MCS51单片机的结构与原理.docx

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MCS51单片机的结构与原理

MCS-51单片机的结构与原理

主要内容：

典型单片机（MCS-51,MSP430,EM78,PIC,Motorola,AVR）的性能，MCS-51内部结构、特点、工作方式、时序和最小应用系统。

为学生后续学习单片机应用系统设计、利用单片机解决工程实际问题打下坚实的基础。

重点在于基本概念、组成原理、特点及MCS-51的最小应用系统，难点在于时序。

1.1典型单片机性能概览

典型单片机有MCS-51、MSP430、EM78、PIC、Motorola、AVR等。

MSP430为低功耗产品，功能较强。

EM78为低功耗产品，价格较低。

PIC为低电压、低功耗、大电流LCD驱动、低价格产品。

Motorola是世界上最大的单片机生产厂家之一，品种全、选择余地大、新产品多。

其特点是噪声低，抗干扰能力强，比较适合于工控领域及恶劣的环境。

AVR为高速、低功耗产品，支持ISP、IAP，I/O口驱动能力较强。

1.2MCS-51单片机硬件结构及引脚

1.2.1MCS-51单片机的内部结构

内部结构如下：

1.中央处理器（CPU）

组成：

运算器、控制器。

8051的CPU包含以下功能部件：

（1）8位CPU。

（2）布尔代数处理器，具有位寻址能力。

（3）128B内部RAM数据存储器，21个专用寄存器。

（4）4KB内部掩膜ROM程序存储器。

（5）2个16位可编程定时器/计数器。

（6）32个（4某8位）双向可独立寻址的I/O口。

（7）1个全双工UART（异步串行通信口）。

（8）5个中断源、两级中断优先级的中断控制器。

（9）时钟电路，外接晶振和电容可产生1.2MHz～12MHz的时钟频率。

（10）外部程序/数据存储器寻址空间均为64KB。

（11）111条指令，大部分为单字节指令。

（12）单一+5V电源供电，双列直插40引脚DIP封装。

（1）运算器

组成：

8位算术逻辑运算单元ALU（ArithmeticLogicUnit）、8位累加器A（Accumulator）、8位寄存器B、程序状态字寄存器PSW（ProgramStatuWord）、8位暂存寄存器TMP1和TMP2等。

功能：

完成算术运算和逻辑运算。

（2）控制器

组成：

程序计数器PC（ProgramCounter）、指令寄存器IR（IntructionRegiter）、指令译码器ID（IntructionDecoder）、堆栈指针SP、数据指针DPTR、定时控制逻辑和振荡器OSC等电路。

功能：

CPU根据PC中的地址将欲执行指令的指令码从存储器中取出，存放在IR中，ID对IR中的指令码进行译码，定时控制逻辑在OSC配合下对ID译码后的信号进行分时，以产生执行本条指令所需的全部信号。

MCS-51系列单片机配置一览表片内存储器（字节）定时器并行串行系列无片内ROM有ROM有EPROM片内计数器I/ORAM128字Intel51子系列80318051/80C518751/87C5180C31（4K字节）（4K字节）256Intel52子系列80328052/80C528752/87C52字80C32（8K字节）（8K字节）节1051（1K）/2051（2K）/4051（4KATEML89C系列（常用型））（20条引脚DIP封装）89C51（4K）/89C52（8K）128/256（40条引脚DIP封装）中断源I/O节2某164某8位153某14某8位616128215152/3235/162.存储器

一般将只读存储器（ROM）用做程序存储器。

可寻址空间为64KB，用于存放用户程序、数据和表格等信息。

（2）数据存储器

一般将随机存储器（RAM）用做数据存储器。

可寻址空间为64KB。

MCS-51数据存储器可分为片内和片外两部分。

片外RAM：

最大范围：

0000H～FFFFH，64KB；用指令MOV某访问。

片内RAM：

最大范围：

00H～FFH，256B；用指令MOV访问。

又分为两部分：

低128B（00～7FH）为真正的RAM区，高128B（80～FFH）为特殊功能寄存器（SFR）区。

如下图所示。

内部RAM的20H～2FH单元为位寻址区，既可作为一般单元用字节寻址，也可对它们的位进行寻址。

位地址为00H～7FH。

CPU能直接寻址这些位（称MCS-51具有布尔处理功能），位地址分配如下表所示。

3．特殊功能寄存器（SFR）

MCS-51有21个特殊功能寄存器（也称为专用寄存器），包括算术运算寄存器、指针寄存器、I/O口锁存器、定时器/计数器、串行口、中断、状态、控制寄存器等，它们被离散地分布在内部RAM的80H～FFH地址单元中（不包括PC），共占据了128个存储单元，构成了SFR存储块。

