MCS51单片机结构及原理讲

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1、 2.2 MCS-51单 片 机 微 处 理 器 2.3 MCS-51单 片 机 存 储 器 组 织2.4 MCS-51单 片 机 并 联 I/O及 应 用 2.1 MCS-51单 片 机 总 体 概 括第 二 章 MCS-51单 片 机 组 成 结 构 下 页 8位 CPU 片 内 128B*3 RAM 片 内 8KB ROM/EPROM（ 8031无 ） 特 殊 功 能 寄 存 器 区 SFR 2个 优 先 级 的 5个 中 断 源 结 构 4个 8位 并 行 口 ： P0、 P1、 P2、 P3一 、 MCS-52单 片 机 的 主 要 上 页 下 页回 目 录功 能 特 点 3个 16

2、位 定 时 器 /计 数 器 T/C 1个 全 双 工 串 行 口 UART 布 尔 处 理 机 位 处 理 机(10) 64KB外 部 RAM地 址 空 间(11) 64KB外 部 ROM地 址 空 间(12) 片 内 时 钟 电 路 及 振 荡 器(13) 指 令 系 统 (111条 ) 上 页 下 页回 目 录 通 用 异 步 收 发 器半 双 工 即 可 接 受 又 可 发 送 ， 但 不 同 时单 工 只 接 收 或 只 发 送 可 同 时 接 收 或 发 送16条 地 址 线 区 别 ： 8051 / 8751单 片 机 中 含 有 ROM / EPROM， 而 8031中 没 有

3、 ， 使 用 时 需 外 接 一 片 EPROM型 号 ROM EPROM RAM TC I/O INT80328052 8KB8752 8KB 256B 256B 256B 333 并 串444 111 666二 、 MCS-51系 列 单 片 机 的 差 异51子 系 列 （ 基 本 型 ） 上 页 下 页回 目 录型 号 ROM EPROM RAM T/C I/O INT80318051 4KB8751 4KB 128B128B128B 222 并 串444 111 555基 本 型52子 系 列 上 页 下 页回 目 录RAM P0口串 行 口 定 时 器 计 数 器 特 殊功 能寄

4、存 器（ SFR）中 断系 统微 处 理 器ALU控 制 逻 辑 P2口 P1口 P3口ROM/EPROMCPU 内 部 总 线 VccVssXTAL1XTAL2PSEN EAALERESET P2.0P2.7P0.0P0.78 8P 1.0P1.78 P3.0P 3.78 8051/8751面 向 用 户 的 结 构 8031共 40条 引 线用 户 的 内 特 性 用 户 外 特 性图 2-1 MCS-51功 能 框 图逻 辑 结 构 框 图 1、 中 央 处 理 器2、 存 储 器3、 I/O口 MCS-51单 片 机 有 4 个 8 位 并 行 口 ， 1 个 全 双 工 串 行 口

5、UART， 2 个 16 位 的 T/C。 由 运 算 器 和 控 制 逻 辑 组 成 。 主 要 功 能 是 产 生 各 种 控 制 信号 ， 控 制 存 储 器 、 I/O端 口 的 数 据 传 送 、 数 据 运 算 、 及 位 处理 等 操 作 等 。 采 用 SFR集 中 控 制 程 序 存 储 器 ROM/ EPROM(8031中 没 有 ， 需 外 接 ) ， 存 放程 序 和 编 好 的 表 格 及 常 数 等 。 数 据 存 储 器 RAM： 存 放 中 间 结 果 、 数 据 暂 存 、 缓 冲 、 及存 放 标 志 位 等 。 上 页 下 页回 目 录8051/8751

6、40引 脚 ， 双 列 直 插 式 结 构 上 页 下 页回 目 录RST/VPDP3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7P3.0 P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7P1.0 P 2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0P2.7P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7 P0.0RXD TXD INT0 INT1 T 0 WR RDT1 XTAL1XTAL2Vss VccEA/VPPALE/PROGPSEN803180518751 4039383736353433323130292827262524232221123456789

