chp02單片機

1、第二章 MCS—51系列單片機芯片結構,2.1 MCS—51系列單片機的結構原理2.1.1 MCS-51單片機邏輯結構 MCS-51單片機的系統(tǒng)結構框圖如圖2.1所示。,,圖2.1 MCS-51單片機的系統(tǒng)結構框圖,128,由圖2.1可以看出，單片機內部主要包含下列幾個部件：u       一個8位CPU；u  

2、0;    一個時鐘電路；u       4Kbyte程序存儲器；u       128byte數據存儲器；u       兩個16位定時/計數器；u      

3、 64Kbyte擴展總線控制電路；u       四個8-bit并行I/O端口；u       一個可編程串行接口；五個中斷源，其中包括兩個優(yōu)先級嵌套中斷,,2.1.2 MCS－51單片機內部結構MCS－51單片機芯片內部結構框圖如圖2.2所示。,,圖2.2 MCS－51單片機芯片內部結構框圖,1

4、. CPU CPU即中央處理器的簡稱，是單片機的核心部件，它完成各種運算和控制操作，CPU由運算器和控制器兩部分電路組成。（1）運算器電路 運算器電路包括ALU（算術邏輯單元）、ACC（累加器）、B寄存器、狀態(tài)寄存器、暫存器1和暫存器2等部件，運算器的功能是進行算術運算和邏輯運算。 （2）控制器電路 控制器電路包括程序計數器PC、PC加1寄存器、指令寄存器、指令譯碼器、數據指針DPTR、堆棧指針S

5、P、緩沖器以及定時與控制電路等?？刂齐娐吠瓿芍笓]控制工作，協調單片機各部分正常工作。,(3).位處理器 單片機一般用做控制，需要有較強的位處理功能，也把它稱為布爾處理器。位處理器以狀態(tài)寄存器中的進位標記為累加位，可進行置位、復位、取反、等于“0”轉移、等于“1”轉移且清“0”以及C與可尋址位之間的傳送、邏輯與、邏輯或等位操作。俠處理操作也是通過運算器實現的，但圖2.2中沒有具體畫出。 必須特別指出，雖然圖中沒有把位處理器

6、具體畫出，但位處理器是單片機的重要內容，因為它是單片機實現控制功能的保證。有關位處理器的問題在第三章的“位處理指令”部分中還要介紹。,2. 定時器/計數器 MCS－51單片機片內有兩個16位的定時/計數器，即定時器0和定時器1。它們可以用于定時控制、延時以及對外部事件的計數和檢測等。3. 存儲器 MCS－51系列單片機的存儲器包括數據存儲器和程序存儲器，其主要特點是程序存儲器和數據存儲器的尋址空間是相互

7、獨立的，物理結構也不相同。4. 并行I/O口 MCS－51單片機共有4個8位的I/O口（P0、P1、P2和P3），每一條I/O線都能獨立地用作輸入或輸出。P0口為三態(tài)雙向口，能帶8個TTL門電路，P1、P2和P3口為準雙向口，負載能力為4個TTL門電路。,5. 串行口 MCS－51單片機具有一個采用通用異步工作方式的全雙工串行通信接口，可以同時發(fā)送和接收數據。6. 中斷控制系統(tǒng) 805

8、1共有5個中斷源，即外中斷2個，定時/計數中斷2個，串行中斷1個。7. 時鐘電路 MCS－51芯片內部有時鐘電路，但晶體振蕩器和微調電容必須外接。時鐘電路為單片機產生時鐘脈沖序列，振蕩器的頻率范圍為1.2MHz～12MHz，典型取值為6MHz。8. 總線 以上所有組成部分都是通過總線連接起來，從而構成一個完整的單片機。系統(tǒng)的地址信號、數據信號和控制信號都是通過總線傳送的，總線結構減少了單片機的連線和引腳，提高

9、了集成度和可靠性。,,2.1.3 引腳信號 圖2.3為MCS－51系列單片機引腳圖及邏輯符號，它們?yōu)闃藴实?0腳DIP封裝。,,圖2.3 MCS－51系列單片機引腳圖及邏輯符號,電源引腳Vcc和Vss Vcc：電源端，接＋5V。 Vss：接地端。 時鐘電路引腳XTAL1和XTAL2 XTAL1：接外部晶振和微調電容的一端，在片內它是振蕩器倒相放大器的輸入，若使用外部

