MCS-51系列单片机的结构.ppt

第2章 MCS-51系列单片机的结构,教学目的 了解单片机的内部结构与主要型号 掌握单片机引脚信号功能 掌握单片机的存储器空间分配及各I/O口的特点 掌握单片机的复位电路、时钟电路及指令时序 重点和难点 单片机的结构特点 存储器配置空间配置 单片机的指令时序。,第2章 MCS-51系列单片机的结构,2.1 MCS-51系列单片机概述 2.2 CPU内部结构 2.3 单片机时钟与时序 2.4 存储器 2.5 MCS-51系列单片机的外部引脚及功能 2.6 单片机的工作方式 思考题,2.1 MCS-51 系列单片机的概述,一、MCS-51系列单片机简介 8051/80C51是整个MCS-51系列单片机的核心，其他型号的单片机都是在这一内核的基础上发展起来的。 MCS-51单片机系列分为51和52子系列，并以芯片型号的末位数字加以标识。其中，51子系列是基本型，而52子系列是增强型。 单片机型号带有字母“C”的，表示该单片机采用的是CMOS工艺，具有低功耗的特点。8051的功耗为630mW，而80C51的功耗只有120mW。,MCS-51系列单片机技术参数表,二、8051单片机的组成结构,8051内部结构主要包括以下功能部件： 1）一个8位微处理器CPU。 2）一个片内振荡器及时钟电路。 3）4KB程序存储器ROM。 4）256B数据存储器RAM。 5）两个16位定时/计数器（T0/T1）。 6）可寻址64KB外部数据存储空间和64KB外部程序存储器的控制电路。 7）一个可编程的并行I/O端口、4个8位并行I/O端口(P0-P3) 。 8）21个特殊功能寄存器。 （9）具有5个中断源、2个优先级中断信号。,MCS-51单片机的结构框图,2.2 CPU内部结构,运算器 由8位算术逻辑运算单元ALU、8位累加器ACC、8位寄存器B、程序状态字寄存器PSW等组成。 控制器 由程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器ID、堆栈指针SP、数据指针DPTR、时钟发生器及定时控制逻辑等组成。,一、运算器,1) 算术逻辑单元ALU 算术逻辑单元ALU(8位)用来完成二进制数的四则运算和布尔代数的逻辑运算。此外，通过对运算结果的判断影响程序状态标志寄存器的有关标志位。 2) 累加器ACC 累加器ACC为8位寄存器，是CPU中使用最频繁的寄存器。它既可用于存放操作数，也可用来存放运算的中间结果。 3) 寄存器B 寄存器B是一个8位寄存器，是为ALU进行乘除运算设置的。在执行乘法运算指令时,寄存器B用于存放其中一个乘数和乘积的高8位数；在执行除法运算时，寄存器B用于存放除数和余数。此外，B寄存器也可作为一般的数据寄存器使用。,4) 程序状态字PSW 程序状态字PSW是一个8位特殊功能寄存器，它的各位包含了程序运行的状态信息，以供程序查询和判断。PSW程序状态字格式和含义如下：,PSW位地址 字节地址D0H,Cy(PSW.7) 进位标志位。 当加减运算时最高位有进位或借位时，C=1，否则C=0. AC(PSW.6) 辅助进位(或称半进位)标志。当加减运算时，低4位向高4位有进位或借位时，AC=1，否则AC=0. F0(PSW.5) 用户标志位。该位可以放弃不用。 RSl和RS0(PSW.4，PSW.3) 工作寄存器组选择位。 OV(PSW.2) 溢出标志位。 F1(PSW.1) 用户标志位，用户不使用同F0(PSW.5）。 P(PSW.0) 此位为奇偶标志位。 判断累加器运算中1的个数,5)布尔处理器 MCS-51的CPU是8位微处理器，它还具有1位微处理器的功能。布尔处理器具有较强的布尔变量处理能力，以位(bit)为单位进行运算和操作。它以进位标志(Cy)作为累加位，以内部RAM中所有可位寻址的位作为操作位或存储位，以P0P3的各位作为I/O位，同时布尔处理器也有自己的指令系统。,1) 程序计数器PC PC是一个16位计数器。实际上PC是程序存储器的字节地址计数器，其内容是将要执行的下一条指令的地址，寻址范围达64KB。PC具有自动加1功能，从而实现程序的顺序执行。可以通过转移、调用、返回等指令改变其内容，以实现程序的转移。 2) 数据指针DPTR 数据指针DPTR为16位寄存器。它的功能是存放16位的地址，作为访问外部程序存储器和外部数据存储器时的地址。编程时，DPTR既可按16位寄存器使用，也可以按两个8位寄存器分开使用，即DPH为DPTR的高8位，DPL为DPTR的低8位。,二、控制器,3)栈指针SP寄存器 栈指针SP寄存器指示出堆栈顶部在内部数据存储器中的位置。