第6章MCS-51系列单片机硬件结构

1、第6章 单片机总体结构 1。本章主要内容： 单片机结构、引脚、时钟与时序；单片机复位与复位电路；单片机的存储器 2。本章重点： 单片机引脚、单片机的时序、单片机的存储器 3。本章难点： 单片机的并行接口 4、教学内容如下：6.16.1概述概述6.16.1概述概述6.2 MCS-51单片机内部结构单片机内部结构 1中央处理器CPU 这是单片机的核心，它完成运算和控制功能。其工作原理如图1-4。 2内部数据存储器RAM MCS-51系列单片机中51子系列有128个字节单元，地址为007FH。 3内部程序存储器ROM 8051单片机内有4KB掩膜ROM。8751单片机片内有4KB的EPROM型只读存

2、储器，8031单片机内没有ROM。 4特殊功能寄存器SFR（SFR，Special Function Register） SFR地址离散地分布在80H0FFH特殊功能寄存器空间。 (1)串行口 (2)定时器/计数器 (3)中断控制器 (4) 并行口5.CPU内部总线和外部总线CPU通过内部总线与单片机各个内部部件连接。外部总线即单片机系统总线，系统总线由P3、P2、P0经总线形成电路生成 6.时钟电路 外接晶振，产生单片机所需时钟信号。 6.3 MCS-51系列单片机的引脚及其功能 2 . 3/0 PINT6 . 3/PWR3 . 3/1 PINT0 . 1P1 . 1P2 . 1P3 . 1

3、P4 . 1P5 . 1P6 . 1P7 . 1PPDVRST/0 . 3/PRXD1 . 3/PTXD4 . 3/0 PT5 . 3/1 PT7 . 3/ PRD2XTAL1XTALVss1234567891011121314151617181920Vcc0 . 0P1 . 0P2 . 0P3 . 0P4 . 0P5 . 0P6 . 0P7 . 0PVppEA/PROGALE/PSEN7 . 2P6 . 2P5 . 2P4 . 2P3 . 2P2 . 2P1 . 2P0 . 2P2122232425262728293031323334353637383940803180518751VccVs

4、sPDVRST/1XTAL2XTALVppEA/PSENPROGALE/P3口第二功能P0口P1口P2口地址数据总线地址总线803180518751 1、电源输入：Vcc和Vss ； 时钟输入：XTAL1和XTAL2。 1、电源输入：Vcc和Vss ； 时钟输入：XTAL1和XTAL2。 2、RST/Vdd，输入脚： 正常供电时为“复位输入” 供电不正常时为“备用电源输入”。保护单片机内部RAM的数据不丢失。 1、电源输入：Vcc和Vss ； 时钟输入：XTAL1和XTAL2。 2、RST/Vdd，输入脚： 正常供电时为“复位输入” 供电不正常时为“备用电源输入”。保护单片机内部RAM的数据不

5、丢失。 3、PSEN，输出脚：单片机读外部程序存储器时输出“0”。 4、EA/Vpp，输入脚 （1）输入TTL电平（0V或5V） 输入高电平5V（逻辑1），单片机只读内部程序存储器ROM； 输入低电平0V（逻辑0），单片机只读外部程序存储器ROM。 4、EA/Vpp，输入脚 （1）输入TTL电平（0V或5V） 输入高电平5V（逻辑1），单片机只读内部程序存储器ROM； 输入低电平0V（逻辑0），单片机只读外部程序存储器ROM。 （2）输入高电压（12.5V或25V） 创造异常工作环境：可以对单片机内部EPROM编程（写指令入程序存储器） 详细解释见下页： EA/Vpp输入TTL电平 EA/Vp

6、p 输入高电压（单片机的一般应用） （写单片机内部EPROM） EA/Vpp输入TTL电平 EA/Vpp 输入高电压（单片机的一般应用） （写单片机内部EPROM） ALE/(/PROG)作为输出脚作为输出脚ALE ALE输出低8位地址锁存信号P0口口： P0口输出低8位地址时，ALE输出1； P0口作为数据总线时，ALE输出0。P1口口： 普通的I/O口。P2口口： 输出高8位地址。 EA/Vpp输入TTL电平 EA/Vpp 输入高电压（单片机的一般应用） （写单片机内部EPROM）ALE/(/PROG)作为输入脚作为输入脚PROG 输入“写片内程序存储器”控制信号，低电平有效。P0口：口：

