第2章-单片机硬件结构和原理

1、第第2 2章章 单片机的硬件结构与组成单片机的硬件结构与组成 本章内容本章内容p2.1 MCS-512.1 MCS-51单片机的内部结构单片机的内部结构 p2.2 MCS-512.2 MCS-51单片机的引脚及功能单片机的引脚及功能 p2.3 MCS-512.3 MCS-51单片机的存储器配置单片机的存储器配置p2.4 2.4 振荡器与时钟电路及振荡器与时钟电路及CPUCPU时序时序p2.5 2.5 并行并行I/OI/O端口端口p2.6 MCS-512.6 MCS-51单片机基本工作系统的组成单片机基本工作系统的组成2.1 MCS-512.1 MCS-51单片机的内部结构单片机的内部结构 80

2、518051单片机内部总体结构单片机内部总体结构数据存储器数据存储器程序存储器程序存储器特殊功能特殊功能寄存器寄存器微处理微处理器器CPUI/O口口串行口、中断系统、串行口、中断系统、定时定时/计数器计数器MCS-51MCS-51单片机内部的基本结构框图单片机内部的基本结构框图 TXD中断控制中断控制CPU(8位位)时钟时钟ROM(4KB)片外地址总线扩展片外地址总线扩展控制器控制器(64KB)RAM(128B)定时器定时器/计数器计数器T0和和T1串行口串行口I/O接口接口P0 P1 P2 P3RXD中断输入中断输入MCS-51MCS-51硬件硬件基本配置基本配置p8 8位位CPUCPU，片

3、内，片内振荡器振荡器p4KB/8KB/8KB字节程序存储器字节程序存储器ROMROMp128B128B/256B/256B字节数据存储器字节数据存储器RAMRAMp2 2/3/3个个1616位定时器位定时器/ /计数器计数器p3232个可编程的个可编程的I/OI/O线（四个线（四个8 8位并行位并行I/OI/O端口）端口）p一个可编程一个可编程全双工全双工串行口串行口p5 5/6/6个中断源，两个中断优先级个中断源，两个中断优先级p可寻址可寻址64KB64KB外部数据存储器空间、外部数据存储器空间、64KB64KB外部程序存储器空外部程序存储器空间的控制电路间的控制电路p有有位寻址位寻址功能，

4、适于布尔处理机的位处理机功能，适于布尔处理机的位处理机核内=片内2.1.1中央处理器中央处理器p中央处理器中央处理器(CPU)(CPU)是整个单片机的是整个单片机的核心部件核心部件，是，是8 8位数据宽度的处理器，能处理位数据宽度的处理器，能处理8 8位位二进制数据或代二进制数据或代码。码。p作用：作用：控制、指挥和调度整个单元系统协调工作，控制、指挥和调度整个单元系统协调工作，完成运算和控制输完成运算和控制输 入入/ /输出功能等操作。输出功能等操作。p它由它由运算器、控制器及位处理器运算器、控制器及位处理器( (布尔处理器布尔处理器) )等等组成组成。2.1.1中央处理器中央处理器1.1.

5、运算器运算器 主要对操作数进行算术、逻辑运算和位操作。主要对操作数进行算术、逻辑运算和位操作。p组成组成：算术算术/ /逻辑单元逻辑单元(ALU)(ALU)、累加器、累加器(ACC)(ACC)、寄存器、寄存器(B)(B)、暂存器暂存器(TEMP)(TEMP)及程序状态寄存器及程序状态寄存器(PSW)(PSW)等。等。pALUALU: :进行算术运算和逻辑运算。可以对单字节、半字节进行算术运算和逻辑运算。可以对单字节、半字节(4(4位位) )等数据进行操作。如能完成加、减、乘、除、加等数据进行操作。如能完成加、减、乘、除、加“1”1”、减、减“1”1”、BCDBCD码十进制调整、码十进制调整、

6、比较等算术运算，比较等算术运算，还能实现与、或、异或、取反、左右循环等逻辑操作。还能实现与、或、异或、取反、左右循环等逻辑操作。pA ACCCC累加器累加器: :具有具有特殊用途的特殊用途的二进制二进制8 8位位寄存器寄存器，专门用专门用来存放来存放操作数操作数或或运算运算结果结果。 ALU ALU的运算结果存入的运算结果存入ACCACC常作为数据传送的常作为数据传送的中转站。中转站。2.1.1中央处理器中央处理器p寄存器B:8位的寄存器，在乘、除运算时，用来存放操作数，同时存放运算后的一部分结果；不进行乘、除运算时，则可作为通用寄存器使用。思考：什么是操作数？思考：什么是操作数？pPSWPS

7、W：8位程序状态字寄存器，用于指示指令程序状态字寄存器，用于指示指令执行后的执行后的状态信息状态信息，供程序查询和判别。，供程序查询和判别。通常一条指令均包含通常一条指令均包含操作符操作符和和操作数操作数。例如：在例如：在加法指令加法指令中中操作符操作符指定计算机做指定计算机做加法加法操作，操作，操作数操作数则指定进行相加的则指定进行相加的两个数值两个数值。 2.1.1中央处理器中央处理器pPSWPSW用来存放用来存放两类两类信息：信息：p一类是体现当前指令执行结果的各种一类是体现当前指令执行结果的各种状态信息状态信息，如有无进位（如有无进位（CYCY位），有无溢出（位），有无溢出（OVOV位

