河南理工大学万方科技单片机第二章1课件

第二章

MCS-51单片机的基本结构及工作原理《单片机原理及应用技术》教学课件MCS-51单片机的基本结构及工作原理§

2-1MCS－51单片机的基本结构§2-2MCS－51的存储器结构§2-3专用功能寄存器的SFR§2-4单片机的工作方式与最小应用系统主要内容MCS-51系列单片机的内部结构、存储器结构、工作原理、引脚功能、工作方式、时序和最小应用系统本章要点：掌握

MCS-51单片机的内部结构、存储器结构、PSW特殊功能寄存器的使用、引脚功能、最小应用系统的设计；了解工作时序及工作方式。MCS-51系列单片机配置一览表系列片内存储器（字节）定时器计数器并行I/O串行I/O中断源片内ROM片内RAM无有ROM有EPROMIntelMCS-51子系列803180C31805180C51(4K字节)875187C51(4K字节)128字节2x164x8位15IntelMCS-52子系列803280C32805280C52(8K字节)875287C52(8K字节)256字节3x164x8位16ATEML89C系列(常用型)1051(1K)/2051(2K)/4051(4K)（20条引脚DIP封装）1282151589C51(4K)/89C52(8K)（40条引脚DIP封装）128/2562/33215/6《单片机原理及应用技术》教学课件一、MCS-51内部结构并行口串行通信ROM4KB时钟电路RAM128计数器/定时器8051CPU控制逻辑可编程I/O口可编程全双工串行口外部时钟图2-18051的功能部件图外部中断《单片机原理及应用技术》教学课件二、

CPU主要功能：产生各种控制信号，去控制存储器、输入／输出端口的数据传送、数据的算术运算、逻辑运算以及位操作处理等。

（一）运算器组成：运算器由算术逻运算部件ALU、累加器Acc、暂存器、程序状态字寄存器PSW、BCD码运算调整电路等组成。对数据完成算术运算，逻辑运算、循环移位、位处理。特点：▼它是16位的按机器周期自动加1计数器▼一切分支/跳转/调用/中断/复位

等操作的本质就是:改变PC值▼总指向下一条指令所在首地址(当前PC值)1．程序计数器PC(ProgramCounter)

一个16位的专用寄存器，用来存放下一条指令的地址。它具有自动加1的功能。

2．指令寄存器

一个8位的寄存器，用于暂存待执行的指令，等待译码。3．指令译码器

对指令寄存器中的指令进行译码，分析它的功能，并根据功能产生相应的电信号。4．数据指针DPTR

是一个16位的地址指针寄存器。它主要用来存放16位地址，作间址寄存器使用。可用来访问64K外部数据存储器和I/O端口。

DPTR也可以拆成两个独立8位寄存器，即DPH（高8位字节）和DPL（低8位字节），分别占据83H和82H两个地址。（1）时钟电路设计XTAL1,XTAL2:接外部晶振的两个引脚。MCS-51内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，此放大器的输入和输出端分别是引脚XTAL1和XTAL2，在XTAL1和XTAL2上外接时钟源即可构成时钟电路。（1）时钟电路设计XTAL1,XTAL2:接外部晶振的两个引脚。单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。有内部和外部两种时钟产生方式。单片机的生产工艺不同，接法也不同。设计印刷电路板时，晶体和电容应尽可能安装在单片机芯片附近，以减少寄生电容，保证振荡器稳定和可靠工作。（2）CPU的时序80C51的片内振荡器及时钟发生器CPU总是按照一定的时钟节拍与时序工作：振荡周期（时钟周期）：晶振频率fosc（或外加频率）的倒数状态周期：2个振荡周期机器周期：完成一个规定操作所需要的时间。如，取指令、存储器读、存储器写等；1个机器周期=6个状态周期=12个振荡周期指令周期:

执行一条指令所需的机器周期数

1个机器周期=12个振荡周期；

1个指令周期=1、2或4个机器周期思考：若采用12MHz的晶振频率，其机器周期=？《单片机原理及应用技术》教学课件通常，每个机器周期中，ALE两次有效，第一次出现在S1P2和S2P1期间，第二次出现在S4P2和S5P1期间。CPU取指、执行时序每条指令的执行都可以包括取指令和执行两个阶段。在取指阶段，根据程序计数器PC的内容，

