第二章單片機的基本結(jié)構(gòu)第一頁，共49頁。第一節(jié)MCS-51單片機的性能及結(jié)構(gòu)

MCS-51系列單片機無論是片內(nèi)RAM容量、I/O口功能、系統(tǒng)擴展能力、指令系統(tǒng)、引腳等都基本相同。在制造技術(shù)上，MCS-51系列單片機按兩種工藝生產(chǎn)。一種是HMOS工藝，即高密度短溝道MOS工藝。另一種是CHMOS工藝，即互補金屬氧化物的HMOS工藝生產(chǎn)第二頁，共49頁。（1）一個8位微處理器CPU（2）256BRAM和SFR（3）4KBFlashROM（4）兩個16位定時/計數(shù)器（5）四個8位可編程的I/O（輸入/輸出）并行端口（6）一個全雙工，用于數(shù)據(jù)的串行通信（7）具有5個中斷源,2個中斷優(yōu)先級的中斷控制系統(tǒng)一基本組成:第三頁，共49頁。89C51單片機結(jié)構(gòu)功能框圖第四頁，共49頁。1．中央處理器CPU（1）運算器

包括一個可進行8位算術(shù)運算和邏輯運算的ALU單元，8位的暫存器TMP1和暫存器TMP2，8位累加器ACC，8位寄存器B和程序狀態(tài)寄存器PSW。（2）控制器包括程序計數(shù)器PC、指令寄存器IR、指令譯碼器ID、振蕩和定時電路等部分。

2．存儲器

（1）程序存儲器ROM89C51及8751片內(nèi)均有4KB字節(jié)容量的程序存儲器，地址0000H開始，用于存放程序和表格常數(shù)，8031片內(nèi)無ROM，使用時要進行片外擴展。二內(nèi)部結(jié)構(gòu)第五頁，共49頁。（2）數(shù)據(jù)存儲器RAM

89C51/8031/8751片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器均為128B，地址為00H～7FH，用于存放運算的中間結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存及數(shù)據(jù)緩沖等。

3．I/O接口

89C51有四個8位并行接口，即P0～P3，它們是雙向端口，可用于輸入也可用于輸出，每個端口各有8條I/O口線。

第六頁，共49頁。圖2-2MCS-51芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖通道0驅(qū)動器通道2驅(qū)動器RAM地址鎖存器RAM通道0鎖存器通道2鎖存器ROM/EPROMB寄存器程序地址寄存器緩沖器PC遞增器程序計數(shù)器PCDPTR指針VCCGNDP1.0～P1.7堆棧指針SPACCTMP2PSW通道3鎖存器通道1鎖存器通道1驅(qū)動器通道3驅(qū)動器TMP1SCONTMODPCONTCONTL0TH1TH0TL1IESBUF(TX/RX)IP中斷、串行口和定時器邏輯振蕩器P3.0～P3.7RSTEAALEPSENXTAL2XTAL1ALU(+5V)指令寄存器定時和控制邏輯指令譯碼器P0.0～P0.7P2.0～P2.7第七頁，共49頁。P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/VPDRXD/P3.0TXD/P3.1INT0/P3.2INT1/P3.3T0/P3.4T1/P3.5WR/P3.6RD/P3.7XTAL2XTAL1VSS12345678910111213141516171819208031805187514039383736353433323130292827262521222324VCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VppALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0MCS-51單片機的引腳配置圖第八頁，共49頁?？刂菩盘栆_

1．RST/VPD（9腳）復(fù)位信號RST是復(fù)位信號輸入端，高電平有效。時鐘電路工作后，在此引腳上連續(xù)出現(xiàn)兩個機器周期的高電平，就可以完成復(fù)位操作。同一引腳的VPD是備用電源輸入端（即VPD接+5V備用電源）。在VCC掉電時，為保證RAM中的信息不丟失，可使用此引腳完成掉電保護功能。2．ALE/(30腳）地址鎖存信號當CPU訪問片外存儲器時，ALE用于鎖存P0口輸出的低8位地址信息到片外地址鎖存器。之后，P0口作地址/數(shù)據(jù)復(fù)用口，P0口的信息究竟是地址還是數(shù)據(jù)完全由ALE來判別，ALE高電平期間，P0口出現(xiàn)的是地址信息，ALE下降沿到來時，P0口上的地址信息被鎖存，在ALE低電平期間P0口上出現(xiàn)指令和數(shù)據(jù)信息。

