MCS51单片机的硬件结构.docx
《MCS51单片机的硬件结构.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《MCS51单片机的硬件结构.docx（31页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
MCS51单片机的硬件结构
第二章MCS-51单片机的硬件结构
（一）学习要求
（1）掌握单片机的主要功能、核心电路。
（2）MCS－51系列单片机的主要功能、引脚含义；
（二）内容提要
概述
1、MCS－51系列单片机的主要功能
MCS－51系列单片机是美国Intel公司1980年推出的高性能8位单片微型计算机，较原来的MCS－48系列结构更为先进，功能增强，它包括51和52两个子系列。
在51系列中，主要有8031、8051、8751三种机型，它们的指令系统与芯片引脚完全兼容，仅片内ROM有所不同（详细内容见教科书第三章）。
51子系列的主要功能为：
1.8位CPU。
2.片内带振荡器，振荡频率fosc范围为1.2-12MHz；可有时钟输出。
3.128个字节的片内数据存储器。
4.4K字节的片内程序存储器（8031无）。
5.程序存储器的寻址范围为64K字节。
6.片外数据存储器的寻址范围为64K字节。
7.21个字节专用寄存器。
8.4个8位并行I／O接口：
P0、P1、P2、P3。
9.1个全双工串行I／O接口，可多机通信。
10.3个16位定时器／计数器。
11.中断系统有5个中断源，可编程为两个优先级。
12.111条指令，含乘法指令和除法指令。
13.有强的位寻址、位处理能力。
14.片内采用总线结构。
15.用单一＋5V电源。
52子系列主要有8032、8052两种机型。
与51子系列不同在于：
片内数据存储器增至256个字节；片内程序存储器增至8KB（8032）无；有3个16位定时器／计数器；有6个中断源。
其他性能均与51子系列相同。
2、内部结构框图
MCS－51系列单片机的内部结构框图见参考书图2－1。
（p41）
由图2－1可大致看到：
它含运算器、控制器、片内存储器、4个I／O接口、串行接口、定时器／计数器、中断系统、振荡器等功能部件。
图中SP是堆栈指针寄存器，栈区占用了片内RAM的部分单元；未见通用寄存器（工作寄存器），因单片机片内有存储器，与访问工作寄存器一样方便，所以就把一定数量的片内RAM字节理作工作寄存器区；PSW是和谐状态字寄存器，简称程序状态字，相当于其他计算机的标志寄存器；DPTR是数据指针寄存器，在访问片外ROM、片外RAM、甚至扩展I／O接口特别有用；B寄存器又称乘法寄存器，它与累加器协同工作，可进行乘法操作和除法操作。
乘法指令的两个操作数分别取自A和B，其结果存放在BA寄存器中。
B存积的高8位，A存积的低8位。
除法指令中被除数取自A，除数取自B，结果商存放在A中，余数存放在B中。
在其他指令中，B可以作为RAM中的一个单元来使用。
3、外部引却说明
MCS－51系列单片机芯片有40个引脚。
用HMOS工艺制造的芯片采用双列直插式封装，见图2－2。
低功耗的、采用CHMOS制造的机型（在型号中间加“C”字作识别，如80C31、80C51、87C51）也有用方型封装结构的。
现将各引脚分别说明如下：
1．主电源引脚
Vcc：
接＋5V电源正端。
Vss：
接＋5V电源地端。
2.外接晶体引脚
XTAL1：
片内反相放大器输入端。
XTAL2：
片内反相放大器输出端。
外接晶体时，XTAL1和XTAL2各接晶体的一端，借外接晶体与片内反相放大器构杨成振荡器。
3．输入／输出引脚
P.0-P0.7:
P0口的8个引脚。
在不接片外存储器与不扩展I／O接口时，可作为准双向输入／输出接口。
在接有片外存储器或扩展I／O接口时，P0口分时复用为低8位地址总线和双向数据总线。
