MCS-51系列单片机的基本硬件结构和特点

这是一篇关于MCS-51系列单片机的基本硬件结构和特点的思维导图，MCS-51系列单片机以其高度集成、低功耗、高性能、灵活的配置和扩展性等特点，在嵌入式系统设计中占据了重要地位。

MCS-51系列单片机 基本硬件结构和特点

• 内部方框图
• 存储器的配置
  • 存储器的配置特点
    • 内部集成了4K的程序存储器ROM
    • 内部具有256B的数据存储器RAM
    • 可以外接64K的程序存储器ROM和数据存储器RAM
    • 分类
      • 从物理结构的角度
        • 片内ROM
        • 片内RAM
        • 片外ROM
        • 片外RAM
      • 从逻辑上（编程的角度）
        • 片内数据存储器RAM
        • 片外数据存储器RAM
        • 片内或外的程序存储器ROM（由EA电平决定）
  • 程序存储器的特殊单元
    • 0000H单元
      • 复位时程序计数器PC所指向的单元，因此用来存放程序中的第一条指令
    • 0003H单元
      • 外部中断/INT0的矢量入口地址
    • 000BH单元
      • 定时器T0溢出中断的矢量入口地址
    • 0013H单元
      • 外部中断/INT1的矢量入口地址
    • 001BH单元
      • 定时器T1的溢出中断矢量入口地址
    • 0023H单元
      • 串行口接收、传送的中断矢量入口地址
  • 内部数据存储器
    • RAM的20H～2FH的存储特点
      • 20H～2FH本身是字节地址，因此这些单元可以按照常规存储16个字节的数据
      • 将20H～2FH中的16*8既128个bit分别定义其位地址00H～7FH
    • 特殊功能寄存器SFR
      • 程序计数器PC（ 程序指针）
        • 为CPU指明将要执行的指令地址，长度为16位，所以寻址范围为0-65535（64K）
        • 单片机在复位时PC=0000H
        • 在物理上是独立于SFR
      • 累加器A
        • 最常用的寄存器。所有的算术运算指令所要使用的寄存器且运算结果都存放在A中
      • B寄存器
        • 乘、除法指令专用的寄存器，当然也可作为一般的工作寄存器使用
      • 数据指针DPTR
        • 由两个8位寄存器构成。高八位寄存器DPH和低八位寄存器DPL构成16位的寄存器DPTR
        • DPTR主要用来存放外部数据存储器RAM地址，作为CPU访问外部RAM的数据指针
        • CPU的查表指令使用DPTR提供ROM中表格的首地址
        • 在MCS-51单片机中，CPU访问外部RAM中的数据或ROM中的表格、常数必须借助DPTR做指针来实现数据的读取访问
      • 程序状态字PSW
        • 8位寄存器，表征程序执行的状态信息
          • CY（PSW.7）进位标志
          • AC（PSW.6）辅助进位位
          • F0（PSW.5） 用户标志位
          • RS1,RS0工作寄存器区选择位
          • OV（PSW.2）溢出标志位
          • P（PSW.0）奇偶标志位
      • SP 堆栈指针
        • 8位寄存器，用来指示堆栈的位置，可由软件修改
        • 独立于RAM的结构
        • 利用RAM空间“兼做”堆栈空间
      • 并行端口P0-P3
      • 串行数据缓冲器SBUF
      • 定时/计数器T0、T1
      • 关于可按位寻址的SFR寄存器
  • 外部数据存储器
    • P0、P2作为外部RAM的地址和数据总线
    • 使用MOVX指令进行读写操作
    • MOVX指令在执行时，会自动地产生/RD或/WR信号对外部RAM实现控制
• 引脚定义
  • 主电源引脚：Vcc（+5V--- 40脚）和 Vss （GND 20脚）
  • 外接晶体引脚：XTAL1（19脚）、XTAL2（18脚）
