第2章-MCS-51单片机的基本结构ppt课件(全)

第2章MCS-51单片机的基本结构吴政江制作

贵州电子信息职业技术学院贵州省人才培养优秀单位2.1MCS-51单片机的内部结构2.2AT89C51单片机引脚及其功能2.3AT89C51存储器2.4AT89C51单片机最小应用系统实训二：单片机控制信号灯亮灭

小结习题与思考题MCS-51系列单片机的基本特性可归纳为：（1）8位的CPU，片内有振荡器和时钟电路，工作频率为1～12MHz（Atmel89Cxx为0～24MHz）（2）片内有128/256字节的数据存储器RAM（3）片内有0K/4K/8K字节的程序存储器ROM（4）可寻址片外64K字节的数据存储器RAM（5）可寻址片外64K字节的程序存储器ROM（6）片内21/26个专用寄存器（SFR）（7）4个8位的并行I/O口（PIO）（8）1个全双工串行口（SIO/UART）（9）2/3个16位定时器/计数器（TIMER/COUNTER）（10）可处理5/6个中断源，两级中断优先级（11）内置1个布尔处理器和1个布尔累加器（Cy）（12）MCS-51指令集含111条指令2.1MCS-51单片机的内部结构图2-1AT89C51单片机内部结构图P0口驱动器P2口驱动器P0口锁存器P2口锁存器RAMRAM地址寄存器BACCTMP1TMP2PSWP1口驱动器P1口锁存器P3口驱动器P3口锁存器OSC定时控制逻辑电路IRPCONSCONTMODTCONT2CONTH0TL0TH1TH2TL2RCAP2H*RCAP2L*中断、串行通道定时器逻辑TL1SBUFIEIPEPROM/ROM程序地址寄存器缓冲器PC增量器程序计数器DPTRP0.0～P0.7P2.0～P2.7ALUSPP1.0～P1.7P3.0～P3.7PSENALERSTEAXTAL1XTAL2VCCGND注：*仅在8052/8032中才有2.1.1中央处理器（CPU）（1）运算器①算术逻辑单元(ALU)。②累加器(ACC)。③暂存寄存器(TMP1、TMP2)。④状态寄存器(PSW)。PSW各位的定义如表2-1所示。表2-1PSW各位定义表位编号PSW7PSW6PSW5PSW4PSW3PSW2PSW1PSW0位定义CYACF0RS1RS0OV/P位地址D7HD6HD5HD4HD3HD2HD1HD0H

a．进位标志位CY。CY表示累加器A在加减运算过程中其最高位A7有无进位或借位。若有则CY=1，否则CY=0。此外，CPU在进行移位操作时也会影响这个标志位。b．辅助进位位AC。AC表示累加器A在加减运算时低4位(A3)向高4位(A4)有无进位或借位。若有则AC=1，否则AC=0。

c．用户标志位F0。d．寄存器选择位RS1、RS0。RS1、RS0状态与工作寄存器R0～R7的物理地址关系如表2-2所示。表2-2工作寄存器R0～R7的物理地址RS1RS0工作寄存器组号R0～R7的物理地址00011011012300H～07H08H～0FH10H～17H18H～1FHe．溢出标志位OV。若最高位（第7位）与次高位（第6位）同时有进位或借位时结果未溢出，OV=0；若最高位（第7位）与次高位（第6位）一个有进位或借位，而另一个没有进位或借位时，结果溢出，OV=1。亦即f．奇偶标志位P。P用于指示运算结果中1的个数的奇偶性，若累加器A中1的个数为奇数，则P=1；若1的个数为偶数，则P=0。【例2.1】试分析执行加法指令，完成FFH与01H相加后，PSW各位的状态。MOVA，#0FFHADDA，#01H执行上述加法指令时的人工算式是：11111111B

＋00000001B100000000B上述加法中，最高位有进位，CY=1；次高位也有进位，OV=0；低4位向高4位有进位，AC=1；F0、RS1、RS0不受影响，P=0，则PSW的值为0C0H。

