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1、郑州大学第第1 1章章 MCS-51MCS-51单片机的结构与原理单片机的结构与原理主要内容：主要内容：讨论讨论MCS-51MCS-51内部结构、特点、工作方式、内部结构、特点、工作方式、时序和最小应用系统。为学生后续学习单片时序和最小应用系统。为学生后续学习单片机应用系统设计、利用单片机解决工程实际机应用系统设计、利用单片机解决工程实际问题打下坚实的基础。重点在于基本概念、问题打下坚实的基础。重点在于基本概念、组成原理、特点及组成原理、特点及MCS-51MCS-51的最小应用系统。的最小应用系统。http:/ MCS-511.1 MCS-51单片机硬件结构及引脚单片机硬件结构及引脚 MCS-
2、51MCS-51系列单片机都是以系列单片机都是以IntelIntel公司最早的典型产品公司最早的典型产品80518051为核心，增加了一定的功能部件后构成的，本章以为核心，增加了一定的功能部件后构成的，本章以80518051为主为主介绍介绍MCS-51MCS-51系列单片机系列单片机 。1.1.1 MCS-51单片机的内部结构 MCS-51MCS-51单片机的组成：单片机的组成：CPUCPU(进行运算、控制进行运算、控制)、RAMRAM(数据存数据存储器储器)、ROMROM(程序存储器）、程序存储器）、I/OI/O口口(串口、并口）、串口、并口）、内部总线内部总线 和和中断系统中断系统等。等。
3、组成框图组成框图如下：郑州大学内部结构如下：内部结构如下：郑州大学 组成：组成：运算器、控制器。80518051的的CPUCPU包含以下功能部件：包含以下功能部件：（1 1）8 8位位CPUCPU。（2 2）布尔代数处理器，具有位寻址能力。）布尔代数处理器，具有位寻址能力。（3 3）128B128B内部内部RAMRAM数据存储器，数据存储器，2121个专用寄存器。个专用寄存器。（4 4）4KB4KB内部掩膜内部掩膜ROMROM程序存储器。程序存储器。（5 5）2 2个个1616位可编程定时器位可编程定时器/计数器。计数器。（6 6）3232个（个（4848位）双向可独立寻址的位）双向可独立寻址
4、的I/OI/O口。口。（7 7）1 1个全双工个全双工UARTUART（异步串行通信口）。（异步串行通信口）。（8 8）5 5个中断源、两级中断优先级的中断控制器。个中断源、两级中断优先级的中断控制器。（9 9）时钟电路，外接晶振和电容可产生）时钟电路，外接晶振和电容可产生1.2MHz1.2MHz12 MHz12 MHz的时钟频率。的时钟频率。（1010）外部程序）外部程序/数据存储器寻址空间均为数据存储器寻址空间均为64KB64KB。（1111）111111条指令，大部分为单字节指令。条指令，大部分为单字节指令。（1212）单一）单一+5V+5V电源供电，双列直插电源供电，双列直插4040引
5、脚引脚DIPDIP封装。封装。1.中央处理器（中央处理器（CPU）郑州大学（1）运算器）运算器组成：组成：8位算术逻辑运算单元位算术逻辑运算单元ALU（Arithmetic Logic Unit）、）、8位累加器位累加器A（Accumulator）、）、8位寄存器位寄存器B、程序状态字寄存器程序状态字寄存器PSW（Program Status Word）、）、8位暂存寄存器位暂存寄存器TMP1和和TMP2等。等。功能：功能：完成算术运算和逻辑运算。完成算术运算和逻辑运算。（2）控制器）控制器组成：组成：程序计数器程序计数器PC（Program Counter）、指令寄存器）、指令寄存器IR（I
6、nstruction Register）、指令译码器）、指令译码器ID（Instruction Decoder）、堆栈指针）、堆栈指针SP、数据指针、数据指针DPTR、定时控制逻辑和振荡器、定时控制逻辑和振荡器OSC等电路。等电路。功能：功能：CPU根据根据PC中的地址将欲执行指令的指令码从存储器中中的地址将欲执行指令的指令码从存储器中取出，存放在取出，存放在IR中，中，ID对对IR中的指令码进行译码，定时控中的指令码进行译码，定时控制逻辑在制逻辑在OSC配合下对配合下对ID译码后的信号进行分时，以产生执译码后的信号进行分时，以产生执行本条指令所需全部信号。行本条指令所需全部信号。的全部信号的
