第 2 章 MCS-51 系列单片机的系统结构

2.1 内部结构与引脚功能 2.2 并行I/O口 2.3 存储器的组织结构 2.4 MCS-51时钟电路与复位电路 2.5 MCS－51的典型时序 2.6 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 89S51 芯片的内部结构框图如下图所示。

主要用于存放程序、常数和表格（ 1 KB=1024 B ）

主要用于存放可随机读写的数据，一般是运算的中间结果。

主要用于完成数据的并行输入和输出。

用于定时或计数

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。

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 : 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。 : 访问外部程序存储器控制信号 / 片内 EPROM 编程电源

输入。 : 外部程序存储器选通信号。

/ALE PROG

/ ppEA V

PSEN

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。

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。

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 引脚输入的信号决定是使用片内 ROM 还是片外 ROM 。当 =1 ，

使用的是片内 ROM ；当 =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 引脚必须接地。（ 89S51芯片）

EA

EA

EA

EA

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。

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。

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

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

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。

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。

2.4 MCS-51 时钟电路与复位电路 一、时钟电路 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 。

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片机系统中的同步问题。

2. 时序的基本概念 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。

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

按键电平复位

按键脉冲复位

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。

通过 RST经电阻与电源相连接来实现按键复位 。

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：

其中，PD为掉电方式位， IDL为空闲方式位，高电平有效。

位序 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

位符号 PD IDL

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。

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（ 、 ）退出。 INT0 INT1

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