第02講：MCS-51單片機(jī)結(jié)構(gòu)原理M

1、單片機(jī)技術(shù)單片機(jī)技術(shù)電氣學(xué)院：陳裕國(guó)第第02章：章：MCS-51單片機(jī)結(jié)構(gòu)原理單片機(jī)結(jié)構(gòu)原理主要內(nèi)容：l 硬件編程結(jié)構(gòu)及引腳l CPU主要部件與特殊功能寄存器（SFR）l 片內(nèi)外存儲(chǔ)器的組織結(jié)構(gòu)和編址l 并行I/O口l 中斷及中斷系統(tǒng) （第5章）l 定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串行口（外設(shè)） （第5章）1、概述（、概述（1）：）：MCS51單片機(jī)的編程結(jié)構(gòu)單片機(jī)的編程結(jié)構(gòu)l 51子系列（子系列（2個(gè)定時(shí)個(gè)定時(shí)器、器、128字節(jié)字節(jié)RAM）：）：8031（無(wú)（無(wú)ROM）、）、8051（OTPROM ：4K）、）、8751（EPROM：4K）l52子系列（子系列（3個(gè)定時(shí)器、個(gè)定時(shí)器、256字節(jié)字節(jié)RAM） ：

2、8032 （無(wú)（無(wú)ROM） 、8052 （OTPROM ：4K）l其他其他 增強(qiáng)型：如增強(qiáng)型：如C8051F系系列、列、upsd3200系列系列 簡(jiǎn)化版：如簡(jiǎn)化版：如89C2051共同點(diǎn)：有共同點(diǎn)：有MCS51的的CPU內(nèi)核內(nèi)核有此結(jié)構(gòu)才能稱為51單片機(jī)1、概述（2）：標(biāo)準(zhǔn)51單片機(jī)的引腳？40腳分類（教材以功能進(jìn)行歸腳分類（教材以功能進(jìn)行歸納?。┘{?。?：I/O 端口：端口： P0P3（32pin） （ P0數(shù)據(jù)總線，也可作為訪問(wèn)數(shù)據(jù)總線，也可作為訪問(wèn)外部地址的低八位地址外部地址的低八位地址【時(shí)分復(fù)時(shí)分復(fù)用口用口】 P2通用通用IO，通常也用作訪，通常也用作訪問(wèn)外部地址的高八位地址（問(wèn)外部地

3、址的高八位地址（H） P1通用通用IO P3通用通用IO，有第二功能），有第二功能）控制相關(guān)控制相關(guān)（4pin） 地址鎖存地址鎖存 ALE 復(fù)位輸入復(fù)位輸入 RST 外存選擇外存選擇 /PSEN 外存控制外存控制 /EA（編程脈沖輸（編程脈沖輸入入/PORG）時(shí)鐘時(shí)鐘（2pin） XTAL1、XTAL2電源電源（2pin） VCC、VSS、 2、中央處理器（、中央處理器（CPU）l 由運(yùn)算器、控制（定時(shí)）器、寄存器組成由運(yùn)算器、控制（定時(shí)）器、寄存器組成l 運(yùn)算器功能部件包括算術(shù)邏輯運(yùn)算部件運(yùn)算器功能部件包括算術(shù)邏輯運(yùn)算部件ALU，累加，累加器器A，寄存器，寄存器B、暫存器、暫存器TR，程序計(jì)

4、數(shù)器，程序計(jì)數(shù)器PC、 程序程序狀態(tài)寄存器狀態(tài)寄存器PSW，堆棧指針，堆棧指針SP，數(shù)據(jù)指針寄存器，數(shù)據(jù)指針寄存器DPTR（16bit）以及布爾處理器等。）以及布爾處理器等。 控制器功能部件包括指令寄存器、指令譯碼器、定控制器功能部件包括指令寄存器、指令譯碼器、定時(shí)與控制邏輯及時(shí)鐘電路、復(fù)位電路等時(shí)與控制邏輯及時(shí)鐘電路、復(fù)位電路等（1）算術(shù)）算術(shù)/邏輯運(yùn)算部件邏輯運(yùn)算部件ALU對(duì)應(yīng)用開(kāi)發(fā)人員對(duì)應(yīng)用開(kāi)發(fā)人員“透明透明”l ALU的作用：的作用： 算術(shù)算術(shù)/邏輯運(yùn)算操作邏輯運(yùn)算操作對(duì)對(duì)傳送到對(duì)對(duì)傳送到CPU的的8位數(shù)據(jù)進(jìn)行位數(shù)據(jù)進(jìn)行+、-、*、/算術(shù)運(yùn)算和與、或、異或等邏輯操作，移位、置位、清零、

