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1、单片机技术应用,第二章 MCS-51单片机结构和原理,第2章 MCS-51单片机结构和原理,2.1 MCS-51单片机总体结构 2.1.1 MCS-51单片机的内部结构 2.1.2 MCS-51单片机引脚及其功能 2.2 MCS-51单片机存储结构 2.2.1 程序存储器 2.2.2 数据存储器 2.3 MCS-51单片机外围电路 2.3.1 复位电路 2.3.2 时钟电路与时序,2.1 MCS-51单片机总体结构,2.1.1 MCS-51单片机的内部结构 MCS-51单片机的内部结构如图2-1所示。,2.1.1 MCS-51单片机的内部结构,下面介绍各部分的基本情况。 1.中央处理器（CPU
2、） 中央处理器是单片机的核心，完成运算和控制功能，MCS-51的CPU能处理8位二进制数或代码。 2.内部数据存储器（内部RAM） MCS-51单片机中共有256个RAM单元，前128个单元供用户使用，用于存放可读写的数据，简称内部RAM。（后128单元被专用寄存器占用） 3.内部程序存储器（内部ROM） MCS-51单片机中共有容量为4 KB的ROM，用于存放程序、原始数据或表格，简称内部ROM。,2.1.1 MCS-51单片机的内部结构,4.定时/计数器 MCS-51单片机中共有两个16位的定时/计数器，实现定时或计数功能，并以定时或计数的结果对单片机进行控制。 5.并行I/O口 MCS-
3、51单片机共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2和P3），实现数据的并行输入/输出。 6.串行口 MCS-51单片机有一个全双工的串行口，实现单片机和其它设备之间的串行数据传送。,2.1.1 MCS-51单片机的内部结构,7.中断控制系统 MCS-51单片机的中断功能较强，有5个中断源（外部中断两个，定时/计数中断两个，串行中断一个），全部中断分为高级和低级两个优先级别。 8.时钟电路 MCS-51单片机内部有时钟电路，但石英晶体和微调电容需外接。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列，系统的晶振频率一般为6 MHz和12 MHz。,2.1.2 MCS-51单片机引脚及其功能,MCS-51单片机共
4、有40个信号引脚，有双列直插式封装和方型封装（44个引脚，其中4个引脚不用）两种封装方式，下面以标准的40引脚双列直插式集成电路芯片为例介绍引脚及其功能，如图2-2所示。,图2-2 MCS-51单片机的引脚,2.1.2 MCS-51单片机引脚及其功能,1.电源引脚 VCC（40脚）：电源端，为+5V。 VSS（20脚）：接地端。 2.时钟电路引脚 XTAL2（18脚）：接外部晶体和微调电容的一端，是单片机内部振荡电路反相放大器的输出端，其振荡频率为晶体固有频率。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，是单片机内部振荡电路反相放大器的
5、输入端。在采用外部时钟时，该引脚必须接地。,2.1.2 MCS-51单片机引脚及其功能,3.控制信号引脚 RST（9脚）：RST是复位信号输入端，高电平有效。当RST引脚保持两个机器周期（24个时钟振荡周期）的高电平时，就可以完成复位操作。RST引脚的第二功能是备用电源的输入端，当主电源发生故障，降低到规定的低电平时， +5V电源自动接入RST端，为系统提供备用电源，保证复位后能继续正常运行。 ALE（30脚）：地址锁存允许信号端。当系统正常工作后，ALE引脚不断输出脉冲信号，CPU访问片外存储器时，ALE输出信号做为锁存低8位地址的控制信号。 ALE端负载驱动能力为8个LS型TTL负载。,2
6、.1.2 MCS-51单片机引脚及其功能,此引脚的第二个功能PROG在对片内带有4KB EPROM的8751写入编程（固化程序）时，做为编程脉冲输入端。 PSEN（29脚）：程序存储允许输出信号端。在访问片外程序存储器时，此引脚定时输出脉冲做为片外程序存储器的选通信号。 PSEN端同样可驱动8个LS型TTL负载。 EA（31脚）：外部程序存储器地址选通信号端。 当EA引脚接高电平时，CPU访问片内程序存储器,当PC(程序计数器)值超过0FFFH(4KB)时,将自动转去访问片外程序存储器。 当EA引脚接低电平时，CPU访问外部程序存储器。对于无片内程序存储器的8031等，需外扩EPROM。,2.
