第6章MCS-51系列单片机硬件结构

第6章单片机总体结构

1。本章主要内容：单片机结构、引脚、时钟与时序；单片机复位与复位电路；单片机的存储器

2。本章重点： 单片机引脚、单片机的时序、单片机的存储器3。本章难点：单片机的并行接口4、教学内容如下：6.1概述6.1概述6.2MCS-51单片机内部结构1．中央处理器CPU

这是单片机的核心，它完成运算和控制功能。其工作原理如图1-4。

2．内部数据存储器RAMMCS-51系列单片机中51子系列有128个字节单元，地址为00~7FH。、3．内部程序存储器ROM8051单片机内有4KB掩膜ROM。8751单片机片内有4KB的EPROM型只读存储器，8031单片机内没有ROM。4．特殊功能寄存器SFR（SFR，SpecialFunctionRegister）SFR地址离散地分布在80H~0FFH特殊功能寄存器空间。(1)串行口(2)定时器/计数器(3)中断控制器(4)并行口5.CPU内部总线和外部总线CPU通过内部总线与单片机各个内部部件连接。外部总线即单片机系统总线，系统总线由P3、P2、P0经总线形成电路生成、6.时钟电路外接晶振，产生单片机所需时钟信号。6.3MCS-51系列单片机的引脚及其功能

1、电源输入：Vcc和Vss；时钟输入：XTAL1和XTAL2。

1、电源输入：Vcc和Vss；时钟输入：XTAL1和XTAL2。2、RST/Vdd，输入脚：正常供电时为“复位输入”供电不正常时为“备用电源输入”。保护单片机内部RAM的数据不丢失。

1、电源输入：Vcc和Vss；时钟输入：XTAL1和XTAL2。2、RST/Vdd，输入脚：正常供电时为“复位输入”供电不正常时为“备用电源输入”。保护单片机内部RAM的数据不丢失。3、PSEN，输出脚：单片机读外部程序存储器时输出“0”。

4、EA/Vpp，输入脚（1）输入TTL电平（0V或5V）输入高电平5V（逻辑1），单片机只读内部程序存储器ROM；输入低电平0V（逻辑0），单片机只读外部程序存储器ROM。

4、EA/Vpp，输入脚（1）输入TTL电平（0V或5V）输入高电平5V（逻辑1），单片机只读内部程序存储器ROM；输入低电平0V（逻辑0），单片机只读外部程序存储器ROM。（2）输入高电压（12.5V或25V）创造异常工作环境：可以对单片机内部EPROM编程（写指令入程序存储器）详细解释见下页：

EA/Vpp输入TTL电平EA/Vpp输入高电压

（单片机的一般应用）（写单片机内部EPROM）

EA/Vpp输入TTL电平EA/Vpp输入高电压

（单片机的一般应用）（写单片机内部EPROM）ALE/(/PROG)作为输出脚ALEALE输出低8位地址锁存信号P0口：P0口输出低8位地址时，ALE输出1；P0口作为数据总线时，ALE输出0。P1口：普通的I/O口。P2口：输出高8位地址。

EA/Vpp输入TTL电平EA/Vpp输入高电压

（单片机的一般应用）（写单片机内部EPROM）ALE/(/PROG)作为输入脚PROG输入“写片内程序存储器”控制信号，低电平有效。P0口：写片内程序存储器时输入“指令”。P1口：写片内程序存储器时输入低8位地址。P2口：写片内程序存储器时输入高8位地址。

P3口的第二功能表口线特殊功能信号名称P3.0RXD串行输入口P3.1TXD串行输出口P3.2INT0外部中断0输入脚P3.3INT1外部中断1输入脚P3.4T0定时器0外部输入脚P3.5T1定时器1外部输入脚P3.6WR写选通输出脚P3.7RD读选通输出脚

XTAL2XTAL1MCS-51C1C2CYSXTAL2XTAL1MCS-51+5VVSSTTL外部时钟源内部振荡方式外部振荡方式6.4时钟电路与时序

振荡器与时钟电路

P1P2S1P2状态周期振荡（时钟）周期机器周期机器周期指令周期XTAL2(OSC)S2S3S4S5S6S1S2S4S5S3S6P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P2P2P2P2P2P2P2P2P2P2》振荡（时钟）周期P：时钟频率的倒数。1、单片机工作周期

P1P2S1P2状态周期振荡（时钟）周期机器周期机器周期指令周期XTAL2(OSC)S2S3S4S5S6S1S2S4S5S3S6P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P2P2P2P2P2P2P2P2P2P2》振荡（时钟）周期P：时钟频率的倒数。》状态周期S：时钟周期×2。1、单片机工作周期

P1P2S1P2状态周期振荡（时钟）周期机器周期机器周期指令周期XTAL2(OSC)S2S3S4S5S6S1S2S4S5S3S6P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P2P2P2P2P2P2P2P2P2P2》振荡（时钟）周期P：时钟频率的倒数。》状态周期S：时钟周期×2。》机器周期：状态周期×6。1、单片机工作周期

