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1、第2章 MCS-51单片机系统结构,2.1 MCS-51单片机概述 2.2 MCS-51的总体结构 2.3 MCS-51的中央处理器 2.4 MCS-51的存储器组织 2.5 MCS-51的端口结构与功能,2.1 MCS-51系列单片机概述,MCS-51单片机是指由美国INTEL公司生产的一系列单片机的总称，是在我国使用最广泛的单片机之一 。该系列有很多品种，如8031、8051、8751、8032、8052、8752、89C51、89C52、89C2051等，其中8051是最典型的产品。该系列其它单片机都是在8051的基础上进行功能的增减、改变而来的。 INTEL公司将MCS-51的核心技术
2、授权给了很多公司，因此他们也生产以8051为核心的单片机 。有时将所有支持MCS-51指令系统的单片机统称为51单片机。,MCS-51单片机的内部结构基本相同，下面分别给出了MCS-51单片机的内部结构框图、功能结构图和引脚分布示意图。本节还介绍MCS-51的硬件资源。,2.2 MCS-51单片机的总体结构,2.2 MCS-51单片机的总体结构：内部结构图,MCS-51的功能结构图,2.2 MCS-51单片机的总体结构,2.2 MCS-51单片机的总体结构,MCS-51引脚分布示意图,2.2 MCS-51单片机的总体结构,MCS-51硬件资源： （1） CPU：MCS-51采用8位处理器，时钟
3、频率一般为0.524MHz。 （2） 内部RAM：一般为128或256字节（8位），用于存放程序执行过程中的临时数据。 （3） 特殊功能寄存器：简称SFR，通常为128字节，用于配置单片机和控制单片机行为。 （4） 双向IO端口：MCS-51有4个8位端口，每一位可单独配置为数字量输入或输出。 （5） UART：全双工通用异步串口，用于串行数据通信。,2.2 MCS-51单片机的总体结构,MCS-51硬件资源（续）： （6） 定时器/计数器：两个16位定时器/计数器，用于定时或对外部事件计数。 （7） 中断源：5个中断源，响应内部或外部事件的中断请求。 （8） 时钟发生器：MCS-51内部有时
4、钟发生器电路，外部连接一个晶体振荡器即可。 （9） 存储器空间：MCS-51可以寻址64KB程序存储器和64KB外部数据存储器空间。,2.3.1 中央处理器概述 2.3.2 时钟电路 2.3.3 复位电路 2.3.4 指令长度与指令周期,2.3 MCS-51单片机中央处理器,MCS-51单片机的中央处理器由运算部件和控制部件组成。运算部件实现的主要功能有数据的算术运算、逻辑运算、位变量处理以及数据传送等；控制部件由定时控制逻辑、指令寄存器、指令译码器、程序计数器PC、数据指针DPTR等组成。中央处理器的功能最终将通过指令集和时序来体现。,2.3.1 中央处理器概述,运算部件的主要组成及功能如下
5、： （1）算术逻辑部件：完成二进制数的四则运算、逻辑运算以及位操作运算。 （2）布尔处理器：实现单片机的位操作。 （3）累加器ACC：8位寄存器，用来暂存操作数和保存运算结果。 （4）寄存器B：在乘法指令中用于存放一个乘数，在除法指令中用于存放除数，运算后寄存器B中存放部分运算结果。 （5）程序状态字PSW：8位的寄存器，包含了当前程序执行的各种状态信息。,2.3.1 中央处理器概述,控制部件的主要组成和功能如下： （1）定时控制逻辑：协调寄存器之间的数据传送与运算等操作。 （2）指令寄存器：8位的寄存器，存放当前正在执行的指令。 （3）指令译码器：对指令寄存器中的操作码部分进行译码产生执行该
