单片机原理-MCS51的基本结构.pptx

本章内容提要 本章主要介绍MCS-51系列单片机的内部结构，主要包括单片机内部构成，引脚及片外总线，存储器结构，并行IO端口，以及单片机正常工作所需的复位电路和时钟电路，并给出了单片机的最小系统构成。2.1 MCS51单片机的内部基本结构2.1.1 MCS-51单片机的基本组成MCS-51的内部基本结构包括以下几个部分：1一个8位微处理器（CPU）2数据存储器RAM和特殊功能寄存器SFR3内部程序存储器ROM4两个定时/计数器5四个8位可编程的I/O（输入/输出）并行端口6一个串行通信端口7中断控制系统8内部时钟电路图2-1 MCS-51单片机的基本组成 2.1 MCS51单片机的内部基本结构2.1.2 MCS-51单片机硬件内部结构特点 89X51的中央处理器是由一个8位的运算器、控制逻辑以及若干寄存器等组成的，并且通过内部总线与其他功能部分相联接。ALU和运算寄存器组成运算部分，ALU从暂存器1和暂存器2取得操作数，运算后再送到运算寄存器、通用寄存器和存储单元中，并根据运算结果设置PSW中的状态标志。控制逻辑包括指令寄存器、PC、DPTR以及定时器和其他控制逻辑。AT89S51的控制逻辑在结构和功能上与传统的51系统单片机完全一样，只是多了一个DPTR寄存器，这种设置能够提高数据的运算速度。图2-2 MCS-51单片机内部详细结构2.2 MCS-51单片机的引脚及片外总线结构2.2.1 单片机的引脚 8051单片机芯片采用40引脚，双列直插封装（DIP）方式，引脚和逻辑符号如图23所示。图2-3 MCS-51单片机的引脚2.2 MCS-51单片机的引脚及片外总线结构单片机的引脚从逻辑上可分为四类，分别为：1电源引脚VCC（40脚）：供电电源+5VVSS（20脚）：接地线2时钟电路引脚XTAL2（18脚）和XTAL1（19脚）利用内部时钟电路时，XTAL1与XTAL2之间接一晶体振荡器，XTAL1为内部放大电路输入端，XTAL2为输出端。采用外部时钟时，对于HMOS型单片机，XTAL1接地，XTAL2端接外部输入时钟脉冲。而对于CHMOS型单片机XTAL1为驱动端，XTAL2悬空。2.2 MCS-51单片机的引脚及片外总线结构3控制信号引脚控制信号引脚较多，现介绍如下：RST/VPD（9脚）：RST是复位信号输入端，高电平有效，此端保持两个机器周期（24个时钟周期）以上的高电平时，就可以完成复位操作。RST引脚的第二功能是VPD，即备用电源的输入端。当主电源VCC发生故障降低到低电平规定值时，将+5V电源自动接入RST端为RAM提供备用电源，以保证存储在RAM中的信息不丢失，从而使复位后能继续正常运行。2.2 MCS-51单片机的引脚及片外总线结构 ALE/PROG（30脚）：地址锁存允许信号端。ALE在每个机器周期内输出两个脉冲。在访问外部存储时，ALE用来锁存P0扩展地址低8位的地址信号。在不访问外部存储器时，ALE也以时钟振荡频率的1/6的固定速率输出，因而它又可用作外部定时或其它需要。如果想确定8051/8031芯片好坏，可用示波器查看ALE端是否有脉冲信号输出，如有，则8051/8031基本上是好的。但要注意，在访问片外数据存储器期间，ALE脉冲会跳空一个，此时作为时钟输出就不妥了。ALE脚的第二功能PROG在对片内带有4KB EPROM的8751编程写入（固化程序）时，作为编程脉冲输入端。2.2 MCS-51单片机的引脚及片外总线结构 PSEN（29脚）：程序存储允许输出信号端。当访问片外程序存储器时，此脚输出负脉冲作为读选通信号。当从外部程序存储器读取指令或常数期间，每个机器周期该信号两次有效，以通过数据总线P0口读回指令或常数。在访问片外数据存储器期间，PSEN信号将不出现。EA/VPP（31脚）：EA 访问外部程序存储器控制信号。对8051和8751，它们片内有4KB的程序存储器，当EA 为高电平时，分两种情况。若访问的地址空间在04K范围内，CPU访问片内程序存储器。访问的地址超出4K时，CPU将自动执行外部程序存储器，即访问外部ROM。当EA接低电平时，CPU只访问外部EPROM/ROM，而不管是否有片内程序存储器。对8031，EA必须接地。第二功能VPP为对8751的EPROM的21V编程电源输入。2.2 MCS-51单片机的引脚及片外总线结构4输入/输出端口P0，P1，P2和P3 P0口（P0.0P0.7，3932脚）：是一个8位漏极开路型的双向I/O口。第二功能是在访问外部存储器时，分时提供低8位地址线和8位双向数据总线。