第二章单片机的结构及工作原理

1、单片机系统设计单片机系统设计闫丽华：闫丽华：办公地点：励耘楼办公地点：励耘楼B309B309办公电话：办公电话：61261486126148QQQQ：327646775327646775E-MailE-Mail：Ally_Ally_2.1 AT89S512.1 AT89S51单片机的主要特性单片机的主要特性2.2 2.2 单片机的硬件结构单片机的硬件结构2.3 512.3 51系列单片机的引脚及功能系列单片机的引脚及功能2.4 2.4 单片机的存储器配置单片机的存储器配置2.5 2.5 时钟电路与时钟电路与CPUCPU时序时序2.6 2.6 单片机的工作方式单片机的工作方式2.7 2.7 单片

2、机最小系统单片机最小系统 第二章第二章 单片机的结构单片机的结构uAtmel公司的产品公司的产品 MCS-51 MCS-51是是IntelIntel公司生产的一个单片机系列名称。公司生产的一个单片机系列名称。 属于这一系列的单片机有：属于这一系列的单片机有：基本型：基本型：末位为末位为“1”1”8051/8751/8031 8051/8751/8031 ( (HMOSHMOS工艺工艺) )MCS-51/87C51/80C31 MCS-51/87C51/80C31 ( (CHMOSCHMOS工艺工艺) ) 2.1 AT89S51单片机的结构和特性单片机的结构和特性增强型：增强型：末位为末位为“2

3、”2”8052/8752/80328052/8752/803280C52/87C52/80C3280C52/87C52/80C32Atmal 89系列单片机的特点：系列单片机的特点：nAT89S51是一种低功耗、高性能、是一种低功耗、高性能、CMOS、8位位微控制器，具有微控制器，具有4K在系统可编程在系统可编程Flash 存储器，存储器，与工业与工业80C51 产品指令和产品指令和引脚完全兼容引脚完全兼容。 n另外，另外，AT89S52（8K FLASH）可降至）可降至0Hz 静态静态逻辑操作，支持逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。种软件可选择节电模式。n空闲模式下，空闲模式下，CPU停

4、止工作，允许停止工作，允许RAM、定时器、定时器/计计数器、串口、中断继续工作。数器、串口、中断继续工作。n掉电保护方式下，掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。止。2.1 AT89S512.1 AT89S51单片机的主要特性单片机的主要特性2.2 2.2 单片机的硬件结构单片机的硬件结构2.3 512.3 51系列单片机的引脚及功能系列单片机的引脚及功能2.4 2.4 单片机的存储器配置单片机的存储器配置2.5 2.5 时钟电路与时钟电路与CPUCPU时序时序2

5、.6 2.6 单片机的工作方式单片机的工作方式2.7 2.7 单片机最小系统单片机最小系统 第二章第二章 单片机的结构单片机的结构2.2 MCS-512.2 MCS-51单片机的硬件结构单片机的硬件结构51系列单片机在结构上基本相同，只是在个别模块和功能上有些区别。系列单片机在结构上基本相同，只是在个别模块和功能上有些区别。1 1、中央处理器、中央处理器CPUCPU：8 8位，运算和控制功能位，运算和控制功能2 2、内部、内部RAMRAM：共共256256个个RAMRAM单元，用户使用前单元，用户使用前128128个个单元，单元， 用于存放可读写数据，后用于存放可读写数据，后128128个单元

6、被专用寄个单元被专用寄存器占用。存器占用。3 3、内部、内部ROMROM：4KB ROM4KB ROM，用于存放程序、原始数据。，用于存放程序、原始数据。4 4、定时、定时/ /计数器：计数器：两个两个1616位的定时位的定时/ /计数器，定时或计计数器，定时或计数功能。数功能。5 5、并行、并行I/OI/O口：口：4 4个个8 8位的位的I/OI/O口口P0P0、P1P1、P2P2、P3P3。6 6、串行口：、串行口：一个全双工串行口。一个全双工串行口。7 7、中断控制系统：、中断控制系统：5 5个中断源（外中断个中断源（外中断2 2个，定时个，定时/ /计计数中断数中断2 2个，串行中断个

7、，串行中断1 1个）个）8 8、时钟电路：、时钟电路：可产生时钟脉冲序列，允许晶振频率可产生时钟脉冲序列，允许晶振频率6MHZ6MHZ到到12MHZ12MHZu 与与MCS-51MCS-51单片机产品兼容单片机产品兼容u 8K8K字节在系统可编程字节在系统可编程FlashFlash存储器存储器u 10001000次擦写周期次擦写周期u 全静态操作：全静态操作：0Hz0Hz33Hz33Hzu 三级加密程序存储器三级加密程序存储器u 3232个可编程个可编程I/OI/O口线口线u 3 3个个1616位定时器位定时器/ /计数器计数器u 八个中断源八个中断源u 一个全双工一个全双工UARTUART串

8、行通道串行通道u 低功耗空闲和掉电模式低功耗空闲和掉电模式u 掉电后中断可唤醒掉电后中断可唤醒u 双数据指针双数据指针u 掉电标识符掉电标识符一、一、AT89S52主要性能：主要性能：二、二、MCS-51MCS-51的内部结构的内部结构运算器运算器 控制器控制器 三、中央处理器三、中央处理器CPUCPUn中央处理器简称中央处理器简称CPUCPU，是单片机的核心部件，其作用是读入和分，是单片机的核心部件，其作用是读入和分析每条指令，根据每条指令的功能要求，完成运算和控制操作。析每条指令，根据每条指令的功能要求，完成运算和控制操作。n中央处理器包括运算器和控制器两部分电路。中央处理器包括运算器和控

