1、第2章 MCS-51系列單片機的結構及原理2.1 MCS-51系列單片機的主要性能特點2.7 掉電保護和低功耗設計2.6 單片機的復位狀態與復位電路2.5 時鐘電路與CPU的時序 2.4 MCS-51系列單片機的主要組成部分2.3 MCS-51系列單片機的引腳功能2.2 MCS-51系列單片機的內部總體結構2.1 MCS-51系列單片機的主要性能特點1、 8031、8051、8751三者不同之處： 8051是ROM型單片機，內部有4KB的ROM；8751片內含有4KB的EPROM；8031片內沒有ROM使用時需外接EPROM。2、 8031、8051、8751三者相同之處： （1）面向控制的8

2、位CPU； （2）128B的片內數據存儲器； （3）可以尋址64KB的片外程序存儲器； （4）可以尋址64KB的片外數據存儲器； 2.1 MCS-51系列單片機的主要性能特點 （5）32根雙向和可單獨尋址的I/O線； （6）一個全雙工的異步串行口； （7）兩個6位定時/計數器； （8）5個中斷源，兩個中斷優先級； （9）有片內時鐘振蕩器； （10）采用高性能HMOS生產工藝生產； （11）有布爾處理（位操作）能力； （12）含基本指令111條，其中單機器周期指令64種。2.2 MCS-51系列單片機的內部總體結構圖2-1 MCS-51單片機的基本結構88微處理器（運算部件）控制部件B 數據存儲

3、器RAMP0口P2口程序存儲器P1口P3口串行口定時/計數器中斷系統特殊功能寄存器（SFR）88ROM/EPROMVCCVSSXTAL1XTAL2 PSENALEEARESET圖2-2 MCS-51片內總體結構框圖RST端口0驅動器端口2驅動器RAM地址鎖存器RAM128*8端口0鎖存器端口2鎖存器ROM4K*8B寄存器程序地址寄存器緩沖器PC+1寄存器PCDPTR指針VCCVSSP1.0P1.7堆棧指針SPACCTMP2PSW端口3鎖存器端口1鎖存器端口1驅動器端口3驅動器TMP1SCONTMODPCONTCONTL0TH1TH0TL1IESBUF(TX/RX)IP中斷、串行口和定時器邏輯O

4、SCP3.0P3.7ALEPSENEAXTAL2XTAL1ALU(+5V)指令寄存器定時與控制指令譯碼器P0.0P0.7P2.0P2.7返回本節2.3 MCS-51系列單片機的引腳功能2.3.1 MCS-51系列單片機引腳功能2.3.2 三總線結構圖2-3（a）MCS-51系列單片機的引腳P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7VSSP1.0RST/VPDRXD/P3.0TXD/P3.1INT0/P3.2INT1/P3.3T0/P3.4T1/P3.5WR/P3.6RD/P3.7XTAL2XTAL112345678910111213141516171819208031805187

5、514039383736353433323130292827262521222324VCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VppALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0 40條引腳的功能： 1 電源引腳VSS和VCCVSS（20腳）：接地；VCC（40腳）：正常操作及對EPROM編程和驗證時接5伏電源。2 外接晶體引腳XTAL1和XTAL2XTAL1（19腳）：接外部晶體的一端。在單片機內部，它是一個反向放大器的輸入端，這個放大器構成了片內振蕩器。XTAL2（18腳）：接外部晶體的另一端。在單片機內部，接至上

6、述反向放大器的輸出端。 3 控制或與其它電源復用引腳RST/VPD，ALE/PROG，PSEN和EA/VPPRST/VPD（9腳）：當振蕩器運行時，在此引腳上出現兩個機器周期以上的高電平，將使單片機復位；VCC掉電期間，此引腳可接備用電源，以保持內部RAM的數據不丟失；當VCC掉到低于規定水平，而VPD在其規定的電壓范(50.5V）內，VPD向內部RAM提供備用電源。ALE/PSEN（30腳）：當訪問外部存儲器時，MCS-51系列單片機即用P0口作為低8位地址輸出口，又作為數據輸入/輸出口。為了使地址與數據不致于混淆，通常先送地址再傳送數據。ALE（允許地址鎖存）將P0口輸出的低8位地址鎖存，

