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第二章 MCS-51 单片机 组成与工作原理 §2-1 MCS-51 单片机结构及组成 §2-2 MCS-51 单片机存储器组织

第二章 MCS-51 单片机 组成与工作原理 §2-1 MCS-51 单片机结构及组成 §2-2 MCS-51 单片机存储器组织. §2-1 MCS-51 单片机结构及组成 一、系统资源及主要性能特点 1 、系统资源 MCS-51 单片机是 Intel 公司 1980 推出的高档 8 位单片机，采 用 40 脚双列直插封装或 44 脚方形封装 ， 51 、 52 系列功能兼容。 8031 内包括： 1 个 8 位 CPU ； 128 个字节 RAM ； 21 个特殊功能寄存器； 4 个 8 位并行 I/O 口；

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第二章 MCS-51 单片机 组成与工作原理 §2-1 MCS-51 单片机结构及组成 §2-2 MCS-51 单片机存储器组织

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  1. 第二章 MCS-51单片机 • 组成与工作原理 • §2-1 MCS-51单片机结构及组成 • §2-2 MCS-51单片机存储器组织

  2. §2-1 MCS-51单片机结构及组成 • 一、系统资源及主要性能特点 • 1、系统资源 • MCS-51单片机是Intel公司1980推出的高档8位单片机，采 • 用40脚双列直插封装或44脚方形封装，51、52系列功能兼容。 • 8031内包括： • 1个8位CPU； • 128个字节RAM； • 21个特殊功能寄存器； • 4个8位并行I/O口； • 1个全双工串行口（二根线）； • 2个16位定时计数器器； • 1个片内振荡器和时钟电路； • 5个中断源2个中断优先级；

  3. 8051/8751：带有4KB ROM/EPROM • 52子系列的RAM/ROM容量为：256B/8KB • 2、性能特点 • 单片机为哈佛结构的计算机，除上述基本资源外，还具 • 有如下特点： • 外部程序存储器：可扩展到64KB； • 外部数据存储器：可扩展到64KB； • 堆 栈：最深128B/256B； • 输入 / 输出口线：32根； • 寄 存 器 区：划出RAM中32B作为通用寄存器； • 具有逻辑操作位寻址功能； • 单一“+5V”电源； • 系统时钟1~12 MHz，常用12MHz、11.0592MHz 和 6MHz。

  4. 二、MCS-51单片机基本结构 • 1、内部结构框图 • 结构简图如图2-1所示 • 包括：CPU、存储器（ROM、RAM）、I/O接口等计算机的基本组成。

  5. 2、外部引脚 • 共40个引脚，大致可分为四类，其逻辑符号如图2-2所示。 • 1）电源引脚VCC和VSS • VCC：40脚，电源端，+5V • VSS：20脚，接地端（GND） • 2）时钟电路引脚 • XTAL1：19脚，外接晶振输入引脚。 • XTAL2：18脚，外接晶振输出引脚。 • 3）控制线引脚 • 共4根，其中3根为双功能 • ①RST/VPD ：9脚，复位/备用电源。 • RST---通过外接复位电路实现上电复位或按键复位。 • VPD---可外接备用电源，在VCC掉电时向RAM供电。

  6. ② /VPP：31脚，内外ROM的选择/ EPROM编程电源。 • =0：访问外部ROM； • =1：访问内部ROM； • PC值超过0FFFH（4KB）时，自动转向外ROM。 • VPP ---在8751片内EPROM编程期间，为21V编程电源输入端。 • ③ALE/：30脚，地址锁存允许/编程脉冲。 • ALE---访问外ROM或RAM时，用来驱动地址锁存器锁存P0口 • 分时送出的低8位地址（下降沿有效）。 • 不访问外存储器时，该端以1/6时钟频率输出正脉冲， • 可用作为外部时钟。带8个LS型TTL门电路。 • --- 8751片内EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。 • ④ ：29脚，读外部ROM选通信号，即该脚有效时（上升沿），外ROM允许输出。每个机器周期2次有效。从内部ROM取指时不产生。可带8个LS型TTL门电路。

