1、郑州大学第第1 1章章 MCS-51MCS-51单片机的结构与原理单片机的结构与原理主要内容：主要内容：讨论讨论MCS-51MCS-51内部结构、特点、工作方式、内部结构、特点、工作方式、时序和最小应用系统。为学生后续学习单片时序和最小应用系统。为学生后续学习单片机应用系统设计、利用单片机解决工程实际机应用系统设计、利用单片机解决工程实际问题打下坚实的基础。重点在于基本概念、问题打下坚实的基础。重点在于基本概念、组成原理、特点及组成原理、特点及MCS-51MCS-51的最小应用系统。的最小应用系统。docin/sundae_meng郑州大学1.1 MCS-511.1 MCS-51单片机硬件结构
2、及引脚单片机硬件结构及引脚 MCS-51MCS-51系列单片机都是以系列单片机都是以IntelIntel公司最早的典型产品公司最早的典型产品80518051为核心，增加了一定的功能部件后构成的，本章以为核心，增加了一定的功能部件后构成的，本章以80518051为主介绍为主介绍MCS-51MCS-51系列单片机系列单片机 。1.1.1 MCS-51单片机的内部结构 MCS-51MCS-51单片机的组成：单片机的组成：CPUCPU(进行运算、控制进行运算、控制)、RAMRAM(数据存数据存储器储器)、ROMROM(程序存储器）、程序存储器）、I/OI/O口口(串口、并口）、串口、并口）、内部总线内
3、部总线 和和中断系统中断系统等。等。组成框图组成框图如下：郑州大学内部结构如下：内部结构如下：郑州大学 组成：组成：运算器、控制器。80518051的的CPUCPU包含以下功能部件：包含以下功能部件：（1 1）8 8位位CPUCPU。（2 2）布尔代数处理器，具有位寻址能力。）布尔代数处理器，具有位寻址能力。（3 3）128B128B内部内部RAMRAM数据存储器，数据存储器，2121个专用寄存器。个专用寄存器。（4 4）4KB4KB内部掩膜内部掩膜ROMROM程序存储器。程序存储器。（5 5）2 2个个1616位可编程定时器位可编程定时器/计数器。计数器。（6 6）3232个（个（4 48
4、8位）双向可独立寻址的位）双向可独立寻址的I/OI/O口。口。（7 7）1 1个全双工个全双工UARTUART（异步串行通信口）。（异步串行通信口）。（8 8）5 5个中断源、两级中断优先级的中断控制器。个中断源、两级中断优先级的中断控制器。（9 9）时钟电路，外接晶振和电容可产生）时钟电路，外接晶振和电容可产生1.2MHz1.2MHz12 MHz12 MHz的时钟频率。的时钟频率。（1010）外部程序）外部程序/数据存储器寻址空间均为数据存储器寻址空间均为64KB64KB。（1111）111111条指令，大部分为单字节指令。条指令，大部分为单字节指令。（1212）单一）单一+5V+5V电源供
5、电，双列直插电源供电，双列直插4040引脚引脚DIPDIP封装。封装。1.中央处理器（中央处理器（CPU）郑州大学（1）运算器）运算器组成：组成：8位算术逻辑运算单元位算术逻辑运算单元ALU（Arithmetic Logic Unit）、）、8位累加器位累加器A（Accumulator）、）、8位寄存器位寄存器B、程序状态字寄存器程序状态字寄存器PSW（Program Status Word）、）、8位暂存寄存器位暂存寄存器TMP1和和TMP2等。等。功能：功能：完成算术运算和逻辑运算。完成算术运算和逻辑运算。（2）控制器）控制器组成：组成：程序计数器程序计数器PC（Program Count
6、er）、指令寄存器）、指令寄存器IR（Instruction Register）、指令译码器）、指令译码器ID（Instruction Decoder）、堆栈指针）、堆栈指针SP、数据指针、数据指针DPTR、定时控制逻辑和振荡器、定时控制逻辑和振荡器OSC等电路。等电路。功能：功能：CPU根据根据PC中的地址将欲执行指令的指令码从存储器中中的地址将欲执行指令的指令码从存储器中取出，存放在取出，存放在IR中，中，ID对对IR中的指令码进行译码，定时控中的指令码进行译码，定时控制逻辑在制逻辑在OSC配合下对配合下对ID译码后的信号进行分时，以产生执译码后的信号进行分时，以产生执行本条指令所需全部信
