第2章 MCS-51系列单片机的系统结构

表1
· CY，进位标志位 · AC，辅助进位标志位 · FO，用户定义标志位 · RS1、RS0，工作寄存器组选择位 · OV，溢出标志位 · P，奇偶标志位
RS1RS0 寄存器组 地址 0 0 0组 00~07H 0 1 1组 08~0FH 1 0 2组 10~17H 1 1 3组 18~1FH
单片机是如何 自动执行程序的？ 这其中有一个重要 的硬件设置——程 序计数器PC。PC 是一个能自动加1 的寄存器，它存放 着程序执行的当前 地址，即由它指示 程序执行的位置。
二、片内数据存储器空间
1.内部RAM
89S51芯片内部含有128B的 RAM，其地址为00H~7FH。按用途 可分为三个部分：工作寄存器区、 位寻址区和一般RAM区。
位序 位符号 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 PD D0 IDL
其中，PD为掉电方式位，IDL为空闲方式位，高电平有效。
一、空闲方式
在空闲方式下，芯片的振荡器仍然工作，中断系统、串行 接口和定时/计数器电路由时钟驱动工作。但时钟不送到CPU 处，即CPU处于空闲状态，与CPU有关的SP、PC、PSW、ACC 的状态以及全部通用寄存器的内容均保持不变，I/O引脚保持以 前状态。 退出空闲状态有两种方式，一种是中断退出，一种是按键 复位退出。
工作寄存器区的作用是用于存放操作数以及指令 执行的中间结果。CPU任意时刻只能用一组通用寄存 器，并称之为当前寄存器组。单片机复位时系统默认 第0组寄存器为当前工作寄存器，但CPU可以通过对程 序状态字PSW中的RS1和RS0两个位状态的设置，来决 定使用哪一组寄存器。 位寻址的16个单元中的每一个位都有一个位地址， 都可以对其任意进行单独操作（位寻址）。 一般把堆栈设置在一般RAM区中。
89S51片内有4 KB ROM，片外还可以扩展64 KB ROM。片内4 KB ROM和片外低4 KB ROM地址重复， 分配的地址空间为0000H~0FFFH。由EA引脚输入的信 号决定是使用片内ROM还是片外ROM。当EA =1，使用 的是片内ROM；当EA=0，使用的是片外ROM。地址空 间为1000H~FFFFH对应的是60 KB片外程序存储器。 8031的 EA 引脚必须接地。（89S51芯片）
单片机要保证同步的工作方式必须要在统一的时钟 信号控制下严格的按照时序进行工作。而时序则由振 荡器和时钟电路产生。
1.振荡器和时钟电路
自激振荡电路如右图所示。 其中C1和C2起频率微调作用，外 接石英晶体时选30PF左右，外接 陶瓷谐振器时选40PF左右。晶体 的振荡频率决定时钟电路的振荡 频率，其频率范围一般在1.2～ 12MHZ之间，常用6MHZ和 12MHZ。
2.特殊功能寄存器（SFR）
典型的MCS-51单片机共有21个特殊功能寄存器（SFR），分 散地分布在80H～0FFH地址空间内。下面是五种常用的特殊功 能寄存器。 1．累加器ACC 8位累加器主要完成数据的算术和逻辑运算,也可以存放数据 或中间结果,是最常用的特殊功能寄存器。它也是一个可位寻址 的寄存器。 2．B寄存器 8位B寄存器主要用于乘、除法运算，与累加器配对使用。在 乘法指令中，在乘法指令中,被乘数取自A,乘数取自B,结果存放 于寄存器对BA中。在除法指令中,被除数取自A,除数取自B,结果 商存放于A,余数存放于B。此外,B寄存器也可作为一般的寄存器 使用。 3．程序状态字寄存器PSW 用来反映指令执行后的状态。 PSW中各位的定义见表 1
一、程序存储器空间
程序存储器可寻址的地址空间为64K字节，它包 括片内ROM和片外ROM。MCS-51系列单片机中，有的 芯片有片内程序存储器（如89S51），有的芯片内没 有程序存储器（如8031）。无论片内ROM的容量为 多少，片外都可以再扩展64KB的ROM。 如何分配这些地址空间？下面以89S51为例介绍。
3.I/O引脚 P0.0～ P0.7:P0口8位双向口线。第一功能为基本输入/ 输出,第 二功能是在系统扩展时提供数据总线和作为低8位地址总线。 P1.0～ P1.7:P1口8位双向口线,用于完成8位数据的并行输入/ 输出。 P2.0～ P2.7:P2口8位双向口线。第一功能为基本输入/输出,第 二功能是在系统扩展时作为高8位地址总线使用。 P3.0～ P3.7:P3口8位双向口线。它是一个双功能口,即P3口的 每一条口线都具有第二功能，其功能见表2.1。 4.控制引脚 ALE / PROG :地址锁存控制/片内EPROM 编程脉冲输入信号。 RST/VPD:复位信号/备用电源输入。 EA / Vpp:访问外部程序存储器控制信号/片内EPROM 编程电 源输入。 PSEN :外部程序存储器选通信号。
89S51芯片的内部结构框图如下图所示。
主要用于完成数 据的并行输入和 输出。
实现单片 机与其他 设备之间 的串行数 据传递。
二、芯片引脚功能
