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1、单片机原理与应用单片机原理与应用第2章 MCS-51系列单片机系列单片机结构和工作原理结构和工作原理2.1 MCS-51系列单片机概述系列单片机概述2.2 8051单片机的内部结构和工作原理单片机的内部结构和工作原理2.3 8051单片机的工作方式单片机的工作方式本章要点：本章要点：第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理2.1 MCS-51系列系列单片机概述片机概述 MCS-51是指由美国是指由美国Intel公司生产的一系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列单片机的总称，这一系列单片机包括了许多型号，如多型号，如8031，8051，8751，80
2、32，8052，8752等。其中等。其中8051是最早生产、最典型的是最早生产、最典型的产品。产品。MCS-51系列的其他单片机，都是在以系列的其他单片机，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，人们习惯于用及外围接口的改变。因此，人们习惯于用8051来称呼来称呼MCS-51系列单片机。系列单片机。第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理 8051是最早生产、最典型的产品。是最早生产、最典型的产品。MCS-51系列的系列的Intel公司将公司将MCS-51的核心技术授的核心技术授权给了很多其他公司，
3、所以有很多公司在生权给了很多其他公司，所以有很多公司在生产以产以8051为核心的单片机。在我国使用的，为核心的单片机。在我国使用的，具代表性的芯片是具代表性的芯片是Phillips的的80系列和系列和Atmel的的AT89系列单片机。系列单片机。 本书主要介绍的本书主要介绍的MCS-51系列单片机的硬系列单片机的硬件、软件及其应用。件、软件及其应用。2.1.1 MCS-51系列单片机简介系列单片机简介第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理 MCS-51系列系列单片机共有十多种芯片，分片机共有十多种芯片，分为两两大系列，即大系列，即51子系列与子系列与52子系列，并
4、以芯片型号子系列，并以芯片型号的末位数字最的末位数字最为标志。它志。它们的内部的内部结构基本相同，构基本相同，其中其中51子系列是基本型，子系列是基本型，52子系列是增子系列是增强强型。型。MCS-51系列系列单片机各种芯片的技片机各种芯片的技术指指标见表表2-1。 2.1.1 MCS-51系列单片机简介系列单片机简介第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理表表2-1 MCS-51系列系列单片机芯片技片机芯片技术指指标子系子系列列片内片内ROM形式形式ROM容量容量RAM容量容量寻址范址范围I/O特性特性中中断断源源无无ROMEPROM定定时器器并行并行口口串串行行
5、口口51子子系列系列8031805187514KB128B264KB216481580C3180C5187C514KB128B264KB216481552子子系列系列8032805287528KB256B364KB316481680C3280C5287C528KB256B364KB31648162.1.1 MCS-51系列单片机简介系列单片机简介第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理单片机的内部结构单片机的内部结构一个一个8位中央处理器位中央处理器CPU一个片内振荡器及时钟电路一个片内振荡器及时钟电路4KB程序存储器程序存储器ROM（有的型号没有）（有的型号没有）
6、256B数据存储器数据存储器RAM。两个两个16位定时位定时/计数器（计数器（T0、T1）。第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理可寻址可寻址64KB外部数据存储空间和外部数据存储空间和64KB外部程序存外部程序存储器的控制电路。储器的控制电路。1个可编程的并行个可编程的并行I/O端口、端口、4个个8位并行位并行I/O端口端口（P0P3）。）。21个特殊功能寄存器。个特殊功能寄存器。具有具有5个中断源、个中断源、2个优先级的中断结构。个优先级的中断结构。单片机的内部结构单片机的内部结构第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理图图2-1-
7、1 8051内部结构示意图内部结构示意图单片机的内部结构单片机的内部结构第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理2.2 CPU的内部的内部结构构8051的的CPU主要由运算器和控制器主要由运算器和控制器组成成 控制器包括程序计数器控制器包括程序计数器PC、程序地址寄存器、指、程序地址寄存器、指令寄存器令寄存器IR、指令译码器、条件转移逻辑电路及、指令译码器、条件转移逻辑电路及定时控制逻辑电路。定时控制逻辑电路。 其功能是控制指令的读出、译码和执行，对指令其功能是控制指令的读出、译码和执行，对指令的执行过程进行定时控制，并根据执行结果决定的执行过程进行定时控制，并根据
