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1、,第2章 MCS-51单片机结构及原理,2.1 MCS-51单片机结构,2.2 MCS-51的存储器结构,2.3 单片机的复位、时钟与时序,2.4 并行I/O口,2.1 MCS-51单片机结构,2.2.1 MCS-51的基本结构,MCS-51单片机主要由以下功能部件组成：,（1）8位微处理器（CPU）；,（2）128B数据存储器（RAM），片外可扩展到64KB；,（3）4KB程序存储器（ROM/FLASH），片外可扩展到64KB ；,（4） 21个特殊功能寄存器（SFR）；,（5）4个8位并行I/O口（P0口、P1口、P2口、P3口）；,（6）1个全双工异步串行口（UART）；,（7）2个16
2、位定时器/计数器（T0，T1）；,（8）5个中断源的中断系统（X0，T0，X1，T1，S）。,MCS-51的内部结构,1288 RAM,RAM地址寄存器,P3口,P1口,P2口,P0口,锁存器,锁存器,锁存器,锁存器,中断控制 定时/计数器 串行I/O口,SP,寄存器B,累加器A,暂存器1,暂存器2,程序状态 字PSW,指令寄存器IR,指令译码器ID,数据指针DPTR,缓冲器,程序计数器,PC增1,程序地址寄存器AR,定时与控制,4K8 ROM,ALU,CPU,51的微处理器,运算器 P20,CPU,算术/逻辑部件ALU(Arithmetic Logic Unit),累加器ACC (Accum
3、ulator),程序状态字寄存器PSW (Program Status Word),暂存寄存器,寄存器B,控制器 P19,定时控制与条件转移逻辑电路,程序计数器PC,指令寄存器IR,指令译码器ID,ALU 实现8位数据的算数运算、逻辑运算和位运算。,1、运算器,累加器A 用于向ALU提供操作数和存放运算的结果。,最常用的一个专用寄存器,大部分单操作数指令的操作数取自A,很多双操作数指令的一个操作数取自A,算术运算和逻辑运算的结果放在A或AB对中,指令系统采用A 作为累加器的标识符,例：INC A,；执行A中的内容加1操作,ADD A，#data,寄存器B, 8位寄存器,与累加器 A 配合使用，
4、一般用于乘除法运算,例：MUL A B,DIV A B,作 一 RAM单元用,余 B,程序状态字PSW, 8位寄存器，存放ALU运算结果的特征,格式如下：,进/借位标志CY（PSW.7）,加法运算时，如果D7有进位，则CY=1，否则CY=0,减法运算时，如果D7有借位，则CY=1，否则CY=0,PSW,D7 D0,CY,辅助进位标志AC（PSW.6）,8位加法运算时，如果低半字节的D3向D4有进位，则 AC=1，否则AC=0,8位减法运算时，如果低半字节的D3向D4有借位，则AC=1，否则AC=0,标志F0（PSW.5）,由用户定义,可用软件来使它置“1”、或清“0”,可由软件测试F0来控制程
5、序流向,AC,工作寄存器区选择位RS1 、RS0（PSW.4、 PSW .3）,通过软件来改变RS1 、RS0的组合，以确定当前 工作寄存器区。,PSW.4 PSW.3,用布尔操作来改变,溢出标志OV（PSW.2）,作为有符号数加、减法时由硬件置位或清除，以指示运算结果是否溢出,执行加/减法指令时，用Ci表示i位向i+1有进/借位,a) 第6位向第7位有进/借位，而第7位不向CY进/借位时,b) 第6位不向第7位进/借位，而第7位向CY有进/借位时,OV=1, 否则 OV=0,若OV=1，意味着加/减法的结果已超出了一个字节 有符号补码数 所表示的范围（-128 +127）,D7D6D5D4
