MCS单片机硬件结构学习教案

1、会计学1MCS单片机硬件单片机硬件(yn jin)结构结构第一页，共62页。 8位CPU 片内128B RAM 片内4KB ROM/EPROM（8031无） 特殊(tsh)功能寄存器区 SFR 2个优先级的5个中断(zhngdun)源结构 4个8位并行口：P0、P1、P2、P32.1 MCS-51单片机主要功能(gngnng)特点一、 MCS-51单片机的主要上页下页回目录8051/8751功能特点第1页/共62页第二页，共62页。 2个16位定时器/计数器T/C 1个全双工串行口UART 布尔处理机 位处理机(10) 64KB外部(wib)RAM地址空间(11) 64KB外部ROM地址(dz

2、h)空间(12) 片内时钟(shzhng)电路及振荡器(13) 指令系统 (111条)上页下页回目录通用异步收发器半双工 即可接受又可发送，但不同时单工 只接收或只发送可同时接收或发送16条地址线第2页/共62页第三页，共62页。区别：8051 / 8751单片机中含有 ROM / EPROM， 而 8031中没有(mi yu)，使用时需外接一片 EPROM型号ROMEPROMRAMT/CI/OINT803280528KB87528KB 256B 256B 256B333并串444111666二、 MCS-51系列(xli)单片机的差异51子系列(xli)（基本型）上页下页回目录型号ROMEP

3、ROMRAMT/CI/OINT803180514KB87514KB128B128B128B222并 串44411155580318051基本型803152子系列请见：P20 表1-4 P21 表1-5 51系列产品 第3页/共62页第四页，共62页。上页下页回目录(ml)RAM P0口串行口 定时器 计数器特殊功能寄存器（SFR）中断系统微处理器ALU控制逻辑 P2口 P1口 P3口ROM/EPROMCPU内部(nib) 总线VccVssXTAL1XTAL2PSEN EAALERESETP2.0P2.7P0.0P0.788P1.0P1.78P3.0P 3.788051/8751面向用户的结构8

4、031共40条引线用户的内特性用户外特性图2-2 MCS-51功能 框图P31P31 图2-1是其物理结构框图逻辑结构框图第4页/共62页第五页，共62页。1、中央处理器2、存储器3、I/O口 MCS-51单片机有 4 个 8 位并行口，1 个全双工串行口 UART， 2 个 16 位的 T/C。 由运算器和控制逻辑组成。主要功能是产生(chnshng)各种控制信号，控制存储器、I/O端口的数据传送、数据运算、及位处理等操作等。采用SFR集中控制 程序(chngx)存储器ROM/ EPROM(8031中没有，需外接) ， 存放程序(chngx)和编好的表格及常数等。 数据(shj)存储器RAM

5、：存放中间结果、数据(shj)暂存、缓冲、及存放标志位等。上页下页回目录8051/8751第5页/共62页第六页，共62页。40引脚，双列直插式结构(jigu)上页下页回目录(ml)RST/VPDP3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7P3.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7P1.0P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0P2.7P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P0.0RXD TXD INT0 INT1 T0 WR RDT1 XTAL1XTAL2VssVccEA/VPPALE/PROGPSEN80318051875

6、1403938373635343332313029282726252423222112345678910111213141516171819202.3 MCS-51单片机的引脚功能(gngnng)用户外特性第6页/共62页第七页，共62页。一、51单片机的管脚功能(gngnng)1、按功能(gngnng)分类I/O口线 P0 、 P1 、 P2 、 P3 共32条电 源 Vcc、 Vss 共2条时 钟 XTAL1、 XTAL2 共2条上页下页回目录(ml)控制口线 PSEN、ALE、EA/VPP、RESET 共4条数据/地址复用口I/O口双功能口第7页/共62页第八页，共62页。2、管脚的功能

7、(gngnng)（1）电源(dinyun)与时钟Vcc：接+5V电源(dinyun)端 Vss：接地端XTAL1：片内振荡电路输入端XTAL2：片内振荡电路输出端内时钟方式：在XTAL1、XTAL2上外接定时元件，使其形成自激振荡器。时钟电路：内时钟方式外时钟方式上页下页回目录第8页/共62页第九页，共62页。 定时元件采用由石英晶体和电容(dinrng)组成并联谐振电路。晶体和电容(dinrng)尽可能靠近单片机芯片。单片机XTAL1XTAL21918C1C2电容通常选择为30PF左右振荡(zhndng)频率1.2MHz12MHz晶振内时钟(shzhng)方式电路图上页下页回目录第9页/共6

