单片机原理及应用教育第2章

1、第 2 章 单片机的硬件结构和原理 第第2章章 MCS-51 单片机硬件结构单片机硬件结构 2.1 MCS-51 单片机总体结构单片机总体结构 2.2 MCS -51存储结构及位处理器存储结构及位处理器 2.3 MCS -51工作方式和时序工作方式和时序2.4 MCS-51 单片机的时序单片机的时序 2.5 习题习题第 2 章 单片机的硬件结构和原理 2.1 MCS-51 单片机总体结构单片机总体结构 单片机单片机 在一块芯片上在一块芯片上 集成了、集成了、 存储器、存储器、 I/OI/O接口，接口， 构成一个完整的微型计算机。构成一个完整的微型计算机。第 2 章 单片机的硬件结构和原理 2.

2、1.1 MCS-51总体结构框图及功能总体结构框图及功能图图2-1 8051 单片机内部基本结构框图单片机内部基本结构框图第 2 章 单片机的硬件结构和原理 MCS-51 系列单片机内部结构系列单片机内部结构 实验设备：实验设备：Atemel AT89C51 第 2 章 单片机的硬件结构和原理 1. CPU构成构成 控制器控制器 程序计数器程序计数器 PC 指令寄存器指令寄存器 IR 指令译码器指令译码器 ID 定时、控制电路定时、控制电路 ALU ACC （Accumulator） B PSW（Programe State Word） 第 2 章 单片机的硬件结构和原理 (2) 功能功能 控

3、制器控制器接受指令接受指令指令译码指令译码按时序发出指令功能所需的控制信号按时序发出指令功能所需的控制信号 ALU 二进制数算术、逻辑运算；二进制数算术、逻辑运算； 处理参数可以是处理参数可以是: 字字 字节字节 半字节半字节 位位 MOV DPTR，#1256HMOV A，R3SWAP ASETB RS0第 2 章 单片机的硬件结构和原理 ACC 累加器；累加器； 最活跃：最活跃： 加法、减法、逻辑运算、加法、减法、逻辑运算、 移位指令的目的操作数。移位指令的目的操作数。 访外指令。访外指令。 乘除指令。乘除指令。 通用通用寄存器寄存器B 用于乘、除运算；用于乘、除运算； 通用通用 加、减指

4、令唯一的目的操作数加、减指令唯一的目的操作数加、减指令唯一的目的操作数加、减指令唯一的目的操作数MOVX 指令唯一的片内操作数指令唯一的片内操作数第 2 章 单片机的硬件结构和原理 标志状态寄存器标志状态寄存器 PSW字节地址字节地址 D0HCyACF0RS1RS0OVF1P D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0D7HD6HD5HD4HD3HD2HD1HD0H 位位位地址位地址位名字位名字 F0 及及 F1 用户用户标志位：标志位：； 由用户设置；由用户设置； 作为用户自定义标志。作为用户自定义标志。第 2 章 单片机的硬件结构和原理 RS1RS0寄存器寄存器组组片内片内PAM地址地

5、址通用寄存器名称通用寄存器名称000 组组00H 07HR0 R7011 组组08H 0FHR0 R7102 组组10H 17HR0 R7013 组组18H 1FHR0 R7 RS1、RS0 当前寄存器组设置标志位当前寄存器组设置标志位表表2-2 RS1、 RS0 与工作寄存器组的对应关系与工作寄存器组的对应关系 P15第 2 章 单片机的硬件结构和原理 OV 溢出标志溢出标志 若若 OV=1，说明运算结果超出一个字长所，说明运算结果超出一个字长所 能表示的范围。能表示的范围。 CY 进位进位/借位标志借位标志 在进行加、减运算时：在进行加、减运算时： 若若 CY=1，说明运算结果的最高位，说

6、明运算结果的最高位 D7 有有 进位进位/借位。借位。 AC 辅助进位标志辅助进位标志 若若 AC=1，说明运算结果的低，说明运算结果的低4位向高位向高4位位 有进位（半进位）。有进位（半进位）。 用于用于 BCD 码调整指令。码调整指令。第 2 章 单片机的硬件结构和原理 提请注意：提请注意： P（PSW.0) 奇奇/偶标志偶标志 若若 ACC中的中的 1 的个数为的个数为”奇奇”数数, P=1 ACC中的中的 1 的个数为的个数为”偶偶”数数, P=0第 2 章 单片机的硬件结构和原理 2. RAM片内数据存储器。片内数据存储器。包括：包括： 随机存储器区随机存储器区 寄存器区寄存器区 S