6、D3D2D1D0,例：,0 1 0 1 0 1 1 0 （+86）(正),0 0 1 1 0 0 1 0 (+50） (正),0,0,0,1,0,0,0,1,此时C6=1、 C7=0 则,D7D6D5D4 D3D2D1D0,1 0 0 1 0 1 1 0 （-106）(负),1,1,0,1,1,1,0,0,1,( +136) (正),(-197) (负),符 号 位,1,1 0 1 0 0 1 0 1 （-91） (负),Cy,奇偶标志P（PSW.0）, 每个指令周期都由硬件置位或清零，以表示累加器A中值为“1”的位数的奇偶性, 该标志可用于串行数据通讯，验证数据传输的可靠性,P =,1 A中
7、1的个数为奇数,0 A中1的个数为偶数,程序计数器PC,2、控制器,16位专用寄存器 ，寻址范围64KB,此时的程序是顺序执行的,通电时自动复位，运行时可手动复位，复位 后，,PC的内容自动清零,用来存放下一条指令地址。CPU取指令时，,将PC内容经地址总线送到程序存储器，从该地址单元取回指令，译码并执行；同时，PC自动加1,如果程序需要转移，可在程序中安排转移或条件转移指令,指令寄存器IR 保存当前正在执行的一条指令。 定时与控制 控制取指令、执行指令、存取操作数或运算结果等操作，向其它部件发出各种微操作控制信号，协调各部件的工作。,PC 管理程序执行顺序的过程：,74H,0001H,08H
8、,0002H,24H,0003H,04H,0004H,02H,22H,00H,0005H,0006H,0007H,2200H,78H,2201H,74H,2202H,2202H,下一条指令,RST/VPD,Vss,Vcc,2.2.2 MCS-51的引脚及功能,I/O口线 P0 、 P1 、 P2 、 P3 共32条,电 源 Vcc、 Vss 共2条,时 钟 XTAL1、 XTAL2 共2条,数据/地址复用口,I/O口,双功能口,80C51的40 只引脚,管脚的功能,（1）电源与时钟,Vcc：接+5V电源端,Vss：接地端,XTAL1：片内振荡电路输入端,XTAL2：片内振荡电路输出端,时钟电路
9、：,内时钟方式,外时钟方式,复位信号：高电平复位CPU，低电平CPU工作,ALE,片外取指信号（片外程序存储器读）输出端低电平有效。通过P0口读回指令或常数。 控制的是片外程序存储器,名称,功 能,RESET,地址锁存信号。 ALE低电平时， P0口出现数据信息； ALE高电平时， P0口出现地址信息。, 控制引脚,程序存储器选择信号,0 时，选外部ROM；,1，地址小于4k时，选内部ROM,地址大于4k时，选外部ROM,P0口是数据/地址复用口,用下降沿 锁存P0口的低8位地址到外部锁存器,一、存储器的划分方法,8051单片机与一般微机的存储器配置方式很不相同。 一般微机通常只有一个逻辑空间
10、，可以随意安排ROM或RAM。访问存储器时，同一地址对应唯一的存储单元，可以是ROM也可以是 RAM，并用同类访问指令。 而MCS-51则不同。,2.2 MCS-51的存储器结构,计算机的两种不同结构普林斯顿结构：,中央处理器 （CPU）,输入/输出 部件,存储器,逻辑部件 （ALU）,控制部件,计算机的两种不同结构哈佛结构：,中央处理器 （CPU）,输入/输出 部件,程序存储器,逻辑部件 （ALU）,控制部件,数据存储器,片内程序存储器4KB（ROM 0000H0FFFH） 片内数据存储器128B（RAM 00H7FH）,仅用来访问外部程序 存储器和外部数据存储器,存储器,数据存储器,程序存
11、储器,对单片机来讲，ROM和RAM的寻址机构和寻址方式是分开的。,ROM、 EPROM E2ROM或FLASH,RAM,按地址访问的一维线性（逻辑）空间,按地址访问的一维线性（逻辑）空间,单片机,容量小,容量大,普林斯顿结构,哈佛结构,普林斯顿结构,0000H,0FFFH,0FFFH,0000H,1000H,FFFFH,4KB,64KB,64KB,在程序存储器中，有6个单元具有特殊功能:,0003H：外部中断0入口。 000BH：定时器0溢出中断入口。 0013H：外部中断1入口。 001BH：定时器1溢出中断入口。 0023H：串行口中断入口。,0000H: 8051复位后，PC0000H，