在对8751片内EPROM进行编程和校验时，P0口用于数据的输入和输出。P1口（P1.0P1.7 18脚）：P1口是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O端口,一般可作为I/O口。在P1口作为输入口使用时，应先向P1口锁存器写入全1，此时P1口引脚由内部上拉电阻拉成高电平。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端口。在访问片外EPROM/RAM时，它输出高8位地址。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端口，此外P3口的每个脚还具有第二功能如表21所示。2.2 MCS-51单片机的引脚及片外总线结构 口线 第二功能 P3.0 RXD（串行接收）P3.1TXD（串行发送）P3.2INT0（外部中断0输入，低电平或下降沿有效）P3.3INT1（外部中断1输入，低电平或下降沿有效）P3.4T0（定时器0外部输入）P3.5T1（定时器1外部输入）P3.6WR（外部存储器写使能信号，低有效）P3.7RD（外部存储器读使能信号，低有效）表2-1 P3口的第二功能2.2 MCS-51单片机的引脚及片外总线结构222 单片机的总线结构微型计算机中的总线通常分为：1地址总线（AB）地址总线宽度为16位，由P0口经地址锁存器提供低8位地址（A0A7）；P2口直接提供高8位地址（A8A15）。地址信号是由CPU发出的，故地址总线是单方向的。2数据总线（DB）数据总线宽度为8位，用于传送数据和指令，由P0口提供。3控制总线（CB）控制总线随时掌握各种部件的状态，并根据需要向有关部件发出命令。2.2 MCS-51单片机的引脚及片外总线结构图2-4 MCS-51单片机的外部总线23 MCS-51的存储器结构 MCS51单片机的存储器采用的是哈佛（Harvard）结构，即程序存储器和数据存储器分开编址，在空间上是各自独立的，两种存储器有自己的寻址方式和寻址空间。MCS51的存储器空间可以划分为以下4种，分别是：程序存储器；内部数据存储器；内部特殊功能寄存器；外部数据存储器；23 MCS-51的存储器结构图2-5 MCS-51单片机的存储器结构 23 MCS-51的存储器结构231 程序存储器 程序存储器用来存放已编好的程序和表格常数，它由只读存储器ROM或EPROM组成。MCS51单片机的程序计数器为16位，因此，MCS51单片机具有64K字节的程序存储器空间。程序存储器可以分为片内程序存储器和片外程序存储器。片内程序存储器位于整个程序存储器空间的最低端。对于8031单片机，由于其内部没有程序存储器，必须在外部扩展程序存储器芯片才能构成应用系统；对于8051或8751单片机，其内部有4K字节的程序存储器，地址为0000H0FFFH；对8052或8752单片机，其内部有8K字节程序存储器。23 MCS-51的存储器结构 图2-6 程序存储器空间编址（a）51系统单片机（b）52系列单片机23 MCS-51的存储器结构 由于程序存储器分为片内程序存储器和片外程序存储器，因此对片内和片外程序存储器的访问就需要用EA引脚上的电平来确定。EA引脚接高电平，程序将从片内程序存储器开始执行，当PC值超出了片内ROM的容量时将自动转向片外程序存储器空间执行。EA引脚接低电平时，将强迫单片机执行外部程序存储器中的程序。对于拥有片内程序存储器的51系列和52系列单片机来说应该将EA接高电平，使单片机从片内程序存储器，也就是程序存储器的低空间开始执行。23 MCS-51的存储器结构中断入口地址：0000H：单片机复位后，PC0000H，程序从0000H开始执行指令，故系统必须从0000H单元开始取指令，执行程序。0003H：外部中断0入口地址。000BH：定时器0中断入口地址。0013H：外部中断1入口地址。001BH：定时器1中断入口地址。0023H：串行口中断入口地址。在系统中断响应之后，将自动转到各中断入口地址处执行程序，而中断服务程序一般无法存放于几个单元之内，因此在中断入口地址处往往存放一条无条件转移指令进行跳转，以便执行中断服务程序。23 MCS-51的存储器结构232 内部数据存储器图2-7 MCS-51单片机内部数据存储器23 MCS-51的存储器结构1工作寄存器区2位寻址区3数据缓冲区1工作寄存器区PSW.4(RS1)PSW.3(RS0)当前使用的工作寄存器组R0R7 000组(00H07H)011组(08H0FH)102组(10H17H)113组(18H1FH)23 MCS-51的存储器结构2位寻址区:20H2FH，位地址范围：00H7FH。