（2）控制器控制器是单片机内部按一定时序协调工作的控制核心，是分析和执行指令的部件。主要由程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器ID和定时控制逻辑电路等构成。程序计数器PC：专门用于存放现行指令的16位地址的。指令寄存器IR：用于存放CPU根据PC地址从ROM中读出的指令操作码。指令译码器ID：用于分析指令操作码的部件，指令操作码经译码后产生相应于某一特定操作的信号。定时控制逻辑电路：用来产生脉冲序列和多种节拍脉冲。（3）寄存器阵列寄存器阵列是单片机内部的临时存储单元或固定用途单元，包括：通用寄存器组：用来存放过渡性的数据和地址，提高CPU的运行速度。专用寄存器组：主要用来指示当前要执行指令的内存地址，存放特定的操作数，指示指令运行的状态等。例如前面介绍的PC、PSW、累加器ACC等。其他专用寄存器将在后面的相关章节中介绍。2.1.2存储器AT89C51单片机内部有256个字节的数据存储器（RAM）和4 KB的闪存程序存储器(FlashROM)，当不够使用时，可分别扩展为64KB的外部数据存储器（RAM）和64KB外部程序存储器（ROM）。2.1.3I/O端口（1）并行I/O端口AT89C51单片机有四个8位并行I/O端口，分别命名为P0口、P1口、P2口和P3口，它们都是8位准双向口（不是完全的双向口，在作输入时必须先向其输出锁存器写入1），每次可以并行输入或输出8位二进制信息。也可以按位操作进行输入或输出信息。每个并行I/O口内部有一个8位数据输出锁存器（即特殊功能寄存器SFR中的P0～P3），一个输出驱动器和一个8位输入缓冲器。（2）串行I/O端口AT89C51单片机有一个全双工的可编程串行I/O端口，它利用了P3口的第二功能，即将P3.1引脚作为串行数据的发送线TXD，将P3.0引脚作为串行数据的接收线RXD。在串行口控制寄存器SCON，电源及波特率选择寄存器PCON和串行数据缓冲器（它们都是特殊功能寄存器）的控制下，每次只能发送或接收一位二进制信息。

2.1.4定时器/计数器AT89C51单片机内部有两个16位可编程定时器/计数器，简称为定时器0(T0)和定时器1(T1)，T0和T1分别由两个8位寄存器构成，其中T0由TH0(高8位)和TL0(低8位)构成，T1由TH1(高8位)和TL1(低8位)构成。2.1.5中断系统单片机中的中断是指CPU暂停正在执行的原程序转而为中断源服务(即执行中断服务程序)，在执行完中断服务程序后再回到原程序继续执行。中断系统是指能够处理上述中断过程所需要的部分电路。AT89C51单片机的中断系统由中断源、中断允许控制器IE、中断优先级控制器IP、定时器控制器TCON(中断标志寄存器)等构成。2.1.6内部总线总线是用于传送信息的公共途径，分为数据总线（DB）、地址总线（AB）和控制总线（CB）三种类型。单片机内的CPU、存储器、I/O接口等单元部件都是通过总线连接到一起的。AT89C51单片机内部总线是单总线结构，即数据总线和地址总线是公用的。内部所有的单元电路都挂在总线上，它们之间的信息传递都经过内部总线，并采用分时操作、分时使用的方法，所以不会引起信息冲突或抢占总线的问题。图2-2AT89C51/52单片机外形及引脚排列图12345678910111213141516171819204039383736353433323130292827262524232221(T2)P1.0(T2EX)P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST(RXD)P3.0(TXD)P3.1(T0)P3.4(T1)P3.5XTAL2XTAL1GND(TNT1)P3.3(TNT0)P3.2(WR)P3.6(RD)P3.7VCCP0.0(AD0)P0.1(AD1)P0.2(AD2)P0.3(AD3)P0.4(AD4)P0.5(AD5)P0.6(AD6)P0.7(AD7)P2.7(A15)P2.6(A14)P2.5(A13)P2.4(A12)P2.3(A11)P2.2(A10)P2.1(A9)P2.0(A8)EA/VPPALE/PROGPSENP1.5P1.6P1.7RST(RXD)P3.0NC(TXD)P3.1(T0)P3.4(T1)P3.5(INT1)P3.3(INT0)P3.2P0.7(AD7)NCP2.7(A15)P2.6(A14)P2.5(A13)ALE/PROGPSENP0.4(AD4)P0.5(AD5)P0.6(AD6)EA/VPP789101112131415161739383736353433323130291819202122232425262728P1.1(T2EX)P1.4P1.3P1.2P1.0(T2)NCVCCP0.0(AD0)P0.1(AD1)P0.2(AD2)P0.3(AD3)(RD)P3.7XTAL1XTAL2GNDNC(A8)P2.0(A9)P2.1(A10)P2.2(A11)P2.3(A12)P2.4(WR)P3.66543214443424140(b)DIP封装(c)PLCC封装AT89C51DIP40AT89C51RD2/ED2PLCC44(a)三种单片机的外形2.2.1I/O端口功能（1）P0口2.2AT89C51单片机引脚及其功能

