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1、李芳主编lMCS-51MCS-51单片机内部结构单片机内部结构l存存 储储 器器l特殊功能寄存器特殊功能寄存器l时钟电路和复位电路时钟电路和复位电路l引脚引脚l 内内 容容 提提 要要 MCS-51系列单片机有多种型号的产品：系列单片机有多种型号的产品：一般型（一般型（51子系列）子系列）8051、8031、8751、89C51、89S51等。等。增加型（增加型（52子系列）子系列）8032、8052、8752、89C52、89S52等。等。它们的结构基本相同，其主要差别反映在存它们的结构基本相同，其主要差别反映在存储器的配置上。储器的配置上。8031片内没有程序存储器片内没有程序存储器805
2、1内部设有内部设有4KB的掩模的掩模ROM程序存储器程序存储器8751是将是将8051片内的片内的ROM换成换成EPROM89C51则换成则换成4KB的闪速的闪速EEPROM89S51结构同结构同89C51，4KB的闪速的闪速EEPROM可在线编程可在线编程增加型的存储容量为一般型的一倍增加型的存储容量为一般型的一倍 本课以本课以 8XX51 代表这一系列的单片机。代表这一系列的单片机。51系列单片机内部结构。系列单片机内部结构。图1-1 (图中“/”两边分别为基本型和增加型)P3P1P2 可编程 串行I/O口P0外部中断基准频率源控制 128/256B数据存储器 4KB/8KB程序存储器 2
3、/3个16位定时/计数器 振荡器及 定时电路 CPU 64KB总线扩展控制 可编程并行I/O口内部中断计数脉冲串行输出串行输入1.1.2 CPU1.1.2 CPUl CPU是单片机的核心部件。它由运算器和限制器等部件组成。是单片机的核心部件。它由运算器和限制器等部件组成。l 1.运算器运算器 运算器的功能是运算器的功能是 l进行算术运算：加、减、乘、除、加进行算术运算：加、减、乘、除、加1、减、减1、比较、比较BCD码十进制调整等码十进制调整等l逻辑运算：与、或、异或、求反、循环等逻辑操作逻辑运算：与、或、异或、求反、循环等逻辑操作l位操作：内部有布尔处理器，它以进位标记位位操作：内部有布尔处
4、理器，它以进位标记位C为位累加器，用来处理位操作。可对位置为位累加器，用来处理位操作。可对位置“1”、对位清零、对位清零、位推断等。、位推断等。l 操作结果的状态信息送至状态寄存操作结果的状态信息送至状态寄存PSW。2.2.程序计数器程序计数器PCPC 程序计数器程序计数器PCPC是是1616位的寄存器，用来存放即将要执行的指令位的寄存器，用来存放即将要执行的指令地址，可对地址，可对64KB64KB程序存储器干脆寻址。执行指令时，程序存储器干脆寻址。执行指令时，PCPC内容的低内容的低8 8位经位经P0P0口输出，高口输出，高8 8位经位经P2P2口输出。口输出。3.3.限制部件是单片机的神经
5、中枢限制部件是单片机的神经中枢,它包括定时和限制电路、它包括定时和限制电路、指指令寄存器、令寄存器、译码器及信息传送限制部件。指令寄存器中存放指译码器及信息传送限制部件。指令寄存器中存放指令代码。令代码。CPUCPU执行指令时，由程序存储器中读取的指令代码送入执行指令时，由程序存储器中读取的指令代码送入指令存储器，经指令译码器译码后由定时与限制电路发出相应的指令存储器，经指令译码器译码后由定时与限制电路发出相应的限制信号，完成指令功能。限制信号，完成指令功能。1.2 存存 储储 器器 MCS-51 MCS-51的储存器结构与常见的微型计算机的配置方法的储存器结构与常见的微型计算机的配置方法不同
