单片机硬件系统

第一章 第1章 单片机硬件系统 本章概要及学习目标： 本章从单片机的概念入手，以AT89C51单片机芯片为例，介绍MCS-51型单片机芯片的外部引脚功能、内部硬件结构及工作特性，并通过单片机应用系统开发过程实验说明使读者对单片机应用系统及其开发有一个感性认识，对单片机的基本工作原理和工作过程有一个大致的了解，同时也指出了学习单片机的两个基本方面：硬件结构和软件编程。 通过对本章的学习，读者应掌握和了解以下知识： 1．计算机、微型机、单片机及单片机应用系统的概念 2．微型机的CPU、存储器和输入/输出的硬件构成及功能 3．89C51外部引脚及功能，内部结构及工作原理 4．89C51的RAM分布、ROM结构及地址形成 5．89C51的SFR 6．89C51的并行口及时钟与复位 7．单片机应用系统的开发过程及工作过程 1.1 计算机、微型机、单片机及单片机应用系统概述 微型计算机的出现给人类生活带来了根本性的变化，使现代科学研究产生了质的飞跃，单片机技术的出现则给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命。它在工业控制、数控采集、智能化仪表、办公自动化等诸多领域得到了极为广泛的应用，毫不夸张地说，单片机技术的开发和应用水平已逐步成为一个国家工业发展的标志之一。 单片微型计算机（Single Chip Micro Computer）简称单片机，它是一种把组成微型计算机的各功能部件：中央处理单元CPU、一定容量的随机存储器RAM和只读存储器ROM、I/O接口电路、定时器/计数器以及串行口等制作在一块芯片中的计算机。由于单片机的硬件结构与指令系统的功能都是按工业控制要求而 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 的，常用在工业检测、控制装置中，因而也称为微控制器（Micro-Controller）。单片机具有结构简单、控制功能强、可靠性高、体积小、价格低等特点，在家用电器、智能化仪器、工业控制以及火箭导航尖端技术领域都发挥着十分重要的作用。 1.1.1 单片机及单片机应用系统 1．微型计算机及微型计算机系统 计算机的硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入和输出设备五大部分组成。把运算器、控制器及一些寄存器集成在一块硅片上而成为独立的器件，该器件就称为微处理器（CPU）。微处理器芯片、存储器芯片、输入/输出接口电路芯片以及外部设备，在它们之间用总线连接起来就构成了微型计算机，如图1-1所示。 图1-1 微型计算机组成框图 可见，微型计算机结构的突出特征是具有一个包含运算器和控制器的集成芯片微处理器（CPU）。微型机硬件系统各部分的组成及功能简述如下： 1）微处理器 微处理器是微型计算机的核心，其结构示意如图1-2所示。 图1-2 微处理器结构示意图 微处理器包括运算器，控制器和寄存器组3个基本部分。 （1）运算器：运算器是计算机的运算部件，用于实现算术和逻辑运算。计算机的数据运算和处理都在这里进行。 通常运算器由算术/逻辑运算单元ALU、累加器A、暂存寄存器、标志寄存器F等组成。 累加器A是一个特殊的寄存器。通常其作用有两个：一是运算时把一个操作数经暂存器送至ALU；二是在运算后保存其运算结果。 暂存寄存器用来暂时存储数据总线或其他寄存器送来的操作数，是ALU的数据输 入源。 标志寄存器F用来保存ALU运算结果的特征（如进位标志、溢出标志等）和处理器的状态，这些特征和状态可以作为控制程序转移的条件。 算术/逻辑运算单元ALU由加法器和相应的控制逻辑电路组成。它能分别对来自两个暂存器数据源的两个操作数进行加、减、与、或等运算，还能进行数据的移位。ALU进行何种运算由控制器发出的命令确定，运算后的结果经数据总线送至累加器A，同时影响标志寄存器F的状态。 （2）控制器：计算机的控制器由指令寄存器IR、指令译码器ID、定时及控制逻辑电路和程序计数器PC等组成，它控制使计算机各部分自动、协调地工作。控制器按照指定的顺序从程序存储器中取出指令进行译码并根据译码结果发出相应的控制信号，从而完成该指令所规定的任务。 指令寄存器IR用来保存当前正在执行的一条指令。要执行一条指令，首先要把它从程序存储器中取到指令寄存器中。指令的内容包括操作码和操作数（或操作数的地址码）两部分。操作码送到指令译码器ID，经译码后确定所要执行的操作；操作数的地址码也要送到操作数地址形成电路以便形成真正的操作数地址。 定时及控制逻辑电路是CPU的核心部件。它的任务有控制取指令、执行指令、存取操作数或运算结果等操作，向其他部件发出控制信号，协调各部件的工作。 程序计数器PC也叫指令地址计数器。计算机的程序是有序地存储在程序存储器中的各种指令的集合。计算机运行时，按顺序取出程序存储器中的指令并逐一执行。程序计数器PC指出当前要执行的指令的地址。每当指令取出后，PC的内容自动加1（除转移指令外），从而指向按序排列的下一条指令的地址。若遇到转移指令（JMP）、子程序调用指令（CALL）或返回指令（RET）时，这些指令会把要执行的下一条指令的地址直接置入PC中，PC的内容才会突变。程序计数器PC的位数决定了微处理器所寻址的存储器空间。 （3）寄存器组：寄存器组作为CPU内部的暂存单元至关重要，它是CPU处理数据所必需的一个存取空间，其多少直接影响着微机系统处理数据的能力和速度。 2）存储器 存储器是计算机存放程序或数据的器件，它由若干存储单元组成。存储器有两个指标：①存储容量是指存储器所能存放的最大字节数，每个存储单元按顺序都有一个惟一的编号，即存储地址；②存取时间是指存储器存取一次数据所需要的时间，在某种程度上，它决定着计算机系统的运行速度。 存储器又分内存储器和外存储器。存放程序的存储器采用只读存储器（ROM）；存放输入/输出数据或中间结果的存储器采用随机存储器（RAM）。在实验系统中使用的EEPROM2864、SRAM6264都是存储器芯片。 3）输入设备 输入设备用于把程序和数据输入到计算机中。