mcs51单片机的详细组成.docx
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mcs51单片机的详细组成
第二章MCS-51单片机组成原理（初识单片机）
MCS-51系列单片机是美国Intel公司生产的高档8位机，在这个系列中常用的、最典型的有下列三种产品：
1、8031单片机；2、8051单片机；3、8751单片机。
2-1MCS-51单片机的内部结构框图：
一、中央处理器CPU（8位机）
由运算器和控制器组成，是单片机的核心：
（1）运算器ALU：
完成二进制的算术运算和逻辑运算功能；
（2）控制器：
在时钟脉冲的作用下，对指令进行译码，控制单片机系统的各部件协调有序的工作。
二、片内ROM
主要用于存放程序、原始数据和表格等内容，也称为：
程序存储器或片内ROM。
（在MCS-51系列中：
8031单片机，片内无ROM；8051单片机，片内有4KB的掩膜ROM；8751单片机，片内有4KB的EPROM）。
三、片内RAM（256个字节单元）
（1）高128个的字节单元组成了21个特殊功能的寄存器SFR，其功能已有专门规定，用户不能乱用；
（2）低128个的字节单元，作随机存取单元，供用户使用。
（有时指片内RAM为128B就是这个意思）
四、定时器/计数器（2×16位）
片内有2个16位的定时/计数器（T0，T1），并能以其定时或计数的结果对系统进行控制。
五、并行I/O接口（4×8位）
片内有4个8位并行I/O接口（P0，P1，P2，P3）。
它们可双向使用。
（1）P0口通常用作8位数据总线或低8位的地址总线的信息传送；
（2）P1口一般作通用数据I/O接口使用；
（3）P2口通常用作高8位地址总线的信息传送；
（4）P3口常用于以第2功能（有8种）的输入或输出的形式。
六、串行接口
片内有2个1位的串行接口，TXD为输出口，RXD为输入口，它们还可编程为一个全双工（双向同步信息传送）的通用异步串行接口模式（UART）。
七、中断控制系统
MCS-51有5个中断源：
（1）2个外部中断源；
（2）2个定时器/计数器中断源；
（3）1个串行中断源。
八、重要功能
（1）可以寻址64KB的片外ROM和64KB的片外RAM；
（2）具有位操作功能（逻辑处理）的位寻址功能。
2-2CPU的结构
CPU是单片机的核心，它由两大部分所组成：
运算器和控制器。
一、运算器
1、算术/逻辑部件：
（1）完成算术运算。
如：
加、减、乘、除运算；
（2）完成逻辑运算。
如：
与、或、非、异或等；
（3）将运算结果的特征量，作为下一步操作指令的依据。
2、累加器A：
（8位寄存器）
（1）在算/逻运算中用于存放操作数或结果
（2）与外部存储器交换信息时要经过A；
（3）与I/O接口交换信息时也要经过A。
3、寄存器B：
（8位寄存器）
（1）做乘法运算时，用来寄存乘数或积的高位字节；
（2）做除法运算时，用来寄存除数或余数；
（3）不做上述运算时，可做通用寄存器使用。
4、
程序状态标志寄存器PSW：
（8位寄存器）
（1）进位标志位Cy（D7位）：
做加、减运算时，若运算结果在最高位有进位或借位时，Cy被硬件自动置“1”，反之则自动置“0”。
（2）辅助进位标志位AC：
（半进位标志位，D6位）
①做加、减运算时，若低4位有向高4位进位或借位时，AC被硬件自动置“1”，反之则自动置“0”。
②CPU常根据AC的状态对BCD码的运算结果进行调整。
（3）用户标志位F0（D5位）：
用户可用软件对F0位，置“1”或置“0”，以决定程序的走向。
（4）工作寄存器组选择标志位RS1、RS0（D4、D3位）：
用户通过软件改变RS1和RS0的组合内容，来选择片内RAM中4组工作寄存器组之一。
