MCS 51系列單片機基本結構與工作原理 概述 MCS 51單片機內部結構 MCS 51單片機外部引腳及功能 I O接口電路 MCS 51的指令系統 MCS 51的擴展應用 概述 單片機 把中央處理器CPU 存儲器 輸入輸出 I O 接口電路以及定時器 計數器等部件制作在一塊集成電路芯片中 構成一個完整的微型計算機 單片微型計算機 總線 各個器件共同享用連線 器件的數據線稱為數據總線 器件所有的控制線被稱為控制總線 用于抵制分配的線稱為地址總線 數據 地址 指令 三者的本質都是數字 0和1組成的序列 指令即由單片機芯片的設計者規定的一種數字 地址即是尋找單片機內部 外部的存儲單元 輸入輸出口的依據 數據即由微處理機處理的對象 堆棧 用來存放數據的一個區域 是內部RAM的一部分 先進后出 后進先出 有其特殊的數據傳輸指令 即PUSH和POP 有一個特殊的服務單元 堆棧指針SP 每執行一次PUSH SP 1 每執行一次POP SP 1 MCS 51單片機內部結構一 MCS 51內部資源及特點1 內部資源MCS 51系列單片機包括8031 8051 8751等很多型號 其代表型號是以8051 以此為例介紹單片機內部結構 8051內包括 適于控制應用的8位CPU 4KB程序存儲器 ROM 128B數據存儲器 RAM 32根雙向并可以按位尋址的I O線1個全雙工串行口I O線 2個16位定時計數器器 5各中斷源2個優先級的嵌套結構 片內時鐘振蕩器 二 MCS 51單片機基本結構內部結構簡圖如圖2 1所示 包括 CPU 存儲器 ROM RAM I O接口等計算機的基本組成 MCS 51外部引腳及功能 I O接口電路一 外部引腳返回MCS 51共40個引腳 大致可分為四類 其管腳分布如下圖所示 1 電源引腳VCC和VSSVCC 40腳 電源端 5VVSS 20腳 接地端 GND 2 時鐘電路引腳XTAL1 19腳 外接晶振輸入引腳 XTAL2 18腳 外接晶振輸出引腳 3 控制線引腳共4根 其中3根為雙功能 RST VPD 9腳 復位 備用電源 RST 通過外接復位電路實現上電復位或按鍵復位 VPD 可外接備用電源 在VCC掉電時向RAM供電 二 專用寄存器組1 程序計數器PC16位計數器 指向程序存儲器中被執行的指令所在的地址 本身沒有地址 在物理上獨立 尋址范圍0000 FFFFH的64KB空間 2 數據指針DPTR16位地址指針 可尋址范圍0000 FFFFH的64KB空間 可指向程序 數據存儲器 3 堆棧指針SP8位地址寄存器 SP用來管理堆棧 它指向內部RAM的一個存儲單元 且總是指向棧頂單元 MCS 51的堆棧是內部RAM中的一個部分 符合 先進后出 后進先出 原則 4 累加器ACCACC是一個具有特殊用途的8位寄存器 主要用于存放操作數或運算結果 8051指令系統中多數指令的執行都要通過累加器ACC進行 因此 在CPU中 累加器的使用頻率是很高的 也可簡寫累加器A 5 寄存器BB也是一個8位的寄存器 通常用來和累加器配合 進行乘 除法的運算 對于其它指令 B可作為一個工作寄存器使 6 程序狀態字PSWPSW是一個可編程的8位寄存器 用來寄存當前指令執行結果的有關狀態 8051有些指令的執行會自動影響PSW的有關位的狀態 在編程時要加以注意 同時 PSW中各位的狀態也可通過指令設置 PSW各標志位的定義如下 CY PSW 7 進位標志位 累加器A的最高位有進行位 加法 或借位 減法 時 CY 1 否則CY 0 在布爾操作時 它是各種位操作的 累加器 CY亦可簡記為C AC PSW 6 輔助進位標志位 當累加器A的D3位向D4位進位或借位標志時 AC 1 否則為0 有時AC也被稱為半進位標志 F0 PSW 5 用戶通用標志位 可以根據需要用程序將其置位或清零 從而可通過測試FO的狀態來控制程序的轉向 