mcs-51系列单片机基本结构

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1、第2章 单片机基础,2.1 概述 2.2 MCS51系列单片机基本结构 2.3 中央处理器CPU 2.4 MCS51单片机存储器及存储空间 2.5 并行输入/输出接口,2.1 概述,2.1.1 单片机的产生与发展 单片机出现的历史并不长, 但发展十分迅猛。 它的产生与发展和微处理器的产生与发展大体同步, 自1971年美国Intel公司首先推出4位微处理器以来, 它的发展到目前为止大致可分为5个阶段:,第1阶段（19711976）: 单片机发展的初级阶段。 1971年11月Intel公司首先设计出集成度为2 000只晶体管/片的4位微处理器Intel 4004, 并配有RAM、 ROM和移位寄存

2、器, 构成了第一台MCS4微处理器, 而后又推出了8位微处理器Intel 8008, 以及其它各公司相继推出的8位微处理器。,第2阶段（19761980）: 低性能单片机阶段。 以1976年Intel公司推出的MCS48系列为代表, 采用将8位CPU、 8位并行I/O接口、 8位定时/计数器、 RAM和ROM等集成于一块半导体芯片上的单片结构, 虽然其寻址范围有限（不大于4 KB）, 也没有串行I/O, RAM、 ROM容量小, 中断系统也较简单, 但功能可满足一般工业控制和智能化仪器、 仪表等的需要。 http:/www.lvfangguan.org,第3阶段（19801983）: 高性能单

3、片机阶段。 这一阶段推出的高性能8位单片机普遍带有串行口, 有多级中断处理系统, 多个16位定时器/计数器。 片内RAM、 ROM的容量加大,且寻址范围可达64 KB, 个别片内还带有A/D转换接口。,第4阶段（198380年代末）: 16位单片机阶段。 1983年Intel公司又推出了高性能的16位单片机MCS96系列, 由于其采用了最新的制造工艺, 使芯片集成度高达12万只晶体管/片。 第5阶段（90年代）: 单片机在集成度、 功能、 速度、 可靠性、 应用领域等全方位向更高水平发展。,2.1.2单片机的应用 由于单片机具有体积小、 重量轻、 价格便宜、 功耗低, 控制功能强及运算速度快等

4、特点, 因而在国民经济建设、 军事及家用电器等各个领域均得到了广泛的应用。 按照单片机的特点, 其应用可分为单机应用与多机应用。 1. 单机应用 在一个应用系统中, 只使用1片单片机称为单机应用, 这是目前应用最多的一种方式。 单片机应用的主要领域有: http:/www.lvfangguan.org,(1) 测控系统。 用单片机可以构成各种不太复杂的工业控制系统、 自适应控制系统、 数据采集系统等, 达到测量与控制的目的。 (2) 智能仪表。 用单片机改造原有的测量、 控制仪表, 促进仪表向数字化、 智能化、 多功能化、 综合化、 柔性化方向发展。 (3) 机电一体化产品。 单片机与传统的机

5、械产品相结合, 使传统机械产品结构简化, 控制智能化。,(4) 智能接口。 在计算机控制系统, 特别是在较大型的工业测、 控系统中, 用单片机进行接口的控制与管理, 加之单片机与主机的并行工作, 大大提高了系统的运行速度。 (5) 智能民用产品。 如在家用电器、 玩具、 游戏机、 声像设备、 电子秤、 收银机、 办公设备、 厨房设备等许多产品中, 单片机控制器的引入, 不仅使产品的功能大大增强, 性能得到提高, 而且获得了良好的使用效果。,2. 多机应用 单片机的多机应用系统可分为功能集散系统、 并行多机处理及局部网络系统。 (1) 功能集散系统。 多功能集散系统是为了满足工程系统多种外围功能