8、），结果位），结果正负（正负（SFSF位），结果是否为零（位），结果是否为零（ZFZF位），奇偶标位），奇偶标志位（志位（P P位）等；位）等；p另一类是存放另一类是存放控制信息控制信息，如允许中断，如允许中断(IF(IF位位) )，跟，跟踪标志（踪标志（TFTF位）等。位）等。运算器工作原理：运算器工作原理： 进行进行算术运算和逻辑运算算术运算和逻辑运算后，将后，将操作操作结果结果一般一般存放在累加器存放在累加器(A)(A)中，结果的中，结果的状态状态信息在程序状态信息在程序状态寄存器寄存器(PSW)(PSW)中呈现出来。中呈现出来。p2.2.控制器控制器p控制器是控制单片机工作的控制器是控

9、制单片机工作的神经中枢神经中枢，p组成组成：程序计数器程序计数器(PC)(PC)、指令寄存器指令寄存器(IR(IR) )、指令指令 译码器译码器(ID)(ID)、数据指针数据指针(DPTR)(DPTR)、堆栈指针堆栈指针(SP)(SP)、RAMRAM地地 址寄存器、时钟发生器、定时控制逻辑等。址寄存器、时钟发生器、定时控制逻辑等。p程序计数器程序计数器PC:PC:1616位，由两个位，由两个8 8位的计数器（位的计数器（PCHPCH和和PCLPCL）组成。组成。 PCPC存储将要执行的下一条指令的地址。存储将要执行的下一条指令的地址。改变改变PCPC的内容，就可改变程序执行的方向。的内容，就可

10、改变程序执行的方向。pIRIR：指令寄存器指令寄存器，IDID: :指令译码器指令译码器p80518051内有内有振荡器振荡器OSCOSC，通过，通过XTAL1XTAL1、 XTAL2XTAL2外接一个晶外接一个晶振和两个匹配电容振和两个匹配电容，用于产生整个单片机运行的脉冲用于产生整个单片机运行的脉冲时序，最高频率达时序，最高频率达12MHz12MHz。p工作原理：工作原理：控制器以控制器以主振频率主振频率为基准，发出为基准，发出CPUCPU的的控制时序，从控制时序，从程序存储器程序存储器取出指令，放在取出指令，放在指令寄指令寄存器存器，然后对指令进行，然后对指令进行译码译码，并通过定时和控

11、制，并通过定时和控制逻辑电路，在规定的时刻发出一定序列的微操作逻辑电路，在规定的时刻发出一定序列的微操作控制信号，协调控制信号，协调CPUCPU各部分的工作，以完成指令所各部分的工作，以完成指令所规定的操作。其中一些控制信号通过芯片的引脚规定的操作。其中一些控制信号通过芯片的引脚送到片外，控制扩展芯片的工作。送到片外，控制扩展芯片的工作。 p3.3.位处理器位处理器pMCS-51MCS-51的的CPUCPU内有一个内有一个1 1位位处理器子系统，它相当处理器子系统，它相当于一个完整的位单片机，但每次处理的数据只有于一个完整的位单片机，但每次处理的数据只有1 1位位。p它有自己累加器它有自己累加

12、器(CY)(CY)，数据存储器数据存储器( (可位寻址空可位寻址空间间) )。它能完成逻辑。它能完成逻辑 与、或、非、异或等各种逻与、或、非、异或等各种逻辑运算。辑运算。p用于逻辑电路的仿真、开关量的控制及设置状态用于逻辑电路的仿真、开关量的控制及设置状态标志位非常有效。标志位非常有效。 CPU CPU p核心部件（核心部件（8 8位数据宽度）位数据宽度）n控制、指挥和调度、运算和控制输入输出控制、指挥和调度、运算和控制输入输出n组成组成p运算器运算器ALUALU、累加器、累加器A A、寄存器、寄存器B B、暂存器、暂存器、PSWPSW等等p控制器控制器PCPC、IRIR、IDID、DPTRD

13、PTR、SPSP、RAMRAM地址寄存器、地址寄存器、时钟发生器、定时控制逻辑等时钟发生器、定时控制逻辑等p位处理器（布尔处理器）位处理器（布尔处理器）每次处理每次处理一位一位数据数据2.1.2存储器存储器pMCS-51MCS-51系列单片机的系列单片机的存储器存储器包括：数据存储器包括：数据存储器(RAM)(RAM)和程序存储器和程序存储器(ROM)(ROM)两部分。两部分。p数据存储器数据存储器(RAM)(RAM)5151片内有片内有128128个个8 8位位用户读写数据存储单元和用户读写数据存储单元和2121个个特特殊功能寄存器殊功能寄存器。读写数据存储器读写数据存储器是通用存储器，用于

14、存放运算中间结是通用存储器，用于存放运算中间结果或临时数据等。果或临时数据等。特殊功能寄存器特殊功能寄存器是是CPUCPU运行和片内功能模块专用的寄运行和片内功能模块专用的寄存器。如累加器存器。如累加器(A)(A)，定时定时/ /计数器等。计数器等。注意：注意：SFRSFR一般不能作为通用数据存储器使用。一般不能作为通用数据存储器使用。当片当片内数据存储器不够使用时，可扩展片外内数据存储器不够使用时，可扩展片外RAMRAM。MCS-51MCS-51对外有对外有64KB64KB数据存储器的寻址能力。数据存储器的寻址能力。2.1.2存储器存储器p程序存储器程序存储器(ROM)(ROM)5151有有

15、4KB(1KB=1024B)4KB(1KB=1024B)的的掩膜掩膜ROMROM，用于存放用户，用于存放用户程序和常数程序和常数( (如原始数据或表格如原始数据或表格) )等。等。当需要扩展片外当需要扩展片外ROMROM时，时，MCS-51MCS-51对片外有对片外有64KB64KB程序程序存储器存储器的寻址能力。的寻址能力。pROMROM片内片内0000H-0FFFH0000H-0FFFH（4KB4KB）片外片外0000H-FFFFH 0000H-FFFFH （64KB64KB）pRAMRAM片内片内00H-FFH 00H-FFH （128B128B）片外片外0000H-FFFFH 0000