第九頁，共49頁。此引腳的第二功能是對片內(nèi)帶有4KEPROM的89c51編寫固化程序時，作為編程脈沖輸入端。3．（29腳）：片外程序存儲器讀選通信號。低電平有效。89c51在訪問片外程序存儲器時，此引腳端輸出負脈沖作為讀片外程序存儲器的選通信號。4．/VPP（31腳）：內(nèi)部和外部程序存儲器選擇信號高電平:CPU先訪問片內(nèi)4KEPROM/ROM，執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令，但在程序計數(shù)器超過0FFFH時（即地址大于4KB時），將自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行片外大于4KB程序存儲器內(nèi)的程序。低電平（接地）:CPU只訪問外部程序存儲器.此引腳的第二功能VPP，在對EPROM編程固化程序時，需施加21V編程電壓。

第十頁，共49頁。I/O（輸入/輸出）端口

MCS-51單片機有4個雙向并行的8位I/O口P0～P3，P0口為三態(tài)雙向口，可驅(qū)動8個TTL電路，P1、P2、P3口為準雙向口（作為輸入時，口線被拉成高電平，故稱為準雙向口），其負載能力為4個TTL電路。第十一頁，共49頁。1)．P0口（P0.0～P0.7，占39～32腳）P0口為三態(tài)雙向口，圖2-4是P0口的某一位的結(jié)構(gòu)圖。它包括一個輸出鎖存器、兩個三態(tài)輸入緩沖器，一個輸出驅(qū)動電路和一個輸出控制端。

第十二頁，共49頁。（C=0）無外擴存儲器輸入口用時，應(yīng)先向鎖存器寫入“1”，使=0，因為控制線為“0”，因此T1與T2全截止，引腳處于高阻抗輸入狀態(tài)，以避免由于T1并接在引腳上，T1的導(dǎo)通誤將高電平拉成低電平而誤讀。當CPU讀端口數(shù)據(jù)時，“讀引腳”信號有效，打開三態(tài)緩沖器，端口數(shù)據(jù)經(jīng)緩沖器讀入內(nèi)部總線。P0口作為地址/數(shù)據(jù)總線使用（C=1）訪問外擴存儲器1)低8位地址/數(shù)據(jù)總線：2）輸入口：總結(jié):(1)當P0作為輸出時，輸出級漏極，必須外接10K歐的電阻，才能有高電平輸出；(2)當P0作為輸入時，必須先向鎖存器寫1，使FET2截至；(3)當P0作為地址/數(shù)據(jù)總線時，就無法在用作I/0口使用。

第十三頁，共49頁。2)．P1口（P1.0～P1.7，占1～8腳）

P1口是一個準雙向I/O口，某一位結(jié)構(gòu)如圖2-5所示。P1口在結(jié)構(gòu)上與P0口的區(qū)別是：沒有多路開關(guān)MUX和控制電路部分，輸入驅(qū)動電路與P0也不相同，只有一個場效應(yīng)管，上拉電阻與電源相連。P1口位結(jié)構(gòu)原理圖

第十四頁，共49頁。3)．P2口（P2.0～P2.7，占21～28腳）圖2-6是P2口的位結(jié)構(gòu)圖。P2口的位結(jié)構(gòu)中上拉電阻的結(jié)構(gòu)與P1口相同，但P2口比P1口多了一個輸出控制部分，所以P2口還能用作高8位地址輸出。P2口位結(jié)構(gòu)原理圖

第十五頁，共49頁。4)．P3口（P3.0～P3.7，占10～17引腳）

P3口是一個多功能端口，圖2-7是P3口位結(jié)構(gòu)圖，與P1口結(jié)構(gòu)對比，P3口與P1口的差別是多了一個與非門和緩沖器3，正式因為有了這兩部分，使得P3口除了具有P1口的雙向I/O功能之外，還可以使P3口的各引腳具有第二功能。