系统复位后，SP初始化为07H，如果不重新设置，就使得堆栈由08H单元开始。但08H1FH单元属于工作寄存器区，所以在程序设计中，最好把SP的值设置的大一些，一般将堆栈开辟在30H7FH区域中。SP的值越小，堆栈容量就越大，但最大为128字节。,4)指令寄存器IR及指令译码器ID 当CPU根据程序计数器PC的地址值从指定的存储单元中取出选取的指令后，将指令送到指令寄存器IR，再送到指令译码器ID.当指令送入指令译码器ID后，由译码器对该指令进行译码，就把指令转变成所需要的平信号，以便计算机能正确执行程序所要求得各种操作，再由指令译码器ID将控制信号送PLA逻辑门阵列，PLA产生一定序列的控制信号，以执行指令所规定的操作。,复位端RST,复位是单片机的初始化操作（ PC=0000H），引导程序重新开始执行。 复位操作同时对一些寄存器有影响，但内部RAM的数据是不变的。 RST端引入2个机器周期以上高电平复位系统，低电平转入程序执行。,三、复位及复位 电路,复位是单片机系统的初始化操作,复位电路,RST/VPD(9脚)：复位信号端和后备电源输入端。 RESET:复位信号输入引脚，高电平有效。在该引脚上输入持续2个机器周期以上的高电平时，单片机系统复位。 VPD使用后备电源，可实现掉电保护。,复位后对一些专用寄存器的影响,复位电路： 1）上电复位 2）外部信号复位,2.3单片机时钟与时序,控制器按指令的功能发出一系列在时间上有一定次序的电脉冲信号，控制和启动一部分逻辑电路，完成某种操作。在什么时候发出什么控制信号，去启动何种部件工作，这就是CPU的时序。,一、时钟电路,时钟电路：用于产生单片机工作时所需要的时钟信号的电路。,2-6 MCS-51时钟及时序,1内部时钟方式：内部一个高增益反相放大器与片外石英晶体或陶瓷谐振器构成了一个自激振荡器。,2外部时钟方式：外部振荡器输入时钟信号。,外接晶振引脚 XTAL1（19脚）：接外部晶振的一个引脚（内部反相放大器的输入端）。 XTAL2（18脚）：接外部晶振的一个引脚（内部反相放大器的输出端）。,时钟频率范围要求在1.2MHz12MHz之间。,晶体振荡器的振荡频率决定单片机的时钟频率。,时钟电路是产生单片机工作所需要的时钟信号,电容C1和C2为微调电容，可起频率稳定、微调作用，一般取值在530pf之间,XTAL1 和XTAL2引脚上外接定时元件就能构成自激震荡电路。定时元件采用石英晶体和电容。电容C1和C2通常取30pF-40pF，对振荡频率有微调作用。晶振频率范围是1.2MHz12MHz。 外部时序电路XTAL2接外部震荡器， XTAL1接地。外部时钟信号为高电平持续时间要大于20ns，且频率低于12MHz的方波 (a) 内部方式时钟电路 (b) 外部方式时钟电路,二、时序,MCS-51时钟及时序,拍节，状态，机器周期，指令周期,拍节： 把振荡器发出的振荡脉冲的周期定义为拍节（用P 表示），,状态： 振荡脉冲经过二分频以后，就是单片机的时钟信号，把时 钟信号的周期定义为状态（用S表示）。,指令周期： 一条指令的执行时间。 以机器周期为单位：单周期、双周期和四周期指令。,机器周期： 完成一个基本操作所需要的时间。一个机器周期由12个时钟周期组成。,2.4 存储器,MCS-51系列单片机的存储结构把数据存储器与程序存储器分开编址，各有各的寻址方式、控制信号和功能。,一、数据存储器（RAM),1.内部数据存储器,8051存储器地址空间分为三类： （1） 片内、片外统一编址0000FFFFH的64K字节的程序存储器地址空间（用16位地址） （2） 64K字节的片外数据存储器地址空间，地址也从0000FFFFH（用16位地址） （3） 256字节数据存储器地址空间（用8位地址）,内部数据存储器RAM,内部数据存储器,（一）低128个单元片内RAM,8051内部RAM有256个单元，通常在空间上分为两个区；低128个单元（00H7FH）的内部数据RAM块和高128个单元（80H0FFH）的专用寄存器SFR块。,（1）工作寄存器（00H1FH） R0R7 (8位)暂存运算数据和中间结果。,4个工作寄存器区，工作寄存器0区3区。每个区均含8个寄存器R0R7 。 用PSW中的两位PSW.4和PSW.3（RS1，RS0位）来切换工作寄存器区，选用一个工作寄存器区进行读写操作。,在任一时刻，CPU只能使用其中一组通用寄存器,共16个单元，计168=128位，位地址为00H7FH。位寻址区既可作为一般的RAM区进行字节操作，也可对单元的每一位进行位操作，因此称为位寻址区，是存储空间的一部分。