8、2页第十页，共62页。单片机XTAL2XTAL1外时钟方式：XTAL1接地(jid)，XTAL2接外部振荡器外时钟(shzhng)方式电路图外部(wib)振荡源+5V1819上拉电阻频率低于12MHz上页下页回目录OC门第10页/共62页第十一页，共62页。复位(f wi)信号：高电平复位(f wi)CPU，低电平CPU工作EA/VPPALEPSEN名称(mngchng)功 能片外取指信号（片外程序存储器读）输出端低电平有效。通过(tnggu)P0口读回指令或常数。控制的是片外程序存储器RESET 控制信号地址锁存信号。ALE低电平时， P0口出现数据信息； ALE高电平时， P0口出现地址信

9、息。程序存储器选择信号 上页下页回目录EA=0 时，选外部ROM；1，地址小于4k时，选内部ROM地址大于4k时，选外部ROMP0口是数据/地址复用口用下降沿 锁存P0口的低8位地址到外部锁存器第11页/共62页第十二页，共62页。寄存器 内 容寄存器 内 容表 2-2 复位(f wi)后内部寄存器状态PC 0000HACC 00HB 00HPSW 00HSP 07HDPTR 0000HP0P3 0FFHIP 00000BIE 000000BTMOD 00HTCON 00HTH0 00HTL0 00HTH1 00HTL1 00HSCON 00HSBUF 不定(bdng)PCON 0 000B上

10、页下页回目录(ml)第12页/共62页第十三页，共62页。803180518751VSSVCCRST409200.47FR151kR2 51k+5V复位电路手动复位KR上电自动复位KR高电平要保持10ms以上+5VRESET高电平有效(yuxio)上页下页回目录(ml)第13页/共62页第十四页，共62页。 I/O口P0口：三态 双向 复用(f yn)口地址(dzh)/数据控制(kngzh)读锁存器写锁存器DCLQQP0.x锁存器T0T1MUXP0.x引脚内部总线读引脚P0口位结构Vcc11001“读”01100P0口作地址/数据复用总线上页下页回目录D0D7A0A7第14页/共62页第十五页

11、，共62页。P0口作地址/数据(shj)复用总线从P0口输出数据或地址(dzh)信息的过程：控制(kngzh)端高电平MUX接反相器输出端输出级T1连接与门开锁信号驱动T0驱动电路接通P0口输出数据/地址信息从P0口输入数据信息：引脚信号从输入三态缓冲器进入内部总线上页下页回目录“读”第15页/共62页第十六页，共62页。P0口：作通用(tngyng)I/O口使用地址/数据控制读锁存器写锁存器DCLQQP0.x锁存器T0T1MUXP0.x引脚内部总线读引脚P0口位结构Vcc外接上拉电阻(dinz)0100读读修改(xigi)写功能上页下页回目录1ANL P0，A（P0） (A)P0“读”Vcc

12、第16页/共62页第十七页，共62页。控制(kngzh)端低电平与门输出(shch)低电平T0截止(jizh)输出漏级开路外接上拉电阻MUX接锁存器Q端P0口作通用I/O口使用输出时：P0口作通用I/O口使用输入时：先将锁存器写“1”T0、T1截止读引脚信号P0P3口线上的“读修改写” 是通过上面一个三态门实现的。P0的驱动能力: 驱动8个TTL门上页下页回目录锁存器Q与T1连接第17页/共62页第十八页，共62页。P1口：准双向口读锁存器写锁存器内部(nib)总线读引脚DCLQQP1.x锁存器TP1.x引脚Vcc内部(nib)上拉电阻010101输出(shch)输入上页下页回目录“读引脚”P

