第二章 单片机基本原理
第二章 单片机基本原理2.1 MCS-51系列单片机简介 MCS-51系列单片机是美国Intel公司在1980年推出的高性能8位单片机，它包含51和52 两个子系列。 8031 片内不带ROM 128字节的数据存 储器RAM 51子系列芯片 8051 带4KROM 2个16位定时/计 数器 5个中断源 8751 带4KEPROM 8032 片内不带ROM 256字节的数据 存储器RAM 52子系列芯片 8052 带8KROM 3个16位定时/计 数器 6个中断源 8752 带8KEPROM51、52两个子系列的共同特点：8位CPU。片内带振荡器，频率范围1212MHZ。程序存储器的寻址空间为64K字节。片外数据存储器的寻址空间内64K字节。128个用户位寻址空间。4个8位的并行I/O接口：P0、P1、P2、P3。1个全双工的串行I/O接口，可多机通信。111条指令，含乘法指令和除法指令。片内采用单总线结构。有较强的位处理能力。采用单一+5V电源。 本书以51子系列的8051介绍MCS-51单片机的基本原理。2.2 MCS-51系列单片机的结构原理2.2.1 MCS-51系列单片机的基本组成MCS-51单片机的基本组成结构如下：CPUROM/EPROMRAM定时/计数器并行接口串行接口中断系统P0P1P2P3TXDRXDINT0INT1T0T1XTAL1XTAL2时钟电路 图2.1 MCS-51的基本组成2.2.2 MCS-51系列单片机的内部结构（如图2.2）PSENALERESETXLAT1P0.0P0.7P2.0P2.7RAM地址寄存器RAMP0锁存器P2锁存器EPROM或ROM程序地址寄存器缓冲器B寄存器ACC暂存器2暂存器1ALUPSWSPPC增量器PCDPTRP0驱动器P2驱动器特殊功能寄存器指令寄存器定时及控制P1锁存器P3锁存器P1驱动器P3驱动器振荡器VssP1.0P1.7P3.0P3.7EAXLAT2Vcc 图. MCS51内部结构图 由图2-2可以看到：它集成中央处理器（CPU）、存储器系统（RAM和ROM）、定时计数器、并行接口、串行接口、中断系统及一些特殊功能寄存器（SFR），它们通过内部总线紧密的联系在一起。2.2.3 MCS-51系列单片机的中央处理器（CPU）MCS-51单片机的中央处理器包含运算部件和控制部件。一运算部件 算术运算 逻辑运算运算部件能实现 位运算 数据传输等处理 算术逻辑单元ALU 是一个8位的运算器， 可以完成8位二进制 数据加、减、乘、除，逻辑“与”、“或”、“异或”、循环移位、求补、清零等，并具有数据传输、程序转移等功能。ALU还有一个一般微型计算机没有的位运算器，它可以对一位二进制数据进行置位、清零、求反、测试转移及位逻辑“与”、“或”等处理。运算部件包括 累加器ACC 是CPU中使用最频繁的寄存器。 B寄存器 是为乘法和除法指令而设置的。 标志寄存器PSW 是一个8位的寄存器，它 用于保存指令执行结果态，以供程序查询和判别。它的各位的定义如图2.3：D7D6D5D4D3D2D1D0CACF0RS1RS0OV-P 图2.3 标志寄存器PSW的格式标志寄存器PSW也叫程序状态字其各位的定义如下：C（PSW.7）： 进位标志位。在执行算术和逻辑运算指令时，最高位有进位或借位时。C置1，否则C清零。在位操作中C被作为位累加器使用。AC（PSW.6）：辅助进位标志位。在进行加减法运算时，低半字节向高半字节进位或借位，AC置1，否则AC清零。F0（PSW.5）： 用户标志位。是系统预留给用户自己定义的标志位，可以用软件使它置1或清零。RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）：寄存器组选择位。可用软件置位或清零，用于从四组工作寄存器中选定当前的工作寄存器组，选择情况见下表。PSW定义 表2.1 工作寄存器组选择RS1RS0工作寄存器组000组（00H-07H）011组（08H-0FH）102组（10H-17H）113组（18H-1FH）OV（PSW.2）： 溢出标志位。