單晶片MCS-51 C語言入門實習 第1章 微電腦與單晶片MCS-51架構 作者：董勝源

1-1微電腦結構介紹 圖1-1　微電腦基本結構 1-2頁

1-1.3記憶單元(Memory Unit) 表1-1 主記憶體分類表 主記憶體 名 稱 編 號 特 性 ROM Mask ROM 27XX 名　　稱 編　號 特　　　性 ROM Mask ROM 27XX 工廠大量生產 PROM 保險絲組成，僅能燒錄一次 EPROM 用紫外線清除 並列EEPROM 28CXX 用高電壓清除 串列EEPROM 93C46 用高電壓清除，串列存取資料 FLASH ROM 28FXX 用高電壓清除，分段寫入 RAM SRAM 61XX 62XX 正反器組成、速度快 DRAM 41XX 44XX 電容組成，須更新 表1-1　主記憶體分類表 1-3頁

1-1.4中央處理單元(CPU) 位元數 編 號 8 8085、Z80、6502、6800 16 編　　號 8 8085、Z80、6502、6800 16 8086、8088、68000、80286、Z8000 32 80386、80486、68030、68040 64 Pentium，6X86、K6、Power PC 表1-2(a)　CPU的種類 1-5頁

1-1.4中央處理單元(CPU) 位元數 編 號 8 MCS-48、MCS-51、6811、Z8、6805、PIC、EM78 16 編　　號 8 MCS-48、MCS-51、6811、Z8、6805、PIC、EM78 16 MCS-96、80186、80188、DSP320C2x 32 80386/EX、DSP320C60 表1-2(b)　單晶片微電腦種類 1-6頁

1-1.5匯流排(BUS)種類 圖1-2　三種匯流排結構 1-6頁

1-1.5匯流排(BUS)種類 位址匯流排 計 算 記憶容量 說 明 10條 210=1024 1K byte K=1024 M=1024K 計　　算 記憶容量 說　　明 10條 210=1024 1K byte K=1024   M=1024K G=1024M 11條 211=2048 2K byte 16條 216=65536 64K byte 20條 220=1024K 1M byte 24條 224=16384K 16K byte 30條 230=1024M 1G byte 32條 232=4096M 4G byte 表1-3　位址匯流排與記憶容量的關係表 1-7頁

1-1.5匯流排(BUS)種類 表1-4 各CPU的匯流排比較表 CPU 資料匯流排 位址匯流排 最大定址能力 Z80 8 bit 64K byte 8085/6502 8088 20 bit 1M byte 8086 80286 24 bit 16M byte 80386/DX 32 bit 4G byte 80486 Pentium/P2 64 bit 32/36 bit 4G/64G byte 單晶片微電腦 PIC16C5X 12 bit 11 bit 2K word (12 bit) PIC16C84 14 bit 10 bit 1K word (14 bit) EM78156 13 bit 2K word (13 bit) EM78447 8K word (13 bit) MCS-48 2K byte MCS-51 MCS-96 表1-4　各CPU的匯流排比較表 1-7頁

1-1.5匯流排(BUS)種類 圖1-3　記憶體的控制 1-9頁

並列式ROM 及靜態RAM DATA BUS 為8 bit 記　憶　體 編　號 記　憶　容　量 並列式ROM 及靜態RAM DATA BUS 為8 bit XX64 64K bit/8=8K byte XX256 256K bit/8=32K byte XX010 1M bit/8=128K byte XX020 2M bit/8=256K byte XX040 4M bit/8=512K byte 3232 快取記憶體 32K * 32 bit 3264 快取記憶體 64K * 32 bit 串列式EEPROM (Data BUS=1bit) 93C46 64 * 16 bit=128 byte 93C56 128 * 16 bit=512 byte 93C66 256 * 16 bit=1024 byte DRAM 4164 64K * 1 bit 41256 256K * 1 bit 41100 1M * 1 bit 44256 256K * 4 bit 44100 1M * 4 bit 表1-5　記憶體容量的計算 1-10頁

1-2.1個人電腦整體結構 圖1-4 個人電腦的整體結構 1-12頁 (1) (2) (3) (2) (3) (4) (4) (3) (3) (6) (6) (7) (5) (8) (5) (9) 圖1-4　個人電腦的整體結構 1-12頁