P1.0-P1.7:
P1口的8个引脚。
可作为准双向I／O接口使用。
对于52子系列，P1。
0与P1。
1还有第二种功能：
P1。
0可用作定时器／计数器2的计数脉冲输入端T2。
P1。
1可用作定时器／计数器2的外部控制端T2EX。
P2。
0-P2.7:
P2口的8个引脚。
可作为准双向I／O接口；有接有片外存储器或扩展I／O接口且寻址范围超过256个字节时，P2口用作高8位地址总线。
P3.0-P3.7:
P3口的8个引脚。
除作为准双向I／O接口使用外，还具有第二种功能，详见表2－1。
4．控制线
ALE／PROG：
地址锁存有效信号输出端。
在访问片外程序存储器期间，每机器周期该信号出现两次，其下降沿用于控制锁存P0口输出的低8位地址。
对于片内含EPROM的机型，在编程期间，此引脚用作编程脉冲PROG的输入端。
PSEN：
片外程序存储器读选通信号输出端，或称片外取指信号输出端。
在向片外程序存储器读取指令或常数期间，每个机器周期该信号两次有效（低电平），以通过数据总线P0口读回指令或常数。
在访问片外数据存储器期间，PSEN信号将不出现。
RST／V：
（RST是RETET简略写法。
）是复位端。
单片机的振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平就可实现复位操作，使单片机回复到初始状态。
上电时，考虑到振荡器有一定的起振时间，该引脚上高电平必须持续10ms以上才能保证有效复位。
Vcc掉电期间，该引脚如接备用电源VPD（＋5V＋0。
5V），可用于保存片内RAM中的数据。
当Vcc下降到某规定值以下VPD，便向片内RAM供电。
EA／VDD：
片外程序存储器选用端。
该引脚有效（低电平）时只选用片外程序存储器，否则计算机上电或6复位后先选用片内程序存储器。
对于片含EPROM的机型，在编程期间，此引脚用作21V编程电源VDD的输入端。
终上所述，对MCS－51系列单片机的引脚可归纳出下列两点：
1.单片机功能多，引脚数少，致许多引脚都具有第二功能。
2.单片机对外呈三总线形式。
由P2、P0组成16位地址总线；由P0分时复用为数据总线；由ALE、PSEN、RST、EA与P3口中的INT0、INT1、T0、T1、WR、RD共10个引脚组成控制总线，详见第四章图4－1。
因是16位地址线，使片外存储器的寻址范围达到64K字节。
（三）习题与思考题
1．５１子系列单片机内部包括哪些主要逻辑功能部件？
2．５１子系列单片机的主要功能有哪些？
3.EA/VDD引脚有和功用？
8032的EA引脚应如何处理，为什么？
答：
EA为片外程序存储器选择端，8031的EA引脚应接地。
4．ＡＬＥ信号有何功用？
一般情况下，它与机器周期的关系如何？
在什么条件下ＡＬＥ信号可用作外部调和的定时信号？
第二节中央处理单元CPU
（一）学习要求
（1）掌握中央处理单元CPU组成。
（2）掌握运算器的功能及作用。
（3）掌握程序计数器PC的工作原理。
（二）内容提要
一、运算器
自第一章已经知道，微处理器又称CPU，由运算器和控制器两大部分组成。
以算术逻辑单元ALU为核心，含累加器A、暂存器、程序状态字PSW、B寄存器等许多部件。
1．算术逻辑单元
它在控制器所发内部控制信号的控制下进行各种算术操作和逻辑操作。
MCS－51系列单片机的算逻单元除能完成带进位位加法、不带进位位加法、带进位位减法、加1、减1、逻辑与、逻辑或、逻辑异或、循环移位以及数据传送、程序转移等一般操作外，其特点是：
1）在B寄存器配合下，能完成乘法与除法操作。
2）可进行多种内容交换操作。
3）能作比较判跳操作。
4）有很强的位操作功能。
2．累加器
累加器A是最常用的专用寄存器。
进入ALU作算术操作和逻辑操作的操作数很多来自A，操作的结果也常送回A。
有许多单操作数指令都是针对A的，例如：
