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1、单片机原理及应用 （C语言版） 第2章 MCS-51单片机结构与原理,主 编：周国运 本章制作：周国运 中国水利水电出版社,第2章 MCS-51单片机结构与原理,目 录 2.1 MCS-51单片机结构及CPU 2.2 MCS-51单片机引脚与总线结构 2.3 MCS-51单片机的存储器结构 2.4 MCS-51单片机的输入输出端口 2.5 MCS-51单片机的时钟及CPU时序 2.6 MCS-51单片机的工作方式,第2章 MCS-51单片机结构与原理,本章讨论MCS-51单片机的结构和工作原理，内容主要有MCS-51单片机结构、引脚信号、存储器配置、输入/输出端口、时钟与CPU时序，以及单片机
2、的工作方式等。 本章是单片机的基本内容，为学习后面各个章节的基础，也是从事单片机应用开发的基础。,2.1 MCS-51单片机内部结构及CPU,主要内容 2.1.1 MCS-51单片机的功能结构及特点 2.1.2 MCS-51单片机的内部原理结构 2.1.3 MCS-51单片机的CPU,2.1.1 MCS-51单片机的功能结构及特点,MCS-51单片机的内部功能结构如下页图所示，图中是以增强型单片机的结构为对象。 从图中可以看到，MCS-51单片机在一块芯片中集成了微型计算机所具有的所有部件，从功能的角度来看，主要包括9个部分。,图2.1 MCS-51(增强型)单片机功能结构图,2.1.1 MC
3、S-51单片机的功能结构及特点,2.1.1 MCS-51单片机的功能结构及特点,MCS-51单片机内部主要包括9个部分： 一个8位的微处理器CPU 8KB的片内程序存储器Flash ROM 256B的片内数据存储器RAM、128B特殊功能寄存器（SFR） 3个16位的定时器/计数器 有一个管理6个中断源的中断控制器 4个8位并行I/O端 一个全双工的串行接口（UART） 片内振荡电路和时钟发生器 可扩展64KB程序、64KB数据存储器的三总线控制电路,2.1.2 MCS-51单片机的内部原理结构,MCS-51单片机的内部原理结构如图2-2所示。 与图2-1比较，主要的区别是画出了CPU的内部结
4、构，图中的中间部分除了“定时器、串行口”大方框之外都属于CPU部件。 下面先介绍CPU部分，对于其它部件，将在本章和后面的章节讲解。,图2-2 MCS-51(增强型)单片机原理结构图,XTAL2 XTAL1,P3.0P3.7,P1.0P1.7,RAM 地址,端口0驱动器,端口2驱动器,8KB Flash ROM,端口0锁存器,端口2锁存器,端口1驱动器,端口3驱动器,端口1锁存器,端口3锁存器,暂存器1,SP,PSW,B寄存器,暂存器2,ACC,256BRAM 128B SFR,缓冲器,PC加1,PC,程序地址寄存器,DPTR,定时器、串行口 中断部件及 特殊功能寄存器,地址总线数据总线,P2
5、.0P2.7,Vcc GND,指令寄存器 指令译码器 指令控制器,P0.0P0.7,PSEN ALE EA RST,ALU,2.1.3 MCS-51单片机的CPU,MCS-51单片机内部有一个功能强大的8位CPU，它包含两个基本部分，运算器和控制器。 一、运算器 运算器包括：算术和逻辑运算部件ALU（Arithmetic Logic Unit） 以及累加器ACC、寄存器B、暂存器1、暂存器2、程序状态字寄存器PSW、布尔处理器等。,2.1.3 MCS-51单片机的CPU,1、算术逻辑运算部件ALU ALU可以对4位（半字节）、8位（一字节）和16位（双字节）数据进行操作。 这些操作可以是： 算