7、1.2 MCS-51单片机引脚及其功能,4.输入/输出端口 P0端口（P0.0-P0.7，39-32脚）：P0端口是一个漏极开路的8位I/O端口，做为漏极开路的输出端口，每位可以驱动8个LS型TTL负载。当P0端口做为输入口使用时，应先向P0端口锁存器（地址80H）写入“1”，此时P0端口的全部引脚浮空。在CPU访问片外存储器时，P0端口是分时提供低8位地址和8位数据的复用总线。P0端口的逻辑电路如图2-3所示。,图2-3 P0端口某位结构,2.1.2 MCS-51单片机引脚及其功能,P1端口（P1.0-P1.7，1-8脚）：P1端口是一个带内部上拉电阻的8位I/O端口，P1端口的每一位可以驱
8、动4个LS型TTL负载。在P1端口做为输入口使用时，应先向P1端口锁存器（地址90H）写入“1”，此时P1端口引脚由内部上拉电阻拉成高电平。P1端口的逻辑电路如图2-4所示。,图2-4 P1端口某位结构,2.1.2 MCS-51单片机引脚及其功能,P2端口（P2.0-P2.7，21-28脚）：P2端口是一个带内部上拉电阻的8位I/O端口，P2端口的每一位可以驱动4个LS型TTL负载。在访问片外存储器时，P2端口输出高8位地址。P2端口的逻辑电路如图2-5所示。,图2-5 P2端口某位结构,2.1.2 MCS-51单片机引脚及其功能,P3端口（P3.0-P3.7，10-17脚）：P3端口是一个带
9、内部上拉电阻的8位I/O端口，P3端口的每一位可以驱动4个LS型TTL负载。P3端口除了做为一般I/O端口外，每个引脚还具有第二功能。P3端口的逻辑电路如图2-6所示,图2-6 P3端口某位结构,2.2 MCS-51单片机存储结构,MCS-51单片机片内集成有程序存储器（ROM）和数据存储器（RAM），在使用过程中用户还可以根据需要对存储器进行外部扩展。 从物理上分，MCS-51单片机存储器有片内程序存储器、片外程序存储器、片内数据存储器和片外数据存储器4个存储空间。 从逻辑上分，MCS-51单片机有片内外统一的程序存储器地址空间、内部数据存储器地址空间和外部数据存储器地址空间3个存储器地址空
10、间。为了区分不同的存储器空间，访问这三个不同的逻辑空间时采用了不同形式的指令。,2.2.1 程序存储器,程序存储器用于存放编好的程序和表格常数，MCS-51单片机内部有4KB的程序存储器。 1.EA引脚的连接 对MCS-51单片机而言，在正常运行时，应把EA引脚接高电平，使程序从内部ROM开始运行。目前很多厂家的单片机内部ROM容量能够满足使用需求，通常没有必要再进行外部ROM的扩展。 2.一些关键的存储单元 0000H-0002H，系统复位后， PC值为0000H，系统将从0000H单元开始执行程序，一般在该单元区域中存放一条跳转指令，用户设计的主程序从跳转后的地址开始存放。,2.2.1 程
11、序存储器,另有5个特殊单元，分别对应于5个中断源的入口地址。 0003H-000AH：外部中断0中断地址区； 000BH-0012H：定时/计数器0中断地址区； 0013H-001AH：外部中断1中断地址区； 001BH-0022H：定时/计数器1中断地址区； 0023H-002AH：串行中断地址区。 中断响应后，按中断种类自动转到各中断区的首地址去执行程序，一般情况下8个单元难以存下一个完整的中断服务程序，通常从中断地址区首地址开始存放一条无条件转移指令，以便中断响应后，通过中断地址区再转到中断服务程序的实际入口地址。,2.2.2 数据存储器,内部数据存储器在物理上分为数据存储器空间（低12