5、算術(shù)運(yùn)算和與、或、異或等邏輯操作，移位、置位、清零、取反，加取反，加1/減減1操作。操作。 位處理功能（位處理功能（51MCU的特點(diǎn)）：置位、清零、取反、邏輯的特點(diǎn)）：置位、清零、取反、邏輯與、邏輯或、條件判斷轉(zhuǎn)移等（這在控制中特別有用，因?yàn)橐恍┡c、邏輯或、條件判斷轉(zhuǎn)移等（這在控制中特別有用，因?yàn)橐恍┛刂浦谐Ｐ枰M(jìn)行按位運(yùn)行，位操作指令提供了把邏輯等式直接控制中常需要進(jìn)行按位運(yùn)行，位操作指令提供了把邏輯等式直接變換成軟件的簡(jiǎn)單明了的方法，使得不使用過(guò)多的數(shù)據(jù)傳送、字變換成軟件的簡(jiǎn)單明了的方法，使得不使用過(guò)多的數(shù)據(jù)傳送、字節(jié)屏蔽節(jié)屏蔽/組合和測(cè)試分支樹(shù)等編程方法，也能實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的組組合和測(cè)試分

6、支樹(shù)等編程方法，也能實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的組合邏輯功能，從而簡(jiǎn)化了程序邏的編制。為此，它獲得了合邏輯功能，從而簡(jiǎn)化了程序邏的編制。為此，它獲得了布爾處布爾處理器的稱號(hào)理器的稱號(hào)）l 累加器累加器A（Acc）8位位 CPU工作最頻繁的工作最頻繁的reg，用于提供操作數(shù)和存放運(yùn)，用于提供操作數(shù)和存放運(yùn)算的中間結(jié)果（與算的中間結(jié)果（與“加法加法”的意義區(qū)分開(kāi)?。┑囊饬x區(qū)分開(kāi)?。?MCS 51系列系列MCU，結(jié)構(gòu)上仍以累加器，結(jié)構(gòu)上仍以累加器A作為基礎(chǔ)作為基礎(chǔ)（許多指令都以（許多指令都以Acc為基礎(chǔ)，特別是與外部存儲(chǔ)器打?yàn)榛A(chǔ)，特別是與外部存儲(chǔ)器打交道的指令，都需在交道的指令，都需在Acc中進(jìn)行）。中進(jìn)行）。

7、 但由于內(nèi)部電路采取了措施，使得累加器但由于內(nèi)部電路采取了措施，使得累加器A在數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)傳送、邏輯控制等方面的核心作用受到了削載，數(shù)據(jù)傳送、邏輯控制等方面的核心作用受到了削載，數(shù)據(jù)可以在片內(nèi)直接可以在片內(nèi)直接/間接地址的存儲(chǔ)器之間直接傳送而不間接地址的存儲(chǔ)器之間直接傳送而不必經(jīng)過(guò)累加器必經(jīng)過(guò)累加器A。直接地址存儲(chǔ)器也可和常量直接進(jìn)。直接地址存儲(chǔ)器也可和常量直接進(jìn)行邏輯運(yùn)算行邏輯運(yùn)算（2）寄存器）寄存器要求能記能背要求能記能背 一般用于乘除法指令，通常與一般用于乘除法指令，通常與A配合使用。配合使用。B存放存放乘積的高位字節(jié)或除法運(yùn)算后的余數(shù)部分。乘積的高位字節(jié)或除法運(yùn)算后的余數(shù)部分。 例如：例