6、不同,它将程序存储器和数据存储器分开它将程序存储器和数据存储器分开,各有自己的寻址各有自己的寻址方式、限制信号和功能。方式、限制信号和功能。程序存储器用来存放程序和始终要保留的常数。程序存储器用来存放程序和始终要保留的常数。数据存储器存放程序运行中所须要的常数和变量。数据存储器存放程序运行中所须要的常数和变量。从物理空间看从物理空间看,MCS-51,MCS-51有四个存储器地址空间：有四个存储器地址空间：片内数据存储器、片外数据存储器片内数据存储器、片外数据存储器片内程序存储器、片外程序存储器片内程序存储器、片外程序存储器 MCS-51 MCS-51存储器物理结构见下图所示：存储器物理结构见下
7、图所示：外部数据 存储器 (RAM)外部程序 存储器 (ROM)内部程序 存储器内部数据 存储器8XX51 从逻辑上看,MCS-51有三个存储器空间：片内数据存储器、片外数据存储器 片内、片外统一编址的程序存储器 MCS51的存储器逻辑结构如下图。MCS-51存储器物理结构 引脚引脚 EA 的接法确定了程序储存器的的接法确定了程序储存器的00000FFFH 4KB地址范围是在单片机片内还是片外。地址范围是在单片机片内还是片外。H00000FFFH图1-2 MCS-51单片机的存储器逻辑结构FFFFH0000H0FFFH 外部 RAM 外部R O M内部ROM (EA=1)H00008031外部
8、ROM (EA=0）80511000HFFFFH 特殊功能 寄存器内部数据存储器内部数据存储器 内部数据 RAM7FH80H00HFFH外部数据存储器外部数据存储器 （增强型）程序存储器程序存储器 地址重叠 1.2.1 程序储存器程序储存器 程序存储器用来存放编制好的始终保留程序存储器用来存放编制好的始终保留的固定程序和表格常数。程序储存器以程的固定程序和表格常数。程序储存器以程序计数器序计数器 PC 作为地址指针，通过作为地址指针，通过16位地位地址总线，可寻址的地址空间为址总线，可寻址的地址空间为64KB。在在8051/8751/89C51 片内，分别内置最低片内，分别内置最低地址空间的地
9、址空间的4KB ROM/EPROM程序储存程序储存器（内部程序储存器），而在器（内部程序储存器），而在8031片内，片内，则无内部程序储存器，必需外部扩展则无内部程序储存器，必需外部扩展EPROM。MCS-51单片机中单片机中64KB内、外内、外程序储存器的地址是统一编排的。程序储存器的地址是统一编排的。8031 8031单片机无内部程序存储器，地址从单片机无内部程序存储器，地址从0000H0000HFFFFHFFFFH都是外部程序存储空间。都是外部程序存储空间。对于内部有对于内部有ROMROM的单片机（的单片机（5151、5252系列）系列）引脚接高电平，使程序从内部引脚接高电平，使程序从内
10、部ROMROM起先起先执行。当执行。当PCPC值超出内部值超出内部ROMROM的容量时，会自动的容量时，会自动转向外部程序存储器空间。外部程序存储器转向外部程序存储器空间。外部程序存储器地址空间为地址空间为1000H1000HFFFFHFFFFH。访问程序存储器运用访问程序存储器运用MOVCMOVC指令。指令。EAl 程序存储器中的几个特殊地址的运用：程序存储器中的几个特殊地址的运用：l 地址地址 用途用途l 0000H 0000H 复位操作后的程序入口复位操作后的程序入口l 0003H 0003H 外部中断外部中断0 0服务程序入口服务程序入口l 000BH 000BH 定时器定时器0 0中
11、断服务程序入口中断服务程序入口l 0013H 0013H 外部中断外部中断1 1服务程序入口服务程序入口l 001BH 001BH 定时器定时器1 1中断服务程序入口中断服务程序入口l 0023H 0023H 串行口中断服务程序入口串行口中断服务程序入口l 由于两入口地址之间的存储空间有限，因此由于两入口地址之间的存储空间有限，因此在编程时，通常在这些入口地址起先的两三个地址在编程时，通常在这些入口地址起先的两三个地址单元中，放入一条转移类指令，已使相应的程序转单元中，放入一条转移类指令，已使相应的程序转到指定的程序存储器区域中执行。到指定的程序存储器区域中执行。1.2.2 外部数据存储器用于