表21列出了位寻址区的位地址：,(2)位寻址区（20H2FH）,(3)用户RAM区（30H7FH）,一般把堆栈放在这里,堆 栈 区,(1)堆栈的功能 堆栈是为程序调用和中断操作而设立的，具体功能是保护断点和保护现场。 (2)堆栈指针SP 堆栈有栈顶和栈底之分。栈底地址一经设定后固定不变，它决定了堆栈在RAM中的物理位置。为了指示栈顶地址，要设置堆栈指针SP。SP的内容就是堆栈栈顶的存储单元地址。 (3)堆栈使用方式 堆栈的使用有两种方式。一种是自动方式，即在调用子程序时，断点地址自动进栈。另一种是指令方式，即使用专用的堆栈操作指令，执行进出栈操作。,专用寄存器： A、B、PSW、DPTR、SP P0、P1、P2、P3、SBUF、TMOD、TCON、SCON ,（二）内部RAM高128单元,专用寄存器区（也称为特殊功能寄存器区（SFR）区）,占用字节地址：80HFFH,共有22个专用寄存器 ，程序计数器PC在物理上是独立的，没有地址不属于内部RAM的SFR区 ；其余的21个专用寄存器都属于内部RAM的SFR区,注：带“” 专用寄存器表示可以位操作。,2.片外数据存储器 片外数据存储器，即片外RAM，一般由静态RAM芯片组成。用户可根据需要确定扩展存储器的容量，MCS-51单片机访问片外RAM可用1个特殊功能寄存器数据指针寄存器DPTR寻址。由于DPTR为16位，可寻址的范围为064KB。因此，扩展片外RAM的最大容量是64KB。 片外RAM地址范围为0000H0FFFFH，其中在0000H00FFH区间与片内数据存储器空间是重叠的。CPU使用MOV指令和MOVX指令加以区分。,二、程序存储器 程序存储器用来存放程序代码和常数，分成片内、片外两大部分，即片内ROM和片外ROM。其中，8051内部有4KB的ROM，地址范围为0000H0FFFH，片外用16位地址线扩充64KB的ROM，两者统一编址。 单片机要执行程序，是从片内ROM取指令，还是从片外ROM取指令，首先由CPU引脚 EA的电平高低来决定。当CPU的引脚 EA接高电平时，PC在O000H0FFFH范围内，CPU从片内ROM取指令；而当PC大于0FFFH后，则自动转向片外ROM去取指令。当引脚 EA接低电平时，8051片内ROM不起作用，CPU只能从片外ROM取指令，地址可以从O000H开始编址。对于片内无ROM的8031、8032单片机， EA应接地，以便从外部扩展EPROM中取指令。,（1）0000H0002H: 单片机复位后的程序运行口地址 （2）0003H000AH：外部中断0中断地址区 （3）000BH0012H：定时器/计数器0中断地址区 （4）0013H001AH：外部中断1中断地址区 （5）001BH0022H：定时器/计数器1中断地址区 （6）0023H002AH：串行中断地址区 通常就要在中断地址区首地址中存放一条无条件转移指令。,8051单片机的程序存储器又以下几种形式：,引脚图及逻辑符号,2、振荡电路：XTAL1、XTAL2,3、复位引脚：RST,4、并行口：P0、P1、P2、P3,7、ALE：地址锁存控制信号,1、电源线：VCC(+5V)、VSS(地),P1. 0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7,P3. 0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7,RST,VSS,XTAL2 XTAL1,P0. 0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7,VCC,ALE,P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2. 0,P3口线的第二功能,2.5 MCS-51系列片机的外部引脚及功能,第二章 MCS-51系列单片机的结构与功能,电源引脚Vcc和Vss Vcc：电源端，接5V。 Vss：接地端。 时钟电路引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1：接外部晶振和微调电容的一端，在片内它是 振荡器倒相放大器的输入，若使用外部TTL时钟时，该 引脚必须接地。 XTAL2：接外部晶振和微调电容的另一端，在片内它 是振荡器倒相放大器的输出，若使用外部TTL时钟时， 该引脚为外部时钟的输入端。,地址锁存允许ALE 系统扩展时，ALE用于控制地址锁存器锁存P0口输出的低8位地址，从而实现数据与低位地址的复用。 外部程序存储器读选通信号PSEN PSEN是外部程序存储器的读选通信号，低电平有效。 程序存储器地址允许输入