第二章 MCS-51单片机的结构和工作原理

1、MCS-51系列单片机是8位（高档）单片机系列。本章介绍MCS-51单片机的结构、工作原理及其组成部分和各部件的功能。,2.1单片机的基本组成,2.2 80C51单片机的引脚功能和结构框图,2.380C51CPU的结构和特点,2.480C51单片机的存储器,2.580C51单片机的位处理,第二章单片机的基本结构和工作原理,2.680C51单片机的工作方式,2.1单片机的结构,I/O口,并行I/O口 ：四个8位输入输出口，用于检测与控制，可用于DB、AB、CB，可驱动外设 串行I/O口 ：实现与某些终端设备进行串行通信 ，构成多机系统 ，可编程全双工，可设二个串口,定时器/计数器,精确的定时 外

2、部事件进行计数 80C51共有二个16位的定时器/计数器，80C52则有三个16位的定时器/计数器,中断系统,三个内部中断：2个定时/计数， 1个串行口 二个外部中断 二个中断优先级 （二级嵌套）,振荡电路及元件,产生有规律地节拍 内部定时电路需外接振荡元件才能工作，（也可集成到芯片内） 振荡元件一般选用晶体振荡器，或用价廉的RC振荡器，也可用外部时钟源,中央处理器CPU,单片机的核心 主要完成运算和控制功能 增设了“面向控制”的处理功能，增强了实时性 80C51的CPU是一个字长为8位的中央处理单元。一般对数据的处理是按字节进行的。,2.3 80C51CPU的结构和特点,中央控制器 运算器

3、时序电路 工作寄存器,2.3.1 中央控制器,中央控制器是识别指令，并根据指令性质控制计算机各组成部件进行工作的部件，与运算器一起构成中央处理器。 在80C51单片机中，控制器包括程序计数器PC、程序地址寄存器、指令寄存器IR、指令译码器、条件转移逻辑电路及定时控制逻辑电路。其功能是控制指令的读出、译码和执行，对指令的执行过程进行定时控制，并根据执行结果决定是否分支转移。,运算器,程序计数器PC,数据指针DPTR,指令译码器,控制器,C P U,2.3.1 中央控制器,指令寄存器IR,控制逻辑电路,程序计数器PC,最基本的16位寄存器，是一个独立的计数器 。 存放的是下一条将要从程序存储器中取

4、出的指令的地址（地址范围64K） 开机时PC=0000H PC值改变方法：自动加1；转移指令赋值；中断响应赋值 对外通过P2口和P0口连接,数据指针 DPTR,是一个16位的特殊功能寄存器 存放的是片外数据寄存器的地址（地址范围64K） ，或是程序存储器基础地址 16位地址可分成两部分即高八位DPH，低八位DPL分别使用 在CPU内占据83H、82H两个地址 对外通过P2口和P0口连接,指令寄存、译码、控制,指令寄存器IR是8位寄存器，用来存放指令操作码 指令译码是把指令转变为对应的电信号 定时控制是根据指令要求对各部件按时序进行工作 执行过程就是在控制器的控制下，将指令从程序存储器中逐条取出

5、，进行译码，然后由定时控制逻辑电路发相应的定时控制信号，控制指令的执行 对于运算指令，还要将运算的结果特征送入程序状态标志寄存器PSW,运算器,算术逻辑单元ALU (Arithmetic Logic Unit),累加器ACC (Accumulator),寄存器B,程序状态字PSW (Program Status Word),布尔处理器（2.5）,控制器,C P U,2.3.2 运算器,算术逻辑运算单元 ALU,是用于对数据进行算术运算和逻辑操作的执行部件，由加法器和逻辑电路（移位和判断电路）组成 能完成加、减、乘、除 和“与”、“或”、“异或” 以及循环移位等位操作 有两个输入和两个输出,累加

6、器A,是CPU中使用最频繁的一个八位专用寄存器 功能：累加器A存放操作数，是ALU单元的输入之一，也是ALU运算结果的暂存单元 只有一个累加器A，易产生“瓶颈”现象 ，指令和多累加器结构,B寄存器,B寄存器在乘法和除法指令中作为ALU的输入之一 功能：乘法时，B中放积的高8位 ，除法时B中存放余数 可以作为内部RAM中的一个单元来使用 ，地址是0F0H,Cy：进位标志；布尔累加器 AC：辅助进位标志（半进位） F0：用户标志 RS1/RS0：寄存器选择 OV：溢出标志 P：奇偶标志,程序状态字 PSW,程序存储器 （ROM）,哈佛结构 四种型号：内部没有程序存储器的称80C31，内部带ROM的

7、称80C51，内部以EPROM代替ROM的称87C51 ，内部以EEPROM代替ROM的称89C51 三种结构形式：片内只读存储器 ，片内可编程的ROM （三种），片外只读存储器,程序存储器的结构形式,片内掩膜ROM：一次性，厂家定制，便宜 片内可编程ROM：用户编程，可擦除（一次或多次（紫外线或电） 片外ROM,程序存储器用来存放程序和常数，分为片内和片外两部分，其中8051内部有4kB的ROM，地址范围是0000H-0FFFH，片外用16位地址线扩充64kB的ROM，两者统一编址。（从片内还是从片外取址取决于EA引脚，注意EA脚高低电平的含义）,特殊单元：0000H-0002H（开机复位单

