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本章将对8051单片机的结构作一介绍

发布日期:2024-06-25 10:29    点击次数:186

本章将对8051单片机的结构作一介绍

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3、单片机内部结构详解(以MCS-51为例)

MCS-51单片机结构

MCS-51系列单片机产品有8051,8031,8751,80C51,80C31等型号(前三种为CMOS芯片,后两种为CHMOS芯片)。它们的结构基本相同,其主要差别反映在存储器的配置上。8051内部设有4K字节的掩模ROM程序存储器,8031片内没有程序存储器,而8751是将8051片内的ROM换成EPROM。由ATMEL公司生产的89C51将EPROM改成了4K的闪速存储器,他们的结构大同小异,本章将对8051单片机的结构作一介绍。 2.1  MCS-51单片机内部结构 2.1.1、 MCS-51单片机组成

MCS-51单片机是在一块芯片中集成了CPU,RAM,ROM、定时器/计数器和多种功能的I/O线等一台计算机所需要的基本功能部件。MCS-51单片机内包含下列几个部件: ◆ 一个8位CPU; ◆ 一个片内振荡器及时钟电路; ◆ 4K字节ROM程序存储器; ◆ 128字节RAM数据存储器; ◆ 两个16位定时器/计数器; ◆ 可寻址64K外部数据存储器和64K外部程序存储器空间的控制电路; ◆ 32条可编程的I/O线(四个8位并行I/O端口); ◆ 一个可编程全双工串行口; ◆ 具有五个中断源、两个优先级嵌套中断结构。

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8051单片机框图如图2-1所示。各功能部件由内部总线联接在一起。 图中4K(4096)字节的ROM存储器部分用EPROM替换就成为8751;图中去掉ROM部分就成为8031的结构图。 1、 CPUCPU是单片机的核心部件。它由运算器和控制器等部件组成。 ⑴ 运算器 运算器的功能是进行算术运算和逻辑运算。可以对半字节(4位)、单字节等数据进行操作。例如能完成加、

减、乘、除、加1、减1、BCD码十进制调整、比较等算术运算和与、或、异或、求补、循环等逻辑操作,操作

结果的状态信息送至状态寄存器。 8051运算器还包含有一个布尔处理器,用来处理位操作。它是以进位标志位C为累加器的,可执行置位、复位

、取反、等于1转移、等于0转移、等于1转移且清0以及进位标志位与其他可寻址的位之间进行数据传送等位操

作。也能使进位标志位与其他可位寻址的位之间进行逻辑与、或操作。

程序计数器PC

程序计数器PC用来存放即将要执行的指令地址,共16位,可对64K程序存储器直接寻址。执行指令时,PC内容的

低8位经P0口输出,高8位经P2口输出。

令寄存器

指令寄存器中存放指令代码。CPU执行指令时,由程序存储器中读取的指令代码送入指令寄存器,经译码后由定时与控制电路发出相应的控制信号,完成指令功能。

定时与控制部件

①时钟电路 8051片内设有一个由反向放大器所构成的振荡电路,XTAL1和 XTAL2分别为振荡电路的输入和输出端,时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。内部方式时钟电路如图2-2所示。在XTAL1和 XTAL2引脚上外接定时元件,内部振荡电路就产生自激振荡。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶振可以在1.2MHz到12MHz之间选择,电容值在5-30PF之间选择,电容的大小可起频率微调作用。