8、执行结果决定是否分支转移。是否分支转移。 第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理8051单片机的单片机的CPU结构结构 单片机的内部结构单片机的内部结构第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理运运算算器器的的功功能能是是进进行行算算术术、逻逻辑辑运运算算、位位变变量量处理和数据传送等操作。处理和数据传送等操作。主主要要由由算算术术逻逻辑辑运运算算单单元元ALU、寄寄存存器器A、寄寄存器存器B、程序状态字寄存器、程序状态字寄存器PSW组成。组成。2.2.1 运算器运算器第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理1
9、.算术逻辑运算单元算术逻辑运算单元 算术逻辑运算单元用来完成二进制书的四则运算算术逻辑运算单元用来完成二进制书的四则运算和布尔代数的逻辑运算，并将结果送带累加器和布尔代数的逻辑运算，并将结果送带累加器A和和B寄存器等，将运算的状态送程序状态字寄存器等，将运算的状态送程序状态字PSW的相应的相应标志位。标志位。 单片机的内部结构单片机的内部结构第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理2.累加器累加器A 累加器累加器A是是8位通用寄存器，是位通用寄存器，是CPU中使用最频繁中使用最频繁的寄存器。它用于向的寄存器。它用于向ALU提供操作数和存放运算的提供操作数和存放运算的
10、结果。在运算时将一个操作数经过暂存器送至结果。在运算时将一个操作数经过暂存器送至ALU，与另外一个来自暂存器的操作数在，与另外一个来自暂存器的操作数在ALU中进行运中进行运算，运算结果再送回累加器算，运算结果再送回累加器A。单片机的内部结构单片机的内部结构第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理3.寄存器寄存器B 寄存器寄存器B又称为乘法寄存器，它与累加器又称为乘法寄存器，它与累加器A协同工协同工作，可进行乘法操作和除法操作。作，可进行乘法操作和除法操作。 在乘除指令中运用到寄存器在乘除指令中运用到寄存器B，乘法指令中的两，乘法指令中的两个操作数分别取自于个操作数分
11、别取自于A、B寄存器，其结果也存放在寄存器，其结果也存放在A、B寄存器中，寄存器中，A存放乘积的低存放乘积的低8位，位，B存放乘积的存放乘积的高高8位；除法指令中，被除数取自位；除法指令中，被除数取自A，除数取自，除数取自B，进行运算后，商数存放于进行运算后，商数存放于A，余数存放于，余数存放于B。在一般。在一般状态下寄存器状态下寄存器B也可作为普通的寄存器使用。也可作为普通的寄存器使用。单片机的内部结构单片机的内部结构第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理4程序状态字程序状态字PSW 程序状态字程序状态字PSW是一个是一个8位寄存器，用于指示指令位寄存器，用于指
12、示指令执行后的状态信息，相当于一般微处理器的标志寄执行后的状态信息，相当于一般微处理器的标志寄存器。其有关位用来表示存器。其有关位用来表示ALU操作的结果状态或操作的结果状态或CPU的工作状态，供程序查询和判别，其各位的含的工作状态，供程序查询和判别，其各位的含义见表义见表2-2，其中，其中D1位未定义。位未定义。表表2-2 程序状程序状态字字PSW各位的含各位的含义D7D6D5D4D3D2D1D0CyACF0RS1RS0OV/P单片机的内部结构单片机的内部结构第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理表表2-3 PSW各位功能各位功能对应表表功能功能标标志志地址地址
13、进位位标志志CyCyPSW.7:0D7HPSW.7:0D7H辅助助进位位标志志ACACPSW.6:0D6HPSW.6:0D6H溢出溢出标志志OVOVPSW.2:0D2HPSW.2:0D2H奇偶奇偶标志志P PPSW.0:0D0HPSW.0:0D0H用用户标志志F0F0PSW.5:0D5HPSW.5:0D5H保留保留/ /PSW.1:0D1HPSW.1:0D1H寄存器区寄存器区选择MSBMSBRS1RS1PSW.4:0D4HPSW.4:0D4H寄存器区寄存器区选择LSBLSBRS0RS0PSW.3:0D3HPSW.3:0D3H单片机的内部结构单片机的内部结构第2章 MCS-51系列单片机结构和工
14、作原理系列单片机结构和工作原理各个标志位的含义如下：各个标志位的含义如下：CY(PSW.7)：进位标志位，也可以记为：进位标志位，也可以记为C。在进。在进行算术运算时，它是累加器行算术运算时，它是累加器A的进位位。如果操的进位位。如果操作位在最高位有进位（加法）或借位（减法）时作位在最高位有进位（加法）或借位（减法）时置置1，否则清，否则清0。AC（PSW.6）：辅助进位标志。它是低半字节的）：辅助进位标志。它是低半字节的进位位（累加器进位位（累加器A中的中的A3位向位向A4位进位），主要位进位），主要用于用于BCD码调整。低四位有进位（加法）或者向码调整。低四位有进位（加法）或者向高四位有借
15、位（减法），高四位有借位（减法），AC位被置位被置1，否则清，否则清0。F0(PSW.5)：用户定义的状态标志位。可以通过软：用户定义的状态标志位。可以通过软件对它置位、复位或者测试，以控制程序的流向。件对它置位、复位或者测试，以控制程序的流向。单片机的内部结构单片机的内部结构第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理 RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）：工作寄存器区选择）：工作寄存器区选择控制位控制位 8051共有共有8个个8位的工作寄存器位的工作寄存器R0R7。可以用软件。可以用软件来置位或者清零，以确定当前使用的工作寄存器组。来置位或者清零，以确定当前使用
