MCS-51单片机原理及应用.ppt

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1、引子引子单片机：是在一片硅片上集成了单片机：是在一片硅片上集成了CPU、存储器（、存储器（ROM，RAM，EPROM）和各种）和各种I/O接口（定时器，计数器，并接口（定时器，计数器，并行行I/O口，串行口，串行I/O口，口，A/D转换器，脉冲调制器转换器，脉冲调制器PWM等），等），具有一台计算机功能的设备，又称单板机、单片微型计算具有一台计算机功能的设备，又称单板机、单片微型计算机、微控制器（机、微控制器（Micro-Controller）、嵌入式控制器）、嵌入式控制器（Embedded-Controller）。）。主要用在智能仪器仪表、机电设备过程控制、自动检测、主要用在智能仪器仪表、机

2、电设备过程控制、自动检测、家电和数据采集处理等方面。家电和数据采集处理等方面。l1 1、什么是单片机：、什么是单片机：l单片机全称单片微型计算机。单片机全称单片微型计算机。它是在同一块它是在同一块芯片上集成了一台微型计算机所需的芯片上集成了一台微型计算机所需的CPUCPU、存、存储器储器(ROM(ROM、RAM)RAM)、输入、输入/ /输出部件和时钟等控输出部件和时钟等控制部件制部件. .不求规模大不求规模大, ,力争小而全力争小而全。l2 2、单片机的特点、单片机的特点l单片机：单片机：把微处理器和把微处理器和少量少量RAMRAM（128/256128/256字字节）、节）、ROMROM（

3、4-8K4-8K）以及）以及I/OI/O等有关电路等有关电路集成集成在一片半导体芯片在一片半导体芯片。3 3、如何学习单片机、如何学习单片机 硬件：硬件： 掌握单片机的掌握单片机的硬件资源硬件资源及及外部扩展电路外部扩展电路的方法，的方法，合理分配资源合理分配资源。l软件：软件：掌握单片机的掌握单片机的指令（语句）功能指令（语句）功能、程序程序设计设计和和调式方法调式方法，仿真软件的使用仿真软件的使用。l具体方法：具体方法：l1、从最基本的、从最基本的典型电路典型电路-进行编程控制。进行编程控制。l2、对、对例题例题、子程序子程序进行软件进行软件分析仿真分析仿真-修改修改、扩充扩充功能功能l*

4、在进行在进行硬件资源分配时硬件资源分配时，应特别关注，应特别关注具有特殊具有特殊功能的功能的I/O。主要内容主要内容l1.单片机的历史和发展状况单片机的历史和发展状况l2.单片机的特点及应用领域单片机的特点及应用领域l3.主流系列单片机的简介主流系列单片机的简介l4.MCS-51单片机的结构与原理单片机的结构与原理l5.单片机应用系统单片机应用系统1. 单片机的历史及发展状况单片机的历史及发展状况单片机出现的历史并不长, 但发展十分迅猛。 它的产生与发展和微处理器的产生与发展大体同步, 自1971年美国Intel公司首先推出4位微处理器以来, 1974年美国仙童（Fairchild）公司生产出

5、第一块单片机（F8）开始，它的发展到目前为止大致可分为5个阶段:单片机的历史第第1阶段（阶段（19711976）:单片机发展的初级阶段单片机发展的初级阶段l1971年年11月月Intel公司首先设计出集成度为公司首先设计出集成度为2 000只晶体管只晶体管/片的片的4位微处理器位微处理器Intel 4004, 并配有并配有RAM、 ROM和移位和移位寄存器寄存器, 构成了第一台构成了第一台MCS4微处理器微处理器, 而后又推出了而后又推出了8位位微处理器微处理器Intel 8008, 以及其它各公司相继推出的以及其它各公司相继推出的8位微处位微处理器。理器。第第2阶段（阶段（19761978）

6、: 低性能单片机阶段低性能单片机阶段l 以以1976年年Intel公司推出的公司推出的MCS48系列为代表系列为代表, 采用将采用将8位位CPU、 8位并行位并行I/O接口、接口、 8位定时位定时/计数器、计数器、 RAM和和ROM等集成于一块半导体芯片上的单片结构等集成于一块半导体芯片上的单片结构, 虽然其寻址虽然其寻址范围有限（不大于范围有限（不大于4 KB）, 也没有串行也没有串行I/O, RAM、 ROM容量小容量小, 中断系统也较简单中断系统也较简单, 但功能可满足一般工业控制和但功能可满足一般工业控制和智能化仪器、智能化仪器、 仪表等的需要。仪表等的需要。第第3阶段（阶段（1978