7、全部信号。郑州大学2.存储器存储器（1 1）程序存储器）程序存储器 放用户程序、数据和表格等信息。MCS-51单片机按单片机按程序存储器可分为内部程序存储器可分为内部无无ROM型（如型（如8031）和内部有和内部有ROM型（如型（如8051）两种，连接时）两种，连接时 引引脚有区别。程序存储器脚有区别。程序存储器结构如右图所示：结构如右图所示：郑州大学（2）数据存储器）数据存储器 P14 一般将随机存储器（一般将随机存储器（RAMRAM）用做数据存储器。可寻址空）用做数据存储器。可寻址空间为间为64KB64KB。MCS-51MCS-51数据存储器可分为片内和片外两部分数据存储器可分为片内和片外
8、两部分。片外片外RAM：最大范围：最大范围：0000HFFFFH，64KB；用指令；用指令MOVX访问。访问。片内片内RAM：最大范围：最大范围：00HFFH，256B；用指令；用指令MOV访问。又分访问。又分为两部分：低为两部分：低128B（007FH）为真正的为真正的RAM区，高区，高128B（80FFH）为特殊功能寄存器）为特殊功能寄存器（SFR）区。如右图所示。）区。如右图所示。郑州大学 内部内部RAM的的20H2FH单元为单元为位寻址区，既可位寻址区，既可作为一般单元用作为一般单元用字节寻址，也可字节寻址，也可对它们的位进行对它们的位进行寻址。位地址为寻址。位地址为00H7FH。CP
9、U能直接寻址能直接寻址这些位（称这些位（称MCS-51具有布尔处理具有布尔处理功能），位地址功能），位地址分配如右表所示。分配如右表所示。郑州大学3特殊功能寄存器（特殊功能寄存器（SFRSFR）MCS-51有有21个特殊功能个特殊功能寄存器（专用寄存器），寄存器（专用寄存器），包括算术运算寄存器、指包括算术运算寄存器、指针寄存器、针寄存器、I/O口锁存口锁存器、定时器器、定时器/计数器、串计数器、串行口、中断、状态、控制行口、中断、状态、控制寄存器等，它们被离散地寄存器等，它们被离散地分布在内部分布在内部RAM的的80HFFH地址单元中（不地址单元中（不包括包括PC），共占据了，共占据了128
10、个存储单元，构成个存储单元，构成了了SFR存储块。其字节存储块。其字节地址可被地址可被8整除的整除的SFR可可位寻址。位寻址。SFR反映了反映了MCS-51单片机的运行单片机的运行状态。特殊功能寄存器分状态。特殊功能寄存器分布如右表所示。布如右表所示。郑州大学（2 2）累加器）累加器A A（AccumulatorAccumulator）累加器累加器A是是8位寄存器，又记做位寄存器，又记做ACC，是一个最常用的专，是一个最常用的专用寄存器。在算术用寄存器。在算术/逻辑运算中用于存放操作数或结果。逻辑运算中用于存放操作数或结果。（3 3）寄存器）寄存器B B 寄存器寄存器B 是是8位寄存器，是专门
11、为乘除法指令设计的，也位寄存器，是专门为乘除法指令设计的，也作通用寄存器用。作通用寄存器用。（1 1）程序计数器）程序计数器PCPC（Program CounterProgram Counter）程序计数器程序计数器PC在物理上是独立的，它不属于在物理上是独立的，它不属于SFR存储器块。存储器块。PC是一个是一个16位的计数器，专门用于存放位的计数器，专门用于存放CPU将要执行的指令将要执行的指令 地址（即下一条指令的地址），寻址范围为地址（即下一条指令的地址），寻址范围为64KB，PC有自动有自动 加加1功能，不可寻址，用户无法对它进行读写，但是可以通过功能，不可寻址，用户无法对它进行读写，
12、但是可以通过 转移、调用、返回等指令改变其内容，以控制程序执行的顺序。转移、调用、返回等指令改变其内容，以控制程序执行的顺序。表2-5 工作寄存器组选择控制表（4 4）工作寄存器）工作寄存器 内内部部RAM的的工工作作寄寄存存器器区区00H1FH共共32个个字字节节被被均均匀匀地地分分成成四四个个组组（区区），每每个个组组（区区）有有8个个寄寄存存器器，分分别别用用R0R7表表示示，称称为为工工作作寄寄存存器器或或通通用用寄寄存存器器，其其中中，R0、R1还还经经常常用用于于间间接接寻寻址址的的地地址址指指针针。在在程程序序中中通通过过程程序序状状态态字字寄寄存存器器（PSW）第）第3、4位设
