单片机课件-第二章51单片机的结构和原理

1、第二章第二章 8051单片机硬件结构和原理单片机硬件结构和原理 本章要求本章要求：掌握：掌握8051单片机的基本结构单片机的基本结构,包括包括CPU结构、存储器结构、相关的特结构、存储器结构、相关的特殊功能寄存器（殊功能寄存器（ SFR ）、并行）、并行I/O口的口的结构，理解单片机结构，理解单片机CPU的工作时序及相的工作时序及相应的工作原理。应的工作原理。第二章第二章 8051单片机硬件结构单片机硬件结构和原理和原理2.1 8051单片机结构单片机结构2.2 8051单片机引脚及其功能单片机引脚及其功能2.3 8051存储器配置存储器配置2.4 时钟电路与时序时钟电路与时序2.5 复位及复

2、位电路复位及复位电路2.6 输入输入/输出端口结构输出端口结构2.1 8051单片机结构单片机结构 2.1.1 8051单片机的基本组成单片机的基本组成 2.1.2 8051单片机的内部结构单片机的内部结构2.1.1 8051单片机的基本组成进入进入2.1.2时钟电路时钟电路CPUCPUINT INT 0 0T T1 1T T0 0并行接口并行接口串行接口串行接口P P0 0 P P1 1 P P2 2 P P3 3TXD RXDTXD RXD中断系统中断系统ROROM MRARAM M定时定时/ /计数器计数器INTINT1 1图图 2 1 8051单片机的基本结构示意图单片机的基本结构示意

3、图8051芯片芯片上集上集成的成的硬件硬件资源资源v8位的位的CPU v4KB ROMv128B RAM v4个个8位并行位并行I/O口（口（P0P3）v1个全双工串行口个全双工串行口v2个个16位定时位定时/计数器计数器v5个中断源，个中断源，2个中断优先级个中断优先级v可寻址可寻址64K外扩数据存储器和外扩数据存储器和64K程序程序存储器存储器v片内振荡器和时钟产生电路片内振荡器和时钟产生电路MCS-51系列单片机性能表系列单片机性能表系列系列片内存储器片内存储器/B定时定时/计数器计数器并行并行I/O中中断断源源制造制造工艺工艺MCS-51系列系列无无ROM片内片内ROM片内片内EPRO

4、M片内片内RAM803180514K87514K128 216位位48位位5HMOS80C31514K514K128 216位位48位位5CHMOSMCS-52系列系列803280528K87528K256 316位位48位位6HMOS80C32528K528K256 316位位48位位7CHMOS2.1.2 8051单片机内部结构单片机内部结构点击点击图图2-2 8051内部结构框图内部结构框图 通道通道0驱动器驱动器通道通道2驱动器驱动器RAM地地址锁存器址锁存器128B RAM通道通道0锁存器锁存器通道通道2锁存器锁存器4KB ROMB寄存器寄存器程序地址寄存器程序地址寄存器 缓冲器缓冲

5、器 PC递增器递增器 程序计数器程序计数器PC DPTR指针指针 堆栈指针堆栈指针SPACC TMP2 PSW通道通道3锁存器锁存器通道通道1锁存器锁存器通道通道1驱动器驱动器通道通道3驱动器驱动器 TMP1振荡器振荡器 ALUSCONTL0TMODPCONTCONTH1TH0TL1IESBUF IP中断串行口和定时器逻辑中断串行口和定时器逻辑 定时定时和控和控制逻制逻辑辑指指令令译译码码器器指指令令寄寄存存器器XTAL2XTAL1P1.0P1.7P3.0P3.7P0.0P0.7P2.0P2.7RSTALEPSENEAGNDVCC+5V 8051单片机内部结构组成单片机内部结构组成一、一、CP

6、U 运算器运算器控制器控制器二、存储器二、存储器 程序存储器程序存储器 ROM数据存储器数据存储器 RAM 三、三、I/O接口接口: 4个个8位并行位并行I/O口（口（P0P3） 四四、中断、定时器、串行口、中断、定时器、串行口1.运算器运算器ALUTMP ACCBPSW布尔处理器布尔处理器一、中央处理器（一、中央处理器（CPU）（1 1）8 8位算术逻辑运算部件位算术逻辑运算部件ALUALU（2 2）8 8位暂存器位暂存器 TMP1TMP1，TMP2TMP2* * 对用户不开放对用户不开放（3 3）累加器）累加器AccAcc（A A）* * 8 8位特殊功能寄存器（位特殊功能寄存器（SFR)