7、1983）: 高性能单片机阶段高性能单片机阶段l 这一阶段推出的高性能这一阶段推出的高性能8位单片机普遍带有串行口位单片机普遍带有串行口, 有多有多级中断处理系统级中断处理系统, 多个多个16位定时器位定时器/计数器。计数器。 片内片内RAM、 ROM的容量加大的容量加大,且寻址范围可达且寻址范围可达64 KB, 个别片内还带有个别片内还带有A/D转换接口。典型的代表为转换接口。典型的代表为Intel公司的公司的MCS-51系列。系列。第第4阶段（阶段（198380年代末）年代末）: 16位单片机阶段位单片机阶段l1983年年Intel公司又推出了高性能的公司又推出了高性能的16位单片机位单片

8、机MCS96系列系列, 由于其采用了最新的制造工艺由于其采用了最新的制造工艺, 使芯片集成度高达使芯片集成度高达12万只晶体管万只晶体管/片。片。第第5阶段（阶段（90年代现在）年代现在）: 32位单片机阶段位单片机阶段l单片机在集成度、单片机在集成度、 功能、功能、 速度、速度、 可靠性、可靠性、 应用领域等全方位向更高水平发展。应用领域等全方位向更高水平发展。 单片机的发展方向单片机的发展方向lCPU的改进的改进v采用双采用双CPU结构，提高处理能力；结构，提高处理能力；v增加数据总线宽度，提高数据传输速度；增加数据总线宽度，提高数据传输速度；v采用流水线结构，提高指令执行速度；采用流水线

9、结构，提高指令执行速度；v采用串行总线结构，减少单片机引脚，降低成本。采用串行总线结构，减少单片机引脚，降低成本。l存储器的发展v加大存储器容量；v片内EPROM（Electrically Programmable Read-Only Memory，电可编程只读存储器）开始EEPROM（电可擦除可编程只读存储器）化；v程序保密化。l片内I/O的改进v增加并行I/O口的驱动能力；v增加I/O的逻辑控制功能；v提供特殊串行接口，适用专用场合。4.外围电路集成化（把外围功能部件集成到片内）5.低功耗化2.单片机的特点及应用领域单片机的特点及应用领域l单片机的特点q小巧灵活，成本低，易于产品化；q可靠

10、性好，应用范围广泛；q易扩展，构成各种规模的应用系统，控制功能强；q具有通讯功能。单片机的应用单片机的应用 l由于单片机具有体积小、 重量轻、 价格便宜、 功耗低, 控制功能强及运算速度快等特点, 因而在国民经济建设、 军事及家用电器等各个领域均得到了广泛的应用。 按照单片机的特点, 其应用可分为单机应用与多机应用。 图2-1 单片机应用单机应用单机应用l在一个应用系统中, 只使用1片单片机称为单机应用, 这是目前应用最多的一种方式。 单片机应用的主要领域有: l(1) 测控系统。 用单片机可以构成各种不太复杂的工业控制系统、 自适应控制系统、 数据采集系统等, 达到测量与控制的目的。 l(2

11、) 智能仪表。 用单片机改造原有的测量、 控制仪表, 促进仪表向数字化、 智能化、 多功能化、 综合化、 柔性化方向发展。 l(3) 机电一体化产品。 单片机与传统的机械产品相结合, 使传统机械产品结构简化, 控制智能化。l(4) 智能接口。 在计算机控制系统, 特别是在较大型的工业测、 控系统中, 用单片机进行接口的控制与管理, 加之单片机与主机的并行工作, 大大提高了系统的运行速度。 l(5) 智能民用产品。 如在家用电器、 玩具、 游戏机、 声像设备、 电子秤、 收银机、 办公设备、 厨房设备等许多产品中, 单片机控制器的引入, 不仅使产品的功能大大增强, 性能得到提高, 而且获得了良好

12、的使用效果。多机应用多机应用l单片机的多机应用系统可分为功能集散系统、 并行多机处理及局部网络系统。 l(1) 功能集散系统。 多功能集散系统是为了满足工程系统多种外围功能的要求而设置的多机系统。 l(2) 并行多机控制系统。 并行多机控制系统主要解决工程应用系统的快速性问题, 以便构成大型实时工程应用系统。l (3) 局部网络系统。3.主流单片机系列简介主流单片机系列简介l目前世界上单片机生产厂商很多, 如: Intel、 Motorola、 Philips、 Siemens、 NEC、 ADM、 Zilog等公司, 其主流产品有几十个系列, 几百个品种。 尽管其各具特色, 名称各异, 但作

13、为集CPU、 RAM、 ROM（或EPROM）、 I/O接口、 定时器/计数器、 中断系统为一体的单片机, 其原理大同小异。 现以Intel公司的系列产品为例, 说明各系列之间的区别。 l Intel公司从其生产单片机开始, 发展到现在, 大体上可分为3大系列: MCS48系列、 MCS51系列、 MCS96系列。 该3大系列的性能简介见表3-1。表3-1 Intel单片机系列性能简介22Intel 8051单片机于1980年由Intel（英特尔）公司首先研制出来并应用于嵌入式系统中。AT89S51型单片机（8051兼容型单片机），呈现出集成电路特有的外观，两侧有整齐排列的金属管脚，尺寸为52