12、即程序从0000H 开始执行指令。,使用时，通常在这些入口地址处存放一条绝对跳转指令，使程序跳转到用户安排的中断程序起始地址，或者从0000H起始地址跳转到用户设计的初始程序上。,低128B RAM区（00H7FH）,高128B RAM区（80HFFH）,二、数据存储器,0FH 08H,17H 10H,2FH 20H,7FH 30H,80个字节 RAM,只能按字节寻址,16个字节分为 128个RAM位,可按位亦可按字节寻址,四个工作寄存器区,00H,1FH,07H 00H,1FH 18H,亦可作普通RAM使用,1、低128B RAM区, 工作寄存器区 32个RAM单元,共4个区，每个区8个通用
13、工作寄存器 R0R7,“区”的选择由程序状态字PSW中的RS1和RS0确定, 位寻址区 （16个RAM单元 VS 11个SFR）, 字节地址：20H 2FH, 16个 RAM 字节共128个 RAM 位, 位地址：00H 7FH, 11个SFR中的83位具有位寻址功能, 布尔处理机数据存储器的主要组成部分,直接地址能被8所整除的,其中5位无定义,00H,20H,2FH,7FH,1FH,30H,80H,FFH,52子系列才有 的RAM区,普通RAM区,位寻址区,工作寄存器区,位地址,(3) 用户RAM区（数据缓冲区）共80个单元,字节地址：30H 7FH,8051单片机复位时，堆栈指针SP指向
14、07H 单元,片内RAM的部分单元可用作堆栈,51的栈区不是固定的，为避开工作寄存器区、 位寻址区，用户堆栈一般设置在 30H 7FH 之间,真正的RAM单元,SP 指针是可编程的寄存器,特殊功能寄存器SFR（专用寄存器） 是一类专门用于控制、选择、管理、存放单片机内部各部分的工作方式、条件、状态、结果的寄存器。,不同的SFR管理不同的硬件模块，负责不同的功能，各司其职 换而言之：要让单片机实现预订的功能，必须有相应的硬件和编写相应的软件，而编写软件中最重要的一项工作就是对SFR进行设置。,2、高128B RAM区,例：堆栈操作,建立堆栈,压入操作,弹出操作,A的内容,B的内容,MOV SP,
15、 #60H,PUSH A,PUSH B,POP direct,direct,栈 底,(5) 数据指针 DPTR,（DPTR）,(A),()+(DPTR),(6) I/O 端口P0 P3 地址:80H 90H 0A0H 0B0H,专用寄存器P0 P3分别是端口P0 P3的锁存器,(7) 串行数据缓冲器 SBUF 地址:99H,(8) 定时/计数器 T0 T1,MCS-51系列有2个16位定时/计数器T0 、T1,MCS-52系列增加了1个16位定时/计数器T2,片外,片外,程序存储器,数据存储器,8051在逻辑上，即从用户角度上8051有三个存储空间： 片内外统一编址的程序存储器 片内外不统一编址的数据存储器 特殊功能寄存器（片内）,访问这几个不同的逻辑空间时，采用的指令： 片内外程序存储器空间-MOVC 片内数据存储器空间和SFR-MOV 片外数据存储器地址空间-MOVX,课堂练习,MCS-51单片机的工作寄存器组如何选择？若PSW 的RS1、RS0位的内容是01，那么此时工作寄存器R1的字节地址是多少？ MCS-51单片机内部数据存储器可以分为几个不同的区域？各有什么特点？ 8051单片机堆栈可以设置在什么地方？如何实现？ 80C51单片机的PSW的作用是什么？ 80C51单片机的控制总线信号有哪些？各信号的作用如何？ 简述80C
