3、單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)詳解(以MCS-51為例)

MCS-51單片機結(jié)構(gòu)

MCS-51系列單片機產(chǎn)品有8051，8031，8751，80C51，80C31等型號（前三種為CMOS芯片，后兩種為CHMOS芯片）。它們的結(jié)構(gòu)基本相同，其主要差別反映在存儲器的配置上。8051內(nèi)部設(shè)有4K字節(jié)的掩模ROM程序存儲器，8031片內(nèi)沒有程序存儲器，而8751是將8051片內(nèi)的ROM換成EPROM。由ATMEL公司生產(chǎn)的89C51將EPROM改成了4K的閃速存儲器，他們的結(jié)構(gòu)大同小異，本章將對8051單片機的結(jié)構(gòu)作一介紹。
2．1  MCS-51單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)
2.1.1、 MCS-51單片機組成

MCS-51單片機是在一塊芯片中集成了CPU，RAM，ROM、定時器/計數(shù)器和多種功能的I/O線等一臺計算機所需要的基本功能部件。MCS-51單片機內(nèi)包含下列幾個部件：
◆ 一個8位CPU；
◆ 一個片內(nèi)振蕩器及時鐘電路；
◆ 4K字節(jié)ROM程序存儲器；
◆ 128字節(jié)RAM數(shù)據(jù)存儲器；
◆ 兩個16位定時器/計數(shù)器；
◆ 可尋址64K外部數(shù)據(jù)存儲器和64K外部程序存儲器空間的控制電路；
◆ 32條可編程的I/O線（四個8位并行I/O端口）；
◆ 一個可編程全雙工串行口；
◆ 具有五個中斷源、兩個優(yōu)先級嵌套中斷結(jié)構(gòu)。

8051單片機框圖如圖2-1所示。各功能部件由內(nèi)部總線聯(lián)接在一起。
圖中4K（4096）字節(jié)的ROM存儲器部分用EPROM替換就成為8751；圖中去掉ROM部分就成為8031的結(jié)構(gòu)圖。
1、 CPU
CPU是單片機的核心部件。它由運算器和控制器等部件組成。
⑴ 運算器
運算器的功能是進行算術(shù)運算和邏輯運算?？梢詫Π胱止?jié)（4位）、單字節(jié)等數(shù)據(jù)進行操作。例如能完成加、

減、乘、除、加1、減1、BCD碼十進制調(diào)整、比較等算術(shù)運算和與、或、異或、求補、循環(huán)等邏輯操作，操作

結(jié)果的狀態(tài)信息送至狀態(tài)寄存器。
8051運算器還包含有一個布爾處理器，用來處理位操作。它是以進位標志位C為累加器的，可執(zhí)行置位、復(fù)位

、取反、等于1轉(zhuǎn)移、等于0轉(zhuǎn)移、等于1轉(zhuǎn)移且清0以及進位標志位與其他可尋址的位之間進行數(shù)據(jù)傳送等位操

作。也能使進位標志位與其他可位尋址的位之間進行邏輯與、或操作。

1. 程序計數(shù)器PC

程序計數(shù)器PC用來存放即將要執(zhí)行的指令地址，共16位，可對64K程序存儲器直接尋址。執(zhí)行指令時，PC內(nèi)容的

低8位經(jīng)P0口輸出，高8位經(jīng)P2口輸出。

1. 令寄存器

指令寄存器中存放指令代碼。CPU執(zhí)行指令時，由程序存儲器中讀取的指令代碼送入指令寄存器，經(jīng)譯碼后由定時與控制電路發(fā)出相應(yīng)的控制信號，完成指令功能。

1. 定時與控制部件

①時鐘電路
8051片內(nèi)設(shè)有一個由反向放大器所構(gòu)成的振蕩電路，XTAL1和 XTAL2分別為振蕩電路的輸入和輸出端，時鐘可以由內(nèi)部方式產(chǎn)生或外部方式產(chǎn)生。內(nèi)部方式時鐘電路如圖2-2所示。在XTAL1和 XTAL2引腳上外接定時元件，內(nèi)部振蕩電路就產(chǎn)生自激振蕩。定時元件通常采用石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。晶振可以在1.2MHz到12MHz之間選擇，電容值在5-30PF之間選擇，電容的大小可起頻率微調(diào)作用。

