单片机原理与应用第2章课件

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2.2 MCS-51单片机的中央处理器、时钟及时序2.3 MCS-51单片机的存储组织2.4 MCS-51单片机的并行I/O口2.5 MCS-51单片机的复位及复位电路目 录了解51系列单片机基本结构； 了解51系列单片机的引脚名称及功能； 掌握PSW寄存器各位名称及功能； 掌握存储器（内RAM）结构； 掌握复位后PC及特殊功能寄存器的状态。本章重点2.1 MCS-51单片机的基本组成8051单片机硬件结构2.1.1 单片机的硬件结构1.中央处理器（CPU） 中央处理器（CPU）由运算器和控制器构成，是单片机的核心部分。

2、它的主要功能是读入并分析每条指令，根据指令的功能，控制单片机的各功能部件执行指定的操作。2.片内存储器 单片机内部存储器的主要功能是存放程序和数据。存储器按其存取方式可以分成两大类：一类是随机存取存储器（random access memory，RAM），主要用于存放暂存数据及调试程序,所以又称为数据存储器；另一类是只读存储器（read only memory，ROM），主要用于存放常数及固定程序，又称为程序存储器。存储器内部结构3.定时器/计数器 8051单片机有两个16位的可编程定时器/计数器T0和T1，用于精确定时或对外部事件进行计数。4.并行I/O端口 8051单片机有4个8位的并行端

3、口（P0、P1、P2、P3），每个并行端口各有8根I/O口线，可单独操作每根口线。5.串行口 8051单片机提供全双工串行I/O口，可与外设进行串行通信，也可用于扩展I/O口。6.中断系统 8051单片机提供5个中断源，具有两个优先级，可形成中断嵌套。2.1.2 单片机的片外总线与引脚功能1.MCS-51单片机的引脚分布MCS-51系列单片机引脚图和逻辑图电源端，接5 V。EA为片内外程序存储器选用端。该引脚为低电平时，只选用片外程序存储器；该引脚为高电平 时，先选用片内程序存储器，然后选用片外程序存储器。接地端。RST即为RESET，VPD为备用电源。VCC（40脚）VSS（20脚）RST/

4、VPD（9脚）EA/VPP（31脚）2.MCS-51单片机的引脚功能1）电源及复位引脚2）晶体振荡器接入或外部振荡信号输入引脚 （1）XTAL1（19脚）：晶体振荡器接入的一个引脚。采用外部振荡器时，此引脚接地。 （2）XTAL2（18脚）：晶体振荡器接入的另一个引脚。采用外部振荡器时，此引脚作为外部振荡信号的输入端。3）地址锁存及外部程序存储器编程脉冲信号输入引脚 ALE/PROG（30脚）：地址锁存允许信号输出/编程脉冲输入引脚。ALE为地址锁存允许信号输出引脚，当8051单片机上电正常工作时，自动在该引脚上输出六分之一晶振频率（fOSC/6）的脉冲序列。当CPU访问外部存储器时，此信号作

5、为锁存低8位地址的控制信号。PROG为编程脉冲输入引脚，在对片内ROM编程写入时，作为编程脉冲输入端。4）外部程序存储器选通信号输出引脚 PSEN（29脚）：外部程序存储器选通信号，低电平有效。当从外部程序存储器读取指令或数据期间，每个机器周期该信号两次有效，以通过数据总线P0口读取指令或数据。5）I/O引脚 （1）P0.0P0.7：8位数据/低8位地址复用总线端口。 （2）P1.0P1.7：静态通用I/O口。 （3）P2.0P2.7：高位地址总线端口。 （4）P3.0P3.7：双功能端口。2.2.1 中央处理器（CPU）1.运算器 运算器由ALU（算术及逻辑运算单元）、A（累加器）、B寄存器

6、、PSW（程序状态字寄存器）和暂存器等组成，主要功能用于实现算术运算和逻辑运算。 2.2 MCS-51单片机的中央处理器、时钟及时序 程序状态字寄存器PSW：一个8位的寄存器，用于存放程序运行中的各种状态信息。 Cy:进位标志位。在进行加（或减）法运算时，若操作结果的最高位（D7位）有进位（或借位）时，Cy =1;否则Cy=0。AC:辅助进位标志位。在进行加（或减）运算时，若操作结果的低半字节（D3位）向高半字节产生进位（或借位）时，AC=1;否则AC=0。 F0：用户标志位。RS1、RS0：当前工作寄存器区选择位。CyACF0RS1RS0OVPPSWOV：溢出标志位。当进行补码运算时，运算结