13、置工作寄存器区。位设置工作寄存器区。（5 5）程序状态字）程序状态字PSW PSW（Program Status WordProgram Status Word）程程序序状状态态字字PSW是是8位位寄寄存存器器，用用于于存存放放程程序序运运行行的的状状态态信信息息，PSW中中各各位位状状态态通通常常是是在在指指令令执执行行的的过过程程中中自自动动形形成成的的，但但也也可可以以由由用用户户根根据据需需要要采采用用传传送送指指令令加加以以改改变变。其其定定义义格格式式如下页表所示。如下页表所示。郑州大学其中：其中：CyCy：进借位标志；进借位标志；ACAC：辅助进借位标志；辅助进借位标志；F F0
14、 0：用户根据需要用指令设置标志，控制程序走向；用户根据需要用指令设置标志，控制程序走向；RSRS1 1、RSRS0 0：工作寄存器组（区）选择（如下表所示）；工作寄存器组（区）选择（如下表所示）；OVOV：溢出标志位，有溢出时置溢出标志位，有溢出时置1；P P：奇偶标志位。奇偶标志位。A中有奇数个中有奇数个1时置时置1。郑州大学（6 6）数据指针）数据指针DPTRDPTR（Data PointerData Pointer）数数据据指指针针DPTR是是16位位的的专专用用寄寄存存器器，即即可可作作为为16位位寄寄存存器器使使用用，也也可可作作为为两两个个独独立立的的8位位寄寄存存器器DPH（高
15、高8位位）、DPL（低低8位位）使使用用。DPTR主主要要用用作作16位位间间址址寄寄存存器器，访访问问程程序序存存储器和片外数据寄存器。储器和片外数据寄存器。（7 7）堆栈指针）堆栈指针SPSP（Stack PointerStack Pointer）堆栈是一种数据结构，是内部堆栈是一种数据结构，是内部RAM的一段区域。堆栈存取的一段区域。堆栈存取数据的原则是数据的原则是“后进先出后进先出”。堆栈指针。堆栈指针SP是一个是一个8位寄存器，用位寄存器，用于指示堆栈的栈顶，它决定了堆栈在内部于指示堆栈的栈顶，它决定了堆栈在内部RAM中的物理位置。中的物理位置。MCS-51单单片片机机的的堆堆栈栈地
16、地址址向向大大的的方方向向变变化化（与与微微机机堆堆栈栈地地址址向向小小的的方方向向变变化化相相反反）。系系统统复复位位后后，SP初初值值为为07H，实实际际应应用用中中通通常常根根据据需需要要在在主主程程序序开开始始处处对对堆堆栈栈指指针针SP进进行行初初始始化化，一般设置一般设置SP为为60H。设设立立堆堆栈栈的的目目的的是是用用于于数数据据的的暂暂存存，中中断断、子子程程序序调调用用时时断点和现场的保护与恢复。断点和现场的保护与恢复。郑州大学（8 8）I/OI/O口专用寄存器（口专用寄存器（P0,P1,P2,P3P0,P1,P2,P3）8051片片内内有有4个个8位位并并行行I/O接接口
17、口P0,P1,P2和和P3，在在SFR中中相相应有应有4个个I/O口寄存器口寄存器P0,P1,P2和和P3。（9 9）定时器）定时器/计数器（计数器（TL0,TH0,TL1TL0,TH0,TL1和和TH1TH1）MCS-51单单片片机机中中有有两两个个16位位的的定定时时器器/计计数数器器T0和和T1，它它们们由由4个个8位位寄寄存存器器（TL0,TH0,TL1和和TH1）组组成成，2个个16位位定定时时器器/计计数数器器是是完完全全独独立立的的。可可以以单单独独对对这这4个个寄寄存存器器进进行行寻寻址址，但但不能把不能把T0和和T1当做当做16位寄存器来使用。位寄存器来使用。（1010）串行
18、数据缓冲器（）串行数据缓冲器（SBUFSBUF）串串行行数数据据缓缓冲冲器器SBUF用用于于存存放放需需要要发发送送和和接接收收的的数数据据，它它由由两两个个独独立立的的寄寄存存器器组组成成（发发送送缓缓冲冲器器和和接接收收缓缓冲冲器器），要要发发送和接收的操作其实都是对串行数据缓冲器送和接收的操作其实都是对串行数据缓冲器SBUF进行的进行的。（1111）其他控制寄存器）其他控制寄存器 除除上述外，还有上述外，还有IP,IE,TCON,SCON和和PCON等几个寄存等几个寄存器，主要用于中断、定时和串行口的控制，器，主要用于中断、定时和串行口的控制，郑州大学 I/O接接口口是是MCS-51单单
19、片片机机对对外外部部实实现现控控制制和和信信息息交交换换的的必必经经之之路路，用用于于信信息息传传送送过过程程中中的的速速度度匹匹配配和和增增加加它它的的负载能力。负载能力。8051内部有内部有4个个8位并行接口位并行接口P0,P1,P2,P3，有，有1个全双工的可编程串行个全双工的可编程串行I/O接口。接口。5 5定时器定时器/计数器计数器 8051内内部部有有两两个个16位位可可编编程程序序的的定定时时器器/计计数数器器，均均为二进制加为二进制加1计数器，分别命名为计数器，分别命名为T0和和T1。T0和和T1均均有有定定时时器器和和计计数数器器两两种种工工作作模模式式。在在定定时时器器模模