16、H-FFFFH （64KB64KB）2.1.3接口电路接口电路pMCS-51MCS-51单片机有单片机有4 4个个8 8位宽度的并行输入位宽度的并行输入/ /输出输出(I/O)(I/O)端口，分别称端口，分别称P0P0口、口、P1P1口、口、P2P2口和口和P3P3口口，I/OI/O线共线共3232根。单片机根。单片机输出输出的控制信号和采集外部的的控制信号和采集外部的输入输入信号，都是通过这信号，都是通过这3232根根I/OI/O线进行传输的。线进行传输的。2.1.4 全双工全双工 串行口串行口 （1个）个）p主要用来进行主要用来进行双机双机通讯时，数据的收发通讯时，数据的收发。p全双工是通

17、讯传输的一个术语，全双工是通讯传输的一个术语，全双工全双工指在指在发送数据的同时也能够接收数据，两者同步进行发送数据的同时也能够接收数据，两者同步进行。如，打电话如，打电话2.1.5 定时器定时器/计数器计数器 （2个）个） p定时器定时器：可产生一个时间长度的定时，如：可产生一个时间长度的定时，如1ms1ms；p计数器计数器：如记录脉冲个数：如记录脉冲个数p串行通讯串行通讯时，间隔一定时间接收时，间隔一定时间接收/ /发送数据发送数据p5151单片机通过定时单片机通过定时/ /计数器和串行口配合，完成串计数器和串行口配合，完成串行数据的发送行数据的发送/ /接收接收2.1.6 中断系统（中断

18、系统（5个中断源，个中断源，2个中断优先级）个中断优先级） p对对突发事件突发事件做出及时响应做出及时响应p根据事件的根据事件的重要性重要性，进行优先级排序，先处理优，进行优先级排序，先处理优先级别高的（即重要的）事件，再处理优先级别先级别高的（即重要的）事件，再处理优先级别低的。低的。2.1.7 特殊功能寄存器特殊功能寄存器 SFR p存储的是存储的是8 8位二进制数，隐含着位二进制数，隐含着控制信息控制信息p主要用于对片内各功能模块进行主要用于对片内各功能模块进行管理、控制、监视管理、控制、监视p是一个具有是一个具有特殊功能的特殊功能的RAMRAM区区，即一个数据存储器，即一个数据存储器，

19、掉电后所存储的内容丢失。掉电后所存储的内容丢失。总结总结2.2 MCS-512.2 MCS-51单片机的引脚及功能单片机的引脚及功能 标准的标准的4040脚脚DIPDIP封装封装p1. 1. 电源电源2 2个个p2. 2. 外接晶体振荡器外接晶体振荡器2 2个个p3. I/O3. I/O引脚引脚3232个个p4. 4. 控制信号引脚控制信号引脚4 4个个2.2.1 2.2.1 主电源引脚主电源引脚pVccVcc：主电源正端，接：主电源正端，接5V5V电源（低功耗的为电源（低功耗的为+3.3V/2.7V+3.3V/2.7V）pVssVss：主电源负端，接：主电源负端，接地地2.2.2 2.2.2

20、 外接晶体振荡器引脚外接晶体振荡器引脚pXTAL1XTAL1：芯片内部振荡电路反：芯片内部振荡电路反相放大器的输入端相放大器的输入端；若使用；若使用外部输入时钟，则接地。外部输入时钟，则接地。pXTAL2XTAL2：芯片内部振荡电路反：芯片内部振荡电路反相放大器的输出端相放大器的输出端；若使用；若使用外部输入时钟，则接外部输外部输入时钟，则接外部输入时钟的输出端。入时钟的输出端。p振荡频率为晶振频率（振荡频率为晶振频率（1.21.212MHz12MHz），另外需两个），另外需两个30pF30pF左左右的电容以微调频率右的电容以微调频率2.2.3. 2.2.3. 控制信号引脚控制信号引脚4 4个

21、个 RST/Vpd(9 RST/Vpd(9脚）脚）: :复位输入信复位输入信号端，高电平有效。号端，高电平有效。 当振荡器运行时，在此引当振荡器运行时，在此引脚输入脚输入最少两个机器周期最少两个机器周期以上的以上的高电平，将使单片机复位。高电平，将使单片机复位。复位复位后单片机将从程序计数器后单片机将从程序计数器PC=0000HPC=0000H地址开始执行程序地址开始执行程序。 对对HMOSHMOS工艺的单片机此引工艺的单片机此引脚还有备用电源脚还有备用电源VpdVpd功能。该引功能。该引脚接上备用电源，在脚接上备用电源，在VccVcc掉电期掉电期间。可以间。可以保持片内保持片内RAMRAM的

22、数据不的数据不丢失的丢失的。单片机时钟周期、机器周期单片机时钟周期、机器周期 p时钟周期时钟周期是是计算机中计算机中最基本，最小最基本，最小的时间单位。的时间单位。p一个一个时钟周期时钟周期定义为一个定义为一个节拍节拍P P。p一个一个时钟周期时钟周期内，内，CPUCPU仅完成一个仅完成一个最基本的操作最基本的操作。p若时钟晶振的若时钟晶振的振荡频率振荡频率为为foscfosc，则，则时钟周期时钟周期Tosc=1/foscTosc=1/fosc。（即为振荡频率的倒数）。（即为振荡频率的倒数） p如：晶振频率为如：晶振频率为12MHZ12MHZ，则时钟周期，则时钟周期Tosc=1/12usTos