  7. 4）I/O引脚 • P0口：P0.0~P0.7，39~32脚，外接存储器时作地址/数据分时 • 使用口线；不接外部存储器时，可用作为8位准双向 • I/O口。 • P1口：P1.0~P1.7，1~8脚，8位准双向I/O口。 • P2口：P2.0~P2.7，21~28脚，8位准双向I/O口。外接存储器时 • 作为高8位地址总线。 • P3口：P3.0~P3.7，10~17脚，8位准双向I/O口，出于芯片引脚 • 数的限制，P3口具有第二输出、输入功能。 • 三、微处理器（CPU） • （一）运算器 • 组成：ALU、TMP1、TMP2、A、B、PSW、DA A和布尔处 • 理机等。

  8. DA A：BCD码十进制修正，由专用电路实现。 • 布尔处理机：进位位CY，被称作“位累加器”，可在 • 任何可寻址的位与CY间进行逻辑运算操作。 • 与通用CPU相比，增加了暂存寄存器和B寄存器 •  （二）控制器 • 组成：PC、SP、DPTR、IR、ID、PLA等 • 1、时钟电路 • （1）振荡源（oscillation） • MCS-51的HMOS芯片内部时钟电路的振荡源有两 • 种方式提供，即内部自激振荡方式、外部振荡脉冲源 • 方式。

  9. （1）振荡源（oscillation） • 内部方式 在XTAL1、XTAL2跨接定时元件和两个电 • 容就构成了自激振荡器。如图2-3.1所示。 • C1、C2取5~30PF，起微调和稳定作用。 • 晶振频率：fosc=1.2~12MHZ • 常用频率为6、12、11.0592 MHz。 • 外部方式 外部振荡脉冲信号直接由XTAL2端输入， • 此时，XTAL1应接地，而片内振荡电路不 • 起作用，如图2-3.2所示。 • 常用于多块8051同时工作，以便同步，要 求信号频率低于12MHz。

  10. （2）时序 • 振荡脉冲并不直接使用，由XTAL2端送往内部时钟电路： • 经过2分频，向CPU提供2相时钟信号P1和P2； • 再经3分频，产生ALE时序； • 经过12分频，成为机器周期信号，如图2-3.3所示。 • 需要指出的是，CPU的运算操作在P1期间，数据传送在P2期间。

  11. 时钟周期：振荡器输出的时钟脉冲频率的倒数。为单时钟周期：振荡器输出的时钟脉冲频率的倒数。为单 • 片机中最小、最基本的时间单位。 • 状态周期：振荡信号经2分频后获得的信号周期，称S， • 显然，S为时钟周期的2倍。 • 机器周期：12个时钟周期为一个机器周期，对应计算 机执行一个基本操作所需的时间。 • 指令周期：执行一条指令所需的时间，至少包含一个 机器周期。 • 指令字节：指令占用存储空间的字节数，有单字节、 双字节、三字节三类。 • 当时钟频率为12MHz和6MHz时，时钟周期分别为 • 1/12us和1/6us ，机器周期分别为1us和2us。

  12. ALE时序：地址锁存信号，每个机器周期2次有效，分别在S1、ALE时序：地址锁存信号，每个机器周期2次有效，分别在S1、 • S4状态。每次出现，CPU进行一次取指操作。 • 2、复位电路 • MCS-51单片机的复位信号，高电平有效。电路结构如图2-4, • RST/VPD引脚至少保持2个机器周期的高电平，才能复位。 • （1）复位工作状态 • 复位时，各SFR寄存器的状态为： • （PC）=0000H； • （SP）=07H； • （P0～P3）=FFH； • 其余SFR寄存器内容均为0； • RAM的内容保持不变； • 外部引脚，ALE=0， =1。

  13. （2）复位电路 复位方式有上电自动复位、按键手动复位两种。 如图2-4所示。在按键手动电平复位电路中，具有上 电和按键双重功能。

  14. 3、指针 • 程序计数器 PC • 16位计数器，指向程序存储器中被执行的指令所在的地址。本身没有地址，在物理上独立。 • 寻址范围0000～FFFFH的64KB空间。 • 数据指针DPTR • 16位地址指针，可寻址范围0000～FFFFH 的64KB空间，可指向程序、数据存储器。 • 堆栈指针SP • 8位地址寄存器，SP用来管理堆栈。它指向内部RAM的一个存储单元，且总是指向栈顶单元。 • MCS-51的堆栈是内部RAM中的一个部分，符合“先进后出、后进先出”原则。

