1.2 MCS-51單片機(jī)結(jié)構(gòu)和原理

1.2.1 MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部組成及信號引腳

MCS-51單片機(jī)的典型芯片是8031、8051、8751。8051內(nèi)部有4KB ROM，8751內(nèi)部有4KB EPROM，8031片內(nèi)無ROM；除此之外，三者的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳完全相同。因此以8051為例，說明本系列單片機(jī)的內(nèi)部組成及信號引腳。

1．8051單片機(jī)的基本組成

8051單片機(jī)的基本組成如圖1-3所示。各部分情況介紹如下：

（1）中央處理器（CPU）中央處理器是單片機(jī)的核心，完成運算和控制功能。MCS-51的CPU能處理8位二進(jìn)制數(shù)或代碼。

（2）內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（內(nèi)部RAM）8051芯片中共有256個RAM單元，但其中后128單元被專用寄存器占用，能作為寄存器供用戶使用的只是前128單元，用于存放可讀/寫的數(shù)據(jù)。因此通常所說的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器就是指前128單元，簡稱內(nèi)部RAM。

（3）內(nèi)部程序存儲器（內(nèi)部ROM）8051共有4KB掩膜ROM，用于存放程序和原始表格常數(shù)，因此稱之為程序存儲器，簡稱內(nèi)部ROM。

（4）定時器/計數(shù)器8051共有2個16位的可編程定時/計數(shù)器，以實現(xiàn)定時或計數(shù)功能，當(dāng)定時/計數(shù)器產(chǎn)生溢出時，可用中斷方式控制程序轉(zhuǎn)向。

（5）并行輸入輸出（I/O）口MCS-51共有4個8位的并行I/O口（P0、P1、P2、P3），以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸入輸出。在項目實踐中我們使用了P1口，通過P1口P1.0連接1個汽車信號燈。

（6）全雙工串行口MCS-51單片機(jī)有一個全雙工的串行口，以實現(xiàn)單片機(jī)和其他設(shè)備之間的串行數(shù)據(jù)傳送。該串行口功能較強(qiáng)，既可作為全雙工異步通信收發(fā)器使用，也可作為同步移位器使用。

（7）中斷控制系統(tǒng)MCS-51單片機(jī)的中斷功能較強(qiáng)，以滿足控制應(yīng)用的需要。8051共有5個中斷源，即外中斷2個，定時/計數(shù)中斷2個，串行中斷1個。全部中斷分為高級和低級共兩個優(yōu)先級別。

（8）時鐘電路MCS-51芯片的內(nèi)部有時鐘電路，但石英晶體和微調(diào)電容需外接。時鐘電路為單片機(jī)產(chǎn)生時鐘脈沖序列。系統(tǒng)允許的晶振頻率一般為6MHz和12MHz。

從上述內(nèi)容可以看出，MCS-51雖然是一個單片機(jī)芯片，但作為計算機(jī)應(yīng)該具有的基本部件它都包括。因此，實際上它已是一個簡單的微型計算機(jī)系統(tǒng)了。

2．MCS-51的信號引腳

MCS-51是標(biāo)準(zhǔn)的40引腳雙列直插式集成電路芯片，引腳排列如圖1-4所示。

（1）電源及時鐘引腳（4個）

● V_SS（20）：地線。

● V_CC（40）：+5V電源。

● XTAL1（19）和XTAL2（18）：外接晶體引線端。當(dāng)使用芯片內(nèi)部時鐘時，這兩個引線端用于外接石英晶體和微調(diào)電容；當(dāng)使用外部時鐘時，用于接外部時鐘脈沖信號。

（2）控制線引腳（4個）

● ALE（30）：地址鎖存控制信號。

在系統(tǒng)擴(kuò)展時，ALE用于控制把P 0口輸出的低8位地址鎖存器鎖存起來，以實現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的隔離。此外由于ALE是以晶振1/6的固定頻率輸出的正脈沖，因此可作為外部時鐘或外部定時脈沖使用。

● （29）：外部程序存儲器讀選通信號。在讀外部ROM時有效（低電平），以實現(xiàn)外部ROM單元的讀操作。

● （31）：訪問程序存儲器控制信號。當(dāng)信號為低電平時，對ROM的讀操作限定在外部程序存儲器；而當(dāng)信號為高電平時，對ROM的讀操作則是從內(nèi)部程序存儲器開始，并可延至外部程序存儲器。

● RST（9）：復(fù)位信號。當(dāng)輸入的復(fù)位信號延續(xù)2個機(jī)器周期以上高電平即為有效，用以完成單片機(jī)的復(fù)位初始化操作。