P3口位結(jié)構(gòu)原理圖

第十六頁，共49頁。P3口8位口線第二功能

第十七頁，共49頁。綜上所述，MCS-51單片機很容易將I/O口線及管腳組成傳統(tǒng)微機系統(tǒng)的三總線結(jié)構(gòu)，使用和系統(tǒng)擴展都很方便。如圖2-11所示為系統(tǒng)組成的三總線接線圖，圖中，A0～A15為16位地址總線，可用于擴展64KB的外部程序存儲器和64KB的外部數(shù)據(jù)存儲器。P0口作地址/數(shù)據(jù)復(fù)用口，訪問外部存儲器時，由ALE的下降沿將P0.0～P0.7端口上的低8位地址信號鎖存到地址鎖存器中，P2口的P2.0～P2.7送出系統(tǒng)地址的高八位A8～A15，從而構(gòu)成16位地址總線。D0～D7構(gòu)成數(shù)據(jù)總線，在訪問外部程序存儲器時，有效（低電平），P0口作數(shù)據(jù)總線出現(xiàn)指令信號；在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，或信號有效時，P0口上出現(xiàn)數(shù)據(jù)信號。其余是12條控制信號組成的控制總線。第十八頁，共49頁。第十九頁，共49頁。

一、存儲器配置89C51單片機的存儲器從物理上分四個存儲空間：片內(nèi)程序存儲器、片外程序存儲器、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器、片外數(shù)據(jù)存儲器。從用戶的角度考慮，89C51單片機的存儲器又可分三個邏輯空間：片內(nèi)、片外統(tǒng)一遍址的64KB（0000H～FFFFH）程序存儲器地址空間（使用16位地址線），256B的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器地址空間（00H～FFH），其中80H～FFH內(nèi)僅有二十幾個字節(jié)單元供特殊功能寄存器專用），片外可擴展的64KB（0000H～FFFFH）數(shù)據(jù)存儲器地址空間（使用16位地址線）。第二節(jié)單片機的存儲器結(jié)構(gòu)第二十頁，共49頁。這三個存儲器空間地址是重疊的，89C51的指令系統(tǒng)為區(qū)別這幾個空間，有針對性地設(shè)置了這三個地址空間的數(shù)據(jù)傳送指令：CPU訪問片內(nèi)RAM用MOV指令，訪問片內(nèi)、片外程序存儲器用MOVC指令，訪問片外數(shù)據(jù)存儲器用MOVX指令。MOVMOVCMOVX第二十一頁，共49頁。二、MCS-51程序存儲器地址空間(一)程序存儲器的分類

1.掩膜ROM:在制造時由生產(chǎn)廠家根據(jù)用戶需求2.PROM:由用戶編程,PROM出廠時為熔絲斷裂型，編程輸入時，對需要寫1的單元通過大電流熔斷其熔絲，絲斷后不可再恢復(fù)，故只能寫入一次

3.EPROM:一種可多次寫入的ROM。當芯片在紫外線照射時，入射光子驅(qū)散EPROM中的電子，將原來存儲的電荷信息擦除，EPROM所存信息被擦除。當再次使用時，可重新寫入新內(nèi)容。4.E2PROM:可電檫除第二十二頁，共49頁。（二）程序存儲器的使用

MCS-51系列單片機上電復(fù)位后，程序計數(shù)器指針PC為0000H，故CPU總是從0000H開始執(zhí)行程序，若用戶編寫的主程序或初始化程序不從此地址開始，則應(yīng)在0000H單元內(nèi)存放一條絕對跳轉(zhuǎn)指令，將PC轉(zhuǎn)向主程序或初始化程序的入口地址。

例如:

ORG0000HSTART:SJMPMAINORG0040HMAIN:MOVP1,#00H…RETEND第二十三頁，共49頁。三、MCS-51數(shù)據(jù)存儲器地址空間

（一）分類:（1）SRAM:其存儲電路以雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器為基礎(chǔ)，其優(yōu)點是狀態(tài)穩(wěn)定，只要不掉電，信息不會丟失，不需要刷新電路；缺點是集成度低。

