第2章 单片机原理及接口技术讲稿第三版李朝青.docx

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第2章单片机原理及接口技术讲稿第三版李朝青

第2章MCS-51单片机的结构和原理

§2.1MCS-51单片机的结构

§2.1.1MCS-51单片机的基本组成

一、组成

89C51单片机结构框图如图2-1所示

（1）一个8位的微处理器CPU。

（2）片内数据存储器（RAM128B/256B）:

用以存放可以读/写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据等。

（3）片内程序存储器FlashROM（4KB/8KB）:

用以存放程序、一些原始数据和表格。

但有一些单片机内部不带ROM/EPROM，如8031、8032、80C31等。

（4）四个8位并行I/O（输入/输出）接口P0~P3:

每个口可以用作输入，也可以用作输出。

（5）两个或三个定时/计数器:

每个定时/计数器都可以设置成计数方式，用以对外部事件进行计数，也可以设置成定时方式，并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制。

（6）一个全双工UART的串行I/O口：

可实现单片机与单片机或其它微机之间串行通信。

（7）片内振荡器和时钟产生电路:

但需外接晶振和电容。

（8）五个中断源的中断控制系统。

二、MCS-51系列单片机的性能

如表2-1所示。

表中型号带“C”表示所用的是CMOS工艺，具有功耗低的优点。

§2.1.2MCS-51单片机内部结构

一、结构图

由中央处理单元（CPU）、存储器（ROM及RAM）和I/O接口组成。

MCS-51单片机内部结构如图2-2所示。

二、结构组成

（一）、中央处理单元（CPU）

1．运算器

（1）8位的ALU：

可对4位、8位、16位数据进行操作。

（2）8位累加器ACC（A）：

它经常作为一个运算数经暂存器2进入ALU的输入端，与另一个来自暂存器1的运算数进行运算，运算结果又送回ACC。

（3）8位程序状态寄存器PSW：

指示指令执行后的状态信息供程序查询和判别用。

（4）8位寄存器B：

在乘除运算时，用来存放一个操作数也用来存放运算后的一部分结果；如不能做乘除运算时，作为通用寄存器。

（5）布尔处理器：

专门用于处理位操作的，以PSW中的C为其累加器。

（6）2个8位暂存器：

ALU的两个入口处。

2．控制器

（1）程序计数器PC（16位）

由两个8位计数器PCH、PCL组成。

PC是程序的字节地址计数器，PC内容为将要执行的指令地址。

改变PC内容，改变执行的流向。

PC可对64KB的ROM直接寻址，也可对89C51片内RAM寻址。

（2）指令寄存器IR及指令译码器ID

由PC中的内容指定ROM地址，取出来的指令经IR送至ID，由ID对指令译码产生一定序列的控制信号，以执行指令所规定的操作。

（3）振荡器和定时电路

89C51单片机片内有振荡电路，只需外接石英晶体和频率微调电容（2个30pF左右），其频率范围为1.2MHz~12MHz。

该信号作为89C51工作的基本节拍即时间的最小单位。

（二）、存储器

1、程序存储器（ROM）

地址从0000H开始。

用于存放程序和表格常数。

2、数据存储器（RAM）

地址为00H～7FH。

用于存放运算的中间结果、数据暂存以及数据缓冲等。

这128B的RAM中有32个字节单元可指定为工作寄存器。

片内还有21个特殊功能寄存器（SFR），它们同128字节RAM统一编址，地址为80H～FFH。

后面详细介绍。

（三）、I/O接口

89C51有四个8位并行I/O接口P0～P3。

它们都是双向端口，每个端口各有8条I/O线。

P0-P3口四个锁存器同RAM统一编址，可作为SFR来寻址。

§2.2MCS-51单片机引脚及其功能

§2.2.1MCS-51单片机引脚

89C51单片机引脚如图2-3所示。

§2.2.289C51单片机引脚功能

一、电源引脚：

Vcc和Vss

1．Vcc（40脚）：

电源端，为+5V。

2．Vss（20脚）：

接地端。

二、时钟电路引脚：

XTAL1和XTAL2

XTAL2（18脚）：

接外部晶体和微调电容的一端；在89C51片内它是振荡电路反向放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体固有频率。