16、的工作寄存器组。用户可以通过改变用户可以通过改变RS1和和RS0的状态来决定的状态来决定R0R7的的实际物理地址。实际物理地址。 RS1和和RS0与工作寄存器与工作寄存器R0R7的物理地址之间的的物理地址之间的关系见表关系见表2-4。单片机的内部结构单片机的内部结构第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理表表2-4 RS1和和RS0与工作寄存器的关系与工作寄存器的关系对照表照表RS1RS0选中的寄存器中的寄存器组R0R7地址地址000组00H-07H011组08H-0FH102组10H-17H113组18H-1FH单片机的内部结构单片机的内部结构第2章 MCS-51
17、系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理OV（PSW.2）：溢出标志位。）：溢出标志位。 当执行运算指令时，由硬件置位或清除，以指示当执行运算指令时，由硬件置位或清除，以指示运算是否产生溢出，运算是否产生溢出，OV置位表示运算结果超出置位表示运算结果超出了目的寄存器了目的寄存器A所能表示的带符号数的范围（一所能表示的带符号数的范围（一128127）。）。 若以若以Ci表示位表示位i向位向位il有进位，则有进位，则OV=C6 C7；当；当位位6向位向位7有进位有进位(借位借位)而位而位7不向不向CY进位进位(借位借位)时；或当位时；或当位7向向C进位进位(借位借位)而位而位6不向位不向位
18、7进位进位(借位借位)时时OV标志置位，表示带符号数运算时运标志置位，表示带符号数运算时运算结果是错误的；否则，清除算结果是错误的；否则，清除OV标志，运算结标志，运算结果正确。果正确。单片机的内部结构单片机的内部结构第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理 对于对于MUL乘法，当乘法，当A、B两个乘数的积超过两个乘数的积超过255时时OV置位；否则，置位；否则，OV0。因此，若。因此，若OV0时，只时，只需从需从A寄存器中取积；若寄存器中取积；若OV1时，则需从时，则需从B、A寄存器对中取积。对于寄存器对中取积。对于DIV除法，若除数为除法，若除数为0时，时，OV
19、=1；否则，；否则，OV=0。 P（PSW.0）：奇偶标志位）：奇偶标志位 每个指令周期都由硬件来置位或清零，以表示累加每个指令周期都由硬件来置位或清零，以表示累加器器A中中1的个数的奇偶性。若的个数的奇偶性。若1的个数为奇数，则的个数为奇数，则P置置1；若；若1的个数为偶数，则的个数为偶数，则P清零。清零。 单片机的内部结构单片机的内部结构第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理5.布尔处理器布尔处理器 在在8051片内还有一个布尔处理器，它以片内还有一个布尔处理器，它以PSW中的中的进位标志位进位标志位CY为其累加器（在布尔处理器及其指令为其累加器（在布尔处理器
20、及其指令中以中以C代替代替CY），专门用于处理位操作。如可执行），专门用于处理位操作。如可执行置位、位清置位、位清0、位取反、位等于、位取反、位等于1转移、位等于转移、位等于0转移、转移、位等于位等于1转移并清转移并清0以及位累加器以及位累加器C与其他可位寻址与其他可位寻址的空间之间进行信息传送等位操作，也能使的空间之间进行信息传送等位操作，也能使C与其与其他可寻址位之间进行逻辑他可寻址位之间进行逻辑“与与”、逻辑、逻辑“或或”操作，并操作，并将结果存放在进位标志位（位累加器）将结果存放在进位标志位（位累加器）C中。中。单片机的内部结构单片机的内部结构第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原
21、理系列单片机结构和工作原理 控控制制器器是是CPU的的指指挥挥控控制制部部件件，用用于于对对来来自自存存储储器器中中的的指指令令进进行行译译码码，并并通通过过定定时时和和控控制制电电路路在在规规定定的的时时刻刻发发出出各各种种操操作作所所需需要要的的控控制制信信号号，使使各各部部件件协协调调工工作作，完完成成指指令令所所规规定定的的操操作作。同同一一般般处处理理器器的的控控制制器器一一样样，8051的的控控制制器器也也是是由由指指令令寄寄存存器器IR、指指令令译译码码器器ID、定定时时及及控控制制逻逻辑辑电电路路和和程程序序计计数器数器PC等组成。等组成。 2.2.2 控制器控制器第2章 MC
22、S-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理1.程序程序计数器数器PC 程序程序计数器数器PC作作为指令的地址指指令的地址指针，用来存放下一，用来存放下一条将要条将要执行的指令在存行的指令在存储器中的地址，字器中的地址，字长16位。在位。在单片机上片机上电(或复位或复位)时，PC自自动装入装入0000H值，使程，使程序从序从0000H单元开始元开始执行。一般情况下，行。一般情况下，单片机片机执行行完一条指令，完一条指令，PC的的值就自就自动加加1，为取下一个指令做取下一个指令做好准好准备，从而保，从而保证指令的指令的顺序序执行（若要使程序跳行（若要使程序跳转执行，行，则只需用有关指