9、制器两部分电路。 n1运算器电路运算器电路 运算器的功能是完成算术运算、逻辑运算、位变量处理和运算器的功能是完成算术运算、逻辑运算、位变量处理和数据传送等功能，主要由以下五部分组成：数据传送等功能，主要由以下五部分组成： n算术逻辑单元算术逻辑单元(ALU)：算术逻辑运算算术逻辑运算n累加器累加器(ACC)：数据和计算结果多数要经过数据和计算结果多数要经过A累加器累加器n暂存寄存器暂存寄存器(TMP1、TMP2)n寄存器寄存器B: 与与A累加器配合执行乘、除运算累加器配合执行乘、除运算n程序状态字寄存器程序状态字寄存器(PSW)n堆栈堆栈寄存器寄存器2. 控制器电路控制器电路n控制器向控制器向

10、CPU发出控制时序，由程序计数器发出控制时序，由程序计数器PC提提供将要执行的指令所在的存储单元地址，微处理器供将要执行的指令所在的存储单元地址，微处理器根据该地址从内存中取出指令根据该地址从内存中取出指令,存入指令寄存器存入指令寄存器IR，经过指令译码经过指令译码ID,并根据定时电路产生的时钟信号并根据定时电路产生的时钟信号向其他部件发出各种控制信号，协调各部分的工作，向其他部件发出各种控制信号，协调各部分的工作，完成指令规定的各种操作。完成指令规定的各种操作。 nPCPC存放下一条要执行的指令的地址，存放下一条要执行的指令的地址，CPUCPU总是按总是按PCPC的值读取指令并执行。的值读取

11、指令并执行。CPUCPU读取指令后读取指令后PCPC会自动加会自动加1/21/2，指向下一条指令。，指向下一条指令。 n复位时，复位时，PC=0000HPC=0000H。2.1 AT89S512.1 AT89S51单片机的主要特性单片机的主要特性2.2 2.2 单片机的硬件结构单片机的硬件结构2.3 512.3 51系列单片机的引脚及功能系列单片机的引脚及功能2.4 2.4 单片机的存储器配置单片机的存储器配置2.5 2.5 时钟电路与时钟电路与CPUCPU时序时序2.6 2.6 单片机的工作方式单片机的工作方式2.7 2.7 单片机最小系统单片机最小系统 第二章第二章 单片机的结构单片机的结

12、构一、一、 MCS-51 MCS-51单片机的信号引脚单片机的信号引脚n电源电源 V VCCCC（4040脚）脚）: : 接接+5 V+5 V电源正端电源正端; ; V VSSSS（2020脚）脚）: : 接接+5 V+5 V电源地端。电源地端。 n外接晶体引脚外接晶体引脚XTAL1XTAL1和和XTAL2XTAL2 XTAL1 XTAL1（1919脚）脚）: : 接外部石英晶体的一端。接外部石英晶体的一端。 在单片机内部在单片机内部, , 它是一个反相放大器的输入端它是一个反相放大器的输入端, , 这个放大器构成了片内振荡器。这个放大器构成了片内振荡器。 当采用外部时钟时当采用外部时钟时,

13、, 对于对于HMOSHMOS单片机单片机, , 该该引脚接地引脚接地; ; 对于对于CHMOSCHMOS单片机单片机, , 该引脚作为外部该引脚作为外部振荡信号的输入端。振荡信号的输入端。 1. 1. 电源和时钟信号（电源和时钟信号（4 4个）个） XTAL2 XTAL2（1818脚）脚）: : 接外部晶体的另一端。接外部晶体的另一端。 在单片机内部在单片机内部, , 接至片内振荡器的反相放大器的接至片内振荡器的反相放大器的输出端。输出端。 当采用外部时钟时当采用外部时钟时, , 对于对于HMOSHMOS单单片机片机, , 该引脚作为外部振荡信号的输入端该引脚作为外部振荡信号的输入端; ; 对

14、于对于CHMOSCHMOS芯片芯片, , 该引脚悬空不接。该引脚悬空不接。 （1）RST/VPD（9脚）脚）:该引脚为单片机的上该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。电复位或掉电保护端。RST即为即为RESET, VPD为为备用电源。备用电源。 （2） （30脚）脚）: 地址锁存地址锁存/编程编程 ALE： 当访问外部存储器时当访问外部存储器时, ALE（允许地址锁（允许地址锁存信号）以每机器周期两次的信号输出存信号）以每机器周期两次的信号输出, 用于锁存用于锁存出现在出现在P0口的低口的低8位地址。位地址。 PROG： 编程脉冲输入编程脉冲输入/ALE PROG2. 2. 控制信号（控制信号

15、（4 4个）个）n（3） （29脚）脚）: 片外程序存储器读选通片外程序存储器读选通信号输出端信号输出端, 低电平有效。低电平有效。 n（4） （31脚）脚）: 为访问外部程序存为访问外部程序存储器控制信号。储器控制信号。 EA=0：只能访问外部程序存储器。：只能访问外部程序存储器。 EA=1：访问内部和外部程序存储器。：访问内部和外部程序存储器。 VPP ：EPROM编程电源（编程电源（21V）。）。PSEN/PPEA VEAn引脚引脚P0P0口、口、P1P1口、口、P2P2口及口及P3P3口（每个口口（每个口8 8条线，共条线，共3232条）条）nP0P0口（口（P0.0P0.0P0.7P

