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1、第2章 MCS-51单片机结构和原理,2,4,2.1 MCS -51单片机的内部结构,2. 2 MCS-51单片机的引脚及其片外总线,2. 3 复位和复位电路,2. 4 CPU的时钟与时序,返回,2 .1 MCS-51单片机的内部结构,2. 1. 1 MCS-51系列的80 C51单片机结构 MCS-51单片机是在一块芯片中集成了CPU, RAM , ROM、定时器/计数器和多种功能的I/0线等一台计算机所需要的基本功能部件。MCS-51单片机内包含下列几个部件: (1)一个8位CPU. (2)一个片内振荡器及时钟电路。 (3) 4K字节ROM程序存储器。 (4) 128字节RAM数据存储器。
2、 (5)两个16位定时器/计数器。,下一页,返回,2 .1 MCS-51单片机的内部结构,(6)可寻址64 K外部数据存储器和64 K外部程序存储器空间的控制电路。 (7) 32条可编程的I/0线(四个8位并行I/0端口)。 (8)一个可编程全双工串行口。 (9)具有五个中断源、两个优先级嵌套中断结构。 80C51单片机结构框图如图2 -1所示，各功能部件由内部总线连接在一起。 2. 1. 2 CPU结构 80C51单片机由CPU(含运算器、控制器及一些寄存器)、存储器和I/ 0口 组成，其内部逻辑结构如图2-2所示。,上一页,下一页,返回,2 .1 MCS-51单片机的内部结构,1.运算器
3、运算器由算数/逻辑运算单元ALU,累加器AC住寄存器玖暂存寄存器、 程序状态字寄存器PSW组成。运算器的任务是实现算数和逻辑运算、位变量处理和数据传送等操作。 80C51的ALU功能极强，不仅能完成8位二进制的加、减、乘、除、加1, 减1及BCD加法的十进制调整等算术运算，还能对8位变量进行逻辑“与” “或”“异或”、循环移位、求补、清零等逻辑运算，并具有数据传输、程序转移等功能，同时还具有一般处理器不具备的位处理功能。,上一页,下一页,返回,2 .1 MCS-51单片机的内部结构,累加器ACC(简称累加器A)为一个8位寄存器，它是CPU中使用最频繁的寄存器。进入ALU做算术和逻辑运算的操作数
4、多来自A，运算结果也常送回A保存。 寄存器B是为ALU进行乘除法运算而设置的。若不做乘除运算时，则可作为通用寄存器使用。 程序状态字PSW是一个8位的标志寄存器，它保存指令执行结果的特征信息，以供程序查询和判别。PSW各位的定义如下，字节地址为DOH。,上一页,下一页,返回,2 .1 MCS-51单片机的内部结构,进位标志位C (PSW. 7 ):在执行某些算术操作类、逻辑操作类指令时，可被硬件或软件置位或清零。它表示运算结果是否有进位或借位。如果在最高位有进位(加法时)或有借位(减法时)，则C=1;否则C =0。 辅助进位(或称半进位)标志位AC (PSW.6):表示两个8位数运算，低4 位
5、有无进(借)位的状况。当低4位相加(或相减)时，若D3位向D4位有进 位(或借位)，则AC =1;否则AC =0。在BCD码运算的十进制调整中要用到该标志。 用户自定义标志位F0 (PSW. 5 ):用户可根据自己的需要对F0赋予一定的含义，通过软件置位或清零，并根据F0 =1或0来决定程序的执行方式，或反映系统某一种工作状态。,上一页,下一页,返回,2 .1 MCS-51单片机的内部结构,工作寄存器组选择位RS1, RS0 (PSW.东PSW. 3):可用软件置位或清零，用于选定当前使用的四个工作寄存器组中的某一组。 溢出标志位OV (PSW.2):做加法或减法时，由硬件置位或清零，以指示运