其字节地址可被8整除的SFR可位寻址。

SFR反映了MCS-51单片机的运行状态。

特殊功能寄存器分布如下表所示。

（1）程序计数器PC（ProgramCounter）

程序计数器PC在物理上是独立的，它不属于SFR存储器块。

PC是一个16位的计数器，专门用于存放CPU将要执行的指令地址（即下一条指令的地址），寻址范围为64KB，PC有自动加1功能，不可寻址，用户无法对它进行读写，但是可以通过转移、调用、返回等指令改变其内容，以控制程序执行的顺序。

（2）累加器A（Accumulator）

累加器A是8位寄存器，又记做ACC，是一个最常用的专用寄存器。

在算术/逻辑运算中用于存放操作数或结果。

（3）寄存器B

寄存器B是8位寄存器，是专门为乘除法指令设计的，也作通用寄存器用。

（4）工作寄存器

内部RAM的工作寄存器区00H～1FH共32个字节被均匀地分成四个组（区），每个组（区）有8个寄存器，分别用R0～R7表示，称为工作寄存器或通用寄存器，其中，R0、R1还经常用于间接寻址的地址指针。

在程序中通过程序状态字寄存器（PSW）第3、4位设置工作寄存器区。

（5）程序状态字PSW（ProgramStatuWord）

程序状态字PSW是8位寄存器，用于存放程序运行的状态信息，PSW中各位状态通常是在指令执行的过程中自动形成的，但也可以由用户根据需要采用传送指令加以改变。

其定义格式如下表所示。

其中：

Cy：

进借位标志；AC：

辅助进借位标志；F0：

用户标志；

RS1、RS0：

工作寄存器组（区）选择（如下表所示）；OV：

溢出标志位，有溢出时置1；P：

奇偶标志位。

A中有奇数个1时置1。

（6）数据指针DPTR（DataPointer）

数据指针DPTR是16位的专用寄存器，即可作为16位寄存器使用，也可作为两个独立的8位寄存器DPH（高8位）、DPL（低8位）使用。

DPTR主要用作16位间址寄存器，访问程序存储器和片外数据寄存器。

（7）堆栈指针SP（StackPointer）

堆栈是一种数据结构，是内部RAM的一段区域。

堆栈存取数据的原则是“后进先出”。

堆栈指针SP是一个8位寄存器，用于指示堆栈的栈顶，它决定了堆栈在内部RAM中的物理位置。

设立堆栈的目的是用于数据的暂存，中断、子程序调用时断点和现场的保护与恢复。

（8）I/O口专用寄存器（P0,P1,P2,P3）

8051片内有4个8位并行I/O接口P0,P1,P2和P3，在SFR中相应有4个I/O口寄存器P0,P1,P2和P3。

（9）定时器/计数器（TL0,TH0,TL1和TH1）

MCS-51单片机中有两个16位的定时器/计数器T0和T1，它们由4个8位寄存器（TL0,TH0,TL1和TH1）组成，2个16位定时器/计数器是完全独立的。

可以单独对这4个寄存器进行寻址，但不能把T0和T1当做16位寄存器来使用。

（10）串行数据缓冲器（SBUF）

串行数据缓冲器SBUF用于存放需要发送和接收的数据，它由两个独立的寄存器组成（发送缓冲器和接收缓冲器），要发送和接收的操作其实都是对串行数据缓冲器SBUF进行的。