14、mm（长）15mm（宽）。Intel 8051单片机单片机图3-2 AT89S51单片机23PIC单片机单片机PIC单片机的低功耗、广泛用途使其成为产品设计和爱好者首选的控制器，PIC单片机家族的单片机在汽车电子、以太网、家电、机电一体化、USB、仪器仪表等产品中有着非常广泛的应用。图3-2 PIC单片机24AVR单片机单片机AVR是单片机设计及体系结构中的新生儿，它由Atmel公司于1996研制出来。目前AVR有UC3、XMEGA、megaAVR、tinyAVR等几大系列过百种型号的单片机可供设计时选择。图3-3 AVR单片机25其他单片机其他单片机ARM系列单片机ST Microelect

15、ronics公司的ST系列单片机 Freescale公司的单片机系列 Texas Instruments公司的单片机系列“中国的半导体行业与世界先进水平的差距目前依然很大，我国半导体公司与世界著名公司不在一个数量级上。”-Intel视觉计算事业部首席高级华人工程师江宏4.MCS-51单片机结构与原理单片机结构与原理l4.1 MCS51系列单片机基本结构系列单片机基本结构l4.2 中央处理器中央处理器CPUl4.3 MCS51单片机存储器及存储空间单片机存储器及存储空间l4.4 并行输入并行输入/输出接口输出接口 l4.5 CPU时序和复位状态时序和复位状态4.1 MCS51系列单片机基本结构系

16、列单片机基本结构 l 4.1.1 MCS51单片机系列单片机系列 lMCS51系列单片机虽已有系列单片机虽已有10多种产品多种产品, 但可但可分为两大系列分为两大系列: MCS51子系列与子系列与MCS52子子系列。系列。 MCS51子系列中主要有子系列中主要有8031、 8051、 8751 三种类型。三种类型。 而而MCS52子系列也有子系列也有3种种类型类型8032、 8052、 8752。 各子系列配置见各子系列配置见表表4-1所示。所示。 表4-1 MCS51系列单片机配置一览表 l 表表4-1中列出了中列出了MCS51系列单片机的两个系列单片机的两个子系列子系列, 在在4个性能上略

17、有差异。个性能上略有差异。 由此可见由此可见, 在本子系列内各类芯片的主要区别在于片在本子系列内各类芯片的主要区别在于片内有无内有无ROM或或EPROM; MCS51与与MCS52子系列间所不同的是片内程序存储器子系列间所不同的是片内程序存储器ROM从从4 KB增至增至8 KB; 片内数据存储器由片内数据存储器由128个字节增至个字节增至256个字节个字节;定时器定时器/计数器计数器增加了一个增加了一个; 中断源增加了中断源增加了12个。个。 另外另外, 对于制造工艺为对于制造工艺为CHMOS的单片机的单片机, 由于采由于采用用CMOS技术制造技术制造, 因此具有低功耗的特点因此具有低功耗的特

18、点, 如如8051功耗约为功耗约为630 mW, 而而80C51的功耗的功耗只有只有120 mW。 4.1.2 MCS51系列单片机内部结构及功能部件系列单片机内部结构及功能部件图4-1 8051内部结构详细内部结构详细内部结构图4-2 8051详细内部结构lMCS51系列单片机是由系列单片机是由8大部分组成的。大部分组成的。下图为按功能划分的下图为按功能划分的MCS51系列单片机系列单片机内部结构简化框图。内部结构简化框图。 （a）（b）图4-3 8051内部结构简化框图l这这8大部分是大部分是: l一个一个8位中央处理机位中央处理机CPU。 l128个字节（个字节（MCS52子系列为子系列

19、为256字节）的片内数据存储器字节）的片内数据存储器RAM。 l4 KB（MCS52子系列为子系列为8 KB）的片内程序只读存储器）的片内程序只读存储器ROM或或EPROM（8031和和8032无）。无）。l18个（个（MCS52子系列为子系列为21个）特殊功能寄存器个）特殊功能寄存器SFR。 l4个个8位并行输入输出位并行输入输出I/O接口接口: P0口、口、 P1口、口、 P2口、口、 P3口口（共（共32线）线）, 用于并行输入或输出数据。用于并行输入或输出数据。l1个全双工的串行个全双工的串行I/O接口。接口。 l2个（个（MCS52子系列为子系列为3个）个）16位定时器位定时器/计数

