MCS-51单片机的硬件结构

第二章MCS-51单片机的硬件结构(一)学习要求(1) 掌握单片机的主要功能、核心电路。

(2) MCS－51系列单片机的主要功能、引脚含义；（二）内容提要概述1、MCS－51系列单片机的主要功能MCS－51系列单片机是美国Intel公司1980年推出的高性能8位单片微型计算机，较原来的MCS－48系列结构更为先进，功能增强，它包括51和52两个子系列。

在51系列中，主要有8031、8051、8751三种机型，它们的指令系统与芯片引脚完全兼容，仅片内ROM有所不同（详细内容见教科书第三章）。

51子系列的主要功能为：1.8位CPU。

2.片内带振荡器，振荡频率f osc范围为1.2-12MHz；可有时钟输出。

3.128个字节的片内数据存储器。

4.4K字节的片内程序存储器（8031无）。

5.程序存储器的寻址范围为64K字节。

6.片外数据存储器的寻址范围为64K字节。

7.21个字节专用寄存器。

8.4个8位并行I／O接口：P0、P1、P2、P3。

9.1个全双工串行I／O接口，可多机通信。

10.3个16位定时器／计数器。

11.中断系统有5个中断源，可编程为两个优先级。

12.111条指令，含乘法指令和除法指令。

13.有强的位寻址、位处理能力。

14.片内采用总线结构。

15.用单一＋5V电源。

52子系列主要有8032、8052两种机型。

与51子系列不同在于：片内数据存储器增至256个字节；片内程序存储器增至8KB（8032）无；有3个16位定时器／计数器；有6个中断源。

其他性能均与51子系列相同。

2、内部结构框图MCS－51系列单片机的内部结构框图见参考书图2－1。

（p41）由图2－1可大致看到：它含运算器、控制器、片内存储器、4个I／O接口、串行接口、定时器／计数器、中断系统、振荡器等功能部件。

图中SP是堆栈指针寄存器，栈区占用了片内RAM的部分单元；未见通用寄存器（工作寄存器），因单片机片内有存储器，与访问工作寄存器一样方便，所以就把一定数量的片内RAM字节理作工作寄存器区；PSW是和谐状态字寄存器，简称程序状态字，相当于其他计算机的标志寄存器；DPTR是数据指针寄存器，在访问片外ROM、片外RAM、甚至扩展I／O接口特别有用；B寄存器又称乘法寄存器，它与累加器协同工作，可进行乘法操作和除法操作。

乘法指令的两个操作数分别取自A和B，其结果存放在BA寄存器中。

B存积的高8位，A存积的低8位。

除法指令中被除数取自A，除数取自B，结果商存放在A中，余数存放在B中。

在其他指令中，B可以作为RAM中的一个单元来使用。

3、外部引却说明MCS－51系列单片机芯片有40个引脚。

用HMOS工艺制造的芯片采用双列直插式封装，见图2－2。

低功耗的、采用CHMOS制造的机型（在型号中间加“C”字作识别，如80C31、80C51、87C51）也有用方型封装结构的。

现将各引脚分别说明如下：1．主电源引脚V cc：接＋5V电源正端。

Vss ：接＋5V电源地端。

2.外接晶体引脚XTAL1：片内反相放大器输入端。

XTAL2：片内反相放大器输出端。

外接晶体时，XTAL1和XTAL2各接晶体的一端，借外接晶体与片内反相放大器构杨成振荡器。

3．输入／输出引脚P.0-P0.7:P0口的8个引脚。

在不接片外存储器与不扩展I／O接口时，可作为准双向输入／输出接口。

在接有片外存储器或扩展I／O接口时，P0口分时复用为低8位地址总线和双向数据总线。

P1.0-P1.7:P1口的8个引脚。

可作为准双向I／O接口使用。

对于52子系列，P1。

0 与P1。

1还有第二种功能：P1。

0 可用作定时器／计数器2的计数脉冲输入端T2。

P1。

1可用作定时器／计数器2的外部控制端T2EX。

P2。

0-P2.7:P2口的8个引脚。

可作为准双向I／O接口；有接有片外存储器或扩展I／O接口且寻址范围超过256个字节时，P2口用作高8位地址总线。

P3.0-P3.7:P3口的8个引脚。

除作为准双向I／O接口使用外，还具有第二种功能，详见表2－1。

4．控制线ALE／PROG：地址锁存有效信号输出端。

在访问片外程序存储器期间，每机器周期该信号出现两次，其下降沿用于控制锁存P0口输出的低8位地址。

对于片内含EPROM的机型，在编程期间，此引脚用作编程脉冲PROG的输入端。

PSEN：片外程序存储器读选通信号输出端，或称片外取指信号输出端。

在向片外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（低电平），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。

RST／V ：（RST 是RETET 简略写法。

）是复位端。

单片机的振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平就可实现复位操作，使单片机回复到初始状态。

上电时，考虑到振荡器有一定的起振时间，该引脚上高电平必须持续10ms以上才能保证有效复位。

V cc掉电期间，该引脚如接备用电源V PD（＋5V＋0。

5V），可用于保存片内RAM 中的数据。

当V cc下降到某规定值以下V PD，便向片内RAM供电。

EA／V DD：片外程序存储器选用端。

该引脚有效（低电平）时只选用片外程序存储器，否则计算机上电或6复位后先选用片内程序存储器。

对于片含EPROM的机型，在编程期间，此引脚用作21V编程电源V DD的输入端。

终上所述，对MCS－51系列单片机的引脚可归纳出下列两点：1.单片机功能多，引脚数少，致许多引脚都具有第二功能。

2.单片机对外呈三总线形式。

由P2、P0组成16位地址总线；由P0分时复用为数据总线；由ALE、PSEN、RST、EA与P3口中的INT0、INT1、T0、T1、WR、RD共10个引脚组成控制总线，详见第四章图4－1。