7、号。行本条指令所需全部信号。的全部信号的全部信号。郑州大学2.存储器存储器（1 1）程序存储器）程序存储器 放用户程序、数据和表格等信息。MCS-51单片机按单片机按程序存储器可分为内部程序存储器可分为内部无无ROM型（如型（如8031）和内部有和内部有ROM型（如型（如8051）两种，连接时）两种，连接时 引脚有区别。程序存储引脚有区别。程序存储器结构如右图所示：器结构如右图所示：EA郑州大学（2）数据存储器）数据存储器 P14 一般将随机存储器（一般将随机存储器（RAMRAM）用做数据存储器。可寻址空）用做数据存储器。可寻址空间为间为64KB64KB。MCS-51MCS-51数据存储器可分
8、为片内和片外两部分数据存储器可分为片内和片外两部分。片外片外RAM：最大范围：最大范围：0000HFFFFH，64KB；用指令；用指令MOVX访问。访问。片内片内RAM：最大范围：最大范围：00HFFH，256B；用指令；用指令MOV访问。又分访问。又分为两部分：低为两部分：低128B（007FH）为真正的为真正的RAM区，高区，高128B（80FFH）为特殊功能寄存器）为特殊功能寄存器（SFR）区。如右图所示。）区。如右图所示。郑州大学 内部内部RAM的的20H2FH单元为单元为位寻址区，既可位寻址区，既可作为一般单元用作为一般单元用字节寻址，也可字节寻址，也可对它们的位进行对它们的位进行寻
9、址。位地址为寻址。位地址为00H7FH。CPU能直接寻址能直接寻址这些位（称这些位（称MCS-51具有布尔处理具有布尔处理功能），位地址功能），位地址分配如右表所示。分配如右表所示。郑州大学3特殊功能寄存器（特殊功能寄存器（SFRSFR）MCS-51有有21个特殊功能个特殊功能寄存器（专用寄存器），寄存器（专用寄存器），包括算术运算寄存器、包括算术运算寄存器、指针寄存器、指针寄存器、I/O口锁口锁存器、定时器存器、定时器/计数器、计数器、串行口、中断、状态、串行口、中断、状态、控制寄存器等，它们被控制寄存器等，它们被离散地分布在内部离散地分布在内部RAM的的80HFFH地址单元地址单元中（不包
10、括中（不包括PC），共占，共占据了据了128个存储单元，个存储单元，构成了构成了SFR存储块。其存储块。其字节地址可被字节地址可被8整除的整除的SFR可位寻址。可位寻址。SFR反反映了映了MCS-51单片机的单片机的运行状态。特殊功能寄运行状态。特殊功能寄存器分布如右表所示。存器分布如右表所示。郑州大学（2 2）累加器）累加器A A（AccumulatorAccumulator）累加器累加器A是是8位寄存器，又记做位寄存器，又记做ACC，是一个最常用的专，是一个最常用的专用寄存器。在算术用寄存器。在算术/逻辑运算中用于存放操作数或结果。逻辑运算中用于存放操作数或结果。（3 3）寄存器）寄存器B
11、 B 寄存器寄存器B 是是8位寄存器，是专门为乘除法指令设计的，也位寄存器，是专门为乘除法指令设计的，也作通用寄存器用。作通用寄存器用。（1 1）程序计数器）程序计数器PCPC（Program CounterProgram Counter）程序计数器程序计数器PC在物理上是独立的，它不属于在物理上是独立的，它不属于SFR存储器块。存储器块。PC是一个是一个16位的计数器，专门用于存放位的计数器，专门用于存放CPU将要执行的指令将要执行的指令 地址（即下一条指令的地址），寻址范围为地址（即下一条指令的地址），寻址范围为64KB，PC有自动有自动 加加1功能，不可寻址，用户无法对它进行读写，但是可
12、以通过功能，不可寻址，用户无法对它进行读写，但是可以通过 转移、调用、返回等指令改变其内容，以控制程序执行的顺序。转移、调用、返回等指令改变其内容，以控制程序执行的顺序。表2-5 工作寄存器组选择控制表（4 4）工作寄存器）工作寄存器 内部内部RAM的工作寄存器区的工作寄存器区00H1FH共共32个字节被均匀地个字节被均匀地分成四个组（区），每个组（区）有分成四个组（区），每个组（区）有8个寄存器，分别用个寄存器，分别用R0R7表示，称为工作寄存器或通用寄存器，其中，表示，称为工作寄存器或通用寄存器，其中，R0、R1还经常用还经常用于间接寻址的地址指针。在程序中通过程序状态字寄存器于间接寻址的
13、地址指针。在程序中通过程序状态字寄存器（PSW）第）第3、4位设置工作寄存器区。位设置工作寄存器区。（5 5）程序状态字）程序状态字PSW PSW（Program Status WordProgram Status Word）程序状态字程序状态字PSW是是8位寄存器，用于存放程序运行的状态位寄存器，用于存放程序运行的状态信息，信息，PSW中各位状态通常是在指令执行的过程中自动形成的，中各位状态通常是在指令执行的过程中自动形成的，但也可以由用户根据需要采用传送指令加以改变。其定义格式但也可以由用户根据需要采用传送指令加以改变。其定义格式如下页表所示。如下页表所示。郑州大学其中：其中：CyCy：进