7、FR 位寻址区位寻址区第 2 章 单片机的硬件结构和原理 3. ROM 片内程序存储器片内程序存储器 存放程序及常数存放程序及常数第 2 章 单片机的硬件结构和原理 4. 并行并行 I/O 口口 P0 P3 8 位并行位并行 I/O 接口接口 ； P0 P3 提供提供 CPU 访外（访外（ROM、RAM）时）时 的的 AB、DB 和和 CB ； P0 P3 口口 输出时，数据可以锁存；输出时，数据可以锁存； 输入时，具有缓冲功能。输入时，具有缓冲功能。 P0 P3 口口 可按字节可按字节 I/O； 也可以按位也可以按位 I/O。 P0 P3 口口 均为准双向均为准双向 I/O 口，写入时需先向

8、口，写入时需先向 其写其写 1 。第 2 章 单片机的硬件结构和原理 5. 定时器定时器/计数器计数器 基本功能是计数。基本功能是计数。 可对外部事件进行计数。可对外部事件进行计数。 对固定周期的脉冲计数可实现定时功能。对固定周期的脉冲计数可实现定时功能。 MCS-51 单片机内部含有两个单片机内部含有两个 16 位计数器。位计数器。第 2 章 单片机的硬件结构和原理 6. 中断系统中断系统 MCS-51 单片机有单片机有 5 个中断源。个中断源。 具有较强的中断处理能力。具有较强的中断处理能力。7. 串行接口串行接口全双工串行通信接口。全双工串行通信接口。8. 时钟电路时钟电路 OSC 产生

9、单片机内的基本时间单位。产生单片机内的基本时间单位。第 2 章 单片机的硬件结构和原理 2.1.2 MCS-51 引脚功能引脚功能 P0口口P3口口P2口口P1口口掉电方式掉电方式第 2 章 单片机的硬件结构和原理 1. 主电源引脚主电源引脚 VCC VSS 2. 时钟电路引脚时钟电路引脚 XTAL1 片内震荡器反向放大器的输入端；片内震荡器反向放大器的输入端； XTAL2 片内震荡器反向放大器的输出端。片内震荡器反向放大器的输出端。 （内部时钟发生器的输入端）。（内部时钟发生器的输入端）。第 2 章 单片机的硬件结构和原理 3. 控制引脚控制引脚 ALE / PROG 地址锁存允许地址锁存允

10、许/编程信号线编程信号线 ALE 锁存锁存 P0 口输出的低口输出的低 8 位地址信号位地址信号; 频率为频率为 1/6 震荡频率震荡频率; PROG 用于用于 8755 时时, 输入编程脉冲信号。输入编程脉冲信号。 PSEN 程序存储器选通信号。程序存储器选通信号。 EA / VPP EA 访问程序存储器控制信号。访问程序存储器控制信号。 EA=1，CPU从片内开始读取指令；从片内开始读取指令； EA=0，CPU从片外开始读取指令。从片外开始读取指令。 VPP 用于用于 8755 时时, 输入编程电压。输入编程电压。 RST / VPD RST 复位。（需要两个机器周期以上复位。（需要两个机

11、器周期以上 的高电平）。的高电平）。 VPD 后备电源输入端（掉电保护）。后备电源输入端（掉电保护）。第 2 章 单片机的硬件结构和原理 4. 并行并行 I/O 口口（1）各端口的共性）各端口的共性 4 个个 8 位双向、并行位双向、并行 I/O 接口；接口； 输入有缓冲作用，输出时，数据可以被锁存；输入有缓冲作用，输出时，数据可以被锁存； 每一条每一条 I/O 口口 线都能单独使用；线都能单独使用； 允许有三种工作方式：输入、输出、读允许有三种工作方式：输入、输出、读-修改修改-写。写。 输出时，输出时，P0 口可驱动口可驱动 8 个个LS TTL 负载，负载， 其余口只能驱动其余口只能驱动

