址数据将出现

17、在P0和P2口上，外部程序存储器则把指令码放到P0口上，由CPU读入并执行。（3）/VPP允许访问片外程序存储器/编程电源引脚。对于片内无程序存储器的MCS-51单片机（如8031），必须接地。片内有程序存储器的MCS-51单片机（如8051），必须接高电平。/VPP是复用引脚，其第二功能是片内EPROM编程/校验时的电源线，在编程时，VPP脚需加上21V的编程电压。,（4）XTAL1和XTAL2,XTAL1脚为片内振荡电路的输入端，XTAL2脚为片内振荡电路的输出端。8051的时钟有两种方式，一种是片内时钟振荡方式，但需在XTAL1和XTAL2脚外接石英晶体（频率为1.212MHz）和振荡电

18、容，振荡电容的值一般取1030pF，典型值为30pF；另外一种是外部时钟方式，即将XTAL1接地，外部时钟信号从XTAL2脚输入，如下图所示。,（5）,片外ROM选通线。在执行访问片外ROM的指令MOVC时，8051自动在引脚产生一个负脉冲，用于对片外ROM的选通。其他情况下，该引脚均为高电平封锁状态。,1.3MCS-51单片机的工作方式,MCS-51系列单片机的工作方式可分为：复位方式、程序执行方式、单片执行方式、掉电保护方式、节电工作方式和EPROM编程/校验方式。1.3.1复位方式系统开始运行和重新启动靠复位电路来实现，这种工作方式为复位方式。单片机在开机时都需要复位，以便CPU及其他功

19、能部件都处于一种确定的初始状态，并从这个状态开始工作。MCS-51单片机在RST引脚产生两个机器周期（即24个时钟周期）以上的高电平即可实现复位。,复位电路有两种：上电自动复位和上电/按键手动复位，如下图所示。,复位后，8051的各特殊功能寄存器的初始状态如下表所示。,1.3.2程序执行方式,程序执行方式是单片机基本工作方式，可分为连续执行工作方式和单步执行工作方式。1连续执行工作方式这是所有单片机都需要的一种方式。单片机复位后，PC值为0000H，因此单片机复位后立即转到0000H处执行程序。单片机按照程序事先编排的任务，自动连续地执行下去。2单步执行工作方式这是用户调试程序的一种工作方式，

20、在单片机开发系统上有一专用的单步按键（或软件调试环境）。按一次，单片机就执行一条指令（仅仅执行一条），这样就可以逐条检查程序，发现问题进行修改。单步执行方式是利用单片机外部中断功能实现的。,节电工作方式是一种低功耗的工作方式，可分为空闲（等待）方式和掉电（停机）方式。是针对CHMOS类芯片而设计的，HMOS型单片机不能工作在节电方式，但它有一种掉电保护功能。1HMOS单片机的掉电保护当VCC突然掉电时，单片机通过中断将必须保护的数据送入内部RAM，备用电源VPD可以维持内部RAM中的数据不丢失。2CHMOS单片机的节电方式CHMOS型单片机是一种低功耗器件，正常工作时电流为1122mA，空闲状

21、态时为1.75mA，掉电方式为550A。因此，CHMOS型单片机特别适用于低功耗应用场合，它的空闲方式和掉电方式都是由电源控制寄存器PCON中相应的位来控制。,1.3.3节电方式,（1）电源控制寄存器PCON,PCON各位的定义如下表所示。,IDL：空闲方式控制位，该位为1时，单片机进入空闲待机工作方式。PD：掉电方式控制位，为1时，单片机进入掉电工作方式。上面的IDL、PD同时为1，则进入掉电工作方式，同时为0，则工作在正常运行状态。GF0,GF1：通用标志位，描述中断是来自正常运行还是来自空闲方式，用户可通过指令设定它们的状态。SMOD：为串行口波特率倍率控制位，用于串行通信。,（2）空闲

