mcs-51系列单片机基本结构与工作原理资料

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1、 MCS-51系列单片机基本结构与工作原理 概述 MCS-51单片机内部结构 MCS-51单片机外部引脚及功能， I/O 接口电路 MCS-51的指令系统 MCS-51的扩展应用 概 述 单片机：把中央处理器CPU、存储器、输入输出（I/O）接 口电路以及定时器/计数器等部件制作在一块集成电路芯片中 ，构成一个完整的微型计算机单片微型计算机。 时钟 8位CPU 128B/256B RAM 216位 定时计数器 可编程口 I/O 4KB ROM 总线：各个器件共同享用连线，器件的数据线称为 数据总线，器件所有的控制线被称为控制总线。用 于抵制分配的线称为地址总线。 数据、地址、指令：三者的本质都

2、是数字0和1 组成的序列。指令即由单片机芯片的设计者规定的 一种数字；地址即是寻找单片机内部、外部的存储 单元、输入输出口的依据；数据即由微处理机处理 的对象。 堆栈：用来存放数据的一个区域，是内部RAM的一 部分。“先进后出，后进先出”，有其特殊的数据传 输指令，即PUSH和POP,有一个特殊的服务单元 堆栈指针SP.每执行一次PUSH,SP+1，每执行一次 POP,SP-1 MCS-51单片机内部结构 一、MCS-51内部资源及特点 1、内部资源 MCS-51系列单片机包括8031、8051、8751等很多型号 ，其代表型号是以8051，以此为例介绍单片机内部结构。 8051内包括： 适于

3、控制应用的8位CPU； 4KB程序存储器(ROM)； 128B数据存储器 (RAM); 32根双向并可以按位寻址的I/O线 1个全双工串行口I/O线； 2个16位定时计数器器； 5各中断源2个优先级的嵌套结构； 片内时钟振荡器 二、MCS-51单片机基本结构 内部结构简图如图2-1所示。 包括：CPU、存储器（ROM、RAM）、I/O接口等计算机的基本组成。 MCS-51外部引脚及功能、I/O接口电路 一、外部引脚返回 MCS-51共40个引脚，大致可分为四类，其管脚分布如下图所示。 1）电源引脚VCC和VSS VCC：40脚，电源端，+5V VSS：20脚，接地端（GND） 2）时钟电路引脚

4、 XTAL1：19脚，外接晶振输入引脚。 XTAL2：18脚，外接晶振输出引脚。 3）控制线引脚 共4根，其中3根为双功能 RST/VPD ：9脚，复位/备用电源。 RST-通过外接复位电路实现上电复位或按键复位。 VPD-可外接备用电源，在VCC掉电时向RAM供电。 二、专用寄存器组 1、程序计数器 PC 16位计数器，指向程序存储器中被执行的指令所在的地址。本身没 有地址，在物理上独立。 寻址范围0000FFFFH的64KB空间。 2、数据指针DPTR 16位地址指针，可寻址范围0000FFFFH 的64KB空间，可指向程 序、数据存储器。 3、堆栈指针SP 8位地址寄存器，SP用来管理堆

5、栈。它指向内部RAM的一个存储单 元，且总是指向栈顶单元。 MCS-51的堆栈是内部RAM中的一个部分，符合“先进后出、后进先 出”原则。 4、累加器ACC ACC是一个具有特殊用途的8位寄存器，主要用于存放操作数或运算 结果。8051指令系统中多数指令的执行都要通过累加器ACC进行。因此 ，在CPU中，累加器的使用频率是很高的。也可简写累加器A。 5、寄存器B B也是一个8位的寄存器，通常用来和累加器配合，进行乘、除法的 运算。对于其它指令，B可作为一个工作寄存器使。 6、程序状态字PSW PSW是一个可编程的8位寄存器，用来寄存当前指令执行结果的有 关状态。8051有些指令的执行会自动影响

6、PSW的有关位的状态，在编程 时要加以注意，同时，PSW中各位的状态也可通过指令设置。PSW各标 志位的定义如下： CY：（PSW.7) 进位标志位。累加器A的最高位有进行位（加法） 或借位（减法）时，CY=1；否则CY=0。在布尔操作时，它是各种位操 作的“累加器 ”。CY亦可简记为C。 AC：（PSW.6) 辅助进位标志位。当累加器A的D3位向D4位进位或 借位标志时，AC=1，否则为0。（有时AC也被称为半进位标志）。 F0：（PSW.5) 用户通用标志位。可以根据需要用程序将其置位或 清零，从而可通过测试FO的状态来控制程序的转向。 RS1、 （PSW.4 ）寄存器区选择位1。 RS0

7、、（ PSW.3）寄存器区选择位0。RS1、RS0可由指令置位或 清零，用来选择8051的工作寄存器区。其选择方法见表2-1 OV、（ PSW.2）溢出标志位。当带符号数运算（加法或减法）结果超 出范围（-127-+127）时，有溢出，OV=1；否则OV=0。 -、（ PSW.1）用户定义标志位。 P、（ PSW.0）奇偶校验位。在每个指令周期由硬件按累加器A中“1”的 个数为奇数或偶数而为“1”或“0”。因此，P可用指示操作结果（累加器A中 ）的1的个数的奇偶性。 四、 MCS-51存储器 可分为五类：程序存储器、内部数据存储器、特殊功能存储器、位寻址 区、外部扩展的数据存储器和扩展I/O口