7、SFR)* * 执行运算执行运算前前，暂存操作数，暂存操作数运算运算后后，存放运算结果，存放运算结果1、运算器、运算器（4 4）通用寄存器）通用寄存器B-B-专为乘除法设置专为乘除法设置* * 8 8位特殊功能寄存器（位特殊功能寄存器（SFR)SFR)* * 执行乘除法执行乘除法前前，存放乘数，存放乘数/ /除数除数乘除法运算乘除法运算后后，存放乘积高，存放乘积高8 8位位/ /余数余数（5 5）程序状态标志寄存器程序状态标志寄存器PSWPSW（6 6）布尔处理机布尔处理机（5）程序状态标志寄存）程序状态标志寄存PSW 8位特殊功能寄存器（位特殊功能寄存器（SFR） 用来存放指令执行中相关的状

8、态标志位用来存放指令执行中相关的状态标志位 PSW.7 PSW.0 CY Ac F0 Rs1 Rs0 OV - P 进位标志位进位标志位 CY（C）: 布尔处理器中的位累加器布尔处理器中的位累加器 表示在执行加表示在执行加/减法指令时，运算结果减法指令时，运算结果最高位（累加器最高位最高位（累加器最高位Acc.7）向前有）向前有无进无进/借位借位CY=1 Acc.7 有进有进(借借)位位0 Acc.7 无进无进(借借)位位辅助进位位辅助进位位Ac 表示加表示加/减法运算中减法运算中,运算结果（存运算结果（存放在累加器放在累加器A中）低四位向高四位中）低四位向高四位有无进有无进/借位借位Ac=1

9、 Acc.3向向Acc.4有进有进(借借)位位0 Acc.3向向Acc.4无进无进(借借)位位Acc.7Acc.6Acc.5Acc.4Acc.3Acc.2Acc.1Acc.0用户标志位用户标志位F0寄存器组选择位寄存器组选择位Rs1,Rs0Rs1 Rs0 寄存器组寄存器组 R0R7地址地址 0 0 组组0 00H07H 0 1 组组1 08H0FH 1 0 组组2 10H17H 1 1 组组3 18H1FH进入片内进入片内RAM配置配置 单片机复位单片机复位: Rs1Rs0=00溢出标志位溢出标志位Ov运算结果中最运算结果中最高位的进（借）高位的进（借）位状态位状态 补码运算时补码运算时, A

10、中结果超出了中结果超出了8位有位有符号数表示范围符号数表示范围Ov=运算结果中次运算结果中次高位的进（借）高位的进（借）位状态位状态 其它其它+) 0 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 1 0 1 1 00 = (C0 = (CY Y) )(C(CS S) = 1) = 1（O OV V) =(C) =(CY Y) (C) (CS S)= 1)= 1 (3AH)(3AH) (B6H)(B6H)00111010对比对比 1.1. 计算计算3AH3AH7CH7CHB6HB6H (7CH)(7CH)无符号数运算：无符号数运算：5858124124182182，范围内，无进位；，范围内，无进

11、位；有符号数运算：有符号数运算：5858124124182182，范围外，有溢出。，范围外，有溢出。另一方面，补码B6H表达真值是74，显然运算结果也不正确。+) 0 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 01 = (C1 = (CY Y) )(C(CS S) = 1) = 1（O OV V) =(C) =(CY Y) (C) (CS S)= 0)= 0 (AAH)(AAH) (126H)(126H)01010102.2. 计算计算AAHAAH7CH7CH1 126H26H (7CH)(7CH)无符号数运算：170124294，范围外，有进位；有符号数运算：8612438

