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3、单片机里面结构详解(以MCS-51为例)

MCS-51单片机结构

MCS-51系列单片机居品有8051，8031，8751，80C51，80C31等型号（前三种为CMOS芯片，后两种为CHMOS芯片）。它们的结构基本调换，其主要辞别反应在存储器的建树上。8051里面设有4K字节的掩模ROM才能存储器，8031片内莫得才能存储器，而8751是将8051片内的ROM换成EPROM。由ATMEL公司坐蓐的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单片机的结构作一先容。 2．1  MCS-51单片机里面结构 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线等一台计较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； ◆ 一个片内震荡器实时钟电路； ◆ 4K字节ROM才能存储器； ◆ 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外部才能存储器空间的规模电路； ◆ 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。各功能部件由里面总线汇注在沿途。 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是单片机的中枢部件。它由运算器和规模器等部件组成。 ⑴ 运算器 运算器的功能是进行算术运算和逻辑运算。不错对半字节（4位）、单字节等数据进行操作。举例能完成加、

减、乘、除、加1、减1、BCD码十进制治愈、相比等算术运算和与、或、异或、求补、轮回等逻辑操作，操作

后果的景色信息送至景色寄存器。 8051运算器还包含有一个布尔顾问器，用来顾问位操作。它是以进位符号位C为累加器的，可实施置位、复位

、取反、等于1转化、等于0转化、等于1转化且清0以及进位符号位与其他可寻址的位之间进行数据传送等位操

作。也能使进位符号位与其他可位寻址的位之间进行逻辑与、或操作。

才能计数器PC

才能计数器PC用来存放行将要实施的请示地址，共16位，可对64K才能存储器班师寻址。实施请示时，PC内容的

低8位经P0口输出，高8位经P2口输出。

令寄存器

请示寄存器中存放请示代码。CPU实施请示时，由才能存储器中读取的请示代码送入请示寄存器，经译码后由定时与规模电路发出相应的规模信号，完成请示功能。

定时与规模部件

①时钟电路 8051片内设有一个由反向放大器所组成的震荡电路，XTAL1和 XTAL2诀别为震荡电路的输入和输出端，时钟不错由里面形状产生或外部形状产生。里面形状时钟电路如图2-2所示。在XTAL1和 XTAL2引脚上外接定时元件，里面震荡电路就产生自激震荡。定时元件无为给与石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶振不错在1.2MHz到12MHz之间选拔，电容值在5-30PF之间选拔，电容的大小可起频率微调作用。

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外部形状的时钟很少用，若要用时，惟有将XTAL1接地，XTAL2接外部震荡器就行。对外部震荡信号无特殊条件，惟有保证脉冲宽度，一般给与频率低于12MHz的方波信号。 时钟发生器把震荡频率两分频，产生一个两相时钟信号P1和P2供单片机使用。P1在每一个景色S的前半部分有用，P2在每个景色的后半部分有用。 ②  时序 MCS-51典型的请示周期（实施一条请示的时候称为请示周期）为一个机器周期，一个机器周期由六个景色（十二震荡周期）组成。每个景色又被分红两个时相P1和P2。是以，一个机器周期不错按次暗意为S1P1，S1P2……，S6P1，S6P2。无为算术逻辑操作在P1时相进行，而里面寄存器传送在P2时相进行。 图2-3给出了8051单片机的取指和实施请示的定时关系。这些里面时钟信号不行从外部不雅察到，所用XTAL2震荡信号作参考。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用：一次在S1P2与S2P1时间，另一次在S4P2与S5P1时间。

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关于单周期请示，当操作码被送入请示寄存器时，便从S1P2开动实施请示。如果是双字节单机器周期请示，则在合并机器周期的S4时间读入第二个字节，如若单字节单机器周期请示，则在S4时间仍进行读，但所读的这个字节操作码被忽略，才能计数器也不加1，在S6P2收尾时完成请示操作。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请示的时序。8051请示大部分在一个机器周期完成。乘（MUL）和除（DIV）请示是仅有的需要两个以上机器周期的请示，占用4个机器周期。关于双字节单机器周期请示，无为是在一个机器周期内从才能存储器中读入两个字节，唯有MOVX请示例外。MOVX是探问外部数据存储器的单字节双机器周期请示。在实施MOVX请示时间，外部数据存储器被探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请示的时序。

