第一章MCS-51单片机结构，单片机原理、接口及应用

文章目录

一、MCS-51单片机内部结构
二、CPU
三、存储器
四、特殊功能寄存器SFR
五、时钟电路与复位电路
六、引脚功能

一、MCS-51单片机内部结构

单片机是在一块芯中集成了CPU、RAM、ROM、定时/计数器和多功能I/O接口等基本部件的大规模集成电路，又称MCU。

51系列单片机内包含下列部件：
一个8位CPU
一个片内振荡器及时钟电路
4KBROM程序存储器
128BRAM数据存储器
可寻址64KB外部数据存储器和64KB外部程序存储器的控制电路
32条可编程的I/O线（4个8位并行I/O接口）
两个16位的定时/计数器
一个可编程全双工串行接口
五个中断源和两个优先级嵌套中断结构

二、CPU

核心部件，由运算器和控制器等部件组成。

运算器：算术运算，逻辑运算，位操作。

程序计数器PC：16位寄存器，用来存放即将要执行的指令地址，可对64KB程序存储器直接寻址。执行指令时，PC内容的低8位经P0口输出，高8位经P2口输出。

指令寄存器：用来存放指令代码，CPU执行指令时，将程序存储器中读取的指令代码送入指令寄存器，经指令译码器译码后由定时与控制电路发出相应的控制信号，完成指令功能。

三、存储器

分程序存储器和数据存储器，分片内和片外，从逻辑地址空间看，又可分为片内数据存储器、片外数据存储器、片内片外统一编址的程序存储器。

引脚EA（上面一横）的接法决定了程序存储器0000H~0FFFH的4KB地址范围是在片内还是片外。为1时，片内0000H~0FFFH，片外1000H~FFFFH；为0时，0000H~FFFFH64KB都是片外。

程序存储器：以PC作为地址指针，通过16位地址总线，可寻址64KB地址空间。

程序存储器中的特殊地址：

地址	用途
0000H	复位操作后的程序入口
0003H	外部中断0服务程序入口
000BH	定时器0中断服务程序入口
0013H	外部中断1服务程序入口
001BH	定时器1中断服务程序入口
0023H	串行口中断服务程序入口

由于两入口地址直接的存储空间有限，通常在这些入口地址开始的两三个地址单元中，放入一条转移类指令（跳转指令），使得相应程序跳转到指定的程序存储器区域。

外部数据存储器：51单片机具有扩展64KB外部数据存储器RAM和I/O端口的能力，它们统一编址，使用相同的选通控制信号、相同的访问指令MOVX，以及相同的寄存器间接寻址。

内部数据存储器：51单片机中只有128字节RAM，地址为00H~7FH，它和SFR的地址（80H~FFH）空间是连续的，而在增强型52子系列中有256字节RAM，高128字节RAM和SFR的地址是重合的，访问高128字节RAM采用寄存器间接寻址，访问SFR则采用直接寻址。

前32个单元（00H~1FH）为寄存器区，共分4组，每组有8个8位寄存器R0~R7，R0和R1可作为间址寄存器使用。使用时，只能选其中一组寄存器，寄存器的选组由程序状态字PSW的RS1和RS0位定。一旦选中了一组寄存器，其它3组只能作为数据存储器使用，而不能作为寄存器使用。初始化或者复位时，自动选中0组。

20H~2FH为位地址区，共16个单元，每个单元有8位，共128位，每位有一个位地址，范围为00H~7FH，该区既可位寻址，又可字节寻址。

51单片机的堆栈设在内部RAM区，深度不大于128字节，初始化时SP指向07H。

四、特殊功能寄存器SFR

用途：
A累加器、状态标志寄存器
单片机内部各部件专用的控制、状态寄存器
并行口、串行口影射寄存器

地址空间：
21个特殊功能寄存器不连续地分布在80H~FFH128个字节地址空间，地址为X0H和X8H是可位寻址的寄存器。

A——累加器，带有全零标志Z，A=0，则Z=1；A不等于0，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。

PSW——程序状态字，主要起着标志寄存器的作用：
Cy：进/借位标志，反映运算中最高位有无进/借位，有进/借位时为1
AC：辅助进/借位标志，反映运算中低半字节与高半字节间的进/借位情况
F0：用户标志位，可由用户设定其含义
RS1、RS2：工作寄存器组选择位
OV：溢出标志位，补码运算的结果有溢出时为1，OV=Cy异或Cy-1
-：无效位
P：奇偶标志位，反映对累加器A操作后，A累加器中“1”个数的奇偶，奇为1
SP：堆栈指针寄存器
DPTR：16位数据指针寄存器，分DPL和DPH
P0~P3：I/O端口寄存器

五、时钟电路与复位电路

51单片机的时钟信号通常有两种电路形式：内部振荡方式和外部振荡方式。

内部振荡：在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器（晶振），C1和C2起稳定振荡频率、快速起振作用。

外部振荡：把已有的时钟信号引入单片机，这种方式适宜用于使单片机的时钟与外部信号保持一致。对HMOS的单片机（8031），由XTAL2引入，对CHMOS的单片机（8XCXX），由XTAL1引入。

振荡周期：晶振的振荡周期，又称时钟周期，为最小的时序单位。

状态周期：振荡频率经单片机内的二分频器分频后提供给片内CPU的时钟周期，因此，一个状态周期包含两个振荡周期。

机器周期MC：1个机器周期由6个状态周期即12个振荡周期组成，是计算机执行一种基本操作的时间单位。

指令周期：执行一条指令所需的时间，一个指令周期由1~4个机器周期组成，依据指令不同而不同。

振荡周期和机器周期是单片机内计算其它时间值（例如波特率、定时器的定时时间等）的基本单位。

单片机外接晶振频率12MHZ时：

复位：使片内电路初始化，当复位引脚RST出现5ms以上的高电平时，单片机就完成复位操作。

两种复位操作的形式：上电复位，开关复位

上电复位：接通电源后自动复位

开关复位：在运行期间，按钮使单片机复位

单片机的复位操作使SFR寄存器初始化，而不改变片内RAM中的内容。

几个主要特殊功能寄存器复位状态：
PC=0000H：程序计数器为0表明单片机复位后程序从0000H地址单元开始执行
A=00H：累加器清零
PSW=00H：选寄存器0组为工作寄存器组
SP=07H：堆栈指针指向片内RAM的07H单元，根据先加后压的法则，第一个被压入的数据被写入08H单元中
P0~P3=FFH：向各端口写入1，各端口即可用于输入又可用于输出

六、引脚功能

Vss：接地端
Vcc：电源端
XTAL1、XTAL2：接外部晶体或外部时钟信号
RST/VPD：①复位信号输入②接备用电源
ALE：地址锁存允许，输出脉冲的频率为振荡频率的六分之一
PR0G（上面一横）：对片内EPROM编程时，编程脉冲由该引脚引入
PSEN（上面一横）：程序存储器允许，输出读取外部程序存储器的选通信号
EA（上面一横）：选择访问程序存储器
P0.0~P0.7：P0口，数据/低八位地址复用总线端口
P1.0~P1.7：P1口，静态通用端口
P2.0~P2.7：P2口，高八位地址总线端口
P3.0~P3.7：P3口，双功能静态端口