8、如：MUL AB ；AB （8位無(wú)符號(hào)數(shù)）位無(wú)符號(hào)數(shù)）BA DIV AB ；A/B商商A，A/B余數(shù)余數(shù)B 也可作為普通的也可作為普通的reg來(lái)使用，如暫存中間結(jié)果等來(lái)使用，如暫存中間結(jié)果等 l B寄存器寄存器l 程序狀態(tài)字寄存器程序狀態(tài)字寄存器PSW（特別重要?。ㄌ貏e重要?。?程序狀態(tài)字程序狀態(tài)字PSW是指令可以訪問(wèn)的、單片機(jī)中各有關(guān)是指令可以訪問(wèn)的、單片機(jī)中各有關(guān)標(biāo)志寄存器的集合體。標(biāo)志寄存器的集合體。 可以以字節(jié)來(lái)訪問(wèn)，也可以直接訪問(wèn)某一位，如：可以以字節(jié)來(lái)訪問(wèn)，也可以直接訪問(wèn)某一位，如： setb F0；/將將F0位置位置1 要求掌握其中每一位的含義！要求掌握其中每一位的含義！PSW

9、（字節(jié)地址：（字節(jié)地址：F0H）凡字節(jié)地址可被8整除的均可按位訪問(wèn)PSW狀態(tài)字PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0 標(biāo)志位CYACF0RS1RS0OVP例： 1010 1010B 如何影響Cy、AC？ 0101 1000B CY（PSW.7）：進(jìn)位標(biāo)志，如果操作結(jié)果在最高位有進(jìn)位輸出（加法）或借位輸入（減法）時(shí)置位，否則清零。AC(PSW.6)：輔助進(jìn)位標(biāo)志，是低半字節(jié)的進(jìn)位位（累加器A中A3向A4位的進(jìn)位），BCD碼調(diào)整時(shí)用。PSW（字節(jié)地址：（字節(jié)地址：F0H）凡字節(jié)地址可被8整除的均可按位訪問(wèn)PSW狀態(tài)字PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4

10、PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0 標(biāo)志位CYACF0RS1RS0OVP硬件PSW（字節(jié)地址：（字節(jié)地址：F0H）凡字節(jié)地址可被8整除的均可按位訪問(wèn)PSW狀態(tài)字PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0 標(biāo)志位CYACF0RS1RS0OVP 例：MOV PSW，08H 選中寄存器組1（即R0R7映射到RAM的08H0FH單元20H18H1FH10H17HR7（0FH）R6（0EH）R5（0DH）R4（0CH）R3（0BH）R2（0AH）R1（09H）R0（08H）00H07H片內(nèi)RAM的部分字節(jié)用于通用寄存器組l 堆棧指針堆棧指針SP （堆棧與中斷系

11、統(tǒng)是計(jì)算機(jī)的兩大特征（堆棧與中斷系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)的兩大特征） 以以“堆堆”的方式工作的的方式工作的“棧棧”。 遵循遵循“先進(jìn)后出、后進(jìn)先出先進(jìn)后出、后進(jìn)先出”的原則，堆棧是按該工作的原則，堆棧是按該工作方式工作的、用來(lái)暫時(shí)存放數(shù)據(jù)的寄存器或存儲(chǔ)單元。是只方式工作的、用來(lái)暫時(shí)存放數(shù)據(jù)的寄存器或存儲(chǔ)單元。是只在一端進(jìn)行存取的在一端進(jìn)行存取的一塊特別的存儲(chǔ)區(qū)一塊特別的存儲(chǔ)區(qū)。 堆棧的實(shí)現(xiàn)方式：堆棧的實(shí)現(xiàn)方式：堆棧指針，堆棧指針，SP堆棧的生長(zhǎng)方向：堆棧的生長(zhǎng)方向：MCS51的生長(zhǎng)方式為的生長(zhǎng)方式為“向下生長(zhǎng)向下生長(zhǎng)” MCS51的堆棧（指針的堆棧（指針8位）位） MCS51的堆棧指針是一個(gè)的堆棧指針是一