7、 写片内程序存储器时输入“指令”。P1口：口： 写片内程序存储器时输入低8位地址。P2口口： 写片内程序存储器时输入高8位地址。 P3口的第二功能表口线特殊功能信号名称P3.0RXD串行输入口P3.1TXD串行输出口P3.2INT0外部中断0输入脚P3.3INT1外部中断1输入脚P3.4T0定时器0外部输入脚P3.5T1定时器1外部输入脚P3.6WR写选通输出脚P3.7RD读选通输出脚 XTAL2XTAL1MCS-51C1C2CYSXTAL2XTAL1MCS-51+5VVSSTTL外部时钟源 内部振荡方式 外部振荡方式6.4 时钟电路与时序 振荡器与时钟电路 P1P2S1P2状态周期振荡（时钟

8、）周期机器周期机器周期指令周期XTAL2(OSC)S2S3S4S5S6S1S2S4S5S3S6P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P2P2P2P2P2P2P2P2P2P2振荡（时钟）周期P：时钟频率的倒数。 1、单片机工作周期 P1P2S1P2状态周期振荡（时钟）周期机器周期机器周期指令周期XTAL2(OSC)S2S3S4S5S6S1S2S4S5S3S6P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P2P2P2P2P2P2P2P2P2P2振荡（时钟）周期P：时钟频率的倒数。状态周期S：时钟周期2。 1、单片机工作周期 P1P2S1P2状态周期振荡（时钟）周期机器周期机器周期指令周期XTA

9、L2(OSC)S2S3S4S5S6S1S2S4S5S3S6P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P2P2P2P2P2P2P2P2P2P2振荡（时钟）周期P：时钟频率的倒数。状态周期S：时钟周期2。机器周期：状态周期6。 1、单片机工作周期 P1P2S1P2状态周期振荡（时钟）周期机器周期机器周期指令周期XTAL2(OSC)S2S3S4S5S6S1S2S4S5S3S6P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P2P2P2P2P2P2P2P2P2P2振荡（时钟）周期P：时钟频率的倒数。状态周期S：时钟周期2。机器周期：状态周期6。指令周期：执行一条指令(含“取指”)所需的时间，不是常数 1

10、3个机器周期。 1、单片机工作周期 2.单片机时序 (1) 单片机原始时序 2.单片机时序 (1) 单片机原始时序 (2)单片机系统总线时序 单片机三总线(即AB、DB、CB)由所谓总线形成电路获得 2.单片机时序 (1) 单片机原始时序 (2)单片机系统总线时序 与第2章诸时序相同。 3、单片机工作工程和工作方式、单片机工作工程和工作方式 （1）复位方式）复位方式 （a）上电复位电路）上电复位电路 （b）上电）上电/手动复位电路手动复位电路 单片机RST/VpDVccVss 单片机RST/VpDVccVss 复位时的工作状态复位时的工作状态 （a）复位时，各RAM和SFR寄存器的状态为： （

11、PC）=0000H； （SP）=07H； 其余SFR寄存器内容均为0； RAM的内容保持不变； （b）复位时，各引脚状态为： P0P3=FFH ALE=0， PSEN=1。 （2）待机方式 在待机方式下： 提供给CPU的时钟信号被切断， CPU全部内部状态被保留 时钟信号仍提供给中断控制器、串行口和定时器。 cc仍为，但单片机消耗的电流可由正常的24mA降为mA。 （a）使电源控制寄存器PCON的IDL位为，则进入待机方式。 （b）退出待机方式的方法：来了一个中断请求或硬件复位。 （3）掉电方式 在掉电方式下： 片内振荡器停止工作，所有功能停止，片内RAM和寄存器内容保持不变各端口值被锁存，A

12、LE、PSEN输出为。 cc可降至，电流仅为50uA。 （a）使使电源控制寄存器PCON的PD位为，则进入掉电方式。 （b）退出掉电方式的方法：硬件复位。 (4)编程和校验方式 EA/Vpp脚输入12.5V（或25V）时，单片机进入此方式。 用途：对单片机内部EPROM输入程序并校验之。 （5）程序执行方式）程序执行方式 单片机的基本工作方式。单片机的基本工作方式。 6.5 存储器组织存储器组织 6.5 存储器组织存储器组织 6.5 存储器组织存储器组织 1、程序存储器a、EA脚输入1： 片内4KB片外60 KB统一编址： 0000HFFFFH。 b、EA输入0： 片内0KB片外64 KB编址