23、c=1/12us。p计算机中，常把一条指令的执行过程分为若干个阶段，计算机中，常把一条指令的执行过程分为若干个阶段，每一阶段完成一项工作，完成一个每一阶段完成一项工作，完成一个基本操作基本操作所需时间所需时间为为机器周期。机器周期。2.2.3. 2.2.3. 控制信号引脚控制信号引脚4 4个个ALE/PROGALE/PROG* *(30(30脚脚) )：地址锁存地址锁存允许允许/ /片片内内ROMROM编程脉冲端编程脉冲端 存取片外存储器时，用于锁存低存取片外存储器时，用于锁存低8 8位地址。位地址。当当P0P0口出现的是地址信息时，口出现的是地址信息时，ALEALE端发出下降沿，通过锁存器，

24、锁存端发出下降沿，通过锁存器，锁存地址信息。地址信息。 PROGPROG* *是对于是对于EPROMEPROM型单片机，型单片机， 在在EPROMEPROM编程期间，此引脚用于输入编编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。程脉冲。 2.2.3. 2.2.3. 控制信号引脚控制信号引脚4 4个个/PSEN/PSEN（2929脚）脚）: :外部程序存储器外部程序存储器允许输出信号端允许输出信号端；它是片外程；它是片外程序存储器的序存储器的读读选通信号。选通信号。 区分是访问外部区分是访问外部程序程序存储存储器还是外部器还是外部数据数据存储器。存储器。 MOVC MOVC 从外部从外部ROMROM读数据读

25、数据MOVX MOVX 从外部从外部RAMRAM读数据读数据 2.2.3. 2.2.3. 控制信号引脚控制信号引脚4 4个个p/EA/VPP/EA/VPP（3131脚）：脚）：外部程序外部程序存储器地址允许输入端存储器地址允许输入端/ /编程编程电源输入端；电源输入端；nEA=1:EA=1:先先访问访问片内片内程序存程序存储器再片外储器再片外; ;nEA=0EA=0: :只只访问访问片外片外程序存程序存储器；储器；nVppVpp，用于施加编程电压，用于施加编程电压pEAEA* */Vpp(31/Vpp(31脚脚) )：片内程序存储器屏蔽片内程序存储器屏蔽控制端，低控制端，低电平有效。电平有效。

26、p当当EAEA* *端保持端保持低电平低电平时。将屏蔽片内的程序存储器，时。将屏蔽片内的程序存储器，只只访问访问片外片外程序存储器。程序存储器。p当当EAEA* *保持保持高电平高电平时，执行时，执行( (访问访问) )片内片内程序存储器，程序存储器，但在但在PCPC( (程序计数器程序计数器) )值超过值超过0FFFH0FFFH( (对对5151子系列子系列) )或或1FFFH1FFFH( (对对5252子系列子系列) )时，将自动转向执行时，将自动转向执行片外片外程序程序存储器内的程序。存储器内的程序。2.2.3. 2.2.3. 控制信号引脚控制信号引脚4 4个个pP0P0口口n作普通作普

27、通I/OI/Op8 8位准双向位准双向I/OI/Op输入输入时，时，先写先写“1 1”n访问片外访问片外RAMRAM或或ROMROMp标准的双向标准的双向I/OI/O接口接口p分时复用分时复用，作，作低低8 8位位地址地址线线和和8 8位双向位双向数据总线数据总线2.2.4 I/O2.2.4 I/O引脚引脚MCS-51MCS-51可寻址可寻址64KB64KB外部外部数据数据存储器空间存储器空间64KB64KB外部外部程序程序存储器空间存储器空间pP0P0口根据使用情况，有口根据使用情况，有两种工作方式两种工作方式。p一是作为一是作为普通普通I/OI/O端口端口使用时，它是一种漏极开路使用时，它

28、是一种漏极开路的的8 8位准双向位准双向I/O I/O 口口，每一位可驱动，每一位可驱动8 8个个LSTTLLSTTL负载负载。当当P0P0口作为普通输入接口时，应先向口锁存器写口作为普通输入接口时，应先向口锁存器写“1”1”。p二是在访问片外存储器二是在访问片外存储器( (扩展扩展RAMRAM或或ROM)ROM)时，它是时，它是标标准的双向准的双向I/OI/O接口接口。分时复用分时复用作为低作为低8 8位地址线和位地址线和8 8位双向数据总线使用。位双向数据总线使用。pP2P2口口n作普通作普通I/OI/Op8 8位准双向位准双向I/OI/O接口接口p输入时，先写输入时，先写“1 1”n扩展

29、片外扩展片外RAMRAM或或ROMROMp作作高高8 8位位地址线地址线p单向单向接口接口MCS-51MCS-51可寻址可寻址64KB64KB外部外部数据数据存储器空间存储器空间64KB64KB外部外部程序程序存储器空间存储器空间pP2 P2 口口(P2.0(P2.0P2.7P2.7，2121脚脚2828脚脚) )，P2P2口也有口也有两两种工作方式种工作方式，p一是作为一是作为普通普通I/OI/O口口使用时，它是自带上拉电阻的使用时，它是自带上拉电阻的8 8位准双向位准双向I/OI/O接口接口，每一位可驱动，每一位可驱动4 4个个LSTTLLSTTL负载。负载。当当P2 P2 口作为输入接口

30、时，应先向口锁存器写口作为输入接口时，应先向口锁存器写“1”1”。p二是在二是在访问片外存储器时访问片外存储器时( (扩展扩展RAMRAM或或ROM)ROM)时，时，P2 P2 口作为口作为高高8 8位地址线位地址线使用。使用。2.2.4 I/O2.2.4 I/O引脚引脚pP1P1口口n仅用作仅用作I/OI/On8 8位准双向位准双向I/OI/O接口接口n输入输入时，先时，先写写“1 1”pP1 P1 口口(P1.0(P1.0P1.7P1.7，1 1脚脚8 8脚脚) )，P1P1口口仅作为仅作为I/O I/O 口使口使用用，它也是自带上拉电阻的，它也是自带上拉电阻的8 8位准双向位准双向I/O

