单片机-2-MCS-51系列单片机的结构与原理课件

1、第2章 MCS-51单片机的结构和原理2.1 MCS-51单片机的基本组成2.1.1 MCS-51单片机的基本组成基本型（8051子系列）：8031 8051 89C51 89S51增强型（8052子系列）：8032 8052 89C52 89S52MCS-51单片机的基本结构框图 MCS-51单片机的内部结构图 1. 中央处理器（CPU）（1）运算器 组成： 8位算术逻辑运算单元ALU（Arithmetic Logic Unit）、 8位累加器A（Accumulator）、 8位寄存器B、 程序状态字寄存器PSW（Program Status Word）、 8位暂存寄存器TMP1和TMP2等

2、。 功能：完成算术运算和逻辑运算。包括运算器和控制器两部分运算电路（2）控制器组成：程序计数器PC（Program Counter）、指令寄存器IR（Instruction Register）、指令译码器ID（Instruction Decoder）、堆栈指针SP、数据指针DPTR、定时控制逻辑和振荡器OSC等电路。功能：CPU根据PC中的地址将欲执行指令的指令码从存储器中取出，存放在IR中，ID对IR中的指令码进行译码，定时控制逻辑在OSC配合下对ID译码后的信号进行分时，以产生执行本条指令所需的全部信号。控制器电路2、内部程序存储器8031和8032内部没有ROM；8051内部有4KB的R

3、OM，8751内部有4KB的EPROM；8052内部有8KB的ROM，8752内部有8KB的EPROM； 8951内部有4KB的Flash ROM，8952内部有8KB的Flash ROM。 8031内部无程序存储器ROM；8051内部设有4K的掩膜ROM，8751内部为PROM，AT89C51内部为Flash ROM，AT89S51内部则是4K字节的支持ISP的Flash。52增强型产品存储器的存储容量为基本型的一倍，同时增加了一个定时器T2和一个中断源 内部程序存储器3、内部数据存储器（ Internal RAM：内部RAM）基本型单片机芯片（如89S51）中共有256个统一编址的RAM单

4、元+SFR低128单元：用于存放可读写的数据（RAM），供用户使用高128单元：被专用寄存器（SFR）占用增强型的单片机(如89S52）内部共有256个字节的RAM可供用户使用。内部数据寄存器4、定时器/计数器基本型的单片机内部有两个16位的定时器/计数器 T0、T1增强型的单片机内部有三个16位的定时器/计数器T0、T1、T2 定时器/计数器5、并行I/O口共有4个8位的I/O口（ ），以实现数据的并行输入输出并行I/O口6、串行口全双工串行口，实现单片机和其他数据设备之间的串行数据传送串行口7、中断控制系统80C51共有5个中断源：外中断2个，定时/计数中断2个，串行中断1个5个中断分为高

5、级和低级共两个优先级别中断控制系统8、时钟电路MCS-51芯片的内部有时钟电路，需外接石英晶体和微调电容时钟电路9、位处理器又称布尔处理器，单片机有较强的位处理功能，用于控制10、内部总线内部总线把上述部件连接起来，构成一个完整的单片机系统，用于传送地址信号、数据信号和控制信号2.1.2 MCS-51单片机的封装与信号引脚 1. 芯片封装形式双列直插式DIP（Dual In line Package）44引脚方形扁平式QFP（Quad Flat Package）带引线的塑料芯片载体PLCC（Plastic Leaded chip carrier） 2. 芯片引脚介绍（1）分类主电源引脚VCC和

6、VSS外接晶振引脚XTAL1和XTAL2控制或电源复用引脚RST/ VPD、ALE/PROGEA/VPP、PSEN输入/输出引脚(共32根) P0、P1、P2、P34）EA 访问程序存储器控制信号EA=0，读外部程序存储器1，读内部程序存储器，并延续至外部程序存储器2) XTAL1和XTAL2 外接晶体引线端当使用内部时钟时，用于外接石英晶体和微调电容当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号1） Vss 地线 Vcc 电源线3）RST 复位信号当输入的复位信号延续2个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位操作。7）输入/输出口线4个8位双向口线5）ALE 地址锁存控制信号 在系统扩