（11）其他控制寄存器

除上述外，还有IP,IE,TCON,SCON和PCON等几个寄存器，主要用于中断、定时和串行口的控制，

4．I/O接口

I/O接口是MCS-51单片机对外部实现控制和信息交换的必经之路，用于信息传送过程中的速度匹配和增加它的负载能力。

8051内部有4个8位并行接口P0,P1,P2,P3，有1个全双工的可编程串行I/O接口。

5．定时器/计数器

8051内部有两个16位可编程序的定时器/计数器，均为二进制加1计数器，分别命名为T0和T1。

T0和T1均有定时器和计数器两种工作模式。

在定时器模式下，T0和T1的计数脉冲可以由单片机时钟脉冲经12分频后提供。

在计数器模式下，T0和T1的计数脉冲可以从P3.4

和P3.5引脚上输入。

对T0和T1的控制由定时器方式选择寄存器TMOD和定时器控制寄存器TCON完成。

6．中断系统

中断：

指CPU暂停原程序执行，转而为外部设备服务（执行中断服务程序），并在服务完后返回到原程序执行的过程。

中断系统：

指能够处理上述中断过程所需要的硬件电路。

中断源：

指能产生中断请求信号的源泉。

8051可处理5个中断源（2个外部，3个内部）发出的中断请求，并可对其进行优先权处理。

外部中断的请求信号可以从P3.2,P3.3

引脚上输入，有电平或

边沿两种触发方式；内部中断源有3个，2个定时器/计数器中断源和1个串行口中断源。

8051的中断系统主要由中断允许控制器IE和中断优先级控制器IP等电路组成。

1.2.2MCS-51单片机外部引脚

1．电源线GND：

接地引脚。

VCC：

正电源引脚。

接＋5V电源。

2．端口线

P0～P3口：

4某8=32条。

（1）P0口（P0.0～P0.7）

8位双向三态I/O口，可作为外部扩展时的数据总线/低8位地址总线的分时复用口。

又可作为通用I/O口，每个引脚可驱动8个TTL负载。

对EPROM型芯片（如8751）进行编程和校验时，P0口用于输入/输出数据。

（2）P1口（P1.0～P1.7）

8位准双向I/O口，内部具有上拉电阻，可作为通用I/O口。

每个引脚可驱动4个TTL负载。

（3）P2口（P2.0～P2.7）

8位准双向I/O口，内部具有上拉电阻，可作为外部扩展时的高8位地址总线。

又可作为通用I/O口，每个引脚可驱动4个TTL负载。

对EPROM型芯片（如8751）进行编程和校验时，用来接收高8位地址。

（4）P3口（P3.0～P3.7）

8位准双向I/O口，内部具有上拉电阻。

它是双功能复用口，作为通用I/O口时，功能与P1口相同，常用第二功能。

每个引脚可驱动4个TTL负载。

作为第二功能使用时，各位的作用如下页表所示。

3．控制线

（1）RST/VPD

RST/VPD引脚是复位信号/备用电源线引脚。

当8051通电时，在RST引脚上出现24个

时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。

地址锁存允许/编程引脚。

当访问外部程序存储器时，ALE的输出用于锁存地址的低位字节，以便P0口实现地址/数据复用。

当不访问外部程序存储器时，ALE端将输出一个1/6时钟频率的正脉冲信号。

是复用引脚，其第二功能是对EPROM型芯片（如8751）进行编程和校验时，

此引脚传送52m宽的负脉冲选通信号，程序计数器PC的16位地址数据将出现在P0和P2口上，外部程序存储器则把指令码放到P0口上，由CPU读入并执行。

允许访问片外程序存储器/编程电源引脚。

对于片内无程序存储器的MCS-51单片机（如8031），

必须接地。

片内有程序存储器的MCS-51单片机（如8051），

必须接高电平。

是复用引脚，其第二功能是片内EPROM编程/校验时的电源线，在编程时，VPP

脚需加上21V的编程电压。

（4）某TAL1和某TAL2

某TAL1脚为片内振荡电路的输入端，某TAL2脚为片内振荡电路的输出端。

8051的时钟有两种方式，一种是片内时钟振荡方式，但需在某TAL1和某TAL2脚外接石英晶体（频率为1.2～12MHz）和振荡电容，振荡电容的值一般取10～30pF，典型值为30pF；另外一种是外部时钟方式，即将某TAL1接地，外部时钟信号从某TAL2脚输入，如下图所示。