1-2.2個人電腦內部硬體 圖1-5　個人電腦主機內部結構圖 1-14頁

1-2.2個人電腦內部硬體 表1-6 常用CPU分類表 特性 K6-3 P2 P3 K7雷鳥 K7杜龍 內頻Hz 200M 500M Pentium K6-3 P2 P3 Celeron K7雷鳥 K7杜龍 內頻Hz 200M 500M 450M 1.13 G 900 M 1.4GHZ 900M 資料線 64 位址線 32 36 電壓 3.3V 2.2V 2.0V 1.8V 1.6V 1.75V 包裝 PGA321 LPGA SECC FC-PGA PGA 插座 Socket7 Slot 1 Socket370 Slot A L1快取 16k 64K 32K 128K L2快取 256K 512K 表1-6 常用CPU分類表 1-15頁

1-2.2個人電腦內部硬體 DRAM Pin數 工作電壓 頻率(MHZ) 資料寬度 FPM DRAM 72 5 V 66 32 bit EDO DRAM SDRAM 168 3.3 V 100~133 64 bit DDR SDRAM 184 3.3V 200~333 RDRAM 1.8 or 2.5 V 600以上 16 bit 表1-7 DRAM分類表 1-16頁

1-2.2個人電腦內部硬體 內部硬體中斷電路 中斷要求 外部界面中斷 時間計時(8254) IRQ0 RS-232 COM2 IRQ3 鍵盤控制器(8042) IRQ1 RS-232 COM1 IRQ4 內部2個8259串接 IRQ2 列表機(LPT2) IRQ5 CMOS(MC146818) IRQ8 磁碟控制器(DISK) IRQ6 PS2鍵盤及滑鼠 IRQ12 列表機(LPT1) IRQ7 NPU IRQ13 硬碟(Hard Disk) IRQ14   保留給其他界面卡 IRQ9、10、11、15 表1-8　硬體中斷電路 1-18頁

1-2.2個人電腦內部硬體 顏 色 名 稱 用 途 橙色ORANGE +3.3V 主電源：提供CPU、RAM及其它電路 紅色RED +5V 顏　　色 名　稱 用　　　途 橙色ORANGE +3.3V 主電源：提供CPU、RAM及其它電路 紅色RED +5V I/O電路及週邊電路的電源 黑色BLACK 0V 所有電路的電源地線 黃色YELLOW +12V 磁碟機馬達電源及RS232傳輸線+V邏輯準位 藍色BLUE -12V RS232傳輸線-V邏輯準位 白色WHITE -5V 輔助電源，目前很少用。 紫色PURPLY +5VSB 週邊設備軟體開機信號線，可用滑鼠、鍵盤、數據機及網路卡開機 綠色GREEN PS-ON 面板按鈕軟體開機信號線 灰色GREY PG 大地線 表1-9　ATX電源供給器 1-18頁

1-2.3單晶片微電腦的整體結構 圖1-6　單晶片微電腦內部方塊圖 1-19頁

1-2.4個人電腦與單晶片微電腦比較 表1-10 個人電腦與單晶片微電腦比較表 特 性 個 人 電 腦 單 晶 片 微 電 腦 用途 特　　性 個　人　電　腦 單 晶 片 微 電 腦 用途 一般運算工作 特定的控制及民生用產品 硬體電路 複雜多晶片電路組成 單純一個晶片 程式語言 以高階語言及套裝軟體為主 以組合語言為主，也可用高階語言 ROM記憶體 存放監督程式(BIOS) 存放應用控制程式 RAM記憶體 存放應用程式及暫時性資料 僅存放暫時性的資料 製作規格 多量統一規格 快速製作，少量多樣化 訴求功能 高速、大量運算能力 適當的達到功能即可 製作成本 價格昂貴 價格便宜 表1-10　個人電腦與單晶片微電腦比較表 1-22頁

1-3 MCS-51單晶片微電腦的結構 表1-11 MCS-51系列的單晶片微電腦產品 型號 內部ROM 容量(byte) 內部RAM 外部中斷 計時器 串列埠 IC 腳數 輸出入腳 8031 無 128 2 有 40 32 8032 256 3 8051 OTP PROM 4k 8052 OTP PROM 8k 8751 EPROM 4k 8752 EPROM 8k 89C51 FLASH ROM 4k 89C52 FLASH PROM 8k 89C1051 FLASH PROM 1k 20 15 89C2051 FLASH PROM 2k 表1-11　MCS-51系列的單晶片微電腦產品 1-23頁

