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1、8051单片机的结构和原理,MCS-51系列单片机概述,MCS-51是指由美国Intel公司生产的一系列单片机的总称，这一系列单片机包括了许多型号，如8031，8051，8751，8032，8052，8752等。其中8051是最早生产、最典型的产品。MCS-51系列的其他单片机，都是在以8051为内核的基础上，进行了功能的增加以及外围接口的改变。因此，人们习惯于用8051来称呼MCS-51系列单片机。,8051是最早生产、最典型的产品。MCS-51系列的Intel公司将MCS-51的核心技术授权给了很多其他公司，所以有很多公司在生产以8051为核心的单片机。在我国使用的，具代表性的芯片是Phi
2、llips的80系列和Atmel的AT89系列单片机。,MCS-51系列单片机简介,表2-1 MCS-51系列单片机芯片技术指标,2.1.1 MCS-51系列单片机简介,2.1MCS-51单片机的内部结构,一、组成,8051单片机结构框图如图所示,8051单片机结构框图,8051 CPU,振荡器和时序 OSC,64KB 总线 扩展控制器,数据存储器 256B RAM/SFR,216位 定时器/计数器,可编程I/O,程序存储器 4KBROM,可编程全双工 串行口,外中断,内中断,控制,并行口,串行通信,外部时钟源,外部事件计数,由 运算器（ALU）、控制器（定时控制部件）和专用寄存器组三部分电路
3、构成。,2.1.2 MCS-51单片机CPU结构,专用寄存器组,专用寄存器组主要用来指示当前要执行指令的内存地址、存放操作数和指示指令执行后的状态等。它是任何一台计算机的CPU不可缺少的部件，寄存器的多寡因机器型号的不同而异。专用寄存器组主要包括程序计数器PC、累加器A、程序状态寄存器PSW、堆栈指示器SP、数据指针DPTR和通用寄存器B等。,程序计数器PC（16位）,由两个8位计数器PCH、PCL组成。 PC是程序的字节地址计数器，PC内容为将要执行的指令地址。 改变PC内容，改变执行的流向。 PC可对64KB的ROM直接寻址，也可对8051片内RAM寻址。,返回,其它寄存器,累加器A、程序
4、状态寄存器PSW、堆栈指示器SP、数据指针DPTR和通用寄存器B等在存储器一节讲解。,2.38051存储器结构,2.3.18051存储器分类 2.3.2程序存储器地址空间 2.3.3数据存储器地址空间,2.3.1 8051存储器分类,一、物理结构 二、用户角度,一、物理结构（哈佛结构）,8051存储器,程序存储器ROM,数据存储器RAM,片内程序存储器,片外程序存储器,片内数据存储器,片外数据存储器,二、用户角度,图2-4 8051存储器配置,2.3.2 程序存储器地址空间,一、用途： 二、编址： 三、寻址方式：,一、用途：,用于存放编好的程序和表格常数。,二、编址：,容量为4KB。地址为00
5、00H0FFFH。 片外最多可扩至64KB ROM/EPROM，地址为1000HFFFFH。 片内外统一编址。,三、寻址方式：,1、当 EA=“1”时： 在00000FFFH范围内执行片内ROM中的程序，当指令地址超过0FFFH 后就自动转向片外ROM中取指令。 2、当 EA=”0”时： 片内ROM不起作用，CPU只能从片ROM/EPROM中取指令。可以从 0000H 开始寻址。,2.3.3 数据存储器地址空间,一、用途： 二、片外RAM： 三、片内RAM：,一、用途：,用于存放运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等。,二、片外RAM：,地址：0000HFFFFH 寻址：用MOVX指令,三、