8、元） 0003H-000AH（INT0中断地址区） 000BH-0012H（T/C0中断地址区） 0013H-001AH（INT1中断地址区） 001BH-0022H（T/C0中断地址区） 0023H-002AH（串行口中断地址区）,2.4 程序存储器,数据存储器（RAM）,一定容量（64 B至384B）的RAM 51系列只有256B，且前128B可用 目的：加快单片机运行的速度 ，降 低功耗,数据存储器用来存放运算的中间结果、标志位，及数据的暂存和缓冲等。 分为片内RAM和片外RAM。80C51系列单片机内数据存储器最大可寻址256个单元，片外可寻址16位（64kB）的地址空间。片内数据存储

9、器和片外数据存储器是单独编址的。,2.4 数据存储器,用户RAM区 （堆栈、数据缓冲） （30H-7FH）,位寻址区 （位地址00H-7FH） （20H-2FH）,第3组通用寄存器 （18H-1FH）,第2组通用寄存器 （10H-17H）,第1组通用寄存器 （08H-0FH）,第0组通用寄存器 （00H-07H）,用于存放操作数及中间结果。由于它们的功能预先不作规定，因此称为通用寄存器，也叫工作寄存器。 任一时刻，CPU只能使用一组工作寄存器。（由PSW的RS0和RS1决定）,可以直接对位进行寻址。（共16个单元，128个字节）,用于存放用户数据和及做堆栈用。,2.4 内部数据存储器（低128

10、字）,堆栈区及堆栈指示器 堆栈区从08H7FH起用。用于子程序调用或中断时保护断点和保护现场。 堆栈指示器SP：默认SP=07H，一般设SP=2FH。数据入栈 SP+1，数据出栈SP-1,2.4 内部数据存储器（低128字）,2.4 内部数据存储器（高128字）,占用字节地址：80HFFH,位寻址寄存器：其字节地址可被8整除。,专用寄存器：A、B、PSW、DPTR、SP,I/O接口寄存器：P0、P1、P2、P3、SBUF、TMOD、TCON、SCON ,片外数据存储器，即片外RAM一般由静态RAM组成。MCS-51系列单片机访问外部数据存储器通过一个特殊寄存器DPTR寻址。由于DPTR是16位

11、，则外部数据存储器可寻址的范围是64kB。（另外，数据区和扩展的I/O口统一编址。）,2.4 外部数据存储器,MCS-51系列单片机芯片绝大多数为40个引脚，HMOS工艺制造的芯片采用双列直插式封装（DIP）。 少量采用44个引脚的QFP或PLCC封装形式。 本节主要介绍DIP引脚功能和引脚功能的复用。,2.2 80C51单片机的引脚功能,1、电源引脚Vss和Vcc Vss（20）为电压接地端，Vcc（40）为+5V电源端。,2、时钟电路引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1（19）和XTAL2（18）是外接晶体引线端。当芯片使用内部时钟时，用于外接石英晶体和电容；当用外部时钟时，用于接外部时

12、钟脉冲信号。其中HMOS单片机：XTAL1接地，XTAL2接收信号；CHMOS单片机：XTAL1接收信号，XTAL2悬空。,2.2.1 引脚信号功能介绍,4、I/O（输入/输出）端口（Port）P0、P1、P2、P3 P0口是一个漏级开路的8位双向I/O口。在访问外存储器时，P0分时提供低8位地址线和8位双向数据线。当不接外存储器或不扩展I/O口时，P0口可作为一个通用输入输出接口。 P1口是一个带内部上拉电阻的准双向口。P1口只能做通用输入输出口。 P2口是一个带内部上拉电阻的准双向口。在访问外部存储器时，输出高8位地址。 P3口为双功能口，除了作为一般的准双向通用接口外，每个引脚还有特殊的

13、功能。,2.2.1 引脚信号功能介绍,2.2.2 引脚信号的第二功能,2.2.2 引脚信号的第二功能,单片机内部结构,MCS-51单片机的工作方式有复位方式、程序执行方式、低功耗方式以及编程、校验与加密方式等。,2.6 80C51单片机的工作方式,返回,1、单片机的初始化操作复位 单片机复位后，程序计数器PC和特殊功能寄存器的状态（见书P31页表2-7）。 复位后，PC初始化为0000H，使单片机从0000H开始执行程序。复位后不影响片内RAM。,2.6.1 复位方式,2、复位信号 RST引脚是复位信号的输入端，复位信号为高电平有效。当高电平持续24个震荡脉冲周期（两个时钟周期）以上时，单片机完成复位。,2.6.1 复位方式,3、复位方式 复位分为按键手动复位、上电自动复位和外部脉冲复位。,程序执行方式是单片机的基本工作方式。由于复位后PC=0000H，因此程序总是从地址0000H开始。,2.6.2 程序执行方式,单步执行就是通过外来脉冲控制程序的执行，使