16、0.7）：作一般）：作一般I/OI/O接口或地址（接口或地址（低低8 8位）数据复用位）数据复用nP1P1口（口（P1.0P1.0P1.7P1.7）：作一般）：作一般I/OI/O接口使用接口使用nP2P2口（口（P2.0P2.0P2.7P2.7）：地址（高）：地址（高8 8位）或作一般位）或作一般I/OI/O接口接口1.1. P3P3口（口（P3.0P3.0P3.7P3.7）：作一般）：作一般I/OI/O接口或第二功接口或第二功能引脚能引脚3. 3. 输入输入/ /输出（输出（I/OI/O）P3P3口第口第2 2功能表功能表 二、二、MCS-51的的I/O口及功能单元口及功能单元四个四个8 8

17、位的并行口，即位的并行口，即P0P3P0P3：它们均为双它们均为双向口，既可作为输入，又可作为输出。每向口，既可作为输入，又可作为输出。每个口各有个口各有8 8条条I/OI/O线。线。 有一个全双工的串行口：有一个全双工的串行口：P3P3口的两个引脚口的两个引脚P3.0P3.0和和P3.1P3.1有有2 2个个1616位的定时位的定时/ /计数器计数器 有有1 1套完善的中断系统。套完善的中断系统。 三总线结构三总线结构n5151系列单片机是总线结构的单片机，总线分为数系列单片机是总线结构的单片机，总线分为数据总线、地址总线和控制总线。据总线、地址总线和控制总线。 1 1数据总线（数据总线（D

18、BDB）：）：数据总线宽度为数据总线宽度为8 8位，由位，由P0P0口提供。口提供。 2 2地址总线（地址总线（ABAB）：）：地址总线宽度为地址总线宽度为1616位，因位，因此外部存储器直接寻址范围为此外部存储器直接寻址范围为64K64K，1616位地址总线位地址总线由由P0P0口经地址锁存器提供低口经地址锁存器提供低8 8位地址（位地址（A0A0A7A7），），P2P2口直接提供高口直接提供高8 8位地址（位地址（A8A8A15A15）。）。 3 3控制总线（控制总线（CBCB）：）：由由P3P3口的第二功能状态和口的第二功能状态和4 4根独立控制线根独立控制线RESETRESET、EAE

19、A、PSENPSEN、ALEALE组成。组成。三、三、 MCS-51 MCS-51单片机的应用模式单片机的应用模式总线型总线型非总线型非总线型1.1.总线型单片机应用模式总线型单片机应用模式总线型应用的总线型应用的“三总线三总线”模式模式（扩展时）（扩展时） 非总线型应用的非总线型应用的“多多I/O”I/O”模式模式 非总线型单片机已经将用于外部总线扩展用的非总线型单片机已经将用于外部总线扩展用的I/OI/O口口线和控制功能线去掉，从而使单片机的线和控制功能线去掉，从而使单片机的引脚数减少、引脚数减少、体积减小体积减小。对于不需进行并行外围扩展，装置的体积。对于不需进行并行外围扩展，装置的体积

20、要求苛刻且程序量不大的系统极其适合。非总线型单要求苛刻且程序量不大的系统极其适合。非总线型单片机典型产品如：片机典型产品如： AT89C2051/AT89C4051AT89C2051/AT89C4051。该产品的特点是低电压该产品的特点是低电压，高性能。具有用软件设置的系统睡眠、省电功能，高性能。具有用软件设置的系统睡眠、省电功能，需要时可唤醒进入工作状态。需要时可唤醒进入工作状态。 2.2.非总线型应用模式非总线型应用模式 2.1 AT89S512.1 AT89S51单片机的主要特性单片机的主要特性2.2 2.2 单片机的硬件结构单片机的硬件结构2.3 512.3 51系列单片机的引脚及功能

21、系列单片机的引脚及功能2.4 2.4 单片机的存储器配置单片机的存储器配置2.5 2.5 时钟电路与时钟电路与CPUCPU时序时序2.6 2.6 单片机的工作方式单片机的工作方式2.7 2.7 单片机最小系统单片机最小系统 第二章第二章 单片机的结构单片机的结构在物理上设计成在物理上设计成程序存储器程序存储器和和数据存储器数据存储器两个两个独独立的空间立的空间（称为（称为哈佛结构哈佛结构）：）：89S51片内有：片内有： 内部内部ROMROM容量容量4K4K字节字节 范围是：范围是：0000H0FFFH0000H0FFFH 内部内部RAMRAM容量容量128128字节字节 范围是：范围是：00

22、H7FH00H7FH一、一、MCS-51MCS-51的片内存储器的片内存储器二、二、ROMROM和和RAMRAM的区别的区别1 1、ROM ROM 是一种写入信息后不易改写的存储器。是一种写入信息后不易改写的存储器。断电后，断电后，ROMROM中的信息保留不变。用来存放固定中的信息保留不变。用来存放固定的程序或数据，如系统监控程序、常数表格等。的程序或数据，如系统监控程序、常数表格等。 2 2、RAM RAM CPUCPU在运行时能随时进行数据的写入在运行时能随时进行数据的写入和读出，但在关闭电源时，其所存储的信息将丢和读出，但在关闭电源时，其所存储的信息将丢失。它用来存放暂时性的输入输出数据

23、、运算的失。它用来存放暂时性的输入输出数据、运算的中间结果或用作堆栈。中间结果或用作堆栈。5151的内部存储器容量较小，应用时经常需要进行外的内部存储器容量较小，应用时经常需要进行外部存储器的扩充。部存储器的扩充。三、单片机的存储器配置三、单片机的存储器配置n5151系列单片机在物理上分为系列单片机在物理上分为4 4个存储空间：个存储空间：n片内程序片内程序存储器和存储器和片外程序片外程序存储器，存储器，片内数据片内数据存储器和存储器和片外数据片外数据存储器。存储器。n在逻辑上可分为在逻辑上可分为3 3个存储空间：个存储空间： 2 2、128B128B（256B256B）内部数据存储器）内部数

