第2章MCS-51单片机芯片的结构及原理

1、第二章MCS-51单片机的结构和原理，2.1MCS-51单片机的基本结构和存储器封装2.2MCS-51单片机2.3MCS-51 I/O端口电路2.4MCS-51单片机时钟电路和工作时序2.5MCS-51单片机工作模式2.6其他单片机的比较说明本章总结练习和思考问题。2.1 MCS-51单片机的基本结构和封装2 . 1 . 1 MCS-51单片机的基本结构和内部结构1。MCS-51单片机的基本结构由五个基本部分组成：运算单元、控制器、存储器、输入装置和输出装置。单片机的基本结构与微型计算机非常相似。不同的是单片机将运算器、控制器、少量存储器、最基本的输入/输出端口电路、串口电路、中断和定时电路集

2、成在一个芯片上。以MCS-51单片机为例，其系统结构如图2-1所示。图2-1 MCS-51单片机系统结构框图，MCS-51单片机主要由以下部分组成。1)中央处理器系统中央处理器系统包括：带布尔代数处理器的8位中央处理器；时钟电路；总线控制逻辑。2)存储系统存储系统包括：4KB程序内存(外部可扩展至64KB)；128B数据存储(外部可扩展至64kb)；特殊功能寄存器SFP。输入/输出端口和其他功能单元这部分包括四个并行输入/输出端口；两个16位定时器/计数器；1个全双工异步串行端口；中断系统(包括5个中断源和2个优先级)。MCS-51单片机的内部结构MCS-51单片机的系统结构如图2-1所示，它

3、将微机的所有部件集成在一个芯片上。从图中可以看出，MCS-51单片机由8位CPU、程序存储器(EPROM/ROM)、数据存储器(ram)、并行输入输出端口、串行输入输出端口、定时器/计数器、中断系统、振荡器和时钟电路等组成。所有这些都通过内部总线连接。图2-2是MCS-51单片机的内部结构框图。以下描述了每个部分的功能。图2-2 MCS-51单片机内部结构框图1)中央处理器MCS-51单片机的核心部分是中央处理器。中央处理器是单片机的核心，完成操作和控制。它由一个运算单元和一个控制器组成。(1)算术单元。MCS-51单片机的运算单元完成算术运算、逻辑运算和位运算(布尔处理)。它由算术/逻辑单元

4、、累加器A、寄存器B、临时寄存器、程序状态字寄存器PSW等组成。算术/逻辑单元由加法器和相应的控制器逻辑电路组成。它具有强大的功能，可以实现8位数据的加、减、乘、除等算术运算以及与、或、异或、循环、补码等逻辑运算，还具有位处理功能。运算结果被发送到累加器a，累加器a会影响标志位寄存器的状态。累加器a是一个特殊的寄存器。用于向算术逻辑单元提供操作数并存储运算结果。在运算中，一个操作数通过临时寄存器发送到算术逻辑单元，该操作数与算术逻辑单元临时寄存器中的另一个操作数进行运算，运算结果发送到累加器A.像普通微机一样，MCS-51单片机在结构上也是以累加器A为中心，大部分指令都是通过累加器A执行的。寄

5、存器B用于存储乘法和除运算时的操作数，也用于存储运算后的部分结果，也可作为通用寄存器使用。临时寄存器用于临时存储从数据总线和其他寄存器发送的操作数。作为算术逻辑单元的数据输入源，它向算术逻辑单元提供操作数。程序状态字寄存器PSW是一个状态标志寄存器，用于存储算术逻辑单元运算结果的特征(如运算结果是否为0等)。)和处理状态。这些特征和状态可用作控制程序传输的条件，并可用于程序鉴别和查询。(2)控制器。控制器和一般的微处理器控制器一样，是用来统一控制和协调计算机工作的部件。它由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、定时和控制逻辑电路组成。程序计数器电脑是一个16位计数器。也就是说，中央处理器总是把个

6、人计算机的内容作为地址，并根据地址从存储器中读取指令。因此，每次提取一个字节时，电脑的内容都会自动增加1，为下一个字节做准备。除了执行分支指令、子程序调用指令和中断响应时，计算机的值由指令或中断响应过程自动加载。当单片机上电或复位时，电脑自动清零，即加载地址为0000小时，即当单片机上电复位时，程序从0000小时的地址开始执行。指令寄存器IR用于存储当前正在执行的指令。要执行一条指令，首先要把它从程序存储器读入指令寄存器。指令的内容包括操作码和地址码。操作码被发送到指令译码器标识，指令译码器标识确定译码后要执行的操作，地址码被发送到操作数地址形成电路以形成实际的操作数地址。时序和控制逻辑是中央