RS1
RS0
选定的当前使用的
工作寄存器组（区）
片内RAM地址
通用寄存器
名称
0
0
第0组
00H~07H
R0~R7
0
1
第1组
08H~0FH
R0~R7
1
0
第2组
10H~17H
R0~R7
1
1
第3组
18H~1FH
R0~R7
（5）溢出标志位OV（D2位）：
当运算的结果超过8位二进制数的允许范围时，OV由硬件自动置“1”，反之置“0”。
（6）空缺位（D1位）：
此位未定义。
（7）奇偶校验标志位P（D0位）：
MCS-51采用偶校验，当A累加器中1的个数为奇数时，P被硬件置为“1”，反之被置为“0”。
二、控制器
控制器主要由定时控制逻辑电路和各种控制寄存器组成，它们严格按照定时电路的各种译码指令完成规定的操作。
1、指令寄存器IR和指令译码器ID（8位）
IR主要用于寄存指令代码，并通过ID将指令代码译出由控制电路产生相应的控制信号。
2、程序计数器PC
是一个十六位的寄存器，专门用于寄存CPU将要执行的指令地址（即下一条指令的地址），所以PC会自动加1。
PC可寻址64KB范围的ROM。
注意PC本身没有地址，因此用户无法对其进行读写，但可以通过相应的指令改变其内容，实现程序的转移。
3、堆栈指针（寄存器）SP（8位）
堆栈：
只有一个数据进/出端口且按照“先进后出”原则管理的存储器。
栈底：
堆栈存储器的底部。
此时的堆栈指针为SP。
栈顶：
存储器的数据入口处。
空栈时，栈顶的地址等于栈底的地址（两者重合）。
随着数据的不断进栈，栈顶的地址也不断的增加（上浮）。
数据进栈的操作：
首先SP+1，送入SP，然后再向堆栈存储器写入数据；
数据出栈的操作：
首先从堆栈存储器读出数据，然后SP-1，送入SP。
堆栈指针（寄存器）SP：
就是专门用于寄存指示堆栈存储器地址的寄存器。
4、数据指针（地址）寄存器DPTR（16位）
是一个十六位的专用寄存器，它由两个8位的寄存器DPH（高8位）和DPL（低8位）组成。
专门用来寄存片外RAM及扩展I/O口进行数据存取用的地址。
三、寄存器和特殊功能寄存器R
1、工作寄存器
MCS-51共有32个工作寄存器（在片内RAM的00H～1FH的地址单元中），分为四个组（区），每个组（区）
有8个寄存器，分别用R0、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7表示。
（由前面的表中可以看出）每个时刻只有一个区工作，而且由程序状态标志寄存器RS1、RS0来决定。
当RS1RS0=00时，选定的当前的工作器组为第0组（区），它们的地址分别为00H～07H,对应的通用寄存器的名称分别为R0～R7。
注意：
R0、R1不仅做工作寄存器用外，还经常用于做间接寻址的地址指针。
2、特殊功能寄存器SFR（专用寄存器）
MCS-51共有21个特殊功能寄存器（除PC外），离散地分布在片内RAM的80H～0FFH的地址单元中，共占据了128个存储单元，构成了SFR存储块。
将其地址由大到小排列如下（关于寻址方式将在下一章讨论）
特殊功能寄存器功能名称地址单元内复位后初态是否可以位寻址
B寄存器F0H00H可以
A累加器E0H00H可以
PSW程序状态D0H00H可以
标志寄存器
IP中断优先级B8HXXX00000B可以
控制寄存器
P3P3口数据寄存器B0HFFH可以
IE中断允许A8H0XX00000B可以
控制寄存器
P2P2口数据寄存器A0HFFH可以
SBUF串行口发送/接收99H不定不可以
数据缓冲寄存器
SCON串行口控制寄存器98H00H可以
P1P1口数据寄存器90HFFH可以
TH1T1计数器8DH00H不可以
高8位寄存器
TH0T0计数器8CH00H不可以
高8位寄存器