7、1011121314151617181920MCS-51单 片 机 的 引 脚 功 能用 户 外 特 性 一 、 51单 片 机 的 管 脚 功 能1、 按 功 能 分 类I/O口 线 P0 、 P1 、 P2 、 P3 共 32条电 源 Vcc、 Vss 共 2条时 钟 XTAL1、 XTAL2 共 2条 上 页 下 页回 目 录控 制 口 线 PSEN、 ALE、 EA/VPP、 RESET 共 4条数 据 /地 址 复 用 口I/O口 双 功 能 口 2、 管 脚 的 功 能（ 1） 电 源 与 时 钟Vcc： 接 +5V电 源 端 Vss： 接 地 端XTAL1： 片 内 振 荡 电

8、路 输 入 端XTAL2： 片 内 振 荡 电 路 输 出 端内 时 钟 方 式 ： 在 XTAL1、 XTAL2上 外 接 定 时元 件 ， 使 其 形 成 自 激 振 荡 器 。时 钟 电 路 ： 内 时 钟 方 式外 时 钟 方 式 上 页 下 页回 目 录 定 时 元 件 采 用 由 石 英 晶 体 和 电 容 组 成 并 联 谐 振电 路 。 晶 体 和 电 容 尽 可 能 靠 近 单 片 机 芯 片 。 单片机XTAL1XTAL21918C1C2电 容 通 常选 择 为30PF左 右 振 荡 频 率1.2MHz24MHz 晶振内 时 钟 方 式 电 路 图 上 页 下 页回 目 录

9、 单片机XTAL1XTAL2外 时 钟 方 式 ： XTAL1接 地 ， XTAL2接 外 部 振 荡 器外 时 钟 方 式 电 路 图外 部振 荡 源 +5V1918上 拉 电阻频 率 低 于12MHz 上 页 下 页回 目 录OC门 几 个 概 念 ：振 荡 周 期 ： Tc=晶 振 频 率 fosc（ 或 外 加 频 率 ） 的 倒 数时 钟 周 期 ： 2个 振 荡 周 期状 态 周 期 ： Ts=1个 时 钟 周 期机 器 周 期 ： Tm=6个 状 态 周 期 (Ts)=12个 振 荡 周 期 (Tc)指 令 周 期 : Ti:执 行 一 条 指 令 所 需 的 机 器 周 期 (

10、Tm)数牢 牢 记 住 ： 振 荡 周 期 = 晶 振 频 率 fosc的 倒 数 ； 1个 机 器 周 期 = 12个 振 荡 周 期 ； 1个 指 令 周 期 = 1、 2、 4个 机 器 周 期 复 位 信 号 ： 高 电 平 复 位 CPU， 低 电 平 CPU工 作EA/VPPALEPSEN名 称 功 能片 外 取 指 信 号 （ 片 外 程 序 存 储 器 读 ） 输 出 端低 电 平 有 效 。 通 过 P0口 读 回 指 令 或 常 数 。控 制 的 是 片 外 程 序 存 储 器RESET 控 制 信 号地 址 锁 存 信 号 。ALE低 电 平 时 ， P0口 出 现 数

11、据 信 息 ； ALE高 电 平 时 ， P0口 出 现 地 址 信 息 。程 序 存 储 器 选 择 信 号 上 页 下 页回 目 录EA= 0 时 ， 选 外 部 ROM；1， 地 址 小 于 8k时 ， 选 内 部 ROM地 址 大 于 8k时 ， 选 外 部 ROMP0口 是 数 据 /地 址 复 用 口用 下 降 沿 锁 存 P0口 的 低 8位 地 址 到 外 部 锁 存 器 复 位 电 路手 动 复 位上 电 自 动 复 位 高 电 平 要 保 持 10m s以 上RESET高 电 平 有 效 上 页 下 页回 目 录 +5V10uF10K VccRSTGND上 电 复 位 10

12、uF10K VccRSTGND手 动 执 行 (A) (B) B ADIV A B ;执 行 (A)/(B) 商 A 余 B 上 页 下 页回 目 录 次 累 加 器作 一 RAM单 元 用 余 程 序 状 态 字 PSW 地 址 ： 0D0H 8位 寄 存 器 ， 存 放 程 序 的 状 态 信 息CY D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0AC F0 RS1 RS0 OV P格 式 如 下 ：进 /借 位 标 志 CY（ PSW.7）加 法 运 算 时 ， 如 果 D 7有 进 位 ， 则 CY=1， 否 则 CY=0减 法 运 算 时 ， 如 果 D7有 借 位 ， 则 CY=1