12、 4 个个LS TTL 负载。负载。 复位后复位后 ，P0P3 各口线均为各口线均为 1 可直接读数。可直接读数。复位后复位后可写出数据可写出数据吗？吗？第 2 章 单片机的硬件结构和原理 （2）各端口的用途）各端口的用途 P0 口口 未加扩展时：通用并行未加扩展时：通用并行 I/O 口；口； 扩展系统中：作为数据扩展系统中：作为数据 / 低位地址分时复低位地址分时复 用线。用线。 P1 口口 8位准双向位准双向 I/O 口。口。 P2 口口 未加扩展时：通用并行未加扩展时：通用并行 I/O 口；口； 扩展系统中：作为高位地址线。扩展系统中：作为高位地址线。如何解决分时如何解决分时复用问题？复

13、用问题？第 2 章 单片机的硬件结构和原理 P3口口 未加扩展时：通用并行未加扩展时：通用并行 I/O 口；口； 扩展系统中：扩展系统中： 串行串行 I/O 口：口：TXD、 RXD 定时器输入：定时器输入：T1、T0 RAM、I/0 接口扩展时控制信号：接口扩展时控制信号：/RD、/WR 外部中断申请线：外部中断申请线：INT1、INT0第 2 章 单片机的硬件结构和原理 2.2 MCS 51存储结构及位处理器存储结构及位处理器 2.2.1 MCS 51存储器的特点存储器的特点 MCS-51 MCS-51 存储器的划分存储器的划分 :从物理结构上划分为从物理结构上划分为 4 个存储空间个存储

14、空间片内程序存储器片内程序存储器片外程序存储器片外程序存储器片内数据存储器片内数据存储器(1)片外数据存储器片外数据存储器第 2 章 单片机的硬件结构和原理 (2) 从使用的角度从使用的角度 划分为三个存储器地址空间。划分为三个存储器地址空间。 片内外统一编址的片内外统一编址的 64KB 程序存储器；程序存储器； 片内片内 256 B 数据存储器地址空间；数据存储器地址空间； 片外片外 64 KB 数据存储器地址空间；数据存储器地址空间； 用不同的指令访问不同的存储空间：用不同的指令访问不同的存储空间： 访问内部数据存储器用访问内部数据存储器用 MOVMOV 指令；指令； 访问外部数据存储器用

15、访问外部数据存储器用 MOVXMOVX 指令；指令； 访问程序存储器用访问程序存储器用 MOVC MOVC 指令指令。第 2 章 单片机的硬件结构和原理 图图2.4 MCS-51 存储结构存储结构 P30MOVCMOVMOVX第 2 章 单片机的硬件结构和原理 2.2.2 程序存储器程序存储器 程序存储器的内部地址为程序存储器的内部地址为 0000H 0FFFH, 共共 4 KB; 外部地址为外部地址为 1000H FFFFH, 共共 60 KB。 当程序计数器由内部当程序计数器由内部 0FFFH 执行到外部执行到外部 1000H 时时, 会自动跳转。会自动跳转。4. 8751 内部有内部有

16、4 KB 的的 EPROM; 8051 内部有内部有 4 KB的的 ROM; 8031 内部无程序存储器内部无程序存储器, 必须外接程序存储器；必须外接程序存储器； 最多可外扩最多可外扩 64 KB程序存储器。程序存储器。 条件：条件：/EA接接 +5V第 2 章 单片机的硬件结构和原理 5. 其中其中 6 个单元地址个单元地址, 保留给系统使用。保留给系统使用。 0000H 是系统的启动地址是系统的启动地址, 一般在该单元中存放一条绝对跳转指令。一般在该单元中存放一条绝对跳转指令。 0003H 000BH 0013H 001BH 0023H 对应对应 5 种中断源的中断服务入口地址。种中断源