常用的输入设备有键盘、鼠标、光电输入机等。 4）输出设备 输出设备用于把计算机数据计算或数据处理的结果，以用户需要的形式显示或打印出来。常用的输出设备有打印机、显示器、绘图仪等。 计算机用于控制时，输入输出信息还包括现场的各种信息和控制命令。 通常把外存储器、输入设备和输出设备合在一起称为计算机的外部设备，简称“外设”。 微型计算机加上它的软件系统便构成了微型计算机系统，如图1-3所示。软件系统是微型机系统所使用的各种程序的总称。人们通过它对整机进行控制并与微型机系统进行信息交换，使微机按照人的意图完成预定的任务。 软件系统和硬件系统共同构成完整的微型机系统，两者相辅相成，缺一不可。 2．单片微型计算机 前面已经提到：单片微型计算机简称单片机，它是指把组成微型计算机的各功能部件集成在一个芯片上构成一个完整的微型机，从而实现微型计算机的基本功能。单片机的内部结构示意图如图1-4所示。 单片机实质上是一个芯片，在实际应用中通常很难直接把单片机和受控对象进行电气连接，而是必须外加各种扩展接口电路以至外部设备，连同受控对象和单片机程序软件构成一个单片机应用系统。 图1-3 微型计算机系统结构示意图 图1-4 单片机内部结构示意图 3．单片机应用系统及组成 单片机应用系统是以单片机为核心，配以输入、输出、显示、测量和控制等外围电路和软件能实现一种或多种功能的实用系统。本书的实训系统即一个单片机的应用系统。该应用系统除了有单片机芯片，还有许多其他外围电路，所以说单片机应用系统是由硬件和软件组成的。硬件是单片机应用系统的基础，软件则是在硬件的基础上对其资源进行合理调配和使用，从而完成应用系统所要求的任务。硬件和软件二者相互依赖，缺一不可。单片机应用系统的组成示意图如图1-5所示。 因此，单片机应用系统的设计人员必须从硬件和软件两个角度来深入了解单片机，并能将二者有机地结合起来，才能设计制作出具有特定功能的单片机应用系统或整机产品。 自1974年美国Fairchild公司研制出第一台单片机F8以来，单片机经历了由4位机到8位机再到16位、32位机的发展过程。单片机制造商很多，主要有美国的Intel、Motorola、Zilog等公司。目前，单片机正朝着高性能、多品种方向发展。近年来，32位单片机已进入了实用阶段，但是由于8位单片机在性能价格比上占有优势，并且8位增强型单片机在速度和功能上可向现在的16位单片机挑战，因此在未来相当长的时期内，16位机可能被淘汰，而8位单片机仍是单片机的主流机型。 1.1.2 MCS-51系列单片机 Intel公司于1976年推出了MCS-48系列单片机，于1980年推出了MCS-51系列单片机，于1983年推出了MCS-96系列单片机。 1．MCS-51系列单片机 MCS-51系列单片机是一种高性能的8位单片机，它是在MCS-48系列单片机的基础上推出的第二代单片机。其典型产品为8051，封装为40引脚。芯片内部集成有： ​ 一个8位的微处理器（CPU） ​ 4KB的程序存储器 ​ 128B的数据存储器 ​ 64KB的片外程序存储器寻址能力 ​ 64KB的片外数据存储器寻址能力 ​ 32根输入/输出线 ​ 1个全双工异步串行口 ​ 2个16位定时/计数器 ​ 5个中断源，2个优先级 MCS-51系列单片机按片内有无程序存储器及程序存储器的形式分为三种基本产品：8051、8751和8031。 8051单片机片内含有4KB的ROM，ROM中的程序是由单片机芯片生产厂家固化的，适合于大批量的产品；8751单片机片内含有4KB的EPROM，单片机应用开发人员可以把编好的程序用开发机或编程器写入其中，需要修改时，可以先用紫外线擦除器擦除，然后再写入新的程序；8031片内没有程序存储器，当在单片机芯片外扩展EPROM后，就相当于一片8751，此种应用方式方便灵活。这三种芯片只是在程序存储器的形式上不同，在结构和功能上都一样。表1-1为MCS-51系列单片机常用产品特性一览表。 表1-1 MCS-51系列单片机常用产品特性一览表 型号 pcr仪的中文说明书矿用离心泵型号大全阀门型号表示含义汽车蓄电池车型适配表汉川数控铣床 片内存储器（B） I/O口线 定时/计数器 片外存储器（B） 程序存储器 数据存储器 程序存储器 数据存储器 8051 4KROM 128 32 2个16位 64K 64K 8751 4KEPROM 128 32 2个16位 64K 64K 8031 无 128 32 2个16位 64K 64K 80C51 4KROM 128 32 2个16位 64K 64K 87C51 4KEPROM 128 32 2个16位 64K 64K 80C31 无 128 32 2个16位 64K 64K 续表 型号 片内存储器（B） I/O口线 定时/计数器 片外存储器（B） 程序存储器 数据存储器 程序存储器 数据存储器 8052 4KROM 256 32 3个16位 64K 64K 8752 4KEPROM 256 32 3个16位 64K 64K 8032 无 256 32 3个16位 64K 64K 2．其他51系列单片机 （1）AT89系列单片机 AT89系列单片机是美国ATMEL公司的8位Flash单片机产品，它以MCS-51为内核，与MCS-51系列的单片机软硬件兼容。 该系列中有20引脚封装的产品，体积的减小使其应用更加灵活。时钟频率的提高可使运算速度加快。在片内含有Flash存储器，Flash存储器是一种可以电擦除和电写入的闪速存储器（简记为FPEROM），这使开发调试更为方便。 表1-2 AT89系列单片机常用产品特性一览表 型号 片内存储器 I/O口线 定时/计数器 模拟比较器 中断源 串行口 程序存储器 数据存储器 89C1051 1KBFEPROM 64B 15 1个16位 1个 3个 无 89C2051 2KBFEPROM 128B 15 2个16位 1个 5个2级 UART 89C51 4KBFEPROM 128B 32 2个16位 无 5个2级 UART 89C52 8KBFEPROM 256B 32 3个16位 无 6个2级 UART （2）其他MCS-51系列兼容单片机 为了进一步增强MCS-51系列单片机的功能，一些单片机生产厂商还对MCS-51系列单片机的硬件进行了扩充。