6、指令所需要的各种控制信号。 （4）程序计数器PC：16位的地址指针 ，存放下一条待执行指令的地址。 （5）数据指针DPTR：16位的地址寄存器，用于寻址片外数据存储器或寻址片外程序存储器中的表格数据。,2.3.1 中央处理器概述,时钟电路的作用是控制单片机的工作节奏。它有内部振荡方式和 外部振荡两种方式： （1）内部振荡方式：MCS-51内部自带振荡器，引脚XTAL1和XTAL2分别为反相器的输入端和输出端，通常在外部并联由石英晶振和电容即可；如果振荡器已起振，则在XTAL2引脚上输出幅值3V左右的正弦波，振荡频率主要由石英晶振的频率确定，可选的频率范围一般为0.524MHz。 （2）外部振荡
7、方式：MCS-51的工作时钟也可以由外部振荡器提供，它对外部时钟的占空比要求不高，但要有一定的幅度.,2.3.2 时钟电路,内部振荡方式 外部振荡方式,2.3.2 时钟电路,所有单片机在启动运行时都需要复位，以使CPU和系统中的其它部件处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。 MCS-51单片机有一个复位引脚RST，当振荡器起振后，该引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，就可以使器件复位。只要RST保持高电平，MCS-51就保持复位状态。RST变为低电平后，MCS-51退出复位，CPU从初始状态开始工作。复位以后内部寄存器的初始状态见表2-1。,2.3.3 复位电路,表2-1 复位后各寄
8、存器初始值,2.3.3 复位电路,典型的复位电路： （1）上电自动复位电路 （2）人工复位电路 （3）看门狗复位电路,2.3.3 复位电路,RC上电自动复位电路 人工复位电路,2.3.3 复位电路,看门狗是一种特殊的定时器电路，它由1个计数器、1个时钟源、1个输入口及1个输出口组成。看门狗上电后就自动从0开始递增计数，一旦它的输入口电平发生变化则看门狗清零。如果在看门狗定时周期内没有清零，则看门狗会溢出并输出1个脉冲。 MAX813L是专用的看门狗芯片，见下图，其引脚功能见表2-2.当其输入口WDI保持高电平或低电平超过1.6秒时，其输出口#WDO就会输出低电平，直到看门狗被清零后才变为高电平
9、。,2.3.3 复位电路,MAX813L的引脚图,2.3.3 复位电路,表2-2 MAX813L的引脚功能,2.3.3 复位电路,MAX813L的典型应用电路,2.3.3 复位电路,2.4.1 程序存储器 2.4.2 片内RAM数据存储器 2.4.3 特殊功能寄存器 2.4.4 扩展存储器,2.4 MCS-51单片机存储器组织,MCS-51单片机采用哈佛结构，程序存储器（简称PM）和数据存储器（简称DM）单独编址。PM和DM又有片内和片外之分，因此，MCS-51单片机存储器可分为以下4类： （1）片内程序存储器 （2）片内数据存储器 （3）片外程序存储器 （4）片外数据存储器,2.4 MCS-
10、51单片机存储器组织：概述,存储器按存储体分类： （1）ROM。它的内容在出厂前就设定好，不可再更改。 （2）PROM。它可以进行编程，但编程之后就不可再改变。 （3）EPROM。它可以编程，可用紫外线擦除，通常可擦除几百次；正被OTP型ROM和EEPROM取代。 （4）EEPROM，也称为闪存或FLASH，可反复编程，广泛用于科研、产品开发以及数码产品中，但同时相对容易被误擦除，在可靠性要求特别高的场合要慎用。 （5）RAM，称为随机存取存储器。它的内容可以随时改写，但是掉电时内容立即丢失。,2.4 MCS-51单片机存储器组织：概述,MCS-51的程序存储器空间为64K字节，其地址指针为1
11、6位的程序计数器PC。根据型号不同，51型单片机芯片内部的程序存储器可能有1K、2K、4K、8K或更多字节，存储体可能是PROM、EPROM或EEPROM。 内部具有EEPROM型程序存储器的单片机使用方便，因此使用广泛，比如AT89C51、AT89C52等。如果在实际运用中内部程序存储器的数量不够，可以在外部扩展，最多可扩展到64K字节。,2.4.1 程序存储器,对于有片内程序存储器的MCS-51单片机，可以用其#EA引脚来选择是否使用内部的程序存储器。若#EA为1，则在程序计数器PC的值小于片内程序存储器空间时，CPU取指令时自动访问片内程序存储器，在PC的值大于内部程序存储器空间时，CP