14、借位标志；进借位标志；ACAC：辅助进借位标志；辅助进借位标志；F F0 0：用户根据需要用指令设置标志，控制程序走向；用户根据需要用指令设置标志，控制程序走向；RSRS1 1、RSRS0 0：工作寄存器组（区）选择（如下表所示）；工作寄存器组（区）选择（如下表所示）；OVOV：溢出标志位，有溢出时置溢出标志位，有溢出时置1；P P：奇偶标志位。奇偶标志位。A中有奇数个中有奇数个1时置时置1。郑州大学（6 6）数据指针）数据指针DPTRDPTR（Data PointerData Pointer）数据指针数据指针DPTR是是16位的专用寄存器，即可作为位的专用寄存器，即可作为16位寄存器位寄存器
15、使用，也可作为两个独立的使用，也可作为两个独立的8位寄存器位寄存器DPH（高（高8位）位）、DPL（低（低8位）使用。位）使用。DPTR主要用作主要用作16位间址寄存器，位间址寄存器，访问程序存访问程序存储器和片外数据寄存器。储器和片外数据寄存器。（7 7）堆栈指针）堆栈指针SPSP（Stack PointerStack Pointer）堆栈是一种数据结构，是内部堆栈是一种数据结构，是内部RAM的一段区域。堆栈存取的一段区域。堆栈存取数据的原则是数据的原则是“后进先出后进先出”。堆栈指针。堆栈指针SP是一个是一个8位寄存器，用位寄存器，用于指示堆栈的栈顶，它决定了堆栈在内部于指示堆栈的栈顶，它
16、决定了堆栈在内部RAM中的物理位置。中的物理位置。MCS-51单片机的单片机的堆栈地址向大的方向变化堆栈地址向大的方向变化（与微机堆栈地（与微机堆栈地址向小的方向变化相反）。系统复位后，址向小的方向变化相反）。系统复位后，SP初值为初值为07H，实际，实际应用中通常根据需要在主程序开始处对堆栈指针应用中通常根据需要在主程序开始处对堆栈指针SP进行初始化，进行初始化，一般设置一般设置SP为为60H。设立堆栈的目的是用于数据的暂存，中断、子程序调用时设立堆栈的目的是用于数据的暂存，中断、子程序调用时断点和现场的保护与恢复。断点和现场的保护与恢复。郑州大学（8 8）I/OI/O口专用寄存器（口专用寄
17、存器（P0,P1,P2,P3P0,P1,P2,P3）8051片内有片内有4个个8位并行位并行I/O接口接口P0,P1,P2和和P3，在，在SFR中相中相应有应有4个个I/O口寄存器口寄存器P0,P1,P2和和P3。（9 9）定时器）定时器/计数器（计数器（TL0,TH0,TL1TL0,TH0,TL1和和TH1TH1）MCS-51单片机中有两个单片机中有两个16位的定时器位的定时器/计数器计数器T0和和T1，它，它们由们由4个个8位寄存器（位寄存器（TL0,TH0,TL1和和TH1）组成，）组成，2个个16位定位定时器时器/计数器是完全独立的。可以单独对这计数器是完全独立的。可以单独对这4个寄存
18、器进行寻址，个寄存器进行寻址，但不能把但不能把T0和和T1当做当做16位寄存器来使用。位寄存器来使用。（1010）串行数据缓冲器（）串行数据缓冲器（SBUFSBUF）串行数据缓冲器串行数据缓冲器SBUF用于存放需要发送和接收的数据，它用于存放需要发送和接收的数据，它由两个独立的寄存器组成（发送缓冲器和接收缓冲器），要发由两个独立的寄存器组成（发送缓冲器和接收缓冲器），要发送和接收的操作其实都是对串行数据缓冲器送和接收的操作其实都是对串行数据缓冲器SBUF进行的进行的。（1111）其他控制寄存器）其他控制寄存器 除除上述外，还有上述外，还有IP,IE,TCON,SCON和和PCON等几个寄存等几
19、个寄存器，主要用于中断、定时和串行口的控制，器，主要用于中断、定时和串行口的控制，郑州大学 I/O接口是接口是MCS-51单片机对外部实现控制和信息交单片机对外部实现控制和信息交换的必经之路，用于信息传送过程中的速度匹配和增加它换的必经之路，用于信息传送过程中的速度匹配和增加它的负载能力。的负载能力。8051内部有内部有4个个8位并行接口位并行接口P0,P1,P2,P3，有，有1个全双工的可编程串行个全双工的可编程串行I/O接口。接口。5 5定时器定时器/计数器计数器 8051内部有两个内部有两个16位可编程序的定时器位可编程序的定时器/计数器，均计数器，均为二进制加为二进制加1计数器，分别命