7、展时，用于控制把P0口输出的低8位地址 送入锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的分 时传送。 输出六分之一晶振频率的固定频率输出正脉冲6） 外部程序存储器读选通信号在读外部ROM时 PSEN 有效（低电平），实现外部ROM单元的读操作。3、芯片引脚的第二功能（1）P3口的第二功能（2）EPROM存储器程序固化所需要的信号PROG：编程脉冲Vpp: 编程电压（25V）（3）备用电源引入VPD：当电源发生故障时，电压降低到下限值时，备用电源经此端向内部RAM提供电压，以保护内部RAM中的信息不丢失第一功能与第二功能的区分：1）P3口线按需要优先选用第二功能，剩下不用的才作为口 线使用2）对于9、

8、30、31引脚：由于单片机在不同工作方式的信号，不会发生使用上的矛盾2.2 MCS-51单片机并行I/O端口电路I/O口P0、P1、P2、P3集数据输入缓冲、数据输出驱动及锁存等多项功能于一体截止01111.P1口输出“1”内有电阻，输出时无需外接上拉电阻8位口线的电路完全相同但相互独立导通1000输出“0”输入时要区分：读引脚（P1.x）指令：MOV A, P1 MOV C, P1.x读端口（Q）指令：ANL P1, #0FH CPL P1.x导通1000读引脚时，当数据线输出为0时可能会读到错误的数据导通的场效应管则将输入设备的高电平1下拉到低电平0，严重时还会造成短路，损坏设备 截止01

9、11P1口作输入口使用时，先向锁存器写入1，使输出驱动电路的FET截止2.P2口可作通用I/O口使用，也可作地址输出口使用3. P3口可作通用I/O口使用，而第二功能更重要作为一般输出口（第一输出功能）使用时 1打开作为一般输出口（第一输出功能）使用时 1打开当选择第二输出功能时， 1打开作为一般输入口（第一输入功能）使用时 110截止作为一般输入口（第一输入功能）使用时 或第二输入功能时 110截止4.P0口（1）P0口作为通用的I/O口使用P0口作通用I/O口输出使用0封锁0截止P0口作通用I/O口输出使用0封锁0截止11001截止P0口作通用I/O口输出使用0封锁0截止00110导通P0

10、口作通用I/O口输入使用0封锁0截止读引脚读锁存器（2）P0口作为地址/数据总线使用 1打开传送地址或数据时1打开110导通截止10传送地址或数据时1打开001导通截止01输入数据信息时截止0负载能力P0 驱动8个TTLP1、P2、P2 驱动4个TTL2.3 MCS-51单片机的存储器结构 MCS-51单片机存储器地址空间分配图 内部存储器内部数据存储器RAM内部程序存储器ROM低128单元高128单元2.3.1 程序存储器（ROM）类型腌膜ROMEPROMEEPROMFlash ROM片内寻址范围EA=1时： （否则64KB全部限定在片外)51系列，4KB，0000H 0FFFH52系列，8

11、KB，0000H 1FFFH一组特殊单元RESET 地址：0000H中断向量：0003H 000AH外部中断（INT0）地址区 000BH 0012H定时器/计数器中断（T0）地址区 0013H 001AH外部中断（INT1）地址区 001BH 0022H定时器/计数器中断（T1）地址区0023H 002AH串行中断（Serial）地址区中断响应后，系统能按中断种类，自动转到各中断区的首地址去执行程序但8个单元难以存下一个完整的中断服务程序，故一般在中断地址区首地址开始存放一条无条件转移指令JMP、 AJMP以便中断响应后，通过中断地址区，转到中断服务程序的实际入口地址去系统复位后，（PC）=

12、0000H单片机从0000H单元开始取指令执行程序一般在这三个单元中存放一条无条件转移指令 JMP、 AJMP2.3.2 数据存储器(RAM)MOV指令MOVX指令用于存放运算的中间结果、标志位以及数据的暂存和缓冲等 1. 基本RAM区按用途分三个区工作寄存器区位寻址区用户RAM区（1）工作寄存器区（001FH） 30H2FH00H20H1FH7FH通用寄存器区(4组)位寻址区128bit00H7FH堆栈/数据缓冲区80Byte16Byte32Byte4组工作寄存器组地址范围：00H1FH，共4组，每组R0R7。当前寄存器组选择：通过设置PSW中的位 RS1、RS0完成。仅当前R组以寄存器方式