13、1口位结构第18页/共62页第十九页，共62页。作通用(tngyng)I/O口输出时：将“1”写入锁存器输出(shch)高电平将“0”写入锁存器Q 1， T导通输出(shch)低电平作通用I/O口输入时：口锁存器必须写“1”先将“1”写入锁存器，使T截止，口线上的数据取决于外部输入Q 0， T截止 P1口的驱动能力：驱动4个TTL门上页下页回目录内部总线为引脚为“高电平”“低电平”“1”“0”“读”准双向口第19页/共62页第二十页，共62页。P2口：准双向口地址(dzh)控制(kngzh)读锁存器写锁存器内部总线读引脚DCLQQP2.x锁存器TP2.x引脚P2口位结构VccMUX上拉电阻(d

14、inz)上页下页回目录P2比P1多一个输出控制第20页/共62页第二十一页，共62页。P2口作通用(tngyng)I/O口使用时： 准双向口。MUX倒向左边，输出级与锁存器“Q”端接通(ji tn)，P2口I/O操作完全与P1口相同P2口作地址总线高8位使用(shyng)时： 在CPU的控制下， MUX倒向右边，接通内部地址总线，P2口的口线状态取决于片内输出的地址信息 P2口的驱动能力：驱动4个TTL门上页下页回目录第21页/共62页第二十二页，共62页。P3口位结构(jigu)第二(d r)输入功能P3口：双功能(gngnng)口读锁存器写锁存器内部总线读引脚DCLQQP3.x锁存器TP3

15、.x引脚Vcc上拉电阻第二输出功能11上页下页回目录0第22页/共62页第二十三页，共62页。P3作第一(dy)功能口使用时： 输出控制线为高电平，与非门的输出取决于锁存器“Q”端的状态，P3口的I/O操作(cozu)和P1口相同。P3作第二(d r)功能口使用时： 相应的口线锁存器必须为“1”，与非门的输出取决于第二功能输出线。 P3的驱动能力：驱动4个TTL门上页下页回目录 第二功能输入时,信号取自第一个缓冲器的输出端; 第二个缓冲器的输出, 仍是第一功能的读引脚信号缓冲器。第23页/共62页第二十四页，共62页。P3口的第二(d r)功能状态P3.0RXD串入（接收端）P3.1TXD串出

16、（发送端）P3.6 WR外部RAM写信号P3.3INT1外部中断1输入P3.4T0计数器0输入P3.5T1计数器1输入第二功能作 用口线P3.2INT0外部中断0输入P3.7 RD外部RAM读信号上页下页回目录(ml)第24页/共62页第二十五页，共62页。ALEP3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7P3.0EAPSENRST803180518751VccVssP1口P2口P0口373GE+5VA0A7A8A15D0D7I/OXTAL1XTAL2RXDTXDINT0INT1T0T1WRRD控制总线CB二、51单片机的三总线结构数据总线 DB地址总线 AB利用三条总线(zn x

17、in), 可方便地进行系统扩展晶振 1.212MHZ上页下页回目录(ml)8031第25页/共62页第二十六页，共62页。P0.0P0.7ALE 锁存到锁存器373A0A7P2.0P2.7A8A15P0.0P0.7D0D7P3口的第二功能(gngnng)状态加上控制线PSENEAALERESET上页下页回目录(ml)第26页/共62页第二十七页，共62页。80318051875140393837363534333231302928272625242322211234567891011121314151617181920上页下页回目录(ml)RAM P0口串行口定时器计数器特殊功能寄存器（SFR

18、）中断系统微处理器ALU控制逻辑 P2口P1口 P3口ROM/EPROMCPU内部(nib) 总线VccVssXTAL1XTAL2PSEN EAALERESETP2.0P2.7P0.0P0.788P1.0P1.78P3.0P 3.788051/8751面向用户的内部结构8031共40条引线(ynxin)用户的内特性用户外部特性小结：面向用户的特性内部外部裸机第27页/共62页第二十八页，共62页。仅用来访问外部(wib)程序存储器和外部(wib)数据存储器2.4 MCS-51的存储器组织(zzh)存储器数据(shj)存储器程序存储器 对单片机来讲，ROM和RAM的寻址机构和寻址方式是分开的。上