如PHILIPS的8XC552系列，在80C51的基础上增加了一个16位的定时/计数器和一个8路输入的10位A/D转换器，并配有串行总线接口；80C51XA使单片机位数增至16位；Intel公司的80C51GA/GB也增加了A/D转换功能。 1.2 MCS-51单片机结构和原理 1.2.1 MCS-51单片机的引脚及内部结构 对于一个单片机应用系统的开发设计者，熟悉并掌握单片机的硬件结构是十分重要的，这里从实际需要出发，只介绍与程序设计和系统扩展应用有关的内容。 MCS-51系列单片机的典型芯片为8031、8051、8751。由于AT89C51的开发调试使用方便，它又和MCS-51系列的软硬件兼容，因此下文就以AT89C51芯片为例，介绍MCS-51系列单片机的外部引脚及内部结构。 1．89C51的外部引脚 89C51是 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 的40引脚双列直插式集成电路芯片，如图1-6所示。 按其功能可分为电源、时钟、控制和I/O接口四大部分： 1）电源引脚 VCC：芯片主电源，外接+5V；GND：电源地线。 2）时钟引脚 XTAL1与XTAL2为内部振荡器的两条引出线。 3）控制引脚 （1）ALE/ ：地址锁存控制信号/编程脉冲输入端 在扩展系统时，ALE用于控制把P0口输出的低8位地址锁存起来，以实现低8位地址和数据的隔离，P0口作为数据地址复用口线。当访问单片机外部程序或数据存储器或外接I/O口时，ALE输出脉冲的下降沿用于低8位地址的锁存信号；即使不访问单片机外部程序或收据存储器或外接I/O口，ALE端仍以晶振频率的1/6输出正脉冲信号，因此可作为外部时钟或外部定时信号使用。但应注意，此时不能访问单片机外部程序、数据存储器或外设I/O接口。ALE端可以驱动8个TTL负载。 对于EEPROM型单片机（89C51）或EPROM型单片机（8751），在EEPROM或EPROM编程期间，该引脚用来输入一个编程脉冲（PROG）。 （2） ：片外程序存储器读选通有效信号 在CPU向片外程序存储器读取指令和常数时，每个机器周期 两次低电平有效。但在此期间，每当访问外部数据存储器或I/O接口时，该 两次低电平有效信号将不出现。 端可以驱动8个TTL负载。 （3） /VPP：访问程序存储器控制信号/编程电源输入端 当该引脚 信号为低电平时，只访问片外程序存储器，不管片内是否有程序存储器；当该引脚为高电平时，单片机访问片内的程序存储器。但对AT89C51来说，当PC（程序计数器）值超出4K地址时，自动转到片外程序存储器1000H开始顺序读取指令。 对于EEPROM型单片机（89C51）或EPROM型单片机（8751），在EEPROM或EPROM编程期间，该引脚用于施加一个+12V或+21V的电源。 （4）RST/VPD：复位/掉电保护信号输入端 当振荡器运行时，在该引脚加上一个2个机器周期以上的高电平信号，就能使单片机回到初始状态，即进行复位。 掉电期间，该引脚可接上备用电源（VPD）以保持内部RAM的数据。 4）I/O引脚 P0口（P0.0～P0.7）：8位双向并行I/O接口。扩展片外存储器或I/O口时，作为低8位地址总线和8位数据总线的分时复用接口，它为双向三态。 P0口可带8个TTL负载电流。 P1口（P1.0～P1.7）：8位准双向并行I/O接口。P1口每一位都可以独立设置成输入输出位。 P1口可以驱动4个TTL电路。 P2口（P2.0～P2.7）：8位准双向并行I/O接口。扩展外部数据、程序存储器时，作为高8位地址输出端口。 P2口可以驱动4个TTL电路。 P3口（P3.0～P3.7）：8位准双向并行I/O接口。除了与P1口有一样的I/O功能外，每一个引脚还兼有第二功能。如表1-3所示。 表1-3 P3口各引脚对应的第二功能 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 RXD TXD T0 T1 P3口可以驱动4个TTL电路。 P3口的第二功能信号都是单片机的重要控制信号，因此，在实际使用时，先按需要选用第二功能信号，剩下的才以第一功能的身份作为数据位的I/O使用。 P1、P2、P3口线片内均有固定的上拉电阻，故称为准双向并行I/O接口；P0口片内无固定的上拉电阻，由两个MOS管串接，既可开路输出，又可处于高阻的“悬空”状态，故称为双向三态并行I/O接口。读者在学完1.3节后会有较深刻的理解。 以上是把MSC-51单片机芯片全部40个信号引脚的定义及功能作一简单说明。对于各种型号的芯片，其引脚的第一功能信号是相同的，所不同的是引脚的第二功能信号，读者可以对照实训电路找到相应的引脚，在电路中查看每个引脚的连接使用。 2．89C51的内部结构 89C51单片机的内部结构图如图1-7所示。 由图1-7可知，89C51单片机由运算器和控制器组成的微处理器、片内存储器RAM/ROM、P0～P3组成的I/O端口以及各种存储器组成的特殊功能寄存器SFR和串行接口、定时/计数器、中断系统、振荡器等构成。下面介绍其各构成部分的基本含义。 1）89C51的微处理器（CPU） 微处理器是单片机的核心部分，完成运算和控制功能。89C51的CPU能处理8位二进数或代码，它由运算器（包括算术/逻辑运算单元ALU、累加器A、寄存器B、暂存寄存器、程序状态字寄存器PSW）、控制器（包括指令寄存器IR、指令译码器ID、定时及控制逻辑电路）、程序计数器PC等组成。 2）89C51的内部数据存储器（内部RAM） 89C51芯片中共有256个RAM单元，但其中高128单元被专用寄存器SFR占用，能作为寄存器供用户使用的只是低128单元，地址范围是00H～7FH，用于存放可读写的数据。因此通常所说的内部数据存储器是指低128单元，简称内部RAM。 