表2-3 位寻址区23 MCS-51的存储器结构3数据缓冲区：30H7FH是数据缓冲区，也即用户RAM区，共80个单元。数据缓冲区除了用作数据暂存外，还用作堆栈区。堆栈用于子程序调用和中断发生时的返回地址和现场参数的保护。MCS51的堆栈是向上增长型，即堆栈由低位地址向高位地址增长，每当压入一个字节数据，堆栈指针先加1，然后压入数据。23 MCS-51的存储器结构图2-8 堆栈及堆栈指针23 MCS-51的存储器结构233 内部特殊功能寄存器 特殊功能寄存器(SFR，即Special Function Registers)，又称为专用寄存器，专用于控制、管理片内算术逻辑部件、并行I/O口、串行I/O口、定时器/计数器、中断系统等功能模块的工作。用户在编程时可以置数设定，却不能自由移作它用。在51子系列单片机中，各专用寄存器(PC例外)与片内RAM统一编址，且作为直接寻址字节，可直接寻址。除PC外，51子系列有18个专用寄存器，其中3个为双字节寄存器，共占用21个字节。23 MCS-51的存储器结构表2-4 MCS51系列特殊功能寄存器23 MCS-51的存储器结构 SFR中有11个专用寄存器可以位寻址，它们字节地址的低半字节都为0H或8H(即可位寻址的特殊功能寄存器字节地址具有能被8整除的特征)，共有可寻址位1185(未定义)=83位。21个特殊功能寄存器的名称及主要功能介绍如下:A累加器，自带有全零标志Z，A=0则Z=1；A0则Z=0。该标志常用于程序分支转移的判断条件。B寄存器，常用于乘除法运算。Cy进（借）位标志，其主要作用是保存算术运算的进或借位，并在进行位操作时做累加器。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零。在算术运算中它可作为进位标志，在位运算中，它作累加器使用，在位传送、位与和位或等位操作中，都要使用进位标志位。23 MCS-51的存储器结构PSW程序状态字。主要起着标志寄存器的作用。位地址位名称图2-9 PSW各位定义AC辅助进位标志，当进行以A为目的的运算时，运算结果从D3位产生进位或借位时AC=1，另外可用于BCD码调整。进行加法或减法操作时，当发生低四位向高四位进位或借位时，AC由硬件置位，否则AC位被置0。在进行十进制调整指令时，将借助AC状态进行判断。F0用户标志，是用户可以使用的位变量，可以随PSW被保存。该位为用户定义的状态标记，用户根据需要用软件对其置位或清零，也可以用软件测试F0来控制程序的跳转。RS1,RS0寄存器组选择 OV溢出标志位，在有符号数运算结果超出允许范围OV=1,否则OV=0。当执行算术指令时，由硬件置位或清零来指示溢出状态。在带符号的加减运算中，OV1表示加减运算结果超出了累加器A所能表示的符号数有效范围（128127），即运算结果是错误的，反之，OV0表示运算正确，即无溢出产生。无符号数乘法指令MUL的执行结果也会影响溢出标志，若置于累加器A和寄存器B的两个数的乘积超过了255，则OV1，反之OV0。由于乘积的高8位存放于B中，低8位存放于A中，OV0则意味着只要从A中取得乘积即可，否则要从B和A寄存器对中取得乘积结果。在除法运算中，DIV指令也会影响溢出标志，当除数为0时，OV1，否则OV0。P奇偶标志位，主要作用是在每个机器周期根据累加器A中的内容的奇偶性由硬件置/复位，当A中1的个数为奇P=1，否则为P=0。每个指令周期由硬件来置位或清零用以表示累加器A中1的个数的奇偶性，若累加器中1的个数为奇数则P1，否则P0。23 MCS-51的存储器结构SP堆栈指针，SP为8位寄存器，指示栈顶位置。当进行进栈操作时先SP+1，再压栈；当进行出栈操作时，先出栈，再SP1。DPTR数据指针寄存器，DPTR是16位寄存器，可以寻址64K地址空间。数据指针DPTR为一个16位的专用寄存器，其高8位用DPH表示，其低8位用DPL表示，它即既可以作为一个16位的寄存器来使用，也可作为两个8位的的寄存器DPH和DPL使用。DPTR在访问外部数据存储器时既可用来存放16位地址，也可作地址指针使用。如MOVX DPTR，A。23 MCS-51的存储器结构PC程序计数器（16位），PC不属于SFR,但和SFR有联系，主要用于存放下一条要执行的指令地址。P0P3I/O端口。