MCS-51系列单片机的结构和功能课件

1、第二章 MCS-51系列单片机的结构和功能2.1 MCS-51单片机的内部组成及信号引脚2.2 8051的存储器2.3 并行输入输出端口结构2.4 时钟电路及CPU时序2.5 复位及掉电处理第二章 MCS-51系列单片机的结构和功能2.1 MCS2.1MCS-51单片机的内部组成及信号引脚MCS - 51单片机又有51和52两个子系列，51和52系列的引脚功能、引脚数及其排列封装完全一样。51子系列52子系列片内RAM128B256B定时器/计数器23片内ROM4KB8KB中断源个数562.1MCS-51单片机的内部组成及信号引脚MCS - 518031、8051和8751的区别它们的指令系统

2、与芯片引脚完全兼容，仅片内ROM有所不同，8031片内无程序存储器，8051片内有4KB的掩模ROM，8751片内有4KB的EPROM。8031、8051和8751的区别它们的指令系统与芯片引脚完2.1.1 8051单片机的主要功能1. CPU：8位2. 内部RAM：256单元 前128 单元：用户使用 后128单元：专用寄存器占用。3. 内部ROM：4KB掩膜ROM4.定时器/计数器：216位。5.并行I/O口：48位。 P0，P1，P2，P3。6串行口：一个, 全双工。7. 中断控制系统：58时钟电路：fosc振荡频率最高为12MHz。2.1.1 8051单片机的主要功能1. CPU：8位

3、2.1.1 8051单片机的主要功能：9. 程序存储器的寻址范围为64KB。10. 片外数据存储器的寻址范围为64KB。11. 21个字节专用寄存器。12.111条指令，含乘法和除法指令。13.有强的位寻址、位处理能力。14片内采用单总线结构。15. 用单一5V电源。2.1.1 8051单片机的主要功能：9. 程序存储器的寻MCS-51系列单片机的结构和功能课件2.1.2 MCS-51单片机引脚及功能2.1.2 MCS-51单片机引脚及功能 1. 主电源引脚Vcc和Vss VCC（40脚）: 接+5 V电源正端; VSS（20脚）: 接+5 V电源地端。 2. 外接晶体引脚XTAL1和XTAL

4、2 XTAL1（19脚）和 XTAL2（18脚）: 分别用作晶体振荡电路反相器的输入和输出端。 1. 主电源引脚Vcc和Vss 3. 控制信号引脚有RST/VPD、 ALE/PROG* 、PSEN*和 EA*/VPP 。 （1） EA*/VPP（31脚）:EA*为访问外部程序存储器控制信号, 低电平有效。 （2） RST/VPD（9脚）: RST即为RESET,复位信号，高电平有效。 VPD为备用电源, 保证掉电后保存在RAM中的信息不丢失。 3. 控制信号引脚 （3） ALE/PROG*(30脚): 地址锁存允许信号。访问外部存储器时, ALE把 P0口输出的低8位地址信息锁存起来，实现低8

5、位地址和数据的分时传送。 （4） PSEN* （29脚）: 片外程序存储器读选通信号输出端, 低电平有效。即外部ROM的读信号。（相当于外部RAM的RD*) VPP和PROG*是8751等内部有EPROM的芯片的编程电源和编程脉冲输入端。 （3） ALE/PROG*(30脚): 地 4. 输入/输出（I/O）引脚P0口、 P1口、 P2口及P3口 （1） P0口（39脚32脚）: P0.0P0.7统称为P0口,分时提供低8位地址总线和8位双向数据总线。 （2） P1口（1脚8脚）: P1.0P1.7统称为P1口, 可作为准双向I/O接口使用。 （3） P2口（21脚28脚）: P2.0P2.7

6、统称为P2口, 作为准双向I/O接口，或提供高8位地址总线。 （4） P3口（10脚17脚）: P3.0P3.7统称为P3口，作为准双向I/O接口使用，每个引脚具有第二功能。 4. 输入/输出（I/O）引脚P0口、 P1口、 P2口MCS-51系列单片机的结构和功能课件引脚总结：数据总线：8位，由P0口提供。地址总线：16位，由P0和P2口提供。控制总线： RST、 ALE 、PSEN*和 EA* 以及P3口的某些第二功能引脚。 引脚总结：2.2 8051的存储器配置存储器用于存放程序和数据。普林斯顿结构：将程序和数据统一编址共存于一个存储器中。哈佛结构：将程序和数据分别编址存放于不同的存储器