TL1T1计数器8BH00H不可以
低8位寄存器
TL0T0计数器8AH00H不可以
低8位寄存器
TMOD定时器/计数器89H00H不可以
方式控制寄存器
TCON定时器控制寄存器88H00H可以
PCON电源控制寄存器87H00H不可以
DPH地址寄存器高8位83H00H不可以
DPL地址寄存器低8位82H00H不可以
SP堆栈指针寄存器81H07H不可以
P0P0口数据寄存器80HFFH可以
以上21个特殊功能寄存器，它们的地址能被8整除的都可以位寻址。
上面已介绍了B、A、PSW、SP及DPTR，其它的将在以后的章节中分别读者讨论。
2—3MCS-51单片机存储器
存储器是存放程序和数据的器件。
MCS-51单片机一共有四个物理存储器：
1、内部程序存储器（ROM）；
2、外部程序存储器（ROM）；
⑴内/外程序存储器统一编址，片外地址从0000H～FFFFH有64KB，片内地址从0000H～0FFFH有4KB，重叠处由
信号来控制。
①当
时，从0000H～0FFFFH片内到片外；
②当
时，内部地址无效，外部地址从0000H～0FFFFH。
⑵0000H为系统复位后程序的入口地址；
⑶0000H～0002H内存放一条无条件转移指令，转至主程序的入口地址；
⑷0003H～002AH单元均匀分为5段（每段8个单
元），存放5个中断源入口地址及对应的中断服务程序；
①从0003H开始存放外部中断0（
）地址；
②从000BH开始存放定时器0溢出中断地址；
③从0013H开始存放外部中断1（
）地址；
④从001BH开始存放定时器1溢出中断地址；
⑤从001BH开始存放串行中断口地址。
⑸从002BH以后开始存放主程序；
⑴片内数据存储空间区：
地址00H～7FH，共有128B个存储单元：
分配如下——
1工作寄存器组（区）：
地址00H～1FH，共有
四个组（区），每个组（区）8个单元；
②位寻址区：
地址20H～2FH，共有16个单元，每个单元又有8位，每一位都有一个位地址，共有128个位地址。
（见教材P11的128位地址单元分配表）
③用户RAM区（数据缓冲区）：
地址30H～7FH，共有80个单元，主要用于存放随机数据、运算的中间结果和作堆栈工作区。
⑵专用寄存器区（特殊功能寄存器SFR）：
地址80H～0FFH，共有12B个存储单元。
主要存放21个特殊功能的寄存器组成SFR块。
（前面已讲述）
3、内部数据存储器；（独立编址）
4、外部数据存储器。
（独立编址）
由于单片机内部数据存储器不够用，则在片外扩展数据存储器，地址从0000H～0FFFFH，共有64KB个存储单元。
⑴内/外数据存储器的地址有重叠，但由于操作的指令不同，因此单片机可以正确地访问内/外数据存储器；
⑵访问片内的数据存储器用MOV指令；
⑶访问片外的数据存储器用MOVX指令；
⑷外部存储器的16位地址，用数据指针寄存器DPTR来寄存。
（前面已讲述）
2—4时钟电路及时序
单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为了确保同步工作方式的执行，电路应在唯一的时钟信号的控制下严格地按时序进行工作。
⑴、XTAL1端和XTAL2端将晶振、电容C1和C2与内部的反相放大器连接起来组成并联谐振电路；
⑵、振荡频率范围在2～12MHz，一般常用6MHz或12MHz；
⑶、C1、C2取31PF，对频率有微调作用；
⑷、产生的振荡信号送入内部的时钟电路再二分频构成了单片机的时钟；
⑸、最后向CPU提供P1、P2两相时钟信号。
一、时钟电路
1、内部方式时钟电路：
倒相器
晶振
2、
外部方式时钟电路：
（8051型单片机）
⑴、由外部振荡器产生振荡信号；
⑵、经电平转换电路接至XTAL2端；
⑶、XTAL1端接低电平。