3）89C51的内部程序存储器（内部ROM） 89C51芯片中共有4KBFPEROM，地址范围是0000H～0FFFH，用于存放程序、原始数据或表格，因此称之为程序存储器，简称内部ROM。 图1-7 单片机89C51内部结构框图 4）定时/计数器 89C51芯片中共有两个16位的定时/计数器以实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果实现控制功能。 5）并行I/O口 89C51芯片中共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2、P3）以实现数据的并行输入/输出。本书在实训1中已经使用了P1口，通过P1口连接8个发光二极管。 6）串行口 89C51单片机有一个全双工的串行口以实现单片机和其他设备之间的串行数据传送。该串行口功能较强，既可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为同步移位器使用。 7）中断控制系统 MCS-51系列单片机的中断功能较强以满足控制应用的需要。89C51共有5个中断 源，即外中断两个、定时/计数中断两个、串行中断一个。全部中断分为高级和低级两个优先级别。 8）时钟电路 89C51芯片的内部有时钟电路，但石英晶体和微调电容需外接。时钟电路位单片机产生时钟脉冲序列。系统允许的晶振频率一般为6MHz～12MHz。 从上述内容可以看出，MCS-51虽然是一个单片机芯片，但作为计算机应该具有的基本部件它都包括，因此，实际上它已属于一个简单的微型计算机系统了。 1.2.2 MCS-51单片机的内部数据存储器 存储器功能是存储信息——程序和数据。存储器按其存取方式可以分成两大类，一类是随机存取存储器（RAM）；另一类是只读存储器（ROM）。 对于RAM，CPU在运行过程中能随时进行写入和读出，但在关闭电源时，其存储信息将丢失，所以它只能用来存放暂时性的输入/输出数据、运算的中间结果或用作堆栈。因此，RAM常被称作数据存储器。 ROM是一种写入信息后不能改写只能读出的存储器，断电后，其信息仍保留不变。ROM用来存放固定的程序或数据，如系统监控程序、常数表格等。所以，ROM常被称作程序存储器。 MCS-51单片机的芯片内部包含数据存储器（RAM）和程序存储器（ROM）两类存储器。下文先介绍内部数据存储器（RAM）。 1．内部数据存储器（RAM）的地址分配 其地址分配如图1-8所示。 F8H～FFH . . . 80H～87H SFR区 30H～7FH 用户RAM区（数据缓冲区） 20H～2FH 位寻址区（00H～7FH） 18H～1FH 工作寄存器区3区（R7～R0） 10H～17H 工作寄存器区2区（R7～R0） 08H～0FH 工作寄存器区1区（R7～R0） 00H～07H 工作寄存器区0区（R7～R0） 图1-8 MCS-51内部数据存储器（RAM）的地址分配图 内部RAM共有256个单元，通常把256个单元按其功能划分为两部分：低128字节（00H～7FH）RAM和高128字节（80H～FFH）。 2．内部数据存储器（RAM）低128单元 内部数据存储器的低128单元（00H～7FH）是真正的RAM存储器，按其用途划分为工作寄存器区、位寻址区和用户RAM区三个区域，如图1-9所示。 30H～7FH 用户RAM区（数据缓冲区） 20H～2FH 位寻址区（00H～7FH） 18H～1FH 工作寄存器区3区（R7～R0） 10H～17H 工作寄存器区2区（R7～R0） 08H～0FH 工作寄存器区1区（R7～R0） 00H～07H 工作寄存器区0区（R7～R0） 图1-9 片内RAM低128字节的配置 1）寄存器区 共有4组寄存器，每组8个寄存单元，各单元8位，每组的8个寄存单元都以R0～R7作为寄存单元的编号。寄存器常用于存放操作数及中间结果，由于它们的功能及使用不作预先规定，因此称为通用寄存器，有时也叫工作寄存器。4组通用寄存器占据内部RAM的00H～1F单元地址。 在任一时刻，CPU只能使用四组寄存器中的一组寄存器，并且把正在使用的那组寄存器称之为当前寄存器组。到底是哪一组，由程序状态字寄存器PSW中的RS1、RS0的状态组合来决定（见SFR中的PSW）。 通用寄存器为CPU提供了就近存储数据的功能，有利于提高单片机的运算速度。此外，使用通用寄存器还能提高程序编制的灵活性，因此在单片机的应用编程中应充分地利用这些寄存器，以简化程序设计，提高程序运行速度。 2）位寻址区 内部RAM的20H～2FH单元，既可以作为一般的RAM单元，进行字节操作，也可以对单元中每一位进行位操作，因此把该区称为位寻址区。位寻址区共有16个RAM单元字节，计128位，各位地址位00H～7FH。MCS-51具有布尔处理机的功能，位寻址区可以构成布尔处理机的存储空间。这种位寻址区能力是MCS-51的一个重要特点，表1-4为位寻址区的位地址表。 表1-4 片内RAM位寻址区的位地址表 单元 地址 位地址 MSB LSB 2FH 2EH 2DH 2CH 2BH 2AH 29H 28H 27H 26H 25H 7F 77 6F 67 5F 57 4F 47 3F 37 2F 7E 76 6E 66 5E 56 4E 46 3E 36 2E 7D 75 6D 65 5D 55 4D 45 3D 35 2D 7C 74 6C 64 5C 54 4C 44 3C 34 2C 7B 73 6B 63 5B 53 4B 43 3B 33 2B 7A 72 6A 62 5A 52 4A 42 3A 32 2A 79 71 69 61 59 51 49 41 39 31 29 78 70 68 60 58 50 48 40 38 30 28 续表 单元 地址 位地址 MSB LSB 24H 23H 22H 21H 20H 27 1F 17 0F 07 26 1E 16 0E 06 25 1D 15 0D 05 24 1C 14 0C 04 23 1B 13 0B 03 22 1A 12 0A 02 21 19 11 09 01 20 18 10 08 00 3）用户RAM区 在内部RAM的128个单元中，通用寄存器占了32个单元，位寻址区占了16个单元，剩下80个单元，这就是供用户使用的一般RAM区，其单元地址为30H～7FH。 