指令INCA是执行A中内容加1的操作，
指令CLRA是执行将A内容清零的操作，
指令RLA是执行使A各位内容依次循环向左移动一位的操作。
大量双操作数指令的一个操作数也来自A，例如：
指令ADDA，＃data是执行（A）＜－（A）+#data的算术操作，
指令ANLA，＃data是执行（A）＜－（A）＃data的逻辑操作。
3．程序状态字
程序状态字PSW是一个8位寄存器，它包含了许多程序状态信息，其各位的含义见下图，（p44图2－3），其中D1未定义。
D7D6D5D4D3D2D1D0
C
AC
FO
RS1
RS0
OV
－
P
（1）进位标志位C（PSW。
7）：
在执行某些算术操作类、逻辑操作类指令时，可被硬件或软件置位或清零。
例如8位减法运算时，若运算结果的最高位D7有借位，则C＝1，否则C＝0。
半数以上的位操作类指令都与C有关，可峥位处理时，它起着“位累加器”的作用。
（2）辅助进位标志AC（PSW。
6）：
8位加法运算时，如果低半字节（即低4位）的最高位D3有进位，则AC＝1，否则AC＝0；8位减法运算时，如果）的最高位D3有借位，则AC＝1，否则AC＝0。
AC在作BCD码运算而进行二－十进制调整时有用。
（3）软件标志FO（PSW。
5）这是用户定义的个状态标志。
可通过软件对它置位、清零；在编程时，也常测试其是否建起而进行程序分支。
（4）工作寄存器组选择位RS1、RS0、（PSW。
4、PSW。
3）：
可借软件置位或清零，以选定一个工作寄存器中的一个组投入工作（详见第三节）。
（5）溢出标志OV（PSW。
2）：
作有符号加法、减法时由硬件置位或清除，以指示运算结果是否溢出。
运算结果应放回累加器，OV＝1反映它已超出了累加器以补码形式表示一个有符号数的范围（－128――＋127）。
在做加法时，如最高、次高二位之一有进位，或做减法时最高、次高二位之一有借位，OV将被置位。
（详见第四切的举例分析）。
执行除法指令DIVAB也会影响OV标志：
如B中所放除数为0，OV＝1，否则OV＝0。
（6）奇偶标志P（PSW。
0）：
每执行一条指令，单片机都能根据A中1的个数的奇偶自动令P置位或清零，奇为1，偶为0。
此标志对串行通信的数据传输非常有用，通过奇偶校验可检验传输的可靠性。
例2－1试分析执行指令
MOVA，＃7FH
ADDA，＃47H
后，A、C、AC、OV、P的内容是什么？
因执行第1条指令后立即数7FH进入A，执行第2条指令使47H与A中的7FH相加
01111111（7FH）
+01000111（47H）
11000110（C6H）
其和C6H又送回A，故A中的内容为C6H；由相加过程知C＝0、AC＝1（次高位有进位、最高位无进位）；OV＝1（和大于128）；执行第1条指令后P＝1，执行第2条指令后P＝0。
二、控制器
组成：
PC、IR和ID、PLA等
1.程序计数器PC
16位计数器，指向程序存储器中被执行的指令所在的地址。
改变PC的内容就可以改变程序执行的方向，可对64KB程序寄存器直接寻址，是一个独立的寄存器，随时指向即将执行的指令地址，并有内容自动加一的功能，本身没有物理地址。
2.指令寄存器IR和指令译码器ID
指令寄存器中存放指令代码，CPU执行指令时从程序存储器中读取的指令代码通过指令寄存器送入指令译码器中，经过译码后有定时控制电路发出相应的控制信号，完成指令所规定的操作。
3.定时控制电路
定时控制电路是单片机的核心部分，由它产生CPU的操作时序。
（三）习题与思考题
1.程序状态寄存器PSW的作用是什么？
常用的状态标志有哪些？
作用是什么？
2.简述程序计算器PC的工作原理。
3.ＰＣ是什么寄存器？
是否属于特殊功能寄存器？
它有什么作用？
第三节MCS-51单片机存储器结构
（一）学习要求
（1）掌握单片机存储器的结构
（2）掌握单片机存储器的寻址方式和地址空间分配