6、术运算：加、减、乘、除、加1、减1、BCD码数的十进制调整及比较等； 逻辑运算：与、或、异或、求补及循环移位等。,2.1.3 MCS-51单片机的CPU,2、累加器ACC ACC在CPU结构中占有特殊的位置，所以ACC在指令中使用的非常多。 ACC既做源操作数又做目的操作数，如在加、减、乘、除算术运算指令中，在与、或、异或、循环移位逻辑运算指令等。 ACC也作为通用寄存器使用，并且可以按位操作，所以ACC是一个用处最多、最忙碌的寄存器。 在指令中用助记符A来表示。,2.1.3 MCS-51单片机的CPU,3、B寄存器 B做专门应用：在乘、除运算时，用来存放一个操作数，并且存放运算后的部分结果。
7、 B做一般应用：在非乘、除运算中，B可以作为通用寄存器使用。 B可以按位操作,2.1.3 MCS-51单片机的CPU,4、程序状态字PSW 功能：用于设定CPU的状态和指示指令执行后的状态。 PSW相当于其它微处理器中的标志寄存器。格式如下：,2.1.3 MCS-51单片机的CPU,CY（PSW.7）：进位、借位标志 在做位操作（布尔操作）时CY作 为位累加器。在指令中用C代替CY AC（PSW.6）：半进位、半借位标志，也称为辅助进位标志 F0、F1（PSW.5 、PSW.1）：用户标志位，留给用户使用,2.1.3 MCS-51单片机的CPU,OV（PSW.2）：溢出标志位 有以下几种情况：
8、 加减运算： OV1表示结果超出了8位有符号数的有效范围（128127），对无符号数OV没有意义。 无符号数乘法运算： OV1表明结果超出了8位数 无符号数除法运算： OV1表明除数为0,2.1.3 MCS-51单片机的CPU,P（PSW.0）：累加器A的奇偶标志位 P表示累加器A中1的个数的奇偶性 P1，A中有奇数个1 P0，A中有偶数个1,2.1.3 MCS-51单片机的CPU,RS1、RS0（PSW.4 和PSW.3）：工作寄存器组选择控制位。 工作寄存器：R0、R1、R7,2.1.3 MCS-51单片机的CPU,5、布尔处理器 布尔处理器以PSW中的进位标志位CY作为位累加器（用C表示
9、）。 功能：专门用于处理位操作。 MCS-51单片机有丰富的位处理指令：如置位、位清0、位取反、判断位值（为1或为0）转移，以及通过C（指令中用C代替CY）做位数据传送、位逻辑与、位逻辑或等位操作。,2.1.3 MCS-51单片机的CPU,二、控制器 控制器包括程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器ID，以及时钟控制逻辑、堆栈指针SP、地址指针DPTR等。 1、程序计数器PC PC是一个具有自加1功能的16位的计数器 PC的内容是将要执行的下一条指令的地址 改变PC的内容就改变了程序执行的顺序,2.1.3 MCS-51单片机的CPU,2、指令寄存器IR和指令译码器ID IR：存放从Flas
10、h ROM中读取的指令 ID：进行译码，产生一定序列的控制信号，完成指令所规定的操作。 3、堆栈 （1）堆栈的概念 堆栈是在RAM中专门开辟的一个特殊用途的存储区。 （2）堆栈的访问原则： “先进后出”、“后进先出” 。即先进入堆栈的数据后移出堆栈，即后进入堆栈的数据先移出堆栈。,2.1.3 MCS-51单片机的CPU,（3）堆栈的结构 堆栈的一端的地址是固定的，称为栈底；另一端的地址是动态变化的，称为栈顶。 （4）堆栈的操作方式 堆栈有两种操作方式：数据进栈和数据出栈。 进栈和出栈都是在栈顶进行，这就必然是按照“先进后出”、“后进先出”的方式存取数据。,2.1.3 MCS-51单片机的CPU
11、,（5）堆栈的应用 主要是用来暂时存放数据，有两种情况使用堆栈： 一是CPU自动使用堆栈，当调用子程序或响应中断，处理中断服务程序时，CPU自动将返回地址存放到堆栈中； 通过堆栈传递参数。 二是程序员使用堆栈，用堆栈暂时存放数据。,2.1.3 MCS-51单片机的CPU,4、堆栈指针SP 堆栈指针SP（Stack Pointer）中为栈顶的地址，即SP指向栈顶。 SP是访问堆栈的间址寄存器 SP具有自动加1、自动减1功能。当数据进栈时，SP先自动加1，然后CPU将数据存入； 当数据出栈时，CPU先将数据送出，然后SP自动减1。,2.1.3 MCS-51单片机的CPU,下图是数据进栈的情况 数据