6、算结果是否溢出。OV =1表示运算结果超出了累加器的数值范围(无符号数的范围为0255，以补码形式表示一个有符号数的范围为-128 +127 )。进行无符号数的加法或减法时，OV的值与进位位C的值相同;进行有符号数的加法时，如最高位、次高位之一有进位，或做减法时，如最高位、次高位之一有借位，OV被置位，即OV的值为最高位和次高位的异或(C7C6)。,上一页,下一页,返回,2 .1 MCS-51单片机的内部结构,执行乘法指令MUL AB也会影响OV标志。积大于255时，OV = 1;否则 OV=0。 执行除法指令DIV AB也会影响OV标志。若B中所放除数为0, OV=1;否 则OV=0。 奇偶
7、标志位P ( PSW. 0 ):在执行指令后，单片机根据累加器A中1的个数的奇偶自动给该标志位置位或清零。若A中1的个数为奇数，则P=1; 否则P=0。该标志对串行通信的数据传输非常有用，通过奇偶校验可检验传输的可靠性。,上一页,下一页,返回,2 .1 MCS-51单片机的内部结构,2.控制器 控制器包括程序计数器、指令寄存器、指令译码器、定时及控制逻辑电路等。功能是控制指令的读入、译码和执行，从而对各功能部件进行定时和逻辑控制。 程序计数器PC是一个独立的16位计数器，不可访问。单片机复位时，PC中的内容为0000 H，从程序存储器0000 H单元取指令，开始执行程序。 PC工作过程是:CP
8、U读指令时，PC的内容作为所取指令的地址，程序存储器按此地址输出指令字节，同时PC自动加1; PC中的内容变化轨迹决定程序流程，当顺序执行程序时自动加1;执行转移程序或子程序、中断子程序调用时，自动将其内容更改成所要转移的目的地址。,上一页,下一页,返回,2 .1 MCS-51单片机的内部结构,PC的计数宽度决定了程序存储器的地址范围。PC为16位，故可对64 KB(216B)寻址。 2. 1. 3存储器 MCS-51单片机的程序存储器和数据存储器空间是互相独立的，物理结构也不同。程序存储器为只读存储器(ROM )。数据存储器为随机存取存储器( RAM )。各有自己的寻址系统、控制信号和功能。
9、程序存储器用来存放程序和始终要保留的常数，如所编程序经汇编后的机器码。数据存储器通常用来存放程序运行中所需要的常数或变量，如做加法时的加数和被加数、做乘法时的乘数和被乘数、模/数转换时实时记录的数据等。单片机的存储器编址方式采用与工作寄存器、I/0口锁存器统一编址的方式。,上一页,下一页,返回,2 .1 MCS-51单片机的内部结构,从物理地址空间看，MCS -51有四个存储器地址空间，即片内程序存储器、片外程序存储器、片内数据存储器和片外数据存储器。 MCS-51系列各芯片的存储器在结构上有些区别，但区别不大。从应用设计的角度可分为如下两种情况:片内有程序存储器和片内无程序存储器;片内有数据
10、存储器但存储单元够用和片内有数据存储器但存储单元不够用。 1.程序存储器 程序存储器用来存放程序和表格常数。程序存储器以程序计数器PC作地址指针，通过16位地址总线，可寻址的地址空间为64 K字节。片内、片外统一编址。,上一页,下一页,返回,2 .1 MCS-51单片机的内部结构,1)片内有程序存储器且存储空间足够 在80C51片内，带有4K字节ROM/EPROM程序存储器(内部程序存储器)，4K字节可存储两千多条指令，对于一个小型的单片机控制系统来说就足够了，不必另加程序存储器。若不够还可选8K或16K内存的单片机芯片，如89C52等。总之，尽量不要扩展外部程序存储器，这会增加成本、增大产品
11、体积。 2)片内有程序存储器但存储空间不够 若开发的单片机系统较复杂，片内程序存储器存储空间不够用时，可外扩展程序存储器。具体扩展多大的芯片要计算一下，由两个条件决定:一是看程序容量大小;二是看扩展芯片容量大小。,上一页,下一页,返回,2 .1 MCS-51单片机的内部结构,64 K总容量减去内部4K即外部能扩展的最大容量，2764的容量为8K, 27128的容量为16K, 27256的容量为32K, 27512的容量为64 K。若再不够就只能换芯片，选16位芯片或32位芯片都可。确定了芯片后就要计算地址，再将EA引脚接高电平，使程序从内部ROM开始执行，当PC值超出内部ROM的容量时，会自动