24、据存储器 3 3、64KB 64KB 外部数据存储器外部数据存储器 此外还有此外还有2121个特殊功能寄存器个特殊功能寄存器 逻辑上分为逻辑上分为3 3个存储空间：个存储空间：内外程序存储器统一内外程序存储器统一编址，内外数据存储器分别编址，即：编址，内外数据存储器分别编址，即： 1 1、64KB 64KB 程序存储器（内部程序存储器（内部4KB4KB加外部）加外部） 四、程序存储器配置四、程序存储器配置 MCS-51MCS-51内部有内部有4KB4KB的的ROMROM，地址：，地址：0000H-0FFFH0000H-0FFFH。当。当EA=1EA=1，CPUCPU首先访问内部存储器，当地址超

25、过首先访问内部存储器，当地址超过0FFFH0FFFH时，自动转向外部时，自动转向外部ROMROM（地址范围：（地址范围：1000H-FFFFH1000H-FFFFH）进行访问。进行访问。 803180318051/87518051/87510000H0000H0FFFH0FFFH1000H1000HFFFFHFFFFHEA=1EA=1内部内部EA=0EA=0外部外部外部外部PSENPSEN程序存储器用于存放编好程序存储器用于存放编好的程序、表格和常数。片的程序、表格和常数。片外外最多可扩展最多可扩展64K ROM64K ROM，两者统一编址。两者统一编址。五、数据存储器配置五、数据存储器配置n

26、数据存储器分为内外两部分，数据存储器分为内外两部分，5151单片机内部有单片机内部有128B RAM128B RAM，地址，地址为为00H00H7FH7FH；片外最多可扩展；片外最多可扩展64 K RAM64 K RAM，地址外，地址外0000H0000HFFFFHFFFFH。 片内片内片外片外内部内部128B128B分为分为三个三个区区外部外部可扩可扩充充64KB64KB特殊特殊功能功能寄存寄存器区器区内部数据存储器内部数据存储器 地址从：地址从：00H 7FH 共共128B。组组通通用用寄寄存存器器区区第第0组组通通用用寄寄存存器器区区第第1组组通通用用寄寄存存器器区区第第2组组通通用用寄

27、寄存存器器区区第第3）（位位地地址址位位寻寻址址区区FH7H00区通用RAMH00HFH302FH7共共32个单元，分为个单元，分为4组，每组组，每组有：有：R0、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7；8个寄存器个寄存器共共16个单元，既可位寻个单元，既可位寻址，又可字节寻址址，又可字节寻址共共80个单元，可作数据缓个单元，可作数据缓冲区、堆栈区和工作单元冲区、堆栈区和工作单元 00-1FH: 00-1FH:寄存器区寄存器区 20-2FH20-2FH：位寻址区：位寻址区 30-7FH30-7FH：用户区：用户区FH1H20五、特殊功能寄存器（五、特殊功能寄存器（SFRSFR） MCS-51

28、 MCS-51内部有内部有2222个个特殊功能寄存器，包括特殊功能寄存器，包括PCPC（不（不能寻址）及能寻址）及SFRSFR。 PCPC为程序计数器。它是一个双字节寄存器为程序计数器。它是一个双字节寄存器, ,寻址寻址范围为范围为: 0000H FFFFH: 0000H FFFFH，即，即0 64KB0 64KB。 其它其它 2121个特殊功能寄存器单元，它们同内部个特殊功能寄存器单元，它们同内部RAMRAM的的128128个字节统一编址，地址范围是个字节统一编址，地址范围是80H80HFFHFFH。这些。这些SFRSFR只用到了只用到了80H80HFFHFFH中的中的2121个字节单元，且

29、这些单个字节单元，且这些单元是离散分布的。元是离散分布的。特特殊功能寄存器殊功能寄存器SFR SFR （80H-0FFH80H-0FFH） 特殊功能寄存器也称专用寄存器，是具有特殊功能特殊功能寄存器也称专用寄存器，是具有特殊功能的所有寄存器的集合，主要用来对片内功能模块进行的所有寄存器的集合，主要用来对片内功能模块进行管理、控制、监视的控制寄存器和状态寄存器。管理、控制、监视的控制寄存器和状态寄存器。 应用时注意：应用时注意： 1 1、各个特殊功能寄存器的作用、各个特殊功能寄存器的作用 2 2、访问它们时采用的寻址方式、访问它们时采用的寻址方式 3 3、哪些、哪些SFRSFR可以位寻址可以位寻

30、址SFR特殊功能寄存器地址表特殊功能寄存器地址表1 1、PCPC也为双字节寄存器，但是不在也为双字节寄存器，但是不在80H-FFH 80H-FFH 范围内（即不可寻址）。范围内（即不可寻址）。 2 2、表中凡地址能被、表中凡地址能被8 8整除的寄存器都是可位寻址整除的寄存器都是可位寻址的寄存器（指这些寄存器既有字节地址，每一位的寄存器（指这些寄存器既有字节地址，每一位还有位地址，因此访问时可以一次读出一个字节还有位地址，因此访问时可以一次读出一个字节的内容，也可读出其中某一位的值的内容，也可读出其中某一位的值 注意：注意：1. 1.与运算器相关的寄存器（与运算器相关的寄存器（3 3个）个） 累