20、器。计数器。 l1个具有个具有5个（个（MCS52子系列为子系列为6个或个或7个）中断源个）中断源, 可编程为可编程为2个优先级的中断系统。个优先级的中断系统。 它可以接收外部中断申请它可以接收外部中断申请, 定时器定时器/计计数器中断申请和串行口中断申请。数器中断申请和串行口中断申请。 4.1.3 单片机外部引脚说明单片机外部引脚说明lMCS51系列单片机芯片均为系列单片机芯片均为40个引脚个引脚, HMOS工艺制造的芯片采用双列直插（工艺制造的芯片采用双列直插（DIP）方式封装方式封装, 其引脚示意及功能分类如图其引脚示意及功能分类如图23所所示。示。 CMOS工艺制造的低功耗芯片也有采用

21、工艺制造的低功耗芯片也有采用方型封装的方型封装的, 但为但为44个引脚个引脚, 其中其中4个引脚是不个引脚是不使用的。使用的。 图4-4 8051外部引脚图4-5 MCS51系列单片机引脚及总线结构 (a) 管脚图； (b) 引脚功能分类 l （1） 主电源引脚主电源引脚Vcc和和Vss lVCC（40脚）脚）: 接接+5 V电源正端电源正端; lVSS（20脚）脚）: 接接+5 V电源地端。电源地端。 l （2） 外接晶体引脚外接晶体引脚XTAL1和和XTAL2lXTAL1（19脚）脚）: 接外部石英晶体的一端。接外部石英晶体的一端。 在单片在单片机内部机内部, 它是一个反相放大器的输入端它

22、是一个反相放大器的输入端, 这个放大器这个放大器构成了片内振荡器。构成了片内振荡器。 当采用外部时钟时当采用外部时钟时, 对于对于HMOS单片机单片机, 该引脚接地该引脚接地; 对于对于CHMOS单片机单片机, 该该引脚作为外部振荡信号的输入端。引脚作为外部振荡信号的输入端。lXTAL2（18脚）脚）: 接外部晶体的另一端。接外部晶体的另一端。 在单片机在单片机内部内部, 接至片内振荡器的反相放大器的输出端。接至片内振荡器的反相放大器的输出端。 当当采用外部时钟时采用外部时钟时, 对于对于HMOS单片机单片机, 该引脚作为外该引脚作为外部振荡信号的输入端部振荡信号的输入端; 对于对于CHMOS

23、芯片芯片, 该引脚悬该引脚悬空不接。空不接。 l（3） 控制信号或与其它电源复用引脚控制信号或与其它电源复用引脚l控制信号或与其它电源复用引脚有控制信号或与其它电源复用引脚有RST/VPD、 、 和和 等等4种形式。种形式。l1） RST/VPD（9脚）脚）: RST即为即为RESET, VPD为备用电源为备用电源, 所以该引脚为单片机的上电复位或所以该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。掉电保护端。 l2） (30脚脚): 当访问外部存储器时当访问外部存储器时, ALE（允许地址锁存信号）以每机器周期两次的信（允许地址锁存信号）以每机器周期两次的信号输出号输出, 用于锁存出现在用于锁存出现在

24、P0口的低口的低8位地址。位地址。 /.ALE PROGPSEN/PPEA V/ALE PROGl3） （29脚）脚）: 片外程序存储器读选通信片外程序存储器读选通信号输出端号输出端, 低电平有效。低电平有效。 l4） （31脚）脚）: 为为访问外部程序存储访问外部程序存储器器控制信号控制信号, 由外部输入该信号，低电平有由外部输入该信号，低电平有效，只选用片外程序存储器，而片内的程序效，只选用片外程序存储器，而片内的程序存储器没有作用，对存储器没有作用，对8031来说，由于它没有来说，由于它没有片内程序存储器，故该引脚接地。该引脚接片内程序存储器，故该引脚接地。该引脚接高电平时，选用片内的高

25、电平时，选用片内的ROM。为了保证片内。为了保证片内/片外程序存储器的选择的确定性，该引脚一片外程序存储器的选择的确定性，该引脚一般不悬空，而接般不悬空，而接+5V或接地。或接地。PSEN/PPEA VEAl（4） 输入输入/输出（输出（I/O）引脚）引脚P0口、口、 P1口、口、 P2口及口及P3口口l1） P0口（口（39脚脚32脚）脚）: P0.0P0.7统称为统称为P0口。是口。是 一个漏一个漏极开路的极开路的8位准双向位准双向I/O口，在访问外部存储器或进行口，在访问外部存储器或进行I/O口扩展口扩展时，分时作为低时，分时作为低8位地址总线或双向数据总线。位地址总线或双向数据总线。l

