MCS51单片机基础知识.doc

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1、MCS-51单片机的基本结构MCS-51单片机的基本结构:1、微处理器CPU：为8位的CPU，且内含一个1位CPU（布尔处理器），不仅可以处理字节数据，还可以进行位变量的处理。2、内部数据存储器（RAM）：128字节片内RAM。（8052系列为256字节） 3、内部程序存储器（ROM/EPROM/）:8031无此器件，8051为4KROM，8751为4KEPROM。4、定时器/计数器：内含2个16位定时/计数器，具有四种工作方式。5、串行口：1个全双工的串行口，具有四种工作方式。6、中断控制系统：具有5个中断源，2级中断优先权。7、P0、P1、P2、P3：为4个并行8位I/O口。8、特殊功能寄

2、存器（SFR）：共有21个，用于对片内各功能模块进行管理、控制、监视。实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个特殊功能的RAM区。1、电源、时钟电路VCC（40脚）+5V电源VSS（20脚）地XTAL1（19脚）芯片内部振荡电路（单级反相放大器）输入端。XTAL2（18脚）芯片内部振荡电路（单级反相放大器）输出端。MCS-51的时钟可由内部方式或外部方式产生。1） 内时钟方式利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2的引脚上外接定时元件，内部振荡器便能产生自激振荡，用示波器便可以观察到XTAL2输入的正弦波，定时元件可以采用石英晶体和电容组成的并联谐振电路，连接方法如图2.2（a）所示

3、。晶体可以在1.2MHz33MHz之间任选，电容可以在2030pF之间选择，电容C1、C2的大小对振荡频率有微小影响，可对频率起微调作用。在设计印制板时，石英晶体和电容应尽可能与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，保证振荡器可靠工作，为提高温度稳定性，采用NPO电容为优。 2）外时钟方式如图2.1（b）所示，XTAL1接地，XTAL2接外部振荡器，对外部振荡信号无特殊要求，由于XTAL2端的电平不是TTL电平，故应接一上拉电阻。外部振荡器的频率应低于33MHz。（a）内时钟方式 （b）外时钟方式图2.1 MCS-51时钟方式电路图2、控制信号1）RST/VPD（9脚）复位信号时钟电路工作后，在此引

4、脚上出现两个机器周期的高电平，芯片内部进行初始复位，复位后片内寄存器置初值。但初始化不影响片内RAM状态，只在该引脚保持高电平，MCS-51将循环复位。RST/VPD从高电平变低电平时，单片机将从0号单元取指，开始执行程序。另外，该引脚还具有复用功能，只要将VPD接+5V备用电源，一但VCC电位突然下降或断电，能保护片内RAM中的信息不被丢失，使复电后能正常工作。MCS-51通常采用上电复位和开关复位二种方式。其简单的复位应用电路如图2.2所示。上电瞬间，电容两端电压不能突变，此时RST端为高电平，随着+5V通过电阻给电容充电，RST端电位逐步下降。只要RST端电平在高电平段保持两个以上机器周

5、期，单片机即复位，从而实现上电自动复位。开关复位，只要将按键按下，RST为高电平，复位有效。图2.2 复位电路MCS-51的复位状态内部寄存器状态2）ALE/（30脚）地址锁存信号P0口作为地址/数据复用口，用ALE区分P0口上的信息究竟是地址还是数据。ALE高电平期间，P0口输出地址信息，在ALE下降沿时，将P0口上地址信息锁存到片外地址锁存器。在ALE低电平期间P0口上输出/输入指令和数据信息。当访问外部存贮器时，P0口输出的低八位地址由ALE输出的控制信号锁存到片外地址锁存器，P0口输出地址低八位后，又能与片外存贮器之间传送数据信息。不访问片外存贮器时，该端也以六分之一的时钟频率固定输出