20、名为计数器，分别命名为T0和和T1。T0和和T1均有定时器和计数器两种工作模式。在定时均有定时器和计数器两种工作模式。在定时器模式下，器模式下，T0和和T1的计数脉冲可以由单片机时钟脉冲经的计数脉冲可以由单片机时钟脉冲经12分频后提供。在计数器模式下，分频后提供。在计数器模式下，T0和和T1的计数脉冲可的计数脉冲可以从以从P3.4和和P3.5引脚上输入。对引脚上输入。对T0和和T1的控制由定时器的控制由定时器方式选择寄存器方式选择寄存器TMOD和定时器控制寄存器和定时器控制寄存器TCON完成。完成。4 4I/OI/O接口接口郑州大学6 6中断系统中断系统 中断：中断：指指CPU暂停原程序执行，
21、转而为外部设备服务（执行暂停原程序执行，转而为外部设备服务（执行中断服务程序），并在服务完后返回到原程序执行的过程。中断服务程序），并在服务完后返回到原程序执行的过程。中断系统：中断系统：指能够处理上述中断过程所需要的硬件电路。指能够处理上述中断过程所需要的硬件电路。中断源：中断源：指能产生中断请求信号的源泉。指能产生中断请求信号的源泉。8051可处理可处理5个中断源（个中断源（2个外部，个外部，3个内部）发出的个内部）发出的中断请求，并可对其进行优先权处理。外部中断的请求信号可中断请求，并可对其进行优先权处理。外部中断的请求信号可以从以从P3.2,P3.3（即（即INT0和和INT1）引脚上
22、输入，有电平）引脚上输入，有电平或边沿两种触发方式；内部中断源有或边沿两种触发方式；内部中断源有3个，个，2个定时器个定时器/计数器计数器中断源和中断源和1个串行口中断源。个串行口中断源。8051的中断系统主要由中断允许控制器的中断系统主要由中断允许控制器IE和中断优先和中断优先级控制器级控制器IP等电路组成。等电路组成。0INT1INT郑州大学1.1.2 MCS-511.1.2 MCS-51单片机外部引脚单片机外部引脚 1 1电源线电源线 GNDGND：接地引脚。接地引脚。V VCCCC：正电源引脚。接正电源引脚。接5V5V电源。电源。MCS-51MCS-51系列单片机中，各类单片机都是相互
23、兼容的，只是系列单片机中，各类单片机都是相互兼容的，只是引脚功能略有差异。引脚功能略有差异。80518051单片机有单片机有4040个引脚，分为端口线、电源个引脚，分为端口线、电源线和控制线三类。线和控制线三类。2 2端口线端口线 P0P0P3P3口：口：4 48=328=32条。条。（1 1）P0P0口（口（P0.0P0.0P0.7 P0.7）8 8位双向三态位双向三态I/OI/O口，可作为外部扩展时的数口，可作为外部扩展时的数据总线据总线/低低8 8位地址总线的分时复用口。又可作为位地址总线的分时复用口。又可作为通用通用I/OI/O口，每个引脚可驱动口，每个引脚可驱动8 8个个TTLTTL
24、负载。负载。对对EPROMEPROM型芯片（如型芯片（如87518751）进行编程和校验）进行编程和校验时，时，P0P0口用于输入口用于输入/输出数据。输出数据。郑州大学（2 2）P1P1口（口（P1.0P1.0P1.7P1.7）8位准双向位准双向I/O口，内部具有上拉电阻，可作为通用口，内部具有上拉电阻，可作为通用I/O口。每个引脚可驱动口。每个引脚可驱动4个个TTL负载。负载。（3 3）P2P2口（口（P2.0P2.0P2.7P2.7）8位准双向位准双向I/O口，内部具有上拉电阻，可作为外部扩口，内部具有上拉电阻，可作为外部扩展时的高展时的高8位地址总线。又可作为通用位地址总线。又可作为通
25、用I/O口，每个引脚可口，每个引脚可驱动驱动4个个TTL负载。负载。对对EPROM型芯片（如型芯片（如8751）进行编程和校验时，用来）进行编程和校验时，用来接收高接收高8位地址。位地址。（4 4）P3P3口（口（P3.0P3.0P3.7 P3.7）8位准双向位准双向I/O口，内部具有上拉电阻。它是双功能口，内部具有上拉电阻。它是双功能复用口，作为通用复用口，作为通用I/O口时，功能与口时，功能与P1口相同，常用第二口相同，常用第二功能。每个引脚可驱动功能。每个引脚可驱动4个个TTL负载。作为第二功能使用时，负载。作为第二功能使用时，各位的作用如下页表所示。各位的作用如下页表所示。郑州大学3
