第2章MCS-51單片微型計算機結構

本章主要介紹MCS-51系列的8051的基本結構、工作原理、存儲器結構、P0、P1、P2、P3四個I/O口的基本工作原理和操作特點。單片機的各種工作方式、單片機的時序等。20世紀80年代中期,Intel公司將8051(屬MCS-51系列)內核使用權以專利互換和出售形式轉讓給許多著名IC廠商,如Philips、Siemens、AMD、OKI、NEC、Atmel等，這樣8051就成為有眾多制造商支持并發展出上百種的大家族。

MCS-51單片機的結構原理一、計算機的經典組成計算機的經典結構見圖1.1所示。這種結構是由計算機的開拓者——數學家約翰·馮·諾依曼最先提出的，所以就稱之為馮·諾依曼計算機體系結構，也叫普林斯頓結構。圖1.1計算機經典結構二、MCS-51單片機的基本組成(一)8051單片機的結構(二)MCS-51系列簡介MCS-51系列單片機是Intel公司1980年推出的高性能8位單片機。典型產品為8051，其內部資源分配和性能如下：1、8位CPU,尋址能力達64KB；2、4KB的ROM3、128字節RAM；4、4個8位I/O并行接口電路；5、一個串行全雙工異步（串行）接口；6、5個中斷源和兩個中斷優先級；7、21個特殊功能寄存器8、2個16位定時計數器CPU數據存儲器RAM程序存儲器ROM8051單片機的結構P1P0P2P3串行口定時器/計數器中斷系統特殊功能寄存器I/O數據總線/地址總線低8位I/OI/O地址總線高8位I/O再讀下一條指令再讀下一條指令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：MOVAR1（d）單字節，雙周期指令，如MOVXP1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P2S5P2S6P2S1P1P1P1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P2S6P2S1S2P1P1P1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S1讀操作碼P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1讀下一個操作碼（丟棄）（b）雙字節，單周期指令例：ADDAdir（c）單字節，雙周期指令例：INCDPTR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P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S2P1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S2P1(三)MCS-51單片機內部結構1、中央處理器（CPU）:運算器、控制器微處理器指揮機構1）運算器：完成運算、位處理任務。（1）8位算術邏輯運算單元ALU（ArithmeticLogicUnit）（2）8位累加器ACC（Accumulator）

,簡稱A（3）8位寄存器B（4）程序狀態字寄存器PSW（ProgramStatusWord）

2）控制器：完成狀態檢測、中斷處理（1）程序計數器PC:指令地址（2）堆棧指針SP:要保護的指令、寄存器等地址（3）數據指針DPTR:數據地址（4）時鐘發生器及定時控制邏輯等組成：工作時鐘返回主畫面(四)

MCS-51單片機的存儲器 1、存儲器：用來存放數據和程序。半導體存儲器按其存取方式可分為兩大類：隨機存儲器RAM(RandomAccessMemory)只讀存儲器ROM(ReadOnlyMemory)RAM：在程序運行過程中可讀可寫，但掉電后信息丟失，常用來存放數據，因此也叫數據存儲器。ROM：在程序運行過程中存儲單元內的內容只能讀出而不能存入，但掉電后信息不丟失，常用來存放程序,因此也叫程序存儲器存儲器：用來存放數據和程序。2、存儲器結構：至今為止,微型計算機的存儲器有兩種結構形式。一種是將程序存儲器和數據存儲器采取統一的地址編碼結構，即傳統微型計算機的存儲器結構，稱為馮·諾依曼結構，也叫普林斯頓結構。另一種是將程序存儲器與數據存儲器分開的地址編碼結構，稱為哈佛結構。所示。單片機通常采用哈佛結構。①普林頓結構：程序、數據合用一個存儲空間。(通用計算機)②哈佛結構：程序、數據存儲空間截然分開。(單片機)程序存儲器數據存儲器CPU哈佛結構存儲器CPU普林頓結構微型計算機存儲器結構3、MCS-51單片機的數據存儲器片內數據存儲器片外數據存儲器返回單片機的結構特殊功能寄存器00H1FH20H2FH30H7FH80HFFH80H88H90H98HA0HA8HB0HB8HD0HE0HF0H特殊功能寄存器中位尋址外部RAM(I/O口地址)0000HFFFFH內部數據存儲器（a）外部數據存儲器（b）工作寄存器區位尋址區返回數據存儲器00FFH一頁通用