23、令改写只需用有关指令改写PC的内容即可）。只有的内容即可）。只有在在执行行转移、子程序移、子程序调用指令和中断响用指令和中断响应时例外，此例外，此时PC的内容不再加的内容不再加1，而是由指令或者中断响，而是由指令或者中断响应过程程自自动给PC置入新的地址。置入新的地址。2.2.2 控制器控制器第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理2.指令寄存器指令寄存器IR及指令及指令译码器器ID 当当CPU根据程序根据程序计数器数器PC的地址的地址值从指定的存从指定的存储单元中取出元中取出选取的指令后，将指令送到指令寄存器取的指令后，将指令送到指令寄存器IR，再送到指令，再送到
24、指令译码器器ID，当指令送入指令，当指令送入指令译码器器ID后，后，由由译码器器对该指令指令进行行译码，即把指令，即把指令转变成所需的成所需的电平信号，以便平信号，以便计算机能正确算机能正确执行程序所要求的各种行程序所要求的各种操作。再由指令操作。再由指令译码器器ID将控制信号送将控制信号送PLA逻辑门阵列，列，PLA产生一定序列的控制信号，以生一定序列的控制信号，以执行指令所行指令所规定的操作。定的操作。2.2.2 控制器控制器第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理3.堆堆栈指指针SP 堆堆栈指指针SP是一个是一个8位位专用寄存器，它用来指用寄存器，它用来指示堆
25、示堆栈顶部在内部部在内部RAM中的位置，即中的位置，即SP中的内容就中的内容就是是栈顶的地址。堆的地址。堆栈区可占用片内区可占用片内128字字节的的RAM任何任何单元。在元。在执行行PUSH或或CALL指令指令时，存，存储数据数据前，堆前，堆栈指指针先自先自动加加1。因此，。因此，实际上堆上堆栈指指针是是从地址从地址08H单元开始的。它是按元开始的。它是按“先先进后出后出”的原的原则进行存取数据的，开机复位后，行存取数据的，开机复位后，单片机片机栈底地址底地址为07H。2.2.2 控制器控制器第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理4数据指数据指针DPTR 由于由于
26、8051单片机可以外接片机可以外接64K的数据存的数据存储器和器和1/0接口接口电路，故路，故单片机内片机内设置了置了16位的数据指位的数据指针DPTR。它用于存放它用于存放16位的地址，作位的地址，作为访问外部数据存外部数据存储器器时的地址。的地址。编程程时，DPTR既可按既可按16位寄存器使用，也位寄存器使用，也可以按两个可以按两个8位寄存器分开使用，即位寄存器分开使用，即DPH为DPTR的高的高8位，位，DPL为DPTR的低的低8位。位。2.2.2 控制器控制器第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理 复位是单片机整个系统的初始化操作，其主要功能是把复位是单片
27、机整个系统的初始化操作，其主要功能是把PC初始化为初始化为0000H，使单片机从，使单片机从0000H地址单元开始执行程序。地址单元开始执行程序。当程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困当程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，可以按复位键以重新启动，也可以通过监视定时器来系统境，可以按复位键以重新启动，也可以通过监视定时器来系统复位。复位操作还对单片机的个别引脚信号有影响。例如，在复位。复位操作还对单片机的个别引脚信号有影响。例如，在复位期间，复位期间，ALE和和PSEN信号变为无效状态，即信号变为无效状态，即ALE=1，PSEN=1。2.2.3 复位及复位电路
28、复位及复位电路第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理 MCS-51系列系列单片机的片机的复复位位电路如路如图2-4所示。在所示。在RST输入端出入端出现高高电平平时实现复复位和初始化位和初始化2.2.3 复位及复位电路复位及复位电路第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理寄存器寄存器 内内 容容 PC 0000H ACC 00H B 00H PSW 00H SP 07H DPTR 0000H P0-P3 0FFH IP 00000B IE 000000B TMOP 00H TCON 00H TH0 00H TL0 00H TH1 00H
29、 TL1 00H SCON 00H SBUF 不定不定 PCON 00000B表表2-5复位后的内部寄存器状态表复位后的内部寄存器状态表2.2.3 复位及复位电路复位及复位电路第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理2.3 单片机时钟与时序单片机时钟与时序 CPU的功能，总的来说，就是以不同的方式，的功能，总的来说，就是以不同的方式，执行各种指令。不同的指令其功能各不相同，有执行各种指令。不同的指令其功能各不相同，有的指令涉及的指令涉及CPU与各寄存器之间的关系；有的指与各寄存器之间的关系；有的指令涉及单片机核心电路内部各功能部件的关系；令涉及单片机核心电路内部各功