P0P3为四个8位的特殊功能寄存器，分别是四个并行I/O端口的锁存器。通过对该寄存器的读/写，可实现从相应I/O端口的输入/输出。例如：指令 MOV P1，A实现了把A累加器中的内容从P1端口输出的操作。指令MOV A，P3实现了把P3端口线上的信息输入到A中的操作。23 MCS-51的存储器结构IP中断优先级控制寄存器。IE中断允许控制寄存器。TMOD定时器/计数器方式控制寄存器。TCON定时器/计数器控制寄存器。TH0，TL0定时器/计数器0。TH1，TH1定时器/计数器1。SCON串行端口控制寄存器。SBUF串行数据缓冲器。PCON电源控制寄存器。在52子系列中，高128字节RAM和SFR的地址是重叠的，究竟访问哪一块可通过不同的寻址方式加以区分，访问高128字节RAM采用寄存器间址，访问SFR则只能采用直接寻址，访问低128字节RAM时，两种寻址均可采用。寻址方式见第三章。AT89S51单片机在8051的基础上又增加了5个字节，共26个寄存器。新增加的四个寄存器（5个字节）如下所示。23 MCS-51的存储器结构DPL1，DPH1第二个DPTR寄存器的高位和低位寄存器，地址84H，85H；AUXR辅助寄存器，地址8EH，其中用到了3位。具体如图210所示。图2-10 AUXR位结构DISALE：ALE输出使能。当此位0时，ALE管脚以51常规模式输出1/6系统机器周期；当此位1时，ALE管脚只有当程序执行指令MOVX/MOVC时才输出信号。DISRTO：RESET输出使能。当此位0时，且看门狗定时时间到，RESET（9脚）引脚输出高电平；当此位1时，RESET（9脚）引脚只是输入。WDIDLE：IDLE模式时使能看门狗。当此位0时，看门狗在IDLE模式也计数；当此位1时，看门狗在IDLE模式停止计数。23 MCS-51的存储器结构AUXR1辅助寄存器1，地址0A2H。只用到了D0位DPS。DPS为DPTR选择位，当此位0时，选择DPTR0；当此位1时，选择DPTR1。WDTRST看门狗复位寄存器，地址0A6H。是一个只写寄存器，为了避免看门狗溢出，用户必须对此寄存器写01EH和0E1H。看门狗寄存器是一个14位寄存器，当看门狗被使能，看门狗寄存器每个机器周期增1。这也意味着用户必须在3FFFH（16383）个机器周期内复位看门狗，以避免看门狗溢出。234 外部数据存储器23 MCS-51的存储器结构 MCS51单片机系统的地址总线为16位宽，所以外部数据存储器可扩展64KB。外部数据存储区中，RAM存储单元与MCS51外部扩展的I/O端口统一编址。外部数据存储器和内部数据存储器的访问指令不同。当单片机外部同时扩展有程序存储器和数据存储器时，单片机根据时序的控制区分访问两种存储器：当读外部程序存储器时，读信号由引脚PSEN提供；当进行外部数据存储器的读写操作时，由引脚RD和WR选通读写信号。两种不同的寻址各有其独立的指令和寻址方式。2.4 MCS-51并行IO端口 MCS51系列单片机具有四个并行IO端口P0，P1，P2，P3，各具有不同的结构和功能。端口的每一位均由锁存器、输出驱动器和输入缓冲器组成。P0P3的端口寄存器也属于特殊功能寄存器，除了可以按字节寻址外，还可以按位寻址。2.4 MCS-51并行IO端口241 P0端口 P0端口的字节地址为80H，位地址为80H87H，各位口线具有完全相同但又相互独立的逻辑电路。具有地址/数据分时复用功能及通用I/O接口功能。图2-11 P0端口一位结构锁存器起输出锁存作用，8个锁存器构成了特殊功能寄存器P0；场效应管(FET)T1、T2组成输出驱动器，以增大带负载能力；三态门1是引脚输入缓冲器；三态门2用于读锁存器端口；与门3、反相器4及模拟转换开关构成了输出控制电路。地址/数据分时复用功能从P0口输出地址或数据 时：控制信号应为高电平1，使转换开关MUX把反相器4的输出端与T2接通，同时把与门3打开。当地址或数据为1时，经反相器4使T2截止，而经与门3使T1导通，P0.x引脚上出现相应的高电平1；当地址或数据为0时，经反相器4使T2导通而T1截止，引脚上出现相应的低电平0。这样就将地址/数据的信号输出。当输入数据时，数据信号直接从引脚通过输入缓冲器进入内部总线。通用I/O接口功能当P0口作为通用I/O口使用，在CPU向端口输出数据时，对应的控制信号为0，转换开关把输出级与锁存器Q端接通，同时因与门3输出为0使T1截止，此时，输出级是漏极开路电路。当写脉冲加在锁存器时钟端CL上时，与内部总线相连的D端数据取反后出现在Q端，又经输出T2反相，在P0引脚上出现的数据正好是内部总线的数据。