20、式式下下，T0和和T1的的计计数数脉脉冲冲可可以以由由单单片片机机时时钟钟脉脉冲冲经经12分分频频后后提提供供。在在计计数数器器模模式式下下，T0和和T1的的计计数数脉脉冲冲可可以以从从P3.4和和P3.5引引脚脚上上输输入入。对对T0和和T1的的控控制制由由定定时时器器方式选择寄存器方式选择寄存器TMOD和定时器控制寄存器和定时器控制寄存器TCON完成。完成。4 4I/OI/O接口接口郑州大学6 6中断系统中断系统 中中断断：指指CPU暂暂停停原原程程序序执执行行，转转而而为为外外部部设设备备服服务务（执执行行中断服务程序），并在服务完后返回到原程序执行的过程。中断服务程序），并在服务完后返
21、回到原程序执行的过程。中断系统：中断系统：指能够处理上述中断过程所需要的硬件电路。指能够处理上述中断过程所需要的硬件电路。中断源：中断源：指能产生中断请求信号的源泉。指能产生中断请求信号的源泉。8051可可处处理理5个个中中断断源源（2个个外外部部，3个个内内部部）发发出出的的中中断断请请求求，并并可可对对其其进进行行优优先先权权处处理理。外外部部中中断断的的请请求求信信号号可可以以从从P3.2,P3.3（即即INT0和和INT1）引引脚脚上上输输入入，有有电电平平或或边边沿沿两两种种触触发发方方式式；内内部部中中断断源源有有3个个，2个个定定时时器器/计计数数器器中中断源和断源和1个串行口中
22、断源。个串行口中断源。8051的中断系统主要由中断允许控制器的中断系统主要由中断允许控制器IE和中断优先和中断优先级控制器级控制器IP等电路组成。等电路组成。郑州大学1.1.2 MCS-511.1.2 MCS-51单片机外部引脚单片机外部引脚 1 1电源线电源线 GNDGND：接地引脚。接地引脚。V VCCCC：正电源引脚。接正电源引脚。接5V5V电源。电源。MCS-51MCS-51系列单片机中，各类单片机都是相互兼容的，只是引系列单片机中，各类单片机都是相互兼容的，只是引脚功能略有差异。脚功能略有差异。80518051单片机有单片机有4040个引脚，分为端口线、电源线个引脚，分为端口线、电源
23、线和控制线三类。和控制线三类。2 2端口线端口线 P0P0P3P3口：口：48=3248=32条。条。（1 1）P0P0口（口（P0.0P0.0P0.7 P0.7）8 8位位双双向向三三态态I/OI/O口口，可可作作为为外外部部扩扩展展时时的的数数据据总总线线/低低8 8位位地地址址总总线线的的分分时时复复用用口口。又又可可作作为为通用通用I/OI/O口，每个引脚可驱动口，每个引脚可驱动8 8个个TTLTTL负载。负载。对对EPROMEPROM型型芯芯片片（如如87518751）进进行行编编程程和和校校验验时，时，P0P0口用于输入口用于输入/输出数据。输出数据。郑州大学（2 2）P1P1口（
24、口（P1.0P1.0P1.7P1.7）8位位准准双双向向I/O口口，内内部部具具有有上上拉拉电电阻阻，可可作作为为通通用用I/O口。每个引脚可驱动口。每个引脚可驱动4个个TTL负载。负载。（3 3）P2P2口（口（P2.0P2.0P2.7P2.7）8位位准准双双向向I/O口口，内内部部具具有有上上拉拉电电阻阻，可可作作为为外外部部扩扩展展时时的的高高8位位地地址址总总线线。又又可可作作为为通通用用I/O口口，每每个个引引脚脚可可驱动驱动4个个TTL负载。负载。对对EPROM型型芯芯片片（如如8751）进进行行编编程程和和校校验验时时，用用来来接收高接收高8位地址。位地址。（4 4）P3P3口（
25、口（P3.0P3.0P3.7 P3.7）8位位准准双双向向I/O口口，内内部部具具有有上上拉拉电电阻阻。它它是是双双功功能能复复用用口口，作作为为通通用用I/O口口时时，功功能能与与P1口口相相同同，常常用用第第二二功功能能。每每个个引引脚脚可可驱驱动动4个个TTL负负载载。作作为为第第二二功功能能使使用用时时，各位的作用如下页表所示。各位的作用如下页表所示。郑州大学3 3控制线控制线（1 1）RST/VRST/VPDPD RST/VPD引脚是复位信号引脚是复位信号/备用电源线引脚。当备用电源线引脚。当8051通电时，在通电时，在RST引脚上出现引脚上出现24个时钟周期以上的高个时钟周期以上的
