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1、第2章MCS-51系列单片机的硬件结构,2.1MCS-51系列单片机简介2.2MCS-51系列单片机内部结构与外部引脚说明2.3微处理器2.4存储器2.5并行输入/输出接口2.6定时器/计数器2.7串行输入/输出口2.8MCS-51单片机的中断系统2.9复位状态及复位电路,2.1MCS-51系列单片机简介,MCS-51系列单片机已有十多种产品，可分为两大系列：51子系列和52子系列。51子系列主要有8031、8051、8751三种机型。它们的指令系统与芯片引脚完全兼容。它们的差别仅在于片内有无ROM或EPROM。52子系列主要有8032、8052、8752三种机型。52子系列与51子系列的不同
2、之处在于：片内数据存储器增至256字节；片内程序存储器增至8KB(8032无)；有3个16位定时/计数器，6个中断源。其它性能均与51子系列相同。,2.2MCS-51系列单片机内部结构与外部引脚说明,2.2.1内部结构框图,MCS-51系列单片机的内部结构框图如图2.1所示。从图2.1中可看出，MCS-51单片机组成结构中包含运算器、控制器、片内存储器、4个I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统、振荡器等功能部件。图中SP是堆栈指针寄存器，PC是程序计数器，PSW是程序状态字寄存器，DPTR是数据指针寄存器。,定时器/计数器,图2.1MCS-51单片机内部结构框图,运算器,振荡器,控制器,
3、片内存储器,4个I/O口,串行口,中断系统,2.2.2外部引脚说明,图2.2MCS-51系列单片机引脚及总线结构,1主电源引脚VCC(40脚)：接+5V电源正端。VSS(20脚)：接+5V电源地端。,2外接晶体引脚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。,3输入/输出引脚(1)P0口(3932脚)：P0.0P0.7统称为P0口。在不接片外存储器与不扩展I/O口时，可作为准双向输入/输出口。在接有片外存储器或扩展I/O口
4、时，P0口分时复用为低8位地址总线和双向数据总线。(2)P1口(18脚)：P1.0P1.7统称为P1口，可作为准双向I/O口使用。对于52子系列，P1.0与P1.1还有第二功能：P1.0可用作定时器/计数器2的计数脉冲输入端T2，P1.1可用作定时器/计数器2的外部控制端T2EX。,(3)P2口(2128脚)：P2.0P2.7统称为P2口，一般可作为准双向I/O口使用；在接有片外存储器或扩展I/O口且寻址范围超过256字节时，P2口用作高8位地址总线。(4)P3口(1017脚)：P3.0P3.7统称为P3口。除作为准双向I/O口使用外，还可以将每一位用于第二功能，而且P3口的每一条引脚均可独立
5、定义为第一功能的输入输出或第二功能。P3口的第二功能如表2.1所示。,表2.1P3口第二功能表,2.3微处理器,2.3.1运算部件运算部件以算术逻辑单元ALU为核心，包括累加器ACC、寄存器B、暂存器、程序状态字PSW等许多部件。它能实现数据的算术逻辑运算、位变量处理和数据传输操作。,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。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
6、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ALU进行乘除法运算而设置的。若不作乘除运算时，则可作为通用寄存器使用。,2程序状态字程序状态字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。其各位的定义如下：,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)：它表示两个8位数运算，低4位有无进(借)位的状况。当低4位相加(或相减
7、)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。,工作寄存器组选择位RS1、RS0(PSW.4、PSW.3)：可用软件置位或清零，用于选定当前使用的4个工作寄存器组中的某一组(详见第2.4节)。溢出标志位OV(PSW.2)：做加法或减法时，由硬件置位或清零，以指示运算结果是否溢出。OV=1反映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
8、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)。,执行乘法指令MULAB也会影响OV标志，积255时OV=1，否则OV=0。执行除法指令DIVAB也会影响OV标志，如B中所放除数为0，OV=1,否则OV=0。奇偶标志位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
9、靠性。,3布尔处理机布尔处理机(即位处理)是MCS-51单片机ALU所具有的一种功能。单片机指令系统中的位处理指令集(17条位操作指令)，存储器中的位地址空间，以及借用程序状态寄存器PSW中的进位标志CY作为位操作累加器，构成了MCS-51单片机内的布尔处理机。它可对直接寻址的位(bit)变量进行位处理，如置位、清零、取反、测试转移以及逻辑与、或等位操作，使用户在编程时可以利用指令完成原来单凭复杂的硬件逻辑所完成的功能，并可方便地设置标志等。,图2.3单片机外接晶体的接法,表2.2单片机外部时钟接法表,2.3.3CPU时序,振荡周期：振荡脉冲的周期。状态周期：两个振荡周期为一个状态周期，也称为