7、处理器的核心部件，它控制读取指令、执行指令、访问操作数或操作结果的操作，并向其他部件发送各种操作控制信号以协调每个部件的工作。80C51单片机有一个振荡电路，只需连接一个外部应时晶体和一个频率微调电容就能产生一个内部时钟信号。存储器MCS-51单片机的存储器在物理上被设计成两个独立的空间：程序存储器和数据存储器。内部数据存储器包括随机存取存储器(128B8)、随机存取存储器地址寄存器等。实际上，MCS-51单片机总共应该有256个布拉姆单元，但最后128个单元被特殊功能寄存器(80HFFH)占用，只有前128个单元(00H7FH)被用户用来存储操作结果、临时存储数据和缓冲数据。因此，上面提到的

8、内部数据寄存器通常指的是第一个128B单元，简称内部随机存取存储器。内部程序寄存器包括只读存储器(4KB8)和程序地址寄存器。MCS-51单片机有4千位存储程序和原始数据。因此，它被称为程序寄存器，简称片上只读存储器。地址范围是0000H07FFH。3)定时器/计数器MCS-51单片机有两个16位定时器/计数器实现计时或计数功能，并通过计时或计数结果控制单片机。并行输入/输出端口MCS-51单片机有四个8位输入/输出端口(P0、P1、P2和P3)，实现数据的并行输入/输出。5)串口MCS-51单片机有一个全双工串口，实现单片机与其他数据设备之间的串行数据传输。它既可用作全双工异步通信收发器，也

9、可用作同步移位器。6)中断控制系统MCS-51有五个中断源，即两个外部中断、两个定时/计数中断和一个串行中断。其中，中断优先级分为高级中断优先级和低级中断优先级。串口MCS-51单片机有一个全双工串口，实现单片机与其他数据设备之间的串行数据传输。它既可用作全双工异步通信收发器，也可用作同步移位器。6)中断控制系统MCS-51有五个中断源，即两个外部中断、两个定时/计数中断和一个串行中断。其中，中断优先级分为高级中断优先级和低级中断优先级。时钟电路MCS-51单片机内部有一个时钟电路，但应时晶体和微调电容器需要外部连接。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列，典型的晶振频率为24兆赫。8)位处理器MC

10、S-51单片机主要用于控制，需要强大的位处理功能，可以对位进行置位、复位、求反和逻辑运算。总线的上述各部分通过总线连接，构成一个完整的单片机系统。系统的地址信号、数据信号和控制信号都通过总线传输，减少了单片机的连接线和引脚，提高了集成度和可靠性。从上面可以看出，虽然MCS-51只是一个芯片，但它实际上是一个简单的微机系统。2 . 1 . 2 HMOS制造的MCS-51单片机的引脚分布和功能采用40引脚双列直插式封装。CHMOS公司生产的80C51/80C31不仅采用40引脚双列直插式封装，而且采用方形封装。图2-3显示了双列直插式封装的MCS-51系列单片机80C51的引脚排列和逻辑符号。图2

11、-380C51单片机引脚图，引脚功能描述如下：1)电源引脚VCC(40引脚):连接5V。VSS(20引脚):接地。2)时钟信号引脚Xtal1(引脚19):连接到晶体振荡器的引脚。使用外部振荡器时，引脚接地。Xtal2(引脚18):连接到晶体振荡器的另一个引脚。当使用外部振荡器时，引脚用作外部振荡信号的输入端。3)控制线，(1)RST/VPD(9引脚):复位信号输入引脚/备用电源输入引脚。(2)/VPP(引脚31):片内和片外程序存储器选择引脚/片内EPROM(闪速只读存储器)成为电压输入引脚。当对片内EPROM编程时，此引脚(如VPP)连接到21V的编程电压。(3)ALE/(30引脚):数据锁

12、存使能信号输出引脚/编程脉冲输入引脚。(4)(引脚29):读取外部程序存储器的选通控制信号。4)输入/输出端口线(1)P0端口(引脚3239): 8位开漏双向并行输入/输出端口。(2)P1端口(18引脚):具有内部上拉电阻的8位准双向输入/输出端口。(3)P2端口(引脚2128):具有内部上拉电阻的8位准双向输入/输出端口。(4)P3端口(引脚1017):带内部上拉电阻的8位准双向输入/输出端口，每一位具有以下特殊功能(或第二功能):3.0(RXD):串行输入端。P3.1(TXD):串行输出端子。P3.2():外部中断0输入端，低电平有效。P3.3():外部中断1输入端，低电平有效。P3.4(