30、能部件的关系；有的则与外部部件有关系。有的则与外部部件有关系。CPU是通过复杂的时是通过复杂的时序电路来完成不同的指令功能的。事实上，控制序电路来完成不同的指令功能的。事实上，控制器按指令的功能发出一系列在时间上有一定次序器按指令的功能发出一系列在时间上有一定次序的电脉信号，控制和启动以部分逻辑电路，完成的电脉信号，控制和启动以部分逻辑电路，完成某种操作。在什么时刻发出什么控制信号，去启某种操作。在什么时刻发出什么控制信号，去启动何种部件工作，这就是动何种部件工作，这就是CPU的时序。的时序。CPU芯片芯片一旦完成，一旦完成，“时序时序”就固定了。时钟可以看成是就固定了。时钟可以看成是主频，时
31、序可以看成是一个操作个部分电路产生主频，时序可以看成是一个操作个部分电路产生的脉冲对照图。的脉冲对照图。第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理 时钟电路是用于路是用于产生生单片机工作片机工作时所需的所需的时钟信信号的号的电路。路。MCS-51系列系列单片机芯片内部有一个由反片机芯片内部有一个由反向放大器构成的振向放大器构成的振荡电路，路，XTAL1为振振荡电路的路的输入端，而入端，而XTAL2为振振荡电路的路的输出端。出端。单片机系片机系统时钟是利用其内部的振是利用其内部的振荡电路在路在XTAL1和和XTAL2引引脚上外接石英晶体振脚上外接石英晶体振荡器器(简称晶
32、振称晶振)，使内部振，使内部振荡器器产生自激振生自激振荡而而产生的。生的。8051的的时钟电路，如路，如图2-5所示。所示。时钟电路时钟电路第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理图图2-5 80C51单片微机的时钟电路单片微机的时钟电路时钟电路时钟电路第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理 MCS-51的内部时钟电路如图的内部时钟电路如图2-6所示。在所示。在XTAL1和和XTAL2引脚上外接定时元件就能构成引脚上外接定时元件就能构成自激振荡电路。定时元件通常采用石英晶体和电自激振荡电路。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振电
33、路。电容器容组成的并联谐振电路。电容器C1和和C2主要起主要起频率微调作用，电容可值为频率微调作用，电容可值为30pf左右（外界晶体左右（外界晶体时）或时）或40pf左右（外接陶瓷谐振器时）。左右（外接陶瓷谐振器时）。时钟电路时钟电路第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理时钟电路时钟电路第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理 MCS-51的外部时钟电路如图的外部时钟电路如图2-7所示。所示。XTAL2接外部振荡器，接外部振荡器，XTAL1接地。由于反相接地。由于反相放大器一侧的放大器一侧的XTAL2端的逻辑电平不是标准的端的逻辑电平不
34、是标准的TTL电平，故须加上上拉电阻。一般采用频率电平，故须加上上拉电阻。一般采用频率低于低于12MHz的方波信号。的方波信号。时钟电路时钟电路第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理时钟电路时钟电路第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理2.3.2 时序定序定时单位位8051单片机执行指令是在时序电路的控制下一步一单片机执行指令是在时序电路的控制下一步一步进行的。时序是用定时单位来说明的。步进行的。时序是用定时单位来说明的。8051的时的时序定时单位共有序定时单位共有4个：个：节拍、状态、机器周期和指令节拍、状态、机器周期和指令周期周期
35、 第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理节拍节拍P：把振荡脉冲的周期称为节拍，为最小的时：把振荡脉冲的周期称为节拍，为最小的时序单位。序单位。状态状态S：一个状态：一个状态S包含两个节拍，其前半周期对包含两个节拍，其前半周期对应的节拍叫应的节拍叫P1，后半周期对应的节拍叫，后半周期对应的节拍叫P2。 2.3.2 时序定序定时单位位第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理机器周期：机器周期：8051采用定时控制方式，因此它有固采用定时控制方式，因此它有固定的机器周期。规定一个机器周期的宽度为定的机器周期。规定一个机器周期的宽度为6个状个状
36、态，并依次表示为态，并依次表示为S1S6，即一个机器周期共有，即一个机器周期共有12个振荡脉冲周期，因此机器周期就是振荡脉冲个振荡脉冲周期，因此机器周期就是振荡脉冲的的12分频。当振荡脉冲频率为分频。当振荡脉冲频率为12MHZ时，一个机时，一个机器周期为器周期为lS；当振荡脉冲频率为；当振荡脉冲频率为6MHZ时，一个时，一个机器周期为机器周期为2S。机器周期是单片机的最小时间单。机器周期是单片机的最小时间单位。位。 2.3.2 时序定序定时单位位第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理指令周期：指令周期：执行一条指令所需要的行一条指令所需要的时间称称为指令指令周期。