当要从P0口输入数据时，引脚信息仍经输入缓冲器进入内部总线。一些端口操作指令在执行过程分成读修改写三步，先将P0口的数据读入CPU，在ALU中进行运算，运算结果再送回P0。执行读修改写类指令时，CPU是通过三态门 2读回锁存器Q端的数据来代表引脚状态的。2.4 MCS-51并行IO端口当P0口作为通用IO时需要注意：(1)在输出数据时，由于T1截止，输出级是漏极开路电路，要使1信号正常输出，必须外接上拉电阻。(2)P0口作为通用I/O口使用时，是准双向口。在输入数据时，应先把口置1(写1)，此时锁存器的Q端为0，使输出级的两个场效应管T1、T2均截止，引脚处于悬浮状态，才可作高阻输入。因为，从P0口引脚输入数据时，T1一直处于截止状态，引脚上的外部信号既加在三态缓冲器1的输入端，又加在T2的漏极。假定在此之前曾输出锁存过数据0，则T2是导通的，这样引脚上的电位就始终被箝位在低电平，使输入高电平无法读入。因此，在输入数据时，应人为地先向口写1，使T1、T2均截止，方可高阻输入。综上所述，P0口在有外部扩展存储器时被作为地址/数据总线口，此时是一个真正的双向口；在没有外部扩展存储器时，P0口也可作为通用的I/O接口，但此时只是一个准双向口。242 P1端口2.4 MCS-51并行IO端口P1端口的字节地址为90H，位地址为90H97H。图2-12 P1端口一位结构P1口输出驱动部分由场效应管T与内部上拉电阻组成。当其某位输出高电平时，可以提供拉电流负载，不必像P0口那样需要外接上拉电阻。并且输出的信息仅来自内部总线，由内部总线输出的数据经锁存器反相后，锁存在端口线上，所以P1口是具有输出锁存的静态口。要正确地从引脚上读入外部信息，必须先使场效应管截止，以便由外部输入的信息确定引脚的状态。所以，P1口在作引脚读入前，必须先对相应端口写入1。2.4 MCS-51并行IO端口 对于52子系列单片机P1口的P1.0与P1.1除作为通用I/O接口线外，还具有第二功能，即P1.0可作为定时器/计数器2的外部计数脉冲输入端T2，P1.1可作为定时器/计数器2的外部控制输入端T2EX。对于AT89S51来说，由于提供了ISP功能，因此P1.5、P1.6、P1.7也具有第二功能，用于实现ISP。管脚第二功能P1.5MOSIP1.6MISOP1.7SCK表2-5 ISP管脚243 P2端口2.4 MCS-51并行IO端口P2端口的字节地址是A0H，位地址为A0HA7H。图2-13 P2端口一位结构P2端口在片内既有上拉电阻，又有切换开关MUX，具有这样结构主要是因为P2端口除了可以作为准双向通用IO外还用作输出地址总线的高8位，所以P2端口在功能上兼有P0端口和P1端口的特点。当作为准双向通用I/O口使用时，控制信号使转换开关接向左侧，锁存器Q端经反相器接T，其工作原理与P1相同，也具有输入、输出、端口操作三种工作方式，负载能力也与P1相同。当作为外部扩展存储器的高8位地址总线使用时，控制信号使转换开关接向右侧，由程序计数器PC来的高8位地址PCH，或数据指针DPTR来的高8位地址DPH经反相器和T反相后原样呈现在P2口的引脚上，输出高8位地址A8A15。在上述情况下，端口锁存器的内容不受影响，所以，取指或访问外部存储器结束后，由于转换开关又接至左侧，使输出驱动器与锁存器Q端相连，引脚上将恢复原来的数据。因此P2端口是动态的IO端口，输出数据虽然被锁存，但不是稳定地出现在端口线上。2.4 MCS-51并行IO端口244 P3端口P3端口的字节地址为B0H，位地址为B0HB7H。图2-14 P3端口一位结构P3口为双功能口，当P3口作为通用I/O口使用时，它为静态准双向口，且每位都可定义为输入或输出口，其工作原理同P1口类似。在这种情况下，第二输出功能线为1，内部总线信号经锁存器和场效应管输出，输入还是通过缓冲器读入引脚信号。当处于第二功能时，锁存器输出1，通过第二输出功能线输出特定的第二功能信号，在输入方面，既可以通过缓冲器读入引脚信号，也可以通过第二输入功能读入片内的特定第二功能信号。2.4 MCS-51并行IO端口245 P0P3端口功能总结(1)P0P3口都是并行IO口，都可用于数据的输入和输出，但P0口和P2口除了可进行数据的输入/输出外，通常用来实现系统的数据总线和地址总线，所以在电路中有一个多路转换开关MUX，以便进行两种功能的转换。而P1口和P3口没有数据总线和地址总线的功能，因此在电路中没有多路转换开关MUX。