12、存放随机读写的数据。外部I/O口地址影像区。MCS-51单片机的外部数据存储器和外部I/O口实行统一编址，并运用相同的 作选通限制信号，均运用 MOVX 指令访问。MCS-51 单片机最多可扩展64KB外部数据存储器1.2.3 内部数据储存器 内部数据存储器是运用最多的地址空间，存放随机读写的数据通用寄存器区 RD WRl堆栈区l运算操作数存放区l 指令（算术运算、逻辑运算、位操作运算等）的操作数只能在此地址空间或特殊功能寄存器地址空间。l内部数据存储器的地址安排l 51 系列单片机内部数据存储器地址范围为007FH。各区域地址见下表。l（1）地址 01FH的前32个单元称为寄存器区l用途：作
13、通用寄存器R0R7。l R0与R1可作间址寄存器运用。运用时应留意：运用时应留意：32 32个单元的寄存器区分为四组，运用时只能个单元的寄存器区分为四组，运用时只能选其中一组寄存器。选其中一组寄存器。寄存器的选组由程序状态字寄存器的选组由程序状态字PSWPSW的的RS1RS1和和RS0RS0位定。位定。RS1 RS0 RS1 RS0 选寄存器组选寄存器组 0 0 0 0 0 0组组 0 1 1 0 1 1组组 1 0 2 1 0 2组组 1 1 3 1 1 3组组 初始化时或复位时，自动选中初始化时或复位时，自动选中0 0组。组。一旦选中一组，其它三组只能作为数据存储器一旦选中一组，其它三组只
14、能作为数据存储器运用，而不能作为寄存器运用。运用，而不能作为寄存器运用。设置多组寄存器可以便利爱护现场。设置多组寄存器可以便利爱护现场。（2 2）20H20H2FH2FH为位地址区为位地址区 共共1616个单元，每单元有八个位，每位有一个位地址，共个单元，每单元有八个位，每位有一个位地址，共128128位，位，位地址范围为位地址范围为00H00H7FH7FH，该区既可位寻址，又可字节寻址。，该区既可位寻址，又可字节寻址。（3 3）除选中的寄存组以外的存储器均可以作为通用）除选中的寄存组以外的存储器均可以作为通用RAMRAM区。区。（4 4）堆栈区）堆栈区 8XX51 8XX51单片机的堆栈设在
15、内部单片机的堆栈设在内部RAMRAM区，深度不大于区，深度不大于128128字节，字节，初始化时初始化时SPSP指向指向07H07H。注：注：对对5151基本型单片机只有基本型单片机只有00H00H7FH7FH单元单元128128字节的字节的RAMRAM区。区。对对5252增加型的单片机还有增加型的单片机还有80H80HFFHFFH组成的高组成的高128128字节字节RAMRAM区（共区（共256256字节）。字节）。1.3特殊功能寄存器特殊功能寄存器 MCS-51单片机共有单片机共有21个字节的特殊功能寄个字节的特殊功能寄存器用英文缩写存器用英文缩写SFR（Special Fuction R
16、egister）表示。）表示。1.用途：用途：A 累加器、状态标记寄存器累加器、状态标记寄存器单片机内部各部件专用的限制、状态寄存器单片机内部各部件专用的限制、状态寄存器并行口、串行口影射寄存器并行口、串行口影射寄存器2.地址空间：地址空间：21个特殊功能器不连续的分布在个特殊功能器不连续的分布在80HFFH 128个字节地址空间。个字节地址空间。地址为地址为X0H和和X8H是可位寻址的寄存器。是可位寻址的寄存器。CY CY：进：进/借位标记借位标记 反映最高位的进位借位状况，加法为进位、减反映最高位的进位借位状况，加法为进位、减 法为借位。法为借位。CY=1 CY=1，有进，有进/借位借位