13、工作,其他组以存储器方式功能：存放常用变量，提高访问速度;在中断或程序调用时使用，可减少堆栈中的数据保护30H2FH07H00H20H1FH7FH3组2组1组0组位寻址区128bit00H7FH堆栈/数据缓冲区80Byte16ByteRS1 RS01 11 00 10 0工作寄存器组设置参数30H2FH00H20H1FH7FH通用寄存器区(4组)位寻址区堆栈/数据缓冲区80Byte16Byte(128bit)32Byte00H7FH（2）位寻址区（16Byte）地址范围：20H2FH对应位地址：00H7FH功能：可进行位操作，设置用户标志；未作位操作单元，可进行字节操作30H2FH00H20H

14、1FH7FH通用寄存器区(4组)位寻址区堆栈/数据缓冲区80Byte16Byte(128bit)32Byte00H7FH（3）堆栈/用户数据区地址范围：30H7FH功能程序堆栈区常选高端连续地址（如：50H7FH）用户数据区2.特殊功能寄存器（SFR）高128单元地址范围：物理地址分布在80HFFH中；未作定义单元，操作无效。数量：51系列共有SFR 21个，如图； 52系列SFR 26个。操作方式：访问时，可用寄存器符号或地址；字节操作位操作（表中带*号的SFR）专用寄存器简介1. 程序计数器 （Program Counter）16位计数器，寻址范围64KB；存放下一条要执行的指令的地址；自

15、动加1，保证指令顺序执行；PC无地址，不能直接操作。2. 累加器A（AccAccumulator）8位寄存器 （The most versatile使用频率最高 register)3. B寄存器8位寄存器，用于乘除运算。也可作一般数据寄存器 。专用寄存器简介返回本节4. 数据指针DPTR（Data Pointer）16位寄存器，寻址范围64KB;由两个8位寄存器（DPH DPL）组成；用于存放ROM及片外RAM地址。如：MOV DPTR,#2000H（无符号数）5 程序状态字（Program Status Word） 8位寄存器，存放指令执行的状态信息。堆栈只允许在其一端进行数据插入和数据删除

16、操作的线性表数据写入堆栈称为插入运算（入栈），PUSH从堆栈中读出数据称为删除运算（出栈），POP堆栈的特点：后进先出 LIFO（Last-In Firt-Out)（1）堆栈的功用堆栈是为子程序调用和中断操作而设立的功能保护断点：调用子程序时或中断服务之前先把主程序 的断点保护起来保护现场：转子程序或中断服务程序前把有关寄存单 元的内容保存起来6 堆栈指针 SP（Stack Pointer）（2）堆栈的开辟堆栈开辟在芯片的内部数据存储器中，即内堆栈内堆栈优点：操作速度快缺点：容量有限（3）堆栈指示器SP（Stack Pointer）8位专用寄存器 SP的内容就是堆栈栈顶的存储单元地址系统复位后

17、，SP的内容为07H07H是R7的地址，一般用30H7FH单元比较好30H2FH00H20H1FH7FH通用寄存器区(4组)位寻址区128bit00H7FH堆栈/数据缓冲区80Byte16Byte32Byte（4）堆栈类型两种类型向上生长型向下生长型进栈操作：先SP加1，后写入数据出栈操作：先读出数据，后SP减1进栈操作：先SP减1，后写入数据出栈操作：先读出数据，后SP加15、堆栈使用方式两种使用方式自动方式：即在调用子程序或中断时， 返回地址（断点）自动进栈， 程序返回时，断点再自动弹 回PC指令方式：即使用专用的堆栈操作指令， 进行进出栈操作 进栈指令 PUSH 出栈指令 POP堆栈的操

18、作保护恢复断点，SP自动加1或减1；入栈PUSH ACCPUSH B出栈POP B ；后入先出PUSH ACC2.4 MCS-51单片机的时钟电路与时序时钟电路：产生单片机工作所需要的时钟信号时序：指令执行中各信号之间的相互时间关系2.4.1 时钟电路1. 振荡电路C1、C2：30pF晶振频率：1.2MHz33MHz40MHz电源控制寄存器PCON.1的掉电方式位PD=0正常工作，PD=1进入掉电工作方式图2.4.2 HMOS工艺器件外部时钟方式图2.4.3 CHMOS工艺器件外部时钟方式外接脉冲的要求：高低电平持续时间大于20ns， 脉冲频率小于12MHz2.分频电路振荡信号并不能直接为单片