10、TTL時鐘時，該引腳必須接地。 XTAL2：接外部晶振和微調電容的另一端，在片內它是振蕩器倒相放大器的輸出，若使用外部TTL時鐘時，該引腳為外部時鐘的輸入端。 地址鎖存允許ALE 系統(tǒng)擴展時，ALE用于控制地址鎖存器鎖存P0口輸出的低8位地址，從而實現數據與低位地址的復用。,,,,外部程序存儲器讀選通信號 是讀外部程序存儲器的選通信號，低電平有效。 程序存儲器地址允許輸入端

11、 /VPP 當為高電平時，CPU執(zhí)行片內程序存儲器指令，但當PC中的值超過0FFFH時，將自動轉向執(zhí)行片外程序存儲器指令。當為低電平時，CPU只執(zhí)行片外程序存儲器指令。 復位信號RST 該信號高電平有效，在輸入端保持兩個機器周期的高電平后，就可以完成復位操作。,,,,1.   輸入/輸出口引腳P0、P1、P2和P3 P0口（P0.0～P0.7）：該端口為漏極開

12、路的8位準雙向口，負載能力位8高LSTTL負載，它為8位地址線和8位數據線的復用端口。 P1口（P1.0～P1.7）：它是一個內部帶上拉電阻的8位準雙向I/O口，P1口的驅動能力為4個LSTTL負載。 P2口（P2.0～P2.7）：它為一個內部帶上拉電阻的8位準雙向I/O口，P2口的驅動能力也為4個LSTTL負載。在訪問外部程序存儲器時，它作存儲器的高8位地址線。 P3口（P3.0～P3.7

13、）：P3口同樣是內部帶上拉電阻的8位準雙向I/O口，P3口除了作為一般的I/O口使用之外，其還具有特殊功能。,,,2.2 MCS—51單片機的存儲器 MCS－51的存儲器結構如圖2.4所示。在本節(jié)中我們將對單片機的內部數據存儲器、內部程序存儲器和外部存儲器分別作一介紹。,,圖2.4 MCS－51的存儲器結構,,2.2.1 內部數據存儲器,1. 內部數據存儲器低128單元1.寄存器區(qū) 內部RAM

14、的前32個單元是可作為寄存器使用的，共分為4組，每組有8個寄存器，組號依次為0、1、2、3。每個寄存器都是8位，在組中按R0 ~ R7編號。寄存器常用于存放操作數及中間結果等，由于功能使用作預規(guī)定，因此稱之為通用寄存器，有時也叫工作寄存器。4組通用寄存器占據內部RAM的00H~1FH單元地址。在任一時刻，CPU只能使用其中的一組寄存器，并且把正在使用的那組寄存器稱之為當前寄存器組。到底是那一組，由程序狀態(tài)字寄存器PSW中RS1、、RS0

15、位的狀態(tài)組合來決定。 通用寄存器為CPU提供了數據就近存取的便利，有利于提高單片機的處理速度。因此在MCS－51中使用通用寄存器的指令特別多，又多為單字節(jié)的指令，執(zhí)行速度最快。,為什么速度快，存儲代碼率高呢？,,2.位尋址區(qū) 內部RAM的20H~2FH單元，既可作為一般RAM單元使用，進行字節(jié)操作，也可以對單元中的每一位進行位操作，因此把該區(qū)稱之為位尋址區(qū)。位尋址區(qū)共有16個RAM單元，總計128位，位地址為此0H~7F

16、H，位尋址區(qū)是為位操作而準備的，是MCS－51位處理器的數據存儲空間，其中的所有位均可以直接尋址。表2－2為位尋址區(qū)的位地址表。其中：MSB——Most Significant Bit(最高有效位) LSB——Least Significant Bit(最低有效位) 通常在使用中，“位”有兩種表示方式。一種是以位地址的形式（如表2-2所示），例如俠尋址區(qū)的最后一個位是7FH；另一種是以存儲單元