12、8单元）和特殊功能寄存器存储器空间（高128单元）两个存储空间，这两个空间是相连的，从用户角度而言，低128单元才是真正的数据存储器。 1.数据存储器（低128单元） 数据存储器有128个单元，地址为00H-7FH，存储器地址分配见表2-1。,表2-1 内部数据存储器地址分配,2.2.2 数据存储器,（1）通用寄存器区 00H-1FH的32个单元是4个通用工作寄存器区，每个区有8个寄存器，编号分别为R0-R7。寄存器常用于存放操作数和中间结果等，称为通用寄存器或工作寄存器。通用寄存器既可以按照RAM地址访问，也可以按照寄存器名称访问。（按照寄存器名称访问时，指令最短，执行速度最快。） 在某一时
13、刻，CPU只能使用其中的一组寄存器，称为当前寄存器区，用户可以通过设置程序状态字中RS1位和RS0位的状态选择哪一个寄存器组为当前寄存器区。例如，在主程序中使用第0组寄存器，在中断服务程序中使用其它寄存器组，这样既可以简化程序设计又可以避免程序产生冲突,2.2.2 数据存储器,（2）位寻址区 RAM中的20H-2FH的16个单元为位寻址区，也可以做为一般RAM单元进行字节寻址。位寻址区共有16个RAM单元，合计128位，位地址为00H-7FH，见表2-2。,表2-2 片内RAM位寻址区的位地址,2.2.2 数据存储器,（3）用户区 在内部RAM低128单元中，通用寄存器占32个单元，位寻址区占
14、16个单元，剩下80个单元是供用户使用的一般RAM区，地址单元为30H-7FH。 2.特殊功能寄存器（高128单元） 从80H-FFH单元地址是特殊寄存器区，这些寄存器的功能已做专门规定，所以称为专用寄存器或特殊功能寄存器。特殊功能寄存器的总数为22个，其中PC计数器不占用RAM单元，其它21个特殊功能寄存器离散在80H-FFH区域内，其符号、名称和地址等见表2-3。,2.2.2 数据存储器,特殊功能寄存器不连续地分散在内部RAM的高128单元之中，尽管其中还有许多空闲地址，但用户不能使用；在21个特殊功能寄存器中，有11个寄存器不仅可以字节寻址，也可以进行位寻址（字节地址不带括号），其余的寄
15、存器只能按照字节访问。 下面具体介绍每个寄存器的作用。 （1）程序计数器PC PC是一个16位计数器，其内容为将要执行的指令地址，寻址范围达64KB，PC有自动加1功能，从而实现程序的顺序执行。,2.2.2 数据存储器,（2）累加器A 累加器A为8位寄存器，是最常用的专用寄存器，功能较多，既可存放操作数，也可存放中间结果。单片机中大部分单操作数指令的操作数就取自累加器，许多双操作数指令中的一个操作数也取自累加器，加、减、乘、除运算指令的运算结果都存放在累加器A中，如果对累加器A按位访问时必须用其全称ACC，如ACC.0等。 （3）B寄存器 B寄存器是一个8位寄存器，主要用于乘除运算，也可做为一
16、般数据寄存器使用。,2.2.2 数据存储器,（4）程序状态字PSW 程序状态字PSW是一个8位寄存器，用于存放程序运行的状态信息。有些位的状态是程序执行的结果，由硬件自动置位，有些位的状态则用软件设定。PSW各位含义见表2-4，其中PSW.1为保留位，未用。,表2-4 程序状态字,2.2.2 数据存储器,CY（PSW.7）：PSW中最常用的标志位，具有存放算术运算的进位标志和在位操作中做累加位使用的两种功能。 AC（PSW.6）：辅助进位位，当加法或减法操作而产生由低4位向高4位的进位或借位时，由硬件将AC置1，否则清除。AC还用于十进制调整，与DA A指令结合起来使用。 F0（PSW.5）：用户标志位，是用户定义的一个状态标记，可以用软件置位或清零，也可用软件测试F0以控制程序的流向。 RS1、RS0（PSW.4，PSW.3）：工作寄存器区选择位，用软件置位或清零，以选择和确定当前工作寄存器区。RS1、RS0与寄存器区的关系见表2-5。,2.2.2 数据存储器,表2-5 RS1、RS0与寄存器区的关系,OV