外部
振荡器
二、时序
CPU在执行指令时，各控制信号在时间顺序上的关系称时序。
CPU发出的时序信号有两类：
①一类是用于片内各功能部件的控制，基本于用户无关；（不讨论）
②另一类用于片外存储器、扩展的I/O端口的控制，非常重要。
（要掌握）
1、基本概念：
⑴振荡周期
晶体振荡器直接产生的振荡信号的周期。
⑵时钟周期（状态周期）S
一个时钟周期等于两个振荡周期，换句话说就是对振荡频率进行2分频的振荡信号。
一个时钟周期S分为P1和P2两个节拍：
1P1节拍完成算术逻辑运算；
2P2节拍完成内部寄存器间数据的传送。
⑶机器周期
完成一个基本操作所需的时间称为机器周期。
一个机器周期由6个时钟周期（分别用S1～S6来表示）即12个振荡周期（分别用S1P1、S1P2、S2P1、S2P2、S3P1、……S6P2）组成。
⑷指令周期
执行一条指令所需的全部时间称为指令周期。
MCS-51单片机的指令周期一般需要1～4个机器周期。
[例]已知晶振频率分别为：
6MHz、12MHz，
试计算出它们的机器周期和指令周期。
解：
①当晶振频率为6MHz时：
振荡周期=1/振荡频率=1/6（μs）
时钟周期=2×振荡周期=2/6（μs）
机器周期=6×时钟周期=2（μs）
指令周期=（1～4）×机器周期=2～8（μs）
②当晶振频率为12MHz时：
振荡周期=1/振荡频率=1/12（μs）
时钟周期=2×振荡周期=2/12（μs）
机器周期=6×时钟周期=1（μs）
指令周期=（1～4）×机器周期=1～4（μs）
※由此可见：
单片机在晶振频率为12MHz时，执行一条指令最多需要1～4（μs）。
2、几种典型的MCS-51单片机取指/执行时序
单片机的每条指令的执行过程都要包括两个阶段，即取指阶段和执行阶段。
⑴、指令存放在内部ROM区域，指令本身是访问内部RAM的时序
①地址锁存信号ALE（单片机的输出信号）在每一个机器周期内有效两次。
即：
S1P2～S2P1、S4P2～S5P1，有效宽度为一个S状态周期（图中第四行波形）。
ALE信号每有效一次，单片机就进行一次读指令的操作。
（图中第2行波形）
②单字节单机器周期指令
如：
INCA（这是一条累加器A加1指令）属于单字节指令，所以只进行一次取指操作，其完整过程是：
当ALE第一次有效（即S1）时，从ROM中读出上指令并送至指令寄存器IR中开始执行，在执行过程中CPU一方面在第二次ALE有效（即S4）时封锁PC加1，使第二次读操作成为假读，另一方面完成指令的执行。
（图中第3行波形）
③双字节单机器周期指令
如：
ADDA，#data（这是一条将累加器A中的内容与data数据相加的加法指令）属于双字节指令，其对应ALE的两次取指操作都是有效的，其完整过程是：
第一次读指令的操作码，经译码器译码后得知是双字节指令，CPU一方面使PC+1，继续第二次读指令的操作数，另一方面等两个字节全读出后，便完成了指令的执行。
（图中第4行波形）
④单字节双机器周期指令
如：
INCDPTR（这是一条数据指针DPTR加1指令）属于单字节指令，但用了两个机器周期，共进行了4次读指令操作。
其完整过程是：
当第一次读指令的操作码后，经译码器译码得知是单字节双机器周期指令，CPU一方面自动封锁后面的读操作（PC不加1），使后3次读操作全成为假读，另一方面在第2个机器周期结束时完成指令的执行。
（图中第5行波形）
⑵、指令存放在内部ROM区域，指令本身是访问外部RAM的时序
如：
MOVXA，@DPTR（这也是一条单字节的数据传送指令），只要是访问外部RAM的指令都是双机器周期指令，它与前述的单字节双机器周期指令不同。
其完整的过程如下：