17、地址加位的形式表示，例如同樣的最后位表示為2FH.7。,在內部RAM低128單元中，通用寄存器占去32個單元，位尋址區(qū)占去16個單元，剩余80個單元，這就是供用戶使用的一般RAM區(qū)，其單元地址為30H~7FH。對于用戶RAM區(qū)，只能以存儲器的形式來使用，其他沒有任何規(guī)定或限制。但應當提及，在一般應用中常把堆棧開辟在此區(qū)中。,再次強調低128個字節(jié)都可以用做一般用戶RAM，只是在低32字節(jié)上又加上寄存器區(qū)和在20H—2FH再加上位尋址區(qū)

18、。,3.用戶RAM區(qū),2.   內部數據存儲器高128單元 內部數據存儲器的高128個單元是為專用寄存器提供的，因此該區(qū)也稱作特殊功能寄存器區(qū)（SFR），它們主要用于存放控制命令、狀態(tài)或數據。除去程序計數器PC外，還有21個特殊功能寄存器，其地址空間為80H～FFH。這21個寄存器中有11個特殊功能寄存器具有位尋址能力，它們的字節(jié)地址剛好能被8整除。下面將對部分專用寄存器作簡要介紹。,累加器ACC

19、 累加器為8位寄存器，是程序中最常用的專用寄存器，在指令系統(tǒng)中累加器的助記符為A。大部分單操作數指令的操作取自累加器，很多雙操作數指令的一個操作數也取自累加器。加、減乘和除等算術運算指令的運算結果都存放在累加器A或AB寄存器中，在變址尋址方式中累加器被作為變址寄存器使用。在MCS－51中由于只有一個累加器，而單片機中的大部分數據操作都是通過累加器進行的，故累加器的使用是十分頻繁的。,※程序計數器（PC——Program Counte

20、r） PC是一個16位的計數器。其內容為將要執(zhí)行的指令地址，尋址范圍達64KB。PC有自動加1的功能，以實現程序的順序執(zhí)行。PC沒有地址，是不可尋址的，因此用戶無法對它進行讀寫。但在執(zhí)行轉移、調用、返回等指令時能自動改變其內容，以改變程序的執(zhí)行順序。,B寄存器 B寄存器為8位寄存器，主要用于乘除指令中。乘法指令的兩個操作數分別取自累加器A和寄存器B，其中B為乘數，乘法結果的高8位存放于寄存器B中。除法指令中，被除數取自

21、A，除數取自B，除法的結果商數存放于A，余數存放于B中。在其它指令中，B寄存器也可作為一般的數據單元來使用。 程序狀態(tài)字PSW 程序狀態(tài)字是一個8位寄存器，它包含程序的狀態(tài)信息。在狀態(tài)字中，有些位狀態(tài)是根據指令執(zhí)行結果，由硬件自動完成設置的，而有些狀態(tài)位則必須通過軟件方法設定。PSW中的每個狀態(tài)位都可由軟件讀出，PSW的各位定義如表2.1。,,表2.1 PSW的各狀態(tài)位定義,(1)CY：進位標志位 在執(zhí)行某些算術和邏輯

22、指令時，可以被硬件或軟件置位或清零。在算術運算中它可作為進位標志，在位運算中，它作累加器使用，在位傳送、位與和位或等位操作中，都要使用進位標志位。(2) AC：輔助進位標志 進行加法或減法操作時，當發(fā)生低四位向高四位進位或借位時，AC由硬件置位，否則AC位被置“0”。在進行十進制調整指令時，將借助AC狀態(tài)進行判斷。,(3)用戶標志位 該位為用戶定義的狀態(tài)標記，用戶根據需要用軟件對其置位或清零，也可以用軟件測試F

23、0來控制程序的跳轉。(4)RS1和RS0：寄存器區(qū)選擇控制位 該兩位通過軟件置“0”或“1”來選擇當前工作寄存器區(qū)。(5)OV：溢出標志位 當執(zhí)行算術指令時，由硬件置位或清零來指示溢出狀態(tài)。在帶符號的加減運算中，OV＝1表示加減運算結果超出了累加器A所能表示的符號數有效范圍（－128～＋127），即運算結果是錯誤的，反之，OV＝0表示運算正確，即無溢出產生。 無符號數乘法指令MUL的執(zhí)行結