13、： 0000HFFFFH。 2、数据存储器 单片机允许扩充64KB外部数据存储器。用专门的指令访问之。外部RAM0000HFFFFH 单片机内部单片机内部RAM分为内部数据存储器（灰色）和特殊功能寄存器（绿分为内部数据存储器（灰色）和特殊功能寄存器（绿色）色） 单片机内部单片机内部RAM分为内部数据存储器（灰色）和特殊功能寄存器（绿分为内部数据存储器（灰色）和特殊功能寄存器（绿色）色） （1）内部数据存储器）内部数据存储器 工作寄存器区工作寄存器区 先设定先设定RS1和和RS0，从而确定谁是当前工作寄存器，从而确定谁是当前工作寄存器 RS1、RS0是寄存器是寄存器PSW中的位。中的位。RS1

14、RS0 组别 R0 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 2 3 00H 01H 02H 03H 04H 05H 06H 07H 08H 09H 0AH 0BH 0CH 0DH 0EH 0FH 10H 11H 12H 13H 14H 15H 16H 17H 18H 19H 1AH 1BH 1CH 1DH 1EH 1FH 先设定先设定RS1和和RS0，从而确定谁是工作寄存，从而确定谁是工作寄存器（器（RS1、RS0是寄存器是寄存器PSW中的第中的第4、3位）。位）。 例如：例如： SETB RS1CLR RS0MOV R1,#53HCLR PSW.4M

15、OV R1,#55HMOV R0,#33HRS1 RS0 组别 R0 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 2 3 00H 01H 02H 03H 04H 05H 06H 07H 08H 09H 0AH 0BH 0CH 0DH 0EH 0FH 10H 11H 12H 13H 14H 15H 16H 17H 18H 19H 1AH 1BH 1CH 1DH 1EH 1FH 位寻址区位寻址区 数据缓冲区（通用数据缓冲区（通用RAM） （2）特殊功能寄存器（）特殊功能寄存器（SFR） B F0HB.7F7HB.6F6HB.5F5HB.4F4HB.3F3HB.

16、2F2HB.1F1HB.0F0HAcc E0HAcc.7Acc.6Acc.5Acc.4Acc.3Acc.2Acc.1Acc.0PSW D0HCYACF0RS1RS0OVF1 P IP B8HPSPT1PX1PT0PX0 P3 B0HP3.7 P3.6 P3.5 P3.4 P3.3 P3.2 P3.1 P3.0 IE A8HEAESET1EX1ET0EX0 P2 A0HP2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0SBUF 99HSCON 98HSM0SM1SM2RENTB8RB8TIRI P1 90HP1.7 P1.6 P1.5 P1.4 P1.3 P1.2 P

17、1.1 P1.0SFR 地址MSB 位定义（位地址） LSB （2）特殊功能寄存器续（）特殊功能寄存器续（SFR）SFR 地址MSB 位定义（位地址） LSBTH1(8DH)TH0(8CH)TL1(8BH)TL0(8AH)TMOD(89H)GATEC/TM1M0GATEC/TM1M0TCON88HTF1TR1 TF0TR0IE1IT1IE0IT0PCON(87H)SMODGF1GF0PDIDLDPH(83H)DPL(82H)特殊功能寄存器 通用RAM 位寻址区 寄存器区 CY：进借位标志；：进借位标志； AC：辅助进借位标志；：辅助进借位标志； OV：溢出标识；：溢出标识； P：累加器：累加器

18、A中中1的奇偶标识；的奇偶标识； F0 、F1 ：用户标志；：用户标志； RS1、RS0：工作寄存器组选择：工作寄存器组选择 。 数据指针寄存器DPTR，16位寄存器。 它由两个8位寄存器DPH、DPL组成 特别需要指出的是，特别需要指出的是，51系列内部系列内部RAM，80FFH中未定义的中未定义的单位为不可访问单元单位为不可访问单元 程序状态字PSWD0HCYACF0RS1RS0OVF1 P （3）位寻址空间）位寻址空间(单片机有两块可以位寻址的空间单片机有两块可以位寻址的空间)： 片内片内RAM中有中有128位，位地址：位，位地址：00H7FH SFR中有中有93位：有位地址和位名位：有

19、位地址和位名 位操作可以对位地址进行，也可以对位名进行位操作可以对位地址进行，也可以对位名进行 例如：例如：CLR 2CH CLR P0.7MOV ACC.7,CSETB PX0 6.6 并行输入并行输入/输出接口输出接口 单片机有单片机有4个接口：个接口：P0,P1,P2,P3 同时同时P0还是地址还是地址/数据复用线，数据复用线，P2还是地址线，还是地址线，P3还是控制线。还是控制线。 为了正确的应用这些引脚，我们学习这些端口的为了正确的应用这些引脚，我们学习这些端口的逻辑电路。逻辑电路。 6.6.1 P0口口 P0.i i0,1,2,3,4,5,6,7本图所涉及器件：锁存器、缓冲器、非门