12、转向外部程序存储器空间。 3)片内无程序存储器 80C31芯片无内部程序存储器，需外部扩展EPROM芯片，地址在0000 H-FFFFH都是外部程序存储器空间，在设计时EA应始终接低电平，使系统只从外部程序存储器中取指令。,上一页,下一页,返回,2 .1 MCS-51单片机的内部结构,MCS -51单片机复位后程序计数器PC的内容为0000 H，因此系统从0000 H单元开始取值，并执行程序，它是系统执行程序的起始地址，通常在该单元中存放一条跳转指令，而用户程序从跳转地址开始存放程序。 2.数据存储器 1)内部数据存储器 MCS - 51单片机的数据存储器无论在物理上或逻辑上都分为两个地址空间
13、:一个为内部数据存储器，访问内部数据存储器用MOV指令;另一个为外部数据存储器，访问外部数据存储器用MOVX指令。,上一页,下一页,返回,2 .1 MCS-51单片机的内部结构,MCS - 51系列单片机各芯片内部都有数据存储器，是最灵活的地址空间，它分成物理上独立的且性质不同的几个区:OOH 7FH (0 127)单元组成的128字节地址空间的RA M区;80HFFH (128255 )单元组成的高128字节地址空间的特殊功能寄存器(又称SFR)区。 注意: 80C32/80C52单片机将这一高128字节作为RA M区。 在80C51, 87C51和80C31单片机中，只有低128字节的RA
14、 M区和128字节的特殊功能寄存器区的地址空间是相连的，特殊功能寄存器(SFR)地址空间为80H FFH。注意:128字节的SFR区中只有26个字节是有定义的，若访问的是这一区中没有定义的单元，则得到的是一个随机数。,上一页,下一页,返回,2 .1 MCS-51单片机的内部结构,(1)工作寄存器区。 内部RA M区中不同的地址区域功能结构如图2-3所示。图中，00 H 1FH(031)共犯个单元是四个通用工作寄存器区，每一个区有八个工作寄存器，编号为R0R7，每一区中R0R7的地址见表2-1。 当前程序使用的工作寄存区是由程序状态字PSW(特殊功能寄存器，字节地址为ODOH)中的D东D3位(R
15、S1和RSO)来指示的，PSW的状态和工作寄存区对应关系见表2 -2。 CPU通过对PSW中的D东D3位内容的修改，就能任选一个工作寄存器区。 如果用户程序不需要四个工作寄存器区，则不用的工作寄存器单元可以作一般的RAM使用。,上一页,下一页,返回,2 .1 MCS-51单片机的内部结构,(2)位寻址区。 内部RAM的20H2FH为位寻址区，见表2-3。这16个单元和每一位都有一个位地址，位地址范围为OOH 7FH。位寻址区的每一位都可以视作软件触发器，由程序直接进行位处理。通常把各种程序状态标志、位控制变量设在位寻址区内。同样，位寻址区的RAM单元也可以作一般的数据缓冲器使用。 (3)通用R
16、AM区。 位寻址区之后的30H 7FH为通用RAM区。这些单元可以作为数据缓冲区使用。这一区域的操作指令非常丰富，数据处理方便灵活。 在实际应用中，堆栈一般设在30H 7FH之内。栈顶的位置由堆栈指针SP指示。复位时SP的初值为07 H，在系统初始化时通常要重新设置。,上一页,下一页,返回,2 .1 MCS-51单片机的内部结构,2)外部数据存储器 MCS -51具有扩展64 K字节外部数据存储器和I/0口的能力，这对很多应用领域已足够，对外部数据存储器的访问采用MOVX指令，用间接寻址方式，R0, R1和DPTR都可作间址寄存器。 若系统较小，内部的RAM (30H 7FH)足够的话，就不要再扩展外部数据存储器RAM。若确实要扩展就用串行数据存储器24 C系列，也可用并行数据存储器。 3.特殊功能寄存器 MCS - 51单片机内的锁存器、定时器、串行口数据缓冲器以及各种控制寄存和状态寄存器都是以特殊功能寄存器的形式出现的，它们分散地分布在内部RAM地址空间范围。,上一页,下一页,返回,2 .1 MCS-51单片机的内部结构,表2 -4列出