(2)在四个端口中，只有P0口是一个真正的双向口，P1P3口都是准双向口。(3)P3口的口线具有第二功能，为系统提供一些控制信号。因此在P3口电路增加了第二功能控制逻辑。25 单片机的复位电路和复位状态 当MCS51系统单片机的复位引脚RST上出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。复位操作使单片机进入初始化状态，PC初始化为0000H，使MCS51单片机从0000H开始执行程序。25 单片机的复位电路和复位状态251 单片机的复位电路图2-15 单片机上电复位和手动复位电路在通电瞬间，由于RC的充电过程，在 RST端出现一定宽度的正脉冲，只要该正脉冲保持10ms以上，就能使单片机自动复位，在6MHz时钟时，通常CR取22F，R1取200，R2取1K，这时能可靠的上电复位和手动复位。25 单片机的复位电路和复位状态用专业的集成复位芯片来实现可靠复位：图2-16 集成复位芯片的复位电路25 单片机的复位电路和复位状态252 单片机的复位状态 52单片机在RST引脚高电平的控制下，特殊功能寄存器和程序计数器PC复位后的状态如表26所示。寄存器复位状态寄存器复位状态PC0000HTCON00HA00HT2CON00HN00HTH000HPSW00HTL000HSP07HTH100HDPTR0000HTL100HP0P3FFHSCON00H表2-6 复位后寄存器的状态26 MCS51系列单片机的时钟电路和时序 时钟电路用来产生单片机工作时所必需的时钟信号。在时钟信号的控制下，单片机内部的控制电路按照程序指令进行工作。而时序是指单片机执行的各个指令在时间上的先后关系。261 时钟电路(1)内部振荡方式 在引脚XTAL1和引脚XTAL之间外接晶体振荡器和微调电容，和单片机内部的一个高增益的反相放大器一起构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。图2-17 内部震荡方式C1和C2起稳定振荡频率、快速起振的作用，其电容值一般在5pF30pF。MCS51系列晶振频率的典型值为6MHz、12MHz和24MHz，最高可达到40MHz。内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定，实用电路中使用较多。在这种情况下，晶振和电容应该尽可能安装的离单片机的时钟引脚近，以减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定可靠地工作。26 MCS51系列单片机的时钟电路和时序 （2）部振荡方式：外部振荡方式就是把外部已有的时钟信号引入单片机内，常用于多片MCS51单片机同时工作，以便于多片MCS51单片机之间的同步，一般为低于12MHz的方波。外部的时钟源直接接到XTAL2端，XTAL1接地。由于XTAL2的逻辑电平不是TTL的，可以接一个4.7K 10K的上拉电阻。图2-18 外部震荡方式26 MCS51系列单片机的时钟电路和时序262 基本时序1时钟周期 时钟周期是单片机的基本时间单位。若晶振的振荡频率为12MHz，则时钟周期为1/12MHz=0.0833s.2.状态周期 振荡频率二分频后形成状态周期或称s周期。所以一个状态周期包括两个振荡周期，晶振频率为12MHz时，状态周期为2/12MHz=0.167s。3机器周期 CPU完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期（MC）。单片机中常把执行一条指令的过程分为几个机器周期。每个机器周期完成一个基本操作，如取指令、读或写数据等等。MCS51单片机每12个振荡周期为一个机器周期。26 MCS51系列单片机的时钟电路和时序 MCS51的一个机器周期包括12个时钟周期，分为6个状态周期s1s6。每个状态又分为2拍：P1和P2。因此一个机器周期中的12个时钟周期表示为：S1P1,S1P2,S2P1,S2P2,S3P1,S3P2，S6P2，如图219所示：图2-19 状态周期及指令周期26 MCS51系列单片机的时钟电路和时序4.指令周期指令周期是执行一条指令所需的时间。MCS51单片机中按指令长度可分为单字节、双字节、三字节指令，因此执行一条指令的时间也不同，有如下几种形式：单字节指令单机器周期；单字节指令双机器周期；双字节指令单机器周期；双字节指令双机器周期；三字节指令双机器周期；单字节指令四机器周期；（如单字节的乘除法指令）26 MCS51系列单片机的时钟电路和时序263 工作模式 AT89S51单片机提供了空闲和掉电两种工作模式。