7、中。通用计算机一般采用普林斯顿结构。MCS-51系列单片机采用的是哈佛结构。2.2 8051的存储器配置存储器用于存放程序和数据。2.2 8051的存储器配置MCS-51单片机的存储空间分为四个： 片内ROM, 片外ROM, 片内RAM, 片外RAM.2.2 8051的存储器配置MCS-51单片机的存储空间分为从用户使用的角度，8051存储器地址空间分为三个：MOVC（1） 片内、片外统一编址0000FFFFH的64K字节的程序存储器地址空间（用16位地址）；MOVX （2） 64K字节的片外数据存储器地址空间，地址也从0000FFFFH（用16位地址）；MOV （3） 256字节数据存储器地

8、址空间00FFH （用8位地址）。从用户使用的角度，8051存储器地址空间分为三个：FFFFH1000H片外扩展存储器8051片内存储器 0FFFH0000H4KBROM7FH00HFFH80HSFRRAM64KBROM64KBRAM(I/O)FFFFH0000H图2-3 8051存储空间分布图0FFFH0000HFFFFH片外扩展存储器8051片内存储器 0FFFH4KB2.2.1 程序存储器（ROM）用途： 用于存放编好的程序和表格常数。PC 8051片内有4KB ROM， 片外16位地址线可扩展64KB ROM，二者是统一编址的。 当引脚 EA*=1， 8051从0000H执行片内ROM

9、中的程序。 当指令地址超过0FFFH后，就自动转向片外ROM取指令。 当引脚EA*=0，8051片内ROM不起作用，CPU只能从片外ROM/EPROM中取指令，地址可以从0000H开始编址。2.2.1 程序存储器（ROM）用途： 用于存放编好的程序思考： 8031的EA*引脚应该如何接？思考： 2.2.1 程序存储器（ROM）PC是程序计数器，是管理程序执行次序的寄存器，存放将要执行的指令的地址。程序的执行有2种情况，按照顺序执行和跳转。为此，PC有3种功能：1、复位功能：复位时计算机进入初始状态，PC的内容自动清零。2、计数功能：每取出指令代码的一个字节，PC的内容自动加1（加法计数）3、直

10、接置位功能：在执行跳转、返回指令时将跳转的地址直接加载PC。2.2.1 程序存储器（ROM）PC是程序计数器，是管理程内部ROM中的一些特殊单元 内部ROM中的一些特殊单元 2.2.2 数据存储器RAM用途：用于存放运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等。RAM分类：片内RAM： 256字节；地址从00H0FFH；片外RAM： 64K字节；地址从0000HFFFFH。MOV 片内RAM:R0、R1、直接寻址MOVX 片外 RAM:R0、R1、DPTR2.2.2 数据存储器RAM 1片外RAM 片外RAM： 64K字节，地址从0000HFFFFH。 MOVX，R0、R1、DPTRMOVX指令时

11、：RD*、WR*信号有效 1片外RAM2片内RAM一、 内部数据存储器低128单元低128单元是单片机的真正RAM存储器，按其用途划分为三个区域：2片内RAMMCS-51系列单片机的结构和功能课件1）寄存器区：共有四组寄存器，每组8个单元一组（8位），各组都以R0、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7作寄存单元编号。 占据内部RAM的00H1FH单元地址。 在任一时刻，CPU只能使用其中的一组寄存器，并且把正在使用的那组寄存器称之为当前寄存器组。到底是那一组由程序状态字寄存器PSW中RS0、RS1位的状态组合来决定。1）寄存器区：共有四组寄存器，每组8个单元一组（8位），各 RS0和RS1

12、（PSW.4，PSW.5）寄存器组选择位RS1RS0寄存器组片内RAM地址通用寄存器名称000组00H07HR0R7011组08H0FHR0R7102组10H17HR0R7013组18H1FHR0R7 RS0和RS1（PSW.4，PSW.5）寄存器组选择2）. 位寻址区：（表2-4） 内部RAM的20H2FH单元，既可作为一般RAM单元使用进行字节操作，也可以对单元中的每一位进行位操作，因此把该区称之为位寻址区、位寻址区共有16个RAM字节单元，共128位，位地址为00H7FH。3）. 用户RAM区： 在内部RAM低128单元中，单元地址为30H7FH。 应当提及，在一般应用中常把堆栈开辟在此