12、U取指令时自动访问外部的程序存储器。如果#EA为0，则片内程序存储器被忽略，CPU总是自动从片外程序存储器中取指令。 对于没有片内程序存储器的单片机，如8031，必须在外部扩展程序存储器，引脚#EA必须接地。,2.4.1 程序存储器,MCS-51单片机的引脚#PSEN输出片外程序存储器的读选通信号，仅当CPU访问片外程序存储器时，#PSEN才自动有效，输出负脉冲。在硬件上，单片机的#PSEN引脚要和片外程序存储器的#RD信号连接；在软件上，对#PSEN不必做任何考虑，也就是说，对于程序员编写程序而言，片内和片外扩展的程序存储器没有区别。,2.4.1 程序存储器,目前的单片机大都集成有EEPRO
13、M或FLASH型程序存储器，用于存储用户程序。将应用程序写入程序存储器的过程称为“编程”或“烧录”。烧录时需要将单片机从应用系统板上拔出来，烧好后再插上去。烧录单片机不仅费时费力，而且容易损坏单片机。 为解决上述问题，现在的单片机发展出了在系统可编程技术（In System Programming, ISP）及在应用可编程技术（In Application Programming, IAP）。,2.4.1 程序存储器,ISP技术（下载）：在单片机上固化一些用户看不到的程序，单片机上电后自动运行这些程序，并检查单片机的工作模式。当单片机处于下载模式时，这些程序就控制单片机经由串口从PC机接收用户
14、应用程序，并将之写入程序存储器，这个过程称为下载；若单片机处于正常工作模式，就按普通方式从程序存储器中取出指令来运行。 下载一般采用串行总线，往往通过一根简单的下载线将单片机与PC机连接即可。在PC机上需要运行专用的下载软件。在设计单片机应用系统时，需要预留好下载线的插座和模式选择开关就可以在不拆卸芯片的情况下随时烧录程序。,2.4.1 程序存储器,IAP技术（引导）：它除了具备ISP的特性外，还允许用户在系统正常运行的情况下烧录新程序，然后在下次启动时加载新的程序。其技术关键是在程序存储器中固化了一部分引导程序。它相当于一个简单的操作系统，在每次开机时单片机首先执行该引导程序，根据配置字而调
15、用不同的应用程序。有些单片机甚至允许用户自己开发这段引导程序，因而可能开发出通过通讯网远程更新单片机软件的功能，这极大地方便了系统维护与升级。,2.4.1 程序存储器,MCS-51单片机的片内RAM空间为256字节，占用地址空间00H0FFH。地址空间00H7FH的128字节称为低端RAM，80H0FFH的128字节称为高端RAM。此外MCS-51单片机还有128字节的特殊功能寄存器，简称SFR，其地址空间和高端RAM的地址空间重叠，即也为80H0FFH。低端RAM和SFR是每个MCS-51单片机都有的，是MCS-51单片机内核的重要组成部分。高端RAM仅52型以上的单片机才有。,2.4.2
16、片内RAM数据存储器,低端RAM可以直接寻址也可以间接寻址。对于具有高端RAM的单片机，单片机通过寻址方式的不同来区分高端RAM和SFR，高端RAM只能间接寻址，而SFR只能立即寻址。 原则上，SFR不作数据缓冲区使用，而其它256字节的片内RAM都可用作数据缓冲区。通常这256字节的RAM可区分为工作寄存器区、位寻址区、堆栈区和普通数据缓冲区等。,2.4.2 片内RAM数据存储器,（1）工作寄存器区 MCS-51单片机片内RAM的00H1FH单元用作工作寄存器区，分为4组，每组有8个工作寄存器：R0R7。工作寄存器R0R7在指令中往往用作指针、计数器等特殊用途。工作寄存器和RAM单元地址的对应关系如表2-3所示。 CPU当前使用哪一个工作寄存器区，由当前程序状态字PSW的第3、4位指示。PSW的这两位分别记为RS0和RS1，它们和当前使用的工作寄存器区的对应关系如表2-4所示。,2.4.2 片内RAM数据存储器,表2-3 工作寄存器和RAM地址对照表,2.4.2 片内RAM数据存储器,表2-4 工作寄存器区的选择,