外部方式的時鐘很少用，若要用時，只要將XTAL1接地，XTAL2接外部振蕩器就行。對外部振蕩信號無特殊要求，只要保證脈沖寬度，一般采用頻率低于12MHz的方波信號。
時鐘發(fā)生器把振蕩頻率兩分頻，產(chǎn)生一個兩相時鐘信號P1和P2供單片機使用。P1在每一個狀態(tài)S的前半部分有效，P2在每個狀態(tài)的后半部分有效。
②  時序
MCS-51典型的指令周期（執(zhí)行一條指令的時間稱為指令周期）為一個機器周期，一個機器周期由六個狀態(tài)（十二振蕩周期）組成。每個狀態(tài)又被分成兩個時相P1和P2。所以，一個機器周期可以依次表示為S1P1，S1P2……，S6P1，S6P2。通常算術(shù)邏輯操作在P1時相進行，而內(nèi)部寄存器傳送在P2時相進行。
圖2-3給出了8051單片機的取指和執(zhí)行指令的定時關(guān)系。這些內(nèi)部時鐘信號不能從外部觀察到，所用XTAL2振蕩信號作參考。在圖中可看到，低8位地址的鎖存信號ALE在每個機器周期中兩次有效：一次在S1P2與S2P1期間，另一次在S4P2與S5P1期間。

對于單周期指令，當(dāng)操作碼被送入指令寄存器時，便從S1P2開始執(zhí)行指令。如果是雙字節(jié)單機器周期指令，則在同一機器周期的S4期間讀入第二個字節(jié)，若是單字節(jié)單機器周期指令，則在S4期間仍進行讀，但所讀的這個字節(jié)操作碼被忽略，程序計數(shù)器也不加1，在S6P2結(jié)束時完成指令操作。圖2-3的(a)和(b)給出了單字節(jié)單機器周期和雙字節(jié)單機器周期指令的時序。8051指令大部分在一個機器周期完成。乘（MUL）和除（DIV）指令是僅有的需要兩個以上機器周期的指令，占用4個機器周期。對于雙字節(jié)單機器周期指令，通常是在一個機器周期內(nèi)從程序存儲器中讀入兩個字節(jié)，唯有MOVX指令例外。MOVX是訪問外部數(shù)據(jù)存儲器的單字節(jié)雙機器周期指令。在執(zhí)行MOVX指令期間，外部數(shù)據(jù)存儲器被訪問且被選通時跳過兩次取指操作。圖2-3中(c)給出了一般單字節(jié)雙機器周期指令的時序。

2、存儲器
MCS-51單片機的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器空間是互相獨立的，物理結(jié)構(gòu)也不同。程序存儲器為只讀存儲器（ROM）。數(shù)據(jù)存儲器為隨機存取存儲器（RAM）。單片機的存儲器編址方式采用與工作寄存器、I/O口鎖存器統(tǒng)一編址的方式。有關(guān)存儲器的內(nèi)容將在下一節(jié)中詳述。
3、I/O端口
I/O端口又稱為I/O接口，也叫做I/O通道或I/O通路，I/O端口是MCS-51單片機對外部實現(xiàn)控制和信息交換的必經(jīng)之路，I/O端口有串行和并行之分，串行I/O端口一次只能傳送一位二進制信息，并行I/O端口一次能傳送一組二進制信息。
⑴、并行I/O端口
MCS-51單片機設(shè)有四個8位雙向I/O端口（P0、P1、P2、P3），每一條I/O線都能獨立地用作輸入或輸出。P0口為三態(tài)雙向口，能帶8個LSTTL電路。P1、P2、P3口為準雙向口（在用作輸入線時，口鎖存器必須先寫入“1”，故稱為準雙向口），負載能力為4個LSTTL電路。
1）、P0端口功能（P0.0～P0.7、32～39腳）