对用户RAM区的使用没有任何规定和限制，但在实际使用中，常需在RAM区设置堆栈。这在编程中使用RAM单元时应特别注意，不要和栈区单元混淆。 3．内部数据存储器（RAM）高128单元 内部数据存储器（RAM）高128单元是供给专用寄存器使用的，其单元地址为80H～FFH。但这21个专用寄存器的地址分散地分布在80H～FFH的地址空间中，只占用了高128单元中的21个单元。因这些寄存器的功能已作专门规定，故称之为专用寄存器（Special Function Register），也可称之为特殊功能寄存器。 1）特殊功能寄存器（SPR）简介 8051/89C51共有21个专用寄存器，现把其中部分寄存器简单介绍如下： （1）程序计数器（Program Counter，PC） PC是一个16位的计数器，它的作用是控制程序的执行顺序，其内容为下一条要执行的指令的地址，寻址范围达64KB。PC有自动加1的功能，从而实现程序的顺序执行。PC没有地址，是不可寻址的，因此用户无法对它进行读/写操作，但可以通过转移、调用、返回等指令改变其内容，以实现程序的转移。因地址不在SFR（专用寄存器）内，一般不计作专用寄存器。 （2）累加器（Accumulator，ACC） 累加器为8位寄存器，是最常用的专用寄存器，功能较多，地位重要。它既可用于存放操作数，也可用来存放运算的中间结果。MCS-51单片机中大部分单操作数指令的操作数就取自累加器，许多双操作数指令中的一个操作数也取自累加器。 （3）B寄存器 B寄存器也是一个8位寄存器，主要用于乘除运算。乘法运算时，B存乘数，乘法操作后，乘积的高8位存于B中；除法运算时，B存除数，除法操作后，余数存于B中。此外，B寄存器也可作为一般寄存器使用。 （4）程序状态字（Program Status Word，PSW） 程序状态字是一个8位寄存器，用于存放程序运行中的各种状态信息。其中有些位的状态是根据程序执行结果，由硬件自动设置的，而有些位的状态则使用软件 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 设定。PSW的位状态可以用专门指令进行测试，也可以用指令读出。一些条件转移指令根据PSW某些位的状态进行程序转移。PSW的各位定义如图1-10所示。 PSW位地址： D7H D6H D5H D4H D3H D2H D1H D0H CY AC F0 RS1 RS0 OV — P 图1-10 PSW的各位定义 PSW的字节地址为D0H。 除PSW.1位保留未用外，其余各位的定义及使用如下： CY（PSW.7）——进位标志位。CY是PSW中最常用的标志位。其功能有二：一是存放算术运算的进位标志，在进行加或减运算时，如果操作结果的最高位有进位或借位时，CY由硬件置“1”（Single Chip Micro Computer），否则清“0”；二是在位操作中作累加位使用。位传送、位与位等位操作，进位标志位是固定的操作位之一。 AC（PSW.6）——辅助进位标志位。在进行加或减运算中，当低4位向高4位进位或借位时，AC由硬件置“1”，否则AC位清“0”。在BCD码调整中也要用到AC位状态。 F0（PSW.5）——用户标志位。这是一个供用户定义的标志位，需要利用软件方法置位或复位，用于控制程序的转向。 RS1和RS0（PSW.4、PSW.3）——工作寄存器组选择位。它们被用于选择CPU当前使用的通用寄存器组。通用寄存器共有4组，其对应关系如表1-5所示。 表1-5 通用寄存器组的选择 RS1 RS0 寄存器组 0 0 第0组 00H—07H 0 1 第1组 08H—0FH 1 0 第2组 10H—17H 1 1 第3组 18H—1FH 这两个选择位的状态是由软件设置的，被选中的寄存器组即为当前通用寄存器组。当单片机上电或复位后，RS1：RS0=00。 OV（PSW.2）——溢出标志位。在带符号数加减运算中，OV=1表示加减运算超出了累加器A所能表示的符号数有效范围（-128～+127），即产生了溢出；因此运算结果是错误的；OV=0表示运算正确，即无溢出产生。 在乘法运算中，OV=1表示乘积超过255，即乘积分别在B与A中；OV=0表示乘积只在A中。 在除法运算中，OV=1表示除数为0，除法不能进行；OV=0表示除法可正常进行。 P（PSW.0）——奇偶标志位，表明累加器A中内容的奇偶性。如果A中有奇数个“1”，则P置“1”，否则置“0”。凡是改变累加器A中内容的指令均会影响P标志位。 该标志位对串行通信中的数据传输有重要的意义，在串行通信中常采用奇偶校验的办法来校验数据传输的可靠性。 （5）数据指针（DPTR） 数据指针为16位寄存器。编程时，DPTR既可以按16位寄存器使用，也可以按两个8位寄存器分开使用，即： DPH DPTR高8位字节 DPL DPTR 低8位字节 DPTR通常在访问外部数据存储器时作地址指针使用。由于外部数据存储器的寻址范围为64KB，故把DPTR设计为16位。 （6）堆栈指针 （Stack Pointer，SP） 堆栈是一个特殊的存储区，用来暂存数据和地址，它是按“先进后出”的原则存取数据的。堆栈共有两种操作：进栈和出栈。 由于MCS-51单片机的堆栈设在内部RAM中，因此SP是一个8位寄存器。系统复位后，SP的内容为07H，从而复位后堆栈实际上是从08H单元开始的，但08H～1FH单元分别属于工作寄存器1～3区，如果程序要用到这些区，最好把SP值改为更大的值。一般在内部RAM的30H～7FH单元中开辟堆栈。SP的内容一经确定，堆栈的位置也就跟着确定下来，由于SP可初始化为不同的值，因此，堆栈位置是浮动的。 这里只集中讲述了6个专用寄存器，其余的专用寄存器（如TCON、TMOD、IE、IP、SCON、PCON、SBUF等）将在以后章节中陆续介绍。 2）特殊功能寄存器中的字节寻址和位寻址 MCS-51系列单片机有21个可寻址的专用寄存器，其中有11个专用寄存器是可以位寻址的。