12、，范围内，无溢出。奇偶标志位奇偶标志位P 表示指令执行后累加器表示指令执行后累加器A中中1的个数的的个数的奇偶性奇偶性P= 指令执行后指令执行后A中中1的个数是奇数的个数是奇数 P=Acc.7 Acc.6 Acc.0 指令执行后指令执行后A中中1的个数是偶数的个数是偶数例例2.1： 程序执行前程序执行前,F0=0,RS1RS0=00,执行执行 +) 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 11 = (C1 = (CY Y) )(C(CS S) = 1) = 1(A(AC C) = 1) = 1（O OV V) =(C) =(CY Y) (C) (CS S)= 0)= 0

13、( P ) = 1( P ) = 1(PSW)=11000001B=C1H(PSW)=11000001B=C1H (0FH)(0FH) (0F8H)(0F8H)00001111 (A)=07H (A)=07H（6）布尔处理机）布尔处理机相应的指令系统相应的指令系统位累加器位累加器C (CY)位寻址空间位寻址空间定时控制逻辑定时控制逻辑指令寄存器，译码器指令寄存器，译码器程序计数器程序计数器PCDPTR 堆栈指针堆栈指针SPRAM地址锁存器地址锁存器16位地址缓冲器等位地址缓冲器等2、控制器控制器PCHPCL（1）16位程序计数器位程序计数器PC 64KBn16位位PCP2：地址总线高地址总线高

14、8位位P0：地址总线低地址总线低8位位 单片机复位后单片机复位后: （PC）=0000H（2）16位数据指针位数据指针DPTRDPHDPL 64KBn16位位DPTRP2：地址总线高地址总线高8位位P0：地址总线低地址总线低8位位（3）堆栈指针）堆栈指针SP 8位位SFR 栈区开辟在片内栈区开辟在片内RAM（00H7FH） 复位后（复位后（SP）=07H 栈区向上生成栈区向上生成（即栈底占用较低地址，栈顶占用较高地址）即栈底占用较低地址，栈顶占用较高地址）进入片内进入片内RAM配置配置2.2 8051单片机引脚及其功能单片机引脚及其功能40引脚引脚: 1.电源线电源线 2.端口线端口线 3.控

15、制线控制线XTAL2RST/VPDVCCVCCXTAL1ALE/PROGEA / VDDRDWRT1T0INT1INT0TXDRXDP3口口P1口口（b）P2口口P0口口PSEN875180518031第二功能第二功能（a）654P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0875180518031321121110INT0 P3.2TXD P3.1RXD P3.0RST/VPDP1.7P1.69871413T0 P3.4INT1 P3.3201918VSSXTAL1XTAL2RD P3.7WR P3.6 T1 P3.5171615353637P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0VCC3

16、83940293031PSENALE / PROG EA / VDDP0.7P0.6P0.53233342728P2.6P2.7212223P2.0P2.1P2.2P2.3P2.4P2.5242526晶体振晶体振荡器荡器图图23 8051引脚配置图引脚配置图1.电源线（电源线（2） Vcc (40) 接接+5V 电源电源 Vss（20） 接接GND在在8751片内片内EPROM编程期间，为编程期间，为21V编程电源输入端编程电源输入端 8751片内片内EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲编程期间，此引脚输入编程脉冲带带8个个LS型型TTL负载负载3.控制线（控制线（6）内外内外ROM的选择线

17、的选择线/ EPROM编程电源编程电源带带8个个LS型型TTL负载负载可外接备用电源，在可外接备用电源，在VCC 掉电时向掉电时向RAM供电。供电。XTAL1：19脚，外接晶振输入引脚。脚，外接晶振输入引脚。XTAL2：18脚，外接晶振输出引脚。脚，外接晶振输出引脚。单片机引脚单片机引脚访问地址访问地址4KB，CPU访问片内程序存储器访问片内程序存储器 即访问地址为：即访问地址为：0000H0FFFH访问地址访问地址4KB，CPU访问片外程序存储器访问片外程序存储器即访问地址为：即访问地址为： 1000HFFFFH10EA=CPU 只访问片外程序存储器只访问片外程序存储器 0000HFFFFH