31、I/O端口，每一位端口，每一位可驱动可驱动4 4个个LSTTLLSTTL负载。负载。p当当P1 P1 口作为输入接口时，口作为输入接口时，应先向口锁存器写应先向口锁存器写“1”1”。2.2.4 I/O2.2.4 I/O引脚引脚pP3P3口口n双功能复用口双功能复用口n8 8位准双向位准双向I/OI/O接口接口n输入时，先写输入时，先写“1 1”n每个引脚有第二功能（多每个引脚有第二功能（多使用第二功能）使用第二功能）2.2.4 I/O2.2.4 I/O引脚引脚p也是自带上拉电阻的也是自带上拉电阻的8 8位位准双向准双向I/OI/O接口接口，每一位，每一位可驱动可驱动4 4个个LSTTLLSTT

32、L负载。负载。pP3 P3 口除了作为一般准双口除了作为一般准双向向I/OI/O接口使用外，每个接口使用外，每个引脚还有引脚还有第二功能第二功能，如表，如表所示。所示。pMCS-51MCS-51配有配有n2/32/3个个1616位定时器位定时器/ /计数器计数器n一个可编程全双工串行口一个可编程全双工串行口n5/65/6个中断源，两个中断优先级个中断源，两个中断优先级总结总结pP0P0和和P2P2口口，两种工作方式：，两种工作方式： 1 1）普通）普通I/OI/O口，口， 2 2）在单片机访问外部存储器时，）在单片机访问外部存储器时，P2P2口口仅仅提供高提供高8 8位地址；位地址；P0P0口

33、口分时复用分时复用，某时提供低，某时提供低8 8位地址，某时作为双向数据总线。位地址，某时作为双向数据总线。pP1P1口口仅仅作普通作普通I/OI/O口使用；口使用；pP3P3口口双功能复用口双功能复用口： 1 1）普通）普通I/OI/O口，口， 2 2）8 8条口线，对应不同功能。条口线，对应不同功能。p注意：注意： 1 1）四个端口，作为普通）四个端口，作为普通I/OI/O口时，如果作口时，如果作输入端输入端，需先给端口，需先给端口高电平。（准双向口）高电平。（准双向口） 2 2）仿真系统一般不支持）仿真系统一般不支持P0P0、P2P2、P3.6P3.6和和P3.7P3.7做普通的做普通的

34、I/OI/O口。口。引脚总图引脚总图三总线三总线锁存器锁存器GP270P070ALEP170P370P1：通用通用I/O接口接口P3：通用通用I/O接口或第接口或第二功能二功能A15A8A7A0D7D0地地址址总总线线AB数数据据总总线线DBRST复位复位EAXTAL1晶振晶振XTAL2Vcc电源电源GND片外程序片外程序存储器选择存储器选择PSEN片外程序片外程序存储器读选通存储器读选通控控制制总总线线CB805187518031MCS-51MCS-51的总线的总线p数据总线数据总线(8(8位位) )nP0P0p地址总线地址总线(16(16位位) )nA0A0A7A7：P0P0（经地址锁存器

35、）（经地址锁存器）nA8A8A15A15：P2P2n外部存储单元直接寻址范围：外部存储单元直接寻址范围：p控制总线控制总线nP3P3口的口的第二功能状态第二功能状态n4 4根独立控制线根独立控制线RSTRST、ALEALE、/EA/EA和和/PSEN/PSENP0P0（经地址锁存器）（经地址锁存器）P2P22.3 2.3 存储器存储器p存储器空间存放存储器空间存放n程序、数据程序、数据p存储器空间分类存储器空间分类n根据作用分类根据作用分类p程序存储器程序存储器ROMROM、数据存储器、数据存储器RAMRAMn根据位置分类根据位置分类p片内存储器、片外存储器片内存储器、片外存储器核内=片内核外

36、=片外存储器编址方法存储器编址方法p2 2种种n冯冯. .诺依曼结构诺依曼结构p程序存储器和数据存储器程序存储器和数据存储器统一统一编址编址n哈佛结构哈佛结构p程序存储器和数据存储器程序存储器和数据存储器分别分别编址编址MCS-51MCS-51系列单片机系列单片机程序存储器程序存储器(ROM)(ROM)和数和数据存储器据存储器(RAM)(RAM)寻址空间相互独立，物寻址空间相互独立，物理结构不相同理结构不相同PCPC机机哈佛（哈佛（Har-vard）结构）结构p存储器空间可划分为存储器空间可划分为5类：类：1. 程序程序存储器空间存储器空间 8031无内部程序存储器无内部程序存储器2. 内部数

37、据存储器空间内部数据存储器空间3. 外部数据存储器空间外部数据存储器空间 片外可扩展片外可扩展64KB的的RAM（片外（片外RAM和外扩和外扩I/O口统一编址）口统一编址）4. 特殊功能寄存器特殊功能寄存器（21个，占个，占128B）5. 位地址空间位地址空间 211个可寻址的位个可寻址的位程序存储器程序存储器ROM配置图配置图 如果有内部如果有内部ROM，则内部，则内部4KB的的ROM，和外部低，和外部低4KB的的ROM地址重叠地址重叠。 EA*端电平决定是执行内部端电平决定是执行内部ROM还是外部扩展还是外部扩展ROM中的程序。中的程序。4KB外部外部数据存储器数据存储器RAM配置图配置图

