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1、第十一章 MCS-51单片机系统扩展,11.1 MCS-51系列单片机介绍,MCS-51单片机是美国intel公司在1980年推出的高性能8位单片机，它有51 和52两个系列。 对于51系列，主要有8031、8051、8751三种机型，它们的引脚和指令系统完全相同，只是片内程序存储器的容量不同，8031芯片内部没有ROM，8051芯片内部代4KB的ROM，8751芯片内部代4KB的EPROM。51子系列的特点是：,18位CPU。 2片内代128B的数据存储器。 3程序存储器寻址空间为64KB。 4数据存储器寻址空间为64KB。 5128个用户可以按“位”寻址的位空间。 621个特殊功能寄存器。
2、 74个8位的I/O口。 8两个16位的定时/计数器。 9两个优先级的5个中断源。 10一个全双工的串行接口。 11片内带振荡器电路，频率范围1.2M12M，外加晶振就可工作。 12单一+5V电源。,对于52系列，有8032、8052、8752三种机型，与51系列不同在于片内数据存储器增加到256B；8032芯片内部不代ROM，8052芯片内部代8KB ROM，8752芯片内部代8KB EPROM。52系列芯片内部代3个16位的定时/计数器，6个中断源。 在实际使用中，由于8031（8032）内部没有ROM，8051（8052）内部仅代ROM，不方便程序修改，在不需要系统扩展的嵌入式控制系统中
3、，8751（8752）使用较多。 美国ATMEL公司生产的AT89C51（AT89C52）系列单片机内部代4K（8K） Flash，目前在8位机市场上使用也非常广泛。 由于8051是最早、最典型的产品，其它的单片机系列多是在8051的基础上进行功能增减，所以本书以8051为例来讲述MCS-51系统单片机的C语言程序设计。,11.2 MCS-51单片机的外部引脚和总线,MCS-51系列单片机有40个引脚，采用双列直插式封装，具体如图11.1所示。各引脚功能介绍如下：,11.2.1 输入/输出引脚,1P0口（引脚3932） P0口包括P0.0P0.7共8个引脚，在不扩展I/O口和片外存储器时，做I
4、/O口使用；在有I/O扩展或片外存储器时，分时做8位数据线和地址总线的低8位（A0A7）。 2P1口（引脚18） P1口包括P1.0P1.7共8个引脚，是MCS-51单片机唯一的专用I/O口线。在简单的嵌入式控制系统中，经常用它来控制外围设备。,3P2口（2128脚） P2口包括P2.0P2.7 8个引脚，在系统进行存储器扩展时做地址总线的高8位（A8A15），如果存储器扩展时不需要16位地址总线，如扩展容量小于64K时，省下的P2口可做普通I/O口线。 4P3口（1017脚） P3口包括P3.0P3.7 8个引脚，除做普通I/O口线外，每个引脚还有第二功能，详见7.1.4节介绍。,11.2.