1-3 MCS-51單晶片微電腦的結構 表1-12 89C51/52及80C2051功能特色 功能 說明 89C51/52 89C2051 工作電壓 以CMOS製作 VCC=5V VCC=2.7~6V 振盪器的型式 可選擇兩種 石英晶體振盪器及外部振盪源 工作頻率 內部工作週期= 振盪頻率/12 0～24MHz 內部資料記憶體 內部RAM 128或256byte(52) 128byte 外部資料記憶體 可再擴充RAM 64K byte 不能擴充 內部程式記憶體 可寫入1000次 4K或8K(52) byte 2K byte 外部程式記憶體 可再擴充ROM I/O埠 不須設定I/O 雙向32條 雙向15條 計時/計數器 16 bit 計數 兩組或三組(52) 兩組 串列埠 全雙工界面 1組 省電功能 可用軟體設定 閒置及電源下降模式 中斷源 週邊設備工作 5個或6個(52) 6個 類比電路比較器 類比電壓比較 無 輸出驅動電流 直接驅動LED 不可以 可以 表1-12　89C51/52及80C2051功能特色 1-24頁

1-3.1單晶片微電腦MCS-51內部的結構 圖1-7　MCS-51的內部結構 1-25頁

1-3.2 8051接腳電路 圖1-8　8051的接腳圖 1-28頁

1-3.2 8051接腳電路 表1-13 89C51及89C2051各接腳 接腳 名稱 51 腳位 2051 腳位 功 能 VCC 40 1-3.2 8051接腳電路 接腳 名稱 51 腳位 2051 腳位 功　　　能 VCC 40 20 系統電源腳，51為5V±0.5V，2051為2.7~6V VSS 10 系統電源地線 X1 19 5 振盪信號輸入腳，可輸入0-24MHz X2 18 4 振盪信號輸出入腳 RESET 9 主系統重置信號輸入端，輸入“1”重新啟動 P00-7 39-32 無 雙向I/O腳，作為輸出時是開洩極特性，兼作外部記憶體的位址/資料線AD0-AD7。 P10-7 1-8 雙向I/O腳，其中P10-1於8052兼作T2輸入 P20-7 21-28 雙向I/O腳，兼作外部記憶體的位址線A8-A15 P30 P34 P31 P35 P32 P36 P33 P37  10 14 11 15 12 16 13 17 2 8 3 9 6 無 7 11 雙向I/O腳，同時兼作各種功能，如下： P30=RXD為UART串列接收腳 P34=T0為外部計數信號T0輸入腳 P31=TXD為UART串列發射腳 P3=T1為外部計數信號T1輸入腳 P32=/INT0為外部中斷輸入腳 P36=/WR為外部RAM的寫入控制輸入腳 P33=/INT1為外部中斷輸入腳 P37=/RD為外部RAM的讀取控制輸入腳 /PSEN 29 外部ROM程式記憶體的致能控制，低態動作 ALE 30 位址栓鎖致能，ALE=0時，AD0-AD7送出資料，ALE=1時，AD0-AD7送出位址 EA 31 外部存取控制，0=外部ROM，1=內部ROM 表1-13　89C51及89C2051各接腳 1-29頁

1-3.2 8051接腳電路 圖1-9　石英晶體和陶瓷振盪電路 1-30頁

1-3.2 8051接腳電路 圖1-10　重置電路圖 1-31頁

1-3.2 8051接腳電路 圖1-11　I/O埠接腳 1-31頁

1-3.2 8051接腳電路 圖1-12　89C2051內部的類比電壓比較器 1-32頁

1-3.2 8051接腳電路 圖1-13　外部的記憶體電路圖 1-33頁

1-3.3 記憶體介紹 圖1-14　8051程式記憶體位址圖 1-35頁

1-3.3 記憶體介紹 中斷源 向量位址 說 明 INT0 03h 外部中斷腳0 Timer0 0Bh 計時/計數0溢位中斷 INT1 1-3.3 記憶體介紹 中斷源 向量位址 說　　明 INT0 03h 外部中斷腳0 Timer0 0Bh 計時/計數0溢位中斷 INT1 13h 外部中斷腳1 Timer1 1Bh 計時/計數1溢位中斷 UART 23h 串列中斷 Timer2 2Bh 計時/計數2溢位中斷(僅52) 表1-14　各中斷源的向量位址 1-36頁