37、它是最大的周期。它是最大的时序定序定时单位。位。8051的指令周的指令周期根据指令的不同，可包含有一、二、三、四个期根据指令的不同，可包含有一、二、三、四个机器周期。当振机器周期。当振荡脉冲脉冲频率率为12MHZ时，8051的的一条指令一条指令执行的行的时间最短最短为lS，最，最长为4S。 2.3.2 时序定序定时单位位第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理2.3.3 8051指令时序指令时序 8051共有共有111条指令，全部指令按其长度可分为单条指令，全部指令按其长度可分为单字节指令、双字节指令和三字节指令。典型的单字节指令、双字节指令和三字节指令。典型的单机
38、器周期和双机器周期指令的时序波形图如图机器周期和双机器周期指令的时序波形图如图2-8所示。所示。第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理2.3.3 8051指令时序指令时序 第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理1.单机器周期指令机器周期指令 双字双字节指令指令时，从，从S1P2开始开始执行，操作行，操作码被被读入指令寄存器；在入指令寄存器；在S4P2时，再，再读入第二个字入第二个字节。单字字节指令指令时，从，从S1P2开始开始执行，操作行，操作码被被读入指入指令寄存器；在令寄存器；在S4P2时仍有仍有读操作，但被操作，但被读入的字入的
39、字节（即下一操作（即下一操作码）被忽略，且此）被忽略，且此时PC并不增量。并不增量。以上两种情况均在以上两种情况均在S6P2时结束操作。束操作。2.3.3 8051指令时序指令时序 第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理2.双机器周期指令双机器周期指令 双字双字节指令指令时，执行在行在S1P2开始，操作开始，操作码被被读入指令寄存器；在入指令寄存器；在S4P2时，再，再读入的字入的字节被忽被忽略。由略。由S5开始送出外部数据存开始送出外部数据存储器的地址，随后器的地址，随后是是读或写的操作。在或写的操作。在读、写期、写期间，ALE不不输出有出有效信号。在第二个机器
40、周期，片外数据存效信号。在第二个机器周期，片外数据存储器也器也寻址和址和选通，但不通，但不产生取指操作。生取指操作。2.3.3 8051指令时序指令时序 第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理 单字字节指令指令时，执行在行在S1P2开始，在两个整机开始，在两个整机器周期中，共器周期中，共发生生4次次读操作，但是后三次操作都操作，但是后三次操作都无效。一般，算无效。一般，算术/逻辑操作操作发生在生在节拍拍1期期间，内，内部寄存器部寄存器对寄存器的寄存器的传送送发生在生在节拍拍2期期间。图中中的的ALE信号是信号是为地址地址锁存而定存而定义的，的，该信号每有效信号每有
41、效一次一次对应单片微机片微机进行一次行一次读指令操作。指令操作。ALE信号信号以振以振荡脉冲六分之一的脉冲六分之一的频率出率出现，因此在一个机器，因此在一个机器周期中，周期中，ALE信号两次有效，第一次在信号两次有效，第一次在S1P2和和S2P1期期间，第二次在，第二次在S4P2和和S5P1期期间，有效，有效宽度度为一个一个状状态周期周期S。2.3.3 8051指令时序指令时序 第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理2.4 存储器存储器 MCS-51系列系列单片机的存片机的存储结构与常构与常见的微机的配的微机的配置不同，它把程序存置不同，它把程序存储器和数据存器和
42、数据存储器分开器分开编址，址，各有各的各有各的寻址方式、控制信号和功能。址方式、控制信号和功能。 第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理2.4.1数据存储器数据存储器 在单片机中，数据存储器（在单片机中，数据存储器（RAM）用来存储）用来存储程序在运行期间的工作变量和数据。程序在运行期间的工作变量和数据。 按数据访问的方式不同，可以分为内部数据按数据访问的方式不同，可以分为内部数据存储器和外部数据存储器，下面具体介绍它们的存储器和外部数据存储器，下面具体介绍它们的特点和不同，其地址分布如图特点和不同，其地址分布如图2-9所示。所示。第2章 MCS-51系列单片机结
43、构和工作原理系列单片机结构和工作原理2.4.1数据存储器数据存储器第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理1.内部数据存内部数据存储器器 内部数据存内部数据存储器（器（IRAM）地址只有）地址只有8位，因位，因而最大而最大寻址范址范围为256个字个字节。在。在80C51中，中，设置置有一个有一个专门的数据存的数据存储器的地址指示器器的地址指示器数据数据指指针DPTR，用于，用于访问片外数据存片外数据存储器器（ERAM）。数据指）。数据指针DPTR也是也是16位的寄存器，位的寄存器，这样，就使，就使80C51具有具有64KB的数据存的数据存储器器扩展能展能力。片内数据
44、存力。片内数据存储器是最灵活的地址空器是最灵活的地址空间。它在。它在物理上又分成两个独立的功能不同的区。物理上又分成两个独立的功能不同的区。 2.4.1数据存储器数据存储器第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理工作寄存器区工作寄存器区位位寻址区址区字节寻址区字节寻址区 堆栈区及堆栈指针堆栈区及堆栈指针SPSP2.4.1数据存储器数据存储器第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理2.外部数据存外部数据存储区区 外部数据存外部数据存储器是在外部存放数据的区域，器是在外部存放数据的区域，这一区域只能用寄存器一区域只能用寄存器间接接寻址的方法址