若需采用外部时钟电路时，该引脚输入外部时钟脉冲。

89C51/8031正常工作时，该引脚应有脉冲信号输出。

XTAL1（19脚）：

接外部晶体和微调电容的另一端；在片内它是振荡电路反向放大器的输入端，在采用外部时钟时，该引脚接地。

三、控制信号引脚：

RST/VPD（9脚）：

RST：

复位信号输入端，高电平有效。

当此输入端保持两个机器周期的高电平时，就可以完成复位操作。

VPD：

RST引脚的第二功能，备用电源输入端。

当主电源Vcc发生故障，降低到低电平规定值时，将+5V电源自动接入该引脚，为RAM提供备用电源，以保证RAM中的信息不丢失，使得复位后能继续正常运行。

ALE/PROG（30脚）：

ALE：

地址锁存允许信号端。

正常工作时，该引脚以振荡频率的1/6固定输出正脉冲。

CPU访问片外存储器时，该引脚输出信号作为锁存低8位地址的控制信号。

它的负载能力为8个LS型TTL负载。

PROG：

是对片内带有4KBEPROM的8751编程写入时的编程脉冲输入端。

三、控制信号引脚：

PSEN（29脚）：

程序存储器允许信号输出端。

在访问片外ROM时，定时输出负脉冲作为读片外ROM的选通信号，接片外ROM的OE端。

它的负载能力为8个LS型TTL负载。

EA/Vpp（31脚）：

EA：

外部程序存储器地址允许输入端。

当该引脚接高电平时，CPU访问片内EPROM/ROM并执行片内程序存储器中的指令，但当PC值超过0FFFH（片内ROM为4KB）时，将自动转向执行片外ROM中的程序。