26、高电平，系统即初始复位。电平，系统即初始复位。郑州大学（2 2）ALE/ALE/PROGPROG 地地址址锁锁存存允允许许/编编程程引引脚脚。当当访访问问外外部部程程序序存存储储器器时时，ALEALE的的输输出出用用于于锁锁存存地地址址的的低低位位字字节节，以以便便P0P0口口实实现现地地址址/数数据据复复用用。当当不不访访问问外外部部程程序序存存储储器器时时，ALEALE端端将将输输出出一一个个1/61/6时钟频率的正脉冲信号。时钟频率的正脉冲信号。ALE/ALE/PROGPROG是复用引脚，其第二功能是对是复用引脚，其第二功能是对EPROMEPROM型芯片（如型芯片（如87518751）进
27、行编程和校验时，此引脚传送）进行编程和校验时，此引脚传送52ms52ms宽的负脉冲选通宽的负脉冲选通信号，程序计数器信号，程序计数器PCPC的的1616位地址数据将出现在位地址数据将出现在P0P0和和P2P2口上，口上，外部程序存储器则把指令码放到外部程序存储器则把指令码放到P0P0口上，由口上，由CPUCPU读入并执行。读入并执行。（3 3）EAEA/V/VPPPP 允允许许访访问问片片外外程程序序存存储储器器/编编程程电电源源引引脚脚。对对于于片片内内无无程程序序存存储储器器的的MCS-51MCS-51单单片片机机（如如80318031），该该引引脚脚接接地地。片片内内有程序存储器的有程序
28、存储器的MCS-51MCS-51单片机（如单片机（如80518051），该引脚接高电平。），该引脚接高电平。EAEA/V/VPPPP是复用引脚，其第二功能是片内是复用引脚，其第二功能是片内EPROMEPROM编程编程/校验时校验时的电源线，在编程时，的电源线，在编程时，V VPPPP脚需加上脚需加上21V21V的编程电压。的编程电压。郑州大学（4 4）XTAL1XTAL1和和XTAL2XTAL2 XTAL1脚为片内振荡电路的输入端，脚为片内振荡电路的输入端，XTAL2脚为片内脚为片内振荡电路的输出端。振荡电路的输出端。8051的时钟有两种方式，一种是片内的时钟有两种方式，一种是片内时钟振荡方式
29、，但需在时钟振荡方式，但需在XTAL1和和XTAL2脚外接石英晶体脚外接石英晶体（频率为（频率为1.212MHz）和振荡电容，振荡电容的值一般）和振荡电容，振荡电容的值一般取取1030pF，典型值为，典型值为30pF；另外一种是外部时钟方式，；另外一种是外部时钟方式，即将即将XTAL1接地，外部时钟信号从接地，外部时钟信号从XTAL2脚输入，如下脚输入，如下图所图所示示。（5 5）片外片外ROM选通线。在选通线。在执行访问片外执行访问片外ROM的指的指令令MOVC时，时，8051自动自动在该引脚产生一个负脉冲，在该引脚产生一个负脉冲，用于对片外用于对片外ROM的选通。的选通。其他情况下，该引脚
30、均为其他情况下，该引脚均为高电平封锁状态。高电平封锁状态。郑州大学1.2 MCS-511.2 MCS-51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可分为：复位系列单片机的工作方式可分为：复位方式、程序执行方式、单片执行方式、掉电保护方方式、程序执行方式、单片执行方式、掉电保护方式、节电工作方式和式、节电工作方式和EPROM编程编程/校验方式。校验方式。1.2.1 1.2.1 复位方式复位方式 系统开始运行和重新启动靠复位电路来实现，系统开始运行和重新启动靠复位电路来实现，这种工作方式为复位方式。这种工作方式为复位方式。单片机在开机时都需要复位，以便单片机在开机时都需要
31、复位，以便CPU及其他及其他功能部件都处于一种确定的初始状态，并从这个状功能部件都处于一种确定的初始状态，并从这个状态开始工作。态开始工作。MCS-51单片机在单片机在RST引脚产生两个机器周期引脚产生两个机器周期（即（即24个时钟周期）以上的高电平即可实现复位。个时钟周期）以上的高电平即可实现复位。郑州大学复位电路复位电路 示。郑州大学 复位后，8051的各特殊功能寄存器的初始状态如下表所示。郑州大学1.2.2 程序执行方式程序执行方式 分为连续执行工作方式和单步执行工作方式。分为连续执行工作方式和单步执行工作方式。1 1连续执行工作方式连续执行工作方式 这这是是所所有有单单片片机机都都需需
