单片机原理第2章

1、第2章 MCS51单片机硬件组成单片机硬件组成 v本章将介绍MCS51单片机的基本组成；单片机存储器的组织结构；I/O接口的结构和工作原理；单片机的基本工作方式以及单片机的基本时序v通过本章的学习，应该对单片机的整体结构和工作原理有全面的了解，上述内容是学习和使用单片机指令系统以及设计单片机控制系统的基础。 2.1 MCS51单片机内部资源单片机内部资源 v一个8位微处理器(CPU) v128B片内数据存储器(RAM)v4K片内程序存储器(ROM)v21个专用寄存器，实现对内部功能部件的控制和数据运算v4个8位并行I/O接口(P0、P1、P2、P3) v两个16位定时/计数器v一个全双工串行口

2、v一套完善的中断管理和处理系统 v不同的具体型号，可能在以下方面有所不同片内数据存储器容量不同片内程序存储器容量和器件类型不同定时器数量不同串口数量不同MCS51单片机的基本结构示意 MCS51单片机的基本结构示意 vMCS51单片机的P0、P2和P3并行接口在CPU控制下，可构成地址、数据和控制总线，用于外部设备扩展，MCS51单片机可以扩展：片外数据存储器单元和I/O接口地址共64KB64KB片外程序存储器 2.2 单片机的中央处理器单片机的中央处理器 v单片机的CPU字长为8位，即对数据的处理、传输均按8位二进制数(一个字节)进行vMCS51系列单片机是8位机 vMCS51系列单片机的C

3、PU由运算器、控制器及相应的专用寄存器组成运算器运算器v运算器由算术/逻辑部件(ALU)为核心，加上累加器ACC、暂存寄存器、程序状态字寄存器PSW以及布尔处理器、BCD码运算调整电路等构成v运算器的功能包括：算术运算；逻辑运算；位操作。控制器控制器 v控制器是CPU的指挥调度中枢，它包括：定时控制逻辑、指令寄存器、指令译码器、数据指针DPTR、程序计数器PC、堆栈指针SP、地址寄存器、地址缓冲器等v运行时控制器对指令进行译码，然后通过定时和控制电路在规定时刻发出所需的内、外部控制信号，协调各部分的工作，完成指令规定的操作。 程序计数器程序计数器PC(Program Counter) v程序计

4、数器PC是16位的寄存器，用来存放即将要执行的指令地址v可对64KB程序存储器直接寻址。v读取指令时，PC内容的低8位经P0口输出，高8位经P2口输出。v当CPU按照PC指示的地址取出一条指令后，PC值将自动增加，指向下一条指令的首字节地址。 指令寄存器指令寄存器 v指令寄存器用来存放指令代码。vCPU执行指令时，由程序存储器中读取的指令代码送入指令存储器，经指令译码器译码后由定时与控制电路发出相应的控制信号，完成指令功能。 MCS51控制器示意图2.3 MCS51单片机存储器体系结构单片机存储器体系结构 v存储器是微型计算机的重要组成部分，将要或正在执行的程序代码、运算的原始数据、中间结果以

5、及与外部设备进行交换的信息都需要存储在存储器中v存储器中哪里存放数据，哪里存放指令或者哪个存储器存放数据，哪个存储器存放指令以及存储器地址与I/O口地址如何区分是微型计算机设计时必须解决的问题，这一问题是通过存储器的配置方式来解决的 2.3.1 微型计算机存储器的配置方式 v微型计算机存储器的配置方式有两种: Harvard结构与非Harvard结构 vMCS51系列单片机的存储器配置方式采用Harvard结构；vMCS-98系列单片机以及80X86系列微处理器采用非Harvard结构的存储器配置方式。 2.3.2 51单片机存储器体系结构 v51系列单片机的存储器配置方式采用Harvard结

6、构，单片机的存储器有程序存储器和数据存储器之分；v单片机在片内已经集成了一定容量的存储器，在某些情况下，片内存储器容量不够时，51系列单片机允许在片外扩展存储器；v51单片机系统在物理上有4个独立的存储空间，它们分别是：一. 片内程序存储器片内程序存储器vMCS51单片机片内有4K程序存储器，地址范围为0000H0FFFHv8051采用只读存储器(Read Only Memory，ROM)作程序存储器；v8751采用紫外线擦除、可编程只读存储器(EPROM)；v8031片内没有程序存储器v近年推出的新型号的兼容机型一般采用闪存(FLASH Memory)作程序存储器。2.3.2.1单片机的物理