13、， 否 则 CY=0布 尔 运 算 中 被 定 义 为 位 累 加 器 上 页 下 页回 目 录PSW D7 D0CY 辅 助 进 位 标 志 AC（ PSW.6） 8位 加 法 运 算 时 ， 如 果 低 半 字 节 的 D3向 D4有 进 位 ， 则 AC=1， 否 则 AC=08位 减 法 运 算 时 ， 如 果 低 半 字 节 的 D3向 D4有 借 位 ， 则AC=1， 否 则 AC=0标 志 F0（ PSW.5）由 用 户 定 义可 用 软 件 来 使 它 置 “ 1”、 或 清 “ 0”可 由 软 件 测 试 F0来 控 制 程 序 流 向 上 页 下 页回 目 录 D7D4 D

14、3D0AC 工 作 寄 存 器 区 选 择 位 RS1 、 RS0（ PSW.4、 PSW .3）通 过 软 件 来 改 变 RS1 、 RS0的 组 合 ， 以 确 定 当 前工 作 寄 存 器 区 。 上 页 下 页回 目 录工 作 寄 存 器 区 地 址RS1 RS0 2 区 10H 17H1 0 3 区 18H 1FH1 1 0 区 00H 0 0 07H 1 区 08H 0 1 0FHPSW.4 PSW.3用 布 尔 操 作 来 改 变 OV= C6 C7 +溢 出 标 志 OV（ PSW.2）作 为 有 符 号 数 加 、 减 法 时 由 硬 件 置 位 或 清 除 ， 以 指示

15、运 算 结 果 是 否 溢 出执 行 加 /减 法 指 令 时 ， 用 Ci 表 示 i位 向 i+1有 进 /借 位a) 第 6位 向 第 7位 有 进 /借 位 ， 而 第 7位 不 向 CY进 /借 位 时b) 第 6位 不 向 第 7位 进 /借 位 ， 而 第 7位 向 CY有 进 /借 位 时 OV=1, 否 则 OV=0若 OV=1， 意 味 着 加 /减 法 的 结 果 已 超 出 了 一 个 字 节 有 符 号 补 码 数 所 表 示 的 范 围 （ -128 +127） 上 页 下 页回 目 录a) OV= 1 0 b) OV= 0 1即 做 加 法 时 ， 最 高 和 次

16、 高 位 之 一 有 进 位 ， 或 做减 法 时 ， 最 高 和 次 高 位 之 一 有 借 位 则 OV被 置 位 D7D6D5D4 D3D2D1D0例 ： 0 1 0 1 0 1 1 0 （ +86） (正 ) 0 0 1 1 0 0 1 0 (+50） (正 )00010001此 时 C6=1、 C7=0 则D7D6D5D4 D3D2D1D0 1 0 0 1 0 1 1 0 （ -106） (负 )110111001 ( +136) (正 )(-197) (负 )OV= C6 C7=1 +此 时 C 6=0、 C7=1 则 OV= C6 C7=1 + 上 页 下 页回 目 录 符号位

17、1 0 1 0 0 1 0 1 （ -91） (负 ) Cy 奇 偶 标 志 P（ PSW.0） 每 个 指 令 周 期 都 由 硬 件 置 位 或 清 零 ， 以 表 示 累 加 器 A中 值 为 “ 1”的 位 数 的 奇 偶 性 该 标 志 可 用 于 串 行 数 据 通 讯 ， 验 证 数 据 传 输 的 可 靠 性 上 页 下 页回 目 录P = 1 A中 1的 个 数 为 奇 数0 A中 1的 个 数 为 偶 数 ? 思 考试 分 析 执 行 指 令 MOV A, #7FHADD A, #47H后 ， 程 序 状 态 字 PSW中 CY， AC， OV， P 的 状 态 是 什 么

18、 ？ 上 页 下 页回 目 录 D7D6D5D4 D3D2D1D0 0 1 1 1 1 1 1 1 （ 7FH） 0 1 0 0 0 1 1 1 （ 47H）01100011 （ C6H）MOV A, #7FHADD A, #47H #7FH ACY=0 AC=1执 行 第 一 条 指 令 后 P=1， 执 行 第 二 条 指 令 后 P=0此 时 C6=1、 C7=0 则 OV= C6 C7=1 + 上 页 下 页回 目 录有无 堆 栈 指 针 SP8位 寄 存 器 ， 存 放 栈 顶 地 址保 护 CPU现 场 和 断 点 地 址作 用 ：工 作 方 式 ： “ 先 进 后 出 ” 或 “