（3）并行I/O引腳（32個，分成4個8位口）

● P0.0～P0.7：通用I/O引腳或數(shù)據(jù)/低位地址總線復(fù)用引腳。

● P1.0～P1.7：通用I/O引腳。

● P2.0～P2.7：通用I/O引腳或高位地址總線引腳。

● P3.0～P3.7：通用I/O引腳或第二功能引腳。

1.2.2 MCS-51單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲器

MCS-51單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲器分為內(nèi)部RAM和外部RAM，RAM的配置圖如圖1-5所示。8051片內(nèi)RAM共有128B，分成工作寄存器區(qū)、位尋址區(qū)、通用RAM區(qū)三部分。

基本型單片機(jī)片內(nèi)RAM地址范圍是00H～7FH。增強(qiáng)型單片機(jī)（如80C52）片內(nèi)除地址范圍在00H～7FH的128B RAM外，又增加了80H～FFH的高128B的RAM。增加的這一部分RAM僅能采用間接尋址方式訪問（以與特殊功能寄存器SFR的訪問相區(qū)別）。

片外RAM地址空間為64KB，地址范圍是0000H～FFFFH。與程序存儲器地址空間不同的是，片外RAM地址空間與片內(nèi)RAM地址空間在地址的低端0000H～007FH是重疊的。這就需要采用不同的尋址方式加以區(qū)分。訪問片外RAM時采用專門的指令MOVX實現(xiàn)，這時讀（）或?qū)懀?img alt="" src="https://epubservercos.yuewen.com/B182D4/17656815906264106/epubprivate/OEBPS/Images/16_03.jpg?sign=1754444478-nJiAqFy2qEb1kPjOuS84Sin7Zwcbq4UI-0-231c2956bcb865dee9349be19bf34380" style="height:1.3em;">）信號有效；而訪問片內(nèi)RAM使用MOV指令，無讀寫信號產(chǎn)生。另外，與片內(nèi)RAM不同，片外RAM不能進(jìn)行堆棧操作。

1．內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器低128單元

8051的內(nèi)部RAM共有256個單元，通常把這256個單元按其功能劃分為兩部分：低128單元（單元地址00H～7FH）和高128單元（單元地址80H～FFH），低128單元的配置情況見表1-2。

低128單元是單片機(jī)的真正RAM存儲器，按其用途劃分為三個區(qū)域：

（1）寄存器區(qū)8051單片機(jī)片內(nèi)RAM低端的00H～1FH共32B，分成4個工作寄存器組，每組占8個單元。

● 寄存器0組：地址00H～07H

● 寄存器1組：地址08H～0FH

● 寄存器2組：地址10H～17H

● 寄存器3組：地址18H～1FH

在任一時刻，CPU只能使用其中的一組寄存器，并且把正在使用的那組寄存器稱為當(dāng)前寄存器組。到底是哪一組，由程序狀態(tài)字寄存器PSW中RS₁、RS₀位的狀態(tài)組合來決定。

通用寄存器為CPU提供了就近數(shù)據(jù)存儲的便利，有利于提高單片機(jī)的運算速度。此外，使用通用寄存器還能提高程序編制的靈活性。因此，在單片機(jī)的應(yīng)用編程中應(yīng)充分利用這些寄存器，以簡化程序設(shè)計，提高程序運行速度。

（2）位尋址區(qū) 位的含義：1盞燈亮或者說1根線的電平的高低，可以代表2種狀態(tài)：0和1。實際上這就是1個二進(jìn)制位，用bit表示。字節(jié)的含義：1根線可以表示0和1，2根線可以表示00、01、10、11共4種狀態(tài)，而3根線可以表達(dá)0～7共8種狀態(tài)，計算機(jī)中通常將8根線放在一起，同時計數(shù)，就可以表示0～255一共256種狀態(tài)。這8根線或者8位就稱為一個字節(jié)（BYTE）。

內(nèi)部RAM的20H～2FH單元，既可作為一般RAM單元使用，進(jìn)行字節(jié)操作，也可以對單元中每一位進(jìn)行位操作，因此，把該區(qū)稱為位尋址區(qū)。位尋址區(qū)共有16個RAM單元，計128位，位地址為00H～7FH。MCS-51具有布爾處理機(jī)功能，這個位尋址區(qū)可以構(gòu)成布爾處理機(jī)的存儲空間。這種位尋址能力是MCS-51的一個重要特點。表1-3為片內(nèi)RAM位尋址區(qū)的位地址表。

（3）用戶RAM區(qū) 在內(nèi)部RAM低128單元中，通用寄存器占去32個單元，位尋址區(qū)占去16個單元，剩下80個單元，這就是供用戶使用的一般RAM區(qū)，其單元地址為30H～7FH。對用戶RAM區(qū)的使用沒有任何規(guī)定或限制。但在一般應(yīng)用中常把堆棧開辟在此區(qū)中。