19、页下页回目录ROM、 EPROM E2ROM或FLASHRAM按地址访问的一维线性（逻辑）空间按地址访问的一维线性（逻辑）空间PSENWRRD单片机常驻容量小仅256B容量大达64KB普林斯顿结构哈佛结构普林斯顿结构第28页/共62页第二十九页，共62页。从物理(wl)上分，MCS-51分为4个存储空间片内程序(chngx)存储器 ROM片内数据(shj)存储器 RAM片外程序存储器 ROM片外数据存储器 RAM（I/O）从逻辑上分，MCS-51分为3个逻辑空间 片内、外统一编址的程序存储器地址空间 256B片内数据存储器地址空间 64KB片外数据存储器或I/O地址空间上页下页回目录片内固有需

20、要扩展需要扩展PC第29页/共62页第三十页，共62页。从功能上分，MCS-51分为5个地址(dzh)空间 程序(chngx)存储器 ROM 片内数据(shj)存储器 RAM 特殊功能寄存器区 SFR 位寻址区 外部扩展的数据存储器 RAM（I/O）区上页下页回目录第30页/共62页第三十一页，共62页。一、程序(chngx)存储器8051 内部(nib)有4KB ROM地址(dzh)：0000H 0FFFH8051 外部的ROM地址：1000H FFFFH8031 内部没有ROM / EPROM需要片外扩展，使用 时接成低电平 EA地址：0000H FFFFH上页下页回目录接地第31页/共6

21、2页第三十二页，共62页。上页下页回目录(ml)EA=1内部外部EA=00000H0FFFH0FFFH0000H1000H外部FFFFH8051/8751803151系列(xli)程序存储器配置图4KB接地第32页/共62页第三十三页，共62页。二、内部数据(shj)存储器 RAM 地址:00H FFH内部数据存储器从物理上分为(fn wi)几个不同的块：MCS-51128B RAM （地址(dzh)00H7FH）128B SFR （地址80HFFH）上页下页回目录256B第33页/共62页第三十四页，共62页。上页下页回目录(ml)内部RAMSFR特殊功能寄存器7FH00HFFH80HMCS

22、-51内部(nib)RAM配置内部(nib)数据存储器配置图256B第34页/共62页第三十五页，共62页。1、内部(nib)RAM区（MCS-51）MCS-51内部(nib)RAM只有128B内部RAM区分为(fn wi)三部分地址：00H7FH上页下页回目录内部RAM7FH00HSFR特殊功能寄存器FFH80H7FH00H位寻址区2FH20H工作寄存器区1FH00H7FH30H数据缓冲区80个字节为真正的 RAM16个字节分为128个RAM位32个字节分为四个工作寄存器区每个区8个工作寄存器第35页/共62页第三十六页，共62页。0FH08H17H10H2FH20H7FH30H0区（8字节

23、）1区（8字节）2区（8字节）3区（8字节）位寻址区数据缓冲区80个字节(z ji)RAM只能(zh nn)按字节寻址16个字节(z ji)分为128个RAM位可按位亦可按字节寻址四个工作寄存器区内部RAM区功能配置图R7R0R7R0R7R0R7R000H1FH07H00H1FH18H布尔处理器上页下页回目录每个区，8个工作寄存器R0 R7亦可作普通RAM使用第36页/共62页第三十七页，共62页。 通用寄存器组 32个RAM单元(dnyun) 共4个区，每个区8个通用(tngyng)工作寄存器 R0R7“区”的选择由程序(chngx)状态字PSW中的RS1 (PSW.4)和RS0 (PSW.

24、3)确定 工作寄存器区地 址RS1 RS0 2 区10H 17H1 0 3 区18H 1FH1 1上页下页回目录 0 区00H 0 007H 1 区08H 0 10FH第37页/共62页第三十八页，共62页。 位寻址区 （16个RAM单元(dnyun) VS 12个SFR） 字节(z ji)地址：20H 2FH 16个 RAM 字节(z ji)共128个 RAM 位 位地址：00H 7FH 12个SFR中的93位具有位寻址功能位寻址区128个RAM位93个SFR位 布尔处理机数据存储器的主要组成部分上页下页回目录布尔处理机共221位位地址请参看书的P43：图2-15 图 2-16直接地址能被8