6、片内RAM：,片内数据存储器最大可寻址256个单元，它们又分为两部分： 低128字节(00H7FH)是真正的RAM区；高128字节(80HFFH)为特殊功能寄存器(SFR)区。 高128字节和低128字节RAM中的配置及含义如图28和图29所示。,图28 低128字节RAM区,图29 高128字节RAM区(SFR区，特殊功能寄存器区),1) 低128字节RAM,8051的32个工作寄存器与RAM安排在同一个队列空间里，统一编址并使用同样的寻址方式(直接寻址和间接寻址)。 00H1FH地址安排为4组工作寄存器区，每组有8个工作寄存器(R0R7)，共占32个单元，见表2-4。通过对程序状态字PSW
7、中RS1、RS0的设置，每组寄存器均可选作CPU的当前工作寄存器组。若程序中并不需要4组，那么其余可用作一般RAM单元。CPU复位后，选中第0组寄存器为当前的工作寄存器。 工作寄存器区后的16字节单元(20H2FH)，可用位寻址方式访问其各位。在89系列单片机的指令系统中，还包括许多位操作指令，这些位操作指令可直接对这128位寻址。这128位的位地址为00H7FH，其位地址分布见图28。,2) 高128字节RAM特殊功能寄存器(SFR),8051片内高128字节RAM中，有21个特殊功能寄存器(SFR)，它们离散地分布在80HFFH的RAM空间中。访问特殊功能寄存器只允许使用直接寻址方式。 这
8、些特殊功能寄存器见图29。各SFR的名称及含义如表25所列。,(1) 累加器ACC(E0H),累加器ACC是8051最常用、最忙碌的8位特殊功能寄存器。在CPU执行指令前，两个操作数中一个通常存放在ACC中，运算完成后结果也存放于ACC中。在指令系统中用A作为累加器ACC的助记符。,(2) 寄存器B(F0H),在乘、除指令中，用到了8位寄存器B。乘法指令的两个操作数分别取自A和B，乘积存于B和A两个8位寄存器中。除法指令中，A中存放被除数，B中放除数，商存放于A，B中存放余数。 在其他指令中，B可作为一般通用寄存器或一个RAM单元使用。,(3) 程序状态寄存器PSW(D0H),PSW是一个8位
9、特殊功能寄存器，它的各位包含了程序执行后的状态信息，供程序查询或判别之用。各位的含义及其格式如下表所列。 PSW除有确定的字节地址(D0H)外，每一位均有位地址，见下表,(4) 栈指针SP(81H),堆栈指针SP为8位特殊功能寄存器，SP的内容可指向8051片内00H7FH RAM的任何单元。系统复位后，SP初始化为07H，即指向07H的RAM单元。,在图210中，假若有8个RAM单元，每个单元都在其右面编有地址，栈顶由堆栈指针SP自动管理。每次进行压入或弹出操作以后，堆栈指针便自动调整以保持指示堆栈顶部的位置。这些操作可用图210说明。,图210 堆栈的压入与弹出,(5) 数据指针DPTR(
10、83H，82H),DPTR是一个16位的特殊功能寄存器，其高位字节寄存器用DPH表示(地址83H)，低位字节寄存器用DPL表示(地址82H)。DPTR既可以作为一个16位寄存器来处理，也可以作为两个独立的8位寄存器DPH和DPL使用。 DPTR主要用于存放16位地址，以便对64 KB片外RAM作间接寻址。,(6) /端口P0P3(80H，90H，A0H，B0H),P0P3为4个8位特殊功能寄存器，分别是4个并行/端口的锁存器。它们都有字节地址，每一个口锁存器还有位地址，每一条/线均可独立用作输入或输出。 用作输出时，可以锁存数据；用作输入时，数据可以缓冲。 图2-11所示为各个SFR所在的字节
11、地址位置。空格部分为未来设计新型芯片可定义的SFR位置。,图2-11 特殊功能寄存器SFR的位置,2.2MCS-51单片机引脚及其功能,2.2.1MCS-51单片机引脚,2.2.2 MCS-51单片机引脚功能,2.2.1 8051单片机引脚,8051单片机引脚图,2.2.2 8051单片机引脚功能,一、I/O端口P0、P1、P2和P3 二、电源引脚：Vcc和Vss 三、时钟电路引脚：XTAL1和XTAL2 四、控制信号引脚RST、ALE、PSEN和EA,四、I/O端口P0、P1、P2和P3,1、准双向 2、P0口 3、P1口 4、P2口 5、P3口,1、准双向,当I/O口作为输入时，应先向此口