26、2） P1口（口（1脚脚8脚）脚）: P1.0P1.7统称为统称为P1口口, 可作为准双向可作为准双向I/O接口使用。接口使用。 l3） P2口（口（21脚脚28脚）脚）: P2.0P2.7统称为统称为P2口口, 一般可作一般可作为准双向为准双向I/O接口。接口。 在访问包部存储器时，作为高在访问包部存储器时，作为高8位的地址总位的地址总线。线。l4） P3口（口（10脚脚17脚）脚）: P3.0P3.7统称为统称为P3口。除作为普口。除作为普通通8位准双向位准双向I/O口外，还具有第口外，还具有第2功能。功能。 表4-2 P3口第2功能表 4.2 中央处理器中央处理器CPU l 中央处理器是

27、单片机内部的核心部件中央处理器是单片机内部的核心部件, 它决定它决定了单片机的主要功能特性。其作用是读入和分了单片机的主要功能特性。其作用是读入和分析每条指令，根据指令要求，控制单片机各个析每条指令，根据指令要求，控制单片机各个部件具体地执行指令操作，完成特定功能。它部件具体地执行指令操作，完成特定功能。它由运算部件和控制部件两大部分组成。由运算部件和控制部件两大部分组成。 4.2.1 运算部件运算部件l运算部件是以算术逻辑单元运算部件是以算术逻辑单元ALU为核心为核心, 加上加上累加器累加器A、 寄存器寄存器B、 暂存器暂存器TMP1和和TMP2、 程序状态寄存器程序状态寄存器PSW及专门用

28、于位操作的布及专门用于位操作的布尔处理机组成的尔处理机组成的, 它能实现数据的算术它能实现数据的算术/逻辑运逻辑运算算, 位变量处理和数据传送操作。位变量处理和数据传送操作。 （1） 算术逻辑单元ALU与累加器ACC、 寄存器B算术逻辑单元ALU不仅能完成8位二进制数的加（带进位加）、 减（带借位减）、 乘、 除、 加1、 减1及BCD加法的十进制调整等算术运算，还能对8位变量进行逻辑“与”、 “或”、 “异或”、 求补、 清零等逻辑运算, 并具有数据传送, 程序转移等功能。 累加器ACC简称累加器A, 为一个8位寄存器, 它是CPU中使用最频繁的寄存器。 进入ALU作算术和逻辑运算的操作数多

29、来自于A, 运算结果也常送回A保存。 寄存器B是为ALU进行乘除法设置的。 图4-6 ALU/ACC/B（2）程序状态字 程序状态字寄存器PSW（8位）是一个标志寄存器, 它保存指令执行结果的特征信息, 以供程序查询和判别。 其程序状态字格式及含义如下:图4-7 PSWl CY（PSW.7）进位标志位。进位标志位。 l AC（PSW.6）辅助进位（或称半进位）标辅助进位（或称半进位）标志。志。 l FO（PSW.5）由用户定义的标志位。由用户定义的标志位。 l RS1（PSW.4）、）、 RS0（PSW.3）工作寄存工作寄存器组选择位。器组选择位。 l OV（PSW.2）溢出标志位。溢出标志位

30、。 由硬件置位或由硬件置位或清零。清零。lPSW.1未定义位。未定义位。 l P（PSW.0）奇偶标志位。奇偶标志位。CYACF0RS1RS0OVPPSW.7PSW.04.3.2 控制部件及振荡器控制部件及振荡器l控制部件是单片机的神经中枢控制部件是单片机的神经中枢, 它包括它包括定时和定时和控制电路、控制电路、 指令寄存器、指令寄存器、 指令译码器、数据指令译码器、数据指针指针DPTR、程序计数器、程序计数器PC、堆栈指针、堆栈指针SP、地址寄存器和地址缓冲器地址寄存器和地址缓冲器等部件。等部件。 图4-8 控制部件及振荡器图4-9 HMOS型MCS51单片机时钟产生方式 （a） 内部振荡器

31、方式; （b） 外部振荡器方式 （1）单片机的定时控制功能是由片内的时钟电路和定时电路来完成的, 而片内的时钟产生有两种方式: 一种是内部时钟方式; 一种是外部时钟方式, 如图（a）、 （b）所示。l 采用内部时钟方式时采用内部时钟方式时, 如图如图4-9（a）所示。）所示。 片内的高增益反相放大器通过片内的高增益反相放大器通过XTAL1、 XTAL2外接作为反馈元件的片外晶体振荡外接作为反馈元件的片外晶体振荡器（呈感性）与电容组成的并联谐振回路器（呈感性）与电容组成的并联谐振回路构成一个自激振荡器构成一个自激振荡器, 向内部时钟电路提供向内部时钟电路提供振荡时钟。振荡时钟。 振荡器的频率主要