26、3控制线控制线（1 1）RST/VRST/VPDPD RST/VPD引脚是复位信号引脚是复位信号/备用电源线引脚。当备用电源线引脚。当8051通电时，在通电时，在RST引脚上出现引脚上出现24个时钟周期以上的高个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。电平，系统即初始复位。郑州大学（2 2）ALE/ALE/PROGPROG 地址锁存允许地址锁存允许/编程引脚。当访问外部程序存储器时，编程引脚。当访问外部程序存储器时，ALEALE的输出用于锁存地址的低位字节，以便的输出用于锁存地址的低位字节，以便P0P0口实现地址口实现地址/数数据复用。当不访问外部程序存储器时，据复用。当不访问外部程序存储器时，
27、ALEALE端将输出一个端将输出一个1/61/6时钟频率的正脉冲信号。时钟频率的正脉冲信号。ALE/ALE/PROGPROG是复用引脚，其第二功能是对是复用引脚，其第二功能是对EPROMEPROM型芯片（如型芯片（如87518751）进行编程和校验时，此引脚传送）进行编程和校验时，此引脚传送52ms52ms宽的负脉冲选通宽的负脉冲选通信号，程序计数器信号，程序计数器PCPC的的1616位地址数据将出现在位地址数据将出现在P0P0和和P2P2口上，口上，外部程序存储器则把指令码放到外部程序存储器则把指令码放到P0P0口上，由口上，由CPUCPU读入并执行。读入并执行。（3 3）EAEA/V/VP
28、PPP 允许访问片外程序存储器允许访问片外程序存储器/编程电源引脚。对于片内无编程电源引脚。对于片内无程序存储器的程序存储器的MCS-51MCS-51单片机（如单片机（如80318031），该引脚接地。片内），该引脚接地。片内有程序存储器的有程序存储器的MCS-51MCS-51单片机（如单片机（如80518051），该引脚接高电平。），该引脚接高电平。EAEA/V/VPPPP是复用引脚，其第二功能是片内是复用引脚，其第二功能是片内EPROMEPROM编程编程/校验时校验时的电源线，在编程时，的电源线，在编程时，V VPPPP脚需加上脚需加上21V21V的编程电压。的编程电压。PROGEAEAE
29、AEA郑州大学（4 4）XTAL1XTAL1和和XTAL2XTAL2 XTAL1脚为片内振荡电路的输入端，脚为片内振荡电路的输入端，XTAL2脚为片脚为片内振荡电路的输出端。内振荡电路的输出端。8051的时钟有两种方式，一种是片的时钟有两种方式，一种是片内时钟振荡方式，但需在内时钟振荡方式，但需在XTAL1和和XTAL2脚外接石英晶脚外接石英晶体（频率为体（频率为1.212MHz）和振荡电容，振荡电容的值一）和振荡电容，振荡电容的值一般取般取1030pF，典型值为，典型值为30pF；另外一种是外部时钟；另外一种是外部时钟方式，即将方式，即将XTAL1接地，外部时钟信号从接地，外部时钟信号从XT
30、AL2脚输入，脚输入，如下图所如下图所示示。（5 5）PSENPSEN 片外片外ROM选通线。选通线。在执行访问片外在执行访问片外ROM的的指令指令MOVC时，时，8051自自动在该引脚产生一个负脉动在该引脚产生一个负脉冲，用于对片外冲，用于对片外ROM的的选通。其他情况下，该引选通。其他情况下，该引脚均为高电平封锁状态。脚均为高电平封锁状态。郑州大学1.2 MCS-511.2 MCS-51单片机的工作方式单片机的工作方式 MCS-51系列单片机的工作方式可分为：复位系列单片机的工作方式可分为：复位方式、程序执行方式、单片执行方式、掉电保护方方式、程序执行方式、单片执行方式、掉电保护方式、节电
31、工作方式和式、节电工作方式和EPROM编程编程/校验方式。校验方式。1.2.1 1.2.1 复位方式复位方式 系统开始运行和重新启动靠复位电路来实现，系统开始运行和重新启动靠复位电路来实现，这种工作方式为复位方式。这种工作方式为复位方式。单片机在开机时都需要复位，以便单片机在开机时都需要复位，以便CPU及其他及其他功能部件都处于一种确定的初始状态，并从这个状功能部件都处于一种确定的初始状态，并从这个状态开始工作。态开始工作。MCS-51单片机在单片机在RST引脚产生两个机器周期引脚产生两个机器周期（即（即24个时钟周期）以上的高电平即可实现复位。个时钟周期）以上的高电平即可实现复位。郑州大学复
