第3章 MCS-51单片机硬件结构

1、课程主讲：曹一鹏办公地点：重点实验室中楼412室联系电话1章:微机原理概述第第2 2章章: :单片机概单片机概述述第3章: MCS-51单片机的硬件结构(*)第4章: MCS-51单片机指令系统(*)第5章: MCS-51单片机程序设计(*)第6章: MCS-51的定时器/计数器(*)第7章: MCS-51的中断系统(*)第8章: MCS-51的串行口(*)第9章: 系统扩展技术第10章: 模拟接口第11章: 人机交互接口课程内容233.1MCS-51的基本结构与应用模式3.2MCS-51的资源配置与引脚封装3.3MCS-51单片机的CPU3.4MCS-51的存储器组

2、织3.5MCS-51的并行口结构与操作3.6MCS-51的时钟电路与复位电路本章主要内容CPUROMRAM定时器/计数器并行接口串行接口中断系统T0T1时钟电路内部总线P0P1P2P3TXDRXDINT0INT1图 3 1 MCS-51单片机的基本结构1. 主电源引脚：VCC、VSS 2. 外接晶体引脚：XTAL1和XTAL2 XTAL1 接外部晶体的一个引脚。当采用外部时钟时，对于 HMOS单片机，该引脚接地；对CHMOS单片机，该引脚接外部时钟输入 。 XTAL2 接外部晶体的另一引脚。当采用外部时钟时，对于 HMOS单片机，该引脚接外部时钟输入 ；对CHMOS单片机，该引脚应悬浮 。3.

3、 RST/VPD：复位和备用电源引脚 振荡器运行时，该引脚出现两个机器周期的高电平将使单片机复位 。VCC掉电期间，该引脚可接上备用电源，以保持内部RAM的数据。5. PSEN：外部程序存储器读选通信号 6. EA/VPP：外部程序存储器使能/编程电源 当EA保持高电平时，访问内部程序存储器，但在PC值超过0FFFH（或其它内部程序存储器最高地址）时，将自动转向外部程序存储器 执行程序。 对于EPROM型单片机，在编程期间，该引脚用于施加编程电源。7. P0.0 - P0.7：P0口引脚 漏极开路双向I/O口。在访问外部存储器时，是分时复用的低8位地址和数据总线。负载能力：8个LS型TTL。4

4、. ALE/PROG：地址锁存/编程脉冲引脚 访问外部存储器时，ALE的输出用于锁存地址的低字节；对于EPROM型单片机，在编程期间，该引脚用于输入编程脉冲。8. P1.0 P1.7：P1口引脚带内部上拉电阻的双向I/O口。负载能力：4个LS型TTL。9. P2.0 P2.7：P2口引脚 带内部上拉电阻的双向I/O口。在访问外部存储器时，提供高8位地址总线。负载能力：4个LS型TTL。10. P3.0 P3.7：P3口引脚 带内部上拉电阻的双向I/O口。具有第二功能。负载能力：4个LS型TTL。CPUCPU的功能单元的功能单元运算器累加器ACC 寄存器BPSW 控制器程序计数器PC 指令寄存器

5、IR 定时与控制逻辑其他寄存器数据指针DPTR堆栈指针SP工作寄存器R0R7存储器分类程序存储器内部数据存储器特殊功能寄存器位地址空间外部数据存储器EA=1内部ROMEA=0外部ROM0000H1000H0FFFH0FFFFH程序存储器内部RAM特殊功能寄存器外部RAM(64K)0000H007FH0080H00FFH0000H0FFFFH数据存储器MCS-51单片机的存储器结构物理上分为：4个空间，即片内ROM、片外ROM 片内RAM、片外RAM逻辑上分为: 3个空间， 即程序内存（片内、外）统一编址 MOVC 数据存储器（片内） MOV 数据存储器（片外） MOVX3.4.1 程序存储器

6、作用：存放用户程序和表格常数 特殊单元 0000H：复位后从0000H开始执行程序， 一般在该地址存放一条绝对转移指令。 中断矢量单元：五个特殊单元用于存放五个 中断源的中断矢量。中断入口地址表 每个中断源有8字节的中断服务程序空间，如果中断程序不大于8字节，可在中断矢量处开始存放。若中断程序大于8字节，则可在此空间内安排一条跳转指令。中断源中断源入口地址入口地址外中断外中断0（INT0）0003H定时器定时器0（T0）000BH外中断外中断1（INT1）0013H定时器定时器1（T1）001BH串行口（串行口（UART）0023H程序存储器低端的几个特殊单元 3.4.2内部数据存储器通用寄存