32、取决于晶体振荡器的频率主要取决于晶体的振荡频率的振荡频率, 一般晶体可在一般晶体可在1.212 MHz之之间任选间任选, 电容电容C1、 C2可在可在530 pF之间选之间选择择, 电容的大小对振荡频率有微小的影响电容的大小对振荡频率有微小的影响, 可起频率微调作用。可起频率微调作用。 l（2）指令译码器：完成将指令转换成高低电平的工作，）指令译码器：完成将指令转换成高低电平的工作，由由CPU根据高低电平信号，控制各功能部件，完成相根据高低电平信号，控制各功能部件，完成相应操作。应操作。l（3）数据指针）数据指针DPTR：用于对：用于对64KB的外部数据存储的外部数据存储器寻址，共器寻址，共1

33、6位，高位，高8位为位为DPH，地址为，地址为83H，低，低8位位为为DPL，地址为，地址为82H。l（4）程序计数器）程序计数器PC：存放下一条要执行的指令的地：存放下一条要执行的指令的地址，每当一条指令被取出执行时，址，每当一条指令被取出执行时，PC都自动加都自动加1，指，指向下一条指令。向下一条指令。l（5）堆栈指针）堆栈指针SP：堆栈是用户在自己的片内：堆栈是用户在自己的片内128B的的RAM中开辟的一块特定的存储区，中开辟的一块特定的存储区，SP指向堆栈的栈顶指向堆栈的栈顶地址，开机复位后，地址，开机复位后，SP=07H。4.3 MCS51单片机存储器及存单片机存储器及存储空间储空间

34、l 4.3.1 MCS51单片机存储器分类及配置单片机存储器分类及配置l MCS51单片机存储器的分类从物理结构上单片机存储器的分类从物理结构上可分为可分为: 片内、片内、 片外程序存储器（片外程序存储器（8031和和8032没有片内程序存储器）与片内、没有片内程序存储器）与片内、 片外数片外数据存储器据存储器4个部分个部分; 从寻址空间分布可分为从寻址空间分布可分为: 程程序存储器、序存储器、 内部数据存储器和外部数据存储内部数据存储器和外部数据存储器器3大部分大部分; 从功能上可分为从功能上可分为: 程序存储器、程序存储器、 内内部数据存储器、部数据存储器、 特殊功能寄存器、特殊功能寄存器

35、、 位地址空位地址空间和外部数据存储器间和外部数据存储器5大部分。大部分。 l MCS51系列单片机存储器的配置除表系列单片机存储器的配置除表2所所示的片内示的片内ROM（或（或EPROM）和）和RAM外外, 另另外还有外还有128个字节的个字节的RAM区作为特殊功能区作为特殊功能寄存器（寄存器（SFR）区。）区。 片内、片内、 片外程序存储片外程序存储器和数据存储器各自总容量为器和数据存储器各自总容量为64 KB。 程序存储器 （ROM 4KB)存储器 特殊功能寄存器SFR(片内) 数据存储器 （RAM 256B) 工作寄存器和堆栈 128B 图4-10 MCS51单片机存储器空间结构图（a

36、） 程序存储器; （b） 内部数据存储器; （c） 外部数据存储器 MCS51系列单片机存储器系统空间结构如图所示。系列单片机存储器系统空间结构如图所示。 l 4.3.2 程序存储器程序存储器 专用访问指令：专用访问指令：MOVCl （1） 程序存储器的编址程序存储器的编址l 计算机的工作是按照事先编制好的程序命令一条条循序执行的计算机的工作是按照事先编制好的程序命令一条条循序执行的, 程序存储器就是用来存放这些已编好的程序和表格常数程序存储器就是用来存放这些已编好的程序和表格常数, 它由只它由只读存储器读存储器ROM或或EPROM组成。组成。l单片机通过单片机通过PC来访问程序存储器，寻址范

37、围：来访问程序存储器，寻址范围：0000HFFFFH。常见的常见的8051和和8751片内只有片内只有4KB的的ROM，能满足一般需要，此，能满足一般需要，此时可将时可将EA接接+5V。当有外接。当有外接ROM 时，时，ROM的寻址规律为先片内的寻址规律为先片内后片外，片内外连续。即若后片外，片内外连续。即若EA接接+5V，则程序自动从片内，则程序自动从片内ROM开始，当开始，当PC中内容超过内部中内容超过内部ROM的范围时，自动跳到外部的范围时，自动跳到外部ROM接着运行。对于接着运行。对于8031和和8032，片内无，片内无ROM，则，则EA接地，程序从接地，程序从片外片外ROM运行。对于

38、运行。对于8051和和8751，EA接地，程序从片外接地，程序从片外ROM中低中低4KB开始运行。开始运行。0FFFH0000H0FFFH0000HFFFFH1000HEA=1时，ROM的使用EA=0时ROM的使用片外程序存储器（最大64K）单片机内部程序存储器（4K）图4-1 ROM表4-3 MCS51单片机复位、 中断入口地址 （2） 程序运行的入口地址 实际应用时, 程序存储器的容量由用户根据需要扩展， 而程序地址空间原则上也可由用户任意安排。 但程序最初运行的入口地址， MCS51单片机是固定的, 用户不能更改。 程序存储器中有复位和中断源共7个固定的入口地址见表4-3。l单片机复位后