38、内部内部RAM（256B）堆堆栈栈区区数据存储区数据存储区（低（低128B）特殊功能特殊功能寄存器区寄存器区(高高128B)外部外部RAM（64KB）89C51存储器空间存储器空间pROMROM片内片内0000H-0FFFH0000H-0FFFH片外片外1000H1000H-FFFFH-FFFFHpRAMRAM片内片内00H-FFH00H-FFH片外片外0000H-FFFFH0000H-FFFFH外部外部ROM1000HFFFFH特殊特殊功能功能寄存寄存器区器区SFR通用通用RAM区区位寻址区位寻址区工作寄存工作寄存器区器区00H1FH20H2FH30H7FH80HFFH堆栈区堆栈区内部内部R

39、AM2.3.1 2.3.1 程序存储器程序存储器(ROM)(ROM)p存放程序和存放程序和固定常数固定常数（如：原始数据或表格）（如：原始数据或表格）pMCS-51MCS-51对外对外程序存储器寻址能力：程序存储器寻址能力：64KB64KB（2 21616B B）外部外部ROM中断向量表中断向量表（1 1）中断源中断源PCPC功能功能0000H0000H复位时复位时ROMROM的地址的地址(PC=0,(PC=0,程序从程序从00H00H开始执行开始执行) )外中断外中断0 00003H0003H外部中断外部中断0 0入口地址入口地址定时器定时器T0T0 000BH000BH定时器计数器定时器计

40、数器0 0溢出中断入口地址溢出中断入口地址外中断外中断1 10013H0013H外部中断外部中断1 1入口地址入口地址定时器定时器T1T1 001BH001BH定时器定时器/ /计数器计数器1 1溢出中断入口地址溢出中断入口地址串行口串行口0023H0023H串行口中断入口地址串行口中断入口地址002BH002BH定时器定时器/ /计数器计数器2 2溢出溢出中断入口地址中断入口地址 ( (5252系列系列) )p预留存储单元及作用预留存储单元及作用中断入口地址中断入口地址p复位时，复位时，PC=0000HPC=0000H，从该处执行程序，从该处执行程序( (一条无条件转移指令一条无条件转移指令

41、) )p中断向量表（中断向量）中断向量表（中断向量）n0003H0003H002BH002BH：中断服务程序入口地址：中断服务程序入口地址p 存放一条无条件转移指令进行跳转存放一条无条件转移指令进行跳转p 不要占用不要占用p程序书写程序书写ORG 0000HORG 0000HLJMP MAIN ;LJMP MAIN ;只写一条跳转指令只写一条跳转指令 ORG 0030H ;ORG 0030H ;开始写主程序开始写主程序MAINMAIN： 中断向量表中断向量表（2 2）2.3.2 2.3.2 数据存储器数据存储器(RAM)(RAM) (1)(1)数据存储器的配数据存储器的配置置片内片内数据存储器

42、数据存储器片外片外数据存储器数据存储器低低128B128B高高128B128B(2)(2)工作寄存器区工作寄存器区RS1RS1RS0RS0寄存寄存器组器组片内片内RAMRAM地址地址通用寄存器通用寄存器名称名称0 00 00 0组组00H00H07H07HR0R0R7R70 01 11 1组组08H08H0FH0FHR0R0R7R71 10 02 2组组10H10H17H17HR0R0R7R71 11 13 3组组18H18H1FH1FHR0R0R7R7在任何时刻在任何时刻CPUCPU只能使用其中只能使用其中一个一个区区（当前寄存器组当前寄存器组）(3)(3)位寻址区位寻址区 p20H20H2

43、FH2FH，共，共1616个单元，个单元，128128位。位。p为为布尔处理布尔处理区区p各有自己的各有自己的位位地址地址，统一，统一编址为编址为00H00H7FH7FH（1 1个地址个地址代表代表1 1位位）p既可以字节寻址，也可以既可以字节寻址，也可以位寻址位寻址p有有1717条位操作指令，常用：条位操作指令，常用：置置1 1（SETBSETB）、清零）、清零（CLRCLR）、取反（）、取反（CPLCPL）(4)(4)内部数据存储器高内部数据存储器高128B(128B(80H80HFFHFFH) )p组成组成n通用数据通用数据RAMRAM区区p5151子系列无该区子系列无该区n特殊功能寄存

44、器特殊功能寄存器SFRSFRp区别的方法区别的方法n访问通用数据访问通用数据RAMRAM区，用寄存器间接寻址区，用寄存器间接寻址p MOV AMOV A， R0R0n访问特殊功能寄存器，用直接寻址访问特殊功能寄存器，用直接寻址p MOV AMOV A， 80H80H逻辑地址逻辑地址物理地址物理地址(4)(4)特殊功能寄存器区（特殊功能寄存器区（SFRSFR区）区） 内部内部RAMRAM高高128B(128B(80H80HFFHFFH) )n反映反映MCS-51MCS-51单片机的状态单片机的状态n实际是实际是MCS-51MCS-51单片机的单片机的状态字、控制字状态字、控制字寄存器寄存器 控制

45、字寄存器控制字寄存器CPUCPU通过给功能部件（定时器、串行通过给功能部件（定时器、串行口、中断等）的口、中断等）的SFRSFR写命令字写命令字，由功能部件的，由功能部件的SFRSFR控制控制功功能部件工作。能部件工作。 状态字寄存器状态字寄存器功能部件的功能部件的工作状态工作状态也能反映到其也能反映到其SFRSFR上上。特殊功能寄存器。特殊功能寄存器SFRSFR综合的、实际的反映了整个综合的、实际的反映了整个单片机系统内部的工作状态，如单片机系统内部的工作状态，如PSWPSW程序状态字寄存器。程序状态字寄存器。n共共2121个个特殊功能寄存器特殊功能寄存器SFRSFRP0P0、P1P1、P2

