第2章

MCS-51單片機的基本結構與工作原理

2.1MCS-51單片機的總體結構

2.2MCS-51單片機的CPU及其特點

2.2.1控制器

（1）程序計數器PC（ProgramCounter）（2）指令寄存器IR（InstructionRegister）（3）指令譯碼器ID（InstructionDecoder）（4）振蕩器及定時控制電路（5）堆棧指示器SP（StackPointer）2.2.2運算器

（1）算術邏輯單元ALU（ArithmeticLogicUnit）（2）累加器ACC（Accumulator）（3）寄存器B（4）程序狀態寄存器PSWD7D6D5D4D3D2D1D0CYACF0RS1RS0OVF1P寄存器工作區2.3MCS-51單片機的封裝

與引腳功能

2.4MCS-51單片機的存儲空間

2.5MCS-51單片機輔助電路及CPU時序

（2）CPU時序振蕩周期（fSOC）：是指為單片機提供定時信號振蕩源的信號周期。當使用內部時鐘時，為外接石英晶體振蕩器（晶振）的固有周期；當使用外部時鐘時，為外部時鐘周期。由于常見的單片機系統都是使用內部時鐘，因此有時也把晶振固有周期當作振蕩周期，把振蕩周期稱為晶振周期，對應的頻率稱為晶振頻率。時鐘周期：也稱為狀態周期或S周期，是振蕩周期的兩倍。機器周期：是單片機的基本操作周期，由6個時鐘周期組成。即機器周期為時鐘周期的6倍，為振蕩周期的12倍。外部設備一般都以機器周期為時間單位，對于應用來說，必須明白機器周期和振蕩周期之間的關系。指令周期：CPU執行一條指令所占用的時間稱為指令周期。指令周期一般以機器周期為單位，一個指令周期通常由1~4個機器周期組成。指令周期既與指令的長度有關，又與指令是訪問外部數據存儲器還是內部數據存儲器有關。所謂指令長度，就是一條指令機器碼占用的存儲器的單元（字節）數。2.5.2復位電路與復位狀態