12、从栈顶进入,58,A6,7B,2.1.3 MCS-51单片机的CPU,由于进栈时SP的值增加，即堆栈向地址大的方向生长，并且栈顶是有效数据，这种堆栈是满递增型堆栈。,7B,A6,58,36,2.1.3 MCS-51单片机的CPU,5、数据指针DPTR DPTR是唯一的16位寄存器。 DPTR既可以作为一个16位寄存器使用，也可以作为两个独立的8位寄存器使用。其高字节寄存器用DPH表示，低字节寄存器用DPL表示。 DPTR的用途： (1)主要用于存放16位地址，以便对64KB的片外RAM和64KB的程序存储空间作间接访问。 (2)其次用于存放数据，作为一般寄存器使用。,2.2 MCS-51单片机
13、引脚与总线结构,主要内容 2.2.1 MCS-51单片机引脚信号及功能 2.2.2 MCS-51单片机外部总线结构,2.2.1 MCS-51单片机引脚信号及功能,封装：40DIP, 44PLCC。 常用40DIP 40个引脚分为4类： 电源引脚 晶振引脚 控制信号 输入/输出引脚,2.2.1 MCS-51单片机引脚信号及功能,一、电源引脚 Vcc（40脚）：接5V电源正端 Vss（20脚）：接5V电源地端 二、晶振引脚 XTAL1（19脚） XTAL2（18脚）,2.2.1 MCS-51单片机引脚信号及功能,三、控制信号引脚 1、RST/VPD（9脚） RST：复位信号输入端，高电平有效。 单
14、片机正常工作时：RST保持两个机器周期的高电平就会使单片机复位； 上电时：RST上的高电平必须保持10ms以上才能保证有效复位，由于振荡器需要一定的起振时间。 VPD：备用电源输入端，以保持内部RAM中的数据不丢失。当Vcc的电压降低到低电平规定的值或掉电时，接入电源。,2.2.1 MCS-51单片机引脚信号及功能,2、ALE/PROG（30引脚） ALE：地址锁存信号，每个机器周期输出两个正脉冲，下降沿或低电平用于控制外接的地址锁存器，锁存从P0口输出的低8位地址。 可以将ALE作为时钟信号使用。 PROG：片内程序存储器的编程脉冲输入端，低电平有效。,2.2.1 MCS-51单片机引脚信号
15、及功能,3、PSEN（29引脚） 片外程序存储器读选通信号输出端，每个机器周期输出两个负脉冲，低电平有效。在访问片外数据存储器时，该信号不出现。 4、EA/Vpp（31引脚） EA：程序存储器选择输入端。低电平时，使用片外程序存储器；高电平时，使用片内程序存储器。 Vpp：片内程序存储器编程电压输入端。,2.2.1 MCS-51单片机引脚信号及功能,五、输入/输出引脚 1、P0口，P0.0P0.7（3239引脚） P0口是一个8位漏极开路的I/O口。 P0口作总线口： 当CPU以总线方式访问片外存储器时，P0口分时地输出低8位地址、读入指令和输入/输出数据。 P0口作为一般I/O口： 此时P0
16、口为准双向口（各位输入前必须先输出1）。,2.2.1 MCS-51单片机引脚信号及功能,2、P1口，P1.0P1.7（18引脚） P1口是一个8位准双向I/O口 P1.0、P1.1的第二功能：对于增强型， 第二功能的信号分别为T2和T2EX T2（P1.0）：定时器/计数器2的计数脉冲输入和时钟输出。 T2EX（P1.1）：定时器/计数器2的重 装、捕获和计数方向控制输入。,2.2.1 MCS-51单片机引脚信号及功能,3、P2口，P2.0P2.7（2128引脚） 当CPU以总线方式访问片外存储器时，P2口输出高8位地址。 作为一般I/O口使用时，为准双向口。 4、P3口，P3.0P3.7（1017引脚） P3口是一个8位I/O口，还是一个双功能口 作为一般I/O口使用时，为准双向口。 各引脚第二功能如下页表2-2所示