12、個(gè)8位的地址寄存器，它位的地址寄存器，它指向指向RAM中中的一個(gè)存儲(chǔ)單元。堆棧指針的初值稱為棧區(qū)的棧底，每當(dāng)一個(gè)數(shù)的一個(gè)存儲(chǔ)單元。堆棧指針的初值稱為棧區(qū)的棧底，每當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)送到堆棧中（稱為壓入堆棧）或從堆棧中取出（稱為彈出堆據(jù)送到堆棧中（稱為壓入堆棧）或從堆棧中取出（稱為彈出堆棧），堆棧指針都要隨之作相應(yīng)的變化，它始終指向棧區(qū)的頂端棧），堆棧指針都要隨之作相應(yīng)的變化，它始終指向棧區(qū)的頂端（棧頂）。（棧頂）。 工作過(guò)程：工作過(guò)程：需要入棧時(shí)（中斷或執(zhí)行需要入棧時(shí)（中斷或執(zhí)行PUSH或或CALL指令指令時(shí)），時(shí)），CPU首先把首先把SP加加1，再把數(shù)據(jù)壓棧；當(dāng)需要把數(shù)據(jù)彈出時(shí)，再把數(shù)據(jù)壓棧；當(dāng)需要

13、把數(shù)據(jù)彈出時(shí)（為執(zhí)行（為執(zhí)行POP或返回指令時(shí)），或返回指令時(shí)），CPU先把數(shù)據(jù)彈出，然后先把數(shù)據(jù)彈出，然后SP減減1，這樣保證這樣保證SP所指的棧頂總是滿的。所指的棧頂總是滿的。 當(dāng)復(fù)位時(shí)，堆棧指針初始化為當(dāng)復(fù)位時(shí)，堆棧指針初始化為07H07H，因此，堆棧從地址，因此，堆棧從地址08H08H開(kāi)開(kāi)始；始；堆棧指針也可由指令改變，因而堆棧指針也可由指令改變，因而堆?？稍O(shè)置且只能設(shè)置在片堆?？稍O(shè)置且只能設(shè)置在片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM的任何一個(gè)連續(xù)區(qū)間的任何一個(gè)連續(xù)區(qū)間。l DPTR（數(shù)據(jù)指針）（數(shù)據(jù)指針） 數(shù)據(jù)指針數(shù)據(jù)指針DPTRDPTR是一個(gè)是一個(gè)1616位的位的SFRSFR，其高位字節(jié)

14、寄存器用，其高位字節(jié)寄存器用DPHDPH表示、低位字節(jié)寄存器用表示、低位字節(jié)寄存器用DPLDPL表示。表示。DPTRDPTR既可以作為一既可以作為一個(gè)個(gè)1616位的寄存器位的寄存器DPTRDPTR來(lái)使用，也可以作為兩個(gè)獨(dú)立的八位來(lái)使用，也可以作為兩個(gè)獨(dú)立的八位寄存器寄存器DPHDPH、DPLDPL來(lái)用。來(lái)用。l PC（程序計(jì)數(shù)器，程序指針）（程序計(jì)數(shù)器，程序指針） 程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器PCPC用于存放下一條要執(zhí)行的指令地址，是用于存放下一條要執(zhí)行的指令地址，是一個(gè)一個(gè)1616位的專用寄存器，可尋址范圍為位的專用寄存器，可尋址范圍為0 06553665536（64K64K）。）。 PC PC在物