32、要要的的一一种种方方式式。单单片片机机复复位位后后，PCPC值值为为0000H0000H，因因此此单单片片机机复复位位后后立立即即转转到到0000H0000H处处执执行行程程序序。单单片片机机按按照照程程序序事事先先编编排排的的任任务务，自自动动连续地执行下去。连续地执行下去。2 2单步执行工作方式单步执行工作方式 这这是是用用户户调调试试程程序序的的一一种种工工作作方方式式，在在单单片片机机开开发发系系统统上上有有一一专专用用的的单单步步按按键键（或或软软件件调调试试环环境境）。按按一一次次，单单片片机机就就执执行行一一条条指指令令（仅仅仅仅执执行行一一条条），这样就可以逐条检查程序，发现问
33、题进行修改。这样就可以逐条检查程序，发现问题进行修改。单步执行方式是利用单片机外部中断功能实现的。单步执行方式是利用单片机外部中断功能实现的。郑州大学 节电工作方式是一种低功耗的工作方式，可分为空闲（等节电工作方式是一种低功耗的工作方式，可分为空闲（等待）方式和掉电（停机）方式。是针对待）方式和掉电（停机）方式。是针对CHMOS类芯片而设计类芯片而设计的，的，HMOS型单片机不能工作在节电方式，但它有一种掉电型单片机不能工作在节电方式，但它有一种掉电保护功能。保护功能。1 1HMOSHMOS单片机的掉电保护单片机的掉电保护 当当VCC突突然然掉掉电电时时，单单片片机机通通过过中中断断将将必必须
34、须保保护护的的数数据据送送入入内内部部RAM，备备用用电电源源VPD可可以以维维持持内内部部RAM中中的的数数据据不不丢丢失。失。2 2CHMOSCHMOS单片机的节电方式单片机的节电方式 CHMOS型型单单片片机机是是一一种种低低功功耗耗器器件件，正正常常工工作作时时电电流流为为1122mA，空空闲闲状状态态时时为为1.75mA，掉掉电电方方式式为为550 A。因因此此，CHMOS型型单单片片机机特特别别适适用用于于低低功功耗耗应应用用场场合合，它它的的空空闲闲方方式式和和掉掉电电方方式式都都是是由由电电源源控控制制寄寄存存器器PCON中中相相应应的位来控制。的位来控制。1.2.3 节电方式
35、节电方式 郑州大学（1 1）电源控制寄存器）电源控制寄存器PCONPCON PCON各位的定义如下表所示。IDLIDL：空空闲闲方方式式控控制制位位，该该位位为为1 1时时，单单片片机机进进入入空空闲闲待待机机工工作作方式。方式。PDPD：掉电方式控制位，为掉电方式控制位，为1 1时，单片机进入掉电工作方式。时，单片机进入掉电工作方式。上上面面的的IDLIDL、PDPD同同时时为为1 1，则则进进入入掉掉电电工工作作方方式式，同同时时为为0 0，则工作在正常运行状态。，则工作在正常运行状态。GF0,GF0,GF1GF1：通通用用标标志志位位，描描述述中中断断是是来来自自正正常常运运行行还还是是
36、来来自自空空闲方式，用户可通过指令设定它们的状态。闲方式，用户可通过指令设定它们的状态。SMODSMOD：为串行口波特率倍率控制位，用于串行通信。为串行口波特率倍率控制位，用于串行通信。郑州大学（2）空闲工作方式）空闲工作方式 将将 IDL位位 置置 为为 1（用用 指指 令令 MOV PCON,#01H），则则进进入入空空闲闲工工作作方方式式，其其内内部部控控制制电电路路如如右右图图所所示示。此此时时，CPU进进入入空空闲闲待待机机状状态态，中中断断系系统统、串串行行口口、定定时时器器/计计数数器器，仍仍有有时时钟钟信信号号，仍仍继继续续工作。工作。退退出出空空闲闲状状态态有有两两种种方方法
37、法：一一是是中中断断退出，二是硬件复位退出退出，二是硬件复位退出。（3 3）掉电工作方式）掉电工作方式 将将PD置置为为1（用用指指令令MOV PCON,#02H），可可使使单单片片机机进进入入掉掉电电工工作作方方式式。此此时时振振荡荡器器停停振振，只只有有片片内内的的RAM和和SFR中中的的数数据据保保持持不不变变，而而包包括括中中断断系系统统在在内内的的全全部部电电路路都都将将处处于于停停止止工工作作状状态态。退退出出掉掉电电工工作作方方式式，只只能采用硬件复位的方法。能采用硬件复位的方法。欲欲使使8051从从掉掉电电方方式式退退出出后后继继续续执执行行掉掉电电前前的的程程序序，则则必必须