5、2 MCS-51单片机的控制线,MCS-51单片机的控制线主要有： 1ALE/PROG（30脚） 该信号是地址锁存信号输出端，ALE在每个机器周期输出两次，在访问片外程序存储器时，下降沿用于锁存P0口输出的地址总线低8位（A0A7），在不访问片外程序存储器时，可做为时钟脉冲使用或做定时。在访问片外数据存储器时，ALE脉冲会跳空一次，此时不能做时钟脉冲。对于有片内EPROM的51单片机，该引脚做编程脉冲PROG的输入端。 2（29脚） 片外程序存储器读选通信号，低电平有效。在从片外程序存储器读指令或数据时，该信号每个机器周期有效两次，指令或数据通过P0口读回。在访问片外数据存储器时，该信号无效。
6、,3 RST/（9脚） RST是复位信号，高有效，当RST保持10ms以上高电平，可保证系统可靠复位。是备用电源，该引脚可接备用电源，当故障或系统电压过低时保证RAM中数据不丢失。 4/（31引脚） 是片外程序存储器选择端，=0，选片外程序存储器，=1，选片内程序存储器。 是片内EPROM编程电源，一般接+21V 5和（40和20引脚） 是+5V，是5V地 6XTAL1和XTAL2（19和18脚） 外接晶振，MCS-51常用6M或11.0592M。,11.2.3 MCS-51单片机的片外总线,MCS-51单片机很多引脚是为了系统扩展而设的，这些引脚构成了片外地址总线、数据总线和控制总线，其中：
7、 1地址总线 地址总线宽度为16位，可以访问64K的存储器空间。由P0经锁存器提供地址总线的低8位（A0A7），由P2提供地址总线的高8位（A8A15）。 2数据总线 数据总线宽度为8位，由P0口提供。 3控制总线 控制总线由P3口在第二功能状态下提供，此外还有RST、ALE和四根控制线。,11.2.4 MCS-51单片机存储器结构,MCS-51单片机存储器分程序存储器和数据存储器两种，每种存储器又有片上和片外之分。下面分别介绍。 1程序存储器 （1）程序存储器的编址与访问 程序存储器用于存放单片机工作时的程序，单片机工作时先由用户编制好程序和表格、常数，把它存放在程序存储器中，然后在控制器的
8、控制下，一次从程序存储器中取出指令送到CPU中执行，实现相应的功能。为此，设有一个专用的程序计数器PC，用以存放要执行的指令的地址，它具有自动计数的功能，每取出一条指令，它的内容会自动加1，以指向下一条要执行的指令，从而实现从程序存储器中依次取出指令来执行。由于MCS-51单片机的程序计数器为16位，因此，程序存储器地址空间为64KB。,MCS-51单片机的程序存储器，从物理结构上可分为片内和片外二种，对于片内程序存储器，在MCS-51系列中，不同的芯片各不相同，8031 和8032 内部没有ROM，8051内部有4KB的ROM，8751内部有4KB的EPROM，8052内部有8KB 的ROM
9、， 8752内部有8KB 的EPROM。 对于内部没有ROM的8031 和8032芯片，工作时只能扩展外部ROM，最多可扩展64KB，地址范围为0x00000xffff，对于内部有ROM 的芯片，根据情况也可以宽展外部ROM ，但内部的ROM和外部的ROM共用64KB的存储空间。其中，片内程序存储器地址空间和片外程序存储器的低地址空间重叠。51 子系列重叠区域为0x00000x0fff，52子系列重叠区域为0x00000x1fff，MCS-51 程序存储器编址如图11.2所示。,单片机在执行指令时，对于低地址部分，是从片内程序存储器取指令，还是从片外程序存储器取指令，是根据单片机芯片上的片外程
10、序存储器选用引脚电平的高低来决定的，接低电平，则从片外程序存储器取指令，接高电平，则从片内程序存储器取指令。对于8031和8032芯片，只能保持低电平，指令只能从片外程序存储器取得。 (2) 程序存储器的7个特殊地址 在64KB程序存储器中，有7个单元有特殊用途，第一个单元是0x0000单元，因MCS-51系列单片机复位后PC的内容为0x0000 ，故单片机复位后将从0x0000 单元开始执行程序。程序存储器的0x0000单元地址是系统程序的启动地址，用户一般放一条绝对转移指令，转到用户设计的主程序的起始地址。另外6个单元对应于6个中断源（51子系列为5个）。分别对应中断服务程序的入口地址，具