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外部方式的时钟很少用,若要用时,只要将XTAL1接地,XTAL2接外部振荡器就行。对外部振荡信号无特殊要求,只要保证脉冲宽度,一般采用频率低于12MHz的方波信号。 时钟发生器把振荡频率两分频,产生一个两相时钟信号P1和P2供单片机使用。P1在每一个状态S的前半部分有效,P2在每个状态的后半部分有效。 ②  时序 MCS-51典型的指令周期(执行一条指令的时间称为指令周期)为一个机器周期,一个机器周期由六个状态(十二振荡周期)组成。每个状态又被分成两个时相P1和P2。所以,一个机器周期可以依次表示为S1P1,S1P2……,S6P1,S6P2。通常算术逻辑操作在P1时相进行,而内部寄存器传送在P2时相进行。 图2-3给出了8051单片机的取指和执行指令的定时关系。这些内部时钟信号不能从外部观察到,所用XTAL2振荡信号作参考。在图中可看到,低8位地址的锁存信号ALE在每个机器周期中两次有效:一次在S1P2与S2P1期间,另一次在S4P2与S5P1期间。

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对于单周期指令,当操作码被送入指令寄存器时,便从S1P2开始执行指令。如果是双字节单机器周期指令,则在同一机器周期的S4期间读入第二个字节,若是单字节单机器周期指令,则在S4期间仍进行读,但所读的这个字节操作码被忽略,程序计数器也不加1,在S6P2结束时完成指令操作。图2-3的(a)和(b)给出了单字节单机器周期和双字节单机器周期指令的时序。8051指令大部分在一个机器周期完成。乘(MUL)和除(DIV)指令是仅有的需要两个以上机器周期的指令,占用4个机器周期。对于双字节单机器周期指令,通常是在一个机器周期内从程序存储器中读入两个字节,唯有MOVX指令例外。MOVX是访问外部数据存储器的单字节双机器周期指令。在执行MOVX指令期间,外部数据存储器被访问且被选通时跳过两次取指操作。图2-3中(c)给出了一般单字节双机器周期指令的时序。

2、存储器 MCS-51单片机的程序存储器和数据存储器空间是互相独立的,物理结构也不同。程序存储器为只读存储器(ROM)。数据存储器为随机存取存储器(RAM)。单片机的存储器编址方式采用与工作寄存器、I/O口锁存器统一编址的方式。有关存储器的内容将在下一节中详述。 3、I/O端口 I/O端口又称为I/O接口,也叫做I/O通道或I/O通路,I/O端口是MCS-51单片机对外部实现控制和信息交换的必经之路,I/O端口有串行和并行之分,串行I/O端口一次只能传送一位二进制信息,并行I/O端口一次能传送一组二进制信息。 ⑴、并行I/O端口 MCS-51单片机设有四个8位双向I/O端口(P0、P1、P2、P3),每一条I/O线都能独立地用作输入或输出。P0口为三态双向口,能带8个LSTTL电路。P1、P2、P3口为准双向口(在用作输入线时,口锁存器必须先写入“1”,故称为准双向口), 劲屡网络负载能力为4个LSTTL电路。 1)、P0端口功能(P0.0~P0.7、32~39脚)