17、；CY=0 CY=0，无进，无进/借位。借位。AC AC：协助进：协助进/借位标记借位标记 反映高半字节与低半字节之间的进反映高半字节与低半字节之间的进/借位，借位，AC=1 AC=1有进有进/借位；借位；AC=0 AC=0无进无进/借位借位 。FO FO：用户标记位。可由用户设定其含义。：用户标记位。可由用户设定其含义。RS1 RS1，RS0RS0：工作寄存器组选择位。：工作寄存器组选择位。OVOV：溢出标记：溢出标记 反映补码运算的运算结果有无溢出反映补码运算的运算结果有无溢出 有溢出有溢出 OV=1 OV=1，无溢出，无溢出OV=0OV=0。P P：奇偶标记：奇偶标记 运算结果有奇个运算
18、结果有奇个“1”“1”，P=1P=1；运算结果有偶个运算结果有偶个“1”“1”，P=0P=0。影响标记位的指令及其影响方式见第影响标记位的指令及其影响方式见第2 2章。章。SPSP堆栈指针。堆栈指针。8XX518XX51单片机的堆栈设在片内单片机的堆栈设在片内RAMRAM，D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 CY AC F0RS1 RS0OV P注：在52子系列中，高128字节RAM和SFR的地址是重叠的，原委访问哪一块可通过不同的寻址方式加以区分，访问高128字节RAM接受寄存器间址，访问SFR则只能接受干脆寻址，访问低128字节RAM时，两种寻址均可接受。1.4 时钟电路与复位
19、电路时钟电路与复位电路内部振荡方式内部振荡方式：在引脚 XTAL1和 XTAL2外接晶体振荡器（简称晶振）。XTAL1XTAL2GND8XX51C01C021.4.1 时钟电路时钟电路 单片机的时钟信号用来供应单片机内各种单片机的时钟信号用来供应单片机内各种微操作时间基准，微操作时间基准，8XX51单片机的时钟信号通单片机的时钟信号通常有两种电路形式：常有两种电路形式：内部振荡方式和外部振荡方式。内部振荡方式和外部振荡方式。电容器C01、C02起稳定振荡频率、快速起振的作用。电容值一般为 530PF。由于单片机内部有一个高增益运算放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。8X
20、X51 外部振荡方式是把外部振荡方式是把已有的时钟信号引入单已有的时钟信号引入单片机。这种方式适宜用片机。这种方式适宜用于使单片机的时钟与外于使单片机的时钟与外部信号保持一样。外部部信号保持一样。外部振荡方式如图。振荡方式如图。对HMOS的单片机（8031、8031AH等）外部时钟信号由XTAL2引入，对于CHMOS的单片机（8XCXX），外部时钟由XTAL1引入。外部时钟XTAL1XTAL2GND8XX51悬空外部时钟XTAL1XTAL2GND悬空CHMOSHMOS图14外部振荡方式8XX518XX511.4.2 基本时序单位基本时序单位单片机的时序单位有：单片机的时序单位有：振荡周期：晶振
21、的振荡周期，又振荡周期：晶振的振荡周期，又称时钟周期，为最小的时序单位。称时钟周期，为最小的时序单位。状态周期：振荡频率经单片机内状态周期：振荡频率经单片机内的二分频器分频后供应应片内的二分频器分频后供应应片内CPU的时钟周期。因此，一个状的时钟周期。因此，一个状态周期包含态周期包含2个振荡周期。个振荡周期。机器周期（机器周期（MC）：）：1个机器周期个机器周期由由6个状态周期及个状态周期及12个振荡周期个振荡周期组成。是计算机执行一种基本操组成。是计算机执行一种基本操作的时间单位。作的时间单位。l指令周期 执行一条指令所需的时间。一个指令周期由14个机器周期组成，依据指令不同而不同。4种时序
22、单位中，振荡周期和机器周期是单片机内计算其他时间值（例如，波特率、定时器的定时时间等）的基本时序单位。例：单片机外接晶振频率12MHZ时的各种时序单位：振荡周期=1/fosc=1/12MHZ=0.0833us 状态周期=2/fosc=2/12MHZ=0.167us 机器周期=12/fosc=12/12MHZ=1us 指令周期=(14)机器周期=14us 1.4.3 1.4.3 复位电路复位电路 复位操作则使单片机的片内电路初始复位操作则使单片机的片内电路初始化，使单片机从一种确定的状态起先运行。化，使单片机从一种确定的状态起先运行。当当MCS-51MCS-51系列单片机的复位引脚系列单片机的复