RAM區

片外數據存儲器

外部數據存儲器又稱外部RAM，當片內RAM不能滿足數量上的要求時，可通過總線端口和其他I/O口擴展外部數據RAM，其最大容量可達64K字節。片內、片外數據存儲器統一編址，片內、片外低256字節是重復的，但操作時使用的指令不同。所以不會發生數據讀錯現象。內部RAMMOVA，30H外部RAMMOVXA，30H

去存儲器結構圖

內部數據存儲器中的位地址﹡ACCE0HACC.7～ACC.0E7H～E0H累加器﹡BF0HB.7～B.0F7H～F0H寄存器﹡PSWD0HPSW.7～PSW.0D7H～D0H程序狀態字SP81H堆棧指針DPH83H數據指針高8位DPL82H數據指針低8位﹡P080HP0.7～P0.087H～80HI/O端口，P0口﹡P190HP1.7～P1.097H～90HI/O端口，P1口﹡P2A0HP2.7～P2.0A7H～A0HI/O端口，P2口﹡P3B0HP3.7～P3.0B7H～B0HI/O端口，P3口﹡IPB8HIP.7～IP.0BFH～B8H中斷優先控制器﹡IEA8HIE.7～IE.0AFH～A8H中斷允許控制器TMOD89H定時器方式選擇﹡TCON88HTCON.7～TCON.08FH～88H定時控制寄存器TL08AH定時器T0低8位TH08CH定時器T0高8位TL18BH定時器T1低8位TH18DH定時器T1高8位PCON87H電源控制及波特率選擇﹡SCON98HSCON.7～SCON.09FH～98H串行口控制寄存器SBUF99H串行口數據緩沖器返回（3）程序存儲器程序存儲器的結構如圖（c）所示，包括片內和片外程序存儲器兩個部分。其主要用來存放編好的用戶程序和表格常數，它以16位的程序計數器PC作為地址指針，故尋址空間為64KB。外部ROM0000H0000H0FFFH0FFFH1000HFFFFH程序存儲器（c）內部ROM(EA=1)外部ROM(EA=0)返回單片機的結構2、輸入/輸出（I/O）端口結構 MCS-51單片機有4個雙向并行的8位I/O口P0～P3，(1)P0口為三態雙向口，可驅動8個TTL電路(2)P1、P2、P3口為準雙向口（作為輸入時，口線被拉成高電平，故稱為準雙向口），其負載能力為4個TTL電路。把100uA的輸入電流定義為一個TTL負載P0.X鎖存器&讀鎖存器地址/數據控制“0”讀引腳D內部總線VCCQMUXT2QP0.XT1寫鎖存器CL①P0口的結構“0”R“1”“1”“0”截止截止作I/O使用時漏極開路“0”“1”導通“0”“1”導通CPLP0.0控制“1”返回單片機結構

圖2-10P0口的一位結構圖MOVA,P0P0口兩種功能:地址/數據復用、基本I/Oａ)地址/數據復用:單片機系統擴展外部存儲器時，P0口作地址/數據復用，訪問外部數據存儲器時，CPU發高電平，模擬開關打在上方。如果執行輸出數據的指令，分時輸出的地址/數據經非門、T1、T2送到引腳上。當地址或數據為“1”時，T2截止，T1導通，管腳出現高電平；當地址或數據為“0”時，T1截止，T2導通，管腳出現低電平；ｂ）I/O:系統無擴展時，P0作I/O用，控制信號為“0”開關打在下面，T1截止。輸出數據為“0”時，當發出寫脈沖后，Q輸出“1”，T2導通，P0管腳為“0”；輸出數據為“1”時，T2截止，通過上拉電阻使P0管腳為“1”輸入數據時，當“讀引腳”信號有效時，打開下面的輸入緩沖器使數據進入內部總線。②P1口的結構