18、EA2.3 8051存储器配置2.3.1程序存储器地址空间程序存储器地址空间2.3.2数据存储器地址空间数据存储器地址空间进入进入8051存储器的分类存储器的分类8051进入存储器结构图进入存储器结构图 8051存储器配置存储器配置 普林斯顿结构：普林斯顿结构：程序和数据共用程序和数据共用一个存储器逻辑空间，统一编址。一个存储器逻辑空间，统一编址。 哈佛结构：哈佛结构：程序与数据分为两个程序与数据分为两个独立存储器逻辑空间，分开编址独立存储器逻辑空间，分开编址。 物理上物理上4个存储器地址个存储器地址 空间：空间：片内片内/片外程序存储器片外程序存储器片内片内/片外数据存储器片外数据存储器存储

19、器分类：存储器分类：片内片内ROM/EPROM片内片内RAM存储器存储器片内存储器片内存储器片外存储器片外存储器片外片外ROM/EPROM 片外片外RAM物理上物理上4个存储器地址空间个存储器地址空间逻辑上逻辑上3个存储器地址空间个存储器地址空间64KB 程序存储器程序存储器256B 片内数据存储器片内数据存储器64KB 片外数据存储器片外数据存储器00H1FH20H2FH30H7FH外部外部ROM0000H0FFFH0000H0FFFH1000HFFFFH外外 部部RAM(外扩外扩I/O口口地址地址)0000HFFFFH内部数据存储器内部数据存储器（a）外部数据存储器外部数据存储器（b）程序

20、存储器程序存储器（c）内部内部ROM(EA=1)外部外部ROM(EA=0)特殊功能寄存器中位寻址特殊功能寄存器中位寻址80HFFH80H88H90H98HA0HA8HB0HB8HD0HE0HF0H 图图2-4 8051单片机存储空间分布图单片机存储空间分布图特特殊殊功功 能能寄寄存存器器用户用户RAM区区位寻址区位寻址区工作寄工作寄存器区存器区2.3.1 程序存储器地址空间程序存储器地址空间 （ROM/EPROM）程序存储空间中特殊存储单元程序存储空间中特殊存储单元 单片机复位后单片机复位后: （PC）=0000H 中断矢量地址表中断矢量地址表001BH001BH2.3.2 数据存储器地址空间

21、一、外部数据存储器二、内部数据存储器一、外部数据存储器一、外部数据存储器 地址指针地址指针DPTR16位位 寻址范围寻址范围64KB 0000HFFFFH 与外扩与外扩I/O口共用口共用RD WR,二、内部数据存储器二、内部数据存储器 片内片内RAM （低（低128字节字节 00H7FH） SFR区域区域（高（高128字节字节 80HFFH） 位地址空间位地址空间也分布其中也分布其中进入内部数据存储器的结构进入内部数据存储器的结构进入进入8051存储器结构图存储器结构图(a)128B RAM (b)SFR的名称及分布图图2-5片内片内RAM空间分布图空间分布图 （00H7FH）（1）工作寄存器

22、区：）工作寄存器区：字节地址：字节地址：00H1FH4组，每组组，每组8个：个：R0R7（2）位寻址区：）位寻址区：字节地址：字节地址：20H2FH位地址为：位地址为：00H7FH（3）用户）用户RAM区区字节地址：字节地址：30H7FH数据缓冲区数据缓冲区/堆栈区堆栈区1、片内、片内RAM2、特殊功能寄存特殊功能寄存器器SFR占用字节地址：占用字节地址：80HFFH位寻址寄存器：位寻址寄存器： 其字节地址可被其字节地址可被8整除整除。 专用寄存器：专用寄存器：A、B、PSW、DPTR、SP I/O接口寄存器及其它接口寄存器及其它控制寄存器：控制寄存器： P0、P1、P2、P3、SBUF、TM

23、OD、TCON、SCON 3、位地址空间、位地址空间 片内片内RAM位寻址区位寻址区（00H7FH）存储器结构总结存储器结构总结(1) 地址的重叠性；地址的重叠性； 程序存储器与数据存储器全部程序存储器与数据存储器全部64K字节地址重字节地址重叠叠(2)程序存储器与数据存储器在使用上严格区分；程序存储器与数据存储器在使用上严格区分；(3) 位地址空间共有两个区域位地址空间共有两个区域 ；(4) 片外与片内数据存储器由指令来区分；片外与片内数据存储器由指令来区分；(5) 片外数据存储区中，片外数据存储区中，RAM与与I/O端口统一编址。端口统一编址。所有外围所有外围I/O端口的地址均占用端口的地