（3）掌握特殊功能寄存器。
（二）内容提要
MCS-51单片机的存储结构与常见的微型计算机的配置方式不同，它把程序存储器和数据存储器分开编址，各有各的寻址方式、控制信号和功能。
1）在存储器结构上可分为6各存储器编址空间
片内ROM的容量位8KB，其地址位0000H－1FFFH.。
片内RAM的容量为256KB，其地址为00H－FFH。
可扩展片外ROM的容量位64KB,其地址位0000H－FFFFH。
可扩展片外RAM的容量位64KB，其地址位0000H－FFFFH。
特殊功能寄存器SFR的空间位128KB，其地址为80H－FFH,但实际上只定义了26各字节单元分散在80H－F0H。
位寻址空间共计220位，占28个字节单元，其中片内RAM区有128位，其位地址为00H－7FH，占16个字节单元，其地址为20H－2FH，该位地址区是连续的。
而SFR区有92位，其地址比较分散，不完全连续，分部在12个字节单元中。
物理上可以分为4个相互独立的存储器空间，即片内程序存储器，片外程序存储器，片内数据存储器，片外数据存储器。
在逻辑上可以分为3个相互独立的存储器空间，即程序存储器、片内数据存储器、片外数据存储器。
一：
程序存储
由第一章知，只读存储器（ROM）用作程序存储器，在计算机工作前，已事先存入各种程序、常数、表格；读写存储器（RAM），又称随机存储器，它的存储单元的内容根据需要既可读出，也可写入或改写，用作数据存储器，存放输入、输出数据和中间计算结果，或与外存交换信息，以及作为堆栈，在必要时可保存断点、保存现场。
单片机的片内存储器一般既有只读存储器（对于MCS－51系列，8052、8032例外），也有读写存储器。
计算机工作时是循序执行一条条指令的，为此，设有一个专用寄存器，用以存放将要执行的指令的地址，称为程序计数（PC）。
顾名思义，它还具有计数的功能，每取出指令的一个字节后，其内容又自行加1，指向下一字节，以便依次自程序存储器取指令执行、完成某种程序。
对8032、8052、8752，如EA引脚为高电平，复位后先执行片内程序存储器中的程序，当PC中内容超过1FFFFH时，将自动转去执行片外程序存储器中的程序；EA引脚应保持低电平，只访问片外程序存储器。
注意：
用户可以根据需要扩展程序存储器空间，但片内、片外程序存储器的总容量部队超过64KB。
二：
数据存储器RAM
MCS－51单片机内部有256B的随机存储单元在物理上和逻辑上可以分为两个地址空间，前者有128个字节，其编址为00H－7FH，为RAM的低区；后者也占128个字节，其编址为80H－FFH，为RAM的高区；二者连续而不重叠。
数据存储器RAM在物理上为工作寄存器区、位寻址区、数据缓冲器区等三个区域。
（1）工作寄存器区00H－1FH单元为工作寄存器区。
工作寄存器也称通用寄存器，供用户编程时使用，临时寄存8位信息。
分成4组，每个组都是8个单元，用作8个寄存器，都以R0－R7来表示。
（2）位寻址区20H－2FH单元是位寻址区，该区的每一位都被赋予了一个位地址，有了位地址就可以位寻址，对特定位进行处理、内容传送或据以判跳，给编程带来很大方便。
（3）堆栈和数据缓冲区
字节地址为30H－FFH的这部分存储器区域可以作为8位数据缓冲区使用。
一般，用户把堆栈就设置在这部分区域中。
2.片外数据存储区
在进行数据采集和处理数据量较大时，片内256个字节的数据存储器空间往往不够使用，这时需要扩展数据存储区域，MCS－51具有扩展64KB的片外数据存储器的能力。
三：
特殊功能寄存器
1.堆栈指针计数器SP
SP是一个专用的8位寄存器，用于指明堆栈顶部在内部RAM中的位置，可用软件来设置初始值，系统复位后SP位07H使得堆栈从08H开始执行，但在实际中，SP指针一般设置在30H－FFH得范围内，通常为5FH。
存取数据先进后出，后进先出。