38、须在在掉掉电电前前预预先先把把SFR中中的的内内容容保保存存到到片片内内RAM中中，并并在在掉掉电电方方式式退退出出后后恢恢复复SFR掉掉电电前前的内容。的内容。郑州大学1.2.4 编程和校验方式编程和校验方式 编编程程和和校校验验方方式式用用于于内内部部含含有有EPROM的的单单片片机机芯芯片片（如如8751），一一般般的的单单片片机机开开发发系系统统都都提提供供实实现这种方式的设备和功能。现这种方式的设备和功能。编编程程的的主主要要操操作作是是将将原原始始程程序序、数数据据写写入入内内部部EPROM中。中。校验校验的主要操作是在向片内程序存储器的主要操作是在向片内程序存储器EPROM写入信
39、息时或写入信息后，可将片内写入信息时或写入信息后，可将片内EPROM的内容读出进行校验，以保证写入信息的正的内容读出进行校验，以保证写入信息的正确性。确性。郑州大学1.3 1.3 单片机的时序单片机的时序 时序：时序：CPUCPU在执行指令时所需控制信号的时间顺序称为时序。在执行指令时所需控制信号的时间顺序称为时序。时序是用定时单位来描述的，时序是用定时单位来描述的，MCS-51MCS-51的时序单位有四个，分别的时序单位有四个，分别是是时钟周期（节拍）、状态、机器周期和指令周期时钟周期（节拍）、状态、机器周期和指令周期。1.3.1 MCS-51的时序单位的时序单位 1.1.时时钟钟周周期期：
40、振振荡荡周周期期、节节拍拍（用用P P表表示示），定定义义为为单单片片机机提提供时钟信号的振荡源（供时钟信号的振荡源（OSCOSC）的周期。它是时序中的最小单位。）的周期。它是时序中的最小单位。2 2.状状态态（用用S S表表示示）：单单片片机机振振荡荡脉脉冲冲经经过过二二分分频频后后即即得得到到整整个个单单片片机机工工作作系系统统的的状状态态。一一个个状状态态有有两两个个节节拍拍，前前半半周周期期对对应应的节拍定义为的节拍定义为P1P1，后半周期对应的节拍定义为，后半周期对应的节拍定义为P2P2。郑州大学3.3.机机器器周周期期：通通常常将将完完成成一一个个基基本本操操作作所所需需的的时时间
41、间称称为为机机器器周周期期。MCS-51MCS-51中中规规定定一一个个机机器器周周期期包包含含1212个个时时钟钟周周期期，即即有有6 6个状态，分别表示为个状态，分别表示为S1S1S6S6。若晶振为若晶振为6MHz6MHz，则机器周期为，则机器周期为2s2s，若晶振为，若晶振为12MHz12MHz，则，则机器周期为机器周期为1s1s。4.4.指指令令周周期期：执执行行一一条条指指令令所所需需要要的的时时间间称称为为指指令令周周期期。它它是是时时序序中中的的最最大大单单位位。一一个个指指令令周周期期通通常常含含有有1 14 4个个机机器器周周期期。指指令令所所包包含含的的机机器器周周期期数数
42、决决定定了了指指令令的的运运算算速速度度，机机器器周周期期数越少的指令，其执行速度越快。数越少的指令，其执行速度越快。以以机机器器周周期期为为单单位位，指指令令可可分分为为单单周周期期、双双周周期期和和四四周周期指令。期指令。郑州大学1.3.2 MCS-51指令的取指指令的取指/执行时序执行时序 指指令令的的集集合合称称为为程程序序，执执行行程程序序的的过过程程就就是是执执行行指指令令的的过过程程。单单片片机机执执行行任任何何一一条条指指令令时时都都可可以以分分为为取取指指阶阶段段和和执执行行阶阶段段。在在取取指指阶阶段段，CPU从从程程序序存存储储器器中中取取出出指指令令操操作作码码，送送指
43、指令令寄寄存存器器，再再经经指指令令译译码码器器译译码码，产产生生一一系系列列控控制制信信号号，完完成成本指令规定的操作。本指令规定的操作。单周期和双周期指令的取指时序图如下页图所示。单周期和双周期指令的取指时序图如下页图所示。ALE信信号号是是用用于于锁锁存存低低8位位地地址址的的选选通通信信号号，每每出出现现一一次次该该信信号号，单单片片机机即即进进行行一一次次读读指指令令操操作作。当当指指令令为为多多字字节节或或多多周周期期指指令令时时，只只有有第第一一个个ALE信信号号进进行行读读指指令令操操作作，其其余余的的ALE信号为无效操作（或读操作数操作）。信号为无效操作（或读操作数操作）。郑
44、州大学郑州大学1.3.3 访问片外访问片外ROM/RAM指令的时序指令的时序1外部程序存储器读时序外部程序存储器读时序 从外部程序存储器读取指令，必须有两个信号进行控制：从外部程序存储器读取指令，必须有两个信号进行控制：ALE信号和信号和 信号（外部信号（外部ROM读选通脉冲）。读选通脉冲）。郑州大学 2外部数据存储器读时序外部数据存储器读时序 第一个机器周期是取指周期，是从第一个机器周期是取指周期，是从ROM中读取指令数据，第二个机中读取指令数据，第二个机器周期才开始读取外部数据存储器器周期才开始读取外部数据存储器RAM中的内容。有三个信号进行控制：中的内容。有三个信号进行控制：ALE信号、