①在第一个机器周期中第一次ALE有效时（即S1）读操作码，在第二次ALE有效（即S4）时封锁PC加1，使第二次读操作成为假读，在S5的状态开始时送出外部RAM单元的地址，进行数据的读写；
②在第二个机器周期中，因CPU在读/写数据，所以ALE信号全部丢失，在S1、S4时不产生取指操作，在S6P2时完成指令的全部执行。
（图中第6行波形）
2—5输入/输出端口
MCS-51单片机有32条I/O线，分属于4个（P0、P1、P2、P3）8位I/O双向并行接口，每个接口均由锁存器、输出驱动电路和输入缓冲器组成。
一、P0口
P0口有8位，每1位由一个锁存器、两个三态输入缓冲器、控制电路和驱动电路组成。
（见下图）
1、P0口作通用I/O口
P0口既可作输入口，也可作输出口（每1位都可以作），其工作原理如下：
⑴P0口作输入口：
1在地址/数据和控制信号的作用下，使MUX接
端；
2为保证数据正确输入，必须使T2管处于截止状态，因此应先对锁存器写“1”，然后再写入数据；
3外部信号通过P0.X进入2号三态缓冲器，三态缓冲器打开，数据输入到内部总线。
4锁存器一方面通过
端到MUX控制T2的状态，另一方面通过1号三态缓冲器维持输入的状态。
⑵P0口作输出口：
1在地址/数据和控制信号的作用下，使MUX接
端；
2内部数据通过内部总线并在写脉冲的控制下写入锁存器；
3内部信号通过
端到MUX控制T2的状态，使T2的输出保持与内部数据的同相；
※P0口的I/O是分时使用，所以称它为准双向口。
2、作分时复用的地址/数据总线（第二功能）
MCS-51单片机没有单独的地址/数据总线。
当接RAM时，它的16位地址和8位数据分别由P0口和P2口共同完成，
P2口负责传送高8位地址，P0口负责传送低8位地址和8位双向数据。
（这就是所谓分时复用技术）其工作原理如下：
⑴从P0口输出地址或数据：
1在地址/数据（假若为“1”）和控制信号的作用下，使MUX接上面的触点，此时T1导通，T2截止，输出为“1”，完成了地址/数据信号的正确传送；
2在地址/数据（假若为“0”）和控制信号的作用下，使MUX接上面的触点，此时T1截止，T2导通，输出为“0”，完成了地址/数据信号的正确传送。
⑵从P0口输入数据：
输入数据直接通过2号三态缓冲器进入内部总线，无需先对锁存器写“1”，此工作由CPU自动完成。
是一个真正的双向端口。
二、P1口
P1口是一个专用的准双向I/O口，每1位都由一个锁存器、两个三态输入缓冲器和驱动电路组成。
（见下图）
它与P0口有两点不同：
1、没有电子开关MUX，所以工作时必须先对该位的锁存器写“1”，然后再输入数据；
2、在驱动电路部分，用内部的上拉电阻取代了场效应管。
※其工作原理与P0口相同，只是不能复用（无第二功能），是一个准双向口。
三、P2口
P2口是一个8位的准双向口，每1位由一个锁存器、两个三态输入缓冲器、控制电路和驱动电路组成。
（见下图）
1、作通用I/O口，与P0口的功能类似；
2、可以作扩展系统的高8位地址总线，然后与P0口传送的低8位地址一起组成16位地址总线。
（第二功能）
四、P3口
P3口也是一个8位准双向口，每1位都由一个锁存器、两个三态输入缓冲器和驱动电路组成。
（见下图）
1、P3口作一般输出口使用时与P1口的功能类同，均可以作为通用的I/O口使用。
注意：
第二功能输出端（与非门的输入端）要保持高电平，以维持锁存器到输出端的数据畅通。
2、P3口最重要的功能是第二功能。
当P3工作在第二功能时，锁存器的Q端要保持高电平，以维持第二功能（与非门的另一端）输出的数据畅通。
在P3口工作在第二功能时，它的每1位都具有不同的功能。
（见下表）
P3口引脚
第二功能
P3-0
RXD串行数据输入口
P3-1
TXD串行数据输出口
P3-2
外部中断0
P3-3
外部中断1
P3-4