13、区中。2）. 位寻址区：（表2-4）MCS-51系列单片机的结构和功能课件2.2.3 专用寄存器内部数据存储器高128单元：被特殊功能寄存器（SFR）使用。 其单元地址为80HFFH。1专用寄存器简介：8051共有21个专用寄存器，现部分介绍：2.2.3 专用寄存器（1）累加器ACC（Accumulator） 8位寄存器，是最常用的专用寄存器 大部分单操作数指令的操作数就取自ACC，许多双操作数指令中的一个操作数也取自累加器。（2） B寄存器 8位寄存器，主要用于乘除运算。B寄存器也可作为一般数据寄存器使用。（1）累加器ACC（Accumulator）（3）程序状态字PSW（Program S

14、tatus Word） 8位寄存器，用于存放程序运行的状态信息。 其中：有些位状态是根据程序执行结果，由硬件自动设置的而有些位状态则使用软件方法设定D7D6D5D4D3D2D1D0CyACF0RS1RS0OVP（3）程序状态字PSW（Program Status Wor CY（PSW.7）进位标志位；位累加器 AC（PSW.6）辅助进位标志位 加减运算中当有低4位向高4位进位或借位时，AC由硬件置位，否则AC位被清零。 F0（PSW.5）用户标志位需要时用软件方法置位或复位，用以控制程序的转向。 CY（PSW.7）进位标志位；位累加器 RS0和RS1（PSW.4，PSW.5）寄存器组选择位RS

15、1RS0寄存器组片内RAM地址通用寄存器名称000组00H07HR0R7011组08H0FHR0R7102组10H17HR0R7013组18H1FHR0R7 RS0和RS1（PSW.4，PSW.5）寄存器组选择 OV（PSW.2）溢出标志位 8位带符号数字加减运算结果是否超出运算范围。 8位有符号数字表示的范围：128127。 OV0，运算正确，即无溢出产生。 在乘法运算中，OV1，表示乘积超过255； 在除法运算中，OV1，表示除数为0，除法不能进行。 P（PSW.0）一一奇偶标志位。表明累加器A中数的奇偶性。 OV（PSW.2）溢出标志位例题：分析指令MOV A，#7FHADDA，#47H

16、执行后，A 、C、AC、OV、P的内容是什么？（A）=C6H；C=0、AC=1；OV=1；P=1/0例题：分析指令MOV A，#7FH（4） 数据指针（DPTR） 16位寄存器。 MCS一51中唯一的一个16位寄存器。 编程时，DPTR既可按16位寄存器使用，也可以按两个8位寄存器分开使用。 DPH： DPTR高位字节 DPL： DPTR低位字节 作用：通常在访问外部RAM时作地址指针使用, 由于外部数据存储器的寻址范围64KB。（4） 数据指针（DPTR）（6）I/O端口P0P3（80H，90H，A0H，B0H）P0P3为四个8位特殊功能寄存器，分别是四个并行I/O端口的锁存器。它们都有字节

17、地址，每一个口锁存器还有位地址，所以当每一条I/O线独立地用作输入或输出时，数据可以锁存；作输入时，数据可以缓冲。当I/O端口某一位用于输入信号时，对应的锁存器必须先置“1”。（6）I/O端口P0P3（80H，90H，A0H，B0H表 2.6 SFR特殊功能寄存器地址表 表 2.6 SFR特殊功能寄存器地址表 表 2.6 SFR特殊功能寄存器地址表 表 2.6 SFR特殊功能寄存器地址表 几点说明： 专用寄存器不连续地分散在内部RAM高128单元之中、空闲地址不能被用户使用。 使用SFR时，既可使用寄存器符号，也可使用寄存器单元地址。例如： MOV B， ACCMOVB， E0H几点说明：3.