图2-3P0口位结构图DCLQQP0.XMUXT2T1Vcc控制地址/数据读锁存器内部总线写锁存器读引脚P0.X锁存器（2）P1口图2-4P1口位结构图读锁存器内部总线写锁存器读引脚P1.XTP1.X锁存器DVcc内部上拉电阻QQCL（3）P2口图2-5P2口位结构图DCLQQP2.X锁存器MUXTVcc控制内部上拉电阻读锁存器内部总线写锁存器读引脚P2.X地址

（4）P3口图2-6P3口位结构图DCLQQP3.X锁存器读锁存器内部总线写锁存器读引脚VccT内部上拉电阻第二输出功能第二输入功能P3.X表2-3P3口各位的第二功能P3口的位第二功能功能P3.0RXD串行数据接收口P3.1TXD串行数据发送口P3.2外中断0输入P3.3外中断1输入P3.4T0计数器0计数输入P3.5T1计数器1计数输入P3.6外部RAM写选通信号P3.7外部RAM读选通信号2.2.2电源线（1）VCC（第40脚）：+5V电源线。（2）GND（第20脚）：接地线。2.2.3外接晶体引脚（1）XTAL1（第19脚）：片内振荡器反相放大器的输入端和内部时钟工作的输入端。采用内部振荡器时，它接外部石英晶体和微调电容的一个引脚。当采用外部振荡器时，它是外部时钟的输入端。（2）XTAL2（第18脚）：片内振荡器反相放大器的输出端，接外部石英晶体和微调电容的另一端。采用外部振荡器时，该引脚悬空。2.2.4控制线（1）RST（第9脚）：复位输入端，高电平有效。（2）ALE/（第30脚）：地址锁存允许/编程线。（3）（第29脚）：外部程序存储器的读选通线。（4）/VPP（第31脚）：片外ROM允许访问端/编程电源端。AT89C51单片机存储器采用哈佛型结构，即将程序存储器(ROM)和数据存储器(RAM)分开，它们有各自独立的存储空间、寻址机构和寻址方式。其典型结构如图2-7所示。2.3AT89C51存储器

图2-7AT89C51存储器结构图(a)程序存储器地址分配；(b)数据存储器地址分配1EA

0FFFH0000H0EA

==外部FFFFH1000H内部RAM专用寄存器外部FFH80H7FH00H0000HFFFFH(a)(b)外部内部2.3.1程序存储器

1、片内程序存储器。片内有4KB字节的Flash程序存储器，地址范围为0000H～0FFFH。

2、片外程序存储器。当片内程序存储器不够使用时，可以扩展片外程序存储器。因程序计数器PC和程序地址指针DPTR都是16位的，所以片外程序存储器扩展的最大空间是64KB，地址范围为0000H～0FFFFH。