圖2-4 是 P0口位結(jié)構(gòu)，包括1個輸出鎖存器，2個三態(tài)緩沖器，1個輸出驅(qū)動電路和1個輸出控制端。輸出驅(qū)動電路由一對場效應(yīng)管組成，其工作狀態(tài)受輸出端的控制，輸出控制端由1個與門、1個反相器和1個轉(zhuǎn)換開關(guān)MUX組成。對8051/8751來講P0口既可作為輸入輸出口，又可作為地址/數(shù)據(jù)總線使用，
① P0口作地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線使用
若從P0口輸出地址或數(shù)據(jù)信息，此時控制端應(yīng)為高電平，轉(zhuǎn)換開關(guān)MUX將反相器輸出端與輸出級場效應(yīng)管V2接通，同時與門開鎖，內(nèi)部總線上的地址或數(shù)據(jù)信號通過與門去驅(qū)動V1管，又通過反相器去驅(qū)動V2管，這時內(nèi)部總線上的地址或數(shù)據(jù)信號就傳送到P0口的引腳上。工作時低8位地址與數(shù)據(jù)線分時使用P0口。低8位地址由ALE信號的負跳變使它鎖存到外部地址鎖存器中，而高8位地址由P2口輸出（P0口和P2口的地址/數(shù)據(jù)總線功能，請閱第八章MCS-51擴展技術(shù)）。
② P0口作通用I/O端口使用
對于有內(nèi)部ROM的單片機，PO口也可以作通用I/O，此時控制端為低電平，轉(zhuǎn)換開關(guān)把輸出級與鎖存器的Q端接通，同時因與門輸出為低電平，輸出級V1管處于截止狀態(tài)，輸出級為漏極開路電路，在驅(qū)動NMOS電路時應(yīng)外接上拉電阻；作輸入口用時，應(yīng)先將鎖存器寫“1”，這時輸出級兩個場效應(yīng)管均截止，可作高阻抗輸入，通過三態(tài)輸入緩沖器讀取引腳信號，從而完成輸入操作。
③ PO口線上的“讀一修改一寫”功能
圖2-4上面一個三態(tài)緩沖器是為了讀取鎖存器Q端的數(shù)據(jù)。Q端與引腳的數(shù)據(jù)是一致的。結(jié)構(gòu)上這樣安排是為了滿足：“讀一修改一寫”指令的需要，這類指令的特點時：先讀口鎖存器，隨之可能對讀入的數(shù)據(jù)進行修改再寫入到端口上。例如：ANL PO，A；ORL PO，A；XRL PO，A；…。
這類指令同樣適合與P1～P3口，其操作是：先將口字節(jié)的全部8位數(shù)讀入，再通過指令修改某些位，然后將新的數(shù)據(jù)寫回到口鎖器中。
2）P1口（P1.0～P1.7、1～8腳）準雙向口
① P1口作通用I/O端口使用
P1口是一個有內(nèi)部上拉電阻的準雙向口，位結(jié)構(gòu)入圖2-5所示，P1口的每一位口線能獨立用作輸入線或輸出線。作輸出時，如將“0”寫入鎖存器，場效應(yīng)管導(dǎo)通，輸出線為低電平，即輸出為“0”。因此在作輸入時，必須先將“1”寫入口鎖存器，使場效應(yīng)管截止。該口線由內(nèi)部上拉電阻提拉成高電平，同時也能被外部輸入源拉成低電平，即當(dāng)外部輸入“1”時該口線為高電平，而輸入“0”時，該口線為低電平。P1口作輸入時，可被任何TTL電路和MOS電路驅(qū)動，由于具有內(nèi)部上拉電阻，也可以直接被集電極度開路和漏極開路電路驅(qū)動，不必外加上拉電阻。P1口可驅(qū)動4個LSTTL門電路。

② P1口其他功能
P1口在EPROM編程和驗證程序時，它輸入低8位地址；在8032/8052系列中P1.0
和P1.1是多功能的，P1.0可作定時器/計數(shù)器2的外部計數(shù)觸發(fā)輸入端T2，P1.1可作定時器/計數(shù)器2的外部控制輸入端T2EX。
3） P2口（P2.0～P2.7，21～28腳）準雙向口
P2口的位結(jié)構(gòu)如圖2-6所示，引腳上拉電阻同P1口。在結(jié)構(gòu)上，P2口比P1口多一個輸出控制部分。

① P2口作通用I/O端口使用
當(dāng)P2口作通用I/O端口使用時，是一個準雙向口，此時轉(zhuǎn)換開關(guān)MUX倒向左邊，輸出級與鎖存器接通，引腳可接I/O設(shè)備，其輸入輸出操作與P1口完全相同。
② P2口作地址總線口使用
當(dāng)系統(tǒng)中接有外部存儲器時，P2口用于輸出高8位地址A15～A8。這時在CPU的控制下，轉(zhuǎn)換開關(guān)MUX倒向右邊，接通內(nèi)部地址總線。P2口的口線狀態(tài)取決于片內(nèi)輸出的地址信息，這些地址信息來源于PCH、DPH等。在外接程序存儲器的系統(tǒng)中，由于訪問外部存儲器的操作連續(xù)不斷,P2口不斷送出地址高8位。例如，在8031構(gòu)成的系統(tǒng)中，P2口一般只作地址總線口使用，不再作I/O端口直接連外部設(shè)備。
在不接外部程序存儲器而接有外部數(shù)據(jù)存儲器的系統(tǒng)中，情況有所不同。若外接數(shù)據(jù)
存儲器容量為256B，則可使用MOVX  A，@Ri類指令由PO口送出8位地址，P2口上引腳的信號在整個訪問外部數(shù)據(jù)存儲器期間也不會改變，故P2口仍可作通用I/O端口使用。若外接存儲器容量較大，則需用MOVX A，@DPTR類指令,由PO口和P2口送出16位地址。在讀寫周期內(nèi)，P2口引腳上將保持地址信息，但從結(jié)構(gòu)可知，輸出地址時，并不要求P2口鎖存器鎖存“1”，鎖存器內(nèi)容也不會在送地址信息時改變。故訪問外部數(shù)據(jù)存儲器周期結(jié)束后，P2口鎖存器的內(nèi)容又會重新出現(xiàn)在引腳上。這樣，根據(jù)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器的頻繁程度，P2口仍可在一定限度內(nèi)作一般I/O端口使用。P2口可驅(qū)動4個LSTTL門電路。
4） P3口（P3.0～P3.7、10～17腳）雙功能口
P3口是一個多用途的端口，也是一個準雙向口，作為第一功能使用時，其功能同P1口。P3口的位結(jié)構(gòu)如圖 2-7。