堆栈的特点：
①是一个符合“先进后出、后进先出”的RAM区域
②SP总是指向堆栈的顶部（保存有数据）；
③堆栈可以设在内部RAM中的任意区域，一般开辟在30～7FH中。
堆栈的功能：
① 保护断点----保护从主程序转向子程序、中断时的断点，发生转移时自动完成。
② 保护现场----对子程序、中断程序中要用到的、现场的某些寄存器的内容进行保护，以保证返回时确恢复。
软件指令方式实现。
③ 数据的临时存放。
2.数据存储器机制指针DPTR
有DPH,DPL组成，主要存放16位地址，对64KB的外部数据寄存器空间寻址时可以作为间址寄存器使用，访问程序存储器时可以作为基址寄存器使用。
3.端口P0－P3
P0~P3口作为并行的8位I/O端口使用，它们都是内部RAM的一个单元。
四个8位并行的I/O端口的锁存器P0、P1、P2、P3、分别是特殊功能寄存器P0～P3，外括I/O端口和内部RAM是统一编址的。
4.串行数据缓冲器SBUF
MCS-51单片机的串行口是个全双工串行口，可以用来发送和接收串行数据用作异步通信，位于串行口内部的数据缓冲器，有两个独立的寄存器组成，其一为接收缓冲器，另一为发送缓冲器，地址都是99H，写入SBUFDE数据放在发送寄存器，用于串行发送，而当接收中断标志RI=1,从SBUF读取的数据来自接收缓冲器，读取的是刚接收的数据。
5.串行口控制与状态寄存器SCON
SCON主要用来选择串行通信的工作方式接收或发送控制，设置状态标志。
6.定时器/计数器
MCS－51有3个16位的定时器/计数器，即T0、T1和T2它们各自包含两个独立的8位加法计数器，TH0、TL0、TH1、TL1、TH2、TL2。
其分别是T1～T3的高8位与低8位加法计数器。
另外T2还有一个16位的捕获/重装载脊神经，分别是RLDH（高8位）RLDL（低8位）,又称RCAP2H、RCAP2L。
7.定时器工作方式寄存器TMOD
TMOD的作用是控制定时器/计数器T0和T1是作为定时器使用还是作为外部事件计数器使用，以及控制定时器的工作方式，并确定外部中断请求引脚和是否参与T0和T1的操作控制。
8.定时器/计数器控制寄存器TCON、T2CON.
TCON的作用是控制定时器/计数器T0和T1的启停操作和定时器溢出中断标志处理。
另外用于对
和
两个外部中断源触发信号进行设置和这两个中断源的脉冲触发中断申请标志进行处理。
而T2CON的作用是控制定时器/计数器T2的中断申请标志的处理和功能选择。
单片机复位时，它们的每一位都被清零。
9.中断允许寄存器IE
MCS-51有6个中断源，中断允许寄存器的作用是控制CPU是否对各中断源的中断请求给予响应。
可以根据要求用指令对IE中的各位状态进行置位和清零。
单片机复位时，它们中的每一位都被清零。
10.中断优先级寄存器IP
控制CPU对6个中断源优先响应的级别，它的低6位为各中断源优先级别的控制位，可以通过编程来置位或清零，单片机复位时IP中的各位将被清零，各中断源均为低优先级中断源。
（三）习题与思考题
1.什么是堆栈？
堆栈的作用是什么？
答：
堆栈是一组按照“先进后出”的方式工作的暂存数据的存储区域，保留断点地址，保护现场。
2.DPTR是什么寄存器？
它由哪些特殊功能寄存器组成？
它的主要作用是什么？
答：
数据指针寄存器，DPH、DPL，寻址程序存储器和数据存储器。
3.指出与T0有关的特殊功能寄存器。
答：
TMOD、TCON、TH0、TL0。
4.片内数据存储器分为哪几个性质和用途不同的区域？
单片机是如何确定和改变当前工作寄存器的？
答：
片内ＲＡＭ分为：
（１）工作寄存器区，占用００Ｈ－１ＦＨ单元，分成４组，每组都有８个单元，都以Ｒ０－Ｒ７表示。
同时只用一组工作寄存器，其它各组有工作，待用。
当前的工作寄存器由ＰＳＷ中的ＲＳ１、ＲＳ０来选择。
RS1
RS0
选中
０
０
工作寄存器０组