22、工作方式,将IDL位置为1（用指令MOVPCON,#01H），则进入空闲工作方式，其内部控制电路如右图所示。此时，CPU进入空闲待机状态，中断系统、串行口、定时器/计数器，仍有时钟信号，仍继续工作。退出空闲状态有两种方法：一是中断退出，二是硬件复位退出。,（3）掉电工作方式,将PD置为1（用指令MOVPCON,#02H），可使单片机进入掉电工作方式。此时振荡器停振，只有片内的RAM和SFR中的数据保持不变，而包括中断系统在内的全部电路都将处于停止工作状态。退出掉电工作方式，只能采用硬件复位的方法。欲使8051从掉电方式退出后继续执行掉电前的程序，则必须在掉电前预先把SFR中的内容保存到片内RA

23、M中，并在掉电方式退出后恢复SFR掉电前的内容。,1.3.4编程和校验方式,编程和校验方式用于内部含有EPROM的单片机芯片（如8751），一般的单片机开发系统都提供实现这种方式的设备和功能。编程的主要操作是将原始程序、数据写入内部EPROM中。校验的主要操作是在向片内程序存储器EPROM写入信息时或写入信息后，可将片内EPROM的内容读出进行校验，以保证写入信息的正确性。,1.4单片机的时序,时序：CPU在执行指令时所需控制信号的时间顺序称为时序。时序是用定时单位来描述的，MCS-51的时序单位有四个，分别是时钟周期（节拍）、状态、机器周期和指令周期。,1.4.1MCS-51的时序单位,1.

24、时钟周期：又称为振荡周期、节拍（用P表示），定义为单片机提供时钟信号的振荡源（OSC）的周期。它是时序中的最小单位。2.状态（用S表示）：单片机振荡脉冲经过二分频后即得到整个单片机工作系统的状态。一个状态有两个节拍，前半周期对应的节拍定义为P1，后半周期对应的节拍定义为P2。,3.机器周期：通常将完成一个基本操作所需的时间称为机器周期。MCS-51中规定一个机器周期包含12个时钟周期，即有6个状态，分别表示为S1S6。若晶振为6MHz，则机器周期为2s，若晶振为12MHz，则机器周期为1s。4.指令周期：执行一条指令所需要的时间称为指令周期。它是时序中的最大单位。一个指令周期通常含有14个机器

25、周期。指令所包含的机器周期数决定了指令的运算速度，机器周期数越少的指令，其执行速度越快。以机器周期为单位，指令可分为单周期、双周期和四周期指令。,1.4.2MCS-51指令的取指/执行时序,指令的集合称为程序，执行程序的过程就是执行指令的过程。单片机执行任何一条指令时都可以分为取指阶段和执行阶段。在取指阶段，CPU从程序存储器中取出指令操作码，送指令寄存器，再经指令译码器译码，产生一系列控制信号，完成本指令规定的操作。单周期和双周期指令的取指时序图如下页图所示。ALE信号是用于锁存低8位地址的选通信号，每出现一次该信号，单片机即进行一次读指令操作。当指令为多字节或多周期指令时，只有第一个ALE

26、信号进行读指令操作，其余的ALE信号为无效操作（或读操作数操作）。,1.4.3访问片外ROM/RAM指令的时序,1外部程序存储器读时序从外部程序存储器读取指令，必须有两个信号进行控制：ALE信号和信号（外部ROM读选通脉冲）。,2外部数据存储器读时序第一个机器周期是取指周期，是从ROM中读取指令数据，第二个机器周期才开始读取外部数据存储器RAM中的内容。有三个信号进行控制：ALE信号、信号（外部ROM读选通脉冲）和信号（外部RAM读选通脉冲）。,1.5C8051F系列片上系统（SOC）简介,Cygnal的C8051F带有SOC色彩，集成了嵌入式系统的许多先进技术。1.5.1概述Cygnal公司生产的C8051Fxxx系列单片机，与MCS-51内核及指令集完全兼容。是MCS-51单片机的典型代表，也是目前功能最全、速度最快的8051衍生单片机。C8051F已成为一个完善的、系统级的芯片。到目前为止，Cygnal共提供有41个型号工业级的C8051F片上系统单片机，其典型芯片性能概览见教材P32表1.5.1所示。,1.5.2基本结构与特点,Cygnal公司的C8051F单片机的内