在空闲模式下，CPU自己进入睡眠状态而其他的片内功能部件保持工作状态，这种模式是可以用软件调用的。当CPU启动了这个模式，片内所有的数据存储器和特殊功能寄存器将保持不变。任何的中断信号或硬件复位信号都可以使CPU退出空闲模式。在空闲模式下，单片机的功耗下降80。在掉电模式下，单片机片内振荡停止，CPU执行的最后一条指令就是调用掉电模式的指令。片内的所有数据存储器和特殊功能存储器将保持不变，一直到掉电模式终止。可以通过外部的复位信号或者给INT0和INT1管脚上发出外部中断信号来终止掉电模式。在这种模式中，VCC可以降低到2V，片内RAM处于50A的供电状态，功耗很低。27 单片机最小系统 所谓的单片机最小系统，是指在尽可能少的外部电路的条件下，形成一个可以独立工作的单片机系统。图2-20 单片机最小系统习题与思考题2.1 MCS51单片机内部包含那些主要逻辑功能部件？各个功能部件的最主要的功能是什么？2.2 MCS51的EA端有何用途？2.3 MCS51单片机外部总线结构是怎样的？2.4 MCS51单片机存储器的组织结构是怎样的？2.5 MCS51系列单片机的存储器可划分为几个空间？各自的地址范围和容量是多少？在使用上有什么不同？2.6 8051如何确定和改变当前工作寄存器组？2.7 MCS51单片机的程序存储器中0000H、0003H、000BH、0013H、001BH和0023H这几个地址具有什么特殊的功能？2.8 8051单片机有哪几个特殊功能寄存器？可位寻址的SFR有几个？2.9 程序状态寄存器PSW的作用是什么？常用标志有哪些位？作用是什么？2.10（SP）=30H 指什么？2.11 MCS51系列单片机的P0、P1、P2和P3口各有什么特点？2.12 ALE信号有何功用？一般情况下它与机器周期的关系如何？在什么条件下ALE信号可用作外部设备的定时信号。2.13 有那几种方法能使单片机复位？复位后各寄存器的状态如何？复位对内部RAM有何影响？2.14 MCS51的时钟振荡周期、机器周期和指令周期之间有何关系？习题答案2.1 MCS51单片机内部包含那些主要逻辑功能部件？各个功能部件的最主要的功能是什么？答案：MCS51单片机内部主要包括以下几个部分：1一个8位微处理器CPU MCS51单片机中有一个8位的CPU，包括运算器和控制器两个部分，并且增加了面向控制的处理功能，不仅可以处理字节数据还可以进行位变量的处理，如位处理、查表、状态检测、中断处理等。2数据存储器RAM和特殊功能寄存器SFR 片内具有128Bytes（52系列为256Bytes）的数据存储器，片外最多可以扩展64KB。数据存储器用来存储单片机运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等。3内部程序存储器ROM 内部具有4KB（51系列）/8KB（52系列）的程序存储器（FLASH），用来存储用户程序。如果片内程序存储器容量不够可以外部扩展程序存储器，最多可以扩展64KB。4两个定时/计数器 MCS51单片机内部具有2个16位的定时器/计数器。在使用中，这两个定时器/计数器既可以进行精确的计时，又可以对外部事件进行计数，是最常用和最基本的部件。5四个8位可编程的I/O（输入/输出）并行端口 四个8位的并行端口，其中P0为双向口，P1P3为准双向口。6一个串行通信端口 一个全双工的串行口，具有四种工作方式。可以用来进行串行异步通信，与PC机或者多个单片机主从通信或者构成多机系统实现更强大的功能。7中断控制系统 MCS51单片机具有5个固定的可屏蔽中断源，3个在片内，2个在片外，它们在程序存储器中有各自固定的中断入口地址，由此进入中断服务程序。5个中断源有两个中断优先级，可形成中断嵌套。8内部时钟电路 单片机的时钟信号用来提供单片机片内各种微操作的时间基准。2.2 MCS51的EA端有何用途？答案：EA 访问外部程序存储器控制信号。对8051和8751，它们片内有4KB的程序存储器，当EA 为高电平时，分两种情况。若访问的地址空间在04K范围内，CPU访问片内程序存储器。访问的地址超出4K时，CPU将自动执行外部程序存储器，即访问外部ROM。当EA接低电平时，CPU只访问外部EPROM/ROM，而不管是否有片内程序存储器。对8031，EA必须接地。2.3 MCS51单片机外部总线结构是怎样的？