15、理上是獨(dú)立的，盡管與在物理上是獨(dú)立的，盡管與SFRSFR關(guān)系密切，但關(guān)系密切，但不屬于不屬于SFRSFR。l 關(guān)于關(guān)于“特殊功能寄存器（特殊功能寄存器（SFR）”的小的小結(jié)結(jié) MCS-51系列單片機(jī)將物理上分散在片內(nèi)各處（系列單片機(jī)將物理上分散在片內(nèi)各處（離散的占用離散的占用片內(nèi)片內(nèi)RAM區(qū)的區(qū)的80HFFH地址地址）的具有某種特定功能的一些寄存）的具有某種特定功能的一些寄存器，在數(shù)學(xué)上把它們組織在特殊功能寄存器的地址空間中，使用器，在數(shù)學(xué)上把它們組織在特殊功能寄存器的地址空間中，使用統(tǒng)一后的統(tǒng)一后的直接尋址方式直接尋址方式訪問(wèn)。（這樣，大多數(shù)指令能對(duì)它們進(jìn)行訪問(wèn)。（這樣，大多數(shù)指令能對(duì)它們進(jìn)

16、行操作，使單片機(jī)許多不同功能的實(shí)現(xiàn)在指令形式上變得極其簡(jiǎn)單操作，使單片機(jī)許多不同功能的實(shí)現(xiàn)在指令形式上變得極其簡(jiǎn)單和統(tǒng)一，從而減少了指令的種類和數(shù)量，使指令系統(tǒng)更加規(guī)整和和統(tǒng)一，從而減少了指令的種類和數(shù)量，使指令系統(tǒng)更加規(guī)整和有效。）有效。） SFR不連續(xù)地分布在地址空間不連續(xù)地分布在地址空間80HFFH中，如表中，如表2-3所示。所示。其中，地址號(hào)能被其中，地址號(hào)能被8整除的那些特殊功能寄存器單元中的位，可整除的那些特殊功能寄存器單元中的位，可以直接位尋址。以直接位尋址。地址地址符號(hào)符號(hào)名稱名稱地址地址符號(hào)符號(hào)名稱名稱F0HB寄存器寄存器98HSCON串行控制串行控制/狀態(tài)寄存器狀態(tài)寄存器E

17、0HA累加器累加器90HP1口口1D0HPSW程序狀態(tài)字程序狀態(tài)字8DHTH1定時(shí)器定時(shí)器1高高8位位CDHTH2定時(shí)器定時(shí)器2高高8位位8CHTL1定時(shí)器定時(shí)器1低低8位位CCHTL2定時(shí)器定時(shí)器2低低8位位8BHTH0定時(shí)器定時(shí)器0高高8位位CBHRCAP2H定時(shí)器定時(shí)器2陷阱寄存器高陷阱寄存器高8位位8AHTL0定時(shí)器定時(shí)器0低低8位位CAHRCAP2L定時(shí)器定時(shí)器2陷阱寄存器低陷阱寄存器低8位位89HTMOD定時(shí)器方式寄存器定時(shí)器方式寄存器C8HT2CON定時(shí)器定時(shí)器2控制寄存器控制寄存器88HTCON定時(shí)器控制寄存器定時(shí)器控制寄存器B8HIP中斷口優(yōu)先級(jí)控制寄存中斷口優(yōu)先級(jí)控制寄存器

18、器器器87HPCON電源控制寄存器電源控制寄存器B0HP3口口383HDPH數(shù)據(jù)指針高數(shù)據(jù)指針高8位位A8HIE中斷允許控制寄存器中斷允許控制寄存器82HDPL數(shù)據(jù)指針低數(shù)據(jù)指針低8位位A0HP2口口281HSP堆棧指針堆棧指針99HSBUF串行數(shù)據(jù)緩沖器串行數(shù)據(jù)緩沖器80HP0口口0表2-3 特殊功能寄存器映像 8051、8751、8031有有21個(gè)個(gè)特殊功能寄存器，特殊功能寄存器，8052、8032則有則有26個(gè)個(gè)SFR。 大致可分為以下幾類：大致可分為以下幾類：1)算術(shù)運(yùn)算寄存器（已介紹）算術(shù)運(yùn)算寄存器（已介紹） A：累加器（：累加器（E0H） B：寄存器（：寄存器（F0H） PSW：程