46、P2、P3P3对应对应 P0P0、P1P1、P2P2、P3P3端口的端口的锁存器锁存器。 当要对当要对P0P0P3P3端口写端口写/ /读数据，这个数据自动被读数据，这个数据自动被SFRSFR放到放到对应对应锁存器锁存器中。中。作作输出口输出口时，可锁存数据；作时，可锁存数据；作输入口输入口时，可缓冲数据。时，可缓冲数据。每条每条I/OI/O端口线均可独立用作输入端口线均可独立用作输入/ /输出。（输出。（按位寻址按位寻址） 特殊功能寄存器特殊功能寄存器SFRSFRSPSP堆栈指针，指示当前堆栈顶部在内部堆栈指针，指示当前堆栈顶部在内部RAMRAM区中的位置。区中的位置。（栈顶指针）（栈顶指针

47、） SPSP，始终指向，始终指向最后压入或即将弹出最后压入或即将弹出的数据单元，即的数据单元，即栈顶栈顶。 SPSP作为一个作为一个8 8位寄存器位寄存器，其内容是，其内容是栈顶栈顶存储单元的存储单元的地址地址。p堆栈是在片内堆栈是在片内RAMRAM中临时开辟的暂存区；中临时开辟的暂存区；n作用：作用：保护现场、保护断点保护现场、保护断点n针对：针对：子程序调用、中断操作子程序调用、中断操作n特点：特点：先进后出，后进先出（先进后出，后进先出（注意顺序注意顺序）n指令：指令：入栈入栈PUSHPUSH，出栈，出栈POPPOPSFR-SPSFR-SP栈顶栈顶数据出数据出数据入数据入SPSP+1SP

48、向上生长型向上生长型进栈进栈SPSP增加增加出栈出栈SPSP减小减小当前栈顶当前栈顶PUSHPUSH和和POPPOP都是对堆栈都是对堆栈的栈顶单元进行的。的栈顶单元进行的。 PUSHPUSH，压栈压栈，SPSP+ +1 1，数据压入，数据压入SPSP指示的单元。指示的单元。 POPPOP，出栈出栈，SPSP指示的单元中的数据弹出，指示的单元中的数据弹出，SPSP- -1 1。堆栈堆栈：先先入入后后出，出，后后入入先先出出p单片机复位时单片机复位时nSP=07HSP=07H，此时，此时pSPSP指向栈顶，指向栈顶，堆栈堆栈正落在正落在第第0 0组工作寄存器区组工作寄存器区切换工作寄存器区时切换工

49、作寄存器区时冲突冲突p一般设置：一般设置：SP=30HSP=30H或或以上以上pSPSP不能不能在在RAMRAM的顶端的顶端p为堆栈向上发展留足够空间为堆栈向上发展留足够空间SFR-SPSFR-SP特殊功能寄存器特殊功能寄存器SFRSFR DPH,DPL DPH,DPL，数据指针，数据指针p1616位位n高位：高位：DPHDPH，8 8位位n低位：低位：DPLDPL，8 8位位p主要用途主要用途n访问访问外部数据存储器（外部数据存储器（64KB64KB）时，作时，作地址指针地址指针p保存保存1616位地址，位地址，有有+1+1功能功能（INCINC）n寄存器间址寻址、变址寻址寄存器间址寻址、变

50、址寻址p当不作为地址指示时，可分别作为两个当不作为地址指示时，可分别作为两个8 8位寄存器，暂位寄存器，暂存数据。存数据。 定时器定时器/ /计数器计数器p1616位：位：nT0T0：TH0TH0、TL0TL0nT1T1：TH1TH1、TL1TL1TH1TL17 07 0T1TH0TL07 07 0T0TCONTCONTMODTMOD微处理器微处理器内部内部总线总线 P定时器模式控制定时器模式控制寄存器寄存器，确定，确定T1T1和和T0T0的的功能和工功能和工作方式作方式定时器控制寄存器定时器控制寄存器，控，控制制T1T1和和T0T0的的启动和停止启动和停止 串行通信相关寄存器串行通信相关寄存

51、器pSBUFSBUF （Serial Date BufferSerial Date Buffer）n串行数据缓冲器串行数据缓冲器n放待发送和已接收数据的，双缓冲结构放待发送和已接收数据的，双缓冲结构pSCONSCON （Serial Control RegisterSerial Control Register）n串行接口控制寄存器串行接口控制寄存器pPCONPCON （Power Control RegisterPower Control Register）n电源控制寄存器电源控制寄存器 中断相关寄存器中断相关寄存器pIP IP （Interrupt Priority RegisterInt

52、errupt Priority Register）n中断优先级寄存器中断优先级寄存器pIE IE （Interrupt Enable RegisterInterrupt Enable Register）n中断允许寄存器中断允许寄存器 程序状态字程序状态字 PSWPSW位序位序PSW.7PSW.7PSW.6PSW.6PSW.5PSW.5PSW.4PSW.4PSW.3PSW.3PSW.2PSW.2 PSW.1PSW.1 PSW.0PSW.0位位标志标志CYCYACACF0F0 RS1 RS1RS0RS0 OV OVF1F1P P进位标志进位标志辅助进位标志辅助进位标志寄存器区选择控制位寄存器区选择

53、控制位溢出标志位溢出标志位奇偶标志位奇偶标志位每个位都可由软件每个位都可由软件读出读出系统保留系统保留用户标志位用户标志位 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 程序计数器程序计数器 PCPCp程序地址寄存器，程序地址寄存器，特殊功能寄存器特殊功能寄存器p存放存放CPUCPU准备取来执行的准备取来执行的下一条指令下一条指令的的地址地址p程序程序不能不能访问访问p1616位，位，范围：范围：0000H0000H0FFFFH0FFFFHp当一条指令被取出后，当一条指令被取出后，PCPC的内容会的内容会自动增量自动增量，指，指向向下一条下一条要执行指令的地址要执行指令的地址特殊功能寄存器特