6、的要求而设置的多机系统。 (2) 并行多机控制系统。 并行多机控制系统主要解决工程应用系统的快速性问题, 以便构成大型实时工程应用系统。 (3) 局部网络系统。,2.1.3 单片机系列简介 目前世界上单片机生产厂商很多, 如: Intel、 Motorola、 Philips、 Siemens、 NEC、 ADM、 Zilog等公司, 其主流产品有几十个系列, 几百个品种。 尽管其各具特色, 名称各异, 但作为集CPU、 RAM、 ROM（或EPROM）、 I/O接口、 定时器/计数器、 中断系统为一体的单片机, 其原理大同小异。 现以Intel公司的系列产品为例, 说明各系列之间的区别。 I

7、ntel公司从其生产单片机开始, 发展到现在, 大体上可分为3大系列: MCS48系列、 MCS51系列、 MCS96系列。 该3大系列的性能简介见表21。,表21 Intel单片机系列性能简介,2.2 MCS51系列单片机基本结构,2.2.1 MCS51单片机系列 MCS51系列单片机虽已有10多种产品, 但可分为两大系列: MCS51子系列与MCS52子系列。 MCS51子系列中主要有8031、 8051、 8751 三种类型。 而MCS52子系列也有3种类型8032、 8052、 8752。 各子系列配置见表22所示。 http:/www.lvfangguan.org,表22 MCS51

8、系列单片机配置一览表,表22中列出了MCS51系列单片机的两个子系列, 在4个性能上略有差异。 由此可见, 在本子系列内各类芯片的主要区别在于片内有无ROM或EPROM; MCS51与MCS52子系列间所不同的是片内程序存储器ROM从4 KB增至8 KB; 片内数据存储器由128个字节增至256个字节;定时器/计数器增加了一个; 中断源增加了12个。 另外, 对于制造工艺为CHMOS的单片机, 由于采用CMOS技术制造, 因此具有低功耗的特点, 如8051功耗约为630 mW, 而80C51的功耗只有120 mW。,2.2.2 MCS51系列单片机内部结构及功能部件 MCS51系列单片机的内部

9、结构框图如图21所示。 分析图21, 并按其功能部件划分可以看出, MCS51系列单片机是由8大部分组成的。图22为按功能划分的MCS51系列单片机内部结构简化框图。 这8大部分是: 一个8位中央处理机CPU。 128个字节（MCS52子系列为256字节）的片内数据存储器RAM。,4 KB（MCS52子系列为8 KB）的片内程序只读存储器ROM或EPROM（8031和8032无）。 18个（MCS52子系列为21个）特殊功能寄存器SFR。 4个8位并行输入输出I/O接口: P0口、 P1口、 P2口、 P3口（共32线）, 用于并行输入或输出数据。 1个串行I/O接口。 2个（MCS52子系列

10、为3个）16位定时器/计数器。, 1个具有5个（MCS52子系列为6个或7个）中断源, 可编程为2个优先级的中断系统。 它可以接收外部中断申请, 定时器/计数器中断申请和串行口中断申请。,图21 MCS51系列单片机内部结构框图,图22 MCS51系列单片机内部结构简化框图,2.2.3 单片机外部引脚说明 MCS51系列单片机芯片均为40个引脚, HMOS工艺制造的芯片采用双列直插（DIP）方式封装, 其引脚示意及功能分类如图23所示。 CMOS工艺制造的低功耗芯片也有采用方型封装的, 但为44个引脚, 其中4个引脚是不使用的。,图23 MCS51系列单片机引脚及总线结构 (a) 管脚图； (

11、b) 引脚功能分类,1. 主电源引脚Vcc和Vss VCC（40脚）: 接+5 V电源正端; VSS（20脚）: 接+5 V电源地端。 2. 外接晶体引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1（19脚）: 接外部石英晶体的一端。 在单片机内部, 它是一个反相放大器的输入端, 这个放大器构成了片内振荡器。 当采用外部时钟时, 对于HMOS单片机, 该引脚接地; 对于CHMOS单片机, 该引脚作为外部振荡信号的输入端。,XTAL2（18脚）: 接外部晶体的另一端。 在单片机内部, 接至片内振荡器的反相放大器的输出端。 当采用外部时钟时, 对于HMOS单片机, 该引脚作为外部振荡信号的输入端; 对于CH