24、址均占用RAM地址单元，地址单元，使用与访问外部使用与访问外部RAM相同的传送指令。相同的传送指令。2.4 CPU时序时序 2.4.1 片内时钟信号的产生片内时钟信号的产生 2.4.2 机器周期和指令周期机器周期和指令周期 2.4.3 CPU取指、执行周期时序取指、执行周期时序2.4.1 片内时钟信号的产生片内时钟信号的产生进入进入2.4.2 内部振荡方式 外部时钟源方式XTAL2XTAL18051至内部时钟电路至内部时钟电路c1c2晶晶振振Vccfoc外外时时钟钟8051VssXTAL2XTAL1内部振荡器方式和外接时钟源内部振荡器方式和外接时钟源图图27 内部振荡器方式内部振荡器方式图图2

25、8 外接时钟源外接时钟源8051片内振荡器及时钟发生器片内振荡器及时钟发生器图图212 8051片内振荡器及时钟发生器片内振荡器及时钟发生器P2P1P1 P2P1 P2S1S2XTAL1XTAL2c2c1晶晶振振振荡器振荡器时钟发生时钟发生器器(2)8051ALE引脚引脚机器周期机器周期上午3时18分51双周期指令双周期指令P2P1P2P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P2P2P2P2P2P2P2P2P2P2P1.P2是是什么什么? 指令周期指令周期XTAL2(OSC)S1S2S3S4S5S6S1S2S4S5S3S6S是什么是什么?时钟周期时钟周期振荡周期振荡周期机器周期机器周期机器

26、周期机器周期8051单片机各种周期的相互关系单片机各种周期的相互关系P1，P2： 时钟发生器是一个时钟发生器是一个2分频触发器电路，它将分频触发器电路，它将振荡器的信号频率振荡器的信号频率fosc除以除以2，向，向CPU提供提供了了两相时钟信号两相时钟信号P1和和P2。在每个。在每个时钟周期时钟周期（即（即机器状态时间机器状态时间S）的前半周期，相位）的前半周期，相位1（P1）信号有效，在每个时钟周期的后半）信号有效，在每个时钟周期的后半周期，相位周期，相位2（P2）信号有效。）信号有效。S： 时钟信号的周期时钟信号的周期称为称为机器状态时间机器状态时间S（STATE），它是振荡周期的），它是

27、振荡周期的两倍两倍。机器周期和指令周期机器周期和指令周期n振荡周期（振荡周期（ TOSC ）：）：TOSC=1/fosc, fosc：晶振频率晶振频率 为单片机中最小、最基本的时间单位。为单片机中最小、最基本的时间单位。n状态周期（状态周期（Ts）：）：振荡信号经振荡信号经2分频后获得的信号周期，分频后获得的信号周期， 也称机器状态时间也称机器状态时间S， Ts 2 TOSCn机器周期（机器周期（ TP ）: TP=12TOSC，计算机执行一个基本计算机执行一个基本 操作所需的时间操作所需的时间n指令周期指令周期 ：执行一条指令所需的时间；通常为执行一条指令所需的时间；通常为1TP 、 2TP

28、 、 4TP 思考题：思考题：设应用单片机晶振频率（设应用单片机晶振频率（ fosc ）分别为）分别为6MHZ和和12MHz，问机器周期分别为多少？，问机器周期分别为多少？usus2.4.2 CPU取指、执指时序取指、执指时序 单字节单周期单字节单周期 单字节双周期单字节双周期 双字节单周期双字节单周期 双字节双周期双字节双周期 三字节双周期三字节双周期 单字节四周期单字节四周期图图214 8051取指、执行周期时序取指、执行周期时序2.5 复位操作复位操作 复位电路复位电路 单片机复位后的状态单片机复位后的状态 复位电路复位电路8051单片机的复位信号，高电平有效。单片机的复位信号，高电平有