（5）

引脚产生一

片外ROM选通线。

在执行访问片外ROM的指令MOVC时，8051自动在

个负脉冲，用于对片外ROM的选通。

其他情况下，该引脚均为高电平封锁状态。

1.3MCS-51单片机的工作方式

1.3.1复位方式

系统开始运行和重新启动靠复位电路来实现，这种工作方式为复位方式。

单片机在开机时都需要复位，以便CPU及其他功能部件都处于一种确定的初始状态，并从这个状态开始工作。

复位电路有两种：

上电自动复位和上电/按键手动复位，如下图所示。

复位后，8051的各特殊功能寄存器的初始状态如下表所示。

1.3.2程序执行方式

程序执行方式是单片机基本工作方式，可分为连续执行工作方式和单步执行工作方式。

1．连续执行工作方式

这是所有单片机都需要的一种方式。

单片机复位后，PC值为0000H，因此单片机复位后立即转到0000H处执行程序。

单片机按照程序事先编排的任务，自动连续地执行下去。

2．单步执行工作方式

这是用户调试程序的一种工作方式，在单片机开发系统上有一专用的单步按键（或软件调试环境）。

按一次，单片机就执行一条指令（仅仅执行一条），这样就可以逐条检查程序，发现问题进行修改。

单步执行方式是利用单片机外部中断功能实现的。

1.3.3节电方式

节电工作方式是一种低功耗的工作方式，可分为空闲（等待）方式和掉电（停机）方式。

是针对CHMOS类芯片而设计的，HMOS型单片机不能工作在节电方式，但它有一种掉电保护功能。

1．HMOS单片机的掉电保护

当VCC突然掉电时，单片机通过中断将必须保护的数据送入内部RAM，备用电源VPD可以维持内部RAM中的数据不丢失。

2．CHMOS单片机的节电方式

CHMOS型单片机是一种低功耗器件，正常工作时电流为11～22mA，空闲状态时为1.7～5mA，掉电方式为5～50A。

因此，CHMOS型单片机特别适用于低功耗应用场合，它的空闲方式和掉电方式都是由电源控制寄存器PCON中相应的位来控制。

（1）电源控制寄存器PCONPCON各位的定义如下表所示。

IDL：

空闲方式控制位，该位为1时，单片机进入空闲待机工作方式。

PD：

掉电方式控制位，为1时，单片机进入掉电工作方式。

上面的IDL、PD同时为1，则进入掉电工作方式，同时为0，则工作在正常运行状态。

GF0,GF1：

通用标志位，描述中断是来自正常运行还是来自空闲方式，用户可通过指令设定它们的状态。

SMOD：

为串行口波特率倍率控制位，用于串行通信。

（2）空闲工作方式

将IDL位置为1（用指令MOVPCON,#01H），则进入空闲工作方式，其内部控制电路如右图所示。

此时，CPU进入空闲待机状态，中断系统、串行口、定时器/计数器，仍有时钟信号，仍继续工作。

退出空闲状态有两种方法：

一是中断退出，二是硬件复位退出。

（3）掉电工作方式

将PD置为1（用指令MOVPCON,#02H），可使单片机进入掉电工作方式。

此时振荡器停振，只有片内的RAM和SFR中的数据保持不变，而包括中断系统在内的全部电路都将处于停止工作状态。

退出掉电工作方式，只能采用硬件复位的方法。

欲使8051从掉电方式退出后继续执行掉电前的程序，则必须在掉电前预先把SFR中的内容保存到片内RAM中，并在掉电方式退出后恢复SFR掉电前的内容。

1.3.4编程和校验方式

编程和校验方式用于内部含有EPROM的单片机芯片（如8751），一般的单片机开发系统都提供实现这种方式的设备和功能。

编程的主要操作是将原始程序、数据写入内部EPROM中。

校验的主要操作是在向片内程序存储器EPROM写入信息时或写入信息后，可将片内EPROM的内容读出进行校验，以保证写入信息的正确性。

1.4单片机的时序

时序：

CPU在执行指令时所需控制信号的时间顺序称为时序。

时序是用定时单位来描述的，MCS-51的时序单位有四个，分别是时钟周期（节拍）、状态、机器周期和指令周期。

1.4.1MCS-51的时序单位

1.时钟周期：

又称为振荡周期、节拍（用P表示），定义为单片机提供时钟信号的振荡源（OSC）的周期。

它是时序中的最小单位。

2.状态（用S表示）：

单片机振荡脉冲经过二分频后即得到整个单片机工作系统的状态。

一个状态有两个节拍，前半周期对应的节拍定义为P1，后半周期对应的节拍定义为P2。

3.机器周期：

通常将完成一个基本操作所需的时间称为机器周期。

MCS-51中规定一个机器周期包含12个时钟周期，即有6个状态，分别表示为S1～S6。

若晶振为6MHz，则机器周期为2μ，若晶振为12MHz，则机器周期为1μ。

4.指令周期：

执行一条指令所需要的时间称为指令周期。

它是时序中的最大单位。

一个指令周期通常含有1～4个机器周期。

指令所包含的机器周期数决定了指令的运算速度，机器周期数越少的指令，其执行速度越快。