23、位引脚 RST RST出现出现 5ms5ms以上的高电平常，单片机就完成了复位以上的高电平常，单片机就完成了复位操作。假如操作。假如RSTRST持续为高电平，单片机就处持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。于循环复位状态。复位操作通常有复位操作通常有2 2种基本形式：种基本形式：上电复位上电复位 开关复位。开关复位。上电后，由于电容充电，使上电后，由于电容充电，使 RST RST持续一段高电平常间。当单片持续一段高电平常间。当单片 机已在运行过程中时，按下复位键机已在运行过程中时，按下复位键 也能使也能使 RST RST持续一段时间的高电平，持续一段时间的高电平，从而实现上电且开关复位的操作
24、。从而实现上电且开关复位的操作。通常选择通常选择 C=10 C=10 f,R=10Kf,R=10K。RST8XX51RCVCC 上电复位要求接通电源后，自动实现复位。开关复位要求在电源接通的条件下，在单片机运行期间，用接钮开关操作使单片机复位。常用的上电且开关复位电路如图。图1-5 复位电路 单片机的复位操作是使单片机的复位操作是使SFRSFR寄存器进入初始化，不寄存器进入初始化，不变更片内变更片内RAMRAM区中的内容。区中的内容。几个主要特殊功能寄存器复位状态归纳如下：几个主要特殊功能寄存器复位状态归纳如下：PC=0000H PC=0000H，程序计数器为零表明单片机复位后程序从，程序计数
25、器为零表明单片机复位后程序从0000H0000H地址单元起先执行。地址单元起先执行。A=00H A=00H 表明累加器已被清零。表明累加器已被清零。PSW=00H PSW=00H 表明选寄存器表明选寄存器0 0组为工作寄存器组。组为工作寄存器组。SP=07H SP=07H 表明堆栈指针指向片内表明堆栈指针指向片内RAM 07HRAM 07H单元，单元，依据堆栈操作的先加后压法则，第一个被压入的数据依据堆栈操作的先加后压法则，第一个被压入的数据被写入被写入08H08H单元中。单元中。P0P0P3=FFHP3=FFH 表明已向各端口线写入，各端口既可表明已向各端口线写入，各端口既可用于输入又可用于
26、输出。用于输入又可用于输出。1.5 引脚功能引脚功能 51单片机有单片机有44和和40个引脚封装形式，个引脚封装形式，1.6 小小 结结 单片机是集单片机是集CPUCPU、存储器、存储器、I/OI/O接口于一体的大规模集成电路芯片。接口于一体的大规模集成电路芯片。MCS-51MCS-51系列单片机是目前市场上应用最广泛的单片机机型。系列单片机是目前市场上应用最广泛的单片机机型。本章重点是单片机的内部结构和存储器结构本章重点是单片机的内部结构和存储器结构 51 51系列单片机内部包含：系列单片机内部包含：一个一个8 8位的位的CPUCPU。4KB4KB程序存储器程序存储器ROMROM（视不同产品
27、型号不同：（视不同产品型号不同：80318031内部无内部无ROMROM；80518051内内部为掩模式部为掩模式ROMROM；87518751为为EPROMEPROM；89C5189C51内部为内部为FLASH EEPROMFLASH EEPROM）。）。128128字节字节RAMRAM数据存储器。数据存储器。两个两个1616位定时器位定时器/计数器。计数器。可寻址可寻址64KB64KB外部数据存储器和外部数据存储器和64KB64KB外部程序存储器空间的限制电路。外部程序存储器空间的限制电路。3232条可编程的条可编程的I/OI/O线（四个线（四个8 8位并行位并行I/OI/O端口）。端口）。一个可编程全双工串行口。一个可编程全双工串行口。具有两个优先级嵌套中断结构的五个中断源。具有两个优先级嵌套中断结构的五个中断源。