2、存储器 MCS-51单片机的才能存储器和数据存储器空间是相互悲怆的，物理结构也不同。才能存储器为只读存储器（ROM）。数据存储器为或然存取存储器（RAM）。单片机的存储器编址形状给与与使命寄存器、I/O口锁存器长入编址的形状。干系存储器的内容将鄙人一节中胪陈。 3、I/O端口 I/O端口又称为I/O接口，也叫作念I/O通说念或I/O通路，I/O端口是MCS-51单片机对外部杀青规模和信拒却换的必经之路，I/O端口有串行和并行之分，串行I/O端口一次只可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线都能悲怆时用作输入或输出。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）， 首页-新盛安机场有限公司负载材干为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， 佛山市星旭电子有限公司包括1个输出锁存器，重庆嘉木机械有限公司2个三态缓冲器，1个输出驱动电路和1个输出规模端。输出驱动电路由一双场效应管组成，其使命景色受输出端的规模，输出规模端由1个与门、1个反相器和1个更动开关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，此时规模端应为高电平，更动开关MUX将反相器输出端与输出级场效应管V2接通，同期与门开锁，里面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，这时里面总线上的地址或数据信号就传送到P0口的引脚上。使命时低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扩张本领）。 ② P0口作通用I/O端口使用 关于有里面ROM的单片机，PO口也不错作通用I/O，此时规模端为低电平，更动开关把输出级与锁存器的Q端接通，同期因与门输出为低电平，输出级V1管处于截止景色，输出级为漏极开路电路，在驱动NMOS电路时应外接上拉电阻；作输进口用时，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上头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。结构上这么安排是为了慷慨：“读一修改一写”请示的需要，这类请示的本性时：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。举例：ANL PO，A；ORL PO，A；XRL PO，T恤A；…。 这类请示不异稳妥与P1～P3口，其操作是：先将口字节的全部8位数读入，再通过请示修改某些位，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口是一个有里面上拉电阻的准双向口，位结构入图2-5所示，P1口的每一位口线能悲怆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”写进口锁存器，使场效应管截止。该口线由里面上拉电阻提拉成高电平，同期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，由于具有里面上拉电阻，也不错班师被集电特殊开路和漏极开路电路驱动，无谓外加上拉电阻。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编程和考证才能时，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的外部规模输入端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口多一个输出规模部分。

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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，此时更动开关MUX倒向左边，输出级与锁存器接通，引脚可接I/O建设，其输入输出操作与P1口全都调换。 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的规模下，更动开关MUX倒向右边，接通里面地址总线。P2口的口线景色取决于片内输出的地址信息，这些地址信息开端于PCH、DPH等。在外接才能存储器的系统中，由于探问外部存储器的操作不息不息，P2口不燃烧出地址高8位。举例，在8031组成的系统中，P2口一般只作地址总线口使用，不再作I/O端口班师连外部建设。 在不接外部才能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类请示由PO口送出8位地址，P2口上引脚的信号在通盘探问外部数据存储器时间也不会蜕变，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类请示，由PO口和P2口送出16位地址。在读写周期内，P2口引脚上将保抓地址信息，但从结构可知，输出地址时，并不条件P2口锁存器锁存“1”，锁存器内容也不会在送地址信息时蜕变。故探问外部数据存储器周期收尾后，P2口锁存器的内容又会再行出当今引脚上。这么，证明探问外部数据存储器的时常进度，P2口仍可在一定截至内作一般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，亦然一个准双向口，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。

动作第二功能使用时，每一位功能界说如表2-1所示。P3口的第二功能本色上即是系统具有规模功能的规模线。此时相应的口线锁存器必须为“1”景色，与非门的输出由第二功能输出线的景色详情，从而P3口线的景色取决于第二功能输出线的电平。在P3口的引脚信号输入通说念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，第二个缓冲器还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（数据领受）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讯号输出

P3.7

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---外部数据存储器读选通讯号输入

每个I/O端口里面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标语P0、P1、P2和P3同名，齐为特殊功能寄存器。因此，CPU数据从并行I/O端口输出时不错获得锁存，数据输入时不错获得缓冲。 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形状。写端话柄际上即是输出数据，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。读端口不是的确的从外部输入数据，而是将端口锁存器中输出数据读到CPU的累加器。读引脚才是的确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本色上是通过请示或才能来杀青的，这些将在以后章节中着重先容。 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端口既不错在才能规模下将CPU的八位并行数据造成串行数据一位一位地从发送数据线TXD发送出去，也不错把串行领受到的数据造成八位并行数据送给CPU，何况这种串行发送和串行领受不错单独进行，也不错同期进行。 8051串行发送和串行领受运用了P3口的第二功能，即运用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领受线RXD，如表2-1所示。串行I/O口的电路结构还包括串行口规模器SCON、电源及波特率选拔寄存器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用于设立串行口使命形状和详情数据的发送和领受波特率，SBUF本色上由两个八位寄存器组成，一个用于存放欲发送的数据，另一个用于存放领受到的数据，起着数据的缓冲作用，这些将在第七章中着重加以先容。 4、总线 MCS-51单片机属总线型结构，通过地址/数据总线不错与存储器（RAM、EPROM）、并行I/O接口芯片相贯穿。 在探问外部存储器时，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口经受数据作准备。 在探问外部才能存储器（即实施MOVX）请示时，PSEN（外部才能存储器选通）信号有用，在探问外部数据存储器（即实施MOVX）请示时，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位进行读/写操作。 MCS-51单片机所产生的地址、数据和规模信号与外部存储器、并行I/O接口芯片贯穿浅近、便捷。干系这部天职容将在第8章文告。

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