第2章MCS51系列单片机的结构及原理pp课件

1、 教学目标：教学目标： 介绍mcs51系列单片机的内部结构与外部引脚功能 介绍mcs51系列单片机输入输出端口的结构与功能 介绍mcs51系列单片机的存储器组织 介绍mcs51系列单片机的时序 学习要求：学习要求： 掌握mcs51系列单片机的内部结构与外部引脚功能 掌握mcs51系列单片机存储器的构成与编址方法 掌握输入输出端口的功能，了解输入输出端口的结构 掌握振荡电路与复位电路的构成，了解单片机的cpu时序l mcs-51系列单片机是美国intel公司在1980年推出的8位单片 微型计算机 ，包含51和52两个子系列。l 51子系列的典型产品有8031，8051和8751三种机型 l 52

2、子系列包括8032，8052二种主要机型 l mcs-51系列单片机的结构框图见图2-1。 mcs-51系列单片机的结构框图见图2-1。 5151子系列的配置如下：子系列的配置如下： （1）8位cpu； （2）振荡频率1.212mhz； （3）128个字节的片内数据存储器（片内ram）； （4）21个专用寄存器； （5）4kb的片内程序存储器（8031无）； （6）8位并行i/o口p0，p1，p2，p3； （7）一个全双工串行i/o口； （8）2个16位定时器/计数器； （9）5个中断源，分为2个优先级； 222 7pp7pp33 7pp1 71ppv c cv s sr s te aa l

3、ep s e nx t a l 2x t a l 1e p r o m或 r o m p cp c 加 1缓 冲 器1 6 位 地 址 寄 存 器r a mr a m 地 址寄 存 器 s pa c c暂 存 器 1暂 存 器 2b 寄 存 器中 断 系 统 串 行 口 定 时 器 / 计 时 器a l up s wd p t rp 1 锁 存 器p 1 驱 动 器振 荡 器指令寄存器定时及控制p 3 锁 存 器p 2 锁 存 器p 0 锁 存 器p 3 驱 动 器p 2 驱 动 器p 0 驱 动 器图2-1 mcs-51系列单片机的结构框图 p1.0 vcc p1.1 p0.0 p1.2 p

4、0.1 p1.3 p0.2 p1.4 p0.3 p1.5 p0.4 p1.6 p0.5 p1.7 p0.6 rst/v p0.7 p3.0 ea/vpp p3.1 ale/prog p3.2 psen p3.3 p2.7 p3.4 p2.6 p3.5 p2.5 p3.6 p2.4 p3.7 p2.3 xlal1 p2.2 xlal2 p2.1 vss p2.0 1 21 2 22 3 23 4 24 5 25 6 26 7 27 8 28 9 29 10 30 11 31 12 32 13 33 14 34 15 35 16 36 17 37 18 38 19 39 20 40 主电源引脚 v

5、ss、vcc 外接晶振引脚 xtal1、xtal2 输入/输出引脚 p0、p1、p2、p3 p0.0p0.0p0.7p0.7：p0口的8个引脚，p0口是8位漏极开路型双向i/0端口，在接有片外存储器或i/0扩展接口时，p0.0p0.7分时复用，作低8位地址总线与双向8位数据总线 p1.0p1.0p1.7p1.7：p1口的8个引脚，p1口是一个带内部上拉电阻的8位双向i/o口，对于52子系列，p1.0还可用于定时器/计数器2的计数脉冲输入端2，1.1还可作定时器/计数器2的外部控制端t2ex。 p2.0p2.0p2.7p2.7：p2口的8个引脚，p2口也是一个带内部上拉电阻的双向i/o口，在访问

6、片外存储器或扩展i/o接口时，还用于提供高8位地址。 p3.0p3.7：p3口的8个引脚，p3口也是一个带上拉电阻的i/o口，除可以作双向的输入输出口外，还具有第2功能，见表2.1表 p3口第二功能表引脚 第二功能 p3.0p3.1p3.2p3.3p3.4p3.5p3.6p3.7 rxd(串行口输入)txd(串行口输出)int0（外部中断0输入）int1（外部中断1输入）t0（定时器0的外部输入） t1（定时器1的外部输入）wr （片外数据存储器写控制信号）rd （片外数据存储器读控制信号） （控制线（控制线（4 4条）：条）： ale/progale/prog：双功能引脚。由于p0口的8个引