3、片内程序存储器与片外程序存储器的关系。无论片内还是片外扩展的程序存储器，两者的地址空间是统一的。0000H～0FFFH这4KB的地址空间为片内和片外程序存储所共有，或片内占用或片外占用，但两者不能同时占用。为了加以区分，AT89C51提供了一个专用的控制引脚，引脚接高电平时，单片机程序从内部ROM开始执行，当PC值超出内部ROM的容量时，会自动转向外部程序存储器空间。若引脚接低电平，则程序从外部程序存储器的0000H地址开始执行，不管是否有内部程序存储器。

4、在64KB程序存储器空间中，有六个单元具有固定用途。第一个是0000H单元，因为AT89C51单片机复位后程序计数器PC的内容为0000H，故CPU必须从0000H单元开始执行程序，即0000H单元是整个系统程序的起始地址。另外五个单元分别是0003H、000BH、0013H、001BH、0023H均为中断源的中断入口地址。由于0000H单元与另一个固定地址0003H之间只有3个字节空间，存放不下一个程序。因此，一般在0000H单元中存放一条绝对转移指令，用户编写的程序从转移地址开始存放，这样做的目的是为了跳过其他五个中断入口地址。

5、扩展外部程序存储器。在系统需要扩展外部程序存储器时，P0口和P2口作为地址/数据总线使用。P0口作为地址/数据复用总线使用，它先输出16位地址的低8位（PC程序计数器低8位），然后输出8位数据。当系统不需扩展，只用内部4KB的Flash存储器时，P0口和P2口可作为普通的I/O口使用。2.3.2数据存储器AT89C51单片机的数据存储器也有片内和片外之分。片内有256个字节RAM，地址范围为00H～0FFH。片外数据存储器可扩展64KB存储空间，地址范围为0000H～0FFFFH，但两者的地址空间是分开的，各自独立的，结构分配如图2-7(b)所示。访问指令也各不相同，访问内部数据存储器时，用MOV指令；访问外部数据存储器时，用MOVX指令。（1）片内数据存储器①片内RAM区。00H～7FH共128单元。a．通用寄存器区。00H～1FH这32个单元为通用寄存器区，分为四组，每组占八个RAM单元，地址由小到大分别用代号R0～R7表示。通过设置程序状态字PSW中的RS1、RS0状态来决定哪一组寄存器工作，如表2-2所示。不用的工作寄存器单元可作为一般的RAM使用。b．位寻址区。20H～2FH这16个单元为位寻址区。它有双重寻址功能，既可以进行位寻址操作（相应的地址称为位地址，16×8=128位，位地址范围为00H～7FH），也可以同普通RAM单元一样按字节寻址操作（相应的地址称为字节地址，范围为20H～2FH）。c．普通RAM区。30H～7FH这80个单元为普通RAM区。用于存放用户数据，只能按字节存取。d．堆栈区。堆栈是按“先进后出或后进先出”规律存取数据的片内RAM区域，即堆栈是数据存储器中的一个特殊区域。在RAM中专门划出一个连续存储区，用来暂时存放子程序端口地址、中断端口地址和其他一些需要保护的数据。这个连续区域可以是前面128字节RAM中的任意一段区域（中间不能间断），由使用者通过初始化程序中设置堆栈指针寄存器SP的初始值来确定栈底位置，从而确定堆栈所在的区域。堆栈的结构如图2-9所示。单片机复位后堆栈指针SP的初值为07H，如果不想占用寄存器区和位寻址区，可在程序初始化中修改SP的初值。例如，MOVSP，#30H，则栈底被确定为30H单元。每向堆栈中存入一个数据，堆栈指针自动加1，即（SP）+1→SP，指向栈顶上方空余的存储单元。需要存入的数据依次存入，而SP始终指向栈顶。从堆栈中取出（弹出）数据时，只能取出栈顶存储器中的数据，然后SP自动减1，即（SP）－1→SP，此时SP仍指向栈顶地址。先前被取出数据的那个存储单元，虽然其中内容仍为原数据，但已作废，允许被刷新，下次新压入数据会覆盖原数据。总之，堆栈操作无论是存入数据还是取出数据，均只能依次存入或依次取出，不能跳越，而且必须遵守“先进后出或后进先出”的原则。其压栈和弹栈指令分别是PUSH和POP。图2-9堆栈结构图32H栈顶33H31H30H栈底(SP）→34H