31、加器累加器ACCACC、寄存器、寄存器B B、程序状态字寄存器、程序状态字寄存器PSWPSW CY CY AC AC F0 F0 RS1 RS0 RS1 RS0 OV OV / / P P奇偶标志位奇偶标志位溢出标志位溢出标志位寄存寄存器组器组选择选择位位用户标志位用户标志位辅助进位标志位辅助进位标志位进位标志位进位标志位无定义无定义D0HD0H D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0PSWPSW：程序状态字：程序状态字, ,存放运算结果的状态特征存放运算结果的状态特征 CYCY：（1 1）执行算术运算时，最高位向前）执行算术运算时，最高位

32、向前 进位或借位时进位或借位时,CY,CY为为1 1；否则，；否则，CYCY为为0 0。 （2 2）在位操作中）在位操作中, ,作作“位位”累加器。累加器。 AC:AC: 十进制调整。当低四位向高四位位进十进制调整。当低四位向高四位位进 或借位时，或借位时，ACAC为为1 1；否则；否则ACAC为为0 0。 F0F0： 用户标志位用户标志位, ,可以用指令置位或复位可以用指令置位或复位, ,用用 以控制程序的转向。以控制程序的转向。 标志位功能标志位功能： OV:OV:（1)1)加减运算中加减运算中, ,结果产生溢出结果产生溢出,OV=1,OV=1。 （2)2)乘法运算中乘法运算中, ,乘积超

33、过乘积超过255,255, OV=1, OV=1, 表示积存放在表示积存放在B B与与A A中；中； 否则，否则，OV=0,OV=0,表示积只存放在表示积只存放在A A中。中。 （3)3)除法运算中除法运算中, ,当除数为当除数为0 0时，时，OV=1OV=1， 除法无意义。除法无意义。 P P： 累加器累加器A A中数的奇偶性，若中数的奇偶性，若A A中中“1”1”的个的个 数为奇数，则数为奇数，则P=1P=1；否则，；否则，P=0P=0。标志位功能标志位功能：标志位功能标志位功能：nRS1RS1和和RS0:RS0: 用于设定当前通用寄存器的组号。用于设定当前通用寄存器的组号。通用寄存器共有

34、通用寄存器共有4 4组，这两个选择位的状态是组，这两个选择位的状态是由软件设置的，被选中的寄存器组即为当前通由软件设置的，被选中的寄存器组即为当前通用寄存器组。用寄存器组。 对应关系如表对应关系如表2.2.指针类寄存器（指针类寄存器（2 2个）个）n数据指针数据指针DPTR(16位位) （ DPH和和DPL ）: 存放片外存储器地址，作为片外存储器的指针。存放片外存储器地址，作为片外存储器的指针。间接寻址或变址寻址可访问片外的间接寻址或变址寻址可访问片外的64KB范围的范围的RAM或或ROM数据。数据。n堆栈指针堆栈指针SP（8 8位）位） 堆栈用于保护信息和断点，堆栈用于保护信息和断点，MC

35、S-51MCS-51单片机的堆栈单片机的堆栈设在片内设在片内RAMRAM区。区。 堆栈操作时，用堆栈指针堆栈操作时，用堆栈指针SPSP指示栈顶的位置，数指示栈顶的位置，数据入栈据入栈/ /出栈时，出栈时，SPSP自动加自动加1/1/减减1 1，其内容始终为栈，其内容始终为栈顶地址。复位时顶地址。复位时 SP=07HSP=07H。堆栈是按。堆栈是按“先进后出先进后出”原则存取数据的存储区。原则存取数据的存储区。3. 3. 与口相关的寄存器（与口相关的寄存器（7 7个）个）并行并行I/OI/O口口P0P0、P1P1、P2P2、P3P3，均为，均为8 8位；位；串行口数据缓冲器串行口数据缓冲器SBU

36、FSBUF； 串行口控制寄存器串行口控制寄存器SCONSCON； 串行通讯波特率倍增寄存器串行通讯波特率倍增寄存器PCONPCON（一些位还（一些位还与电源控制相关，所以又称为电源控制寄存与电源控制相关，所以又称为电源控制寄存器）器）。4.4.与中断相关的寄存器（与中断相关的寄存器（2 2个）个）n中断允许控制寄存器中断允许控制寄存器IEIE；n中断优先级控制寄存器中断优先级控制寄存器IPIP。5. 5.与定时器与定时器/ /计数器相关的寄存器（计数器相关的寄存器（6 6个）个） 定时定时/ /计数器计数器T0T0的两个的两个8 8位计数初值寄存器位计数初值寄存器 TH0TH0、TL0TL0，

37、它们可以构成，它们可以构成1616位的计数器，位的计数器， TH0TH0存放高存放高8 8位，位，TL0TL0存放低存放低8 8位；位； 定时定时/ /计数器计数器T1T1的两个的两个8 8位计数初值寄存器位计数初值寄存器 TH1TH1、TL1TL1，它们可以构成，它们可以构成1616位的计数器，位的计数器， TH1TH1存放高存放高8 8位，位，TL1TL1存放低存放低8 8位；位； 定时定时/ /计数器的工作方式寄存器计数器的工作方式寄存器TMODTMOD； 定时定时/ /计数器的控制寄存器计数器的控制寄存器TCONTCON。六、工作寄存器区六、工作寄存器区低端低端3232个字节分成个字节

38、分成4 4个工作寄存器组，每组个工作寄存器组，每组8 8个单元。个单元。PSWPSW的的RS1RS1、RS0 RS0 决定当前工作寄存器组号决定当前工作寄存器组号 寄存器寄存器0 0组组 ：地址：地址00H(R0)07H(R7)00H(R0)07H(R7)；寄存器寄存器1 1组组 ：地址：地址08H(R0)0FH(R7)08H(R0)0FH(R7)；寄存器寄存器2 2组组 ：地址：地址10H(R0)17H(R7)10H(R0)17H(R7)；寄存器寄存器3 3组组 ：地址：地址18H(R0)1FH(R7)18H(R0)1FH(R7)。七、位寻址区（七、位寻址区（20H-2FH 20H-2FH