7、脚是低8位地址总线与数据总线分时复用，因此必须将p0口输出的低8位地址进行锁存。在访问片外存储器时，每机器周期该信号出现2次。其下降沿用于控制锁存p0口输出的低8 位地址。即使不访问片外存储器，该引脚上仍出现上述频率的周期性信号，因此也可作为对外输出的时钟脉冲，频率为振荡器频率的1/6，必须注意的是：在访问片内外存储器时，ale脉冲会跳空1个。对片内含有eprom的机型，此引脚在编程时可作为编程脉冲prog的输入端。 psenpsen：片外程序存储器读选通信号输出端，在cpu从片外程序存储器取指期间，此信号每个机器周期两次有效，以通过p0口读入指令，在访问片外数据存储器时，该信号不出现。 双功

8、能引脚，为片外程序存储器选用端。当该引脚信号有效时，选择片外程序存储器，即ea/vpp=1时，访问片内程序存储器。 对片内含有eprom的机型，此引脚在编程期间用于施加+21v的编程电压。 双功能引脚，在单片机工作期间，当此引脚上出现连接2个机器周期的高电平时可实现复位操作，详见2.4节。 在vcc掉电期间，若该引脚接备用电源（+5v），可向片内ram供电，以保存片内ram中的信息。l运算器由算逻运算单元alu、累加器a、b寄存器、暂存器1、暂存器2、及程序状态字psw构成。程序状态字psw是1个8位的专用寄存器，用于存放程序运行中的各种状态信息，可进行位寻址，lpsw的各位定义见图23。 d

9、7 d6 d5 d4 d3 d2 d1 d0l图2-1的虚框部分为微处理器,又分为控制器、运算器。控制器由指令寄存器、指令译码器、定时控制部分组成，可根据不同的指令产生相应的控制信号，使各部分协调工作，完成指令所规定的功能。 图23 程序状态字各位的含义cacf0rs1rs0ovf1p2.2 mcs2.2 mcs5151系列单片机的微处理器与系列单片机的微处理器与cpucpu时序时序（1）进位标志c（psw.7）；很多算术逻辑运算指令执行 后都会影响进位标志c。例如加减运算，若运算结果有进位或借位，则c=1，若无，则c=0。可用专门的指令或硬件将c置位或清零，在进行位操作时，c又起着位累加器的

10、作用，类似于累加器a。（2）辅助进位标志ac（psw.6）：做加减运算时，若低半字节有进位（借位），则ac=1，否则ac=0，辅助进位标志主要用于bcd运算调整时。（3）软件标志fo（psw.5）：这是可由用户定义的一个状态标志，可由用户置位或复位。f1的定义与f0相同。 （4）工作寄存器组选择位rs1、rs0（psw.4，psw.3）： rs1、rs0与工作寄存器组的对应关系如下： rs1 rs0 工作寄存器组 片内ram地址 0 0 第0组 00h07h 0 1 第1组 08h0fh 1 0 第2组 10h17h 1 1 第3组 18h1fh 单片机上电复位后，rs1rs0=00，此时第0

11、组的8个工作寄存器为当前工作寄存器组。 （5 5）溢出标志）溢出标志ovov（psw.2psw.2）：）：当运算结果超出机器所能表示的范围时称溢出。ov是带符号数运算的溢出标志，如发生溢出，则ov=1；否则ov=0。 （6 6）奇偶标志）奇偶标志p p（psw.0psw.0）：）：p反映执行指令后累加器a中1的个数的奇偶,若a中1的个数为奇数，则p=1，若 a中1的个数为偶数，则p=0。 程序状态字可反映运算结果的状态，下面以加法指令为例进行说明。例：分析执行下列指令序列后，a、c、ac、ov、p的内容是什么？ mov a，#79h add a，#58h 该指令序列的功能是将79h+58ha。

12、计算过程如下： （79h） 01111001 +（58h） 01011000 （d1h） 11010001指令执行后，a=d1h最高位无进位，故=0；低半字节有进位，ac=1；ov=0 1=1，发生溢出；a中1的个数为偶数，故p=0。一振荡器一振荡器 cpu执行指令的一系列动作是在时序电路的控制下一拍一拍进行的。其节拍信号由振荡器产生，mcs-51系列单片机的内部有一个高增益的反相放大器。外接晶体后可构成自激振荡器产生节拍信号，接法见图2-1,也可使用片外振荡器，采用不同工艺制造的单片机芯片接法不同：。芯片状态 接法 xtal1 xtal2hmos型 接地 接片外振荡脉冲输入端(带上拉电阻)