17、的中断服务入口地址。第 2 章 单片机的硬件结构和原理 2.2.3 数据存储器数据存储器 MCS-51 单片机片内单片机片内 RAM 的配置如图的配置如图 2.5 所示所示片内片内RAM为为 256 字节字节, 地址范围为地址范围为00HFFH。分为两大部分分为两大部分: 低低 128 字节（字节（00H7FH）为）为RAM区区; 高高 128 字节（字节（80HFFH）为特殊功能寄存）为特殊功能寄存器区器区 SFR。 第 2 章 单片机的硬件结构和原理 P32RS1RS0=00RS1RS0=01RS1RS0=10RS1RS0=11第 2 章 单片机的硬件结构和原理 在低在低 128 字节字节

18、 RAM 中中 （1）00H 1FH 共共 32 单元是单元是 通用工作寄存器区。通用工作寄存器区。分为分为 4 个区：个区：0 区、区、1 区、区、2 区、区、3 区，区， 每一个区有每一个区有 8 个通用寄存器个通用寄存器 ：R0 R7。由程序员通过由程序员通过 RS1、RS0 的设置选用当前寄存器组。的设置选用当前寄存器组。每个寄存器对应一个内存地址。每个寄存器对应一个内存地址。复位时，指向复位时，指向 0 区。区。 （ R0 R7 依次对应内存地址：依次对应内存地址：00H 07H ）。）。第 2 章 单片机的硬件结构和原理 寄存器与寄存器与RAM 地址对照表地址对照表第 2 章 单片

19、机的硬件结构和原理 （2）20H 2FH 为位寻址区为位寻址区 位地址：位地址：00H 7FH 不作为寻址使用时也可以按字节寻址；不作为寻址使用时也可以按字节寻址；（3）30H 7FH 为用户为用户 RAM 区区 此区内只能按字节寻址；此区内只能按字节寻址； 堆栈可设置在此区域中；堆栈可设置在此区域中；堆栈可设在内存中未被设堆栈可设在内存中未被设为专用区的地方为专用区的地方第 2 章 单片机的硬件结构和原理 表表 2.6 RAM中的位寻址区地址表中的位寻址区地址表 P33 第 2 章 单片机的硬件结构和原理 2.2.4 专用寄存器区（专用寄存器区（SFR）表表 2.4 特殊功能寄存器（特殊功能

20、寄存器（SFR）地址）地址 P34 第 2 章 单片机的硬件结构和原理 表表 2.4 特殊功能寄存器（特殊功能寄存器（SFR）地址）地址 续续第 2 章 单片机的硬件结构和原理 表表 2.4 特殊功能寄存器（特殊功能寄存器（SFR）地址）地址 续续第 2 章 单片机的硬件结构和原理 2.2.5 位处理器位处理器 性能优越的位处理器性能优越的位处理器 ( 布尔处理机布尔处理机 ) ( 即即 CPU ) 有位寄存器有位寄存器; 有位累加器有位累加器 ( CY ); 有位存储器有位存储器 ( 可按位寻址区可按位寻址区) ( 20H 2FH ) 及及 地址可被地址可被 8 整除的专用寄存器中的位整除的

21、专用寄存器中的位; 以位为操作数的指令。以位为操作数的指令。单片机具有较强的位处理能力第 2 章 单片机的硬件结构和原理 2.3 MCS-51 工作方式和时序工作方式和时序工作方式含工作方式含: : 复位方式复位方式 程序执行方式程序执行方式 节电方式节电方式 EPROM EPROM 的编程及校验方式的编程及校验方式第 2 章 单片机的硬件结构和原理 2.3.1 复位方式复位方式（2） 应用程序必须以此作为设计前提。应用程序必须以此作为设计前提。 复位复位 （1）CPU 及其它功能部件处于一个及其它功能部件处于一个确确 定的初始状态。定的初始状态。第 2 章 单片机的硬件结构和原理 2. 复位

22、电路复位电路 上电复位电路上电复位电路 ( 图图 (a) ; 按键（手动）复位电路按键（手动）复位电路 (图图 (b)。 按键脉冲复位（图（按键脉冲复位（图（C）。）。图图2-7 复位电路复位电路 P36（c)都需要持续两个机器周都需要持续两个机器周期的高电平期的高电平第 2 章 单片机的硬件结构和原理 3. 什麽时候需要复位什麽时候需要复位?(1)(1)启动时启动时; ;运行过程中出现无法解决运行过程中出现无法解决 (2)(2) 的问题时。的问题时。第 2 章 单片机的硬件结构和原理 表表 2.5 复位后内部寄存器状态复位后内部寄存器状态 P264. 复位后内部寄存器状态复位后内部寄存器状态