在加法减法运算时，如运算的结果超出8位二进制数的表示范围，OV置1，否则OV清零。P（PSW.0）： 奇偶标志位。指令执行后累加器A中1的个数为奇数，则P置1，若偶数，则P清零。【例2-1】 试分析下面指令执行后，累加器A，标志位C、AC、OV、P的值？MOV A，#67HADD A，#58H分析：第一条指令执行时把立即数67H送入累加器A，第二条指令执行时把累加器A中的立即数67H与立即数58H相加，结果回送到累加器A中。加法运算过程如下：67H=01100111B 58H=01011000B0 1 1 0 0 1 1 1B+ 0 1 0 1 1 0 0 0B1 0 1 1 1 1 1 1=0BFH则执行后累加器A中的值为0BFH，由相加过程得C=0、AC=0、OV=1、P=1。二控制部件定时和控制电路 指令寄存器、指令译码器 程序计数器PC控制部件包括 堆栈指针SP 数据指针DPTR信息传送控制部件等控制部件以振荡信号为基准产生CPU的时序，从ROM中取出指令到指令寄存器，然后在指令译码器中对指令进行译码，产生指令执行所需的各种控制信号，送到单片机内部的各功能部件，指挥各功能部件产生相应的操作，完成对应的功能。2.2.4 MCS-51系列单片机的存储器结构MCS-51单片机存储器结构与一般微机的存储器结构不同，分为程序存储器ROM和数据存储器RAM。程序存储器存放程序、固定常数和数据表格。数据存储器用作工作区及存放数据。两者完全分开，程序存储器和数据存储器各有自己的寻址方式、寻址空间和控制系统。程序存储器和数据存储器从物理结构上可分为片内和片外。它们的寻址空间和访问方式也不相同。一 程序存储器1程序存储器的编址与访问在MCS-51单片机中设有一个叫做程序计数器PC的16位专用寄存器，它用以存放要执行的指令的地址，每取出一条指令，它的内容自动加1，以指向下一条执行的指令，从而控制从程序存储器中依次取出指令执行。由于PC是16位的， 因此，程序存储器地址空间为64KB。，MCS-51单片机的程序存储器，从物理结构上有片内片外之分，且片内片外ROM共用64KB地址空间。实际编址见图2.4。片 外ROMEA=0片 外ROMEA=0片 内ROMEA=1片 外ROM0000HFFFFH0000H0FFFH1000HFFFFH片 外ROMEA=0片 内ROMEA=1片 外ROM0000H1FFFH2000HFFFFH（a）片内无ROM（b）片内有4K ROM（c）片内有8K ROM 图2.4 程序存储器编址图从图2.4可见低地址部分，片内和片外有重叠，实际使用时是从片内还是从片外程序存储器取指令，是根据单片机芯片引脚EA电平的高低来决定，EA接低电平，则从片外程序存储器取，EA接高电平，则从片内程序存储器取。2程序存储器的7个特殊地址在64K程序存储器中，有7个特殊用途单元：第一个是0000H单元，因MCS-51系列单片机复位后PC的内容为0000H，因此它是程序的启动地址。另外6个单元对应于6个中断源（51子系列为5个）的中断服务程序的入口地址，具体情况见表2.2。表 2.2 中断的入口地址中断源入口地址外部中断00003H定时/计数器0000BH外部中断10013H定时/计数器1001BH串行口0023H定时/计数器2（仅52子系列有）002BH二数据存储器数据存储器在单片机中用于存取程序执行时所需的数据，它从物理结构上分为片内数据存储器和片外数据存储器。工作寄存器组区位寻址区片内数据存储器 一般RAM区堆栈区特殊功能寄存器区数据存储器分为 64KB RAM片外数据存储器 256字节 RAM1 片内数据存储器特殊工作寄存器区SFR00H1FH20H2FH30H7FH80HFFH80HFFH工作寄存器组区位寻址区一般RAM区一般RAM区仅52子子系列图2.5 片内数据存储器分配情况1） 工作寄存器组区00HR001HR102HR2工作寄存器1组工作寄存器0组03HR304HR405HR506HR607HR708HR009HR10AHR20BHR30CH