  15. 四、存储器 • MCS-51的程序存储器与数据存储器是分开的，地址空 • 间重迭，最大可扩展到64KB。 • 1、程序存储器ROM • （1）8031内部无程序存储器 • 由于8031无片内程序存储器，需外接，因此， 端必须 • 外接低电平，如图2-6所示。 • （2）8051、8751内部有4KB ROM/EPROM • =0，使用外部程序存储器； • =1，使用内部程序存储器4KB空间，当PC的值超过4KB • 范围时，自动转向外部程序存储器。 • 2、数据存储器RAM • （1）内部RAM中低128B，00～7FH； • （2）外部RAM，可扩至64KB，0000~FFFFH

  16. 五、并行输入/输出口 • MCS-51单片机有4个8位并行I/O口，P0～P3，共32根口线。 • 每个端口都包括：锁存器（即SFR：P0-P3）、输出驱动器、 • 两个三态缓冲器以及控制电路。结构如下图所示。

  17. 1、P1口（90H） 特点： （1）准双向口：作为I/O输入时，口锁存器必须置“1”，使T截止，输入信号通过“读引脚”三态缓冲器进入内部总线。 （2）内部有上拉电阻（20KΩ～40KΩ）； （3）CPU读P1口的二种情况： ①读P1口的锁存器状态值：“读─改─写”指令。 例ANL P1，#0FH； ②读P1口的引脚（外部输入）。例MOV A，P1；

  18. 2、P3口（B0H） • 特点： • （1）准双向口：条件为第二功能输出端常“1”，与门开锁； • （2）第二功能口：作为第二功能口使用时，（P3）=FFH；某 • 位作为第二功能输入时，第二功能输出也必须置“1”。

  19. 第二功能输出： • P3.0—TXD，串行输出口； • P3.6— ，外部数据存储器写选通信号 • P3.7— ，外部数据存储器读选通信号 • 第二功能输入： • P3.1—RXD，串行输入口； • P3.2— ，外部中断输入0 ； • P3.3— ，外部中断输入1； • P3.4—T0，外部计数输入0 • P3.5—T1，外部计数输入1； • 3、P2口（A0H） • 特点： • （1）控制端高电平时，作为高8位地址输出口。 • （2）控制端低电平时，最小系统（8051、8751）作准双向口。

  20. P2口结构 4、P0口（80H） 特点： （1）控制端高电平时，作为低8位地址和8位数据分时使用口，供扩展时使用。 （2）控制端低电平时，T1截止，使T2漏极开路，输出“1”时须外接上拉电阻，最小系统（8051、8751）作准双向。

  21. P0口结构 • 注意： • P0口作地址/数据总线输出时，通过反相器、与门工作。 • P0口作外部数据输入时，CPU使T1、T2均截止，引脚浮空， • 第三态，数据经“读引脚”输入缓冲器进入内部总 • 线----是真正的双向口。

  22. 端口小结： • （1）系统总线： • 地址总线（16位）：P0（地址低8位）、P2口（地址高8位） 数据总线（8位）：P0口（地址/数据分时使用）； • 控制总线（6根）：P3口的第二功能、和9、29、30、31脚； • （2）供用户使用的端口：P1口、部分未作第二功能的P3口； • （3）P0口作地址/数据时，是真正的双向口，三态，负载能力 • 为8个LSTTL电路；P1～P3是准双向口，负载能力 • 为4个LSTTL电路。 • （4）P0～P3在用作输入之前必须先写“1”，即： • （P0）=FFH ~（P3）=FFH 。

  23. 六、MCS-51单片机最小应用系统结构 • 1、8751/8051最小应用系统 • 外接时钟电路和复位电路，即构成应用系统，如图2-6.1。特点： • 1）不扩展外ROM、外RAM， 接高电平，P0~P3口都可用 • 作I/O口； • 2）128BRAM、4KBROM，容量有限； • 3）开发时、应用时P0、P2口的环境差异较大； • 4）8051系统应用软件需厂家置入，一般用作为大批量产品。 • 2、8031最小应用系统 • 外接时钟电路和复位电路，需外扩一片程序存储器，一 • 般为EPROM，构成应用系统，如图2-6.2。 • 特点： • 1）P0、P2口只能作总线用，剩下P1、P3口作I/O口。 • 2） 接地，ALE、 作为地址锁存和读ROM信号。

  24. §2-2 MCS-51单片机存储器组织 • MCS-51存储器可分为五类：程序存储器、内部数据存 • 储器、特殊功能存储器、位寻址区、外部扩展的数据存储器和 • 扩展I/O口。如图2-7所示。