②专用寄存器区。片内80H～0FFH这一区间，AT89C51单片机集合了一些特殊用途的寄存器，一般称之为特殊功能寄存器SFR，也叫专用寄存器。每个SFR占有一个RAM单元。它们离散地分布在80H～0FFH地址范围内，如表2-4所示。

特殊功能寄存器通常用寄存器寻址，但也可以用直接寻址方式进行字节访问。其中11个寄存器还可以进行位寻址(表2-4中带*号的寄存器)操作，其位地址的分配如表2-5所示。由表2-4或表2-5可知，凡字节地址的低位为0或8（即字节地址能被8整除）的特殊功能寄存器具有位地址。其位地址的最低位就是该特殊功能寄存器的字节地址，然后依次加1增大。还有，位地址和字节地址是重复的，如80H既是P0的字节地址，又是P0的最低位的位地址，这一般可以通过指令来进行区分。凡字节操作指令涉及到的地址为字节地址，凡位操作指令涉及到的地址为位地址。

(2)片外数据存储器AT89C51单片机可扩展片外64KB空间的数据存储器，地址范围为0000H～0FFFFH，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。程序存储器的访问指令为MOVC，控制线为，而片外数据存储器访问指令为MOVX，读写控制线为、。所以尽管地址重合，也不会造成混乱。值得注意的是，数据存储器与I/O口及外围设备是统一编址的，即任何扩展的I/O口以及外围设备地址均占用数据存储器地址，因此使用时要合理安排数据存储器地址空间。单片机最小应用系统是指仅使用单片机内部资源再辅以必须的外围电路所构成的“简单”的应用系统。对于片内有程序存储器的单片机（如美国Atmel公司的AT89C51单片机），其最小应用系统的外围电路至少包括复位电路、时钟电路以及电源电路三种类型。对于片内没有程序存储器的单片机（如美国Intel公司的8031单片机），其最小应用系统的外围电路除了上述三种类型外，还必须有程序存储器扩展电路。2.4.1复位电路单片机复位是单片机的初始化工作，复位后CPU及其它功能部件都处在某一确定的初始状态，并从这个状态开始工作。AT89C51单片机的复位靠外部电路实现，信号由(RST)引脚输入，高电平有效，在振荡器工作时，只要保持RST引脚高电平两个机器周期，单片机即复位。实际电路设计中，高电平时间通常取10ms。2.4AT89C51单片机最小应用系统

（1）上电自动复位电路（2）按键电平复位电路（3）脉冲方式按键自动复位电路(a)(b)(c)图2-10单片机复位电路图(a)上电自动复位电路；(b)电平方式按键手动复位电路；(c)脉冲方式按键自动复位电路2.4.2时钟电路（1）时钟电路的组成（a）（b）（a）外接石英晶体（b）使用外部时钟