 表 2-1  P3口的第二功能

每個I/O端口內(nèi)部都有一個八位數(shù)據(jù)輸出鎖存器和一個八位數(shù)據(jù)輸入緩沖器，四個數(shù)據(jù)輸出鎖存器與端口號P0、P1、P2和P3同名，皆為特殊功能寄存器。因此，CPU數(shù)據(jù)從并行I/O端口輸出時可以得到鎖存，數(shù)據(jù)輸入時可以得到緩沖。
四個并行I/O端口作為通用I/O口使用時，共有寫端口、讀端口和讀引腳三種操作方式。寫端口實際上就是輸出數(shù)據(jù)，是將累加器A或其它寄存器中數(shù)據(jù)傳送到端口鎖存器中，然后由端口自動從端口引腳線上輸出。讀端口不是真正的從外部輸入數(shù)據(jù)，而是將端口鎖存器中輸出數(shù)據(jù)讀到CPU的累加器。讀引腳才是真正的輸入外部數(shù)據(jù)的操作，是從端口引腳線上讀入外部的輸入數(shù)據(jù)。端口的上述三種操作實際上是通過指令或程序來實現(xiàn)的，這些將在以后章節(jié)中詳細介紹。
⑵、串行I/O端口
8051有一個全雙工的可編程串行I/O端口。這個串行I/O端口既可以在程序控制下將CPU的八位并行數(shù)據(jù)變成串行數(shù)據(jù)一位一位地從發(fā)送數(shù)據(jù)線TXD發(fā)送出去，也可以把串行接收到的數(shù)據(jù)變成八位并行數(shù)據(jù)送給CPU，而且這種串行發(fā)送和串行接收可以單獨進行，也可以同時進行。
8051串行發(fā)送和串行接收利用了P3口的第二功能，即利用P3.1 引腳作為串行數(shù)據(jù)的發(fā)送線TXD和P3.0引腳作為串行數(shù)據(jù)的接收線RXD，如表2-1所示。串行I/O口的電路結(jié)構(gòu)還包括串行口控制器SCON、電源及波特率選擇寄存器PCON和串行數(shù)據(jù)緩沖器SBUF等，它們都屬于特殊功能寄存器SFR。其中PCON和SCON用于設(shè)置串行口工作方式和確定數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收波特率，SBUF實際上由兩個八位寄存器組成，一個用于存放欲發(fā)送的數(shù)據(jù)，另一個用于存放接收到的數(shù)據(jù)，起著數(shù)據(jù)的緩沖作用，這些將在第七章中詳細加以介紹。
4、總線
MCS-51單片機屬總線型結(jié)構(gòu)，通過地址/數(shù)據(jù)總線可以與存儲器（RAM、EPROM）、并行I/O接口芯片相連接。
在訪問外部存儲器時，P2口輸出高8位地址，P0口輸出低8位地址，由ALE（地址鎖存允許）信號將P0口（地址/數(shù)據(jù)總線）上的低8位鎖存到外部地址鎖存器中，從而為P0口接受數(shù)據(jù)作準備。
在訪問外部程序存儲器（即執(zhí)行MOVX）指令時，PSEN（外部程序存儲器選通）信號有效，在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器（即執(zhí)行MOVX）指令時，由P3口自動產(chǎn)生讀/寫（/）信號，通過P0口對外部數(shù)據(jù)存儲器單元進行讀/寫操作。
MCS-51單片機所產(chǎn)生的地址、數(shù)據(jù)和控制信號與外部存儲器、并行I/O接口芯片連接簡單、方便。有關(guān)這部分內(nèi)容將在第8章敘述。

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