7、果超出-128127范围时，即溢出，则OV=1；没有溢出，则OV=0。 出现下列情况即为溢出（运算后OV1）：正数加正数为负数；负数加负数为正数；正数减负数为负数；负数减正数为正数；乘法时结果B0；除法运算时除数为0。P：奇偶校验标志位。每条指令执行完后，该位始终跟踪累加器A中1的数目的奇偶性。如果A中有奇数个1，则P1；否则P0。2.控制器 控制器是单片机的神经中枢，是由程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、指令译码器（ID）、堆栈指针（SP）、数据指针（DPTR）、定时及控制逻辑电路等组成。 （1）程序计数器(PC)（16位的计数器）。用于存放CPU下一条要执行的指令地址，是一个16位的

8、专用寄存器，可寻址范围是0000H0FFFFH，共64 KB。 （2）指令寄存器（IR）。指令寄存器用于存放指令代码。 （3）指令译码器（ID）。指令译码器用于分析指令功能，根据操作码产生相应操作的控制信号。 （4）数据指针（DPTR）。数据指针是一个16位的专用寄存器，其高位字节寄存器用DPH表示，低位字节寄存器用DPL表示，既可作为一个16位寄存器DPTR来处理，也可作为两个独立的8位寄存器DPH和DPL来处理。 （5）定时与控制逻辑电路。定时与控制逻辑电路由时序部件和微操作控制部件构成，用于控制取指令、执行指令、存取操作数或运算结果等操作，向其他部件发出各种微操作控制信号，协调各部件的工

9、作。2.2.2 时钟电路与时序1.8051的时钟产生方式时钟频率范围要求在1.2MHz12MHz之间。内部振荡器方式外部引入方式XTAL1单片机XTAL2 内部振荡器方式外部引入方式1。.。XTAL2单片机XTAL1 外部时钟源+5V2.8051的时钟信号 8051单片机内晶体振荡器的振荡周期（或外部引入时钟信号的周期），是指为单片机提供时钟脉冲信号的振荡源的周期，是最小的时序单位。所以片内的各种微操作都以晶振周期为时序基准。它也是单片机所能分辨的最小时间单位。8051单片机的时钟信号3.8051的取指令和执行指令时序 每一条指令的执行都可以分为取指令和执行两个阶段。在取指令阶段，CPU从内部

10、或外部ROM中取出需要执行的指令的操作码和操作数；在执行阶段对指令操作码进行译码，以产生一系列控制信号完成指令的执行。MCS-51单片机的取指令/执行时序 MCS-51单片机内部有程序存储器和数据存储器两大类。 程序存储器：用于存放程序和常数。ROM类存储器（4KB，但8031片内无ROM） 数据存储器：MCS-51系列单片机的数据存储器由片内数据存储器（采用8位二进制数寻址），用于存放中间结果或暂存数据，部分单元作为特殊功能寄存器。RAM类存储器2.3 MCS-51单片机的存储器组织 在物理结构上分为四个存储空间： 片内程序存储器、片外程序存储器、片内数据存储器、片外数据存储器。 从逻辑上分

11、为三个存储器地址空间： 片内、片外统一编址的64KB程序存储器地址空间0000HFFFFH； 64KB的外部数据存储器或扩展I/O口地址空间0000HFFFFH； 256B的片内数据存储器地址空间00HFFH（包括低128B的内部RAM地址00H7FH和高128B的特殊功能寄存器地址空间）。2.3.1 存储器空间2.3.2 程序存储器外部ROM60KB内部ROM4KBEA1外部ROM4KBEA0FFFFH1000H0FFFH0000H0FFFH0000H注：程序存储器用MOVC指令访问2.3.3 数据存储器8051片内RAM结构1.工作寄存器区 8051单片机片内RAM的低32个字节（00H1

12、FH）分成4个工作寄存器组，每组占8个字节。即： （1）工作寄存器0区：地址00H07H。 （2）工作寄存器1区：地址08H0FH。 （3）工作寄存器2区：地址10H17H。 （4）工作寄存器3区：地址18H1FH。 每个工作寄存器组都有8个寄存器，分别称为R0，R1，R7。程序运行时，只能有一个工作寄存器组作为当前工作寄存器组。2.位地址区 从20H2FH的16个字节的RAM为位地址区，有双重寻址功能，既可以进行位寻址操作，也可以同普通RAM单元一样按字节寻址操作，共有128位，每一位都有相对应的位地址，位地址范围从00H7FH。字节地址位地址D7D6D5D4D3D2D1D02FH7FH7E

13、H7DH7CH7BH7AH79H78H2EH77H76H75H74H73H72H71H70H22H17H16H15H14H13H12H11H10H21H0FH0EH0DH0CH0BH0AH09H08H20H07H06H05H04H03H02H01H00HRAM中的位地址表 3.通用RAM区：也称用户RAM区。在该区域内，只能进行字节寻址。 A.堆栈（Stack）是按照“先进后出，后进先出”的原则来存取数据的一个内部RAM区域，这个存储器区域的一端是固定的，另一端是活动的，每个存储单元是不能按字节任意访问的。 B.在使用堆栈之前，应规定堆栈的起始位置（固定端），称为栈底。堆栈最后压入或即将弹出数