VCCP1.X鎖存器讀鎖存器D讀引腳寫鎖存器內部總線QQTP1.X內部上拉電阻CL

圖2-11P1口的一位結構圖試分析P1口輸入、輸出、端口工作過程a)圖中場效應管V1與上拉電阻組成輸出驅動器，以增大負載能力，三態門1是輸入緩沖器，三態門2在端口操作時用。b)P1口只有一種功能，通用輸入/輸出接口，有三種工作方式輸出方式：單片機執行指令MOVP1，#data；將單片機內數據經P1口送出，P1口工作于輸出方式數據data經內部總線送入鎖存器鎖存，如某位為1，則鎖存器輸出Q=1，Q=0，T截止，P1.i出現高電平；若某位為0，則鎖存器輸出Q=0，Q=1，T導通，P1.i出現低電平。輸入方式：單片機執行指令MOVA，P1；將P1口數據送累加器A，P1口工作于輸入方式。控制器發出讀信號打開三態門1，P1.i的數據經三態門1進入內部總線，并送到累加器A，輸入無鎖存功能。問題：1、試分析P1口輸入、輸出、端口工作過程2、P1口作輸入時為什么要先用輸出指令置P1口為高？3、計算51單片機有多少個位尋址空間？③P2口的結構圖2-12P2口的一位結構圖VCCP2.X鎖存器讀鎖存器地址控制D讀引腳寫鎖存器內部總線QQMUXTP2.X內部上拉電阻CL④P3口的結構圖2-13P3口的一位結構圖VCCP3.X鎖存器讀鎖存器第二輸出功能D讀引腳寫鎖存器內部總線QQTP3.X內部上拉電阻第二輸入功能CL

P3口的第二功能表I/O口第二功能注釋P3.0RXD串行口數據接收端P3.1TXD串行口數據發送端P3.2INT0外部中斷請求0P3.3INT1外部中斷請求1P3.4T0定時/計數器0P3.5T1定時/計數器1P3.6WR外部RAM寫信號P3.7RD外部RAM讀信號返回單片機結構三、MCS-51單片機芯片引腳描述圖為MCS-51單片機的引腳配置圖。1．主電源引腳VCC和VSS2．外接晶振引腳XTAL1和XTAL23．控制或其他電源復用引腳RST、ALE/PROG、EA/VPP4．輸入/輸出引腳P0、P1、P2、P3（共32根）ALERESETALEG

P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0P3.7P3.6P3.5P3.4P3.3P3.2P3.1P3.0P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0用戶I/O控制總線CB鎖存器A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0地址總線ABD7D6D5D4D3D2D1D0數據總線DBAT89S51+5VVCCVSS單片機三總線16根地址總線擴展地址空間216=65536字節74LS37374LS573總線：三總線，信息傳輸的通道⑴數據總線（DB，雙向）：實現微處理器、存儲器、I/O之間的數據交換。⑵地址總線（AB）：單向，確定存儲器地址、I/O地址。⑶控制總線（CB）：傳送各種控制信息，協調計算機各部分工作。五、幾個常用特殊功能寄存器介紹1、累加器A（0E0H）累加器是一個最常用的專用寄存器，其自身帶有全零標志Z，若A=0則Z=1；若A≠0則Z＝0。該標志常用作程序分支的判斷條件。

如JZLOOP（判累加器A的內容為零時轉移到標號為LOOP的程序處）。返回CY進位位標志AC半進位位標志F0用戶標志RS1RS0OV

PD7D6D5D4D3D2D1D0工作寄存器組選擇溢出標志無效位奇偶標志位返回PSW：程序狀態字寄存器，共8位。

RS1、RS0：工作寄存器組選擇（如下表所示）。如MOVPSW，#18H；用2組工作寄存器RS1RS0選擇工作寄存器組000組（00H～07H）011組（08H～0FH）102組（10H～17H）113組（18H～1FH）返回四組工作寄存器R7~R03.特殊功能寄存器專用寄存器的地址映像如表2-4所示。完成狀態檢測、中斷處理。1)堆棧指針SP:保護斷點、現場保護2）數據指針DPTR：指針指向16位地址3）定時/計數器：內部時鐘/外部計數表2-4特殊功能寄存器地址及功能表表2-4特殊功能寄存器地址及功能表4、位尋址共211個位尋址空間其中：00~FFH（128位）特殊功能寄存器中的B、ACC、PSW、IP、P3、IE、P2、SCON、P1、TCON、P0共88位中的83位。