32、位电路复位电路 示。郑州大学 复位后，8051的各特殊功能寄存器的初始状态如下表所示。郑州大学1.2.2 程序执行方式程序执行方式 分为连续执行工作方式和单步执行工作方式。分为连续执行工作方式和单步执行工作方式。1 1连续执行工作方式连续执行工作方式 这是所有单片机都需要的一种方式。单片机复位这是所有单片机都需要的一种方式。单片机复位后，后，PCPC值为值为0000H0000H，因此单片机复位后立即转到，因此单片机复位后立即转到0000H0000H处执行程序。单片机按照程序事先编排的任务，自动处执行程序。单片机按照程序事先编排的任务，自动连续地执行下去。连续地执行下去。2 2单步执行工作方式单
33、步执行工作方式 这是用户调试程序的一种工作方式，在单片机开这是用户调试程序的一种工作方式，在单片机开发系统上有一专用的单步按键（或软件调试环境）。发系统上有一专用的单步按键（或软件调试环境）。按一次，单片机就执行一条指令（仅仅执行一条），按一次，单片机就执行一条指令（仅仅执行一条），这样就可以逐条检查程序，发现问题进行修改。这样就可以逐条检查程序，发现问题进行修改。单步执行方式是利用单片机外部中断功能实现的。单步执行方式是利用单片机外部中断功能实现的。郑州大学 节电工作方式是一种低功耗的工作方式，可分为空闲（等节电工作方式是一种低功耗的工作方式，可分为空闲（等待）方式和掉电（停机）方式。是针对
34、待）方式和掉电（停机）方式。是针对CHMOS类芯片而设计类芯片而设计的，的，HMOS型单片机不能工作在节电方式，但它有一种掉电型单片机不能工作在节电方式，但它有一种掉电保护功能。保护功能。1 1HMOSHMOS单片机的掉电保护单片机的掉电保护 当当VCC突然掉电时，单片机通过中断将必须保护的数据送突然掉电时，单片机通过中断将必须保护的数据送入内部入内部RAM，备用电源，备用电源VPD可以维持内部可以维持内部RAM中的数据不丢中的数据不丢失。失。2 2CHMOSCHMOS单片机的节电方式单片机的节电方式 CHMOS型单片机是一种低功耗器件，正常工作时电流为型单片机是一种低功耗器件，正常工作时电流
35、为1122mA，空闲状态时为，空闲状态时为1.75mA，掉电方式为，掉电方式为550 A。因此，。因此，CHMOS型单片机特别适用于低功耗应用场合，型单片机特别适用于低功耗应用场合，它的空闲方式和掉电方式都是由电源控制寄存器它的空闲方式和掉电方式都是由电源控制寄存器PCON中相应中相应的位来控制。的位来控制。1.2.3 节电方式节电方式 郑州大学（1 1）电源控制寄存器）电源控制寄存器PCONPCON PCON各位的定义如下表所示。IDLIDL：空闲方式控制位，该位为空闲方式控制位，该位为1 1时，单片机进入空闲待机工作时，单片机进入空闲待机工作方式。方式。PDPD：掉电方式控制位，为掉电方式
36、控制位，为1 1时，单片机进入掉电工作方式。时，单片机进入掉电工作方式。上面的上面的IDLIDL、PDPD同时为同时为1 1，则进入掉电工作方式，同时为，则进入掉电工作方式，同时为0 0，则工作在正常运行状态。则工作在正常运行状态。GF0,GF1GF0,GF1：通用标志位，描述中断是来自正常运行还是来自空通用标志位，描述中断是来自正常运行还是来自空闲方式，用户可通过指令设定它们的状态。闲方式，用户可通过指令设定它们的状态。SMODSMOD：为串行口波特率倍率控制位，用于串行通信。为串行口波特率倍率控制位，用于串行通信。郑州大学（2）空闲工作方式）空闲工作方式 将将 I D L 位 置 为位 置
37、 为 1（用 指 令（用 指 令 M O V PCON,#01H），则进入空闲工作方式，），则进入空闲工作方式，其内部控制电路如右图所示。此时，其内部控制电路如右图所示。此时，CPU进入空闲待机状态，中断系统、串行口、进入空闲待机状态，中断系统、串行口、定时器定时器/计数器，仍有时钟信号，仍继续计数器，仍有时钟信号，仍继续工作。工作。退出空闲状态有两种方法：一是中断退出空闲状态有两种方法：一是中断退出，二是硬件复位退出退出，二是硬件复位退出。（3 3）掉电工作方式）掉电工作方式 将将PD置为置为1（用指令（用指令MOV PCON,#02H），可使单片机进入掉电工作），可使单片机进入掉电工作方式