24、果也會影響溢出標志，若置于累加器A和寄存器B的兩個數的乘積超過了255，則OV＝1，反之OV＝0。由于乘積的高8位存放于B中，低8位存放于A中，OV＝0則意味著只要從A中取得乘積即可，否則要從BA寄存器對中取得乘積結果。,在除法運算中，DIV指令也會影響溢出標志，當除數為0時，OV＝1，否則OV＝0。(6) P：奇偶標志位 每個指令周期由硬件來置位或清零用以表示累加器A中1的個數的奇偶性，若累加器中1的個數為奇數則P＝1

25、，否則P＝0?！?#160;    數據指針DPTR 數據指針DPTR為一個16位的專用寄存器，其高位用DPH表示，其低位用DPL表示，它即既可以作為一個16位的寄存器來使用，也可作為兩個8位的的寄存器DPH和DPL使用。DPTR在訪問外部數據存儲器時既可用來存放16位地址，也可作地址指針使用。如MOVX @DPTR，A。,2.專用寄存器的字節(jié)尋址 如上所述，MCS－51的22個專用寄存

26、器中，有21個是可尋址的。這些可尋址寄存器的名稱、符號及地址列于表2－3中。 對專用寄存器的字節(jié)尋址問題作如下幾點說明： ·21個可尋址的專用寄存器是不連續(xù)地分散在內部RAM高128單元之中。盡管還剩余許多空閑單元，但用戶并不能使用。如果訪問了這些沒有定義的單元，讀出的為不定數，而寫入的數被舍棄。 ·在22個專用寄存器中，唯一一個不可尋址的專用寄存器就是程序計數器（PC）。PC在物理上是獨立的，不占據R

27、AM單元，因此是不可尋址的寄存器。 ·對專用寄存器只能使用直接尋址方式，在指令中既可使用寄存器符號表示，也可使用寄存器地址表示。,3.專用寄存器的位尋址 在21個可尋址的專用寄存器中，有11個寄存器是可尋址的，即表2－3中在寄器符號前打星號的寄存器。 80C51專用寄存器中可尋址位共有83個，其中許多位還有其專用名稱，尋址時既可使用位地址，也可使用位名稱。專用寄存器的可尋址位加工位尋址區(qū)的128個運用位，構成了MC

28、S－51位處理器的整個數據位存儲空間。下面再把各專用寄存器的位地址／位名稱列于表2－4中。,2.2.3 MCS－51的堆棧操作,堆棧是一種數據結構，所謂堆棧就是只允許在其一端進行數據插入和數據刪除操作的線性表。數據寫入堆棧稱為插入運算（PUSH），也叫入棧。數據從堆棧中讀出稱之為刪除運算（POP），也叫出棧。堆棧的大特點就是“后進先出”的數據操作規(guī)則，常把后進先出寫為LIFO（Last-In First-Out），這里所說的進與出就是數

29、據的入棧和出棧。即先入棧的數據由于存放的棧的底部，因此后出棧；而后入棧的數據存放在棧的頂部，因此先出棧。這跟往彈倉壓入子彈和從彈倉中彈出子彈的情形非常類似。,1.堆棧的功用堆棧主要是為子程序調用和中斷操作而設立。其具體功能有兩：保護斷點和保護現場。因為在計算機中無論是執(zhí)行子程序調用操作還是執(zhí)行中斷操作，最終都要返主程序。因此在計算機轉去執(zhí)行子程序或中斷服務之前，必須考慮其返回問題。為此應預先把主程序的斷點保護起來，為程序的正確返回作準

30、備。計算機在轉去執(zhí)行子程序或中斷服務程序以后，很可能要使用單片機中的一些寄存單元，這樣就會破壞這些寄存單元中的原有內容。為了既能在子程序或中斷服務程序中使用這些寄存單元，又能保證在返回主程序之,后恢復這些寄存單元的原有內容。所以在轉中斷服務程序之前要把單片機中各有關寄存單元的內容保存起來，這就是所謂現場保護。,那么把斷點和現場內容保存在哪兒呢？保存在堆棧中?？梢姸褩Ｖ饕菫橹袛喾詹僮骱妥映绦蛘{用而設立的。為了使計算機能進行多級中斷嵌