14、据的单元（活动端），称栈顶。67HA3H46H栈底PUSH指令POP指令SP堆栈指针4.片外数据存储器 片外数据存储器一般由静态RAM构成，其容量大小由用户根据需要而定。通过P0、P2口8051单片机最大可扩展片外64 KB空间的数据存储器，地址范围为0000H0FFFFH，它与程序存储器的地址空间是重合的，但两者的寻址指令和控制线不同。2.3.4 特殊功能寄存器21个SFR的地址离散地分部在内部数据存储器的80HFFH地址空间。SFR占用21个单元，其余的大部分是空余单元，它们没有定义不能作内部RAM使用。有11个SFR具有位地址，可以进行位寻址，对应的位也有位名称，它们的字节地址正好能被8

15、整除。 1）累加器ACC 最常用的8位特殊功能寄存器，大部分指令的操作数取自于ACC，许多运算结果也存放在ACC中。A是累加器ACC的助记符。 2）寄存器B 一个8位寄存器，主要用于乘法和除法操作。在其他指令中，作为一般的内部RAM使用。 3）程序状态字寄存器PSW 程序状态字寄存器也称为“标志寄存器”，由一些标志位组成，用于存放指令运行的状态。 4）堆栈指针SP 用于存放当前堆栈操作的单元地址，并根据入栈指令（PUSH）或出栈指令（POP）修改其内容，SP始终指向栈顶。系统复位后，SP初始化为07H。 5）数据指针DPTR DPTR可以作为一个16位SFR使用，也可以作为两个独立的8位寄存器

16、DPH和DPL来使用，其中DPH为8位，DPL为低8位。 如：DPH34H，DPLA6H,则DPTR34A6H。 6）I/O端口锁存器P0P3 P0P3为四个8位的特殊功能寄存器，它们有字节地址和位地址。当I/O端口某一位用于输入时，必须在相应口锁存器的对应位先写入1。 MCS-51单片机内部有4个8位的并行I/O口：P0、P1、P2、P3。其中，P1口、P2口、P3口为准双向口，P0口为双向的三态数据线口。各端口均由端口锁存器、输出驱动器、输入缓冲器构成。各端口除可进行字节的输入/输出外，每个线口还可单独用做输入/输出，因此，使用起来非常方便。2.4 MCS-51单片机的并行I/O口P0口的

17、位结构 2.4.1 P0口的结构和功能1.P0口的位结构 2.P0口的功能1）输出口 CPU在执行输出指令（如MOV P0，A）时，内部数据总线的数据在“写锁存器”信号的作用下由D端进入锁存器，反向输出送到V1，再经V1反向输出到P0.x引脚。 2）输入口 用做输入口时，必须先把锁存器写入1，目的是使V1截止以使引脚处于悬浮状态，作为高阻抗输入；若在作为输入方式之前曾向锁存器输出过0，则V1导通就会使引脚电位钳位到0，使高电平无法读入。 CPU在执行MOV类输入指令（如MOV A，P0）时，单片机内部产生“读引脚”操作信号，经缓冲器输入到内部总线。3）“读修改写”类指令的端口输出 如“CPL

18、P0.0”指令执行时，单片机内部产生“读锁存器”操作信号，使锁存器Q端的数据送到内部总线，在对该位取反后，结果又送回P0.0的端口锁存器并从引脚输出。3.地址/数据总线1）P0口分时输出低8位地址、输出数据 CPU在执行输出指令时，低8位地址信息和数据信息分时地出现在地址数据总线上。若地址数据总线的状态为1，则场效应管V2导通、V1截止，引脚状态为1；若地址/数据总线的状态为0，则场效应管V2截止、V1导通，引脚状态为0。可见P0.x引脚的状态正好与地址/数据线的信息相同。2）P0口分时输出低8位地址、输入数据 CPU在执行输入指令时，首先低8位地址信息出现在地址/数据总线上，P0.x引脚的状态与地址/数据总线的地址信息相同。然后，CPU自动使模拟转换开关MUX拨向锁存器，并向P0口写入0FFH，同时“读引脚”信号有效，数据经缓冲器读入内部总线。因此，可以认为P0口作为地址/数据总线使用时是一个真正的双向口。2.4.2 P1口的结构和功能P1口的位结构 1.P1口的结构 P2口的位结构2.4.3 P2口的结构和功能1.P2口的结构2.P2口的功能1）输出口 CPU在执行输出指令时（如MOV P2，A），内部数据总线的数据在“写锁存器”信号的作用下由D端进入锁存器，输出经非门反相送到驱动管V，再经驱动管V反相输出。2）输入口 输入口的功能与P0的输入口功能相同。3）“读修改写”类