MCS-51单片机内部结构和原理

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1、第2章MCS-51单片机内部结构和原理MCS-51单片机是高性能8位单片机,其代表是8051。该系列其他单片机以8051为核心,再增加一定的功能部件后构成的。在单片机中除了有CPU、存储器和输入/输出接口外,还有定时器/计数器、串行I/O接口和中断系统等逻辑部件。本章主要介绍MCS-51单片机的基本结构和功能、存储器、I/O口以及单片机的引脚功能等。2.1MCS-51单片机内部结构与封装2.1.1MCS-51单片机基本结构及功能MCS-51单片机是由8位CPU、程序存储器(EPROM/ROM)、数

2、据存储器(RAM)、并行I/O口、串行I/O口、定时器/计数器、中断系统、振荡器和时钟电路等部分组成,各部分通过内部总线相连。MCS-51单片机系统结构如下图所示。P3P1P2可编程串行I/O口P0外部中断基准频率源控制128B数据存储器4KB程序存储器2个16位定时/计数器振荡器及定时电路CPU64KB总线扩展控制可编程并行I/O口内部中断计数脉冲串行输出串行输入中央处理器是MCS-51单片机的核心,完成运算和控制操作。故CPU由运算器和控制器两大部分组成。1.中央处理器(CPU)(1)运算器。

3、用来完成算术运算、逻辑运算和位操作。它由算术/逻辑单元(ALU)、累加器A、寄存器B、暂存寄存器、程序状态字寄存器PSW等组成。算术/逻辑单元(ALU)由加法器和相应的控制器逻辑电路组成,可实现8位数据的加减乘除算术运算和与、或等逻辑运算,又具有位处理功能。累加器A是一个非常常用的寄存器。运算时将一个操作数经暂存寄存器送至ALU,与另一个来自暂存寄存器的操作数在ALU中运算,结果又送入累加器A中。寄存器B在乘、除运算时用来存放一个操作数,也用来存放结果的一部分。暂存寄存器用来暂时存放数据总线和其他

4、寄存器送来的操作数。程序状态字寄存器PSW是状态标志寄存器,用来保存ALU运算结果的特征和处理状态。(2)控制器。用来统一控制和协调单片机进行工作的部件。由程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器ID和定时及控制逻辑电路等部分组成。程序计数器PC是16位计数器,总是存放下一条要读取指令所在存储单元的16位地址。每取完一个字节后PC自动加1。单片机复位时PC自动清0,即装入地址0000H。指令寄存器IR用来保存当前正在执行的一条指令。指令译码器ID用来翻译操作码,确定所要执行的操作。定时与控制逻辑

5、是CPU的核心部件,它控制读指令、执行指令、存取操作数或运算结果等操作,向其他部件发出各种操作控制信号,协调各部件工作。2.存储器MCS-51的储存器结构与常见的微型计算机的配置方法不同,它将程序存储器和数据存储器分开,各有自己的寻址方式、控制信号和功能。程序存储器用来存放程序和始终要保留的常数。数据存储器存放程序运行中所需要的常数和变量。从物理空间看,MCS-51有四个存储器地址空间:片内数据存储器、片外数据存储器片内程序存储器、片外程序存储器MCS-51存储器物理结构见下图所示:外部数据存储器

6、(RAM)外部程序存储器(ROM)内部程序存储器内部数据存储器8XX51从逻辑上看,MCS-51有三个存储器空间:片内数据存储器、片外数据存储器片内、片外统一编址的程序存储器MCS-51的存储器逻辑结构如图1-2所示。MCS-51存储器物理结构3.定时器/计数器MCS-51单片机有2个16位定时器/计数器,实现定时和计数功能。4.并行I/O口MCS-51单片机有4个8位I/O口,即P0、P1、P2和P3,实现数据并行输入输出。5.串行口MCS-51单片机有一个全双工串行口(UART),利用P3.0

7、(RXD)和P3.1(TXD)实现单片机与外设的数据传送。6.中断控制系统MCS-51单片机有5个中断源,包括2个外部中断,2个定时/计数中断,1个串行中断。有高级和低级两个优先级。7.时钟电路主要为单片机产生时钟脉冲序列,石英晶体和微调电容需要外接,典型晶振频率为11.0592MHz、12MHz和24MHz,微调电容容量为20pF~30pF。8.总线为了减少单片机的连线和引脚,提高集成度和可靠性,系统的地址信号、数据信号和控制信号都是通过总线传送的,因此有三种总线,即地址总线、数据总线和控制总线

8、。2.1.2MCS-51单片机引脚分布及功能图2-2是89C51的引脚结构图,有双列直插封装(DIP)方式和方形封装方式。下面分别叙述这些引脚的功能。图2-289C51的引脚结构1.电源引脚VCC和VSSVCC(40脚):电源端,接+5V。VSS(20脚):接地端,有时标为GND。2.时钟信号引脚XTAL1和XTAL2XTAL1(19脚):接外部晶振和微调电容的一端,也是外部时钟源的输入端。XTAL2(18脚):接外部晶振和微调电容的另一端,采用外部时钟源时该脚悬空。判断单片机的振

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