25、所整除的构成其中3位无定义第38页/共62页第三十九页，共62页。 用户(yngh)RAM区（数据缓冲区）共80个单元字节(z ji)地址：30H 7FH8051单片机复位时，堆栈指针SP指向(zh xin) 07H 单元片内RAM的部分单元可用作堆栈51的栈区不是固定的，为避开工作寄存器区、位寻址区，用户堆栈一般设置在 30H 7FH 之间上页下页回目录真正的RAM单元SP 指针是可编程的寄存器第39页/共62页第四十页，共62页。 程序(chngx)计数器PC$16位专用(zhunyng)寄存器 ，寻址范围64KB$ 此时(c sh)的程序是顺序执行的2. 专用寄存器区$ 通电时自动复位，

26、运行时可手动复位，复位 后，PC的内容自动清零$用来存放下一条指令地址。CPU取指令时，将PC内容经地址总线送到程序存储器，从该地址单元取回指令，译码并执行；同时，PC自动加1$如果程序需要转移，可在程序中安排转移或条件转移指令（JMP或JNC）、调用子程序指令CALL等上页下页回目录PC 0000H 系统的启动地址 23个专用（3个属于52）其中5个是双字节寄存器，PC物理上是独立的，其余22个属于SFR，共占用26个字节第40页/共62页第四十一页，共62页。PC 管理程序执行(zhxng)顺序的过程： 74H08H24H04H02H22H00H78H74HPC0000HPCMOV A，#

27、08H ADD A，#04HLJMP，2200HMOV R0，#74H0004H0003H0002H0001H0000H2200H2201H0005H 0006H 0007H存储器 指令寄存器 74HPC0001H 08HPC0002H 24HPC0003H 04HPC0004H 02HPC 22HPC 00HPC0005H0006H0007HPC2200H 78HPC2201H 74HPC2202H2202HMOV A，#08HADD A，#04HLJMP 2200HMOV R0，#74H上页下页回目录(ml)下一条(y tio)指令第41页/共62页第四十二页，共62页。 累加器A 地址(

28、dzh)：0E0H最常用的一个(y )专用寄存器大部分单操作数指令(zhlng)的操作数取自A很多双操作数指令的一个操作数取自A算术运算和逻辑运算的结果放在A或AB对中指令系统采用A 作为累加器的标识符例：INC A；执行A中的内容加1操作ADD A，#data；执行A (A) + #data 操作上页下页回目录位寻址功能第42页/共62页第四十三页，共62页。 寄存器B 地址(dzh)：0F0H 8位寄存器与累加器 A 配合使用(shyng)，一般用于乘除法运算寄存器 B 存放第二操作数、乘积的高8位字节除法的余数部分例：MUL A B;执行 (A)(B) B ADIV A B;执行 (A)

29、/(B) 商 A 余 B 上页下页回目录(ml)次累加器作 一 RAM单元用 B余 B第43页/共62页第四十四页，共62页。 程序(chngx)状态字PSW 地址：0D0H 8位寄存器，存放程序的状态(zhungti)信息CY D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0ACF0RS1RS0OV P格式(g shi)如下：进/借位标志CY（PSW.7）加法运算时，如果D7有进位，则CY=1，否则CY=0减法运算时，如果D7有借位，则CY=1，否则CY=0布尔运算中被定义为位累加器上页下页回目录PSWD7 D0CY第44页/共62页第四十五页，共62页。辅助进位(jnwi)标志AC（PSW.

30、6） 8位加法运算时，如果低半字节(z ji)的D3向D4有进位，则 AC=1，否则AC=08位减法运算时，如果(rgu)低半字节的D3向D4有借位，则AC=1，否则AC=0标志F0（PSW.5）由用户定义可用软件来使它置“1”、或清“0”可由软件测试F0来控制程序流向上页下页回目录D7D4 D3D0AC第45页/共62页第四十六页，共62页。工作(gngzu)寄存器区选择位RS1 、RS0（PSW.4、 PSW .3）通过软件(run jin)来改变RS1 、RS0的组合，以确定当前工作寄存器区。上页下页回目录(ml)工作寄存器区地 址RS1 RS0 2 区10H 17H1 0 3 区18H