13、chmos型 接片外振荡脉冲输入端(带上拉电阻)悬浮 二、时钟周期，机器周期、指令周期二、时钟周期，机器周期、指令周期 振荡器输出的振荡脉冲经2分频后作为内部节拍信号，作单片机内部各部件协调工作的控制信号，其周期称为时钟周期。 计算机一条指令的执行分几个阶段，每一阶段完成一项规定的操作，完成某一规定操作所需的时间称为一个机器周期。对mcs51系列单片机，6个时钟周期构成一个机器周期。 cpu执行一条指令所需的时间为指令周期。指令周期以机器周期为单位，mcs51系列单片机的指令多为单周期、双周期指令，只有乘除指令为4周期指令，若用12mhz晶振，则单周期指令、双周期指令的执行时间分别为1s和2s

14、，而乘除指令则需4s三、三、cpucpu时序时序 mcs51系列单片机的一个机器周期包含6个时钟周期。我们用s1、s2、s6表示，每个时钟周期的2个振荡节拍用p1、p2表示，则一个机器周期包括12个振荡周期，不同周期、不同字节数的指令时序不同。 s 1 s 2 s 3 s 4 s 5 s 6 s 1 s 2 s 3 s 4 s 5 s 6 p 1 p 2 p 1 p 2 p 1 p 2 p 1 p 2 p 1 p 2 p 1 p 2 p 1 p 2 p 1 p 2 p 1 p 2 p 1 p 2 p 1 p 2 p 1 p 2 读 操 作 码 读 下 一 个 操 作 码 执 行 下 一 条 指

15、 令 （ 丢 弃 ） p 1 p 2 p 1 p 2 p 1 p 2 p 1 p 2 p 1 p 2 p 1 p 2 p 1 s 1 s 2 s 3 s 4 s 5 s 6 （ a ） 1 字 节1 周 期 指 令 时 序 读 操 作 码 读 第2 个 字 节 执 行 下 一 条 指 令 p 1 p 2 p 1 p 2 p 1 p 2 p 1 p 2 p 1 p 2 p 1 p 2 p 1 s 1 s 2 s 3 s 4 s 5 s 6 （ b ） 2 字 节1 周 期 指 令 时 序 读 操 作 码 读 下 一 个 操 作 码 读 下 一 个 操 作 码 读 下 一 个 操 作 码 （ 丢

16、弃 ） （ 丢 弃 ） （ 丢 弃 ） p 1 p 2 p 1 p 2 p 1 p 2 p 1 p 2 p 1 p 2 p 1 p 2 p 1 p 2 p 1 p 2 p 1 p 2 p 1 p 2 p 1 p 2 p 1 p 2 s 1 s 2 s 3 s 4 s 5 s 6 s 1 s 2 s 3 s 4 s 5 s 6 （ c ） 1 字 节2 周 期 指 令 时 序 执 行 下 一 条 指 令 l mcs51系列单片机内部一般既有只读存储rom，又有随机存储器ram，片内存储器的类型及容量见表23.存储器类型 片内程序存储器容量(b) 片内数据存储器容量(b) mcs-51系列单片机型

17、号 掩膜 rom eprom ram sfr 51 子系列 8031 8051 8751 4kb 4kb 128 128 128 128 .128 128 52 子系列 8032 8052 8kb 256 256 128 128 当片内存储器容量不够时，可在片外扩展，加用片外程序存储器与片外数据存储器。从结构上讲共有四个存储空间：片内程序存储器、片外程序存储器、片内数据存储器、片外数据存储器，见图2-5。 片内存储器 0fff 4kb rom ff 80 sfr 7f 00 ram 0000 ea=1 ffff ffff 1000 64kb rom 0fff 0000 ea=0 0000 64

18、kb ram 或i/o 片外扩展存储器 图4 mcs51系列单片机存储器配置图 程序存储器存放程序及各种表格、常数，其寻址范围为64kb，编址范围为0000h至ffffh。对于片内无程序存储器的机型（8031、8032），其程序存储器均在片外扩展，对于片内有程序存储器的机型（8051、8052、8751），也可在需要时扩展片外程序存储器。在既有片内又有片外程序存储器时，通常编址时先片内，后片外，片内片外连续不重叠。 ea有两种接法： ea=1，此时复位后先执行片内程序存储器的程序；当pc中的内容超过片内程序存储器最后的一个单元的地址时，将自动转去执行片外程序存储器的程序。 ea=0，此时将不访