下面把各寄存器的字节地址及位地址并列于表1-6和表1-7中。 表1-6 专用寄存器地址表 符 号 名 称 地 址 ACC B PSW 累加器 B寄存器 程序状态字 E0H F0H D0H SP DPTR P0 堆栈指针 数据指针（包括DPH和DPL） P0口锁存寄存器 81H 82H 83H 80H P1 P2 P3 P1口锁存寄存器 P2口锁存寄存器 P3口锁存寄存器 90H A0H B0H IP IE TMOD 中断优先级控制寄存器 中断允许控制寄存器 定时/计数器工作方式状态寄存器 B8H A8H 89H TCON TH0 TL0 定时/计数器控制寄存器 定时/计数器0（高字节） 定时/计数器0（低字节） 88H 8CH 8AH TH1 TL1 定时/计数器1（高字节） 定时/计数器1（低字节） 8DH 8BH SCON SBUF PCON 串行口控制寄存器 串行口数据缓冲器 电源控制寄存器 98H 99H 87H 表1-7 可进行位寻址的SFR的分布 SFR 位地址/位定义 字节地址 MSB LSB B0 F7H F6H F5H F4H F3H F2H F1H F0H F0H ACC E7H F6H E5H E4H E3H E2H E1H E0H E0H PSW D7H D6H D5H D4H D3H D2H D1 D0H D0H CY AC F0 RS1 RS0 OV — P IP BFH BEH BDH BCH BBH BAH B9H B8H B8H PS PT1 PX1 PT0 PX0 P3 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 BOH P3.7 P3.6 P3.5 P3.4 P3.3 P3.2 P3.1 P3.0 IE AF AE AD AC AB AA A9 A8 A8H EA ES ET1 EX1 ET0 EX0 P2 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 A0H P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0 SCON 9F 9E 9D 9C 9B 9A 99 98 98H SM0 SM1 SM2 REN TB8 RB8 TI RI P1 97 96 95 94 93 92 91 90 90H P1.7 P1.6 P1.5 P1.4 P1.3 P1.2 P1.1 P1.0 TCON 8F 8E 8D 8C 8B 8A 89 88 88H TF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IE0 IT0 P0 87 86 85 84 83 82 81 80 80H P0.7 P0.6 P0.5 P0.4 P0.3 P0.2 P0.1 P0.0 对专用寄存器的字节寻址问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 作如下几点说明： （1）21个可字节寻址的专用寄存器不连续地分散在内部RAM高128单元之中，尽管还余有许多空闲地址，但用户并不能使用。 （2）程序寄数器PC不占据RAM单元，它在物理上是独立的，因此是不可寻址的寄存器。 （3）对专用寄存器只能使用直接的寻址方式，书写时既可使用寄存器符号，也可使用寄存器单元地址。 全部专用寄存器可位寻址的位共83位，这些位都具有专门的定义和用途。这样，加上位寻址的128位，在MCS-51的内部RAM中共有128+83=211个可寻址位。 1.2.3 MCS-51单片机的内部程序存储器 MCS-51的程序存储器用于存放编好的程序和表格常数。8051片内有4KB的ROM，8751片内有4KB的EPROM，8031片内无程序存储器。MCS-51的片外最多能扩张64KB程序存储器，片内外的ROM是统一编址的。 端保持高电平时，8051的程序计数器PC在0000H～0FFFH地址范围内（即前4KB地址）执行片内ROM中的程序，当PC在1000H～FFFFH地址范围内时，自动执行片外程序存储器中的程序； 保持低电平时，只能寻址外部程序存储器，片外存储器可以从0000H开始编址。 MCS-51程序存储器有些单元具有特殊功能，使用时应予以注意。 其中一组特殊单元为0000H～0002H。系统复位后，（PC）=0000H，单片机从0000H单元开始取指令执行程序。如果程序不从0000H单元开始，应在这三个单元中存放一条无条件转移指令，以便直接转去执行指定的程序。 还有一组特殊的单元是0003H～002AH，共40个单元。这40个单元被均匀地分为5段，作为5个中断源的中断地址区，其中： 0003H～000AH 外部中断0中断地址区； 000BH～0012H 定时/计数器0中断地址区； 0013H～001AH 外部中断1中断地址区； 001BH～0022H 定时/计数器1中断地址区； 0023H～002AH 串行中断地址区。 中断响应后，按中断种类，自动转到各中断区的首地址区执行程序，因此在中断地址区中理应存放中断服务程序。通常情况下，8 个单元难以存下一个完整的中断服务程序，因此也通常从中断地址区首地址开始存放一条无条件转移指令，以便中断响应后，通过中断地址区再转到中断服务程序的实际入口地址。 1.3 MCS-51单片机的并行端口结构 单片机芯片内还有一项主要内容即并行I/O口。MCS-51共有4个8位的I/O口，分别记作P0、P1、P2、P3。每个口都包含一个锁存器、一个输出驱动器和输入缓冲器。实际上，它们已被归入专用寄存器之列，并且具有字节寻址和位寻址功能。 在访问片外扩展存储器时，低8位地址和数据由P0分时传送，高8位地址由P2口传送。在无片外扩展存储器的系统中，这4个口的每一位均可作为双向的I/O端口使用。 MCS-51单片机的4个I/O口都是8位双向口，这些口在结构和特性上基本相同，但又各具特点，以下对其分别作以介绍。 