18、 可位寻址专用寄存器： 在21个可寻址的专用寄存器中，有11个寄存器是可以位寻址的，见表l4。全部专用寄存器可寻址的位为：83位位寻址区： 128位 共211位3. 可位寻址专用寄存器：2.2.4 堆栈及堆栈指示器 1、堆栈：只允许在其一端进行数据插入和数据删除操作的线性表。堆栈占用内部RAM 30H3FH的部分区域。堆栈指针SP是一个专用地址寄存器，它指明栈顶的位置，起着管理堆栈的作用。（复位时SP=07H）堆栈操作的最大特点：“后进先出”。2.2.4 堆栈及堆栈指示器MCS-51系列单片机的结构和功能课件2、堆栈传送数据方式： 入栈：PUSH 出栈：POP。2、堆栈传送数据方式：3. 堆栈

19、的功能：堆栈是为子程序调用和中断操作而设立的。功能：保护断点地址和保护现场数据。断点地址： 当前PC值。 现场数据：主程序中用到子程序还要用到的寄存器中的内容。3. 堆栈的功能： * * * 例如： MOV A, B LCALL HEXASCII (PC=1000H) ADD A, #12H* * * (PC=2000H) HEXASCII : PUSH AMOV R0, #30H ADD A,R0 * * * POP ARET;返回 * * *现场数据用指令保护和弹出，断点地址是在执行调用和返回指令时自动保护和弹出的，不需要使用专门的指令。 * * *现场数据用指令保护和4堆栈使用方式：两种

20、 (1)：自动方式：（保护断点） 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. 操作的特点：堆栈操作无需用户干预- 自动方式。 LCALL NEXT 4堆栈使用方式：两种(2)：指令方式（保护现场） 进栈指令: PUSH出栈指令: POP。例如： PUSHAPUSHBPOPBPOPA(2)：指令方式（保护现场） 5、堆栈使用要求： 要让它具有足够的容量（或者说足够的堆栈深度） 堆栈存放在内部RAM 的30H7FH中，但复位后SP=07H，故要使用堆栈，要给SP重新设定值。同时要尽量位于该部分存储区的高地址，一般设定 MOV SP,#50H或60H，这样从该

21、地址到7FH就是可以使用的堆栈空间。 5、堆栈使用要求： 6. 堆栈开辟 1）外堆栈：在主存储器中开辟堆栈例如8080，Z80等早期的微型机。主要优点是堆栈容量大。但外堆栈的操作速度较慢。 2) 内堆栈：在CPU芯片内部存储器中开辟。MCS51的堆栈就是开辟在内部RAM中。 主要优点是操作速度快，但堆栈容量有限。 7.堆栈两种类型： 向上生长型和向下生长型。 MCS5l 为向上生长型，其操作规则为： 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。MCS-5180867.堆栈两种类型： 向上生长型和向下生长型。MCS-51802.3 并行输入/输出端口结构MCS-51单片机

22、共有4个8位双向并行输入/输出（I/O）口，分别为：P0、P1、P2、P3。这4个口可以并行输入或输出8位数据；也可以按位使用，即每一根输入/输出线都能独立的用作输入或输出。四个I/O口在结构和特性上基本相同的，但又各具特点。2.3 并行输入/输出端口结构P0P1口的功能 1P0口为双向（输入/输出）三态口A/D线。 用作： 地址/数据总线口。 低8位地址/8位数据总线分时复用。 2P1口：作为可编程的输入或输出线。 3P2口： 用作：（1）可作为输入或输出线用； （2）当扩展系统外设时，可作为扩展系统的高8位地址总线，与P0口一起组成16位地址总线。 说明：对8031单片机来说，P2口一般只

23、作为地址总线使用，而不作为I/O线直接与外设相连。为什么？ P0P1口的功能4P3口： 双功能口。 （1）：可作为输入或输出口线用； （2）：特殊的第二功能。4P3口： 双功能口。1. P1口1. P1口P1口的功能P1口只有一种功能通用输入/输出接口，有输出、输入、端口操作3种工作方式。 （1）输出方式：计算机执行写P1口的指令如MOV P1，#data时，P1口工作于输出方式。此时数据data经内部总线送入锁存器锁存。P1口的功能P1口只有一种功能通用输入/输出接口，有输出、P1口的功能（2）输入方式：计算机执行读P1口的指令如MOV A，P1时，P1口工作于输入方式。控制器发出的读信号打

