单片机原理 第2章 MCS-51单片机体系结构

8051单片机的内RAM共有128个单元，应用最为灵活，用于 存放变量的值、运算结果和标志位等信息。按其用途可分为三个 区域。
2.4.2 MCS-51单片机数据存储器
2.4.2 MCS-51单片机数据存储器
1. 工作寄存器区
字节地址为00H~1FH的32个单元是4组通用工作寄存器区，每组占用8个 字节，都标记为R0~R7。在某一时刻，CPU只能使用其中的一组工作寄存 器，工作寄存器的选择由程序状态字寄存器PSW中RS1、RS0两位来确定 ，如表2-3所示。
2. 数据总线DB 数据总线宽度为8位（D0~D7），由P0提供。
3. 控制总线CB 控制总线由P3口的第二功能状态和4根独立控制线RESET、 和ALE组成。
2.3 MCS-51单片机的中央处理器
• 8051系列单片机的中央处理器CPU是单片机 的指挥中心和执行机构，它的作用是产生合适的 时序，读入和分析每条指令代码，根据每条指令 代码的功能要求，指挥并控制单片机的有关部件 和器件，具体执行指定的操作。
2.2.3 并行I/O引脚
3. P2口
P2口，为准双向I/O口，具有内部上拉电阻。一共8位，有P2.0～P2.7共8 条引脚。当8051系列单片机扩展外部存储器及I/O接口芯片时，P2口作为 地址总线（高8位），和P0输出的低8位地址一起构成16位地址，可以寻址 64KB的地址空间。
P2口位结构图如图2-3 （c）所示，它比P1口多了 一个转换控制部分，当P2 与P0配合作为“地址/数据总 线”方式下的高8位数据线 （A8~A15）时，CPU将写 控制信号“1”使MUX切换到 右边，在“地址/数据总线” 方式下，无论P2口剩余多 少地址线，均不能被用于 普通I/O操作。
（2）控制引脚—— 、
ALE/
、 /VPP、
RESET/VPD；
（3）I/O引脚——P0、P1、 P2、P3为4个8位I/O口 的外部引脚。
2.2.1 电源及时钟引脚
1. 电源引脚 （1） VCC（40引脚）：正常操作接+5V电源。 （2） VSS（20引脚）：接数字地。 2. 时钟引脚 （1）XTAL1(19引脚)：片内振荡反相放大器和时钟发生器电
2.4 MCS-51单片机存储器的结构
2.4.1 MCS-51单片机程序存储器
程序存储器用于存放程序、表格和常数。8051系列单片机片 内有4KB的ROM，片外有16位地址线外扩的最大为64KB的程序 存储器空间，两者是统一编址的。片内4KB的地址为 0000H~0FFFH，片外地址为0000H~FFFFH。
9引脚为复位信号输入引脚/备用电源输入引脚。RST为 复位信号输入端，高电平有效。当晶体振荡器运行时，在此 引脚上出现两个机器周期以上的高电平，将使单片机复位。 2. (29脚)
在单片机访问外部程序存储器时，29引脚输出的负脉冲 作为读外部程序存储器的选通信号。当从外部程序存储器读 取指令期间，每个机器周期内两次有效输出；当访问外部数 据存储器时，这两次信号将不出现。
如图2-5所示，片内和片外都有0000H~0FFFH 的地址，那么 CPU该如何区分呢？
CPU的控制器专门提供一个控制信号来区分内部ROM和外
部ROM编码相同的地址区间0000H~0FFFH。当
接
高电平时，单片机从片内ROM的0000H开始取指令，当PC值没
有超过0FFFH时，只访问片内ROM存储器，当PC值超出0FFF时
，会自动转向读片外程序存储器1000H取指令。当
接
低电平时，CPU只能从片外ROM取指令。
2.4.1 MCS-51单片机程序存储器
8051单片机复位后，CPU总是从0000H单元开始执行程序的。程序从程 序存储器0000H开始执行，一般在这个单元存放一条跳转指令，跳到主程序的 入口地址。当然，除了0000H之外，在程序存储器中还有5个具有特殊功能的 单元，如表2-4所示。
PC的基本工作过程是：CPU读指令时，PC的内容作为所取指令的首地址 发送给程序存储器，该地址中的指令代码将被执行，同时系统将下一个指令的 首地址存入PC，这也是为什么PC被称为程序计数器的原因。
PC是一个独立的16位计数器，它宽度决定了程序存储器的地址范围。 8051系列单片机中PC的位数为16位，故可对64KB（=216B）的程序存储器单 元进行寻址。复位时PC的内容为000H,说明程序从程序存储器的0000H单元开 始执行。
2.2.3 并行I/O引脚
2. P1口
P1口，为准双向I/O口，具有内部上拉电阻。一共Leabharlann 位，有P1.0～P1.7共8 条引脚。
P1口位结构图如图 2-3（b）所示，包含一 个输出锁存器、两个三 态输入缓冲器和一个驱 动场效应管及内部上拉 电阻组成。P1口与P0 口作为“普通I/O端口”使 用时的原理相似，它相 当于P0口省去了“与门”、 “非门”、“MUX”，且上 拉场效应管T1由内部上 拉电阻代替，P1端口不 再需要外接上拉电阻。
第2章 MCS-51单片机体系结构