11、体情况如表11.1所示。在用C51编中断服务程序时这些地址是看不到的,而是用中断向量号来代表，具体情况如表11.1所示。,表11.1所示的6个地址之间仅隔8个单元，用于存放中断服务程序往往不够用。用汇编语言编程这里通常放一条绝对转移指令，转到真正的中断服务程序。用C51编程则由编译器决定，用户不用考虑。,2数据存储器 数据存储器在单片机中用于存取程序执行时所需的数据，它从物理结构可分片上数据存储器和片外数据存储器。两个部分在编址和访问方式上各不相同，其中片内数据存储器又可分为多个部分，采用多种方式访问。 （1）片内数据存储器 MCS-51系列单片机的片内数据存储器除了RAM块外，还有特殊功能寄
12、存器（SFR）块。对于51 子系列，前者有128 个字节，编址为0x000x7f；后者也占128个字节，编址为0x800xff；二者连续不重叠。对于52子系列，前者有256 字节，编址为0x000xff；后者也有128 字节，编址为0x800xff；后者与前者的后128 字节编址重叠，访问时通过不同的指令相区分。,片内数据存储器按功能可分为以下几个组成部分：工作寄存器组区、位寻址区、一般RAM区和特殊功能寄存器区，其中还包括堆栈区。具体分配情况如图11.3所示。 工作寄存器组区 0x000x1f单元为工作寄存器组区，共32个字节，工作寄存器也称为通用寄存器，用于临时寄存8位信息。工作寄存器共有
13、4组，称为0组、1组、2组和3组。每组8个寄存器，依次用R0R7 表示。也就是说， R0可能表示0 组的第一个寄存器（地址为0x00），也可能表示1组的第一个寄存器（地址为0x08），还可能表示2组、3组的第一个寄存器（地址分别为0x10,0x18），使用哪一组当中的寄存器由程序状态寄存器PSW中的RS0和RS1两位来选择。,在用C51编程时仅在编写中断服务函数时可以选择使用哪一组工作寄存器组。就是在中断向量后面加一个03的数字表示使用0组3组的工作寄存器组。但我们也可以不加这个数字，由编译器自动选择。,位寻址区 0x200x2f为位寻址区，共16字节，128位。这128位每位都可以按位方式使
14、用，每一位都有一个位地址，位地址范围为0x000x7f ，用C51编程在用到位变量时我们只是通过bit来定义，具体这个位变量存放在什么地址是由编译器决定的。就是说我们可以使用位变量，但可以不管它门的地址。位寻址区地址分配如表11.2示。 一般RAM区 0x300x7f是一般RAM区，也称为用户RAM区，共80字节，对于52子系列，一般RAM区从0x300xff单元。另外，对于前两区中未用的单元也可做为用户RAM单元使用。, 堆栈区与堆栈指针 堆栈是按先入后出、后入先出（FILO）的原则进行管理的一段存储区域。在MCS-51单片机中，堆栈占片内数据存储器的一段区域。在用C51编程时由编译器管理堆
15、栈区与堆栈指针。 （2）特殊功能存储器 特殊功能存储器（SFR）也称专用寄存器，专门用于控制、管理片内算术逻辑部件、并行I/O接口、串行口、定时/计数器、中断系统等功能模块的工作。用户在编程时可以给其设定值，但不能移作他用。SFR分布在0x800xff的地址空间，与片内数据存储器统一编址。除PC外，51子系列有18个特殊功能寄存器，其中3个为双字节，SFR共占用21个字节；52 子系列有21个特殊寄存器，其中5个是双字节，SFR共占用26 个字节。他们的分配情况如下： CPU专用寄存器：累加器A，寄存器B，程序状态寄存器PSW，堆栈指针SP，数据指针DPTR。,并行接口：P0P3 串行接口：串
16、行控制寄存器SCON，串口数据缓冲器SBUF，电源控制寄存器PCON。 定时/计数器：方式寄存器TMOD，控制寄存器TCON，初值寄存器TH0、TL0；TH1、TL1。 中断系统：中断允许寄存器IE，中断优先寄存器IP。 特殊功能寄存器的名称、在C51中引用方法见表11.3。有一些特殊功能寄存器在C51中是看不到的，表中没列出。 在C51中，特殊功能寄存器在头文件“reg51.h”中定义，使用这些特殊功能寄存器，在程序中必须引用这个头文件。特殊功能寄存器除累加器A和寄存器B是通用寄存器，在程序中可以随便使用外，其它特殊功能寄存器都是专用的，不能移做它用。,在表11.3中，特殊功能寄存器P0、P1、P2、P3、A、B可以使用字节符号按字节引用，也可以按位引用，编译器规定按位引用格式是：字节符号位，如表中所示，例如引用P0的D0位，使用P00，但这样做在程序中容易和异或符号“”混淆，直接用“”引用，编译器会报错，所以要用位变量sbi