7、從而實現低位地址與數據的分離。 在ALE端會周期性地出現正脈沖信號，此信號頻率為振蕩器頻率的1/6。因此，它可以用作對外輸出的時鐘。要注意的是：每當訪問外部數據存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。ALE端可以驅動（吸收或輸出電流）8個LSTTL輸入。在對8751片內EPROM編程（固化）時，此引腳用于輸入編程脈沖。PSEN（29腳）：是外部程序存儲器的讀選通信號。在外部程序存儲器取指令（或常數）期間，每一個機器周期兩次有效。每當訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的信號將不出現。同樣可以驅動8個LSTTL輸入。EA/VPP（31腳）：當EA端保持高電平時，訪問內部程序存儲器，但在PC（程序計數器）值超

8、過0FFFH（對于8051/8751/80C51）或1FFFH（對于8052）時，將自動轉向訪問外部存儲器。當EA端保持低電平時，不管是否有內部程序存儲器，只訪問外部程序存儲器。在對8751片內EPROM編程時，此引腳用于施加21V的編程電源（VPP）。 4. 輸入/輸出引腳P0口、P1口、P2口、P3口P0口（P0.0P0.7共8條引腳，即3932腳）：是雙向8位三態I/O口。在訪問外部存儲器時，可分時用作低8位地址線和8位數據線；在EPROM編程時，它輸入指令字節，而在驗證程序時，則輸出指令字節。P0口能驅動8個LSTTL輸入。P1口（P1.0P1.7共8條引腳，即18腳）：P1口是一個帶

9、有內部上拉電阻的8位雙向I/O口。在EPROM編程和程序驗證時，它接收低8位地址。它能驅動4個LSTTL輸入。P2口（P2.0P2.7共8條引腳，即2128腳）：P2口是一個帶有內部上拉電阻的8位雙向I/O口。在訪問外部存儲器時，它送出高8位地址。在對EPROM編程和程序驗證時，它接收高8位地址。它能驅動4個LSTTL輸入。P3口（P3.0P3.7共8條引腳，即1017腳）：P3口是一個帶有內部上拉電阻的8位雙向I/O口。在MCS-51單片機中，這8個引腳都有各自的第二功能，在實際工作中，大多數情況下都使用P3口的第二功能。表2-1表示出了P3口的第二功能。位線引腳第二功能P3.010RXD（

10、串行輸入口）P3.111TXD（串行輸出口）12INT0（外部中斷0）13INT1（外部中斷1）P3.414T0（定時器0的計數輸入）P3.515T1（定時器1的計數輸入）16WR（外部數據存儲器寫脈沖）17RD（外部數據存儲器讀脈沖）P3.6 P3.7 表2-1 P3口的第二功能表2.3.2 三總線結構圖2-3（b）MCS-51系列單片機功能引腳分類(總線結構圖）地址鎖存器CBI/OA15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0D7D6D5D4D3D2D1D0DBABP1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RESETP3.0P3.1P3.

11、3P3.4P3.5P3.6P3.7VSSVCC P0.0P0.1P0.2P0.3P0.5P0.6P0.7ALEP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0EAPSENP3.2P0.4返回本節 單片機的引腳除了電源、復位、時鐘接入、用戶I/O口外，其余引腳都是為了實現系統擴展而設置的。這些引腳構成了三總線形式。 （1）地址總線（AB）：地址總線寬度為16位，由P0口經地址鎖存器提供低8位地址（A0-A7）；P2口直接提供高8位地（A8A15）。地址信號是由CPU發出的，故地址總線是單方向的。（2）數據總線（DB）：數據總線寬度為8位，用于傳送數據和指令，由P0口提供。（3）控

12、制總線（CB）：控制總線隨時掌握各種部件的狀態，并根據需要向有關部件發出命令。 2.4 MCS-51系列單片機的主要組成部分2.4.1 CPU2.4.2 存儲器2.4.3 并行I/O口 2.4.1 CPU作用：讀入和分析每條指令，根據每條指令的功 能要求，控制各個部件執行相應的操作。組成：運算器和控制器。算術、邏輯運算部件ALU、累加器ACC、寄存器B、暫存器TMP1、TMP2、程序狀態寄存器PSW、布爾處理器、十進制調整電路時鐘發生器、定時控制邏輯、指令寄存器、指令譯碼器 、程序計數器PC、程序地址寄存器、數據指針寄存器DPTR、堆棧指針SP運算器控制器算術、邏輯運算部件ALU指令寄存器指令