19、问片内程序存储器而直接访问片外程序存储器。 程序存储器中有特殊用途的7个单元： l0000h单元：mcs51系列单片机复位后pc=0000h，即系统复位后从0000h单元开始执行程序，l0003h 外部中断0 中断服务程序入口地址l000bh 定时器/计数器1溢出中断入口地址l0013h 外部中断1入口地址l001bh 定时器/计数器1溢出中断入口地址l0023h 串行口中断入口地址l002bh 定时器/计数器2溢出或t2ex端负跳变(仅8032、 8052 用)中断入口地址注意：注意：以上7个单元相隔很近，通常要执行的程序并不在此，单元内通常是一条绝对转移指令，转到程序真正的起始地址去执行程

20、序.。 mcs51系列单片机的片内数据存储器分为片内ram块与特殊功能寄存器（sfr）块，对于51子系列，片内ram块的地址从00h7fh，占128个字节，sfr块从80hffh，也为128字节。对于52子系列，前者编址从00hffh，占256个字节，后者编址为80hffh，占128字节。片内ram的高128个字节的地址与sfr块重叠，当片内数据存储器容量不够时可扩展片外数据存储器。片外数据存储器用r0、r1间址寻址时，寻址范围为256个字节，用数据指针寄存器dptr时寻址范围最大为64kb。在编址时，片外数据存储器的地址可与片内数据存储器的地址重叠 ，事实上，数据存储器与程序存储器的地址也是

21、重叠的。规定：规定：片内片内ramram的高的高128128个字节用寄存器间址寻址，而个字节用寄存器间址寻址，而sfrsfr块用直接寻址，块用直接寻址，访问片内数据存储器用访问片内数据存储器用movmov指令，访问片外数据存储器用指令，访问片外数据存储器用movxmovx指令，指令，而访问程序存储器则用而访问程序存储器则用movcmovc指令，指令， l51子系列片内ram块可分工作寄存器存器区、位寻址区、数据缓冲区等三个区域，这三个区域统一编址，从00h7fh，各区域有自己的特殊功能，也可统一调度使用。 注意：注意：单片机上电复位后，单片机上电复位后，sp=07h，即堆栈，即堆栈处于处于工作

22、寄存器存器区，应给工作寄存器存器区，应给spsp重新赋值。重新赋值。一、片内ram块 r0 r1 : r7 工作寄存器 0组 r0 r1 : r7 工作寄存器 1组 r0 r1 : r7 工作寄存器 2组 r0 r1 : 00h 01h : 07h 08h 工 09h 作 : 寄 存 器 0fh 区 10h 11h : 17h 18h 19h : 1fh r7 工作寄存器 3组 07 06 05 04 03 02 01 00 0f 0e 0d 0c 0b 0a 09 08 17 16 15 14 13 12 11 10 1f 1e 1d 1c 1b 1a 19 18 27 26 25 24 2

23、3 22 21 20 2f 2e 2d 2c 2b 2a 29 28 37 36 35 34 33 32 30 30 3f 3e 3d 3c 3b 3a 39 38 47 46 45 44 43 42 41 40 4f 4e 4d 4c 4b 4a 49 48 57 56 55 54 53 52 51 50 5f 5e 5d 5c 5b 5a 59 58 67 66 65 64 63 62 61 60 6f 6e 6d 6c 6b 6a 69 68 77 76 75 74 73 72 71 70 20h 21h 22h 23h 位 24h 寻 25h 址 26h 区 27h 28h 29h 2

24、ah 2bh 2ch 2dh 2eh 2fh 7f 7e 7d 7c 7b 7a 78 79 数 30h 据 31h 缓 : 冲 区 7fh 二、特殊功能寄存器块sfr特殊功能寄存器又称专用寄存器，与片内ram统一编址（pc除外）用直接寻址方式寻址，其地址从80hffh，离散分布 . 位地址与名称 专用寄存器名称 符号 地址 d7 d6 d5 d4 d3 d2 d1 d0 p0 口 p0 80h 87 86 85 84 83 82 81 80 堆栈指针 sp 81h 数据指针低字节 82h 数据指针高字节 dpl dptr dph 83h 定时器/计数器控制 tcon 88h tf1 8f t

25、r1 8e tf0 8d tr0 8c ie1 8b it1 8a ie0 89 it0 88 定时器/计数器方式控制 tmod 89h gate c/t m1 m0 gate c/t m1 m0 定时器/计数器 0低字节 tl0 8ah 定时器/计数器 1低字节 tl1 8bh 定时器/计数器0高字节 th0 8ch 定时器/计数器1高字节 th1 8dh p1口 p1 90h 97 96 95 94 93 92 91 90 电源控制 pcon 97h smod - - - gf1 gf0 pd idl 串行口控制 scon 98h smo 9f sm1 9e sm2 9d ren 9c t