38、。此时振荡器停振，只有片内的方式。此时振荡器停振，只有片内的RAM和和SFR中的数据保持不变，而包中的数据保持不变，而包括中断系统在内的全部电路都将处于停止工作状态。退出掉电工作方式，只括中断系统在内的全部电路都将处于停止工作状态。退出掉电工作方式，只能采用硬件复位的方法。能采用硬件复位的方法。欲使欲使8051从掉电方式退出后继续执行掉电前的程序，则必须在掉电前预从掉电方式退出后继续执行掉电前的程序，则必须在掉电前预先把先把SFR中的内容保存到片内中的内容保存到片内RAM中，并在掉电方式退出后恢复中，并在掉电方式退出后恢复SFR掉电掉电前的内容。前的内容。郑州大学1.2.4 编程和校验方式编程
39、和校验方式 编程和校验方式用于内部含有编程和校验方式用于内部含有EPROM的单片机的单片机芯片（如芯片（如8751），一般的单片机开发系统都提供实），一般的单片机开发系统都提供实现这种方式的设备和功能。现这种方式的设备和功能。编程编程的主要操作是将原始程序、数据写入内部的主要操作是将原始程序、数据写入内部EPROM中。中。校验校验的主要操作是在向片内程序存储器的主要操作是在向片内程序存储器EPROM写入信息时或写入信息后，可将片内写入信息时或写入信息后，可将片内EPROM的内容读出进行校验，以保证写入信息的正的内容读出进行校验，以保证写入信息的正确性。确性。郑州大学1.3 1.3 单片机的时序
40、单片机的时序 时序：时序：CPUCPU在执行指令时所需控制信号的时间顺序称为时序。在执行指令时所需控制信号的时间顺序称为时序。时序是用定时单位来描述的，时序是用定时单位来描述的，MCS-51MCS-51的时序单位有四个，分别的时序单位有四个，分别是是时钟周期（节拍）、状态、机器周期和指令周期时钟周期（节拍）、状态、机器周期和指令周期。1.3.1 MCS-51的时序单位的时序单位 1.1.时钟周期：时钟周期：振荡周期、节拍（用振荡周期、节拍（用P P表示），定义为单片机提表示），定义为单片机提供时钟信号的振荡源（供时钟信号的振荡源（OSCOSC）的周期。它是时序中的最小单位。）的周期。它是时序中
41、的最小单位。2 2.状态状态（用（用S S表示）：表示）：单片机振荡脉冲经过二分频后即得到整单片机振荡脉冲经过二分频后即得到整个单片机工作系统的状态。一个状态有两个节拍，前半周期对个单片机工作系统的状态。一个状态有两个节拍，前半周期对应的节拍定义为应的节拍定义为P1P1，后半周期对应的节拍定义为，后半周期对应的节拍定义为P2P2。郑州大学3.3.机器周期：机器周期：通常将完成一个基本操作所需的时间称为机器周通常将完成一个基本操作所需的时间称为机器周期。期。MCS-51MCS-51中规定一个机器周期包含中规定一个机器周期包含1212个时钟周期，即有个时钟周期，即有6 6个状态，分别表示为个状态，
42、分别表示为S1S1S6S6。若晶振为若晶振为6MHz6MHz，则机器周期为，则机器周期为2s2s，若晶振为，若晶振为12MHz12MHz，则，则机器周期为机器周期为1s1s。4.4.指令周期：指令周期：执行一条指令所需要的时间称为指令周期。它是执行一条指令所需要的时间称为指令周期。它是时序中的最大单位。一个指令周期通常含有时序中的最大单位。一个指令周期通常含有1 14 4个机器周期。个机器周期。指令所包含的机器周期数决定了指令的运算速度，机器周期指令所包含的机器周期数决定了指令的运算速度，机器周期数越少的指令，其执行速度越快。数越少的指令，其执行速度越快。以机器周期为单位，指令可分为单周期、双
43、周期和四周以机器周期为单位，指令可分为单周期、双周期和四周期指令。期指令。郑州大学1.3.2 MCS-51指令的取指指令的取指/执行时序执行时序 指令的集合称为程序，执行程序的过程就是执行指令的过指令的集合称为程序，执行程序的过程就是执行指令的过程。单片机执行任何一条指令时都可以分为取指阶段和执行阶程。单片机执行任何一条指令时都可以分为取指阶段和执行阶段。在取指阶段，段。在取指阶段，CPU从程序存储器中取出指令操作码，送指从程序存储器中取出指令操作码，送指令寄存器，再经指令译码器译码，产生一系列控制信号，完成令寄存器，再经指令译码器译码，产生一系列控制信号，完成本指令规定的操作。本指令规定的操
44、作。单周期和双周期指令的取指时序图如下页图所示。单周期和双周期指令的取指时序图如下页图所示。ALE信号是用于锁存低信号是用于锁存低8位地址的选通信号，每出现一次位地址的选通信号，每出现一次该信号，单片机即进行一次读指令操作。当指令为多字节或多该信号，单片机即进行一次读指令操作。当指令为多字节或多周期指令时，只有第一个周期指令时，只有第一个ALE信号进行读指令操作，其余的信号进行读指令操作，其余的ALE信号为无效操作（或读操作数操作）。信号为无效操作（或读操作数操作）。郑州大学郑州大学1.3.3 访问片外访问片外ROM/RAM指令的时序指令的时序1外部程序存储器读时序外部程序存储器读时序 从外部