2.6MCS-51單片機主要硬件資源

2.6.1并行接口

2.6.2定時/計數器

（1）定時/計數器的結構方式寄存器TMOD控制寄存器TCON方式0方式1方式2方式3（僅T0有）2.6.3串行接口

MC5—51單片機內部有一個功能較強的全雙工的異步通訊串行口。所謂全雙工就是兩臺計算機之間串行接收、發送數據可同時進行；所謂異步通訊，就是收、發雙方不需要用一個時鐘信號來控制同步傳送。要傳送的串行數據是以數據幀（若干位二進制數）形式一幀一幀地發送，通過傳輸線由接收數據設備一幀一幀地接收。串行通訊基本概念異步通訊的基本概念通訊雙方必須統一規定通訊字符的格式、發送字符位與附加信息位的次序以及發送和接收的數據傳送速率。通常將對這些信息的約定叫作通訊規約或通訊協議，通訊雙方只有遵守相同的通訊規約，才能使通訊能夠順利進行。在某些通用領域中，為了使不同的廠家開發的產品能夠相互通訊，國家或行業規定了專門的標準通訊規約，對于特殊的應用領域，可以由用戶自行規定簡易的通訊規約。所謂波特率就是指串行數據傳送的速率，即單位時間內傳送數據的位數。波特率的單位為位/秒（BIT/S，一般記作bps）。實際上，要想通訊雙方的波特率完全相同是不可能的，為了保證通訊的可靠性，通訊雙方的波特率誤差應不大于2.5%。奇偶校驗是串行通訊中采用的一種簡單的檢驗方法，以提高傳送的正確度。所謂奇(偶)校驗就是利用奇偶校驗位的1，和數據中1的數目湊成奇(偶)數。二者湊成奇數的稱為奇校驗，湊成偶數的稱為偶校驗。通過比較發送端和接收端的數據“1”奇偶位數是否相符，可以大致判斷數據傳送過程中是否發生錯誤，如果奇偶位數不符，則傳送過程肯定出錯，所接收的數據無效，應予重新傳送。起始位和停止位，發送時一般由計算機硬件電路自動生成，接收時也由計算機硬件電路自動處理，用戶發送和接收數據時不必自行處理。在串行通訊中，通訊雙方在發送、接收中有三種工作方式：單工方式、半雙工方式和全雙工方式。1）單工方式單工方式只允許通訊雙方的數據按一個固定方向傳送，即發送的計算機專門發送，接收的計算機專門接收。2）半雙工方式半雙工方式允許通訊的雙方分時使用同一信道進行雙向傳輸。當甲方發送時，乙方接收；反之，當乙方發送時，甲方接收。在空閑時，甲、乙雙方一般都處于接收狀態以便隨時響應對方呼叫。3）全雙工方式全雙工方式中，通訊的甲乙雙方既是發送器又是接收器，可以同時發送或接收。雙方都有獨立的發送器和接收器，兩個方向的數據傳輸通道是分開的這三種數據傳輸方式在接收和發送控制上有差別，但發送和接收的基本工作原理是一樣的。串行口結構串行口控制寄存器1、串行口控制寄存器SCONSM0SM1SM2RENTB8RB8TIRI2、電源控制寄存器PCONSMOD3、中斷控制寄存器串行口的工作方式1）方式0方式0在實際系統中較少用到。串行口的工作方式0為同步移位寄存器輸人輸出方式，一般與外接移位寄存器相連，用以擴展并行I/O口，這種方式不適用于MCS-5l與其它計算機之間的串行通訊。方式0以8位數據為一幀，不設起始位和停止位，先發送或接收最低位，波特率是固定的，為fosc／12。方式0的幀格式如下：…D0D1D2D3D4D5D6D7…①方式0發送發送過程中，當CPU執行一條將數據寫入發送緩沖器SBUF的指令時，內部電路自動產生一個正脈沖觸發信號，串行口開始把SBUF中的8位數據以fosc／12的固定波特率從RXD引腳串行輸出，低位在先，TXD引腳輸出同步移位時鐘，發送完8位數據后置“1”中斷標志位TI。②方式0接收方式0接收時，REN為串行口接收允許控制位，REN=0，禁止接收；REN=1，允許接收。當向CPU串行口控制寄存器SCON寫入控制字（設置為方式0，并置“1”REN位，同時RI=0），內部電路自動產生一個正脈沖觸發信號，串行口開始接收數據。引腳RXD為數據輸入端，TXD為移位脈沖輸出端，接收器也以fosc／12的固定波特率采樣RXD引腳的數據信息，當接收器接收到8位數據時置“1”中斷標志TI。在方式0下，SCON中的TB8、RB8位沒用，發送或接收完8位數據由硬件置“1”TI或RI中斷標志位，CPU響應TI或RI中斷。TI或RI標志位必須由用戶軟件清0。方式0時SM2位(多機通訊控制位)必須為0。2）方式1SM0、SMl兩位為0、1時，串行口以方式1工作。方式1真正用于計算機系統之間的串行通訊，TXD腳和RXD腳分別用于發送和接收數據。方式1收發一幀的數據為10位，1個起始位(0)，8個數據位，1個停止位(1)，先發送或接收最低位。…起始位D0D1D2D3D4D5D6D7停止位…方式1時，串行口作為波特率可變的8位異步通訊接口。方式1的波特率由下式確定：式中的SMOD為PCON寄存器的最高位的值(0或1)。如果系統晶振頻率為fOSC，定時器T1工作于方式2（8位自動重裝入方式），定時常數為N（即計滿N個機器周期數后溢出），則定時器T1溢出率由下式確定：實際應用中，往往是給定波特率，然后根據上述兩式求出定時常數N①方式1發送串行口以方式1輸出時，數據位由TXD引腳輸出，發送一幀信息為10位，1位起始位“0”，8位數據位(低位在前)和1位停止位“1”。當CPU將一個字節數據寫到SBUF時，內部電路自動產生一個正脈沖觸發信號，就啟動發送。②方式1接收串行口以方式1接收時，數據從RXD引腳輸入。當CPU檢測到起始位的負跳變時，開始接收。以上關于方式1的發送和接收過程的介紹，目的在于幫助大家了解這種方式下的串行數據傳遞的原理，實際應用時，數據的檢測過程都是由硬件電路自動完成的，用戶使用時不必進行檢測操作。3）方式2串行口工作于方式2和方式3時，被定義為9位異步通訊接口。每幀數據均為11位，l位起始位“0”，8位數據位(先低位后高位)，一位可由用戶自行設定為“1”或“0”的第9位數據和一位停止位“1”。…起始位D0D1D2D3D4D5D6D7D8停止位…方式2的波特率由下式確定：①方式2發送發送前，先根據通訊協議由軟件設置SCON寄存器的TB8位(例如，雙機通訊時的奇偶校驗位或多機通訊時的地址／數據的標志位)。當CPU執行一條將數據寫入發送緩沖器SBUF的指令時，內部電路自動產生一個正脈沖觸發信號，即可啟動發送過程。串行口能自動把TB8取出，并裝入到第9位數據位的位置，再逐一發送出去。發送完畢，則把TI位置“1”。②方式2接收當串行口的SCON寄存器的SM0、SM1兩位為1、0，且REN=l時，允許串行口以方式2接收數據。接收時，數據由RXD引腳輸入，接收11位信息。當位檢測邏輯采樣到