45、信号、PSEN 信号（外部信号（外部ROM读选通脉冲）和读选通脉冲）和RD 信号（外部信号（外部RAM读选通脉冲）。读选通脉冲）。郑州大学1.4 C8051F系列片上系统（系列片上系统（SOC）简介）简介 Cygnal的的C8051F带有带有SOC色彩，集成了嵌入式系色彩，集成了嵌入式系统的许多先进技术。统的许多先进技术。1.4.1 1.4.1 概述概述 Cygnal公司生产的公司生产的C8051Fxxx系列单片机，与系列单片机，与MCS-51内核及指令集完全兼容。是内核及指令集完全兼容。是MCS-51单片机的典单片机的典型代表，也是目前功能最全、速度最快的型代表，也是目前功能最全、速度最快的
46、8051衍生单片衍生单片机。机。C8051F已成为一个完善的、系统级的芯片。到目前已成为一个完善的、系统级的芯片。到目前为止，为止，Cygnal共提供有共提供有41个型号工业级的个型号工业级的C8051F片上片上系统单片机，其典型芯片性能概览见教材系统单片机，其典型芯片性能概览见教材P30表表1.8所示。所示。郑州大学1.4.2 1.4.2 基本结构与特点基本结构与特点 Cygnal公公司司的的C8051F单单片片机机的的内内部部结结构构见见教教材材P31图图1.15所示。所示。CygnalCygnal公司的公司的C8051FC8051F单片机具有以下特点：单片机具有以下特点：1 1高速高速C
47、IP-51 CIP-51 内核内核 以以CIP-51（Cygnal公公司司的的专专利利产产品品）为为内内核核而而集集成成的的混合信号片上系统混合信号片上系统SOC（System On Chip）2.2.丰富的模拟和数字资源丰富的模拟和数字资源 8路路高高性性能能的的12位位ADC（速速度度为为100kHz）数数据据采采集集系系统统，2路路12位位高高精精度度DAC，2路路模模拟拟比比较较器器和和ADC可可编编程程窗窗口口检检测测器器；电电压压基基准准、温温度度传传感感器器、SMBUS/I2C、UART、CAN、SPI、PCA（带带比比较较/捕捕捉捉模模块块PCA，可可实实现现捕捕捉捉、软软件件
48、定定时时、高高速速输输出出、PWM），22个个中中断断源源，864KB的的Flash/电电可可擦擦除除程程序序存存储储器器，2568448B的的SRAM。定定时时器器/计计数数器器、片片内内可可编编程程定定时时器器/计计数数器器阵阵列列（PCA）、WDT、电电源源监监视视器器等。等。郑州大学3.3.多源复位多源复位 具具有有多多达达7 7个个复复位位源源：片片内内电电源源监监视视器器、CNVSTRCNVSTR外外部部引引脚脚、强强制制软软件件复复位位、时时钟钟丢丢失失检检测测器器、比比较较器器0 0提提供供的的电电压压检检测测器器、看门狗定时器看门狗定时器WDTWDT和外部复位引脚等。和外部复
49、位引脚等。4.4.双重系统时钟双重系统时钟 C8051FC8051F单单片片机机建建立立了了完完善善的的、先先进进的的时时钟钟系系统统，片片内内设设置置有有一一个个可可编编程程的的时时钟钟振振荡荡器器，可可设设置置不不同同的的时时钟钟频频率率；片片外外振振荡荡器器可可选选择择四四种种方方式式（晶晶振振、陶陶瓷瓷谐谐振振器器、RCRC电电路路或或外外部部时时钟钟源）。源）。5.可编程数字可编程数字I/O和交叉开关和交叉开关 C8051F单单片片机机中中引引入入了了数数字字交交叉叉开开关关，允允许许用用户户根根据据自己的特定应用选择通用自己的特定应用选择通用I/O端口和所需数字资源的组合。端口和所
50、需数字资源的组合。郑州大学6.在应用编程和在应用编程和Flash安全机制安全机制 C8051F单单片片机机中中具具有有在在系系统统和和在在应应用用编编程程的的Flash程序存储器。程序存储器。7.系统调试系统调试 C8051F单单片片机机指指令令与与MCS-51指指令令兼兼容容，有有KeilC支支持持，先先进进的的JTAG（Joint Test Action Group）非非侵侵入入式式在在线线调调试试，可可以以进进行行非非侵侵入入式式全全速速在在系系统统编编程程（ISP）和和在应用编程（在应用编程（IAP）调试。）调试。8.低功耗设计低功耗设计 C8051F单片机具有最小功耗的最佳支持。单片