因是16位地址线，使片外存储器的寻址范围达到64K 字节。

（三）习题与思考题1．５１子系列单片机内部包括哪些主要逻辑功能部件？2．５１子系列单片机的主要功能有哪些？3. EA/V DD引脚有和功用？8032的EA引脚应如何处理，为什么？答：EA为片外程序存储器选择端，8031的EA引脚应接地。

4．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信号可用作外部调和的定时信号？第二节中央处理单元CPU(一)学习要求(1) 掌握中央处理单元CPU组成。

(2) 掌握运算器的功能及作用。

(3)掌握程序计数器PC的工作原理。

（二）内容提要一、运算器自第一章已经知道，微处理器又称CPU，由运算器和控制器两大部分组成。

以算术逻辑单元ALU为核心，含累加器A、暂存器、程序状态字PSW、B寄存器等许多部件。

1．算术逻辑单元它在控制器所发内部控制信号的控制下进行各种算术操作和逻辑操作。

MCS－51系列单片机的算逻单元除能完成带进位位加法、不带进位位加法、带进位位减法、加1、减1、逻辑与、逻辑或、逻辑异或、循环移位以及数据传送、程序转移等一般操作外，其特点是：1）在B寄存器配合下，能完成乘法与除法操作。

2）可进行多种内容交换操作。

3）能作比较判跳操作。

4）有很强的位操作功能。

2．累加器累加器A是最常用的专用寄存器。

进入ALU作算术操作和逻辑操作的操作数很多来自A，操作的结果也常送回A。

有许多单操作数指令都是针对A的，例如：指令INC A是执行A中内容加1的操作，指令CLR A是执行将A内容清零的操作，指令RL A是执行使A各位内容依次循环向左移动一位的操作。

大量双操作数指令的一个操作数也来自A，例如：指令ADD A，＃data是执行（A）＜－（A）+#data的算术操作，指令ANL A，＃data是执行（A）＜－（A）＃data的逻辑操作。

3．程序状态字程序状态字PSW是一个8位寄存器，它包含了许多程序状态信息，其各位的含义见下图，(p44图2－3)，其中D1未定义。

D 7（1）进位标志位C（PSW。

7）：在执行某些算术操作类、逻辑操作类指令时，可被硬件或软件置位或清零。

例如8位减法运算时，若运算结果的最高位D7有借位，则C＝1，否则C＝0。

半数以上的位操作类指令都与C有关，可峥位处理时，它起着“位累加器”的作用。

（2）辅助进位标志AC（PSW。

6）：8位加法运算时，如果低半字节（即低4位）的最高位D3有进位，则AC＝1，否则AC＝0；8位减法运算时，如果）的最高位D3有借位，则AC＝1，否则AC＝0。

AC在作BCD码运算而进行二－十进制调整时有用。

（3）软件标志FO（PSW。

5）这是用户定义的个状态标志。

可通过软件对它置位、清零；在编程时，也常测试其是否建起而进行程序分支。

（4）工作寄存器组选择位RS1、RS0、（PSW。

4、PSW。

3）：可借软件置位或清零，以选定一个工作寄存器中的一个组投入工作（详见第三节）。

（5）溢出标志OV（PSW。

2）：作有符号加法、减法时由硬件置位或清除，以指示运算结果是否溢出。

运算结果应放回累加器，OV＝1反映它已超出了累加器以补码形式表示一个有符号数的范围（－128――＋127 ）。

在做加法时，如最高、次高二位之一有进位，或做减法时最高、次高二位之一有借位，OV将被置位。

（详见第四切的举例分析）。

执行除法指令DIV AB也会影响OV标志：如B中所放除数为0，OV＝1，否则OV ＝0。

（6）奇偶标志P（PSW。

0）：每执行一条指令，单片机都能根据A中1的个数的奇偶自动令P置位或清零，奇为1，偶为0。

此标志对串行通信的数据传输非常有用，通过奇偶校验可检验传输的可靠性。

例2－1 试分析执行指令MOV A，＃7FHADD A，＃47H后，A、C、AC、OV、P的内容是什么？因执行第1条指令后立即数7FH进入A，执行第2条指令使47H与A中的7FH相加0111 1111 (7FH)+ 0100 0111 (47H)1100 0110 (C6H)其和C6H又送回A，故A中的内容为C6H；由相加过程知C＝0、AC＝1（次高位有进位、最高位无进位）；OV＝1（和大于128）；执行第1条指令后P＝1，执行第2条指令后P＝0。

二、控制器组成：PC、IR和ID、PLA等1.程序计数器PC16位计数器，指向程序存储器中被执行的指令所在的地址。

改变PC的内容就可以改变程序执行的方向，可对64KB程序寄存器直接寻址，是一个独立的寄存器，随时指向即将执行的指令地址，并有内容自动加一的功能，本身没有物理地址。

2.指令寄存器IR和指令译码器ID指令寄存器中存放指令代码，CPU执行指令时从程序存储器中读取的指令代码通过指令寄存器送入指令译码器中，经过译码后有定时控制电路发出相应的控制信号，完成指令所规定的操作。

3.定时控制电路定时控制电路是单片机的核心部分，由它产生CPU的操作时序。

（三）习题与思考题1.程序状态寄存器PSW的作用是什么？常用的状态标志有哪些？作用是什么？2. 简述程序计算器PC的工作原理。