2.1 MCS-51单片机的内部结构 2.2 MCS-51单片机的外部引脚及功能 2.3 MCS-51单片机的中央处理器 2.4 MCS-51单片机存储器的结构 2.5 MCS-51单片机的时钟与时序 2.6 MCS-51单片机的复位 2.7 MCS-51单片机的低功耗节电模式
2.3.2 控制器
控制器是CPU的大脑中枢，主要包括指令寄存器，指令译码器，程序计数 器，程序地址寄存器，条件转移逻辑电路和时序控制电路。它的主要任务是识 别指令，并根据指令的性质控制单片机各功能部件，从而保证单片机各部分自 动协调地工作。
程序计数器PC(Program Counter)是控制器中最基本的寄存器。它不属于 SFR，在物理结构上是独立的，不可访问，即单片机开发人员不可能通过指令 修改、操作它。程序计数器中存放下一条指令在程序存储器中的首地址。
路的输入端。使用片内振荡器时，该引脚连接外部石英晶 体和微调电容。当采用外接时钟源时，该引脚接外部时钟 振荡器的信号。 （2）XTAL2（18引脚）：片内振荡器反相放大器的输出端。 当使用片内振荡器，该引脚连接外部石英晶体和微调电容 。当采用外接时钟源时，该引脚悬空。
2.2.2 控制引脚
8051系列单片机一共有四个控制引脚，负责提供控制信 号。 1.RESET/VPD(9脚)
累加器A是运算器中应用最为频繁的寄存器，因为它是运算、 处理时的暂存寄存器，用于提供操作数和存放运算结果。 3.寄存器B
寄存器B是为执行乘法和除法操作而设置的，是进行乘、除算 术运算时的辅助寄存器。
2.3.1 运算器
4. 程序状态字寄存器PSW 程序状态字寄存器PSW（Program Status Word），是一个8 位可读/写的标志寄存器，位于单片机片内特殊功能寄存器区 ，字节地址是D0H。8051系列单片机PSW的重要特点是可以 软件编程，即可通过程序改变PSW中的状态标志。PSW的结 构及各位状态标志的定义如表2-2所示。
2.2.2 控制引脚
3. ALE/
(30脚)
30引脚为地址锁存允许信号输出引脚/编程脉冲输入引脚 。当CPU访问外部程序存储器或外部数据存储器时，ALE 不断输出正脉冲地址锁存信号，一般与74LS373或 74HC573等锁存器配合，将P0口输出的低8位地址锁存， 从而实现P0口低8位地址与数据的分离。
、P3）。 （5）串行接口（UART）。 （6）定时/计数器（T0/T1）。 （7）中断系统。 （8）特殊功能寄存器SFR。
2.2 MCS-51单片机的外部引脚及功能
目前，8051系列单片机多采用40脚双列直插封装（DIP）方 式，如图2-2所示，引脚按其功能可分为以下3类：
（1）电源及时钟引脚—— VCC、VSS、XTAL1、 XTAL2；
工作寄存器可以直接和累加器A以及内部RAM之间进行数据传送、算术及 逻辑运算等操作，也可以在寄存器间接寻址时提供地址。
2.4.2 MCS-51单片机数据存储器
2. 位寻址区 位寻址区，占用地址20H~2FH，共16个字节，128位，这个 区域除了可以作为一般RAM单元进行读写之外，CPU可以对 字节内部的每一个位(bit)都独立编址且每一位都可以独立置位 、复位。这些位都规定了固定的位地址，从20H单元的第0位 起到2FH单元的第7位止共16×8=128位，用位地址00H~7FH 分别与之对应。对于需要进行按位操作的数据，可以存放到这 个区域。
4. /VPP(31脚)
31引脚为外部程序存储器访问允许控制引脚/片内编程电 压输入引脚。
2.2.3 并行I/O引脚
1. P0口
P0口，为漏极开路的双向I/O口。一共8位，有P0.0～P0.7 共8条引脚。
P0端口位结构 图如图2-3（a）所 示，包含输入缓冲 器、锁存器、切换 开关MUX、非门、 与门、上拉场效应 管T1、驱动场效应 管T2。由该图可知， P0口具有双重工作 方式，既可以作“普 通I/O口”，又可作 “地址/数据总线”使 用。
•
由图2-1可见，8051系列单片机的CPU由运
算器和控制器组成。
2.3.1 运算器
运算器主要用来对操作数进行算术、逻辑和位运算，由算术 逻辑运算单元ALU，累加器A，寄存器B，位处理器，程序状态寄 存器PSW组成。 1.算术逻辑运算单元ALU
算术逻辑运算单元(ALU)的主要功能是实现8位二进制数的加 、减、乘、除四则算术运算和与、或、非、异或等逻辑运算，以 及循环、清0、置1、加1、减1等基本操作。 2.累加器A
2.2.4 三总线结构
单片机的引脚 除了电源、复位、 时钟接入和用户I/O 外，其余引脚都是 为了实现系统扩展 而设置的，这些引 脚构成了8051系列 单片机的三总线结 构 ， 如 图 2-4 所 示 。
2.2.4 三总线结构
1. 地址总线AB 地址总线宽度为16位，因此外部存储器直接寻址范围为64KB 。16位地址总线由P0口经地址锁存器提供低8位地址（A0~A7 ），P2口直接提供高8位地址（A8~A15）。