19、机所用，而要进行分频，经分频后才能得到单片机各种相关的时钟信号2.4.2 时序四个有关的单位：振荡周期、状态周期、机器周期、指令周期1、振荡周期P拍节定义：震荡脉冲的周期。用“P”表示时序：指令执行中各信号之间的相互时间关系P时钟信号的周期定义为状态，用“S”表示一个状态包含两个拍节：前半周期对应的拍节叫拍节1（P1）后半周期对应的拍节叫拍节2（P2）2、时钟周期SS3. 机器周期：完成一个基本操作所需要的时间一个机器周期的宽度为6个状态：S1S6一个机器周期总共有12个拍节： S1P1，S1P2，S6P2当震荡脉冲频率为12MHz时，一个机器周期为1s当震荡脉冲频率为6MHz时，一个机器周期

20、为2s4、指令周期执行一条指令所需要的时间称为指令周期指令周期以机器周期的数目来表示，包括：单机器周期、双机器周期、四机器周期单字节单机器周期指令、单字节双机器周期指令、双字节单机器周期指令、双字节双机器周期指令、三字节双机器周期指令和单字节四机器周期指令等。按指令代码在存储器中所占的存储长度可分为单字节指令、双字节指令和三字节指令。 2.5 MCS-51单片机的工作方式2.5.1 复位方式每个机器周期的S5P21. 复位信号2. 复位操作抑制外部干扰信号在每个机器周期的S5P2时刻采样施密特触发器的输出，连续两次采样到高电平才确认是复位信号。故要求复位信号高电平在RST端至少保持两个机器周期

21、。CPU响应复位信号后，使内部特殊功能寄存器的状态置为初始状态，以后，每个机器周期复位一次，直到复位信号消失为止3. 复位方式（1）上电自动复位（2）按键手动复位2.5.2 程序执行方式连续运行：程序从PC = 0000H单元开始顺序运行。0000H主程序入口0003H外部中断0入口地址000BH定时器计数器0溢出中断入口地址0013H外部中断1入口地址001BH定时器计数器1溢出中断入口地址0023H串行口中断入口地址2.5.2 单步执行方式按一次键执行一条指令，通常用于：调试程序、跟踪程序执行、了解程序执行过程。硬件设计：以按键产生脉冲信号经 端输入不按键时为低电平，按下键时为高电平软件设

22、计： JNB P3.2， ；若=0，则等待 JB P3.2， ；若=1，则等待 RETI ；返回主菜单2.5.4 低功耗方式降低功耗可使电源轻便又保证长期供电；低功耗可降低芯片的发热量，使芯片排列紧密，提高芯片的集成度，降低芯片的封装成本；低功耗芯片工作时发热量少，有利于提高芯片工作的可靠性；单片机芯片的低功耗，使单片机系统的整体低功耗。两种低功耗工作方式：HMOS：掉电工作方式CHMOS：节电运行方式1. HMOS的掉电工作方式掉电工作方式下，只有内部RAM和专用寄存器继续工作，以保持其内容当电源VCC恢复时，备用电源还应保持一段时间（约10ms）单片机恢复工作的第一件事是现场恢复，把被保护

23、的数据送回原处2. CHMOS的节电运行方式待机方式掉电保护方式位序PCON.7PCON.6PCON.5PCON.4PCON.3PCON.2PCON.1PCON.0位符号SMODGF1GF0PDIDLPD=1，进入掉电方式IDL=1，进入待机方式SMOD： 波特率倍频位。若此位为1，则串行口方式1、方式2和方式3的波特率加倍。GF1和GF0： 通用标志位。PD： 掉电模式位。此位写1即启动掉电方式，时钟冻结。IDL： 待机模式位。此位写1即启动待机模式。这时CPU因无时钟控制而停止运作。如果同时向PD和IDL两位写1，则PD优先。80C51中PCON的复位值为00000B。CPU执行完置IDL=1(PCON.1）的指令后，系统进入待机工作方式。0CPU得不到时钟停止工作，与CPU有关的SP、PC、PSW、ACC以及各寄存器等也