19、 后 进 先 出 ”数 据 压 入 堆 栈 时 ， SP自 动 加 1数 据 弹 出 堆 栈 时 ， SP自 动 减 1 SP始 终 指 向 栈 顶 地 址 上 页 下 页回 目 录中 断 时转 子 时栈 区 “ 向 上 生 成 ” 按 “ 先 进 后 出 ” 工 作 原 则 ， 由 SP组 织 的内 部 RAM区 域 ， 被 称 为 堆 栈 。主 程 序 SPSP例 ： 堆 栈 操 作建 立 堆 栈压 入 操 作弹 出 操 作 60H61H62H63H64H A的 内 容B的 内 容SPMOV SP, #60HPUSH APUSH BPOP direct SP 上 页 下 页回 目 录dir

20、ect 栈 底 数 据 指 针 DPTR16位 寄 存 器 ， 高 字 节 用 DPH表 示 ， 低 字 节 用 DPL表 示对 外 部 RAM 或 I/O 口 寻 址 ， 范 围 64KB例 ： MOVX A， DPTRMOVX DPTR， A;将 外 部 RAM中 地 址 为 DPTR的 单 元 内 容 读 到 A中;将 A中 的 内 容 写 到 外 部 RAM中 地 址 为 DPTR的 单 元MOVC A， A+ DPTR;采 用 基 址 +变 址 的 方 法 读 程 序 存 储 器 内 的 表 格 常 数;DPTR为 基 址 寄 存 器 ， A为 变 址 寄 存 器 上 页 下 页回

21、目 录（ DPTR）A P3.7 RDP3.6 WR (A)DPTR (A)+(DPTR)APSEN I/O 端 口 P0 P3 地 址 :80H 90H 0A0H 0B0H专 用 寄 存 器 P0 P3分 别 是 端 口 P0 P3的 锁 存 器 串 行 数 据 缓 冲 器 SBUF 地 址 :99H存 放 欲 发 送 的 数 据存 放 已 接 收 的 数 据一 个 地 址 : 99H 定 时 /计 数 器 T0 T1 MCS-51系 列 有 2个 16位 定 时 /计 数 器 T0 、 T1MCS-52系 列 增 加 了 1个 16位 定 时 /计 数 器 T2 上 页 下 页回 目 录S

22、BUF两 个 缓 冲 器 共 用 “写 ” 发 送 缓 冲 器“读 ” 接 受 缓 冲 器MOV SBUF， AMOV A ， SBUF 其 他 控 制 寄 存 器IP 0B8H 中 断 优 先 控 制 寄 存 器IE 0A8H 中 断 允 许 控 制 寄 存 器TMOD 89H 定 时 /计 数 器 方 式 控 制 寄 存 器TCON 88H 定 时 /计 数 器 控 制 寄 存 器SCON 99H 串 行 口 控 制 寄 存 器PCON 97H 电 源 及 波 特 率 选 择 控 制 上 页 下 页回 目 录 地 址名 称 作 用 寻 址 空 间 64KB采 用 寄 存 器 间 接 寻 址

23、 方 式间 址 寄 存 器 有 R0、 R1（ 256B）数 据 指 针 DPTR（ 64KB）采 用 MOVX指 令 单 片 机 产 生 读 /写 信 号 ，对 外 部 RAM产 生 读 写 操 作3、 外 部 数 据 存 储 器 FFFFH0000H 上 页 下 页回 目 录外 部RAM（ I/O）64KBMOVX A， RiMOVX A， DPTRiMOVX Ri， AMOVX DPTRi ， A “读 ” 指 令“写 ” 指 令 通 过 三 条总 线 扩 展 MCS-51 CPU时 序一 、 机 器 周 期 、 状 态 、 相 位一 个 机 器 周 期 包 括 6个 S 状 态 S1