1.3.1 P0口 P0口的口线逻辑电路如图1-11所示。 由图可知，电路中包含一个数据输出锁存器、两个三态数据输入缓冲器、一个数据输出的驱动电路和一个输出控制电路。当对P0口进行写操作时，由锁存器和驱动电路构成数据输出通路。由于通路中已有输入锁存器，因此数据输出时可以与外设直接连接，而不需再加数据锁存电路。 图1-11 P0口某位结构 考虑到P0口既可以作为通用的I/O口进行数据输入/输出，也可以作为单片机系统的地址/数据线使用，为此在P0口的电路中有一个多路转接电路MUX。在控制信号的作用下，多路转接电路可以分别接通锁存器输出或地址/数据线。当作为通用的I/O口使用时，内部的控制信号为低电平，封锁与门，将输出电路的上拉场效应管（FET）截止，同时使多路转接电路MUX接通被封锁存器 端的输出通路。 当P0口作为输出口使用时，内部的写脉冲加在D触发器的CP端，数据写入锁存器，并向端口输出。 当P0口作为输入口使用时，应区分读引脚和读端口两种情况，为此，在端口电路中有两个用于读入驱动的三态缓冲器。所谓读引脚即读芯片引脚的数据，这时使用下方的数据缓冲器，由“读引脚”信号把缓冲器打开，把端口引脚上的数据从缓冲器通过内部总线读进来。使用传送指令（MOV）进行读端口操作都是属于这种情况。 读端口是指通过上面的缓冲器读锁存器Q端的状态。在端口已处于输出状态的情况下，Q端与引脚信号是一致的，这样安排的目的是为了适应对端口进行“读——修改——写”操作指令的需要。例如，“ANL P0，A”就是属于这类指令，执行时先读入P0口锁存器中的数据，然后与A的内容进行逻辑与，再把结果送回P0口。对于这类“读——修改——写”指令，不直接读引脚而读锁存器是为了避免可能出现的错误。因为在端口已处于输出状态的情况下，如果端口的负载恰是一个晶体管的基极，导通了的PN结会把端口引脚的高电平拉低，这样直接读引脚就会把本来的“1”误读为“0”；但若从锁存器Q端读，就能避免这样的错误，得到正确的数据。 需要注意的是，当P0口进行一般的I/O输出时，由于输出电路是漏极开路电路，因此必须外接上拉电阻才能有高电平输出；当P0口进行一般的I/O输入时，必须先向电路中的锁存器写入“1”使FET截止，以避免锁存器为“0”状态时对引脚读入的封锁。 在实际应用中，P0口绝大多数情况下都是作为单片机系统的地址/数据线使用，这要比一般I/O口应用简单。当输出地址或数据时，由内部发出控制信号，打开上面的与门，并使多路转接电路MUX处于内部地址/数据线与驱动场效应管栅极反向接通状态，这时输出驱动电路由于上、下两个FET处于反相，形成推拉式电路结构，使负载能力大为提高。当输入数据时，数据信号直接从引脚通过输入缓冲器进入内部总线。 1.3.2 P1口 P1口的口线逻辑电路如图1-12所示。 因为P1口通常是作为通用I/O口使用的，所以在电路结构上与P0口有一些不同之处：首先它不再需要多路转接电路MUX；其次是电路的内部有上拉电阻，与场效应管共同组成输出驱电路。因此，P1口作为输出口使用时，已经能向外提供推拉电流负载，无需再外接上拉电阻。当P1口作为输入口使用时，同样也需先向锁驱动电路FET截止。 1.3.3 P2口 P2口的口线逻辑电路如图1-13所示。 P2口电路比P1口电路多了一个多路转接电路MUX，这又正好与P0口一样。P2口可以作为通用I/O口使用，这时多路转接电路开关倒向锁存器Q端。通常情况下，P2口是作为高位地址线使用，此时多路转接电路开关应倒向相反方向。 图1-13 P2口某位结构 1.3.4 P3口 P3口的口线逻辑电路如图1-14所示。 P3口的特点在于适应引脚信号第二功能的需要，增强了第二功能控制逻辑。由于第二功能信号有输入和输出两类，因此分两种情况说明。对于第二功能为输出的信号引脚，当作为I/O使用时，第二功能信号引脚应保持高电平，与非门开通，以维持从锁存器到输出端数据输出通路的畅通。输出第二功能信号时，该位的锁存器应置“1”，使与非门对第二功能信号的输出是畅通的，从而实现第二功能信号的输出。 图1-14 P3口某位结构 对于第二功能为输入的信号引脚，在口线的输入通路上增加了一个缓冲器，输入的第二功能信号就从这个缓冲器的输出端取得。而作为I/O使用的数据输入，仍取自三态缓冲器的输出端。不管是作为输入口使用还是第二功能信号输入，输出电路中的锁存器输出和第二功能输出信号线都应该保持高电平。 1.4 时钟电路与复位电路 时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，而时序所研究的是指令执行中各信号之间的相互关系。单片机本身就如一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在惟一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。 1.4.1 时钟电路与时序 1．时钟电路 1）时钟电路的产生 在MCS-51芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器，即单片机的时钟电路。如图1-15所示。 时钟电路产生的振荡脉冲经过触发器进行二分频之后，才成为单片机的时钟脉冲信号。请读者特别注意时钟脉冲与振荡脉冲之间的二分频关系，否则会造成概念上的错误。 一般地，电容C1和C2取30pF左右，晶体的振荡频率范围是2MHz～12MHz。晶体振荡频率高，则系统的时钟频率也高，从而单片机运行速度也就快。通常情况下，MCS-51的应用振荡频率为6 MHz或12 MHz。 2）引入外部脉冲信号 在由多片单片机组成的系统中，为了各单片机之间时钟信号的同步，应当引入惟一的公用外部脉冲信号作为单片机的振荡脉冲。这时，外部的脉冲信号经XTAL2引脚注入，其连接如图1-16所示。 图1-15 时钟振荡电路 图1-16 外部时钟源接法 2．时序 时序是用定时单位来说明的。MCS-51的时序单位共有4个，从小到大依次是：节拍、状态、机器周期和指令周期。下面分别加以说明。 （1）节拍与状态 把振荡脉冲的周期定义为节拍（用P表示）。