6、正脉冲。因而亦可作系统中其它芯片的时钟源。ALE可驱动8个TTL门。对于EPROM型单片机，在EPROM编程时，此脚用于编程脉冲的输入端。3）PSEN（29脚）片外程序存贮器选通信号，低有效。当89C51访问片外程序存贮器时，程序计数器PC通过P2口和P0口输入十六位指令地址，PSEN作为程序存贮器读信号，输出负脉冲将相应存贮单元的指令读出并送到P0口上，供89C51执行。PSEN同样可驱动8个TTL门输入。4）EA/VPP（31脚）内部和外部程序存贮器选择信号，对于89C51来说，内部有4K字节的程序存贮器，当为高时，CPU访问程序存贮器有两种情况： 地址小于4K时访问内部程序存贮器。 地址

7、大于4K时访问外部程序存贮器。若接地，则不使用内部程序存贮器，不管地址大小，取指时总是访问外部程序存贮器。对于E2PROM型的单片机，在EPROM编程时，此引脚用于施加编程电压（VPP）。3、I/O口MCS-51单片机有4个双向8位I/O口P0P3，P0口为三态双向口，负载能力为8个LSTTL门电路，P1P3为准双向口（用作输入时，口锁存器必须先写“1”），负载能力为4个LSTTL门电路。1）P0口（P0.0P0.7，3932脚）P0口是一个8位漏极开路型双向I/O口，其位结构如图2.3所示。包括1个输出锁存器、2个三态缓冲器、1个输出驱动电路和1个输出控制端。输出驱动电路由一对场效应管组成，

8、其工作状态受输出控制端的控制，它包括1个与门、1个反相器和1个转换开关MUX组成。P0口既可以作地址/数据总线使用，又可以作通用I/O口使用。图2.3 P0口位结构* P0口作地址/数据复用总线使用 此时为双向三态口，在访问外部存贮器时，它是分时转换的地址（低8位）和数据总线，不需要外接上拉电阻。* P0口作通用I/O口使用 此时为准双向I/O口把P0口作为通用输出口，必须外接上拉电阻。作输入口用时，应该先向锁存器写“1”。P0口能以吸收电流的方式驱动8个LSTTL门电路输入。2）P1口（P1.0P1.7，18脚） P1口是一个带有内部上拉电阻的8位准双向I/O口，其位结构如图2.4所示。P1

9、口的每一位口线能独立地用作输入线或输出线。作输入时：先将“1”写入锁存器，使输出级的场效应管截止。P1口能驱动（吸收或输出电流）4个LSTTL门电路。 图2.4 P1口位结构3）P2口（P2.0P2.7，2128脚） P2口是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O口，其位结构如图2.5所示。在结构上，P2口比P1口多一个输出控制部分。 P2口作通用I/O口使用当P2口作通用I/O口使用时，是一个准双向口，其输入输出操作与P1口完全相同。 P2口作地址/数据复用总线使用 当系统中接有外部存贮器时，P2口用于输出高八位地址A15A8。这时在CPU地控制下，转换开关MUX倒向右边，接通内部地址总线，P

10、2口的口线状态取决于片内输出的地址信息，这些地址信息来源于PCH、DPH等。图2.5 P2口位结构4）P3口（P3.0P3.7，1017脚） P3口是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O口，可以同P1口一样作为第一功能口，也可以每一位独立定义为第二功能，其位结构如图2.6所示。P3口作第一功能口使用：在这种情况下P3口的结构和操作与P1口相同。 P3口作第二功能口使用：P3口的第二功能实际上就是系统的控制总线。此时相应的口线锁存器必须为“1”状态，与非门的输出由第二功能输出功能线的状态确定，从而P3口线的状态取决于第二输出功能线的电平。图2.6 P3口位结构P3口第二功能定义3、MCS-51存

11、储器的结构MCS-51的存储器可划分为5类：程序存储器、内部数据存储器、特殊功能寄存器、位地址空间、外部数据存储器 8051存贮器配置如图所示1）程序存贮器程序存贮器用于存放编好的程序和表格常数。89C51内部有4KB字节的程序存贮器，外部可扩展至64KB字节。而这64KB字节的地址空间是统一的。在正常运行时，应把EA引脚接高电平使程序从内部ROM开始执行，当PC值超出内部ROM的容量时会自动转向外部程序空间。如果不使用内部ROM，而直接使用外部ROM，EA应始终接低电平，迫使系统从外部程序存贮器取指。 64KB程序存贮器中有7个单元具有特殊功能。MCS-51复位后程序计数PC的内容为0000