39、程序计数器单片机复位后程序计数器PC的内容为的内容为0000H, 故必须从故必须从0000H单元开始取指令单元开始取指令来执行程序。来执行程序。 0000H单元是系统的起始单元是系统的起始地址地址, 一般在该单元存放一条无条件转移一般在该单元存放一条无条件转移指令指令, 用户设计的程序是从转移后的地址用户设计的程序是从转移后的地址开始存放执行的。开始存放执行的。 l这几个入口地址相隔很近，不能容纳稍长这几个入口地址相隔很近，不能容纳稍长的程序段，一般在其中存放一条跳转指令，的程序段，一般在其中存放一条跳转指令，跳转到用户程序中相应位置。跳转到用户程序中相应位置。4.3.3 内部数据存储器内部数

40、据存储器l专用访问指令：专用访问指令：MOVl（1）内部数据存储器的编址）内部数据存储器的编址lMCS51系列单片机的内部数据存储器由读写存储系列单片机的内部数据存储器由读写存储器器RAM组成组成, 用于存储数据。用于存储数据。 它由它由RAM块和特殊块和特殊功能寄存器（功能寄存器（SFR）块组成。）块组成。l（2） 内部数据存储器内部数据存储器RAM块块l内部数据存储器内部数据存储器RAM块共分为工作寄存器区、块共分为工作寄存器区、 位位寻址区和数据缓冲区寻址区和数据缓冲区3个部分。个部分。 l 1） 工作寄存器区工作寄存器区l内部内部RAM块的块的00H1FH区区, 共分共分4个组个组,

41、每组有每组有8个工作寄存器个工作寄存器R0R7, 共共32个内部个内部RAM单元。单元。 寄存器和寄存器和RAM地址的对应关系如表地址的对应关系如表4-4所示。所示。 表4-4 工作寄存器和RAM地址对照表 l工作寄存器共有工作寄存器共有4组组, 但程序每次只用但程序每次只用1组组, 其它各组不工作。其它各组不工作。 哪哪1组寄存器工作由程序组寄存器工作由程序状态字状态字PSW中的中的PSW.3（RS0）和）和PSW.4（RS1）两位来选择）两位来选择, 其对应关系如表其对应关系如表5所所示。示。 CPU通过软件修改通过软件修改PSW中中RS0和和RS1两位的状态两位的状态, 就可任选一个工作

42、寄存器工作就可任选一个工作寄存器工作, 这个特点使这个特点使MCS51单片机具有快速现场保单片机具有快速现场保护功能护功能, 对于提高程序的效率和响应中断的对于提高程序的效率和响应中断的速度是很有利的。速度是很有利的。 若程序中并不要若程序中并不要4个工作个工作寄存器组寄存器组, 那么剩下的工作寄存器组所对应那么剩下的工作寄存器组所对应的单元也可以作为一般的数据缓冲区使用。的单元也可以作为一般的数据缓冲区使用。 表4-5 工作寄存器组的选择表l2） 位寻址区l20H2FH单元为位寻址区, 这16个单元（共计128位）的每1位都有一个8位表示的位地址, 位地址范围为00H7FH, 如表6所示。

43、位寻址区的每1位都可当作软件触发器, 由程序直接进行位处理。 通常可以把各种程序状态标志, 位控制变量存于位寻址区内。 同样, 位寻址的RAM单元也可以按字节操作作为一般的数据缓冲 表6 内部RAM中位地址表 l3） 数据缓冲区 l30H7FH是数据缓冲区, 也即用户RAM区, 共80个单元。 MCS52子系列片内RAM有256个单元, 前两个的单元数与地址都和MCS51子系列一致。 用户RAM区从30HFFH, 共208个单元。 l4）堆栈与堆栈指针l在程序实际运行中, 往往需要一个后进先出的RAM区, 在子程序调用、 中断服务处理等场合用以保护CPU的现场, 这种后进先出的缓冲区称为堆栈。

44、 MCS51单片机堆栈区不是固定的, 原则上可设在内部RAM的任意区域内, 但为了避开工作寄存器区和位寻址区, 一般设在30H以后的范围内, 栈顶的位置由专门设置的堆栈指针寄存器SP（8位）指出。 MCS51单片机的堆栈属向上生长型, 如图4-12所示。 图4-12 MCS51单片机堆栈 l（3） 特殊功能寄存器SFR块l特殊功能寄存器SFR, 又称为专用寄存器。 它专用于控制、 管理单片机内算术逻辑部件、 并行I/O口锁存器、 串行口数据缓冲器、 定时器/计数器、 中断系统等功能模块的工作, SFR的地址空间为80HFFH。 表4-6 特殊功能寄存器名称、 标识符、 地址一览表 l（4） 位