1-3.3 記憶體介紹 圖1-16　MCS-51資料記憶體分怖圖 1-37頁

1-3.3 記憶體介紹 圖1-17　暫存器及RAM 1-38頁

1-3.3 記憶體介紹 圖1-18　位元定址區 1-39頁

1-3.3 記憶體介紹 表1-15 特殊功能暫存器 位址 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 暫存器 F0h 7 6 5 4 3 1-3.3 記憶體介紹 位址 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 暫存器 F0h 7 6 5 4 3 2 1 B累積器 E0h ACC累積器 D0h CY AC F0 RS1 RS0 OV - P PSW程式狀態字語 CDh 15 14 13 12 11 10 9 8 TH2計時/計數2高位元組 CCh TL2計時/計數2低位元組 CBh RCAP2H載入/捕捉高位元組 CAh RCAP2L載入/捕捉低位元組 C8h TF2 EXF2 RCLK TCLK EXEN2 TR2 C_T2 CP_RL2 T2CON計時2控制 B8h PS PT1 PX1 PT0 PX0 IP中斷優先 B0h P37 P36 P35 P34 P33 P32 P31 P30 P3 I/O埠3 A8h EA ES ET1 EX1 ET0 EX0 IE中斷致能 P27 P26 P25 P24 P23 P22 P21 P20 P2 I/O埠2 表1-15　特殊功能暫存器 1-41頁

1-3.3 記憶體介紹 表1-15 特殊功能暫存器 99h 7 6 5 4 3 2 1 98h SM0 SM1 SM2 REN TB8 1-3.3 記憶體介紹 99h 7 6 5 4 3 2 1 SBUF串列緩衝 98h SM0 SM1 SM2 REN TB8 RB8 TI RI SCON串列控制 90h P17 P16 P15 P14 P13 P12 P11 P10 P1 I/O埠1 8Dh 15 14 13 12 11 10 9 8 TH1計時/計數1高位元組 8Ch TH0計時/計數0高位元組 8Bh TL1計時/計數1低位元組 8Ah TL0計時/計數0低位元組 89h GATE C/T M1 M0 TMOD計時模式 88h TF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IE0 IT0 TMOD計時控制 87h SMOD - GF1 GF0 PD IDL PCON電源控制 83h DPH資料指標高位元組 82h DPL資料指標低位元組 81h SP堆疊指標 80h P07 P06 P05 P04 P03 P02 P01 P00 P0 I/O埠0 表1-15　特殊功能暫存器 1-41頁

1-3.3 記憶體介紹 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 CY AC F0 RS1 RS0 OV - P 1-3.3 記憶體介紹 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 CY AC F0 RS1 RS0 OV - P 表1-16(a)　程式狀態字語(位址D0h) 1-42頁

表1-16(b) 程式狀態字語各位元的名稱與功能 1-3.3 記憶體介紹 位元 名　　稱 功　　　　能 D7 CY：進位旗標或借位旗標 (Carry Flag)進位旗標，用來表示算術指令運算後的結果，其資料的bit 7是否有進位或借位。 加法運算時(ADD)的結果：有進位C=1，沒有進位C=0。 減法運算時(SUB)的結果：有借位C=1，沒有借位C=0。 D6 AC：半進位旗標或半借位旗標 (Aux Carry Flag)半進位旗標，用來表示運算後資料的bit 3是否有向bit 4進位或借位。 加法運算時(ADD)的結果：有進位AC=1，沒有進位 AC=0。 減法運算時(SUB)的結果：有借位AC=1，沒有借位 AC=0。 D5 F0：通用位元 可作為一般的讀/寫位元。 D4 RS1：暫存器庫選擇位元1 暫存器庫選擇(Regiser Bank Select)位元1及位元0。 RS1 RS0 暫存器庫選擇 0 0 RB0(位址00h-07h) 0 1 RB1(位址08h-0Fh) 1 0 RB2(位址10h-17h) 1 1 RB3(位址18h-1Fh) D3 RS0：暫存器庫選擇位元0 D2 OV：溢位旗標 (Over)溢位旗標，表示程式經算術或邏輯運算後的結果是否有溢位，若是OV=1，若不是 OV=0。 D1 - 空位元 D0 P：同位元旗標 (Parity)同位元旗標，表示累積器的內容為奇數個“1”則P=0，偶數個“1”則P=1。 表1-16(b)　程式狀態字語各位元的名稱與功能 1-43頁

1-3.3 記憶體介紹 表1-17 I/O埠及I/O腳的位址 位元 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 P0接腳 P07 P06 1-3.3 記憶體介紹 位元 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 P0接腳 P07 P06 P05 P04 P03 P02 P01 P00 位址80h 87h 86h 85h 84h 83h 82h 81h 80h P1接腳 P17 P16 P15 P14 P13 P12 P11 P10 位址90h 97h 96h 95h 94h 93h 92h 91h 90h P2接腳 P27 P2 P25 P24 P23 P22 P21 P20 位址A0h A7h A6h A5h A4h A3h A2h A1h A0h P3接腳 P37 P36 P35 P34 P33 P32 P31 P30 位址B0h B7h B6h B5h B4h B3h B2h B1h B0h 表1-17　I/O埠及I/O腳的位址 1-44頁