CPU的時序及輔助電路 1、單片機的時鐘電路2、振蕩周期、時鐘周期、機器周期和指令周期 3、MCS-51單片機指令的取指和執行時4、單片機復位電路及復位狀態返回本章首頁1、單片機的時鐘電路單片機時鐘電路通常有兩種形式：（1）內部振蕩方式：MCS-51單片機片內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振蕩器或陶瓷諧振器連接，就構成了內部自激振蕩器并產生振蕩時鐘脈沖。（2）外部振蕩方式：外部振蕩方式就是把外部已有的時鐘信號引入單片機內（如圖2-8所示）。XTAL2XTAL1MCS-51C1C2CYSXTAL2XTAL1MCS-51+5VVSSTTL外部時鐘源（a)內部振蕩方式(b)外部振蕩方式圖2-88051單片機時鐘源P1P2S1振蕩周期時鐘周期機器周期機器周期指令周期XTAL2(OSC)S2S3S4S5S6S1S2S4S5S3S6P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P2P2P2P2P2P2P2P2P2P2P2圖2-12MCS-51單片機各種周期的相互關系2、振蕩周期、時鐘周期、機器周期和指令周期（1）振蕩周期：為單片機提供定時信號的振蕩器所產生的周期。（2）時鐘周期：是振蕩源信號經二分頻后形成的時鐘脈沖信號。（3）機器周期：單片機的基本操作周期，在一個操作周期內，單片機完成一項基本操作，如取指令、存儲器讀、存儲器寫等。一個機器周期由12個振蕩周期、6個時鐘周期（4）指令周期：是指CPU執行一條指令所需要的時間。一個指令周期通常含有1～4個機器周期，指令不同所需機器周期不同。3、振蕩周期、時鐘周期、機器周期、指令周期的計算若MCS-51單片機外接晶振為f=12MHz時，則單片機的四個周期的具體值為：振蕩周期＝1/f=1/（12MHz）＝1/（12μs）＝0.0833μs時鐘周期＝振蕩周期的2倍=2*1/（12μs）

＝0.167μs機器周期＝12個振蕩周期=1μs指令周期＝1～4μs返回本節8051單片機訪問外部ROM和RAM的時序

訪問外部ROM的時序訪問外部RAM的時序

單片機復位電路及復位狀態 （1）復位電路單片機復位電路包括片內、片外兩部分。外部復位電路就是為內部復位電路提供兩個機器周期以上的高電平而設計的。MCS-51單片機通常采用上電自動復位和按鍵手動復位兩種方式。如圖2-9所示。（2）單片機復位后的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2-4所示。22μFC1RST

R11KΩ+5VC122μFRST+5VR2200Ω

RSTR1

+5V

C222μF803180518751803180518751803180518751（a）上電復位電路（c）按鍵脈沖復位電路（b）按鍵電平復位電路

R11KΩ22μFC11KΩ圖2-9幾種復位電路特殊功能寄存器初始狀態特殊功能寄存器初始狀態A00HTMOD00HB00HTCON00HPSW00HTH000HSP07HTL000HDPL00HTH100HDPH00HTL100HP0～P3FFHSBUF××××××××BIP×××00000BSCON00HIE0××00000BPCON0×××××××B表2-6單片機復位后特殊功能寄存器的狀態返回本節8051單片機的工作方式8051單片機有以下幾種工作方式：程序執行方式；掉電保護方式；待機方式；掉電保護方式、待機方式統稱為低功耗工作方式。8051單片機的程序執行方式程序執行方式是單片機的最基本工作方式。是設計人員讓計算機解決某個具體問題編寫的一系列程序。單片機上電或復位后，程序計數器PC=0000H，程序從0000H開始運行，由于單片機的六個中斷源（若用MCS-52系列單片機，則增加定時/計數器T2）占用了程序存儲器0003H～002B，見中斷源一節，所以在編寫程序時通常在0000H開始的單元中存放一條無條件轉移指令，如：AJMPMAIN，以便上電或復位后能跳轉到實際的主程序入口處。

8051單片機的低功耗工作方式

當單片機暫時不工作或使用在供電困難及節電場所時，都需要其工作在低功耗方式，從而使單片機的用電量大大降低。單片機的低功耗工作方式是由特殊功能寄存器中電源控制寄存器PCON的有關位來控制。PCON主要是為CHMOS型單片機的電源控制設置的專用寄存器，用它也可以設定串行通訊的波特率，見串口通訊一節。PCON不能位尋址，其格式如圖2-20所示。PCON的各位定義如下：SMOD：波特率倍增位，串行通訊用于設定波特率——： 無用位GF1： 通用標志位1GF0： 通用標志位0PD： 掉電方式位，PD=1時，單片機進入掉電工作方式IDL： 待機方式位，IDL=1時，單片機進入待機工作方式若PD、IDL同時為1，則進入掉電方式，復位時PCON中的所有位均為0待機工作方式軟件設置IDL=1，則單片機進入待機工作方式。這時，單片機的晶振仍然工作，并向中斷邏輯、串行口、定時/計數器提供工作時鐘，但向CPU提供時鐘的電路被阻斷，因此CPU不工作，中斷功能繼續存在，與CPU有關的SP、PC、PSW、ACC及所有工作的寄存器都被“凍結”在原狀態，這時8051單片機的消耗電流從正常值24mA下降到3mA，大大降低了功耗。待機工作方式的退出：單片機待機工作方式退出有兩種方法。①