26、b8 9b rb8 9a ti 99 ri 98 串行数据缓冲器 sbuf 99h p2口 p2 aoh a7 a6 a5 a4 a3 a2 a1 a0 中断允许控制 ie a8h ea af - - et2 ad es ac et1 ab ex1 aa et0 a9 ex0 a8 p3口 p3 boh b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 中断优先级控制 ip b8h - - - - pt2 bd ps bc pt1 bb px1 ba pto b9 px0 b8 定时器/计数器2 控制 t2con* c8h tf2 cf exf2 ce bclk cd tclk cc exen2

27、 cb tr2 ca c/t2 c9 cp/r12 c8 定时器/计数器2 自动重装载低字节 rldl* cah 定时器/计数器2 自动重装载高字节 rldh* cbh 定时器/计数器2 低字节 tl2* cch 定时器/计数器2 高字节 th2* cdh 程序状态字 psw doh c d7 ac d6 f0 d5 rs1 d4 rs0 d3 ov d2 - d1 p d0 累加器 a eoh e7 e6 e5 e4 e3 e2 e1 e0 b 寄存器 b foh f7 f6 f5 f4 f3 f2 f1 f0 注：表中带*的寄存器都与定时器/计数器2有关，只在52子系列芯片中存在 l mc

28、s51系列单片机芯片有4个8位的准双向输入输出端口，称为p0、p1、p2、p3口，见表2，我们可以看出p0-p3口均有位地址，因此4个口的32根输入/输出线每一条可作为独立的输入/输出线使用。51系列单片机的输入输出端口与片内ram统一编址，采用相同的指令进行访问，p0p3口采用直接寻址方式，其口地址依次为80h、90h、a0h、b0h。 l各端口的结构见图2-5至图2-8图2-5 p0口的1位结构 地址数据 读锁存器 2 控制 v2 4 内部总线 v1 写锁存器 1 读引脚 d q p0.i 锁存器 cl q 1 0 mux p0.i 引脚 图2-6 p1口的1位结构d p1.i q 锁存器

29、cl q读锁存器 内部总线 写锁存器 读引脚 内部上拉电阻 vcc 2 1 v1 p1.i引脚 图2-7 p2口的1位结构 地址 控制 读锁存器 vcc 内部上拉电阻 内部总线 v1 写锁存器 1 读引脚 d q p2.i 锁存器 cl q p2.i 引脚 mux 第二输出功能 读锁存器 2 vcc 内部总线 内部上拉电阻 v1 写锁存器 1 4 读引脚 第二输入功能 d q p3.i 锁存器 cl q p3.i 引脚 图2-8 p3口的1位结构 各端口的功能p0口有两种功能：在扩展片外存储器时作地址数据分时复用总线，在不进行扩展时作一般准双向输入/输出口使用注意：注意：由于v2截止，如果输入

30、电路由集电极开路或漏极开路电路驱动，应外加提升电路。lp1口只有一种功能-通用准双向的输入/输出接口 lp2口有2种用途：通用准双向i/o接口或当单片机扩展了片外存储器时作高8位地址总线 lp3口除了作为通用准双向i/o使用外，还具有第2功能 （表2-1）lmcs-51系列单片列的rst引脚为复位引脚，只要在rst引脚上出现宽度在10ms以上的高电平，即可实现复位，复位通常有上电复位和操作复位两种方法。 l复位是靠外部电路实现的。常用的一种上电与按钮复位电路见图。l复位后各专用存储器和程序计数器的状态见表22。 +5v r c1 c2 c3rstmcs-51寄存器复位状态 寄存器复位状态 pcab pswspdptrp0p3ipie tmod 0000hooh00h00h07h0000hffhxx000000b0x000000b 00h tcont2conth0tl0th1tl1sconsbuf pcon 00h00h00h00h00h00h00hxxh (0xxx0000b) 注意：注意：单片机的各个功能模块由特殊寄存器控制，因此上述复位状态决定了单片机的初始状态：、 1、pc0000h，复位后从0000h单元开始执行程序。2、psw=00h，所以rs1rs0=00，复位后单片机当前工作寄存器组为第0组。、sp=07，复位后堆栈区从片内ram08h单元开始。 、复