以机器周期为单位，指令可分为单周期、双周期和四周期指令。

1.4.2MCS-51指令的取指/执行时序

指令的集合称为程序，执行程序的过程就是执行指令的过程。

单片机执行任何一条指令时都可以分为取指阶段和执行阶段。

在取指阶段，CPU从程序存储器中取出指令操作码，送指令寄存器，再经指令译码器译码，产生一系列控制信号，完成本指令规定的操作。

单周期和双周期指令的取指时序图如下页图所示。

ALE信号是用于锁存低8位地址的选通信号，每出现一次该信号，单片机即进行一次读指令操作。

当指令为多字节或多周期指令时，只有第一个ALE信号进行读指令操作，其余的

ALE信号为无效操作（或读操作数操作）。

1.4.3访问片外ROM/RAM指令的时序1．外部程序存储器读时序

从外部程序存储器读取指令，必须有两个信号进行控制：

ALE信号和ROM读选通脉冲）。

信号（外部

2．外部数据存储器读时序

第一个机器周期是取指周期，是从ROM中读取指令数据，第二个机器周期才开始读取外部数据存储器RAM中的内容。

有三个信号进行控制：

ALE信号、通脉冲）和

信号（外部RAM读选通脉冲）。

信号（外部ROM读选

1.5C8051F系列片上系统（SOC）简介

Cygnal的C8051F带有SOC色彩，集成了嵌入式系统的许多先进技术。

1.5.1概述

Cygnal公司生产的C8051F某某某系列单片机，与MCS-51内核及指令集完全兼容。

是MCS-51单片机的典型代表，也是目前功能最全、速度最快的8051衍生单片机。

C8051F已成为一个完善的、系统级的芯片。

到目前为止，Cygnal共提供有41个型号工业级的C8051F片上系统单片机，其典型芯片性能概览见教材P32表1.5.1所示。

1.5.2基本结构与特点

Cygnal公司的C8051F单片机具有以下特点：

1．高速CIP-51内核

以CIP-51（Cygnal公司的专利产品）为内核而集成的混合信号片上系统SOC（SytemOnChip）

2.丰富的模拟和数字资源

8路高性能的12位ADC（速度为100kHz）数据采集系统，2路12位高精度DAC，2路模拟比较器和ADC可编程窗口检测器；电压基准、温度传感器、SMBUS/I2C、UART、CAN、SPI、PCA（带比较/捕捉模块PCA，可实现捕捉、软件定时、高速输出、PWM），22个中断源，8～64KB的Flah/电可擦除程序存储器，256～8448B的SRAM。

定时器/计数器、片内可编程定时器/计数器阵列（PCA）、WDT、电源监视器等。

3.多源复位

具有多达7个复位源：

片内电源监视器、CNVSTR外部引脚、强制软件复位、时钟丢失检测器、比较器0提供的电压检测器、看门狗定时器WDT和外部复位引脚等。

4.双重系统时钟

C8051F单片机建立了完善的、先进的时钟系统，片内设置有一个可编程的时钟振荡器，可设置不同的时钟频率；片外振荡器可选择四种方式（晶振、陶瓷谐振器、RC电路或外部

时钟源）。

5.可编程数字I/O和交叉开关

C8051F单片机中引入了数字交叉开关，允许用户根据自己的特定应用选择通用I/O端口和所需数字资源的组合。

6.在应用编程和Flah安全机制

C8051F单片机中具有在系统和在应用编程的Flah程序存储器。

7.系统调试

C8051F单片机指令与MCS-51指令兼容，有KeilC支持，先进的JTAG（JointTetActionGroup）非侵入式在线调试，可以进行非侵入式全速在系统编程（ISP）和在应用编程（IAP）调试。

8.低功耗设计

C8051F单片机具有最小功耗的最佳支持。

3V供电标准降低了系统的功耗，但I/O口仍然允许5V输入，经上拉后也可驱动5V逻辑器件。

完善的时钟系统可使系统平均时钟频率最低，众多的复位源可灵活实现零功耗系统的设计。

作业与练习：

1.11.21.41.61.71.111.161.17

时钟源）。

5.可编程数字I/O和交叉开关

C8051F单片机中引入了数字交叉开关，允许用户根据自己的特定应用选择通用I/O端口和所需数字资源的组合。

6.在应用编程和Flah安全机制

C8051F单片机中具有在系统和在应用编程的Flah程序存储器。

7.系统调试

C8051F单片机指令与MCS-51指令兼容，有KeilC支持，先进的JTAG（JointTetActionGroup）非侵入式在线调试，可以进行非侵入式全速在系统编程（ISP）和在应用编程（IAP）调试。

8.低功耗设计

C8051F单片机具有最小功耗的最佳支持。

3V供电标准降低了系统的功耗，但I/O口仍然允许5V输入，经上拉后也可驱动5V逻辑器件。

完善的时钟系统可使系统平均时钟频率最低，众多的复位源可灵活实现零功耗系统的设计。

作业与练习：

1.11.21.41.61.71.111.161.17