（2）DRAM:其存儲單元以電容為基礎(chǔ)，電路簡單，集成度高。但存在電容中電荷由于漏電會逐漸丟失的問題，需定時刷新。它適于大存儲容量的計算機，常說的內(nèi)存條就是由DRAM組成。（3）非易失RAM或掉電自保護RAM:第二十四頁，共49頁。（二）MCS-51單片機的數(shù)據(jù)存儲器片內(nèi):00H～FFH,用MOV指令訪問片外:0000H～FFFFH,用MOVX指令訪問1.片內(nèi)RAM低128字節(jié)區(qū)域(00H～7FH)真正RAM區(qū)工作寄存組RS1、RS0的狀態(tài)R0～R7占用的地址單元00000H～07H10108H～0FH21010H～17H31118H～1FH(1)工作寄存組區(qū)(00H-1FH)第二十五頁，共49頁。8051內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器地址空間第二十六頁，共49頁。（2）位尋址區(qū)RAM位尋址區(qū)地址分配(20H-2FH)字節(jié)地址位地址D7D6D5D4D3D2D1D02FH7FH7EH7DH7CH7BH7AH79H78H2EH77H76H75H74H73H72H71H70H2DH6FH6EH6DH6CH6BH6AH69H68H2CH67H66H65H64H63H62H61H60H2BH5FH5EH5DH5CH5BH5AH59H58H2AH57H56H55H54H53H52H51H50H29H4FH4EH4DH4CH4BH4AH49H48H28H47H46H45H44H43H42H41H40H第二十七頁，共49頁。字節(jié)地址位地址D7D6D5D4D3D2D1D027H3FH3EH3DH3CH3BH3AH39H38H26H37H36H35H34H33H32H31H30H25H2FH2EH2DH2CH2BH2AH29H28H24H27H26H25H24H23H22H21H20H23H1FH1EH1DH1CH1BH1AH19H18H22H17H16H15H14H13H12H11H10H21H0FH0EH0DH0CH0BH0AH09H08H20H07H06H05H04H03H02H01H00H第二十八頁，共49頁。（3）用戶RAM區(qū)(30H～7FH共80個單元):也稱為數(shù)據(jù)堆棧緩沖區(qū),該區(qū)域主要用于存放用戶數(shù)據(jù)或作堆棧區(qū)使用。2.片內(nèi)特殊功能寄存器SFR(80H-FFH高128字節(jié))符號名稱地址*ACC累加器E0H*BB寄存器F0H*PSW程序狀態(tài)字D0HSP堆棧指針81HDPTRDPH83HDPL82H*P0P0口鎖存器80H*P1P1口鎖存器90H*P2P2口鎖存器A0H*P3P3口鎖存器B0H*IP中斷優(yōu)先級控制寄存器B8H第二十九頁，共49頁。符號名稱地址*IE中斷允許控制寄存器A8HTMOD定時/計數(shù)器狀態(tài)寄存器89H*TCON定時/計數(shù)器控制寄存器88HTH0T/C0高字節(jié)8CHTL0T/C0低字節(jié)8AHTH1T/C1高字節(jié)8DHTL1T/C1低字節(jié)8BH*SCON串行口控制寄存器98HSBUF串行數(shù)據(jù)緩沖器99HPCON電源控制寄存器97H注：表中帶*號者既可按位尋址，也可按字節(jié)尋址

第三十頁，共49頁。（三）部分特殊功能寄存器簡介1、累加器ACC2．寄存器B:完成乘法和除法運算.此外，B也可作暫存結(jié)果的通用寄存器。3．程序狀態(tài)字寄存器PSW:8位特殊功能寄存器，用于存放程序的狀態(tài)和指令的執(zhí)行狀態(tài)，供程序查詢和判別用。D7D6D5D4D3D2D1D0CYACF0RS1RS0OV未用P第三十一頁，共49頁。CY：進位標志位。在執(zhí)行加、減法指令時，如果運算結(jié)果的最高位（D7位）有進位或借位，CY位被置“1”否則清“0”。AC：半進位標志位。在執(zhí)行加、減法指令時，其低半字節(jié)向高半字節(jié)有進位或借位時（D3位向D4位），AC位被置“1”，否則清“0”。