45、的方法访问，所，所用的寄存器用的寄存器为DPTR、R1或或R0。指令助。指令助记符符为MOVX。当用。当用R0、R1寻址址时，由于，由于R0、R1为8位位寄存器，因此最大寄存器，因此最大寻址范址范围为256B；当用；当用DPTR寻址址时，由于，由于DPTR为16位寄存器，因此最大位寄存器，因此最大寻址范址范围为64KB。2.4.1数据存储器数据存储器第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理2.4.2 程序存储器程序存储器 8051单片机的程序存储器（单片机的程序存储器（program memory）用于存放经调试正确的应用程序和表格之类的固用于存放经调试正确的应用程
46、序和表格之类的固定常数。由于采用定常数。由于采用16位的程序计数器位的程序计数器 PC和和16位的位的地址总线，因而其可扩展的地址空间为地址总线，因而其可扩展的地址空间为64KB，从，从而允许用户程序调用或转向而允许用户程序调用或转向64KB的任何存储单元。的任何存储单元。 第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理目前单片机的程序存储器有以下几种结构形式：片内只读存储器片内只读存储器 片内只读存储器的芯片内部有片内只读存储器的芯片内部有4KB的掩膜的掩膜ROM，该，该存储器的特点是，程序必须在单片机制作时写入。存储器的特点是，程序必须在单片机制作时写入。片外只读存储
47、器片外只读存储器 利用单片机的并行扩展技术可以外扩片外只读存储利用单片机的并行扩展技术可以外扩片外只读存储器。器。2.4.2 程序存储器程序存储器第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理片内可编程的片内可编程的ROM 片内可编程的片内可编程的ROM又分为紫外线可擦除型又分为紫外线可擦除型ROM和和电可擦除型电可擦除型ROM。紫外线可擦除型。紫外线可擦除型ROMEPROM型单片机型单片机(如如87C51)，芯片内部有，芯片内部有4KB的的存储空间。存储空间。EPROM需用紫外线擦除，必须脱机需用紫外线擦除，必须脱机固化，不能在线改写。固化，不能在线改写。电可擦除型电可
48、擦除型ROMEEPROM，也称为，也称为Flash单单片机片机(如如89C51)。EPROM和和EEPROM都是可以多都是可以多次擦除和编程的，或称次擦除和编程的，或称MTP的的ROM2.4.2 程序存储器程序存储器第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理2.4.3 特殊功能存储器特殊功能存储器 特特殊殊功功能能寄寄存存器器SFR（Special Function Register）是是8051中中各各功功能能部部件件所所对应的的寄寄存存器器，用用以以存存放放相相应功能部件的控制命令、状功能部件的控制命令、状态或数据的区域。或数据的区域。 8051设有有128B的片
49、内数据的片内数据RAM结构的特殊功能寄构的特殊功能寄存器空存器空间区。除程序区。除程序计数器数器PC和和4个通用工作寄个通用工作寄存器存器组外，其余所有的寄存器都在外，其余所有的寄存器都在这个地址空个地址空间之内。之内。80C51共定共定义了了21个特殊功能寄存器，其个特殊功能寄存器，其名称和字名称和字节地址地址见表表2-6。 第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理序号序号标识符符名称名称字字节地址地址位地址位地址1ACC累加器累加器EOHE0HE7H2BB B寄存器寄存器FOKF0HF7H3PSW程序状程序状态字字D0HD0HD7H4SP堆堆栈指指针81H5DP
50、TR数据指数据指针（DPHDPH，DPLDPL）83H、82H6P0P0P0口口80H80H87H7P1P1P1口口90H90H97H8P2P2P2口口A0HA0HA7H9P3P3P3口口B0HB0HB7H10IP中断中断优先先级控制寄存器控制寄存器B8HB8HBFH11IE中断允中断允许控制寄存器控制寄存器A8HA8HAFH12TOMD定定时器器/ /计数器方式控制寄存器数器方式控制寄存器89H2.4.3 特殊功能存储器特殊功能存储器 第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理13TCON定定时器器/ /计数器控制寄存器数器控制寄存器88H88H8FH14T2CON
51、定定时器器/ /计数器数器2 2控制寄存器控制寄存器C8HC8HCFH15TH0定定时器器/ /计数器数器0 0（高字（高字节）8CH16TL0定定时器器/ /计数器数器0 0（低字（低字节）8AH17TH1定定时器器/ /计数器数器1 1（高字（高字节）8DH18TL1定定时器器/ /计数器数器1 1（低字（低字节）8BH19TH2定定时器器/ /计数器数器2 2（高字（高字节）CDH20TL2定定时器器/ /计数器数器2 2（低字（低字节）CCH21RLDH定定时器器/ /计数器数器2 2重自重自动装装载（高字（高字节）CBH22RLDL定定时器器/ /计数器数器2 2重自重自动装装载（低