31、 1FH1 1 0 区00H 0 007H 1 区08H 0 10FHPSW.4 PSW.3用布尔操作来改变第46页/共62页第四十七页，共62页。OV= C6 C7 +溢出(y ch)标志OV（PSW.2）作为有符号数加、减法时由硬件置位或清除，以指示运算结果(ji gu)是否溢出执行加/减法指令时，用Ci 表示(biosh)i位向i+1有进/借位a) 第6位向第7位有进/借位，而第7位不向CY进/借位时b) 第6位不向第7位进/借位，而第7位向CY有进/借位时 OV=1, 否则 OV=0若OV=1，意味着加/减法的结果已超出了一个字节 有符号补码数 所表示的范围（-128 +127）上页下

32、页回目录a) OV= 1 0b) OV= 0 1第47页/共62页第四十八页，共62页。D7D6D5D4 D3D2D1D0例： 0 1 0 1 0 1 1 0 （+86）(正) 0 0 1 1 0 0 1 0 (+50） (正)00010001此时(c sh)C6=1、 C7=0 则D7D6D5D4 D3D2D1D0 1 0 0 1 0 1 1 0 （-106）(负)110111001( +136) (正)(-197) (负)OV= C6 C7=1 + +此时C6=0、 C7=1 则OV= C6 C7=1 +上页下页回目录(ml)符号位1 1 0 1 0 0 1 0 1 （-91） (负) C

33、y第48页/共62页第四十九页，共62页。奇偶(q u)标志P（PSW.0） 每个指令(zhlng)周期都由硬件置位或清零，以表示累加器A中值为“1”的位数的奇偶性 该标志(biozh)可用于串行数据通讯，验证数据传输的可靠性上页下页回目录P =1 A中1的个数为奇数0 A中1的个数为偶数第49页/共62页第五十页，共62页。?思 考试分析执行指令 MOV A, #7FHADD A, #47H后，程序(chngx)状态字 PSW中 CY，AC，OV，P 的状态是什么？上页下页回目录(ml)第50页/共62页第五十一页，共62页。D7D6D5D4 D3D2D1D0 0 1 1 1 1 1 1 1

34、 （7FH） 0 1 0 0 0 1 1 1 （47H）01100011（C6H）MOV A, #7FHADD A, #47H#7FHACY=0AC=1执行(zhxng)第一条指令后P=1，执行(zhxng)第二条指令后P=0此时(c sh)C6=1、 C7=0 则OV= C6 C7=1 + +上页下页回目录(ml)有无第51页/共62页第五十二页，共62页。 堆栈(duzhn)指针 SP8位寄存器，存放(cnfng)栈顶地址保护CPU现场(xinchng)和断点地址作用：工作方式：“先进后出”或“后进先出”数据压入堆栈时，SP自动加1数据弹出堆栈时，SP自动减1 SP始终指向栈顶地址上页下页

35、回目录中断时转子时栈区“向上生成”按“先进后出”工作原则，由SP组织的内部 RAM区域，被称为堆栈。主程序第52页/共62页第五十三页，共62页。SPSP例：堆栈(duzhn)操作建立(jinl)堆栈压入操作(cozu)弹出操作 60H61H62H63H64HA的内容B的内容SPMOV SP, #60HPUSH APUSH BPOP direct SP上页下页回目录direct栈 底第53页/共62页第五十四页，共62页。 数据(shj)指针 DPTR16位寄存器，高字节用DPH表示(biosh)，低字节用DPL表示(biosh)对外部 RAM 或 I/O 口寻址，范围(fnwi)64KB例：

36、MOVX A，DPTRMOVX DPTR， A;将外部RAM中地址为DPTR的单元内容读到A中;将A中的内容写到外部RAM中地址为DPTR的单元MOVC A， A+ DPTR;采用基址+变址的方法读程序存储器内的表格常数;DPTR为基址寄存器， A为变址寄存器上页下页回目录（DPTR）AP3.7 RDP3.6 WR(A)DPTR(A)+(DPTR)APSEN第54页/共62页第五十五页，共62页。 I/O 端口P0 P3 地址(dzh):80H 90H 0A0H 0B0H专用(zhunyng)寄存器P0 P3分别是端口P0 P3的锁存器 串行数据(shj)缓冲器 SBUF 地址:99H存放欲发送的数据存放已