RS1 PSW 4 寄存器區選擇位1 RS0 PSW 3 寄存器區選擇位0 RS1 RS0可由指令置位或清零 用來選擇8051的工作寄存器區 其選擇方法見表2 1 OV PSW 2 溢出標志位 當帶符號數運算 加法或減法 結果超出范圍 127 127 時 有溢出 OV 1 否則OV 0 PSW 1 用戶定義標志位 P PSW 0 奇偶校驗位 在每個指令周期由硬件按累加器A中 1 的個數為奇數或偶數而為 1 或 0 因此 P可用指示操作結果 累加器A中 的1的個數的奇偶性 四 MCS 51存儲器可分為五類 程序存儲器 內部數據存儲器 特殊功能存儲器 位尋址區 外部擴展的數據存儲器和擴展I O口 指令的描述中經常用到一些特殊符號 MCS 51的指令系統 1 寄存器尋址 寄存器尋址是指令中指定寄存器的內容作為操作數的尋址方式 2 直接尋址 直接尋址是指令直接給出操作數所在單元的地址的尋址方式 指令中操作數部分給出直接地址 用direct表示 3 寄存器間接尋址 指令操作數的地址事先存放在某個寄存器中 由該寄存器的內容指定操作數地址的尋址方式 稱為寄存器間接尋址 為間接尋址指示符 4 立即數尋址 立即數尋址是由指令直接給出操作數的尋址方式 為立即數的標識符 每一種尋址方式可涉及的存儲器空間 1 MOVA 65H 2 MOV R1 65H 3 MOV30H R2 4 MOV60H R1 寄存器尋址立即數尋址 寄存器間接尋址直接尋址 直接尋址寄存器尋址 直接尋址寄存器間接尋址 Example判斷下列指令各操作數的尋址方式 表2 2特殊功能寄存器SFR的名稱及地址 一 一 單片機擴展的基本概念1 單片機最小系統 使單片機運行的最少器件構成的系統 就是最小系統 無ROM芯片 8031必須擴展ROM 復位 晶振電路有ROM芯片 89C51等 不必擴展ROM 只要有復位 晶振電路2 擴展使用的三總線 地址總線 由外部程序存儲器取指 P0 低8位 P2 高8位數據總線 指令輸入 P0控制總線 RD WR ALE PSEN 讀 寫 地址鎖存允許 外程序存儲器讀選通 MCS 51的擴展應用 圖2 58051特殊功能寄存器地址分布圖 二 存儲器的擴展1 隨機讀寫存儲器RAM的擴展 數據存儲器一般采用RAM芯片 這種存儲器在電源關斷后 存儲的數據將全部丟失 有兩大類 動態RAM DRAM 一般容量較大 易受干擾 使用略復雜 例2116 2186靜態RAM SRAM 在工業現場常使用SRAM 例 6264 6116 存儲器與微型機三總線的連接 1 數據線D0 n連接數據總線DB0 n2 地址線A0 N連接地址總線低位AB0 N 3 片選線CS連接地址總線高位ABN x 4 讀寫線OE WE R W 連接讀寫控制線RD WR 2 只讀存儲器ROM的擴展工作時 ROM中的信息只能讀出 要用特殊方式寫入 固化信息 失電后可保持信息不丟失 掩膜ROM 不可改寫ROM由生產芯片的廠家固化信息 在最后一道工序用掩膜工藝寫入信息 用戶只可讀 PROM 可編程ROM用戶可進行一次編程 存儲單元電路由熔絲相連 當加入寫脈沖 某些存儲單元熔絲熔斷 信息永久寫入 不可再次改寫 EPROM 可光擦除PROM用戶可以多次編程 編程加寫脈沖后 某些存儲單元的PN結表面形成浮動柵 阻擋通路 實現信息寫入 用紫外線照射可驅散浮動柵 原有信息全部擦除 便可再次改寫 EEPROM 可電擦除PROM既可全片擦除也可字節擦除 可在線擦除信息 又能失電保存信息 具備RAM ROM的優點 但寫入時間較長 ROM常用芯片如 2864A 2816 2816A 2817 2817A 三 I O接口擴展電路設計1 8255簡單I O接口擴展 利用TTL芯片 COMS鎖存器 三態門等接口芯片把P0接口擴展 常選用74LS273 74LS373 74LS244等芯片 2 8155可編程