7、器工作组位地址空间（直接或间接寻址） 高128个字节（只能间接寻址） 特殊功能寄存器（只能直接寻址）q 通用工作寄存器 内部数据存储器 001FH共32个单元是4组通用工作寄存器区。用户可通过改变PSW（程序状态字）中的RS1（PSW.4)和RS0 （PSW.3)来切换寄存器区，可实现快速现场保护。 0区：R0-00H，R1-01H； 1区 R0-08H，R1-09H 0 00 区区0007HRS1 RS0寄存器区寄存器区内存地址内存地址 0 11 区区080FH 1 02 区区1017H 1 13 区区181FHq 通用工作寄存器【例1】RS1 RS0 = 01时，R7的RAM地址为？ 0

8、00 区区0007HRS1 RS0寄存器区寄存器区内存地址内存地址 0 11 区区080FH 1 02 区区1017H 1 13 区区181FH【例2】当单片机复位时PSW H，这时当前的工作寄存器区是 区，R4所对应的存储单元地址为 H。q 位地址空间 MCS-51有功能强大的布尔处理机，适用于开关决策、逻辑仿真、实时控制。 其中位地址00H7FH 共128个处于内部RAM（20H2FH）中，其余83个分布于SFR中。q 外部数据存储器空间 MCS-51可以外扩64KB RAM或I/O口。外部RAM和I/O口统一编址q 特殊功能寄存器（SFR）SFR：具有特殊功能的RAM单元（状态和控制）地

9、址范围：80HFFH 共21个，离散分布，有11个可以位寻址。注意：不应访问未定义的RAM单元。q 特殊功能寄存器介绍1. 累加器ACC：存放操作数、运算结果2. B寄存器：乘除法指令中使用，亦可作为通用RAM单元。3. 程序状态字（PSW）：D7D6D5D4D3D2D1D0CYACF0RS1RS0OV-PCY（PSW.7）：进位标志，可被硬件、软件清零或置位。AC（PSW.6）：辅助进位标志，低4位有进位或借位时置位。F0（PSW.5）：用户定义的状态标志，用软件清零或置位。RS1 RS0（PSW.4 PSW.3）：寄存器区控制位。OV（PSW.2）：溢出标志，执行加减指令产生溢出时置位。P

10、（PSW.2）：奇偶标志，ACC中值为1的位数为奇数时置位。q 特殊功能寄存器介绍4. 堆栈指针SP：指示栈顶在内部RAM中的位置。 系统复位后SP被初始化为07H，堆栈 实际从08H开始（注意寄存器区的位置）5. 数据指针DPTR：存放16位数据地址（访问外部RAM或P） 可分为DPH和DPL单独操作，可作通用RAM单元6. 端口P0P3：I/O端口锁存器7. 其它SFR：在有关章节介绍 SBUF、SCON、TH0、TL0、TH1、TL1 IP、IE、TMOD、TCON、PCON片内RAM详图 寄存器及其存储器映射如下图： MCS-51单片机有4个双向8位I/O口，每个口都包含一个输出锁存器

11、（即专用寄存器P0P3）、一个输出驱动器和一个输入缓冲器。 访问外部存储器时，地址由P0和P2口送出，数据通过P0口传送，此时P0口是分时复用的双向总线。不使用外部存储器时，可作为准双向口使用。3.5.1 P0口P0口：地址/数据复用口QQDCP写入写入内部总线内部总线读锁存器读锁存器读引脚读引脚x . 0PCCV数据数据地址地址/控制控制锁存器锁存器MUX&G1G2P0口：地址/数据复用口QQDCP写入写入内部总线内部总线读锁存器读锁存器读引脚读引脚x . 0PCCV数据数据地址地址/控制控制锁存器锁存器MUX&P0口用作地址/数据总线G1G21CPU执行输出指令1 0CPU

12、执行输入指令地址信息地址信息0FFH10P0口：地址/数据复用口QQDCP写入写入内部总线内部总线读锁存器读锁存器读引脚读引脚x . 0PCCV数据数据地址地址/控制控制锁存器锁存器MUX&G1G2P0口用作通用I/O口0P0作输出口01010漏极开路1P0作输入口方式1（读锁存器） Q G2 D 内部总线,2）写（片内数据 端口）数据 锁存 MUX P0.x 方式2（读引脚）：P0.x G1 D 内部总线。1）读（端口外数据 内部寄存器）通用I/O口适于“读修改写”作为通用I / O使用， 是一个准双向口：“在输入数据时应先把口置1，使两个FET都截止，引脚处于悬浮状态，可作高阻抗输