F0：用戶自定義標志位。RS1和RS0：工作寄存器組選擇位。OV：溢出標志位。在補碼運算，當運算結(jié)果超出-128～+127的范圍時（溢出），OV位被置“1”，無溢出，OV位為“0”。P：奇偶校驗標志位。每條指令執(zhí)行完畢，A中有奇數(shù)個1，則P=1，否則P=0。第三十二頁，共49頁。4．堆棧指針SP:8位的特殊功能寄存器，用于指出堆棧棧頂?shù)牡刂贰?shù)據(jù)被壓入堆棧，SP自動加1，數(shù)據(jù)從堆棧中彈出，SP自動減1。系統(tǒng)復(fù)位時由硬件使SP=07H。堆棧深度為128個字節(jié)。5．數(shù)據(jù)指針DPTR:16位的特殊功能寄存器

對64KB片外RAM尋址時，DPTR可以作間地址寄存器使用，執(zhí)行MOVXA,@DPTR指令或MOVX@DPTR,A指令。在訪問程序存儲器時，DPTR作基址，執(zhí)行MOVCA,@A+DPTR指令，以讀取程序存儲器內(nèi)存放的表格常數(shù)。

6．程序計數(shù)器PC:不可尋址第三十三頁，共49頁。程序計數(shù)器PC是一個16位專用計數(shù)器，在物理結(jié)構(gòu)上是獨立的，不屬于特殊功能寄存器SFR。PC用于存放CPU下一條要執(zhí)行指令的地址，即程序存儲器地址。PC本身是沒有地址的，是不可以尋址的，因此用戶不能對它進行讀寫操作，但可以通過轉(zhuǎn)移、調(diào)用、返回等指令改變其內(nèi)容，從而實現(xiàn)程序的轉(zhuǎn)移。PC的尋址范圍為64KB。第三十四頁，共49頁。第三節(jié)單片機的工作方式一、單片機的時序工作方式:采用“存儲程序”的方式，事先把程序加載到計算機的存儲器中，CPU按程序中的指令一條一條地執(zhí)行。第三十五頁，共49頁。1.時鐘電路（a）內(nèi)部時鐘電路；（b）外部振蕩源第三十六頁，共49頁。1．振蕩周期：為單片機提供時鐘信號的振蕩源的周期。2．時鐘周期：是振蕩源信號經(jīng)二分頻后形成的時鐘脈沖信號。3．機器周期：完成一個基本操作所需的時間4．指令周期：是指CPU執(zhí)行一條指令所需要的時間。一個指令周期通常含有1～4個機器周期。

MCS-51單片機各種周期的相互關(guān)系第三十七頁，共49頁。若MCS-51單片機外接晶振為12MHz時，則單片機的四個周期的具體值為：機器周期＝1μs指令周期＝1～4μs第三十八頁，共49頁。（二）MCS-51指令時序

1.單字節(jié)單周期指令（如：INCA指令）只需進行一次讀指令操作，指令讀取后即可執(zhí)行。當?shù)诙蜛LE有效時，PC不加1，此次操作無效2.雙字節(jié)單周期指令（如：ADDA,#data指令）

在兩次ALE有效時，分別讀取兩個字節(jié)的內(nèi)容。3.單字節(jié)雙周期指令（如：INCDPTR指令）兩個機器周期的四次ALE有效，只有一次讀指令有效，后三次無效。4.雙字節(jié)雙周期指令（如：MOVX類指令）這類指令在第一個機器周期的第一次ALE有效期間讀操作碼送指令寄存器，第二次ALE有效，PC不加1，而在S5期間送出外部RAM的地址，隨后在S6

到下一周期的S3期間送出或讀入數(shù)據(jù)。讀寫數(shù)據(jù)期間ALE端不輸出有效信號。

第三十九頁，共49頁。典型指令時序圖

第四十頁，共49頁。單片機的工作方式:主要指復(fù)位、程序執(zhí)行、掉電保護、低功耗、EPROM編程和校驗六種。（一）單片機的復(fù)位方式1．復(fù)位狀態(tài)復(fù)位是使CPU和系統(tǒng)中的部件處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。此外，當程序運行錯誤或系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，復(fù)位也是重新啟動單片機的方法。注:高電平的復(fù)位信號持續(xù)兩個機器周期以上的有效時間第四十一頁，共49頁。（a）上電復(fù)位電路（b）按鍵電平復(fù)位電路（c）按鍵脈沖復(fù)位電路復(fù)位電路第四十二頁，共49頁。特殊功能寄存器初始狀態(tài)特殊功能寄存器初始狀態(tài)A00HTMOD00HB00HTCON00HPSW00HTH0