39、共共1616个字节，个字节，00-7FH 00-7FH 共共128128位）位） 注意：注意：位寻址区既可以字节寻址，也可以位寻址。寻址时以位寻址区既可以字节寻址，也可以位寻址。寻址时以指令的形式区分。指令的形式区分。例如：例如：MOV AMOV A，20H20H；字节寻址，将字节寻址，将20H20H字节中字节中8 8位数送位数送A AMOV CMOV C，20H20H；位寻址，将位地址位寻址，将位地址20H20H中的一位二中的一位二 进制数送位累加器进制数送位累加器C C八、通用八、通用RAMRAM区区 位寻址区之后的位寻址区之后的30H30H至至7FH7FH共共8080个字节为通用个字节为

40、通用RAMRAM区。这些单元可以作为数据缓冲器使用。这一区。这些单元可以作为数据缓冲器使用。这一区域的操作指令非常丰富，数据处理方便灵活。区域的操作指令非常丰富，数据处理方便灵活。 在实际应用中，常需在在实际应用中，常需在RAMRAM区设置堆栈。区设置堆栈。MCS-MCS-5151的堆栈一般设在的堆栈一般设在30H7FH30H7FH的范围内。的范围内。 堆栈是特殊的存储区域。堆栈是特殊的存储区域。 堆栈的作用：用于保护断点和信息。堆栈的作用：用于保护断点和信息。 堆栈操作遵循堆栈操作遵循“后进先出后进先出”的原则。的原则。 单片机用单片机用SPSP寄存器指示堆栈栈顶的位置。复位时寄存器指示堆栈

41、栈顶的位置。复位时SPSP的初值为的初值为07H07H，为了不占据寄存器和位寻址区，在，为了不占据寄存器和位寻址区，在系统初始化时可以重新设置。系统初始化时可以重新设置。 例如：例如：MOV SPMOV SP，#30H#30H。 将数据压入堆栈称为入栈操作（将数据压入堆栈称为入栈操作（PUSHPUSH），操作时，），操作时，SPSP先加先加1 1，数据再压入，数据再压入SPSP指向的单元。指向的单元。 将数据从堆栈中取出称为出栈操作（将数据从堆栈中取出称为出栈操作（POPPOP），先将），先将SPSP指向的单元的数据弹出，然后，指向的单元的数据弹出，然后，SPSP再减再减1 1，这时，这时SP

42、SP指向的单元是新的栈顶。指向的单元是新的栈顶。 MCS-51MCS-51单片机的堆栈区是向地址增大的方向生成单片机的堆栈区是向地址增大的方向生成的。的。MCS-51MCS-51单片机片外可扩充的数据存储区最大单片机片外可扩充的数据存储区最大64KB64KB，地，地址范围：址范围：0000-FFFFH0000-FFFFH。片外片外RAMRAM的地址空间与片内的地址空间与片内RAMRAM的地址在地址低端：的地址在地址低端：0000H-007FH0000H-007FH 是重叠的。是重叠的。解决的方法：解决的方法： 采用不同的指令和寻址方式。采用不同的指令和寻址方式。 如对片内如对片内RAMRAM传

43、送指令用传送指令用MOVMOV，片外用，片外用MOVXMOVX； 寻址方式方面，片外寻址方式方面，片外RAMRAM需要用寄存器间接方式。需要用寄存器间接方式。九、片外数据存储区九、片外数据存储区2.1 AT89S512.1 AT89S51单片机的主要特性单片机的主要特性2.2 2.2 单片机的硬件结构单片机的硬件结构2.3 512.3 51系列单片机的引脚及功能系列单片机的引脚及功能2.4 2.4 单片机的存储器配置单片机的存储器配置2.5 2.5 时钟电路与时钟电路与CPUCPU时序时序2.6 2.6 单片机的工作方式单片机的工作方式2.7 2.7 单片机最小系统单片机最小系统 第二章第二章

44、 单片机的结构单片机的结构一、时钟电路一、时钟电路 时钟是单片机能协调工作的时间基准。单片机时钟是单片机能协调工作的时间基准。单片机所有指令的执行，都需要时钟信号的支持。所有指令的执行，都需要时钟信号的支持。 分类：分类： 1. 内部方式时钟电路；内部方式时钟电路； 2. 外部方式时钟电路。外部方式时钟电路。1. 内部方式的时钟电路内部方式的时钟电路(时钟信号在片内产生时钟信号在片内产生) 在在MCS- 51芯片内部有一个芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚端为芯片引脚XTAL1，输出，输出端为引脚端为引脚XTAL2，在芯片的，在芯片的外部通过这两个引脚跨

45、接晶外部通过这两个引脚跨接晶体振荡器和微调电容，形成体振荡器和微调电容，形成反馈电路，电路中的电容一反馈电路，电路中的电容一般取般取30pF左右，而晶体的振左右，而晶体的振荡频率范围通常是荡频率范围通常是1.2MHz12MHz。在由多片单片机组成的系统中，为了各单片机之间在由多片单片机组成的系统中，为了各单片机之间时钟信号的同步，引入唯一的外部脉冲信号作为各时钟信号的同步，引入唯一的外部脉冲信号作为各单片机的振荡脉冲。此时，对于单片机的振荡脉冲。此时，对于HMOSHMOS和和CHMOSCHMOS型单片型单片机，外部时钟电路稍有不同。机，外部时钟电路稍有不同。2. 2. 外部方式时钟电路外部方式