7、存储空间单片机的物理存储空间vMCS51单片机可扩展64K片外程序存储器，地址范围为0000H0FFFFHv对片外程序存储器的读取由/PSEN信号控制。二. 片外程序存储器片外程序存储器 三三. 片内数据存储器片内数据存储器MCS51单片机内部有一定数量的RAM单元用于存放数据，称为片内数据存储器，片内数据存储器数量的配置因子系列不同略有区别：v51子系列：片内有128个(地址为00和7FH)RAM单元，高128个单元中(地址为80和0FFH)零星地分布着21个特殊功能寄存器(SFR)。v52子系列：片内有256个(地址为00和0FFH)RAM单元，高128个单元中(地址为80和0FFH)零星

8、地分布着26个特殊功能寄存器(SFR)。 片内数据存储器的功能划分 v片内数据存储器在分为数据存储单元和特殊功能寄存器区两大部分的基础上，对低128字节的RAM单元又进一步划分为工作寄存器区位寻址区一般数据存储区（包括堆栈区）工作寄存器区v片内RAM 00H1FH 32个字节作为工作寄存器；v这32个字节分成4组，作为4个工作寄存器组。每组包含8个字节，分别称为R0、R1R7，作为8个工作寄存器使用 ；v由于每一组中都有R0、R1R7等8个工作寄存器，因此每个Rn在物理上都对应着4个不同的存储器单元，而一个工作寄存器到底对应于哪个RAM单元是由“当前工作寄存器组”的设定决定的；v任一时刻只有一

9、组工作寄存器是“当前工作寄存器”，当前工作寄存器组可用程序状态字PSW中的RS1和RS0两位选择。 工作寄存器与RAM单元的对应关系 位寻址区 v位寻址区位于片内RAM的20H到2FH 共16个字节单元，每个单元8位均可位寻址，共有128个可直接寻址位；v这128个位从20H字节单元的第0位到2FH字节单元的第7位，依次赋予地址00H7FH v这些地址称为位地址，注意与字节地址的区别片内RAM位寻址区地址表字节地址位地址D0D1D2D3D4D5D6D720H00H01H02H03H04H05H06H07H21H08H09H0AH0BH0CH0DH0EH0FH22H10H11H12H13H14H

10、15H16H17H23H18H19H1AH1BH1CH1DH1EH1FH24H20H21H22H23H24H25H26H27H25H28H29H2AH2BH2CH2DH2EH2FH26H30H31H32H33H34H35H36H37H27H38H39H3AH3BH3CH3DH3EH3FH28H40H41H42H43H44H45H46H47H29H48H49H4AH4BH4CH4DH4EH4FH2AH50H51H52H53H54H55H56H57H2BH58H59H5AH5BH5CH5DH5EH5FH2CH60H61H62H63H64H65H66H67H2DH68H69H6AH6BH6CH6DH

11、6EH6FH2EH70H71H72H73H74H75H76H77H2FH78H79H7AH7BH7CH7DH7EH7FH3.普通数据存储区 v30H7FH为普通数据存储区，可用于输入/输出和中间运算结果的暂存；v如果程序结构简单，不需要多个寄存器组交换，部分工作寄存器区也可作为普通数据存储区使用；v如果系统不需要进行位操作，位寻址区也可作为普通数据存储区使用；v注意：堆栈也安排在片内数据存储器内，使用时要避免堆栈区和普通数据存储区冲突。 4.特殊功能寄存器 v片内有21个特殊功能寄存器，离散地分布在片内RAM区的80H0FFH单元，特殊功能寄存器可分为以下几类：与运算器相关的寄存器：ACC，B

12、，PSW 指针类寄存器：SP，DPTR 与并行口相关的寄存器：P0，P1，P2，P3 与中断相关的寄存器：IE，IP 与定时/计数器相关的寄存器：TMOD，TCON，TH0，TL0，TH1，TL1与串行口相关的寄存器：SBUF，SCON，PCON PSW位地址及位名称vCY：也可写作C，进位标志。vAC：辅助进位标志。vF0：用户标志位。vRS1、RS0：当前工作寄存器组选择位vOV：溢出标志位。vP：奇偶标志位。特殊功能寄存器地址分布表符 号名 称字节地址* P0P0口输入输出寄存器80HSP堆栈指针81HDPL数据指针DPTR低字节82HDPH数据指针DPTR高字节83H* TCON定时/

13、计数器控制寄存器88HTMOD定时/计数器方式寄存器89HTL0定时/计数器0初值寄存器低字节8AHTL1定时/计数器1初值寄存器低字节8BHTH0定时/计数器0初值寄存器高字节8CHTH1定时/计数器1初值寄存器高字节8DH* P1P1口输入输出寄存器90HPCON电源控制寄存器97H* SCON串行口控制寄存器98HSBUF串行口数据缓冲器99H* P2P2口输入输出寄存器A0H* IE中断允许寄存器A8H* P3P3口输入输出寄存器B0H* IP中断优先级寄存器B8H* PSW程序状态字D0H* ACC累加器E0H* BB寄存器F0H按字节访问，但每位有规定含义按字节访问，但每位有规定含