13、譯碼器 ALU: 由加法器和其他邏輯電路等組成，用于對數據進行算術運算和邏輯操作的執行部件，能完成算術加、減、乘、除、邏輯“與”、“或”、“異或”等運算，循環移位操作，位操作等功能。指令寄存器：8位寄存器，用于暫時存放指令，等待譯碼。 指令譯碼器：當指令送入譯碼器后，進行譯碼，就是把指令轉變成執行此指令所需要的電信號。根據譯碼器輸出的信號，CPU的定時控制電路定時地產生執行該指令所需的各種控制信號，使計算機正確執行程序所需要的各種操作。2.4.2 存儲器片內程序存儲器（4KB）片外程序存儲器（擴展64KB）片內數據存儲器（256B）片外數據存儲器（擴展64KB）51系列單片機在物理上有4個存儲

14、空間：SFRRAM位尋址區工作寄存器0-3組外部RAMRAM0000FFFF00203080FF外部ROM內部ROMEA=1外部ROMEA=000000FFF1000FFFF程序存儲器0000H0002H：是所有執行程序的入口地址，8051復位后，CPU總是從0000H單元開始執行程序。0003H：外部中斷0入口。000BH：定時器0溢出中斷入口。0013H：外部中斷1入口。001BH：定時器1溢出中斷入口。0023H：串行口中斷入口。在程序存儲器中有6個單元具有特殊功能：數據存儲器8051片內有256單元的RAM，片外有64KB的RAM：訪問片內RAM用“MOV”指令，訪問片外RAM用“MO

15、VX”指令。對片外RAM常采用間接尋址方式，R0，R1和DPTR都可以作為間址寄存器。R0，R1是8位地址指針，尋址范圍256個字節；DPTR是16位地址指針，尋址范圍64KB。可尋址256個單元，片內低128字節（即00H7FH）的地址區域為片內RAM，對其訪問可采用直接或間接尋址方式；高128字節（即80H0FFH）為專用寄存器區，只能用直接尋址方式。1、內部數據存儲器低128單元2、內部數據存儲器高128單元內部數據存儲器低128單元工作寄存器區：001FH間安排了4組工作寄存器，每組占用8個RAM字節，記為R0R7。位尋址區：占用地址20H2FH，共16B，128位。用戶RAM區：地址

16、為30H7FH，共80B。分為3個區域：內部數據存儲器高128單元程序計數器PC：16位，CPU每讀取指令的一個字節PC便可自動加1，指向本指令的下一個字節或下一條指令地址，程序順序執行，可尋址64KB范圍ROM。累加器A：8位，用于存放操作數或運算的中間結果。寄存器B：8位，主要用于乘法和除法的運算。乘法時，B中存放乘數，乘法操作后，乘積的高8位存于B中；除法時，B中存放除數，除法操作后，B中存放余數。（特殊功能寄存器區）演示狀態字寄存器PSW：8位，存放程序運行的狀態信息。堆棧指針SP：按照先進后出、后進先出的原則存取RAM區域。數據指針DPTR：16位，由高位字節DPH和低位字節DPL組

17、成，用于存放16位存儲器的地址，對外部數據存儲器RAM數據進行讀寫。ROM地址ROM單元75HHHHHHH207410F046260006H0005H0004H0003H0002H0001H0000H程序計數器PCH指令寄存器HCPU0000PSW：程序狀態字寄存器。定義格式如右上邊。其中，CY：進借位標志；AC：輔助進借位標志；F0：用戶標志；RS1、RS2：工作寄存器組選擇位（如表2-4）。OV：溢出標志位；P：奇偶標志位，有奇數個1、P置1，否則置0。D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0CY AC F0 RS1RS2 OV P 表2-4 RS1、RS2與工作寄存器組關系RS1