24、S6， 每 个 S状 态 分 为 2 (拍 )个 振 荡 周 期 （ 相 位 P1， 相 位 P2） 。 1个 机 器 周 期 6个 S状 态 12 (拍 )个 振 荡 周 期采 用 主 频 为 12MHz 振 荡 源 ， 每 个 机 器 周 期 为 1S 上 页 下 页回 目 录又 称 为 CPU周 期 二 、 典 型 指 令 的 取 指 和 执 行 时 序OSCALE P1P2P1P2 P1P2P1P2P1P2P1P2S1 S2 S3 S4 S5 S6机 器 周 期读 操 作 码 04H 读 下 一 个 操 作 码 （ 丢 掉 ） PC不 增 “ 1”S1 S2 S3 S4 S5 S6 再

25、 读 下 一 个 操 作 码(a) 单 字 节 单 周 期 指 令 如 ： INC A 上 页 下 页回 目 录 机 器 周 期 OP04HROMPCXTAL2 (a) 单 字 节 单 周 期 指 令指 令 长 度 为 一 个 字 节执 行 时 间 为 一 个 机 器 周 期在 S4P2期 间 的 取 指 无 效 ， PC不 增 “ 1”在 本 周 期 的 S6P2期 间 执 行 完 毕在 S1P2期 间 读 入 操 作 码 并 锁 存 在 指 令 寄 存 器 中 上 页 下 页回 目 录 读 操 作 码 24H 读 第 二 字 节#dataS1 S2 S3 S4 S5 S6 再 读 下 一

26、个 操 作 码(b) 双 字 节 单 周 期 指 令 如 ： ADD A， #data 上 页 下 页回 目 录OSCALE P1P2P1P2 P1P2P1P2P1P2P1P2S1 S2 S3 S4 S5 S6机 器 周 期 机 器 周 期OP24HdataROMPC 操 作 数PCXTAL2 (b) 双 字 节 单 周 期 指 令指 令 长 度 为 2个 字 节执 行 时 间 为 一 个 机 器 周 期在 S4P2期 间 读 入 第 2字 节在 本 周 期 的 S6P2期 间 执 行 完 毕在 S1P2期 间 读 入 操 作 码 并 锁 存 在 指 令 寄 存 器 中 上 页 下 页回 目

27、录 读 操 作 码 A3H(c) 单 字 节 双 周 期 指 令 如 ： INC DPTR 上 页 下 页回 目 录 OPA3HROMPCOSCALE P1P2P1P2 P1P2P1P2P1P2P1P2S1 S2 S3 S4 S5 S6机 器 周 期 机 器 周 期S1 S2 S3 S4 S5 S6 S1 S2 S3 S4 S5读 下 一 个 操 作 码 （ 丢 掉 ） PC不 增 “ 1”DPLDPH “+1”XTAL2 (c) 单 字 节 双 周 期 指 令指 令 长 度 为 1个 字 节执 行 时 间 为 2个 机 器 周 期 ， 因 DPTR是 16位 的即 在 本 周 期 的 S4P

28、2及 下 一 周 期 的 2次 取 指 无 效在 第 2周 期 的 S6P2期 间 执 行 完 毕在 S1P2期 间 读 入 操 作 码 并 锁 存 在 指 令 寄 存 器 中在 后 面 3个 ALE出 现 时 （ PC） 不 加 1 上 页 下 页回 目 录而 CPU是 8位 的 ， 需 要 2次 运 算 读 操 作 码 E0H 地 址 数 据访 问 外 部 存 储 器 不 取 指 不 取 指 无 ALEOSCALE P1P2P1P2 P1P2P1P2P1P2P1P2S1 S2 S3 S4 S5 S6机 器 周 期 机 器 周 期S1 S2 S3 S4 S5 S6 S1 S2 S3 S4 S5 S读 下 一 个 操 作 码 （ 丢 掉 ） PC不 增 “ 1”(d) 单 字 节 双 周 期 指 令 如 ： MOVX A， DPTRMOVX DPTR， AOPE0HROMPC 上 页 下 页回 目 录XTAL2 MOVX类 指 令 ：在 S1P2期 间 读 入 操 作 码 并 锁 存 在 指 令 寄 存 器 中在 S5期 间 送 出 外 部 数 据 存 储 器 地 址 ， 随 后 在 S6 直 到 下 一 机 器 周 期 的 S3期 间 送 出 或 读 入 数 据在 第 2周 期 的 S6P2期 间 执 行 完 毕 上 页 下 页回 目 录