14、义位地址/位名字节地址位地址/位名字节地址四. 片外数据存储器 v当片内数据存储器不够用时，可通过三总线结构，最多扩展64K片外数据存储器，地址范围为0000H0FFFFH。v对片外数据存储器的读写由/RD和/WR信号控制v具体系统可在64K限度内根据需要扩展，对于片外程序存储器的扩展也是按这一原则进行。vMCS51的I/O接口和片外数据存储器共用64K地址空间，扩展时要存储器和I/O数据读写冲突。2.3.2.2 MCS51单片机的逻辑存储空间 v单片机系统中，内部数据存储器和外部数据存储器不仅在物理上存在，而且可以同时使用；v内部程序存储器和外部程序存储器空间虽然在物理同时存在，但在具体系统

15、中，两个程序存储器空间的低4K只能任选其一，不能同时使用，v具体使用哪4K由/EA引脚决定： /EA接地，使用片外低4K；反之使用片内低4K。v因此，单片机在逻辑上只有3个存储空间，即内部数据存储器、外部数据存储器和程序存储器。 存储空间结构示意图 片内数据存储器程序存储器外部数据存储器0000H0FFFH 存储器结构小节 MCS51单片机的存储器的体系结构比较复杂， 该体系结构是硬件系统设计和控制软件编制的基础！vMCS51单片机的存储器按所在位置不 同有片内和片外之分： 片内存储器集成在芯片内部； 片外存储器又称外部存储器，是根据系统需要，用存储器芯片扩展而成51系统可扩展64K程序存储器

16、和64K数据存储器具体系统中，片外存储器的容量可能不同v MCS51单片机的存储器按在系统中的作 用分为程序存储器和数据存储器：程序存储器：用于存放编写的程序，CPU从程序存储器获取指令、进行译码和执行 数据存储器：存放运算的中间结果、输入/输出的数据等4“数据”和“指令”在本质上都是二进制代码，51单片机根据二进制代码所在的存储器空间不同，对其有不同的解释vMCS51单片机的存储器使用的器件可以 是ROM、RAM、EPROM、EEPROM 以及FLASH 等不同器件的存储特性不同，与其在系统是程序存储器还是数据存储器没有必然联系所有类型的存储器芯片都既可作数据存储器也可作程序存储器用ROM、

17、EPROM、EEPROM作程序存储器，用 RAM作数据存储器 由于单片机存储器有内外和程序/数据之分，所以单片机在物理上有物理上有 4 个存储空间，且地址有重叠。在使用是要特别注意： 1）在具体系统中，片内、外程序存储在具体系统中，片内、外程序存储器的低器的低4K只能任选其一，不能同时使用。只能任选其一，不能同时使用。 具体使用哪4K由/EA引脚决定： /EA接地，使用片外低4K； 反之使用片内低4K 。因此，单片机在逻辑上只有逻辑上只有 3 个存储空间。2）访问不同的地址空间指令不同。）访问不同的地址空间指令不同。 分别使用分别使用MOV，MOVX，MOVC指令访问内部指令访问内部数据存储器

18、、外部数据存储器和程序存储。数据存储器、外部数据存储器和程序存储。3）使用MOV，MOVX，MOVC指令访问不同存储访问不同存储器空间时，单片机器空间时，单片机CPU发出的控制信号不同发出的控制信号不同：vMOVC访问片外程序存储器时，产生/PSEN信号；vMOVX读写片外数据存储器时产生/RD和/WR信号。4）访问程序存储器和片外数据存储器时使用16位地址，访问片内数据存储器时使用8位地址容易混淆的概念：容易混淆的概念：数据存储器与RAM；程序存储器与ROM。 数据存储器与程序存储器是指它在单片机系统中所处的地位和功能，取决于受控于单片机CPU的何种信号。 RAM与ROM是指不同类型的存储器

19、器件，它们特性不同。 在51单片机系统中一般用一般用RAM作数据存储器，ROM作程序存储器。 但两者概念完全不同完全不同。 一个存储器芯片在单片机系统中到底是程序存储器还是数据存储器不取决于它是ROM/RAM/EPROM或是其他器件，而仅仅取决于它受控于单片机什么信号受控于PSEN信号的是程序存储器；受控于RD/WR信号的是数据存储器。 2.4 MCS51单片机的并行单片机的并行I/O接口接口 2.4.1 P0口的结构 它由一个输出锁存器、两个三态输入缓冲器和输出驱动及控制电路组成P0口既可作一般I/O口使用，也可作低8位地址线和数据线使用P0口作一般I/O口使用时，内部控制端为低电平P0口的