13、T0):定时器/计数器0的外部事件计数输入。P3.5(T1):定时器/计数器1的外部事件计数输入。P3.6():外部数据存储器写选通信号，低电平有效。P3.7():外部数据存储器读取选通信号，该选通信号在低电平有效。MCS-51单片机的存储器，MCS-51系列单片机具有一定的程序存储器和数据存储器容量。其存储结构的特点之一是程序存储器和数据存储器是完全独立的，并有自己的寻址机制和寻址方式。MCS-51单片机物理上有四个存储空间：片上程序存储器、片外程序存储器、片上数据存储器和片外数据存储器。逻辑上，有三个存储器地址空间：64KB程序存储器地址空间，其在芯片上和芯片外被统一寻址，内部128B或2

14、56B(对于52系列)数据存储器地址空间和外部64KB数据存储器地址空间，以及芯片上128B特殊功能寄存器(SFR)。当访问这三个不同的逻辑空间时，应该选择不同的指令(如MOV、MOVC和MOVX)。图2-4是MCS-51系列单片机的内存分配图。图2-4 MCS-51单片机系统的存储结构和存储空间分布图2 . 2 . 1 MCS-51单片机程序存储器程序存储器用于存储调试后的应用程序和表常数。MCS-51单片机采用16位程序计数器PC和16位地址总线，使64KB程序存储空间连续统一。带内部只读存储器的微控制器(如80C51/87C51)在正常工作时应将其引脚连接到高电平，以便从内部只读存储器执

15、行程序。当电脑值超过内部只读存储器地址空间(0FFFH)时，它将自动转到外部程序存储器的1000H0FFFFH地址空间来执行程序。内部没有只读存储器的微控制器(如8031/8032)应该总是连接到低电平，迫使中央处理器从外部程序存储器中获取指令。执行内部或外部程序存储器的程序的运行速度是相同的。64KB程序存储器中的7个入口地址具有特殊功能。单元0000H:系统复位后，程序计数器PC的值为0000H，这是程序的起始地址。一般来说，在这个单元中设置一个绝对转移指令，以便转到用户设计的主程序来执行。因此，0000H00002H单元被保留用于初始化。其他6个特殊功能的入口地址对应于6个中断源的中断服

16、务程序的入口地址，如表2-1所示。通常，无条件转移指令被放置在这些入口地址，以便转移到相应的中断服务程序执行。表2-1中断矢量入口地址表2 . 2 . 2 MCS-51单片机的数据存储器地址空间由内部和外部数据存储器空间组成。内部和外部数据存储空间之间存在重叠，这可以通过使用不同的指令来区分。当访问片上随机存储器时，使用MOV类指令；当访问片外随机存取存储器时，使用MOVX指令，因此地址重叠不会引起操作混乱。片内数据存储器在物理上可分为三部分：低128BRAM和高128BRAM(仅适用于8032/8052)和特殊功能寄存器(SFR)。在51个子系列中，只有低128位内存占用L28位内存的00H

17、7FH单元和特殊功能寄存器区，并占用80H0FFH单元。对于52个子系列，低128BRAM仍然占用00H7FH单元，而高128BRAM占用的地址空间与特殊功能寄存器(SFR)区域占用的空间一致，两者都是80H0FFH。访问哪个部分，系统通过不同的寻址方法来区分。当访问高128BRAM存储空间时，必须采用寄存器间接寻址。访问特殊功能寄存器时，只能使用直接寻址。访问低128位内存没有这种区别，两种寻址模式都可以采用。通用内部数据寄存器区(00H7FH)图2-5显示了片内数据存储器地址空间分配的示意图。低128BRAM由一个工作寄存器区、一个位寻址区和一个数据缓冲区组成。图2-5 MCS-51片上数

18、据存储器配置图，1)工作寄存器区(00H1FH)工作寄存器区有32个单元，分为4组，每组包含8个工作寄存器，编号为R0R7。在某一时刻，只能选择一个工作寄存器组来使用，通过软件设置程序状态字PSW的第3位和第4位(即RS0和RS1)来选择哪个工作寄存器组。中央处理器复位后，选择第0个工作寄存器。如表2-2所示。表2-2工作寄存器地址对应表工作寄存器为中央处理器存取数据提供了方便，有利于提高单片机的处理速度。在MCS-51中有许多使用通用寄存器的指令，其中大部分是单字节指令，执行速度更快。此外，使用通用寄存器也可以提高编程的灵活性。使用通用寄存器有两种方式，一种是以寄存器的形式使用它们；另一种以存储单元的形式使用，由单元地址表示。示例：如果RS1RS0=00，则MOVR0、#0F0HMOV00H和#0F0H的功能相同。2)位寻址区(20H2FH)内部随机存取存储器中的20H2FH是16个单元的位寻址区。这16个单元可以通过字节和位来寻址。这16个单元总共有168=128位，它们的位地址是00H7FH。它们与可由SFR区域中的位寻址的特殊功能寄存器一起，构成布尔(位)处理器的数据存储空间。所谓的位寻址意味着中央处理器可以直接寻址这些位，设置“1”，清除“