31、套及多重子程序嵌套，所以要求堆棧具有足夠的容量（或者說足夠的堆棧深度）。此外，堆棧也可用于數據的臨時存放，在程序設計中時常用到,2.堆棧的開辟 鑒于單片機的單片特點，堆棧只能開辟在芯片的內部數據存儲器中，即所謂的內堆棧形式。MCS－51當然也不例外。內堆棧的主要優(yōu)點是操作速度快，但堆棧容量有限。,3.堆棧指示器如前所述，堆棧共有兩種操作：進棧和出棧。但不論是數據進棧還是數據出棧，都是對堆棧的棧頂單元進行的，即對棧頂單元的和讀

32、操作。為了指示棧頂地址，所以要設置堆棧指示器SP（Stack Pointer），SP的內容就是堆棧棧頂的存儲單元地址。MCS－51單片機由于堆棧設在內部RAM中，因此SP是一個8位寄存器，實際上SP就是專用寄存器的一員。系統(tǒng)復位后，SP的內容為07H，便由于堆棧最好在內部RAM的30H~7FH單元中開辟，所以在程序設計時應注意把SP值初始化為30H以上，以免占用寶貴的寄存器區(qū)和位尋址區(qū)。SP的內容一經確定，堆棧的位置也就跟著確定下來，

33、由于SP可初始化為不同值，因此堆棧位置是浮動的。,4.堆棧類型堆?？捎袃煞N類型：向上生長型和向下生長型，如圖2.5所示。向上生長型堆棧，棧底在低地址單元。隨著數據進棧，地址遞增，SP的內容越來越大，指針上移；反之，隨著數據的出棧，地址遞減，SP的內容越來越小，指針下移。MCS－51屬向上生長型堆棧，這種堆棧操作規(guī)則如下：進棧操作：先SP加1，后寫入數據出棧操作：先讀出數據，后SP減1向下生長型堆棧，棧底設在高地址單元。隨著數

34、據進棧。地址遞減，SP內容越來越小，指針下移；反之，隨著數據的出棧，地址遞增，SP內容越來越大，指針上移。其堆棧操作規(guī)則與向上生長型正好相反。,2.2.4 程序存儲器 在MCS－51系列中，程序存儲器被用來存放程序、常數或表格等。在8051中，其片內有4K字節(jié)的ROM存儲單元，地址為0000H～0FFFH。8751有4K字節(jié)的EPROM，而8052和8752則有8K字節(jié)的片內存儲器。8031和8032無片內程序存儲器，所以片內

35、程序存儲器的有無是區(qū)分芯片的主要標志。 在程序存儲器中，以下6個單元具有特殊含義：,5.堆棧使用方法堆棧抽使用有兩種方法。一種是自動方式，即在調用子程序或中斷時，返回地址（斷點）自動進棧。程序返回時，斷點再自動彈回PC。這種堆棧操作無需用戶干預，因此稱為自動方式。另一種是指令方式，即使用專用的堆棧操作指令，進行進出棧操作。其進棧指令為PUSH，出棧指令為POP，例如現場保護就是指令方式的進棧操作；而現場恢復則是指令方式的

36、出棧操作。,0000H：單片機復位后，PC＝0000H，程序從0000H開始執(zhí)行指令。 0003H：外部中斷0入口地址。 000BH：定時器0中斷入口地址。 0013H：外部中斷1入口地址。 001BH：定時器1中斷入口地址。 0023H：串行口中斷入口地址。 在系統(tǒng)中斷相應之后，將自動轉各中斷入口地址處執(zhí)行程序，而中斷服務程序一般無法存放于幾個單元之內，因此在中斷入口地址處