图2-11时钟电路（2）CPU时序①时钟周期。②状态周期。③机器周期。④指令周期。2.4.3电源电路单片机及其系统需要一种或多种电源电压，这些电压要求非常稳定，其误差通常必须保持在其标称值的5%以内。通常使用三端稳压集成电路78XX系列（对正电压）和79XX系列（对负电压）来设计单片机的稳压电源，以简化电路，节约能源。电路如图2-13所示。其原理是首先将220V的交流市电经变压器降压、整流器整流得到脉动直流电压，最后再经滤波器滤波、三端稳压集成电路7805稳压即可得到非常稳定的+5V直流电源。7805220V～+5VDC图2-13电源电路图2-14画出了AT89C51单片机的最小应用系统。对于Intel公司的8031单片机由于片内没有程序存储器，其最小应用系统还必须有程序存储器扩展电路。图2-14AT89C51的最小应用系统1．实训目的通过本次实训，（1）能掌握单片机最小系统的结构、组成及使用；（2）能应用单片机最小系统编程控制一个信号灯的亮灭；（3）初步掌握KeilC51uvision4的基本操作方法；（4）初步掌握ISIS7professional的基本操作方法。2．知识要点（1）硬件电路及其工作原理硬件电路如图2-15所示，它就是单片机最小应用系统加上P1口所接8个发光二极管。这里用发光二极管代替信号灯。只要用程序控制I/O口的电平高低，就可以控制信号灯的亮灭。由于单片机的P1口与发光二极管的阴极相连，发光二极管的阳极经限流电阻接到电源的正极，所以当P1口输出高电平时，发光二极管熄灭，当P1口输出低电平时，发光二极管被点亮。（2）参考程序本次实训只要求用AT89C51控制接在P1.0上的发光二极管亮灭，即亮一段时间然后熄灭一段时间再亮一段时间，依此规律循环。汇编语言参考源程序如下所示。实训二：单片机控制信号灯亮灭

ORG0000H

AJMPMAIN

ORG0100H

MAIN：CPLP1.0

ACALLDELAY

SJMPMAIN

DELAY：MOVR2，#10

DL3：MOVR0，#200

DL1：MOVR1，#250

DL2：DJNZR1，DL2

DJNZR0，DL1

DJNZR2，DL3

RET

END图2-15信号灯亮灭控制硬件电路图3．实训器材（1）DICE-5208K开发型单片机综合实验仪1套。（2）PC机1台。（3）DICE-3000仿真器1台。（4）带插针的导线若干。4．实训内容及步骤（1）启动ISIS7professional软件，并用其绘制图2-15所示电路原理图。（2）启动KeilC51uvision4软件。建立工程，输入上述汇编语言参考源程序并编译调试生成二进制的目标文件。（3）将第（2）步生成的二进制目标文件加载到第（1）步所绘图2-15所示电路原理图的AT89C51单片机中，然后仿真运行观察P1.0所接发光二极管的亮灭变化是否符合要求。（4）按硬件电路焊好电路板，将参考程序写入MCS-51单片机，通电，观察P1.0所接发光二极管的亮灭变化是否符合要求。5．思考题（1）总结ISIS7professional软件的使用方法。（2）总结KeilC51uvision4软件的使用方法。（3）修改源程序，使8个发光二极管闪烁。小结本章主要介绍了AT89C51单片机的基本结构。主要内容包括：第一、内部总体结构。主要由中央处理器（CPU）、存储器、I/O端口、定时器/计数器、中断系统以及内部总线等部分组成。第二、引脚及其功能。AT89C51单片机共有40个引脚，按其功能可分为I/O端口线、电源线、外接晶体引脚线以及控制线等四个部分。第三、存储器。AT89C51单片机的存储器分为程序存储器和数据存储器两种类型。程序存储器用于存放需要长期保存的程序及常数，数据存储器用于存放需要暂时保存的数据。程序存储器和数据存储器均有片内、片外之分。其中内部数据存储器结构复杂，功能较多，包括通用寄存器区、位寻址区、普通RAM区以及专用寄存器区等。是必须重点掌握的内容。第四、单片机最小应用系统。单片机最小应用系统是指仅使用单片机内部资源再辅以必须的外围电路所构成的“简单”的应用系统。其外围电路至少包括复位电路、时钟电路以及电源电路三种类型。本章是学习后续内容的硬件基础，必须认真学习和掌握。习题与思考题一、填空题1．MCS-51单片机工作寄存器共有四组，每组8个寄存器R0～R7，但任一时刻只能使用一组寄存器，称为当前工作寄存器，这由_________寄存器的_____________两位进行选择。2．堆栈是按______________________________规律存取数据的内部RAM区域，它的一端固定，称为_______________，另一端浮动，称为_______________。3．MCS-51单片机的存储器结构在物理上可分为四个空间，在逻辑上可分为三个空间。三个逻辑空间分别是__________