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图2-4 是 P0口位结构, 宁波经济技术开发区汇星贸易有限公司包括1个输出锁存器,青铜峡市洁辛混凝土有限公司2个三态缓冲器,1个输出驱动电路和1个输出控制端。输出驱动电路由一对场效应管组成,其工作状态受输出端的控制,输出控制端由1个与门、1个反相器和1个转换开关MUX组成。对8051/8751来讲P0口既可作为输入输出口,又可作为地址/数据总线使用,① P0口作地址/数据复用总线使用 若从P0口输出地址或数据信息,此时控制端应为高电平,转换开关MUX将反相器输出端与输出级场效应管V2接通,同时与门开锁,内部总线上的地址或数据信号通过与门去驱动V1管,又通过反相器去驱动V2管,这时内部总线上的地址或数据信号就传送到P0口的引脚上。工作时低8位地址与数据线分时使用P0口。低8位地址由ALE信号的负跳变使它锁存到外部地址锁存器中,而高8位地址由P2口输出(P0口和P2口的地址/数据总线功能,请阅第八章MCS-51扩展技术)。 ② P0口作通用I/O端口使用 对于有内部ROM的单片机,PO口也可以作通用I/O,此时控制端为低电平,转换开关把输出级与锁存器的Q端接通,同时因与门输出为低电平,输出级V1管处于截止状态,输出级为漏极开路电路,在驱动NMOS电路时应外接上拉电阻;作输入口用时,应先将锁存器写“1”,这时输出级两个场效应管均截止,可作高阻抗输入,通过三态输入缓冲器读取引脚信号,从而完成输入操作。 ③ PO口线上的“读一修改一写”功能 图2-4上面一个三态缓冲器是为了读取锁存器Q端的数据。Q端与引脚的数据是一致的。结构上这样安排是为了满足:“读一修改一写”指令的需要,这类指令的特点时:先读口锁存器,随之可能对读入的数据进行修改再写入到端口上。例如:ANL PO,A;ORL PO,A;XRL PO,公司简介A;…。 这类指令同样适合与P1~P3口,其操作是:先将口字节的全部8位数读入,再通过指令修改某些位,然后将新的数据写回到口锁器中。 2)P1口(P1.0~P1.7、1~8脚)准双向口 ① P1口作通用I/O端口使用 P1口是一个有内部上拉电阻的准双向口,位结构入图2-5所示,P1口的每一位口线能独立用作输入线或输出线。作输出时,如将“0”写入锁存器,场效应管导通,输出线为低电平,即输出为“0”。因此在作输入时,必须先将“1”写入口锁存器,使场效应管截止。该口线由内部上拉电阻提拉成高电平,同时也能被外部输入源拉成低电平,即当外部输入“1”时该口线为高电平,而输入“0”时,该口线为低电平。P1口作输入时,可被任何TTL电路和MOS电路驱动,由于具有内部上拉电阻,也可以直接被集电极度开路和漏极开路电路驱动,不必外加上拉电阻。P1口可驱动4个LSTTL门电路。

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② P1口其他功能 P1口在EPROM编程和验证程序时,它输入低8位地址;在8032/8052系列中P1.0 和P1.1是多功能的,P1.0可作定时器/计数器2的外部计数触发输入端T2,P1.1可作定时器/计数器2的外部控制输入端T2EX。 3) P2口(P2.0~P2.7,21~28脚)准双向口 P2口的位结构如图2-6所示,引脚上拉电阻同P1口。在结构上,P2口比P1口多一个输出控制部分。

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① P2口作通用I/O端口使用 当P2口作通用I/O端口使用时,是一个准双向口,此时转换开关MUX倒向左边,输出级与锁存器接通,引脚可接I/O设备,其输入输出操作与P1口完全相同。 ② P2口作地址总线口使用 当系统中接有外部存储器时,P2口用于输出高8位地址A15~A8。这时在CPU的控制下,转换开关MUX倒向右边,接通内部地址总线。P2口的口线状态取决于片内输出的地址信息,这些地址信息来源于PCH、DPH等。在外接程序存储器的系统中,由于访问外部存储器的操作连续不断,P2口不断送出地址高8位。例如,在8031构成的系统中,P2口一般只作地址总线口使用,不再作I/O端口直接连外部设备。 在不接外部程序存储器而接有外部数据存储器的系统中,情况有所不同。若外接数据 存储器容量为256B,则可使用MOVX  A,@Ri类指令由PO口送出8位地址,P2口上引脚的信号在整个访问外部数据存储器期间也不会改变,故P2口仍可作通用I/O端口使用。若外接存储器容量较大,则需用MOVX A,@DPTR类指令,由PO口和P2口送出16位地址。在读写周期内,P2口引脚上将保持地址信息,但从结构可知,输出地址时,并不要求P2口锁存器锁存“1”,锁存器内容也不会在送地址信息时改变。故访问外部数据存储器周期结束后,P2口锁存器的内容又会重新出现在引脚上。这样,根据访问外部数据存储器的频繁程度,P2口仍可在一定限度内作一般I/O端口使用。P2口可驱动4个LSTTL门电路。 4) P3口(P3.0~P3.7、10~17脚)双功能口 P3口是一个多用途的端口,也是一个准双向口,作为第一功能使用时,其功能同P1口。P3口的位结构如图 2-7。