答案：1地址总线（AB）：地址总线宽度为16位，由P0口经地址锁存器提供低8位地址（A0A7）；P2口直接提供高8位地址（A8A15）。地址信号是由CPU发出的，故地址总线是单方向的。2数据总线（DB）：数据总线宽度为8位，用于传送数据和指令，由P0口提供。3控制总线（CB）：控制总线随时掌握各种部件的状态，并根据需要向有关部件发出命令。其中地址总线和数据总线，以及控制总线和IO都有部分功能上的重叠，也就是有些口线既是地址总线也是数据总线，而有些控制总线也是IO。2.4 MCS51单片机存储器的组织结构是怎样的？答案：MCS51单片机的存储器采用的是哈佛（Harvard）结构，即程序存储器和数据存储器分开编址，在空间上是各自独立的，两种存储器有自己的寻址方式和寻址空间。MCS51的存储器空间可以划分为以下4种，分别是：程序存储器；内部数据存储器；内部特殊功能寄存器；外部数据存储器；2.5 MCS51系列单片机的存储器可划分为几个空间？各自的地址范围和容量是多少？在使用上有什么不同？答案：MCS51的存储器空间可以划分为以下4种，分别是：程序存储器；内部数据存储器；内部特殊功能寄存器；外部数据存储器；对89S51来说，程序存储器分为片内程序存储器和片外程序存储器，片内程序存储器地址范围为0000H0FFFH,4KB；片外程序存储器地址范围0000HFFFFH，64KB。内部程序存储器与外部程序存储器统一编址，当EA为高电平时，从内部程序存储器开始读取程序，达到4KB后跳到片外程序存储器的1000H开始读取程序；当EA为低电平时，直接从片外程序存储器的0000H开始处读取程序。内部数据存储器地址范围为00H7FH，128B，在程序中做通用存储器使用。内部特殊功能寄存器地址范围80HFFH，128B，专用于控制、管理片内算术逻辑部件、并行I/O口、串行I/O口、定时器/计数器、中断系统等功能模块的工作。外部数据存储器地址范围0000HFFFFH，64KB，又称为外部数据RAM，当单片机内部128个字节的数据RAM不能满足系统工作的需要时，可以通过它的外部总线扩展外部数据存储器。2.6 8051如何确定和改变当前工作寄存器组？答案：状态寄存器PSW中RS1,RS0两位进行寄存器组选择，0 0 组0（00H07H）0 1 组1（08H0FH）1 0 组2（10H17H）1 1 组3（18H1FH）2.7 MCS51单片机的程序存储器中0000H、0003H、000BH、0013H、001BH和0023H这几个地址具有什么特殊的功能？答案：0000H：单片机复位后，PC0000H，程序从0000H开始执行指令，故系统必须从0000H单元开始取指令，执行程序。0003H：外部中断0入口地址。000BH：定时器0中断入口地址。0013H：外部中断1入口地址。001BH：定时器1中断入口地址。0023H：串行口中断入口地址。在系统中断响应之后，将自动转到各中断入口地址处执行程序。2.8 8051单片机有哪几个特殊功能寄存器？可位寻址的SFR有几个？答案：8051有21个特殊功能寄存器，包括：A累加器，B寄存器，PSW程序状态字，SP堆栈指针，DPTR数据指针寄存器，PC程序计数器（16位），P0P3I/O端口，IP中断优先级控制寄存器，IE中断允许控制寄存器，TMOD定时器/计数器方式控制寄存器，TCON定时器/计数器控制寄存器，TH0，TL0定时器/计数器0，TH1，TH1定时器/计数器1，SCON串行端口控制寄存器，SBUF串行数据缓冲器，PCON电源控制寄存器。可寻址的SFR有11个。2.9 程序状态寄存器PSW的作用是什么？常用标志有哪些位？作用是什么？答案：PSW程序状态字。主要起着标志寄存器的作用。常用标志位及其作用如下：Cy进（借）位标志，其主要作用是保存算术运算的进或借位并在进行位操作的做累加器。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零。在算术运算中它可作为进位标志，在位运算中，它作累加器使用，在位传送、位与和位或等位操作中，都要使用进位标志位。AC辅助进位标志，当进行以A为目的的运算时，运算结果从D3位产生进位或借位时AC=1，另外可用于BCD码调整。进行加法或减法操作时，当发生低四位向高四位进位或借位时，AC由硬件置位，否则AC位被置0。在进行十进制调整指令时，将借助AC状态进行判断。F0用户标志，是用户可以使用的位变量，可以随PSW被保存。该位为用户定义的状态标记，用户根据需要用软件对其置位或清零，也可以用软件测试F0来