20、、与门等 BUF1/01/01BUF1/0高阻态0P0.i锁存器DCLKQQD触发器工作原理： a、CLK输入“0”，Q维持原状态。 b、CLK输入正脉冲“1”，Q翻转同D。 T漏极源极栅极T漏极源极栅极等价于等价于T漏极源极栅极1等价于等价于T漏极源极栅极1T漏极源极栅极0等价于等价于T漏极源极栅极0 1、CPU使使“控制控制”为为1，P0口作为总线用口作为总线用。 1）P0口作为总线用的输出情况口作为总线用的输出情况：输出1时如图示。P0.i锁存器读锁存器VccP0.i引脚内部总线写锁存器读引脚BADCLQQBUF1BUF2T101地址/数据控制T2VccT1T2110110 1、CPU使

21、使“控制控制”为为1，P0口作为总线用口作为总线用。 1）P0口作为总线用的输出情况口作为总线用的输出情况：输出0时如图示。P0.i锁存器读锁存器VccP0.i引脚内部总线写锁存器读引脚BADCLQQBUF1BUF2T101地址/数据控制T2VccT1T2001001 1、CPU使使“控制控制”为为1，P0口作为总线用口作为总线用。 2）P0口作为总线用的输入情况口作为总线用的输入情况：CPU使“读引脚”为1P0.i锁存器读锁存器VccP0.i引脚内部总线写锁存器读引脚BADCLQQBUF1BUF2T1地址/数据控制T2 2、执行与、执行与P0有关的指令，使有关的指令，使 “控制控制”为为0，

22、 P0作为作为I/O口使用，口使用，特点是输出漏极开路。特点是输出漏极开路。P0.i锁存器读锁存器VccP0.i引脚内部总线写锁存器读引脚BADCLQQBUF1BUF2T10地址/数据控制T2VccT1T20 1）P0的输出：输出0时的情况。执行指令：MOV P0,#00H；使“控制”为，CPU输出相关信息。 P0作为I/O口能输出指令中的逻辑0。P0.i锁存器读锁存器VccP0.i引脚内部总线写锁存器读引脚ADCLQQBUF1BUF2T10地址/数据控制T2VccT1T20000110 1）P0口的输出：输出时的情况。执行指令：MOV P0,#0FFH；使“控制”为，CPU输出相关信息。 注

23、意：P0作为I/O口不能输出逻辑，只能输出高阻态。P0.i锁存器读锁存器VccP0.i引脚内部总线写锁存器读引脚ADCLQQBUF1BUF2T10地址/数据控制T2VccT1T20悬空1100高阻 3、 P0作为I/O口使用时必须采取的措施：外接上拉电阻。通过单片机以外的电路，化高阻态为高电平。P0.i锁存器读锁存器VccP0.i引脚内部总线写锁存器读引脚ADCLQQBUF1BUF2T10地址/数据控制T2VccT1T20悬空1100高阻VccVcc1 P0口能驱动8个TTL门。 每个TTL负载吸取100uA电流，P0口线最多能输出800uA电流。P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.

24、2P0.1P0.0 TTL TTL TTL TTL TTL TTL TTL TTL51系列 6.6.2 P1口口 P1.i i0,1,2,3,4,5,6,7P1.i锁存器读锁存器VccP1.i引脚内部总线写锁存器读引脚A上拉电阻DCLKQQBUF2BUF1Q P1口的输出：输出0时的情况。执行指令：MOV P1,#00H；CPU输出相关信息。 P1.i锁存器读锁存器VccP1.i引脚内部总线写锁存器读引脚A上拉电阻DCLKQQBUF2BUF1QVcc P1口的输出：输出时的情况。执行指令：MOV P1,#0FFH；CPU输出相关信息。 P1.i锁存器读锁存器VccP1.i引脚内部总线写锁存器读引脚A上拉电阻DCLKQQBUF2BUF1QVcc P1口的输入：执行指令MOV A,P1,；CPU输出“读引脚”信号后，；采取内部总线上的数据入。 P1.i锁存器读锁存器VccP1.i引脚内部总线写锁存器读引脚A上拉电阻DCLKQQBUF2BUF1QVcc P1口能驱动4个TTL门。 每个TTL负载吸取10