当作第二功能使用时,每一位功能定义如表2-1所示。P3口的第二功能实际上就是系统具有控制功能的控制线。此时相应的口线锁存器必须为“1”状态,与非门的输出由第二功能输出线的状态确定,从而P3口线的状态取决于第二功能输出线的电平。在P3口的引脚信号输入通道中有两个三态缓冲器,第二功能的输入信号取自第一个缓冲器的输出端,第二个缓冲器仍是第一功能的读引脚信号缓冲器。P3口可驱动4个LSTTL门电路。

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 表 2-1  P3口的第二功能

端  口  功  能

第  二  功  能

P3.0

RXD---串行输入(数据接收)口

P3.1

TXD---串行输出(数据发送)口

P3.2

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---外部中断0输入线

P3.3

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---外部中断1输入线

P3.4

T0  ---定时器0外部输入

P3.5

T1  ---定时器1外部输入

P3.6

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---外部数据存储器写选通信号输出

P3.7

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---外部数据存储器读选通信号输入

每个I/O端口内部都有一个八位数据输出锁存器和一个八位数据输入缓冲器,四个数据输出锁存器与端口号P0、P1、P2和P3同名,皆为特殊功能寄存器。因此,CPU数据从并行I/O端口输出时可以得到锁存,数据输入时可以得到缓冲。 四个并行I/O端口作为通用I/O口使用时,共有写端口、读端口和读引脚三种操作方式。写端口实际上就是输出数据,是将累加器A或其它寄存器中数据传送到端口锁存器中,然后由端口自动从端口引脚线上输出。读端口不是真正的从外部输入数据,而是将端口锁存器中输出数据读到CPU的累加器。读引脚才是真正的输入外部数据的操作,是从端口引脚线上读入外部的输入数据。端口的上述三种操作实际上是通过指令或程序来实现的,这些将在以后章节中详细介绍。 ⑵、串行I/O端口 8051有一个全双工的可编程串行I/O端口。这个串行I/O端口既可以在程序控制下将CPU的八位并行数据变成串行数据一位一位地从发送数据线TXD发送出去,也可以把串行接收到的数据变成八位并行数据送给CPU,而且这种串行发送和串行接收可以单独进行,也可以同时进行。 8051串行发送和串行接收利用了P3口的第二功能,即利用P3.1 引脚作为串行数据的发送线TXD和P3.0引脚作为串行数据的接收线RXD,如表2-1所示。串行I/O口的电路结构还包括串行口控制器SCON、电源及波特率选择寄存器PCON和串行数据缓冲器SBUF等,它们都属于特殊功能寄存器SFR。其中PCON和SCON用于设置串行口工作方式和确定数据的发送和接收波特率,SBUF实际上由两个八位寄存器组成,一个用于存放欲发送的数据,另一个用于存放接收到的数据,起着数据的缓冲作用,这些将在第七章中详细加以介绍。 4、总线 MCS-51单片机属总线型结构,通过地址/数据总线可以与存储器(RAM、EPROM)、并行I/O接口芯片相连接。 在访问外部存储器时,P2口输出高8位地址,P0口输出低8位地址,由ALE(地址锁存允许)信号将P0口(地址/数据总线)上的低8位锁存到外部地址锁存器中,从而为P0口接受数据作准备。 在访问外部程序存储器(即执行MOVX)指令时,PSEN(外部程序存储器选通)信号有效,在访问外部数据存储器(即执行MOVX)指令时,由P3口自动产生读/写(

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/

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)信号,通过P0口对外部数据存储器单元进行读/写操作。 MCS-51单片机所产生的地址、数据和控制信号与外部存储器、并行I/O接口芯片连接简单、方便。有关这部分内容将在第8章叙述。

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