37、往往存放一條無條件轉移指令進行跳轉，以便執(zhí)行中斷服務程序。,,2.3MCS－51單片機輸入/輸出（I/O）口2.3.1 P0口 圖2.6給出了P0口的邏輯結構，它由一個鎖存器、兩個三態(tài)輸入緩沖器、一個多路復用開關以及控制電路和驅動電路等組成。,,,圖2.6 P0口的邏輯結構,P0口可以作為輸入輸出口，在實際應用中它通常作為地址/數據復用總線。在訪問外部存儲器時，P0口為真正的雙向口。 2.3.2 P1口

38、 P1口是一個準雙向口，通常作為I/O口使用，其位結構圖如圖2.7。由于在其輸出端接有上拉電阻，故可以直接輸出而無需外接上拉電阻。,圖2.7 位結構圖,,2.3.3 P2口 P2口位結構圖如圖2.8。P2通用為一個準雙向口，其位結構與P0口相似。對于8031單片機來說，P2口通常用作地址信號輸出。,,圖2.8 P2口位結構圖,P2.x,2.3.4 P3口 P3口的位結構

39、圖如圖2.9。P3口為雙功能口，當P3口作為通用I/O口使用時，它為準雙向口，且每位都可定義為輸入或輸出口，其工作原理同P1口類似。,,圖2.9 P3口的位結構圖,P3.x,,P3口還具有第二功能，其引腳描述如表2-5。表2-5 P3口特殊功能,,,,,,,2.4 單片機的工作方式2.4.1 復位及復位電路 在MCS－51中，最常見的復位電路為圖2.10所示的上電復位電路，它能有效的實現上電復位和手動

40、復位。RST引腳是復位信號輸入端，復位信號為高電平有效，其有效時間應持續(xù)24個振蕩周期以上才能完成復位操作，若使用6MHz晶振，則需持續(xù)4μS以上才能完成復位操作。圖2.10中，在通電瞬間，由于RC的充電過程，在 RST端出現一定寬度的正脈沖，只要該正脈沖保持10ms以上，就能使單片機自動復位，在6MHz時鐘時，通常CR取22μF，R1取200Ω，R2取1KΩ，這時能可靠的上電復位和手動復位。,,,,CPU在第二個機器周期內執(zhí)行內部復位

41、操作，以后每個機器周期重復一次，直至RST端電平變低。在單片機復位期間，AlE和 信號都不產生。復位操作將對部分專用寄存器產生影響 。,圖2.10 上電復位電路,,2.4.2 時鐘電路和時序1. 時鐘電路 根據硬件電路的不同，單片機的時鐘連接方式可分為內部時鐘方式和外部時鐘方式，如圖2.11所示。,,（a）內部方式時鐘電路 （b）外接時鐘電路

42、 圖2.11 時鐘電路,2. 指令時序（1）振蕩周期 振蕩周期指為單片機提供定時信號的振蕩源的周期或外部輸入時鐘的周期。（2）時鐘周期 時鐘周期又稱作狀態(tài)周期或狀態(tài)時間S，它是振蕩周期的兩倍，它分為P1節(jié)拍和P2節(jié)拍，通常在P1節(jié)拍完成算術邏輯操作，在P2節(jié)拍完成內部寄存器之間的傳送操作。（3）機器周期 一個機器周期由6個狀態(tài)組成，如果把一條指令的

43、執(zhí)行過程分作幾個基本操作，則將完成一個基本操作所需的時間稱作機器周期。單片機的單周期指令執(zhí)行時間就為一個機器周期。,,（4）指令周期 指令周期即執(zhí)行一條指令所占用的全部時間，通常為1～4個機器周期。在圖2.12中給出了MCS－51單片機的典型取指、執(zhí)行時序。,,圖2.12 MCS－51單片機取指、執(zhí)行時序,2.4.3 單片機的低功耗方式 對于MCS－51系列機型來說，它們有待機方式和掉電保護方式兩種

44、低功耗方式。通過設置電源控制寄存器PCON的相關位可以確定當前的低功耗方式。PCON寄存器格式如下：,其中SMOD：波特率倍增位 GF0，GF1：通用標志位 PD：掉電方式位，PD＝1為掉電方式 IDL：待機方式位，IDL＝1為待機方式,,1.       待機方式 將PCON寄