18、RS0選擇工作寄存器組0 00組（00H07H）0 11組（08H0FH）1 02組（10H17H）1 13組（18H1FH）堆棧指針SP數據入數據出棧底SPSP SP-1（a ）向下生長型棧底SPSP SP+1數據出數據入（b）向上生長型SP:07H01H02H03H04H11H10H壓棧00H0BH0AH09H08H07HSP:08H00H0BH0AH09H08H07H01H02H03H04H11H10H01H壓棧SP:09H00H0BH0AH09H08H07H01H02H03H04H11H10H02H彈棧00H0BH0AH09H08H07HSP:08H01H02H03H04H11H10H

19、02H彈棧00H0BH0AH09H08H07H01H02H03H04H11H10HSP:07H01H2.4.3 并行I/O口 P0口的結構P1口的結構P2口的結構P3口的結構1P0口的結構 P0口有兩個用途，第一是作為普通I/O口使用；第二作為地址/數據總線使用。當用作第二個用途時，在這個口上分時送出低8位地址和傳送數據。圖2-6 P0口線邏輯電路圖VCC鎖存器讀鎖存器地址/數據控制CD讀引腳寫入內部總線QQMUXVT2P0.XVT1CP211&2P1口的結構P1口只用作普通I/O口，所以它沒有轉換開關MUX。 VCC鎖存器讀鎖存器D讀引腳寫入內部總線QQP1.X內部上拉電阻 CP圖2-7 P

20、1口線邏輯電路圖3P2口的結構P2口也有兩種用途，一是作為普通I/O口，二是作為高8位地址線。 VCC鎖存器讀鎖存器地址控制D讀引腳 寫入內部總線QMUXP2.X內部上拉電阻CP1圖2-8 P2口線邏輯電路圖4P3口的結構 P3口是一個多功能端口，其結構見圖2-9。P3口除了有準雙向I/O功能外，還具有第二功能。 VCC鎖存器讀鎖存器第二輸出功能D讀引腳 寫入內部總線QQP3.X內部上拉電阻第二輸入功能CPW321圖2-9 P3口線邏輯電路圖2.5 時鐘電路與CPU的時序2.5.1 振蕩器和時鐘電路2.5.2 CPU的時序及有關概念2.5.3 CPU的取指令和執行指令時序 2.5.4 訪問外部

21、ROM的操作時序2.5.5 訪問外部RAM的操作時序2.5.1 振蕩器和時鐘電路1、內部時鐘方式：8051內部有一個用于構成振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。把放大器與作為反饋元件的晶體或陶瓷諧振器連接，就構成了內部自激振蕩器并產生振蕩時鐘脈沖（如圖2-10）。2、外部時鐘方式：就是把外部已有的時鐘信號引入單片機內（如圖2-11）。 時鐘信號的產生由兩種方式：進入進入繼續XTAL2XTAL18051C1C2CYS1至內部時鐘電路外部時信號源XTAL2XTAL18051VCCVSSTTL1圖2-10 振蕩電路圖2-11 外部時鐘脈沖源接法返回1、

22、拍（P）：振蕩脈沖的周期，用P表示。是晶體的振蕩周期，或是外部振蕩脈沖的周期，是MCS-51單片機中最小的時序單位。2、狀態或時鐘周期（S）：振蕩脈沖經二分頻后得到的時鐘信號，把時鐘信號的周期稱為狀態，用S表示。一個狀態包括兩個拍P1和P2（前拍和后拍）。是最基本的時間單位。3、機器周期：CPU完成一個基本操作所需的時間稱為機器周期。由6個狀態（12拍）組成。4、指令周期：是執行一條指令所需要的時間。是MCS-51單片機最大的時序單位。一個指令周期通常含有14個機器周期。 2.5.2 CPU的時序及有關概念P1P2S1振蕩周期時鐘周期機器周期機器周期指令周期XTAL2(OSC)S2S3S4S5

23、S6S1S2S4S5S3S6P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P2P2P2P2P2P2P2P2P2P2P2圖2-12 MCS-51單片機各種周期的相互關系 若MCS-51單片機外接晶振為12MHz時，則單片機的四個周期的具體值為：振蕩周期1/12MHz（1/12）s =0.0833s時鐘周期1/6s0.167s機器周期1s指令周期14s舉例：2.5.3 CPU的取指令和執行指令時序再讀下一個操作碼再讀下一個操作碼XTAL2(OSC)P2S1ALE讀操作碼讀下一個操作碼（丟棄）讀第二字節（a） 單字節，單周期指令 例：MOV A R1（d）單字節，雙周期指令，如MOVXP1P2S1P1