8、。 指令的描述中经常用到一些特殊符号 Rn工作寄存器R0R7， 即n=07。 Ri寄存器R0、 R1，即i=0、1。 direct8 位内部RAM单单元的地址 data：指令中的8 位常数。 data16指令中的16位常数。 addr16：16位的目的地址 addr1111位的目的地址 rel8位带带符号的偏移量字节节 bit：内部数据RAM或SFR的可直接寻寻址位。 /位操作数的前缀缀，表示对该对该 位取反。 （X）X中的内容。 (X)由 X寻寻址的单单元中的内容。 表示数据的传传送方向。 表示数据交换换。 MCS-51的指令系统 1、寄存器寻址：寄存器寻址是指令中指定寄存器的内容作 为操作

9、数的寻址方式。 2、直接寻址：直接寻址是指令直接给出操作数所在单元的 地址的寻址方式。指令中操作数部分给出直接地址，用 direct表示。 3、寄存器间接寻址：指令操作数的地址事先存放在某个寄 存器中，由该寄存器的内容指定操作数地址的寻址方式，称 为寄存器间接寻址，为间接寻址指示符。 4、立即数寻址：立即数寻址是由指令直接给出操作数的寻 址方式。#为立即数的标识符。 MOV A，R1MOV A，3AH MOV A，R1MOV A，#30H 寻址方式存储器空间 寄存器寻址R0R7、A、B、Cy（位）、DPTR 直接寻址内部数据存储器00H7FH字节单 元特 殊功能寄存器 寄存器间接寻址内部数据存

10、储器(R1、R0) 外部数据存储器(R1、R0、 DPTR) 立即数寻址程序存储器(操作常数) 变址间接寻址程序存储器(A+DPTR、A+PC) 相对寻 址程序存储器(修改了PC值) 位寻址内部数据存储器及特殊功能寄存器中 某些单元位 每一种寻址方式可涉及的存储器空间 (1)MOV A ， #65H (2)MOV R1，65H (3)MOV 30H，R2 (4)MOV 60H，R1 寄存器寻址 立即数寻址 寄存器间接寻址 直接寻址 直接寻址 寄存器寻址 直接寻址 寄存器间接寻址 Example 判断下列指令各操作数的寻址方式 表2-2 特殊功能寄存器SFR的名称及地址（一） 一、单片机扩展的基

11、本概念 1、单片机最小系统：使单片机运行的最少器件构成的 系统，就是最小系统。 无ROM芯片：8031 必须扩展ROM，复位、晶振电路 有ROM芯片：89C51等，不必扩展ROM，只要有复位 、 晶振电路 2、扩展使用的三总线： 地址总线：由外部程序存储器取指，P0低8位； P2高8位 数据总线：指令输入，P0 控制总线：RD、WR、 ALE、 PSEN (读、 写、地址锁存允许、 外程序存储器读选通 ） MCS-51的扩展应用 图2-5 8051特殊功能寄存器地址分布图 二、存储器的扩展 1、随机读写存储器RAM的扩展 ：数据存储器一般采用RAM芯片， 这种存储器在电源关断后，存储的数据将全

12、部丢失。有两大类： 动态RAM(DRAM)，一般容量较大，易受干扰，使用略复杂。例 2116、2186 静态RAM(SRAM)，在工业现场常使用SRAM，例：6264、6116 存储器与微型机三总线的连接： 1)数据线 D0n 连接数据总线 DB0n 2)地址线 A0N 连接地址总线低位AB0N。 3)片选线 CS 连接地址总线高位ABN+x。 4) 读写线OE、WE(R/W) 连接读写控制线RD、WR。 DB0n AB0N D0n A0N ABN+x CS R/ W R/ W 微型机存储器 6264 2、只读存储器ROM的扩展 工作时，ROM中的信息只能读出，要用特殊方式写入(固化信息)，失

13、电后 可保持信息不丢失。 掩膜ROM：不可改写ROM由生产芯片的厂家固化信息。在最后一道工序用 掩膜工艺写入信息，用户只可读。 PROM：可编程ROM用户可进行一次编程。存储单元电路由熔丝相连，当加 入写脉冲，某些存储单元熔丝熔断，信息永久写入，不可再次改写。 EPROM：可光擦除PROM 用户可以多次编程。编程加写脉冲后，某些存储 单元的PN结表面形成浮动栅，阻挡通路，实现信息写入。用紫外线照射 可驱散浮动栅，原有信息全部擦除，便可再次改写。 EEPROM：可电擦除PROM既可全片擦除也可字节擦除，可在线擦除信息， 又能失电保存信息，具备RAM、ROM的优点。但写入时间较长。 ROM常用芯片如：2864A、2816/2816A、2817/2817A 三、 I/O接口扩展电路设计 1、8255简单I/O接口扩展：利用TTL芯片、 COMS锁存器、三态门等接口芯片把P0接口扩 展，常选用74LS273、74LS373、74LS244等芯 片。 2、8155可编程I/O接口扩展设计 8155可做扩展RAM、I/O接口使用、定时器使用 3、串行口扩展IO接口 1、使用移位寄存器作为锁存或输入信号的接口，可以方便地 扩展并行I/O。这种方法不占用片外RAM地址 。 2、串行口扩展并行输入口/输出口 3、串行口扩展串行行口，常用8251芯片。