T0定时/计数器0外部计数脉冲输入端
P3-5
T1定时/计数器1外部计数脉冲输入端
P3-6
片外RAM写选通信号输出端
P3-7
片外RAM读选通信号输出端
五、P0口～P3口有使用中的特点
1、P0口的输出级的每一位可驱动8个TTL门，但它驱动NMOS门时需外加上拉电阻；而作地址/数据总线（复用）时，无须外接上拉电阻。
2、P1口～P3口输出级的每一位可驱动4个TTL门，无须外接上拉电阻。
3、P0口～P3口若是由CMOS电路组成，当它驱动普通晶体管的基极时，应在端口和晶体管之间串入一个电阻，来限制高电平的输出电流。
4、P0口一般可用作8位的数据总线的输入/输出。
5、P0口在第二功能时和P2口构成16位地址总线中的低8位。
6、P1口通常用于数据的输入/输出。
（无第二功能）
7、P2口一般可用作8位的数据总线的输入/输出。
8、P2口在第二功能时和P0口构成16位地址总线中的高8位。
9、P3口可以用作8位的数据总线的输入/输出。
10、P3口通常用于第二功能的输入/输出。
11、系统复位后，P0口～P3口的32个管脚均输出高电平（0FFH）。
（注意与外设的配合）
12、可以规定并行口的一部分管脚为输入脚，另一部分脚为输出脚，没有使用的脚可以悬空。
2—6MCS-51单片机的引脚功能
MCS-51型系列单片机是具有40个引脚的双列直插式封装的器件，其中许多引脚具有第二功能，一共分为
四大类。
（不同的芯片略有不同）见下引脚图：
一、电源类引脚
1、
（40脚）：
芯片工作电源的输入端，+5V。
2、
（20脚）：
电源的接地端。
二、时钟振荡电路引脚
XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）的内部是一个振荡电路。
1、当使用内部振荡电路时，在这两个管脚上外接石英晶体和微调电容；
2、当使用外部时钟时，XTAL2接外部振荡信号，XTAL1接低电平。
三、输入/输出引脚
1、P0口（32～39脚）：
是一个8位漏极开路型的双向I/O口；访问外部RAM时，分时提供低8位地址，并用作8位数据总线。
2、P1口（1～8脚）：
是一个带内部提升电阻的8位准双向I/O口。
3、P2口（21～28脚）：
是一个带内部提升电阻的8位准双向I/O口；访问外部RAM时，分时提供高8位地址。
4、P3口（10～17脚）：
是一个带内部提升电阻的8位准双向I/O口。
四、控制类引脚
1、
（9脚，两功能）
1RST为复位信号输入端：
只要给RST端两个机器周期的高电平，就可以复位；
2
为内部的备用电源（+5V）的输入端：
若
突然掉电，可保护内部RAM的信息不丢失。
2、
（30脚，两功能）
1ALE地址锁存信号输出端：
（a）在访问外部RAM时，ALE用来锁存P0的扩展地址低8位；
（b）不访问外部RAM时，ALE以时钟频率的1/6的固定频率输出；（给外部定时用）
（c）ALE能驱动8个TTL逻辑门。
②
编程脉冲输入端：
仅用于8751型单片机内部EPROM编程的脉冲输入（低电平有效）。
3、
（29脚）
外部程序ROM的读选通信号输出端：
当访问外部程序ROM时，
定时产生一个负脉冲作选通信号，即每个机器周期内的效两次。
注意：
若访问外部RAM或片内的ROM，
不会有输出（为高电平）。
4、
（31脚，两功能）
①
访问内/外程序存储器的控制信号输出端：
（a）当
时，限定访问外部的程序ROM，地址从0000H～FFFFH；若某单片机（如：
8031型）无内部程序ROM，则应将
端接地。
（b）当
时，先访问片内的程序ROM（有4KB），若超出时自动切换到外部RAM去访问。
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