  25. 一、程序存储器 • 1、程序存储器作用及寻址范围 • 作 用：存放指令（程序）的存储器，用PC作地址指针。 • 寻址范围：0000～FFFFH，共64KB；片内、片外统一编址。 • 片内：PC=0000～0FFFH； • 片外：PC=1000～FFFFH； • 2、ROM低端的几个特殊入口地址 • 0000H：CPU开始执行指令时的第一个取指单元，每次执行时 PC的内容总是0000H； • 0003H~002B：中断专用固定入口地址（系统规定）； • 一般：我们总是从ROM的0030H单元开始存放用户指令。

  26. 二、内部数据存储器 • 字节地址：00～7FH；有128个8位单元字节。 • 按功能划分为三个部分：  • 1、工作寄存器区：00～1FH • （1）共分4个区，00～07，08～0F，10～17，18～1F； • （2）每区有8个工作寄存器：R0～R7； • （3）当前工作寄存器区：由PSW中的第三、第四位选择，具 • 有快速保护现场数据的作用，也可作为一般的数据缓冲器。 • PSW4（RS1） PSW3（RS0） 当前区 字节地址 工作寄存器 • 0 0 0 区 00～07H （R0~R7） • 0 1 1 区 08～0FH （R0~R7） • 1 0 2 区 10～17H （R0~R7） • 1 1 3 区 18～1FH （R0~R7）

  27. 2、位寻址区： 20H～2FH • 共16个字节，16×8=128个位，位地址：00～7FH。 • 51系列整个位地址空间为：00～FFH，共211位。 • 1）00～7FH为片内RAM中20～2FH的16个字节单元 • 中的128个位。 • 2）80～FFH中11个SFR的可寻址位，83位。它们是： • A、B、PSW、P0～P3、TCON、SCON、IE、IP • 52系列的SFR可寻址为93位，共221位。 • 3、数据缓冲区： 30H～7FH • （1）作为通用的按字节操作的数据缓冲区。 • （2）常开辟为堆栈区。 • 堆栈主要为子程序和中断操作而设立，是一种数据结构， • 它只允许在其一端进行数据的插入和删除操作，又称为入栈和 • 出栈，MCS-51的堆栈是向上生长型的。

  28. 堆栈的特点： • ① 是一个符合“先进后出、后进先出”的RAM区域 • ② SP总是指向堆栈的顶部（保存有数据）； • ③ 堆栈可以设在内部RAM中的任意区域，一般开辟 • 在30～7FH中。 • 堆栈的功能： • ①保护断点----保护从主程序转向子程序、中断时的 • 断点，发生转移时自动完成。 • ②保护现场----对子程序、中断程序中要用到的、现 • 场的某些寄存器的内容进行保护，以保证返回时确恢复。软件指令方式实现。 • ③数据的临时存放。

  29. 三、特殊功能寄存器区：80～FFH • 即SFR，包括I/O锁存器、定时器、串行口、中断、状态、控制寄存器等共21个。 • 离散地分布在80～FFH中（不包括PC）。 • 如下所示： • 算术运算寄存器：A、B、PSW • 指针寄存器：SP、DPTR（DPH，DPL） • 并行口：P0、P1、P2、P3 • 串行口：SCON、SBUF、PCON • 中断系统：IP、IE • 定时/计数器：TMOD、TCON、TH0、TL0、TH1、TL1 • 特别需要指出的是，51系列内部RAM，80~FFH中未定义 • 的单位为不可访问单元。

  30. 四、外部扩展数据存储器和扩展I/O口 • 外部扩展数据存储器：最大可扩展到64KB，由P3口的第二功能、控制其读、写，并通过MOVX指令访问。 • 扩展I/O口：MCS-51单片机将其看作外RAM的一个单元，与外RAM统一编址，提供16位寻址能力，寻址范围也是64K，但需要注意的是，为区别于外RAM地址，扩展I/O口一般用高端地址。

  31. 本章小结 • 1、单片机结构框图、硬件资源、引脚功能 • 2、   CPU、存储器配置、P0～P3口 • 2、内部数据存储器、特殊功能存储器、位地址空间、程序存储器、数据存储器和外部扩展Ｉ／Ｏ端口 • 重点：引脚功能、存储器空间结构 • 难点：存储器地址和存储器的内容难以区 别，字节地址和位地址难以理解

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