89S51的DIP（双列直插）封装芯片共有40个引脚，采用引脚 复用技术。 各引脚功能： 1.工作电源引脚 Vcc 端:接电源。 Vss 端:接地。 工作电压范围：4.0~5.5V。 2.晶振引脚 XTAL1:芯片内部振荡电路输入端。 XTAL2:芯片内部振荡电路输出端。 当外接晶振时,XTAL1和XTAL2 各接晶振的一端。
时序单位关系图如图所示
二、单片机系统的复位
复位是单片机进入工作状态的初始化操作。另外,当程序 运行错误或由错误操作而使单片机进入死锁状态时,也可通过 复位进行重新启动。
1.复位电路
MCS-51单片机的复位方式有上电自动复位和按键手动复位 两种。按键手动复位又分为按键电平复位和按键脉冲复位两 种。
上电自动复位
通过选择适当的C和R的值，就 能使RST引脚上的高电平保持 两个机器周期以上，实现上电 的同时，完成复位的操作。
按键电平复位
通过RST经电阻 与电源相连接来 实现按键复位 。
按键脉冲复位
利用RC微分电 路产生的正脉冲 来实现按键复位。
2.复位状态
单片机复位操作的主要作用是使PC值为0000H,这样单 片机将从0000H单元开始执行程序。另外还会影响其他某些 专用寄存器,它们的状态见表。
任务演示
任务T2—用89S51单片机来实现彩灯控制 。 见动画十——彩灯控制
2.5 MCS－51的典型时序
CPU的典型时序如下图所示
2.6 89S51芯片的节电方式
MCS-51系列单片机采用了两种半导体工艺生产，一种是 HMOS工艺，另一种是CHMOS工艺。 89S51属于CHMOS型单 片机芯片。 CHMOS芯片的低功耗主要表现为有两种节电方式：空闲方 式（Idle Mode）和掉电方式（Power-down Mode）。这两种工 作方式由电源控制寄存器PCON中的相关位来控制的。PCON寄 存器的格式如下：
4．堆栈指针寄存器SP
堆栈是设置在片内RAM中的一段存储区域，它的存储顺 序为先进后出。就好象一个用水桶存放碟子一样，先放进去的 碟子在下面，后放进去的碟子压在上面。当取碟子时，先取上 面后放入的碟子，再取下面先放入的碟子。 SP是用来指示栈顶 位置的寄存器。 堆栈有两种操作：进栈和出栈。进栈操作后,SP的值自动加 1,表明堆栈顶部的位置向上移；出栈操作后,SP的值自动减1,表 明堆栈顶部的位置向下移。 5．数据指针寄存器DPTR DPTR是一个16位特殊功能寄存器，可作为两个8位寄存器 使用，写作DPH—高8位，DPL—低8位。 在系统扩展中,DPTR作为片外程序存储器和数据存储器的 地址指针,指示要访问的存储器单元地址。
二、掉电方式
在掉电方式下振荡器停止工作，只有片内RAM和特殊功能 寄存器保持原有数值，其它部件都停止工作，此时VCC可降为 2V，功耗降到最低程度。 退出掉电方式可以用硬件复位退出，也可以由外部中 （ INT1）退出。 INT0 、
测试与练习二
（1）89S51单片机DIP封装的芯片有 个引脚，其中电源引脚是 和 ，正常的工作电压是 V。 （2）89S51单片机四个I/O口有哪些功能？ （3）单片机复位后，下面 信息不发生改变？ （A）程序存储器 （B）P0口引脚 （C）累加器ACC （D） 片内数据存储器
第2章 MCS-51系列单片机的系统结构
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 内部结构与引脚功能 并行I/O口 存储器的组织结构 MCS-51时钟电路与复位电路 MCS－51的典型时序 89S51芯片的节电方式
2.1 内部结构与引脚功能
一、89S51单片机的内部结构
1．内部结构框图
主要用于存放程序、 常数和表格（1 KB=1024 B） 用于定时 或计数 主要用于存放可随机 读写的数据，一般是 运算的中间结果。
表2.1
2.2 并行I/O口
见动画三并行I/O口结构及工作过程。
2.3 存储器的组织结构
MCS - 51 系列单片机系统中有五种存储器,它们分别是片内 RAM、片外RAM、片内ROM、片外ROM 和片内特殊功能寄存 器(SFR)。将这5种存储器编排在3个地址空间,即程序存储器空 间、片内数据存储器空间、片外数据存储器空间。不同的存储 空间访问使用不同的指令，因此不会引起访问空间错误。存储 器空间分配情况如下图所示。
单片机还可以采用外部时钟信号方式，如下图所示。
这种方式主要用于解决多单念
时序是指各种信号的时间序列,它表明了指令执行中各种信 号之间的相互关系。 MCS-51时序的基本定时单位共有四个。它们从小到大分别 是： · 时钟振荡周期：由振荡电路产生的振荡脉冲的周期，又称 为拍节。 · S状态周期：是时钟震荡周期的二倍宽。 · 机器周期：MCS-51单片机有固定的机器周期，一个机器周 期是时钟周期的12倍宽，是执行指令的单位周期。 · 指令周期：执行一条指令所需要的时间。
三、片外数据存储器空间
片外数据存储器扩展的最大容量为64 KB，地址范 围0000H~FFFFH。它由数据指针寄存器DPTR寻址。这 块空间虽然称为片外数据存储器空间，但它既可以用 来扩展数据存储器，又可以扩展I/O接口电路，相关知 识见第5章。