P1P2S1P2状态周期振荡（时钟）周期机器周期机器周期指令周期XTAL2(OSC)S2S3S4S5S6S1S2S4S5S3S6P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P2P2P2P2P2P2P2P2P2P2》振荡（时钟）周期P：时钟频率的倒数。》状态周期S：时钟周期×2。》机器周期：状态周期×6。》指令周期：执行一条指令(含“取指”)所需的时间，不是常数1～3个机器周期。1、单片机工作周期

2.单片机时序(1)单片机原始时序

2.单片机时序(1)单片机原始时序(2)单片机系统总线时序单片机三总线(即AB、DB、CB)由所谓总线形成电路获得

2.单片机时序(1)单片机原始时序(2)单片机系统总线时序与第2章诸时序相同。

3、单片机工作工程和工作方式（1）复位方式（a）上电复位电路（b）上电/手动复位电路

单片机RST/VpDVccVss

单片机RST/VpDVccVss

复位时的工作状态

（a）复位时，各RAM和SFR寄存器的状态为：（PC）=0000H；（SP）=07H；其余SFR寄存器内容均为0；RAM的内容保持不变；（b）复位时，各引脚状态为：P0～P3=FFHALE=0，PSEN=1。

（2）待机方式在待机方式下：提供给CPU的时钟信号被切断，CPU全部内部状态被保留时钟信号仍提供给中断控制器、串行口和定时器。Ｖcc仍为５Ｖ，但单片机消耗的电流可由正常的24mA降为３mA。（a）使电源控制寄存器PCON的IDL位为１，则进入待机方式。

（b）退出待机方式的方法：来了一个中断请求或硬件复位。

（3）掉电方式在掉电方式下：片内振荡器停止工作，所有功能停止，片内RAM和寄存器内容保持不变各端口值被锁存，ALE、PSEN输出为０。Ｖcc可降至２Ｖ，电流仅为50uA。（a）使使电源控制寄存器PCON的PD位为１，则进入掉电方式。（b）退出掉电方式的方法：硬件复位。

(4)编程和校验方式EA/Vpp脚输入12.5V（或25V）时，单片机进入此方式。用途：对单片机内部EPROM输入程序并校验之。（5）程序执行方式单片机的基本工作方式。

6.5存储器组织

6.5存储器组织

6.5存储器组织

1、程序存储器a、EA脚输入1：片内4KB＋片外60KB统一编址：0000H~FFFFH。b、EA输入0：片内0KB＋片外64KB编址：0000H~FFFFH。

2、数据存储器单片机允许扩充64KB外部数据存储器。用专门的指令访问之。外部RAM0000HFFFFH

单片机内部RAM分为内部数据存储器（灰色）和特殊功能寄存器（绿色）

单片机内部RAM分为内部数据存储器（灰色）和特殊功能寄存器（绿色）（1）内部数据存储器①工作寄存器区

先设定RS1和RS0，从而确定谁是当前工作寄存器RS1、RS0是寄存器PSW中的位。RS1RS0组别

R0R1R2R3R4R5R6R7000110110123

00H01H02H03H04H05H06H07H08H09H0AH0BH0CH0DH0EH0FH10H11H12H13H14H15H16H17H18H19H1AH1BH1CH1DH1EH1FH

先设定RS1和RS0，从而确定谁是工作寄存器（RS1、RS0是寄存器PSW中的第4、3位）。 例如： SETBRS1 CLRRS0 MOVR1,#53H CLRPSW.4 MOVR1,#55H MOVR0,#33HRS1RS0组别

R0R1R2R3R4R5R6R7000110110123

00H01H02H03H04H05H06H07H08H09H0AH0BH0CH0DH0EH0FH10H11H12H13H14H15H16H17H18H19H1AH1BH1CH1DH1EH1FH

②位寻址区③数据缓冲区（通用RAM）

（2）特殊功能寄存器（SFR）BF0HB.7F7HB.6F6HB.5F5HB.4F4HB.3F3HB.2F2HB.1F1HB.0F0HAccE0HAcc.7Acc.6Acc.5Acc.4Acc.3Acc.2Acc.1Acc.0PSWD0HCYACF0RS1RS0OVF1PIPB8HPSPT1PX1PT0PX0P3B0HP3.7P3.6P3.5P3.4P3.3P3.2P3.1P3.0IEA8HEAESET1EX1ET0EX0P2A0HP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0SBUF99HSCON98HSM0SM1SM2RENTB8RB8TIRIP190HP1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0SFR地址MSB位定义（位地址）LSB

（2）特殊功能寄存器续（SFR）SFR

地址MSB位定义（位地址）LSBTH1(8DH)TH0(8CH)TL1(8BH)TL0(8AH)TMOD(89H)GATEC/TM1M0GATEC/TM1M0TCON88HTF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0PCON(87H)SMODGF1GF0PDIDLDPH(83H)DPL(82H)SP(81H)P080HP0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0特殊功能寄存器通用RAM位寻址区寄存器区