12、H，故系统必须从0000H单元开始取指，执行程序。它是系统的起动地址。一般在该单元存放一条绝对跳转指令，而用户设计的主程序从跳转地址开始安放。其它6个特殊单元分别对应6种中断源的中断服务子程序的入口地址，如表所示。通常在这些入口地址都安放一条绝对跳转指令，而真正的中断服务子程序从转移地址开始安放。各种中断服务子程序入口地址2）内部数据存贮器 MCS-51的内部数据存贮器（RAM）单元共有128字节，字节地址为00H7FH。访问内部数据存贮器用MOV指令。地址为00H-1FH的32个字节是4个通用工作寄存器区，每个区含8个8位寄存器，编号为R0-R7。用户可以通过指令改变PSW中的RS1、RS0

13、这两位，来选择使用哪一区的R0-R7。不同工作区R0-R7和直接地址的对应关系如下表3）特殊功能寄存器（SFR）在MCS-51中共有21个特殊功能寄存器（SFR）（52子系列有26个）。离散的分布在字节地址80H-FFH之间。 PC寄存器在物理上是独立的，不属于内部数据存贮器的SFR块。表2-5列出了这些专用寄存器的助记标识符、名称和地址。SFR寄存器的地址能被8整除的，可以为寻址。SFR的名称和分布见下表：*号可位寻址1. 程序计数器PC程序计数器PC用于存放下一条要执行的指令地址（程序存贮器地址），是一个16位专用寄存器，因此寻址范围为064K（65535）。PC在物理上是独立的，不属于内

14、部数据存贮器的SFR块。2. 累加器A累加器A是一个最常用的专用寄存器，很多指令用到累加器，（在后边的指令讲述中，大家会有感受），在指令系统中，采用A作累加器的助记符。3. B寄存器在乘除法指令中，用到B寄存器。在其它指令中，B寄存器可作为RAM的一个单元来使用。4. 程序状态字PSW程序状态字PSW是一个8位寄存器，它包含了程序状态信息。此寄存器各位的含义参见图2.8，其中PSW.1是保留位，未用。其它各位说明如下：CY（PSW.7）进位标志。在执行某些算术和逻辑指令时，可以被硬件或软件置位或清除。在布尔处理机中它被认为是位累加器，它的重要性相当于中央处理机中的累加器A。详见指令系统。AC（

15、PSW.6）辅助进位标志。当进行加法或减操作而产生由低4位（十进制的一个数字）向高4位数进位或借位时，AC将被硬件置1，否则就被清除。AC被用于十进制调整，详见DA指令。F0（PSW.5）标志0。是用户定义的一个状态标记，可以用软件来使它置位或清除。以后在程序中会见到其如何使用。RS1、RS0（PSW.4、PSW.5）寄存器R0R7工作区选择控制位1和0。可以靠软件来置位或清除以确定工作寄存器区。（RS1、RS0）与寄存器区的对应关系如下：（0,0）R0R7在区0（00H07H）（0,1）R0R7在区1（08H0FH）（1,0）R0R7在区2（10H17H）（1,1）R0R7在区3（18H1F

16、H） OV（PSW.2）溢出标志。当执行算术指令时，由硬件置位或清除，以指示溢出状态。 当执行加法指令ADD时，当位6向位7有进位而位7不向C进位时，或位6不向位7进位而位7向C进位时，溢出标志OV置位，否则清除。溢出标志常用于对有符号补码数作加减运算。OV1表示加减运算的结果已超出一个字节所能表示的范围（128127）。 在MCS-51中，无符号数乘法指令MUL的执行结果也会影响溢出标志，若累加器A和寄存器B的乘积超过255时，OV1，否则OV0。此积的高8位放在B中，低8位放在A中，故OV0意味着只要从A中取得乘积即可，否则要从BA寄存器对中取得乘积。 除法指令DIV也会影响溢出标志，当除