10、时钟周期，用S表示。两个振荡周期作为两个节拍分别称为节拍P1和节拍P2。在状态周期的前半周期P1有效时，通常完成算术逻辑操作；在后半周期P2有效时，一般进行内部寄存器之间的传输。,机器周期：一个机器周期包含6个状态周期，用S1、S2、S6表示；共12个节拍，依次可表示为S1P1、S1P2、S2P1、S2P2、S6P1、S6P2。指令周期：执行一条指令所占用的全部时间，它以机器周期为单位。MCS-51系列单片机除乘法、除法指令是4周期指令外，其余都是单周期指令和双周期指令。若用12MHz晶振，则单周期指令和双周期指令的指令周期时间分别为1s和2s，乘法和除法指令为4s。,图2.4单周期指令时序(
11、a)单字节周期指令(如INCA)；(b)双字节单周期指令(如ADDA，#data),2.4存储器,2.4.1程序存储器,1编址与访问计算机的工作是按照事先编制好的程序命令序列一条条顺序执行的，程序存储器就是用来存放这些已编好的程序和表格常数，它由只读存储器ROM或EPROM组成。计算机为了有序地工作，设置了一个专用寄存器-程序计数器PC，用以存放将要执行的指令地址。每取出指令的个字节后，其内容自动加，指向下一字节地址，使计算机依次从程序存储器取出指令予以执行，完成某种程序操作。由于MCS-51单片机的程序计数器为16位，因此，可寻址的地址空间为64KB。,图2.5程序存储器编址图(a)51子系
12、列；(b)52子系列,2程序的7个特殊入口地址,表2.3MCS-51单片机复位、中断入口地址,2.4.2数据存储器1编址与访问MCS-51单片机片内、外数据存储器是两个独立的地址空间，应分别单独编址。片内数据存储器除RAM块外，还有特殊功能寄存器(SFR)块。对于51子系列，前者有128个字节，其编址为00H7FH；后者有128个字节，其编址为80HFFH；二者连续而不重叠。对于52子系列，前者有256个字节，其编址为00HFFH；后者有128个字节，其编址为80HFFH。后者与前者高128个字节的编址是重叠的。由于访问它们所用的指令不同，并不会引起混乱。片外数据存储器一般是16位编址。数据存
13、储器的编址如图2.6所示。,图2.6数据存储器编址图(a)51子系列；(b)52子系列,2片内数据存储器,图2.751子系列单片机片内RAM的配置,数据缓冲区,1)工作寄存器区00H1FH单元为工作寄存器区。工作寄存器也称通用寄存器，用于临时寄存8位信息。工作寄存器分成4组，每组都有8个寄存器，用R0R7来表示。程序中每次只用1组，其它各组不工作。使用哪一组寄存器工作由程序状态字PSW中的PSW.3(RS0)和PSW.4(RS1)两位来选择，其对应关系如表2.4所示。通过软件设置RS0和RS1两位的状态，就可任意选一组工作寄存器工作。这个特点使MCS-51单片机具有快速现场保护功能，对于提高程
14、序效率和响应中断的速度是很有利的。,表2.4工作寄存器组的选择表,2)位寻址区20H2FH单元是位寻址区。这16个单元(共计168=128位)的每一位都赋予了一个位地址，位地址范围为00H7FH。位寻址区的每一位都可当作软件触发器，由程序直接进行位处理。通常可以把各种程序状态标志、位控制变量存于位寻址区内。,3)数据缓冲区30H7FH是数据缓冲区，也即用户RAM区，共80个单元。由于工作寄存器区、位寻址区、数据缓冲区统一编址，使用同样的指令访问，这三个区的单元既有自己独特的功能，又可统一调度使用。因此，前两个区未使用的单元也可作为用户RAM单元使用，使容量较小的片内RAM得以充分利用。52子系
15、列片内RAM有256个单元，前两个区的单元数与地址都和51子系列的一致，用户RAM区却为30HFFH，有208个单元。,4)堆栈和堆栈指针,图2.8MCS51单片机堆栈,3特殊功能寄存器块特殊功能寄存器(SFR，即SpecialFunctionRegisters)，又称为专用寄存器，专用于控制、管理片内算术逻辑部件、并行I/O口、串行I/O口、定时器/计数器、中断系统等功能模块的工作。用户在编程时可以置数设定，却不能自由移作它用。在51子系列单片机中，各专用寄存器(PC例外)与片内RAM统一编址，且作为直接寻址字节，可直接寻址。除PC外，51子系列有18个专用寄存器，其中3个为双字节寄存器，共
16、占用21个字节；52子系列有21个专用寄存器，其中5个双字节寄存器，共占用26个字节。按地址排列的各特殊功能寄存器名称、表示符、地址等如表2.5所示。其中有12个专用寄存器可以位寻址，它们字节地址的低半字节都为0H或8H(即可位寻址的特殊功能寄存器字节地址具有能被8整除的特征)，共有可寻址位128-3(未定义)=93位。,表2.5特殊功能寄存器名称、表示符、地址一览表,表2.5特殊功能寄存器名称、表示符、地址一览表,2.5并行输入/输出接口,2.5.1P0口1P0口结构P0口是一个三态双向口，可作为地址/数据分时复用口，也可作为通用I/O接口。其1位的结构原理如图2.9所示。P0口由8个这样的电路组成。锁存器起输出锁存作用，8个锁存器构成了特殊功能寄存器P0；场效应管(FET)V1、V2组成输出驱动器，以增大带负载能力；三态门1是引脚输入缓冲器；三态门2用于读锁存器端口；与门3、反相器4及模拟转换开关构成了输出控制电路。,图2.9P0口1位结构图,2地址/数据分时复用功能当P0口作为地址/数据分时复用总线时，可分为两种情况：