2．內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器高128單元

內(nèi)部RAM的高128單元是供給專用寄存器使用的，其單元地址為80H～FFH。因這些寄存器的功能已作專門規(guī)定，故而稱之為專用寄存器（Special Function Register, SFR），也可稱為特殊功能寄存器。

8051共有21個專用寄存器，現(xiàn)對其中部分寄存器進(jìn)行簡單介紹。

1）程序計數(shù)器（PC——Program Counter）。PC是一個16位的計數(shù)器，它總是存放著下一個要取的指令的16位存儲單元地址，它的作用是控制程序的執(zhí)行順序。其內(nèi)容為將要執(zhí)行指令的地址，尋址范圍達(dá)64KB。PC有自動加1功能，從而實現(xiàn)程序的順序執(zhí)行。PC沒有地址，是不可尋址的。因此，用戶無法對它進(jìn)行讀寫。但可以通過轉(zhuǎn)移、調(diào)用、返回等指令改變其內(nèi)容，以實現(xiàn)程序的轉(zhuǎn)移。因地址不在SFR之內(nèi)，一般不計作專用寄存器。

2）與運算器相關(guān)的寄存器（3個）。

① 累加器（ACC——Accumulator）。累加器為8位寄存器，是最常用的專用寄存器，功能較多，地位重要。它既可用于存放操作數(shù)，也可用來存放運算的中間結(jié)果。MCS-51單片機(jī)中大部分單操作數(shù)指令的操作數(shù)就取自累加器，許多雙操作數(shù)指令中的一個操作數(shù)也取自累加器。

② B寄存器。B寄存器是一個8位寄存器，主要用于乘除運算。乘法運算時，B是乘數(shù)。乘法操作后，乘積的高8位存于B中，除法運算時，B是除數(shù)。除法操作后，余數(shù)存于B中。此外，B寄存器也可作為一般數(shù)據(jù)寄存器使用。

③ 程序狀態(tài)字（PSW——Program Status Word）。程序狀態(tài)字內(nèi)部含有程序在運行時的相關(guān)信息，其詳細(xì)情況見表1-4。現(xiàn)說明如下：

進(jìn)位標(biāo)志CY（Carry），可簡寫為C，它的用途如下：

● 當(dāng)CPU在做加法運算時，若有進(jìn)位，則CY=1；否則CY=0。

● 當(dāng)CPU在做減法運算時，若有借位，則CY=1；否則CY=0。

● 作為位處理的運算中心即位累加器。

輔助進(jìn)位標(biāo)志AC（Auxiliary Carry）

● 在相加的過程中，若兩數(shù)的bit3相加后有進(jìn)位產(chǎn)生，則AC=1；否則AC=0。

● 在相減的過程中，若bit3不夠減，必須向bit4借位，則AC=1；否則AC=0。

用戶標(biāo)志位F0（Flag Zero）

● 由用戶根據(jù)程序執(zhí)行的需要通過軟件來使它置位或清除。

RS1、RS0：工作寄存器組選擇位

● 80C51的RAM區(qū)域地址00H～1FH單元（32B）為工作寄存器區(qū)，共分四組，每組有8個8位寄存器，用R0～R7表示。

● RS1、RS0可以用軟件來置位或清零以確定當(dāng)前使用的工作寄存器組。

溢出標(biāo)志OV（Overflow）

● 當(dāng)兩個數(shù)相加時，若bit6及bit7同時有進(jìn)位或沒有進(jìn)位，則OV=0；否則OV=1。

● 當(dāng)兩個數(shù)相減時，若bit6及bit7同時有借位或沒有借位，則OV=0；否則OV=1。

● 根據(jù)執(zhí)行運算指令后OV的狀態(tài)，可判斷累加器中的結(jié)果是否正確。

奇偶位標(biāo)志P（Parity）

● 對于累加器的內(nèi)容，若等于1的位有奇數(shù)個，則P=1；否則P=0。

3）與指針相關(guān)的寄存器（3個）。

① 數(shù)據(jù)指針（DPTR）。數(shù)據(jù)指針為16位寄存器，它是MCS-51中一個16位寄存器。編程時，DPTR既可以按16位寄存器使用，也可以按兩個8位寄存器分開使用，即：

DP H DPTR高位字節(jié)

DP L DPTR低位字節(jié)

DPTR通常在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時作地址指針使用，由于外部數(shù)據(jù)存儲器的尋址范圍為64KB，故把DPTR設(shè)計為16位。

② 堆棧指針（SP——Stack Pointer）。堆棧是一個特殊的存儲區(qū)，用來暫存數(shù)據(jù)和地址，它是按“先進(jìn)后出”的原則存取數(shù)據(jù)的。堆棧共有兩種操作：進(jìn)棧和出棧。