46、时钟电路HMOSHMOSCHMOSCHMOS二、二、CPU时序时序 CPU CPU的控制实质上是一个复杂的同步控制过程，的控制实质上是一个复杂的同步控制过程，所有操作都需要在时钟信号的控制下进行。这些控制所有操作都需要在时钟信号的控制下进行。这些控制信号在时间上的相互关系就是信号在时间上的相互关系就是CPUCPU的时序。的时序。 时序可分为两类：时序可分为两类： 控制单片机内部各部分协调工作的时序控制信号；控制单片机内部各部分协调工作的时序控制信号； 单片机对外部接口电路、外部单片机对外部接口电路、外部RAMRAM和和ROMROM的时序控制的时序控制信号。信号。（要关注）（要关注）1. 几个时

47、序相关概念几个时序相关概念振荡周期：振荡周期：为单片机提供定时信号的振荡源的周期，也为单片机提供定时信号的振荡源的周期，也就是晶体振荡器直接产生的振荡信号的周期。就是晶体振荡器直接产生的振荡信号的周期。 时钟周期（时钟周期（S S）：对振荡信号频率进行：对振荡信号频率进行2 2分频以后的信号。分频以后的信号。又称又称状态周期状态周期。是振荡周期的。是振荡周期的2 2倍。一个时钟周期分为倍。一个时钟周期分为P1P1和和P2P2两个节拍。两个节拍。P1P1节拍完成算术逻辑操作，节拍完成算术逻辑操作，P2P2节拍完成节拍完成内部寄存器间数据的传递。内部寄存器间数据的传递。机器周期：机器周期：如果把一

48、条指令的执行过程分成几个基本操如果把一条指令的执行过程分成几个基本操作，则完成一个基本操作所需的时间称为机器周期。一作，则完成一个基本操作所需的时间称为机器周期。一个机器周期由个机器周期由6 6个（个（S1-S6S1-S6）时钟周期组成。因此，可以）时钟周期组成。因此，可以得出一个机器周期等于得出一个机器周期等于1212个振荡周期，这样，如果我们个振荡周期，这样，如果我们给单片机配一个给单片机配一个12MHz12MHz晶振（振荡周期为晶振（振荡周期为1/121/12微妙）的微妙）的话，每个机器周期时间就是话，每个机器周期时间就是1 1微妙。微妙。2. 各相时序单位之间的关系如图所示各相时序单位

49、之间的关系如图所示 指令周期：指令周期：指令周期是执行一条指令所需的全部时间，指令周期是执行一条指令所需的全部时间，在在MCS-51MCS-51单片机中，一般指令周期都为单片机中，一般指令周期都为1-41-4个机器周期。个机器周期。举例：举例：已知晶振频率分别为已知晶振频率分别为6MHz6MHz、12MHz12MHz，试分别计算它们的，试分别计算它们的机器周期和指令周期。机器周期和指令周期。解：解：当晶振频率为当晶振频率为6MHz6MHz时：时：机器周期机器周期= =时钟周期时钟周期X6=X6=振荡周期振荡周期X2X6=X2X6=（1/61/6s s）X12=2 X12=2 s s指令周期指令

50、周期=1-4=1-4个机器周期个机器周期=2-8=2-8s s 当晶振频率为当晶振频率为12MHz12MHz时时机器周期机器周期= =时钟周期时钟周期X6=X6=振荡周期振荡周期X2X6=X2X6=（1/121/12s s）X12=1X12=1s s指令周期指令周期=1-4=1-4个机器周期个机器周期=1-4=1-4s s几个时序相关概念几个时序相关概念从指令执行时间看从指令执行时间看: : 单字节和双字节单字节和双字节指令指令一般为单机器周期一般为单机器周期和和双机器周期双机器周期; ; 三字节指令三字节指令都是都是双机器周期双机器周期; ; 乘、除指令乘、除指令占用占用4 4个机器周期个机

51、器周期。3. 几种典型的取指几种典型的取指/执行顺序执行顺序 每一条指令的执行都包括从程序存储器取指每一条指令的执行都包括从程序存储器取指令和执行指令两个阶段。令和执行指令两个阶段。 用户通过观察用户通过观察OSCOSC（XTAL2XTAL2）和地址锁存信号引）和地址锁存信号引脚脚ALEALE端的信号变化可以分析出端的信号变化可以分析出CPUCPU取指令的时序。取指令的时序。 看下图可以知道，对从看下图可以知道，对从ALEALE出来的信号分析，出来的信号分析，每个机器周期有两次每个机器周期有两次ALEALE有效。信号的宽度为一个有效。信号的宽度为一个S S状态。每次状态。每次ALEALE有效时

52、有效时CPUCPU就进行一次取指操作，也就进行一次取指操作，也就是在一个机器周期内完成两次取指操作。就是在一个机器周期内完成两次取指操作。MCS - 51 单片机取指单片机取指/执行时序执行时序指令长度为一个字节，指令执行时间为一个机器周指令长度为一个字节，指令执行时间为一个机器周期。（期。（比如：比如：INCINC A A） 从图（从图（a a）中可以看出单字节单周期指令在机）中可以看出单字节单周期指令在机器周期的器周期的S1S1状态时（第一次状态时（第一次ALEALE有效时）执行取指有效时）执行取指操作，读取操作码，即读取操作，读取操作码，即读取INCINC。在。在S4S4状态时（第状态时