当该引脚接低电平时，CPU只访问片外EPROM/ROM并执行外部程序存储器中的程序。

Vpp：

对8751片内EPROM固化编程时，编程电压输入端（12-21V）。

四、I/O端口P0、P1、P2和P3

1、准双向

当I/O口作为输入时，应先向此口锁存器写入全1，此时该口引脚浮空，可作高阻抗输入。

2、P0口：

漏极开路的8位准双向I/O口，每位能驱动8个LS型TTL负载。

P0口可作为一个数据输入/输出口；

在CPU访问片外存储器时，P0口为分时复用的低8位地址总线和8位数据总线。

3、P1口：

带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口，每位能驱动4个LS型TTL负载。

4、P2口：

P2口：

带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口，每位能驱动4个LS型TTL负载。

在CPU访问片外存储器时，它输出高8位地址。

5、P3口：

带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口，每位能驱动4个LS型TTL负载。

P3口除作为一般I/O口外，每个引脚都有第二功能。

2.389C51存储器配置

§2.3.189C51存储器分类

一、物理结构（哈佛结构）

二、用户角度

图2-489C51存储器配置

1、片内、外统一编址的64K程序存储器地址空间。

CPU访问片内、片外ROM指令用MOVC。

2、64K的片外数据存储器地址空间。

访问片外RAM指令用MOVX。

3、256字节的片内数据存储器地址空间。

访问片内RAM指令用MOV。

上述三个存储空间地址是重叠的，89C51的指令系统采用不同的数据传送指令符号。

§2.3.2程序存储器地址空间

一、用途：

用于存放编好的程序和表格常数。

二、编址：

容量为4KB。

地址为0000H～0FFFH。

片外最多可扩至64KBROM/EPROM，地址为1000H～FFFFH。

片内外统一编址。

三、寻址方式：

1、当EA=“1”时：

在0000～0FFFH范围内执行片内ROM中的程序，当指令地址超过0FFFH后就自动转向片外ROM中取指令。

2、当EA=”0”时：

片内ROM不起作用，CPU只能从片ROM/EPROM中取指令。

可以从0000H开始寻址。

3、片内ROM和片外ROM取指的速度相同。

4、程序存储器的保留存储单元。

（1）0000H～0002H三个单元：

用作上电复位后引导程序的存放单元。

因为复位后PC的内容为0000H，CPU总是从0000H开始执行程序。

将转移指令存放到这三个单元，程序就被引导到指定的程序存储器空间去执行。

（2）0003H～002AH单元：

均分为五段，用作五个中断服务程序的入口。

中断矢量地址表如表2-3所示。

§2.3.3数据存储器地址空间

一、用途：

用于存放运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等。

二、片外RAM：

地址：

0000H~FFFFH

寻址：

用MOVX指令

三、片内RAM：

片内数据存储器最大可寻址256个单元，它们又分为两部分：

低128字节（00H～7FH）是真正的RAM区；高128字节（80H～FFH）为特殊功能寄存器（SFR）区。

如图27所示。

高128字节和低128字节RAM中的配置及含义如图2－8和图2－9所示。

图2－8低128字节RAM区图2－9高128字节RAM区

1）低128字节RAM

9C51的32个工作寄存器与RAM安排在同一个队列空间里，统一编址并使用同样的寻址方式（直接寻址和间接寻址）。

00H～1FH地址安排为4组工作寄存器区，每组有8个工作寄存器（R0～R7），共占32个单元，见表2-4。

通过对程序状态字PSW中RS1、RS0的设置，每组寄存器均可选作CPU的当前工作寄存器组。

若程序中并不需要4组，那么其余可用作一般RAM单元。

CPU复位后，选中第0组寄存器为当前的工作寄存器。

工作寄存器区后的16字节单元（20H～2FH），可用位寻址方式访问其各位。

在89系列单片机的指令系统中，还包括许多位操作指令，这些位操作指令可直接对这128位寻址。

这128位的位地址为00H～7FH，其位地址分布见图2－8。

2）高128字节RAM——特殊功能寄存器（SFR）

89C51片内高128字节RAM中，有21个特殊功能寄存器（SFR），它们离散地分布在80H～FFH的RAM空间中。

访问特殊功能寄存器只允许使用直接寻址方式。

这些特殊功能寄存器见图2－9。

各SFR的名称及含义如表2－5所列。

（1）累加器ACC（E0H）

累加器ACC是89C51最常用、最忙碌的8位特殊功能寄存器，许多指令的操作数取自于ACC，许多运算中间结果也存放于ACC。

在指令系统中用A作为累加器ACC的助记符。

（2）寄存器B（F0H）

在乘、除指令中，用到了8位寄存器B。

乘法指令的两个操作数分别取自A和B，乘积存于B和A两个8位寄存器中。

除法指令中，A中存放被除数，B中放除数，商存放于A，B中存放余数。

在其他指令中，B可作为一般通用寄存器或一个RAM单元使用。

（3）程序状态寄存器PSW（D0H）

PSW是一个8位特殊功能寄存器，它的各位包含了程序执行后的状态信息，供程序查询或判别之用。

各位的含义及其格式如表2－6所列。

PSW除有确定的字节地址（D0H）外，每一位均有位地址，见表2－6。

CY（PSW.7）：

进位标志位。

在执行加法（或减法）运算指令时，如果运算结果最高位（位7）向前有进位（或借位），则CY位由硬件自动置1；如果运算结果最高位无进位（或借位），则CY清0。

CY也是89C51在进行位操作（布尔操作）时的位累加器，在指令中用C代替CY。

AC（PSW.6）：

半进位标志位，也称辅助进位标志。

当执行加法（或减法）操作时，如果运算结果（和或差）的低半字节（位3）向高半字节有半进位（或借位），则AC位将被硬件自动置1；否则AC被自动清0。

F0（PSW.5）：

用户标志位。

用户可以根据自己的需要对F0位赋予一定的含义，由用户置位或复位，以作为软件标志。

RS0和RS1（PS