CY：进借位标志；AC：辅助进借位标志；OV：溢出标识；P：累加器A中1的奇偶标识；F0、F1：用户标志；

RS1、RS0：工作寄存器组选择。

②数据指针寄存器DPTR，16位寄存器。它由两个8位寄存器DPH、DPL组成

特别需要指出的是，51系列内部RAM，80~FFH中未定义的单位为不可访问单元①程序状态字PSWD0HCYACF0RS1RS0OVF1P

（3）位寻址空间(单片机有两块可以位寻址的空间)：》片内RAM中有128位，位地址：00H～7FH》SFR中有93位：有位地址和位名》位操作可以对位地址进行，也可以对位名进行例如： CLR2CH CLRP0.7 MOVACC.7,C SETBPX0

6.6并行输入/输出接口单片机有4个接口：P0,P1,P2,P3 同时P0还是地址/数据复用线，P2还是地址线，P3还是控制线。为了正确的应用这些引脚，我们学习这些端口的逻辑电路。

6.6.1P0口P0.ii＝0,1,2,3,4,5,6,7》本图所涉及器件：锁存器、缓冲器、非门、与门等

BUF1/01/01BUF1/0高阻态0P0.i锁存器DCLKQQD触发器工作原理：a、CLK输入“0”，Q维持原状态。b、CLK输入正脉冲“1”，Q翻转同D。

T漏极源极栅极T漏极源极栅极等价于T漏极源极栅极1等价于T漏极源极栅极1T漏极源极栅极0等价于T漏极源极栅极0

1、CPU使“控制”为1，P0口作为总线用。1）P0口作为总线用的输出情况：输出1时如图示。P0.i锁存器读锁存器VccP0.i引脚内部总线写锁存器读引脚BADCLQQBUF1BUF2T101地址/数据控制T2VccT1T2110110

1、CPU使“控制”为1，P0口作为总线用。1）P0口作为总线用的输出情况：输出0时如图示。P0.i锁存器读锁存器VccP0.i引脚内部总线写锁存器读引脚BADCLQQBUF1BUF2T101地址/数据控制T2VccT1T2001001

1、CPU使“控制”为1，P0口作为总线用。2）P0口作为总线用的输入情况：CPU使“读引脚”为1P0.i锁存器读锁存器VccP0.i引脚内部总线写锁存器读引脚BADCLQQBUF1BUF2T1地址/数据控制T2

2、执行与P0有关的指令，使“控制”为0，P0作为I/O口使用，特点是输出漏极开路。P0.i锁存器读锁存器VccP0.i引脚内部总线写锁存器读引脚BADCLQQBUF1BUF2T10地址/数据控制T2VccT1T20

1）P0的输出：输出0时的情况。执行指令： MOVP0,#00H；使“控制”为０，CPU输出相关信息。P0作为I/O口能输出指令中的逻辑0。P0.i锁存器读锁存器VccP0.i引脚内部总线写锁存器读引脚ADCLQQBUF1BUF2T10地址/数据控制T2VccT1T20000110

1）P0口的输出：输出１时的情况。执行指令： MOVP0,#0FFH；使“控制”为０，CPU输出相关信息。注意：P0作为I/O口不能输出逻辑１，只能输出高阻态。P0.i锁存器读锁存器VccP0.i引脚内部总线写锁存器读引脚ADCLQQBUF1BUF2T10地址/数据控制T2VccT1T20悬空1100高阻

3、P0作为I/O口使用时必须采取的措施：外接上拉电阻。通过单片机以外的电路，化高阻态为高电平。P0.i锁存器读锁存器VccP0.i引脚内部总线写锁存器读引脚ADCLQQBUF1BUF2T10地址/数据控制T2VccT1T20悬空1100高阻VccVcc1

》P0口能驱动8个TTL门。每个TTL负载吸取100uA电流，P0口线最多能输出800uA电流。P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0

TTL

TTL

TTL

TTL

TTL

TTL

TTL

TTL51系列

6.6.2P1口

P1.ii＝0,1,2,3,4,5,6,7P1.i锁存器读锁存器VccP1.i引脚内部总线写锁存器读引脚０A上拉电阻DCLKQQBUF2BUF1Q

》P1口的输出：输出0时的情况。执行指令： MOVP1,#00H；CPU输出相关信息。P1.i锁存器读锁存器VccP1.i引脚内部总线写锁存器读引脚０A上拉电阻DCLKQQBUF2BUF1Q０１０ＡVcc

》P1口的输出：输出１时的情况。执行指令： MOVP1,#0FFH；CPU输出相关信息。P1.i锁存器读锁存器VccP1.i引脚内部总线写锁存器读引脚１A上拉电阻DCLKQQBUF2BUF1Q１０１ＡVcc

》P1口的输入：执行指令 MOVA,P1,；CPU输出“读引脚”信号后，；采取内部总线上的数据入Ａ。P1.i锁存器读锁存器VccP1.i引脚内部总线写锁存器读引脚ＢA上拉电阻DCLKQQBUF2BUF1Q０１ＡVcc

》P1口能驱动4个TTL门。每个TTL负载吸取100u