17、数为0时，OV1，否则OV0。P：（PSW.0）奇偶标志。每个指令周期都由硬件来置位或清零，以表示累加器A中值“1”的位数的奇偶性。若P1，则A中“1”的位数为奇数，否则P0。该标志对串行数据通讯中的传输有重要意义。在串行通讯中，常用奇偶校验的方法来检验数据传输的可靠性。在发送端可根据P值对数据的奇偶位置位或清除。若通讯协议中规定采用奇校验的办法，则P0时，应对数据的奇偶位置位，否则置零。5. 堆栈指针SP它是一个8位寄存器，用来存放栈顶地址。MCS-51堆栈设在内部RAM中。堆栈深度为256个字节，(实际120字节)系统复位时硬件使SP07H。堆栈在内部RAM区中的位置可根据程序要求由SP灵

18、活安排。 堆栈按“先进后出”原则。数据入栈时，先SP加“1”，后入栈。数据出栈时，先出栈，后SP减“1”。因而SP指针始终指向栈顶。受SP管理的存贮区域。在程序中断、子程序调用等情况下，用于存放一些特殊信息（亦可作数据传送的中转站）。6. 数据指针DPTR它是一个16位的专用寄存器，其高位字节寄存器用DPH表示，低位字节寄存器用DPL表示。既可作为一个16位寄存器（DPTR）来使用，又可作为两个独立的8位寄存器（DPH、DPL）来使用。DPTR主要用来保持16位地址，当对64KB外部数据存贮器空间寻址时，作间址寄存器用。这时有两条传送指令MOVX A，DPTR和MOVX DPTR，A。在访问程

19、序存贮器时，DPTR可作为基址寄存器，采用基址变址寻址方式的指令MOVC A，ADPTR，读取程序存贮器内的表格常数。7. I/O端口P0P3专用寄存器P0、P1、P2和P3分别是I/O端口P0P3的锁存器。在上面章节已作介绍，这里不再赘述。其它特殊功能寄存器将在有关章节中介绍。复位后内部寄存器状态如下表所示。4）位地址空间内部RAM块中的20H2FH（3247）单元和SFR块中的12个单元构成了布尔处理机（指令系统见第3章）的存贮器空间，这28个单元的221位（288减去3个未定义位）各自都有专门的位地址，它们可以被直接寻址。 SFR中字节地址尾数是0或8的，可以为寻址，且位地址从字节地址数

20、起。如PSW的地址为D0H,则可以为寻址，位地址为D0H-D7H。图 29 8051内部RAM位地址区5 外部数据存储器MCS-51的外部数据存贮器寻址空间为64KB。对外部数据存贮器采用间接寻址方式。用MOVX指令。 一般的微机的只有一个存储空间，统一编址，ROM和RAM可以安排在任一范围内，用相同的指令访问ROM或RAM，这种结构称为普林斯顿结构。 8051的存储器在物理上分为四个存储空间：片内程序存储器、片外程序存储器和片内数据存储器、片外数据存储器，这种程序存储器和数据存储器分开的结构称为哈佛结构。MCS-51的片外ROM和RAM共用地址线和数据线，但控制信号不同，ROM用PSEN信号

21、读，RAM用RD和WR信号读写。 片外RAM和片外扩展I/O口统一编址。共占一个64K空间。4.MCS-51 CPU时序 振荡周期：由时钟电路产生的连续脉冲周期。时钟周期：也称状态周期，一个状态周期含2个振荡 周期。S1-S6。机器周期：6个状态周期为1个机器周期。指令周期：执行一条指令所需要的时间。1个指令周 期可由1-4个机器周期组成。 1个机器周期6个状态12个振荡周期若采用12MHz振荡源，则每个机器周器为1s。一、 时钟周期、机器周期和指令周期 图 2-10 基本定时时序关系图 211 MCS-51的取指/执行时序二、 MCS-51单片机指令的取指和执行的时序图 212 访问外部ROM的时序图 213 访问外部RAM的时序