０
１
工作寄存器１组
１
０
工作寄存器２组
１
１
工作寄存器３组
（２）位寻址区２０Ｈ－２ＦＨ单元，该单元的每一位都被赋予了一个位地址。
（３）数据缓冲区３０Ｈ－７ＦＨ单元，即用户ＲＡＭ区。
5.写出8051单片机的存储空间及其大小。
第四节MCS-51并行I/O端口
（一）学习要求
（1）了解P0～P3的特点和功能。
（2）了解并行输入／输出结构。
（二）内容提要
一：
输入/输出口的特点
MCS-51单片机有4个8位并行I/O口，P0～P3，共32根口线。
每个端口都包括：
锁存器（即SFR：
P0-P3）、输出驱动器、一个输入三态缓冲器以及控制电路。
4个I/O端口都是准双向的当并行的I/O端口作为输入口使用时，该口的锁存器必须首先写入全“1”。
二：
各口的功能
1.P0口
多功能口，即可作通用输入/输出口，又具有第二功能为地址/数据线分时复用。
在扩展中，低8位地址线和数据线分时使用P0口。
P0口先输出片外存储器的低8位地址并锁存到地址锁存器中，然后再输出或输入数据。
2.P1口
可编程通用输入/输出口，P1.0,P1.1两引脚还具有第二功能。
3.P2口
多功能口，可作输入输出口使用，还可作为高8位地址总线口使用，扩展系统中，作为高8位地址总线，与P0口的低8位共同组成16位地址总线。
P0,P2作为数据/地址总线使用，不能再作为通用I/O使用。
4.P3口
双功能口，即可作为输入/输出口使用，又能涉及到串口、外部中断、定时器等。
扩展外部数据存储器时，WR和RD作为控制线使用。
三：
端口结构
MCS-51单片机有4个8位并行I/O口，P0～P3，共32根口线。
每个端口都包括：
锁存器（即SFR：
P0-P3）、输出驱动器、两个三态缓冲器以及控制电路。
1.P0口
特点：
（1）控制端高电平时，作为低8位地址和8位数据分时使用口，供扩展时使用。
（2）控制端低电平时，T1截止，使T2漏极开路，输出“1”时须外接上拉电阻，最小系统（8051、8751）作准双向。
注意：
P0口作地址/数据总线输出时，通过反相器、与门工作。
P0口作外部数据输入时，CPU使T1、T2均截止，引脚浮空，第三态，数据经“读引脚”输入缓冲器进入内部总线----是真正的双向口。
2、P1口（90H）
特点：
（1）准双向口：
作为I/O输入时，口锁存器必须置“1”，使T截止，输入信号通过“读引脚”三态缓冲器进入内部总线。
（2）内部有上拉电阻（20KΩ～40KΩ）；
（3）CPU读P1口的二种情况：
①读P1口的锁存器状态值：
“读─改─写”指令。
例ANLP1，#0FH；
②读P1口的引脚（外部输入）。
例MOVA，P1；
3、P2口（A0H）
特点：
（1）控制端高电平时，作为高8位地址输出口。
（2）控制端低电平时，最小系统（8051、8751）作准双向口。
4、P3口（B0H）
特点：
（1）准双向口：
条件为第二功能输出端常“1”，与门开锁；
（2）第二功能口：
作为第二功能口使用时，（P3）=FFH；某位作为第二功能输入时，第二功能输出也必须置“1”。
P3口的第二功能
位线
引脚
第二功能
P3.0
10
RXD（串行输入口）
P3.1
11
TXD（串行输出口）
12
INT0（外部中断0）
13
INT1（外部中断1）
P3.4
14
T0（定时器0的计数输入）
P3.5
15
T1（定时器1的计数输入）
16
WR（外部数据存储器写脉冲）
17
RD（外部数据存储器读脉冲）
端口小结：
（1）系统总线：
地址总线（16位）：
P0（地址低8位）、P2口（地址高8位）数据总线（8位）：
P0口（地址/数据分时使用）；控制总线（6根）：
P3口的第二功能、和9、29、30、31脚；
（2）供用户使用的端口：
P1口、部分未作第二功能的P3口；
（3）P0口作地址/数据时，是真正的双向口，三态，负载能力为8
升级会员 