13、入”4)负载能力可带8个TTL输入，驱动NMOS时，接上拉电阻。3）地址/数据总线口控制MUX写：地址/数据为1，P0 x 高 地址/数据为0，P0 x 低读：经缓冲器G1读入 （1）P0口可作通用I / O口使用，又可作地址/数据总线口；（2）P0既可按字节寻址，又可按位寻址；（3）P0作为输入口使用时：是准双向口；（4）作通用I / O 口输出时：是开漏输出；（5）作地址/数据总线口时，P0是一真正双向口，而作通用I / O口时，只是一个准双向口。 总结特点：3.5.2 P1口P1口的 位结构QQDCP写入写入内部总线内部总线读锁存器读锁存器读引脚读引脚xP. 1锁存器锁存器G1G2011

14、0CCV内部上拉电阻A只能作I / O口用，且是一个准双向口。内部已有上拉电阻，不是开漏输出口。特点：（1）无地址/数据口功能（2）可按字节寻址，也可按位寻址（3）作I / O输入口时：是一准双向口，不是开漏输出。 3.5.3 P2口P2口的位结构QQDCP写入写入内部总线内部总线读锁存器读锁存器读引脚读引脚地址控制控制锁存器锁存器MUXG1G2xP. 2CCV拉电阻内部上A11010010P2口的位结构QQDCP写入写入内部总线内部总线读锁存器读锁存器读引脚读引脚地址控制控制锁存器锁存器MUXG1G2xP. 2CCV拉电阻内部上A11010010P2口用作地址P2口用作I/OP2口的位结构Q

15、QDCP写入写入内部总线内部总线读锁存器读锁存器读引脚读引脚地址控制控制锁存器锁存器MUXG1G2xP. 2CCV拉电阻内部上A01CPU执行输出指令1010010CPU执行输入指令FFH10（1）当P2口作为通用I / O时，是一准双向口。（2）从P2口输入数据时，先向锁存器写“1”。（3）可位寻址，也可按字节寻址。（4）可输出地址高8位。 P2口的特点：3.5.4 P3口P3口的 位结构QQDCP写入写入内部总线内部总线读锁存器读锁存器读引脚读引脚xP. 3锁存器锁存器G1G2CCV内部上拉电阻A第二输出功能第二输入功能FFHP3口用作通用I/O口P3口的 位结构QQDCP写入写入内部总线

16、内部总线读锁存器读锁存器读引脚读引脚xP. 3锁存器锁存器G1G2CCV内部上拉电阻A第二输出功能第二输入功能111010010CPU执行输出指令CPU执行输入指令FFH10P3口用作第二功能引脚P3口的 位结构QQDCP写入写入内部总线内部总线读锁存器读锁存器读引脚读引脚xP. 3锁存器锁存器G1G2CCV内部上拉电阻A第二输出功能第二输入功能1101010第二功能输出引脚第二功能输入引脚110110（1）作通用I / O时，“选择输出功能”应保持高电平。（2）工作于第二功能时，该位锁存器应置1。（3）作输入口时，输出锁存器和选择输出功能端都应置1。（4）第二功能专用输入，取自输入通道第一缓

17、冲器G1）输出端，通用输入信号取自“读引脚”。 P3口的特点：3.5.5 P3口的第二功能表I/O口第二功能说 明P3.0RXD串行口数据接收端P3.1TXD串行口数据发送端P3.2INT0外部中断请求0P3.3INT1外部中断请求1P3.4T0定时器/计数器0P3.5T1定时器/计数器1P3.6WR外部RAM写信号P3.7RD外部RAM读信号 3.6.1时钟产生方式计算机工作时，是在统一的时钟脉冲控制下一拍一拍地进行的。这个脉冲是由单片机控制器中的时序电路发出的。内部时钟方式外部时钟方式单片机的时序就是 CPU 在执行指令时所需控制信号的时间顺序，为了保证各部件间的同步工作，单片机内部电路应

18、在唯一的时钟信号下严格地控时序进行工作。8051的时钟信号 8051的典型时序 单字节指令 双字节指令 单周期指令双周期指令访问外部RAM的双周期指令时序 复位可使单片机或系统部件处于确定的初始状态。 复位电路 上电复位电路 按键与上电复位 3.6.2 8051单片机的复位 单片机复位后的状态 PC = 0000H RAM：随机值（运行中复位不改变RAM内容 ） SFR： P0P3=FFH SP=07H IP、IE和PCON：有效位为0 PSW=00H 单片机复位后的状态特殊功能寄存器特殊功能寄存器 初始值初始值特殊功能寄存器特殊功能寄存器初始值初始值ACC00HTCON00HB00HTMOD00HPSW00HTL000HSP07HTH000HDPTR0000HTL100HP0P3FFHTH100HPCON 0XXX 0000BT2CON00HAUXRXXX0 0XX0BT2MODXXXX XX00BAUXR1XXXX XXX0BRCAP2L00HIE0X00 0000BRCAP2H00HIPXX00 0000BTL200HSCON00HTH200HSBUFXXXX XXXXXBWDTRSTXXXX XXXXB 单片机复位后的状态复位电路的作用