45、程序存储器读取指令，必须有两个信号进行控制：从外部程序存储器读取指令，必须有两个信号进行控制：ALE信号和信号和 信号（外部信号（外部ROM读选通脉冲）。读选通脉冲）。PSEN郑州大学 2外部数据存储器读时序外部数据存储器读时序 第一个机器周期是取指周期，是从第一个机器周期是取指周期，是从ROM中读取指令数据，第二个中读取指令数据，第二个机器周期才开始读取外部数据存储器机器周期才开始读取外部数据存储器RAM中的内容。有三个信号进行控中的内容。有三个信号进行控制：制：ALE信号、信号、PSEN 信号（外部信号（外部ROM读选通脉冲）和读选通脉冲）和RD 信号（外信号（外部部RAM读选通脉冲）。读
46、选通脉冲）。PSENRD郑州大学1.4 C8051F系列片上系统（系列片上系统（SOC）简介）简介 Cygnal的的C8051F带有带有SOC色彩，集成了嵌入式系色彩，集成了嵌入式系统的许多先进技术。统的许多先进技术。1.4.1 1.4.1 概述概述 Cygnal公司生产的公司生产的C8051Fxxx系列单片机，与系列单片机，与MCS-51内核及指令集完全兼容。是内核及指令集完全兼容。是MCS-51单片机的典单片机的典型代表，也是目前功能最全、速度最快的型代表，也是目前功能最全、速度最快的8051衍生单片衍生单片机。机。C8051F已成为一个完善的、系统级的芯片。到目前已成为一个完善的、系统级
47、的芯片。到目前为止，为止，Cygnal共提供有共提供有41个型号工业级的个型号工业级的C8051F片上片上系统单片机，其典型芯片性能概览见教材系统单片机，其典型芯片性能概览见教材P30表表1.8所示。所示。郑州大学1.4.2 1.4.2 基本结构与特点基本结构与特点 Cygnal公司的公司的C8051F单片机的内部结构见教材单片机的内部结构见教材P31图图1.15所示。所示。CygnalCygnal公司的公司的C8051FC8051F单片机具有以下特点：单片机具有以下特点：1 1高速高速CIP-51 CIP-51 内核内核 以以CIP-51（Cygnal公司的专利产品）为内核而集成的公司的专利
48、产品）为内核而集成的混合信号片上系统混合信号片上系统SOC（System On Chip）2.2.丰富的模拟和数字资源丰富的模拟和数字资源 8路高性能的路高性能的12位位ADC（速度为（速度为100kHz）数据采集系统，）数据采集系统，2路路12位高精度位高精度DAC，2路模拟比较器和路模拟比较器和ADC可编程窗口检测可编程窗口检测器；电压基准、温度传感器、器；电压基准、温度传感器、SMBUS/I2C、UART、CAN、SPI、PCA（带比较（带比较/捕捉模块捕捉模块PCA，可实现捕捉、软件定时、，可实现捕捉、软件定时、高速输出、高速输出、PWM），），22个中断源，个中断源，864KB的的F
49、lash/电可电可擦除程序存储器，擦除程序存储器，2568448B的的SRAM。定时器。定时器/计数器、计数器、片内可编程定时器片内可编程定时器/计数器阵列（计数器阵列（PCA）、WDT、电源监视器、电源监视器等。等。郑州大学3.3.多源复位多源复位 具有多达具有多达7 7个复位源：片内电源监视器、个复位源：片内电源监视器、CNVSTRCNVSTR外部引脚、外部引脚、强制软件复位、时钟丢失检测器、比较器强制软件复位、时钟丢失检测器、比较器0 0提供的电压检测器、提供的电压检测器、看门狗定时器看门狗定时器WDTWDT和外部复位引脚等。和外部复位引脚等。4.4.双重系统时钟双重系统时钟 C8051
50、FC8051F单片机建立了完善的、先进的时钟系统，片内设置单片机建立了完善的、先进的时钟系统，片内设置有一个可编程的时钟振荡器，可设置不同的时钟频率；片外有一个可编程的时钟振荡器，可设置不同的时钟频率；片外振荡器可选择四种方式（晶振、陶瓷谐振器、振荡器可选择四种方式（晶振、陶瓷谐振器、RCRC电路或外部电路或外部时钟源）。时钟源）。5.可编程数字可编程数字I/O和交叉开关和交叉开关 C8051F单片机中引入了数字交叉开关，允许用户根据单片机中引入了数字交叉开关，允许用户根据自己的特定应用选择通用自己的特定应用选择通用I/O端口和所需数字资源的组合。端口和所需数字资源的组合。郑州大学6.在应用编