12、锁存器写入全1， 此时该口引脚浮空，可作高阻抗输入。,MOV P1， #0FFH MOV A, P1,2、P0口：,P0口可作为一个数据输入/输出口； P0口无上拉电阻，输出时需接上拉电阻。,3、P1口：,P1口也是一个准双向口。 P1口内部有上拉电阻。当P1口输出高电平时，能向外提供拉电流负载，所以不必再接上拉电阻。,4、P2口：,带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口 在CPU访问片外存储器时，它输出高8位地址。,5、P3口：,带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口 P3口除作为一般I/O口外，每个引脚都有第二功能。,表2-10 P3口线与第二功能表,返回,二、电源引脚：Vcc和Vss,1Vc
13、c(40脚)：电源端，为+5V。 2Vss(20脚)：接地端。,图2-3,三、时钟电路引脚：XTAL1和XTAL2,XTAL2（18脚）：接外部晶体和微调电容的一端；在8051 片内它是振荡电路反向放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体固有频率。若需采用外部时钟电路时，该引脚输入外部时钟脉冲。 XTAL1（19脚）：接外部晶体和微调电容的另一端；在片内它是振荡电路反向放大器的输入端，在采用外部时钟时，该引脚接地。,8051的片内振荡器及时钟发生器,外部脉冲输入,四、控制信号引脚：RST、ALE、PSEN和EA,RST（9脚）： RST：复位信号输入端，高电平有效。当此输入端保持两个机器周期的高
14、电平时，就可以完成复位操作。,返回,复位操作的主要功能 主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。 复位操作还对其他一些寄存器有影响，它们的复位状态如表28所列。 表28中的符号意义如下：,各特殊功能寄存器的复位值,返回,一、上电自动复位： 是通过外部复位电路的电容充电实现。 如图 (a)所示。 二、按键手动复位： 按键电平复位方式：如图 (b)所示。,返回,复位的两种方式,返回,四、控制信号引脚：RST、ALE、PSEN和EA,用于程序运行或者写入时的控制。后面陆续讲解,2.4CPU时序,2.4.1片内振荡器及时钟信号的产生,返回,2.4.2机器周期和指令周期
15、,2.4.3CPU取指、执行周期时序,2.4.1片内时钟信号的产生,8051芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。反相放大器的输入端为XTAL1，输出端为XTAL2，两端跨接石英晶体及两个电容就可以构成稳定的自激振荡器。电容器和通常取30 pF左右，可稳定频率并对振荡频率有微调作用。振荡脉冲频率范围为fOSC=024 MHz。 晶体振荡器的频率为fOSC，振荡信号从XTAL2端输入到片内的时钟发生器上。,返回,一个机器周期是指CPU访问存储器一次所需的时间。例如，取指令、读存储器、写存储器等等。 一个机器周期包括12个振荡周期，分为6个S状态：S1S6。 每个状态又分为两拍，称为P1
16、和P2。 因此，一个机器周期中的12个振荡周期表示为S1P1，S1P2，S2P1，S6P1，S6P2。 若采用6MHz晶体振荡器，则每个机器周期为2s（微秒）,机器周期,如图所示,返回,指令周期：执行一条指令所需的时间。 每条指令由一个或若干个字节组成。有单字节指令，双字节指令，多字节指令等。字节数少则占存储器空间少。 每条指令的指令周期都由一个或几个机器周期组成。有单周期指令、双周期指令、和四周期指令。机器周期数少则执行速度快。,指令周期,如图所示,返回,2. 机器周期和指令周期,3. 基本时序定时单位,综上所述，8051或其他80C51单片机的基本时序定时单位有如下4个。 振荡周期： 晶振的振荡周期，为最小的时序单位。 状态周期： 振荡频率经单片机内的二分频器分频后提供给片内CPU的时钟周期。因此，一个状态周期包含2个振荡周期。 机器周期（MC）： 1个机器周期由12个振荡周期组成，是计算机执行一种基本操作的时间单位。 指令周期： 执行一条指令所需的时间。一个指令周期由14个机器周期组