29、效。电路结构电路结构如图如图2-16所示，所示，8051单片机单片机通常采用通常采用上电自动复位上电自动复位和和按键手动复位按键手动复位两种方式。两种方式。RST/VPD引脚至少保持引脚至少保持2个机器周期的个机器周期的高电平，才能复位。高电平，才能复位。（b）按键与上电复位电路）按键与上电复位电路（a）上电复位电路）上电复位电路表表2-8 单片机复位后特殊功能寄存器单片机复位后特殊功能寄存器的状态的状态寄存器寄存器复位状态复位状态DPTR000000B寄存器寄存器复位状态复位状态PC0000HTCON00HA00HTL000HPSW00HTH000HTL100H0000HTH100HTMOD

30、00HSCON00HSBUF不定不定IPPCON00000BIE0000000B2.6 输入输入/输出端口输出端口 概述概述 2.6.1 P1口口 2.6.2 P2口口 2.6.3 P0口口 2.6.4 P3口口概述概述MCS-51单片机有单片机有4个个8位并行位并行I/O口，口，P0P3。每个端口都包括：每个端口都包括：2.6.1 P1口口 VCC读锁存器读锁存器读引脚读引脚写入写入内部总线内部总线TQCPP1 . X锁锁存器存器DP 1 . X的引脚的引脚Q内部上拉电内部上拉电阻阻图图2-12 P1口的某位结构图口的某位结构图写数据读引脚输入锁存器输入锁存器两个输入缓冲器两个输入缓冲器(B

31、UF1和BUF2)u端口输出写信号，将数据写入锁存器端口输出写信号，将数据写入锁存器u读锁存器信号，执行读锁存器信号，执行“ANL P0,#0FH”ANL P0,#0FH”时该信号有效时该信号有效 u读引脚读引脚信号，执行信号，执行“MOV A,P0”MOV A,P0”时该信号有效时该信号有效2.6.1 P1口口u只能作一般只能作一般I/O口使用口使用准双向口准双向口 VCC读锁存器读锁存器读引脚读引脚写入写入内部总线内部总线TQCPP1 . X锁锁存器存器DP 1 . X的引脚的引脚Q内部上拉电内部上拉电阻阻图图2-12 P1口的某位结构图口的某位结构图读引脚u读引脚（端口）数据时，输出锁存

32、器应为读引脚（端口）数据时，输出锁存器应为“1”1”，即须先，即须先向对应的锁存器写向对应的锁存器写“1”1”2.6.2 P2口口（1）作为）作为一般一般I/O口口使用使用VCC读锁存器读锁存器地址地址控制控制C=0读引脚读引脚 写入写入内部总线内部总线T内部上拉电阻内部上拉电阻CPP2. X锁存锁存器器DQP2.x的引脚的引脚MUX图图2-13 P2口某一位的结构图口某一位的结构图C=0,即执行即执行MOV指令指令或或/EA1执行执行MOVC多路开关2.6.2 P2口口图图2-13 P2口某一位的结构图口某一位的结构图P2P2口输出地址信息口输出地址信息, ,此时单片机完成外部此时单片机完成

33、外部ROMROM取指操作或对外部取指操作或对外部RAMRAM1616位地址的读写操作。位地址的读写操作。C=1,即执行即执行MOVX指令指令或或/EA0执行执行MOVCVCC读锁存器读锁存器地址地址控制控制C=1读引脚读引脚 写入写入内部总线内部总线T内部上拉电阻内部上拉电阻CPP2. X锁存锁存器器DQP2.x的引脚的引脚MUX多路开关VCC读锁存器读锁存器地址地址控制控制读引脚读引脚 写入写入内部总线内部总线T内部上拉电阻内部上拉电阻CPP2. X锁存锁存器器DQP2.x的引脚的引脚MUXP2口和口和P1口位结构图对比口位结构图对比 VCC读锁存器读锁存器读引脚读引脚写入写入内部总线内部总线TQCPP1.X锁存器锁存器DP1.X的的引脚引脚Q内部上拉电阻内部上拉电阻2.6.3 P0口（口（P0.0P0.7）（1）VCC读锁存器读锁存器地址地址/数据数据 控制控制C=0读引脚读引脚写锁存器写锁存器内部总线内部总线MUXT2T1P0.X锁存器锁存器DP0.X引脚引脚QQCP1012&P0口作为口作为一般一般I/O口口使用使用34VCC读锁存器读锁存器地址地址/数据数据 控制控制C=1读引脚读引脚写锁存器写锁存器内部总