24、P2S2P1P2S3P1P2S4P2S5P2S6P2S1P1P1P1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P2S6P2S1S2P1P1P1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S1讀操作碼P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1讀下一個操作碼（丟棄）（b） 雙字節，單周期指令 例：ADD A #data（c）單字節，雙周期指令 例：INC DPTR讀操作碼（MOVX）讀下一個操作碼（丟棄）無取指無ALE無取指地址數據（DATA）訪問外部存儲器P2S1讀操作碼P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P

25、1P2S6P1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S2P1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S2P1再讀下一個操作碼讀下一個操作碼圖2-13 MCS-51單片機的取指令和執行指令時序 2.5.4 訪問外部ROM的操作時序ALEP1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P2S5P2S6P2S1P1P1P1PSENP2A8A15A8A15P0振蕩脈沖A0A7A0A7指令指令圖2-14 外部ROM讀時序2.5.5 訪問

26、外部RAM的操作時序RD/WRALEP1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P2S5P2S6P2S1P1P1P1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P2S6P1丟失一個脈沖PSENP2A8A15A8A15A8A15P0A0A7A0A7A0A7讀指令數據輸入/輸出圖2-15 外部RAM讀寫時序返回本節2.6 單片機的復位狀態與復位電路1、單片機的復位狀態：單片機運行出錯或進入死循環時，可按復位鍵重新運行。21個特殊功能寄存器復位后的狀態為確定值，如表2-5所示。注意： 8051進入復位狀態后，除SP為07H， P0P3為FFH外，其余均為0。返回本章專用寄存器初始狀態專用寄存

27、器初始狀態PC0000HTMOD00HACC00HTCON00HB00HTH000HPSW00HTL000HSP07HTH100HDPTR0000HTL100HP0P3FFHSBUF BIP0 0000BSCON00HIE00 0000BPCON0 0000B表2-5 單片機復位狀態返回本節2、單片機的復位電路： （1）簡單的復位電路：簡單復位電路有上電復位和手動復位兩種。不管是哪一種復位電路都要保證在RST引腳上提供10ms以上穩定的高電平。見圖2-17。圖2-17（a）是常用的上電復位電路。這種上電復位利用電容器充電來實現。當加電時，電容器C充電，電路有電流流過，構成回路，在電阻R上產生壓

28、降，RST引腳為高電平；當電容C充滿電后，電路相當于斷開，RST的電位與地相同，復位結束。可見復位的時間與充電的時間有關，充電時間越長復位時間越長。增大電容或增大電阻都可以增加復位時間。 200K22F RST/VPD R1K（a）上電復位VCCVSSVCCC805122F RST/VPD R21K（b）按鍵電平復位VCCVSSVCCC8051R1RESET22F RST/VPD R11K（c）按鍵脈沖復位VCCVSSVCCC180511KR2RESET22F C2圖2-17 各種復位電路返回 圖2-17（b）是按鍵式復位電路。它的上電復位功能與（a）相同，但它還可以通過按鍵實現復位，按下鍵后

29、，通過R1和R2形成回路，使RST端產生高電平。按鍵的時間決定了復位時間。 （2）采用專用復位電路芯片構成復位電路： 為了保證復位電路可靠地工作，也可以采用專用的復位電路芯片。MAX813L是MAXIN公司生產的一種體積小、功耗低、性價比高的帶看門狗和電源監控功能的復位芯片。 MAX813L引腳功能如下：MR:手動復位輸入端，低電平有效。RESET：復位信號輸出端。WDI：看門狗輸入端。WDO：看門狗信號輸出端。PFI：電源故障輸入端。PFO：電源故障輸出端。VCC：工作電源，接+5V。GND：接地端。圖2-18 MAX813L引腳圖RESETMAX813L18756324MRVCCGNDPFIPFOWDIWDOMR51K +5VRESETPFIVCCGNDKWDOP1.7RESET87C51WDIPFOMAX813L774HC08183422156圖2-19 帶手動復位的看門狗復位電路MAX813L與單片機的連接電路如圖2-19所示