    • 两脚之间接入一个晶体震荡器，单片机就以此晶体的频率开始工作（其频率范围为：0～24MHz）
    • 频率越高，单片机的工作速度就越快，但单片机的功耗就要增加，其产生的高次谐波也会对系统内部的模拟电路（如ADC）产生严重的干扰。
  • 控制与电源复用引脚
    • RST / V pd（9脚）：复位信号输入，高电平有效
      • 复位操作可以确保CPU从程序的开始端运行程序
      • 微处理器在“上电”时必须对其施行“复位”操作，以避免电源从0V至5V时电源的过度性造成系统“混乱”。而MCS-51单片机不具备“上电复位”功能。因此，必须通过外部对此引脚施加一个（大于两个时钟周期的）高电平使单片机复位。
    • ALE/PROG（30脚）：以系统时钟 fosc 的1/6的频率，周期性输出方波脉冲
      • 系统扩展时，作为外部存储器低八位地址的锁存信号
      • 可为系统提供一个频率为 fosc/6 的方波信号
      • EPROM型单片机编程时编程输入脉冲（第二功能）
    • PSEN（29脚）：外部程序程序存储器的选通输出信号
      • 当单片机使用外部程序存储器时，此脚在一个机器周期内产生两次负脉冲，作为外部程序存储器ROM的选通信号
      • 访问外部数据存储器 RAM 时，此信号无效
    • EA / Vdd （31脚）：程序存储器的选择控制端
      • EA=1时，且程序的长度小于内部ROM尺寸（4K）时
      • EA=0时，CPU 从外部ROM的0000H开始执行程序（64K ）
      • EA=1，执行内部ROM程序时但程序长度超过4K时会自动转向外部ROM的1000H开始的单元
  • 并行输入输出端口引脚（P0-P3）
    • P0.0 - P0.7： P0端口线（39-32脚）
      • 当处于I/O方式时：端口内部输出电路呈“开路结构”，所以当驱动MOS负载时，应接一个10K左右的上拉电阻，否则无法输出高电平
      • 当处于扩展方式时：P0口成为外部存储器提供低八位地址和数据的“复用总线” （此时不能作为通用的I/O端口）
    • P1.0 - P1.7： P1端口线（1 – 8脚）
      • 负载能力4个TTL负载
      • MCS-51单片机中唯一“功能单一”的I/O端口。在系统设计中只能设计为“通用的I/O端口”
    • P2.0 – P2.7： P2端口线（21 – 28脚）
      • 普通的I/O方式
      • 系统扩展时的总线方式（高八位地址总线）
    • P3.0 – P3.7 P3端口线 （10 – 17脚）
      • 做通用的I/O端口，负载能力为4个TTL
      • 引脚具有第二功能
        • P3.0（RXD）：串行数据输入口
        • P3.1（TXD）：串行数据输出口
        • P3.2（INT0）：外部中断0输入口
        • P3.3（INT1）：外部中断1输入口
        • P3.4（T0）：计数器0外部输入信号
        • P3.5（T1）：计数器1外部输入信号
        • P3.6（WR）：外部数据存储器写信号
        • P3.7（RD）：外部数据存储器读信号
• 主要性能和特点
  • 内部程序存储器ROM
    • 4K的flash程序存储器
  • 内部数据存储器RAM
    • 256B（128B的RAM+21B的SFR）
  • 寄存器区
    • 4个寄存器区，每个区有R0-R7八个工作寄存器
  • 8位并行输入输出端口
    • P0、P1、P2和P3
  • 定时/计数器
    • 2个16位的定时/计数器 T0、T1
  • 串型口
    • 全双工串行端口（RXD：接收端、TXD发送端）
  • 中断系统
    • 设有5个中断源（T0、T1、Int0、Int1、ES）
  • 系统扩展能力
    • 可外接64K的 ROM 和64K的 RAM
  • 堆栈
    • 设在RAM单元、位置可以浮动（通过指针SP来确定堆栈在RAM中的位置）系统复位时SP=07H
  • 布尔处理机
    • 配合布尔运算的指令进行各种逻辑运算
  • 指令系统
    • 111条指令。按功能可分为数据传送、算术运算、逻辑运算、控制转移和布尔操作5大类