52、字（低字节）CAH23SCON串行口控制寄存器串行口控制寄存器98H98H9FH24SBUF串行数据串行数据缓冲器冲器99H25PCON电源控制及波特率源控制及波特率选择寄存器寄存器97H2.4.3 特殊功能存储器特殊功能存储器 第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理2.5 MCS-5l单片机外部引脚及功能单片机外部引脚及功能 掌握掌握MCS-5l单片机，应首先了解单片机，应首先了解MCS-51系列单系列单片机的引脚，熟悉并牢记各引脚的功能。片机的引脚，熟悉并牢记各引脚的功能。MCS-51系列单片机中各种型号芯片的引脚是互相兼容的。系列单片机中各种型号芯片的引脚是
53、互相兼容的。制造工艺为制造工艺为HMOS的的MCS-51系列单片机都采用系列单片机都采用40只引脚的双列直插封装只引脚的双列直插封装DIP方式如图方式如图2-10所示。所示。目前大多数为此类封装方式。制造工艺为目前大多数为此类封装方式。制造工艺为CHMOS的的80C5180C52除采用除采用40脚脚DIP封装方封装方式外，还采用方形封装方式，为式外，还采用方形封装方式，为44只引脚。只引脚。第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理图图2-10 MCS-51系列单片机双列直插封装方式的引脚图系列单片机双列直插封装方式的引脚图 第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原
54、理系列单片机结构和工作原理 在某些在某些场合，不需通合，不需通过并行并行总线扩展芯片，展芯片，这时常常采用采用20引脚双列直插（引脚双列直插（DIP）甚至）甚至仅14引脚的引脚的单片机，如片机，如ATMEL公司的公司的1051/2051/4051/89C2051单片机等，或片机等，或PHILIPS公司的公司的P87LPC764单片机。片机。它它们的封装及引脚如的封装及引脚如图2-10所示。所示。 2.5 MCS-5l单片机外部引脚及功能单片机外部引脚及功能第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理图图2-11 非总线型单片微机引脚示意图非总线型单片微机引脚示意图2.5
55、 MCS-5l单片机外部引脚及功能单片机外部引脚及功能第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理按功能引脚可分按功能引脚可分为三三类：电源及源及时钟引脚：引脚：Vcc、Vss、XTAL1、XTAL2。Vcc：电源源接接入入引引脚脚。运运行行和和程程序序校校验时接接直直流流电源源正正端端。Vcc 一般操作一般操作时为+5V电源。源。Vss：接地引脚。：接地引脚。XTAL1：晶体振：晶体振荡器接入的一个引脚。器接入的一个引脚。输入到入到单片机内部振片机内部振荡器的反相放大器。当采用外部振器的反相放大器。当采用外部振荡器器时，对HMOS单片机，片机，此引脚此引脚应接地；接地
56、；对CHMOS单片微机，此引脚作片微机，此引脚作驱动端。端。XTAL2：晶体振：晶体振荡器接入的另一个引脚，器接入的另一个引脚，输入到内部入到内部时钟发生器。当采用外部振生器。当采用外部振荡器器时，XTAL2接收振接收振荡器信号。器信号。2.5 MCS-5l单片机外部引脚及功能单片机外部引脚及功能第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理工作寄存器区工作寄存器区位位寻址区址区字节寻址区字节寻址区 堆栈区及堆栈指针堆栈区及堆栈指针SPSP2.5 MCS-5l单片机外部引脚及功能单片机外部引脚及功能第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理2.6
57、 单片机的工作方式单片机的工作方式 MCS-51系列单片机的工作方式有复位方式、系列单片机的工作方式有复位方式、程序执行方式、低功耗方式和片内程序执行方式、低功耗方式和片内ROM编编程方式等几种。程方式等几种。第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理1.复位方式复位方式2.6 单片机的工作方式单片机的工作方式第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理名称名称对应值名称名称对应值PC000HTMOD00HAcc00HTCON00HB00HTH000HPSW00HTL000HSP07HTH100HDPTR0000HTL100HP0P3FFHSC
58、ON00HIP00000BSBUF不定不定IE000000BPCON00000B2.6 单片机的工作方式单片机的工作方式第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理2程序执行方式程序执行方式连续执行方式连续执行方式单步执行方式单步执行方式2.6 单片机的工作方式单片机的工作方式3低功耗方式低功耗方式空闲方式空闲方式掉电保护方式掉电保护方式2.6 单片机的工作方式单片机的工作方式第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理4中断方式中断方式 中断是单片机实时处理内部或外部事件（即为中断是单片机实时处理内部或外部事件（即为中断请求）的一种内部机制。中断请求）的一种内部机制。2.6 单片机的工作方式单片机的工作方式第2章 MCS-51系列单片机结构和工作原理系列单片机结构和工作原理