19、序狀態(tài)字寄存器（：程序狀態(tài)字寄存器（D0H） 2)指針寄存器指針寄存器 SP：堆棧指針（：堆棧指針（81H） DPTR：數(shù)據(jù)指針（：數(shù)據(jù)指針（16位）?？刹鸱譃閮蓚€(gè)位）。可拆分為兩個(gè)8位位reg獨(dú)立操作（獨(dú)立操作（DPH/高高8位和位和DPL/低低8位）（位）（83H、82H）3)并行并行I/O口口 P0：口：口0（80H） P1：口：口1（90H） P2：口：口2（A0H） P3：口：口3（B0H）4)串行串行I/O口口 SCON：串行控制：串行控制/狀態(tài)寄存器（狀態(tài)寄存器（98H） SBUF：串行數(shù)據(jù)緩沖區(qū)（：串行數(shù)據(jù)緩沖區(qū)（99H） PCON：電源控制（：電源控制（97H）5) 中斷系統(tǒng)

20、中斷系統(tǒng) IP：中斷優(yōu)先級(jí)控制寄存器（：中斷優(yōu)先級(jí)控制寄存器（B8H） IE：中斷允許控制寄存器（：中斷允許控制寄存器（A8H）6）定時(shí)）定時(shí)/計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器 TMOD：定時(shí)器方式寄存器（：定時(shí)器方式寄存器（98H） TCON：定時(shí)器控制寄存器（：定時(shí)器控制寄存器（88H） TH0：定時(shí)器：定時(shí)器0高高8位（位（8CH） TL0：定時(shí)器：定時(shí)器0低低8位（位（8AH） TH1：定時(shí)器：定時(shí)器1高高8位（位（8DH） TL1：定時(shí)器：定時(shí)器1低低8位（位（8BH） T2CON：定時(shí)器：定時(shí)器2控制寄存器高控制寄存器高8位（位（CBH） RCAP2L：定時(shí)器：定時(shí)器2陷阱寄存器低陷阱寄存器低8位（位

21、（CAH）（3）控制與定時(shí)部件）控制與定時(shí)部件l 1、時(shí)鐘電路（內(nèi)部/外部時(shí)鐘；頻率范圍1.2M12Mhz）（a） 內(nèi)部時(shí)鐘電路；內(nèi)部時(shí)鐘電路； （b） 外部振蕩源外部振蕩源（HMOS）（3）控制與定時(shí)部件）控制與定時(shí)部件l 2、時(shí)序及相關(guān)概念、時(shí)序及相關(guān)概念振蕩周期振蕩周期: 也稱時(shí)鐘周期也稱時(shí)鐘周期, 是指為單片機(jī)提供時(shí)鐘脈沖信號(hào)的振蕩源是指為單片機(jī)提供時(shí)鐘脈沖信號(hào)的振蕩源的周期。（即的周期。（即 晶振的頻率）晶振的頻率） 狀態(tài)周期狀態(tài)周期: 每個(gè)狀態(tài)周期為時(shí)鐘周期的每個(gè)狀態(tài)周期為時(shí)鐘周期的 2 倍倍, 是振蕩周期經(jīng)二分頻后是振蕩周期經(jīng)二分頻后得到的。得到的。機(jī)器周期：機(jī)器周期：完成一個(gè)基本操作所需要的時(shí)間。完成一個(gè)基本操作所需要的時(shí)間。一個(gè)機(jī)器周期由一個(gè)機(jī)器周期由12個(gè)個(gè)時(shí)鐘周期組成。時(shí)鐘周期組成。指令周期：指令周期：一條指令的執(zhí)行時(shí)間。一條指令的執(zhí)行時(shí)間。以機(jī)器周期為單位：以機(jī)器周期為單位：?jiǎn)巍㈦p周期單、雙周期和和四周期四周期指令指令。（！無(wú)！無(wú)3周期指令）周期指令） （思考題：思考題：設(shè)應(yīng)用單片機(jī)晶振頻率為設(shè)應(yīng)用單片機(jī)晶振頻率為12MHz，問(wèn)機(jī)器周期為多長(zhǎng)時(shí)，問(wèn)機(jī)器周期為多長(zhǎng)時(shí)間？指令周期分別為多長(zhǎng)時(shí)間？間？