24、开三态门1，引脚P1.上的数据经三态门1进入芯片内部总线，并送到累加器A。因此输入时无锁存功能。 在执行输入操作时，如果锁存器原来寄存的数据Q=0。那么由于Q*=1将使V1导通，引脚被始终钳位在低电平，不可能输入高电平。为此，用作输入前，必须先用输出指令置Q=1，使V1截止。因此P1口被称为准双向接口。单片机复位后，P1口线的状态都是高电平，可以直接用做输入。P1口的功能（2）输入方式：计算机执行读P1口的指令如MOVP1口的功能（3）端口操作：MCS-51单片机有不少指令可直接进行端口操作，如：ANLP1，#dataORLP1, #dataXRLP1,AINCA这些指令的执行过程分成“读-修

25、改-写”三步。先将P1口的数据读入CPU，在ALU中进行运算，运算的结果再送回P1。执行端口操作指令时，CPU通过三态门2读回锁存器Q端的数据。P1口的功能（3）端口操作：MCS-51单片机有不少指令可直P1口的负载能力P1口输出时能驱动4个LSTTL负载。通常把100uA的输入电流定义为一个TTL负载的输入电流，所以P1口的输出电流不小于400uA。P1口内部有上拉电阻，因此在输入时，无须外接上拉电阻。P1口的负载能力P1口输出时能驱动4个LSTTL负载。通常2. P2口2. P2口P2口P2口有2种用途：通用I/O接口或高8位地址总线。地址总线：计算机从片外ROM中取指，或者执行访问片外R

26、AM、片外ROM的指令时，P2口上出现PC或DPTR的高8位地址。上述情况，锁存器的内容不受影响。一般，在系统扩展了ROM，取指操作连续不断，P2口不断送出高8位地址，这时P2口就不应再做通用I/O使用了。如果系统仅仅扩展外部RAM，情况应具体分析。P2口P2口有2种用途：通用I/O接口或高8位地址总线。P3口口线逻辑电路图3. P3口P3口口线逻辑电路图3. P3口P3口的第二功能P3口作为第二功能使用时，其锁存器Q端必须为高电平，否则V1管导通，引脚被钳位在低电平，无法输入或输出第二功能信号。单片机复位时，锁存器输出端为高电平。P3口的第二功能P3口作为第二功能使用时，其锁存器Q端必须为4

27、. P0口4. P0口MCS-51系列单片机的结构和功能课件P0口作为地址/数据分时复用总线单片机系统扩展片外存储器时，P0口作为地址/数据分时复用总线使用。在访问片外存储器时，CPU送来的控制信号为高电平，模拟开关打在上方。如果执行输出数据的指令，分时输出的地址/数据经倒相器4、驱动V1、V2送到引脚。如果执行取指操作或输入数据的指令，地址仍经V1、V2输出，而输入的数据经输入缓冲器1进入内部总线。P0口作为地址/数据分时复用总线单片机系统扩展片外存储器时，2.4 时钟电路及CPU时序时钟电路：用于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关系。2.4.1 时钟电路1

28、内部时钟方式利用芯片内部的振荡器，然后在引脚XTAL1和XTAL2两端跨接晶体振荡器和微调电容，就构成了一个稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接输入单片机的内部时钟电路。 2.4 时钟电路及CPU时序内部时钟电路；晶体振荡器可以是石英晶体或陶瓷结构，振荡频率范围是1.212MHz。对于石英晶体振荡器，电容C1和C2在30pF左右；陶瓷振荡器， C1和C2在47pF左右。C1和C2的作用：1、使晶振起振2、对频率起微调作用。内部时钟电路；晶体振荡器可以是石英晶体或陶瓷结构，振荡频率范2. 外部时钟方式2. 外部时钟方式2.4.2 CPU的时序MCS-51的时序定时单位共有4个，从小到大依次是： 拍节，状态、机器周期、指令周期。1拍节与状态拍节（P）：振荡脉冲的周期，又称振荡周期。状态（S）: 时钟信号的周期，又称时钟周期。关系：振荡频率2倍时钟频率 时钟周期2倍振荡周期， 即 1S=2P （拍节1（P1），拍节2（P2）。2.4.2 CPU的时序2机器周期机器周期: 指CPU访问存储器一次所需要的时间。 例如取指令，读存储器、写存储器等。MCS-51的一个机器周期包括12个振荡周期（12P）6S 即6个状态：S1S6。 而每个状态又分为两拍，称为P1和P2。 因此，一个机器周期中的12个振荡