45、寻址空间l在MCS51单片机的内部数据寄存器RAM块和特殊功能寄存器SFR块中, 有一部分地址空间可以按位寻址, 按位寻址的地址空间又称之为位寻址空间。 位寻址空间一部分在内部RAM的20H2FH的16个字节内, 共128位; 另一部分在SFR的80HFFH空间内, 凡字节地址能被8整除的专用寄存器都有位地址, 共93位。 因此, MCS51系列单片机共有221个可寻址位, 其位地址见表4-6所示。 4.3.4 外部数据存储器外部数据存储器l外部数据存储器一般由静态RAM芯片组成。 扩展存储器容量的大小, 由用户根据需要而定, 但MCS51单片机访问外部数据存储器可用1个特殊功能寄存器数据指针

46、寄存器DPTR进行寻址。 由于DPTR为16位, 可寻址的范围可达64 KB, 所以扩展外部数据存储器的最大容量是64 KB。 l专用访问指令：MOVX4.4 并行输入并行输入/输出接口输出接口 l4.4.1 P0口口l（1） P0口结构口结构lP0口是一个三态双向口口是一个三态双向口, 可作为地址可作为地址/数据数据分时复用口分时复用口, 也可作为通用也可作为通用I/O接口。接口。 其其1位位的结构原理如图所示。的结构原理如图所示。 P0口由口由8个这样的个这样的电路组成电路组成: 锁存器起输出锁存作用锁存器起输出锁存作用, 8个锁存个锁存器构成了特殊功能寄存器器构成了特殊功能寄存器P0;

47、场效应管场效应管（FET）V1、 V2组成输出驱动器组成输出驱动器, 以增大以增大带负载能力带负载能力; 三态门三态门1是引脚输入缓冲器是引脚输入缓冲器; 三三态门态门2是用于读锁存器端口是用于读锁存器端口; 与门与门3、 倒相倒相器器4及模拟转换开关构成输出控制电路。及模拟转换开关构成输出控制电路。 图4-13 P0口1位结构原理图 l（2） 地址地址/数据分时复用功能数据分时复用功能l当当P0口作为地址口作为地址/数据分时复用总线时数据分时复用总线时, 可分为可分为两种情况：两种情况： 一种是从一种是从P0口输出地址或数据口输出地址或数据,另一另一种是从种是从P0口输入数据。口输入数据。

48、l在访问片外存储器需从在访问片外存储器需从P0输出地址或数据信号输出地址或数据信号时时, 控制信号应为高电平控制信号应为高电平1, 使转换开关使转换开关MUX把把反向器反向器4的输出端与的输出端与V1接通接通, 同时把与门同时把与门3打开。打开。 l（3） 通用通用I/O接口功能接口功能l当当P0口作为通用口作为通用I/O接口使用接口使用, 在在CPU向端口输向端口输出数据时出数据时, 对应的控制信号为对应的控制信号为0, 转换开关把输出转换开关把输出级与锁存器级与锁存器 l 端接通端接通, 同时因与门同时因与门3输出为输出为0使使V2截止截止, 此时此时, 输出级是漏极开路电路。输出级是漏极

49、开路电路。 l当当P0口作为通用口作为通用I/O接口时接口时, 要注意两点要注意两点: l第一第一, 在输出数据时在输出数据时, 由于由于V2截止截止, 输出级是漏极开输出级是漏极开路电路路电路, 要使要使“1”信号正常输出信号正常输出, 必须外接上拉电阻。必须外接上拉电阻。 l第二第二, P0口作为通用口作为通用I/O使用时是一准双向口。使用时是一准双向口。 Ql （4） 端口操作端口操作l MCS51单片机有不少指令可直接进行单片机有不少指令可直接进行端口操作端口操作, 例如例如: lANL P0, A ;（P0）（P0）（A）lORL P0, data; （P0）（P0） datalDE

50、LP0 ; （P0）（P0）1 4.4.2 P1口口lP1口为准双向口口为准双向口, 其其1位的内部结构如图所示。位的内部结构如图所示。 它在结构上与它在结构上与P0口的区别在于输出驱动部分口的区别在于输出驱动部分, 其输出驱动部分由场效应管其输出驱动部分由场效应管V1与内部上拉电与内部上拉电阻组成。阻组成。 当其某位输出高电平时当其某位输出高电平时, 可以提供拉可以提供拉电流负载电流负载, 不必象不必象P0口那样需要外接电阻。口那样需要外接电阻。 l从功能上来看从功能上来看P1只有一种功能（对只有一种功能（对MCS51子系列）子系列）, 即通用输入输出即通用输入输出I/O接口接口, 具有输入