53、（第二次二次ALEALE有效）还要读取一个操作码有效）还要读取一个操作码, ,但由于是单但由于是单字节指令，所以第二次读取的操作码被丢掉，且字节指令，所以第二次读取的操作码被丢掉，且程序计数程序计数PCPC不加不加1 1。在。在S6P2S6P2结束时完成此指令的全结束时完成此指令的全部操作。部操作。（1 1）单字节单周期指令：）单字节单周期指令：（2 2）双字节单周期指令：）双字节单周期指令： 指令长度为两个字节，指令执行时间为一个机器指令长度为两个字节，指令执行时间为一个机器周期。周期。（比如：（比如：ADDADD A,#dataA,#data） 双字节单周期指令与单字节单周期指令区别是在双

54、字节单周期指令与单字节单周期指令区别是在一个机器周期内，双字节单周期指令在一个周期一个机器周期内，双字节单周期指令在一个周期内的两次读取操作均有效。二者相同之处为均在内的两次读取操作均有效。二者相同之处为均在一个周期内完成指令的全部操作。一个周期内完成指令的全部操作。 第一次是读指令操作码（第一次是读指令操作码（ADDADD），第二次是读指令），第二次是读指令的第二个字节（就是这里的的第二个字节（就是这里的#data#data）。同样，到第）。同样，到第一个机器周期的一个机器周期的S6S6状态时指令执行完毕。状态时指令执行完毕。 （3 3）单字节双周期指令：）单字节双周期指令： 指指令的长度为

55、一个字节，指令的执行时间为两个指指令的长度为一个字节，指令的执行时间为两个机器周期。机器周期。（比如：（比如：INCINCDPTRDPTR） 单字节双周期指令与单字节单周期指令的区别是执单字节双周期指令与单字节单周期指令的区别是执行时间增加了一个机器周期。而第一个机器周期的行时间增加了一个机器周期。而第一个机器周期的S4S4状态和第二个机器周期的状态和第二个机器周期的S1S1、S4S4状态的读取操作状态的读取操作均被丢掉，且程序计数器均不增量（主要是由于只均被丢掉，且程序计数器均不增量（主要是由于只有一个字节操作码）。在第二个机器周期的有一个字节操作码）。在第二个机器周期的S6P2S6P2状状

56、态完成指令的全部操作。态完成指令的全部操作。（4 4）访问外部数据存储器指令）访问外部数据存储器指令MOVXMOVX时序时序 MOVX是一条单字节双周期指令，它与一般的是一条单字节双周期指令，它与一般的单字节双周期指令的时序有些不同，它在第一个机单字节双周期指令的时序有些不同，它在第一个机器周期的器周期的S1状态读取操作码。在状态读取操作码。在S4状态读取的下一状态读取的下一个操作码被丢掉，在个操作码被丢掉，在S5状态开始送出片外数据存储状态开始送出片外数据存储器的地址后，进行读器的地址后，进行读/写数据。此时，写数据。此时，ALE无信号输无信号输出，因此在第二个机器周期的出，因此在第二个机器

57、周期的S1、S2状态不产生取状态不产生取指操作；在第二个机器周期的指操作；在第二个机器周期的S6P2状态完成指令的状态完成指令的全部操作。全部操作。2.1 AT89S512.1 AT89S51单片机的主要特性单片机的主要特性2.2 2.2 单片机的硬件结构单片机的硬件结构2.3 512.3 51系列单片机的引脚及功能系列单片机的引脚及功能2.4 2.4 单片机的存储器配置单片机的存储器配置2.5 2.5 时钟电路与时钟电路与CPUCPU时序时序2.6 2.6 单片机的工作方式单片机的工作方式2.7 2.7 单片机最小系统单片机最小系统 第二章第二章 单片机的结构单片机的结构2.6 单片机的工作

58、方式单片机的工作方式5151单片机的工作方式有：单片机的工作方式有：n 复位复位n 程序执行程序执行n 低功耗低功耗n 编程和校验编程和校验其中编程和校验方式只是针对其中编程和校验方式只是针对EPROMEPROM以及以及E2PROME2PROM型型芯片。芯片。 一、复位方式一、复位方式只要给只要给 RESETRESET引脚加上引脚加上2 2个机器周期以上的高电平个机器周期以上的高电平信号，就可以使单片机复位。主要是为了把信号，就可以使单片机复位。主要是为了把PCPC初初始化为始化为0000H0000H，使单片机从，使单片机从0000H0000H单元开始执行程单元开始执行程序。（在程序死机的时候

59、，只要按复位键就可以序。（在程序死机的时候，只要按复位键就可以重新启动）重新启动）二、程序执行方式二、程序执行方式程序执行方式是单片机的基本工作方式。由于复位程序执行方式是单片机的基本工作方式。由于复位后后PC=0000HPC=0000H，因此程序执行总是从地址，因此程序执行总是从地址0000H0000H开始开始的。但一般程序并不是真正从的。但一般程序并不是真正从0000H0000H开始，而是在开始，而是在0000H0000H开始的单元地址里存放一条无条件转移指令开始的单元地址里存放一条无条件转移指令，以便跳转到实际程序的入口地址（设从，以便跳转到实际程序的入口地址（设从0030H0030H开

60、开始）始） ORGORG 0000H0000HLJMPLJMP STARTSTARTORGORG 0030H 0030H STARTSTART：0000H0000H地址是单片机复位时的值，从地址是单片机复位时的值，从0000H 0000H 开始执行程开始执行程序。其他个地址是单片机相应不同的中断时，所跳向对应序。其他个地址是单片机相应不同的中断时，所跳向对应的入口地址。该表也叫的入口地址。该表也叫中断向量表或称中断向量中断向量表或称中断向量。由于这。由于这个中断向量地址的存在，所以在个中断向量地址的存在，所以在写程序时，这些地址不要占写程序时，这些地址不要占用。用。三、低功耗工作方式三、低功耗