20、位结构图 P0口作一般I/O口使用时，是准双向口2.4.2 P1口的结构 vP1口是通用准双向静态口，输出有锁存vP1口内部用上拉电阻代替了P0口的场效应管T1，因此作输出时不需外接上拉电阻vP1口有输入、输出和读修改写3种工作方式 2.4.3 P2口的结构 vP2口既可作通用I/O口，又是高8位地址总线v和其它口区别在于多了IO/地址转换部分2.4.4 P3口的结构 当处于第一功能时，第二功能输出线为1P3用作第二功能使用 当CPU不对P3口进行字节或位寻址时，内部硬件自动将口锁存器的Q端置1，这时，P3口作为第二功能使用。I/O口第第 二二 功功 能能I/O口第第 二二 功功 能能P3.0

21、串行数据接收端P3.4T/C0外部脉冲输入端P3.1串行数据发送端P3.5T/C1外部脉冲输入端P3.2外部中断0输入P3.6写片外数据存储器P3.3外部中断1输入P3.7读片外数据存储器2.4.5 并行I/O口小结 1.驱动能力vP0P3口可兼容CMOS和TTL电平vP0口的每一位口线可以驱动8个LSTTL负载。在作为通用 I/O口时，由于输出驱动电路是开漏方式，需外接上拉电阻；当作为地址/数据总线使用时，口线输出不是开漏的，无须外接上拉电阻。vP1、P2、P3口的每一位能驱动4个LSTTL负载。它们的输出驱动电路内部有上拉电阻，所以可以方便地由集电极开路（OC门）电路或漏极开路电路驱动，无

22、须外接上拉电阻。2.各端口的应用功能vP0口：不进行系统扩展时，可作一般I/O口使用；进行系统扩展时，是低8位地址和数据分时复用总线vP1口：单纯I/O口vP2口：不进行系统扩展时，可作一般I/O口使用；进行系统扩展时，作高8位地址总线vP3口：双功能口，其第二功能是大部分控制总线v某位作第一功能输入或作第二功能使用时，其内部锁存器必须置1(复位后内部锁存器已经置1)v复位后，32个引脚均为高电平，故在初始化时应考虑是否满足外接电路外接电路的要求。2.5 MCS51单片机引脚介绍 1.电源引脚 2.外接晶振引脚3.控制信号和其他电源引脚4.输入输出引脚1. 电源引脚vVCC：电源端，单片机的工

23、作电源，接5V；vVSS：接地端；vVPP：与/EA引脚复用，对内部有EPROM的芯片编程时的编程电压输入端；v/PROG：与ALE引脚复用，内部EPROM的芯片编程时的编程脉冲入端；vVPD：与RST引脚复用，备用电源输入端，当主电源下降或断点时， VPD可为片内数据存储器提供电源，实现掉电保护； 2. 控制信号引脚vALE(Address Latch Enable)：地址锁存允许信号输出端 v/PSEN(Program Select Enable)：外部程序存储器输出允许控制信号v/EA：程序存储器低端部分选择控制端，/EA =0，程序存储器低端部分在片外；/EA =1，程序存储器低端部分

24、在片内vRST：复位信号输入3.并行I/O接口引脚vP0.0P0.7：P0口，数据/低八位地址复用总线端口vP1.0P1.7：P1口，静态通用端口vP2.0P2.7：P2口，高八位地址总线端口vP3.0P3.7：P3口，双功能静态端口 4. 时钟电路引脚内部振荡方式外部时钟源接入方式HMOS型CHMOS型vXTAL1：内部振荡电路输入端； vXTAL2：内部振荡电路输出端。2.6 MCS51单片机时序基本概念 时 序vCPU不间断地从程序存储器取出指令，然后执行指令，其速度可达每秒数十万条指令。因此，CPU及相关部件必须按照一定节拍协调运行。而CPU及相关部件的相互协调是由CPU发出的相关信号

25、控制的。v把CPU发出的相关信号（反映在单片机相应管脚上）的电压波形以相同的时间横轴绘在同一个波形图中，称为时序图，简称时序。v要在实时控制领域应用计算机控制必须了解 CPU 的时序。vCPU发出的时钟脉冲控制信号有两类：一类用于计算机内部，和外部无直接关系；另一类送到片外，用于控制/联络扩展的外部存储器和外部设备，这类信号和硬件设计和软件编程有直接关系！（1）振荡周期 为单片机提供时钟信号的振荡源的周期，是所有信号的最小单位（2）时钟周期 又称为状态周期S ，MCS51单片机规定两个晶振周期作为一个时钟周期，这两个晶振周期分别称为P1和P2节拍。（3）机器周期 6个状态周期为一个机器周期，是单片机完成一个基本操作的最短时间v有