振荡脉冲经过二分频后，就是单片机的时钟信号周期，将其定义为状态（用S表示）。 这样，一个状态包含两个节拍。与前半周期对应的节拍为节拍1（P1），与后半周期对应的节拍为节拍2（P2）。 （2）机器周期 MCS-51采用定时控制方式，因此它有固定的机器周期。规定一个机器周期的宽度为6个状态，并依次表示为S1～S6。由于一个状态又包括两个节拍，因此，一个机器周期总共有12个节拍，分别记作S1P1、S1P2、……、S6P2。一个机器周期共有12个振荡脉冲周期，因此机器周期就是振荡脉冲的12分频。 当振荡脉冲频率为12MHz时，一个机器周期为1μs；当振荡脉冲频率为6MHz时，一个机器周期为2μs。 （3）指令周期 指令周期是最大的时序定时单位，执行一条命令所需要的时间称为指令周期。它一般由若干个机器周期组成，不同的指令，所需要的机器周期数也不相同。通常，包含一个机器周期的指令称为单周期指令，包含两个机器周期的指令称为双周期指令等。 指令的执行速度与指令所包含的机器周期有关，机器周期数越少的指令其执行的速度越快。MCS-51单片机通常可以分为单周期指令、双周期指令和四周期指令三种。四周期指令只有乘法和除法指令两条，其余都为单周期和双周期指令。 单片机执行任何一条指令时都可以分为取指令阶段和执行指令阶段。MCS-51的取指/执行时序如图1-17所示。 由图1-17可知，ALE引脚上出现的信号是周期性的，在每个机器周期内出现两次高电平：第一次出现在S1P2和S2P1其间，第二次出现在S4P2和S5P1其间。ALE信号每出现一次，CPU就进行一次取指操作，但由于不同指令的字节数和机器周期数不同，因此取指令操作也随指令不同而有些小差异。 图1-17 MCS-51单片机的取指/执行时序 按照指令字节数和机器周期数，8051的111条指令可分为6类，分别是：单字节单周期指令、单字节双周期指令、单字节四周期指令、双字节单周期指令、双字节双周期指令、三字节双周期指令，参见附录。 图1-17（a）、图1-17（b）分别给出了单字节单周期和双字节双周期指令的时序。单周期指令的执行始于S1P2，这时操作码被锁存到指令寄存器内。若是双字节指令，则在同一机器周期的S4读第二字节；若是单字节指令，在S4仍有读操作，但被读入的字节无效，且程序计数器PC并不增量。图1-17（c）给出了单字节双周期指令的时序，两个机器周期内进行了四次读操作码操作。因为是单字节指令，所以，后三次操作都是无效的。 1.4.2 单片机的复位电路 单片机复位是使CPU和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从该状态开始工作，例如复位后PC=0000H，使单片机从第一个单元取指令。实训中已经看出，无论是在单片机刚开始接上电源时，还是断电后或者发生故障后都要复位，所以必须弄清楚MCS-51型单片机复位的条件、复位电路和复位后状态。 单片机复位的条件是：使RST/VPD引脚（9）加上持续两个机器周期（即24个振荡周期）的高电平。例如，若时钟频率为12MHz，则每个机器周期为1μs，只需2μs以上时间的高电平，在RST引脚出现高电平后的第二个机器周期单片机执行复位。单片机常见的复位电路如图1-18（a）、图1-18（b）所示。 图1-18 单片机常见复位电路 图1-18（a）为上电复位电路，它是利用电容充电来实现的。在接电瞬间，RESET端的电位与VCC相同，随着充电电流的减少，RESET的电位逐渐下降。只要保证RESET为高电平的时间大于两个机器周期，便能正常复位。 图1-18（b）为按键复位电路。该电路除了具有上电复位功能，还可以使用中复位，只需按下图1-18（b）中的RESET键，此时电源VCC经电阻R1、R2分压，在RESET端产生一个复位高电平。附录中的实训系统就是采用该电路。 单片机复位期间不产生ALE和 信号，即ALE=1。这表明单片机复位不会有任何取址操作。复位后，内部各专用寄存器状态如下： PC： 0000H TMOD： 00H ACC： 00H TCON： 00H B： 00H TH0： 00H PSW： 00H TL0： 00H SP： 07H TH1： 00H DPTR： 0000H TL1： 00H P0～P3： FFH CON： 00H IP： **00000B SBUF： 不定 IE： **00000B PCON： 0***0000B 其中，*表示无关位。请注意： （1）复位后PC值为0000H，表明复位后程序从0000H开始执行，这一点在实训中已经介绍。 （2）SP值为07H，表明堆栈底部在07H。一般需重新设置SP值。 （3）P0～P3口值为FFH。P0～P3口用作输入口时，必须先写入“1”。单片机在复位后，已使P0～P3口每一端线为“1”，为这些端线用作输入口做好了准备。 1.5 单片机的工作过程 单片机的工作过程实质上是执行用户已编制好的程序的过程。程序的机器码一般都已固化到存储器中，例如在1.6节实训中的步骤3，开机复位后，就可以执行程序。执行程序即一条条执行指令，执行指令又是取指令和执行指令的周而复始的过程。 假设机器码74H、E0H已存在于0000H开始的单元中，则此表示把E0H这个值送入A累加器。下面对单片机的工作过程加以说明。 接通电源开机后，PC=0000H，取指令的过程如下： （1）PC中的0000H送到片内的地址寄存器； （2）PC的内容自动加1变为0001H，指向下一个指令字节； （3）地址寄存器中的内容0000H通过地址总线送到存储器，经存储器中的地址译码选中0000H单元； （4）CPU通过控制总线发出读命令； （5）被选中单元的内容74H送至内部数据总线，该内容通过内部数据总线送到单片机内部的指令寄存器。至此，取指令过程结束，进入执行指令过程。 指令的执行过程如下： （1）指令寄存器中的内容经指令译码器译码后，说明这条指令是取数命令，即把一个立即数送A中； （2）PC的内容为0001H，送至地址寄存器，译码后选中0001H单元，同时PC的内容自动加1变为0002H； （3）CPU同样通过控制总线发出读命令； （4）读出0001H