MCS-51單片機(jī)由于堆棧設(shè)在內(nèi)部RAM中，因此SP是一個8位寄存器。系統(tǒng)復(fù)位后，SP的內(nèi)容為07H，使得堆棧實際上從08H單元開始。但08H～1FH單元分別屬于工作寄存器1～3區(qū)，若程序中要用到這些區(qū)，最好把SP值改為1FH或更大的值。一般地，堆棧最好在內(nèi)部RAM的30H～7FH單元中開辟。SP的內(nèi)容一經(jīng)確定，堆棧的位置也就跟著確定下來，由于SP可初始化為不同值，因此堆棧位置是浮動的。

4）與接口相關(guān)的寄存器（7個）。

① 并行I/O接口P0、P1、P2、P3，均為8位；通過對這4個寄存器的讀和寫，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)從相應(yīng)接口的輸入和輸出。

② 串行接口數(shù)據(jù)緩沖器SBUF。

③ 串行接口控制寄存器SCON。

④ 串行通信波特率倍增寄存器PCON（由于一些位還與電源控制相關(guān)，所以又稱為電源控制寄存器）。

5）與中斷相關(guān)的寄存器（2個）。

① 中斷允許控制寄存器IE。

② 中斷優(yōu)先級控制寄存器IP。

6）與定時/計數(shù)器相關(guān)的寄存器（6個）。

① 定時/計數(shù)器T0的2個8位計數(shù)初值寄存器TH0、TL0，它們可以構(gòu)成16位的計數(shù)器，TH0存放高8位，TL0存放低8位。

② 定時/計數(shù)器T1的2個8位計數(shù)初值寄存器TH1、TL1，它們可以構(gòu)成16位的計數(shù)器，TH1存放高8位，TL1存放低8位。

③ 定時/計數(shù)器的工作方式寄存器TMOD。

④ 定時/計數(shù)器的控制寄存器TCON。

3．專用寄存器中的字節(jié)尋址和位地址

MCS-51系列單片機(jī)有21個可尋址的專用寄存器，其中有11個專用寄存器（字節(jié)地址能被8整除的）是可以位尋址的。MCS-51專用寄存器地址見表1-5。對專用寄存器只能使用直接尋址方式，書寫時既可使用寄存器符號，也可使用寄存器單元地址。

1.2.3 MCS-51單片機(jī)的程序存儲器

MCS-51的程序存儲器用于存放編好的程序和表格常數(shù)，以8051為例，其配置圖如圖1-6所示。8051片內(nèi)有4KB的ROM，8751片內(nèi)有4KB的EPROM，8031片內(nèi)無程序存儲器。MCS-51的片外最多能擴(kuò)展64KB程序存儲器，片內(nèi)外的ROM是統(tǒng)一編址的。如端保持高電平，8051的程序計數(shù)器PC在0000H～0FFFH地址范圍內(nèi)（即前4KB地址）是執(zhí)行片內(nèi)ROM中的程序，當(dāng)PC在1000H～FFFFH地址范圍時，自動執(zhí)行片外程序存儲器中的程序；當(dāng)保持低電平時，只能尋址外部程序存儲器，片外存儲器可以從0000H開始編址。

MCS-51的程序存儲器中有些單元具有特殊功能，使用時應(yīng)予以注意。

其中一組特殊單元是0000H～0002H。系統(tǒng)復(fù)位后，PC=0000H，單片機(jī)從0000H單元開始取指令執(zhí)行程序。如果程序不從0000H單元開始，應(yīng)在這三個單元中存放一條無條件轉(zhuǎn)移指令，以便直接轉(zhuǎn)去執(zhí)行指定的程序。

還有一組特殊單元是0003H～002AH。共40個單元，這40個單元被均勻地分為5段，作為5個中斷源的中斷地址區(qū)。其中：

● 0003H～000AH外部中斷0中斷地址區(qū)

● 000BH～0012H定時器/計數(shù)器0中斷地址區(qū)

● 0013H～001AH外部中斷1中斷地址區(qū)

● 001BH～0022H定時器/計數(shù)器1中斷地址區(qū)

● 0023H～002AH串行中斷地址區(qū)

中斷響應(yīng)后，按中斷種類，自動轉(zhuǎn)到各中斷區(qū)的首地址去執(zhí)行程序。因此，在中斷地址區(qū)中理應(yīng)存放中斷服務(wù)程序。但通常情況下，8個單元難以存下一個完整的中斷服務(wù)程序。因此，通常也是從中斷地址區(qū)首地址開始存放一條無條件轉(zhuǎn)移指令，以便中斷響應(yīng)后，通過中斷地址區(qū)，再轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序的實際入口地址去。