12、MOS芯片, 该引脚悬空不接。,3. 控制信号或与其它电源复用引脚 控制信号或与其它电源复用引脚有RST/VPD、 、 和 等4种形式。 （1） RST/VPD（9脚）: RST即为RESET, VPD为备用电源, 所以该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。 （2） (30脚): 当访问外部存储器时, ALE（允许地址锁存信号）以每机器周期两次的信号输出, 用于锁存出现在P0口的低8位地址。,（3） （29脚）: 片外程序存储器读选通信号输出端, 低电平有效。 （4） （31脚）: 为访问外部程序存储器控制信号, 低电平有效。,4. 输入/输出（I/O）引脚P0口、 P1口、 P2口及P3口

13、（1） P0口（39脚32脚）: P0.0P0.7统称为P0口。 （2） P1口（1脚8脚）: P1.0P1.7统称为P1口, 可作为准双向I/O接口使用。 （3） P2口（21脚28脚）: P2.0P2.7统称为P2口, 一般可作为准双向I/O接口。 （4） P3口（10脚17脚）: P3.0P3.7统称为P3口。,表23 P3口第2功能表,2.3 中央处理器CPU,中央处理器是单片机内部的核心部件, 它决定了单片机的主要功能特性。 它由运算部件和控制部件两大部分组成。,2.3.1 运算部件 运算部件是以算术逻辑单元ALU为核心, 加上累加器A、 寄存器B、 暂存器TMP1和TMP2、 程序

14、状态寄存器PSW及专门用于位操作的布尔处理机组成的（见图21）, 它能实现数据的算术逻辑运算, 位变量处理和数据传送操作。 1. 算术逻辑单元ALU与累加器ACC、 寄存器B 算术逻辑单元ALU不仅能完成8位二进制数的加（带进位加）、 减（带借位减）、 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”、 求补、 清零等逻辑运算, 并具有数据传送, 程序转移等功能。 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作算术和逻辑运算的操作数多来自于A, 运算结果也常送回A保存。 寄存器B是为A

15、LU进行乘除法设置的。 2. 程序状态字 程序状态字寄存器PSW（8位）是一个标志寄存器, 它保存指令执行结果的特征信息, 以供程序查询和判别。 其程序状态字格式及含义如下: http:/www.lvfangguan.org,CY（PSW.7）进位标志位。 AC（PSW.6）辅助进位（或称半进位）标志。 F0（PSW.5）由用户定义的标志位。 RS1（PSW.4）、 RS0（PSW.3）工作寄存器组选择位。 OV（PSW.2）溢出标志位。 由硬件置位或清零。,PSW.7,PSW.0,PSW.1未定义位。 P（PSW.0）奇偶标志位。 3. 布尔处理机 布尔处理（即位处理）是MCS51单片机AL

16、U所具有的一种功能。 单片机指令系统中的布尔指令集（17条位操作指令）, 存储器中的位地址空间, 以及借用程序状态标志寄存器PSW中的进位标志CY作为位操作“累加器”, 构成了单片机内的布尔处理机。,2.3.2 控制部件及振荡器 控制部件是单片机的神经中枢, 它包括定时和控制电路、 指令寄存器、 译码器以及信息传送控制等部件。 单片机的定时控制功能是由片内的时钟电路和定时电路来完成的, 而片内的时钟产生有两种方式: 一种是内部时钟方式; 一种是外部时钟方式, 如图24（a）、 （b）所示。,图24 HMOS型MCS51单片机时钟产生方式 （a） 内部振荡器方式; （b） 外部振荡器方式,采用内部时钟方式时, 如图24（a）所示。 片内的高增益反相放大器通过XTAL1、 XTAL2外接作为反