54、殊功能寄存器位位地址地址BACCPSWIPIEP2P3SCONP1TCONP0字节地址能被字节地址能被8 8整除整除几点注意几点注意p地址的重叠性地址的重叠性n程序存储器程序存储器和和数据存储器数据存储器全部全部64KB64KB地址空间重叠（地址空间重叠（ROMROM和和RAMRAM使用上，要严格区分）使用上，要严格区分）n位地址空间位地址空间中的位地址中的位地址00H00H7FH7FH和和内部内部RAMRAM的地址的地址00H00H7FH7FHp位地址空间位地址空间有两个区域有两个区域n内部低内部低RAMRAM区的位寻址区（区的位寻址区（20H20H2FH2FH，16B16B，128128位

55、位）nSFRSFR中，字节地址末位为中，字节地址末位为0 0或或8 8，可位寻址（共，可位寻址（共8383位位）p片内与片外片内与片外数据存储器数据存储器由指令来区分由指令来区分p片外数据存储区片外数据存储区中，中，RAMRAM与与I/OI/O端口统一编址。端口统一编址。n所有外部所有外部I/OI/O端口的地址均占用端口的地址均占用RAMRAM地址单元，使用与访问外地址单元，使用与访问外部数据存储器相同的传送指令。（部数据存储器相同的传送指令。（MOVXMOVX）区分存储器空间的方法区分存储器空间的方法p指令指令n使用使用MOVMOV、MOVXMOVX、MOVCMOVC三个不同的指令三个不同的

56、指令p控制引脚控制引脚n片外片外ROMROM：控制信号：控制信号/PSEN/PSENn片外片外RAMRAM：控制信号：控制信号/RD/RD、/WR/WRn/ /EAEA引脚接地，从片外引脚接地，从片外ROMROM开始开始p0000H0000H0FFFH0FFFH位于位于片外片外ROMROMn/ /EAEA引脚接高电平，从片内引脚接高电平，从片内ROMROM开始，再转片外。开始，再转片外。p0000H0000H0FFFH0FFFH位于位于片内片内ROMROMp注意注意nROMROM和片外和片外RAMRAM一定要用一定要用1616位地址位地址n片内片内RAMRAM和和SFRSFR，只能使用，只能使

57、用8 8位地址位地址存储器配置总结存储器配置总结外部外部ROM1000HFFFFH特殊特殊功能功能寄存寄存器区器区SFR通用通用RAM区区位寻址区位寻址区工作寄存工作寄存器区器区00H1FH20H2FH30H7FH80HFFH堆栈区堆栈区离散分布离散分布21个个SFR堆栈区、数据缓冲堆栈区、数据缓冲器，临时存储数据。器，临时存储数据。即可位寻址，也可即可位寻址，也可字节寻址字节寻址内部内部RAM2.4 2.4 时钟电路与指令的时序时钟电路与指令的时序p1. 1. 时钟电路时钟电路n用于产生单片机工作所必需的用于产生单片机工作所必需的时钟控制信号时钟控制信号。n单片机内部的所有操作都是在单片机内

58、部的所有操作都是在时钟节拍时钟节拍的控制下完的控制下完成的。成的。n时钟频率直接影响单片机的时钟频率直接影响单片机的速度速度，n时钟电路的质量直接影响系统的时钟电路的质量直接影响系统的稳定性稳定性。n常用的时钟电路有两种方式：常用的时钟电路有两种方式：内部时钟方式内部时钟方式和和外部外部时钟方式时钟方式2.4 2.4 时钟电路与指令的时序时钟电路与指令的时序p1. 1. 时钟电路时钟电路n内部振荡电路内部振荡电路晶振晶振 内部有一个用于内部有一个用于构成振荡器构成振荡器的的高增益反向放大器，其输入端：高增益反向放大器，其输入端：XTAL1XTAL1，输出端：，输出端：XTAL2XTAL2。 高

59、增益反向放大器、外部无源高增益反向放大器、外部无源晶振、两个串联的电容晶振、两个串联的电容谐振谐振电路电路 系统上电后，谐振电路产生方系统上电后，谐振电路产生方波，波，方波频率（时钟频率）方波频率（时钟频率）取取决于外接决于外接晶振晶振的频率。的频率。 晶体的振荡频率在晶体的振荡频率在1.2MHz1.2MHz12MHz12MHz之间。之间。2.4 2.4 时钟电路与指令的时序时钟电路与指令的时序HMOSHMOS工艺器件外工艺器件外部时钟连线图部时钟连线图 CHMOSCHMOS工艺器件工艺器件外部时钟连线图外部时钟连线图 时序发生器框图时序发生器框图p1. 1. 时钟电路时钟电路n外部部振荡电路

60、外部部振荡电路 外部时钟信号已经产生，外部时钟信号已经产生，直接接到直接接到XTAL2XTAL2端口，端口，XTAL1XTAL1接地。接地。2. 2. 机器周期和指令周期机器周期和指令周期振荡周期和机器周期振荡周期和机器周期是计算其他时间的是计算其他时间的基本时序单位基本时序单位S1S2S3S4S5S6S1S2P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2fosc节拍节拍(p,振荡周期振荡周期)一个状态周期一个状态周期一个机器周期X2oscoscosc1212,fff振荡周期状态周期机器周期指令周期指令周期=1=1 4 4机器周期机器周期 时钟周