23、 第 2 章 单片机的硬件结构和原理 2.3.2 程序执行工作方式程序执行工作方式 基本工作方式基本工作方式 1. 连续执行连续执行 被执行的程序在程序存储器被执行的程序在程序存储器(片内片内/片外中片外中) 启动时启动时(或复位后或复位后)从从0000H 开始执行程序开始执行程序 调试过程中使用调试过程中使用 2.单步执行单步执行 利用单片机外部中断功能实现。利用单片机外部中断功能实现。第 2 章 单片机的硬件结构和原理 2.3.3 节电工作方式节电工作方式 P38 减少单片机功耗的方式减少单片机功耗的方式 只有只有 CHMOS 型单片机才有的型单片机才有的 工作方式（工作方式（80C31

24、等）等） 两种方式：掉电方式两种方式：掉电方式 空闲方式空闲方式 由由 PCON PCON 控制控制; ; PD = PCON.1 =1 PD = PCON.1 =1 掉电方式掉电方式; ; IDL = PCON.0 =1 IDL = PCON.0 =1 空闲方式。空闲方式。550 A1.75 mA1120 mA第 2 章 单片机的硬件结构和原理 1.1.掉电方式掉电方式 当当 VCC 升至升至 5V，可重归正常工作方式。，可重归正常工作方式。 当当 VCC 降至降至 VPD 以下时以下时, 转为由转为由 VPD 供电。供电。 ( 以低功耗维持内部以低功耗维持内部 RAM 及及 SFR 的内容

25、不丢失的内容不丢失)。 应用：应用： 当检测到当检测到 VCC 接近接近 VPD 时，通过时，通过 INTX 申请中断。申请中断。 利用中断服务程序将重要数据保存到内部利用中断服务程序将重要数据保存到内部 RAM 中。中。 执行指令执行指令 MOV PCON，#02H，进入掉电工作方式。，进入掉电工作方式。（内部（内部 RAM 中的中的 00H7FH 单元内容被保留）单元内容被保留）第 2 章 单片机的硬件结构和原理 2.2.空闲方式空闲方式 有中断申请时有中断申请时，CPU 自动退出空闲方式自动退出空闲方式 执行执行 MOV PCON，#01H 指令后，指令后， 进入空闲工作方式：进入空闲工

26、作方式： CPU 停止工作停止工作； 中断、串口、定时中断、串口、定时/计数器可以继续工作；计数器可以继续工作； SFR 及内存中的数据不变；及内存中的数据不变； （如：（如：SP、PC、PSW、A） ALE、PSEN 为高电平；为高电平；第 2 章 单片机的硬件结构和原理 2.4 MCS-51 单片机的时序单片机的时序P39 外接震荡器通过内部反相放大器产生时钟外接震荡器通过内部反相放大器产生时钟 脉冲。脉冲。 时序时序 学习时序有助于理解指令的执行。学习时序有助于理解指令的执行。2.4.1 时钟时钟单片机内部有一个高增益反向放大器，通过外单片机内部有一个高增益反向放大器，通过外接晶体振荡器

27、及微调电容，构成稳定的自激振接晶体振荡器及微调电容，构成稳定的自激振荡器荡器 时钟电路时钟电路。第 2 章 单片机的硬件结构和原理 外接定时元件，内部电路自激振荡外接定时元件，内部电路自激振荡 外接振荡器频率外接振荡器频率 f OSC 为为 6 16MHz（a） 内部时钟电路内部时钟电路； 图图 2.8 单片机时钟电路单片机时钟电路（b） 外部振荡源外部振荡源 第 2 章 单片机的硬件结构和原理 1. 时钟周期、机器周期和指令周期时钟周期、机器周期和指令周期（1）时钟周期时钟周期（震荡周期）（震荡周期） 控制计算机的工作节奏控制计算机的工作节奏 时钟周期时钟周期 = 震荡频率的倒数（震荡频率的倒数（1/ fosc) （2）机器周期）机器周期 完成一个规定操作的时间完成一个规定操作的时间 每个机器周期每个机器周期 = 6 个个状态周期状态