CPU从内部或外部ROM中取出指令操作码及操作数，然后再执行这条指令。按指令执行时间分类：单周期、双周期、四周期按指令所占字节数分类：单字节、双字节、三字节单字节单周期指令指令特点:在程序存储器ROM中仅占一个存储单元。在ALE第一次有效(S2P1)时,从ROM中读取指令的操作码，送入指令寄存器IR中，PC加一，并译码执行，在ALE第二次有效时,封锁PC加一，并丢弃第二次读的操作码。指令寄存器译码地址译码程序计数器地址寄存器累加器A运算器①②存储器内部数据总线外部地址总线AB数据缓冲器外部数据总线DB寄存器区外部控制总线CB内部控制信号时钟及清零单片机的工作过程取指过程例:MOVA,#09H74H

09H;把09H送到累加器A中执行过程PC=0000H0001H0000H0002H0111010000001001(PC)(PC)0001H0002H0000H外部控制总线CB取指过程(PC)执行过程你知道PC的作用吗？五、MCS-51单片机的引脚及其功能AT89S52DIP40封装（1）Vcc（40脚）,GND（20脚）

正电源端与接地端不同的单片机可以允许不同的工作电压（+5V/3.3V/2.7V)，不同的单片机表现出的功耗也不同。（2）XTAL1（19脚）,XTAL2（18脚）

片内振荡电路输入/输出端对AT89S51/S52单片机，通常外接一个晶振两个20或30pf电容，一个12M或11.0592MHz的晶振《单片机原理及应用技术》教学课件（3）RST/VPD(9脚)、ALE/PROG(30脚)

、EA/Vpp

(31脚)

、PSEN(29脚)控制信号引脚。RST/VPD：复位（正脉冲有效）/备用电源引脚复位使单片机进入某种确定的初始状态

退出处于节电工作方式的停顿状态、退出一切程序进程、退出程序的死循环，从头开始。Vcc掉电期间，此引脚可接备用电源，能保护片内RAM中的内容不丢失。无论是HMOS型还是CHMOS型的单片机，在振荡器正在运行的情况下，复位是靠在RST引脚上施加持续2个机器周期的高电平来实现的。MCS-51单片机通常采用的简单复位电路有：上电自动复位、外部脉冲复位、上电+按钮电平复位、程序运行监视复位等方式。简单复位电路+5V10uF10kVccRSTGND上电复位10uF10kVccRSTGND上电+按钮复位1k+5V《单片机原理及应用技术》教学课件程序运行监视复位程序运行监视复位通常是由各种类型的程序监视定时器WDT（WatchdogTimer）俗称为“看门狗”实现。WDT可保证程序非正常运行（如程序“飞逸”、“死机”）时，能及时进入复位状态，恢复程序正常运行。“看门狗”工作原理：在规定时间内必须至少“喂狗”一次，即复位“看门狗”。否则“看门狗”电路将复位单片机。实现：可在软件的合适地方加一条“喂狗”指令，使看门狗的定时时间永远达不到预置。WDT通常有几种实现方法供用户选择：1）单片机内部带有的WDT功能单元（如：S51）2）选择μP（microprocessor）监视控制器件，这些器件中大多有WDT电路，如Max705芯片等。μP监视控制器件MAX705/706、DS1232等DS1232（看门狗）是DALLAS公司生产的一种微机监控电路芯片。主要功能：产生上电复位和手动复位，监视电源电平，监视软件运行状态，当程序运行出现飞车时，产生复位信号。TD引脚连接至定时时间地（GND）150ms悬空600ms电源（Vcc）1200ms看门狗定时器定时时间设置Tol：电源检测选择端Tol接地，电源电压跌至4.75V以下产生复位信号Tol接VCC，电源电压跌至4.5V以下产生复位信号注意：保证看门狗定时器计数溢出前复位看门狗定时器89S51看门狗功能的使用方法在ATMEL的89S51系列的89S51与89C51功能相同，指令兼容。89S51比89C51增加了一个看门狗功能。要激活AT89S51/52的看门狗功能，只需依次向WDTRST寄存器（SFR地址为0A6H）单元送入#01EH和#0E1H即可，使看门狗定时计数器工作。

AJMPMAIN

;启动看门狗MAIN:MOV0A6H,#01EH;先送1E

MOV0A6H,#0E1H;后送E1;主程序START:

.....

ACALLWDT;调用复位看门狗子程序

....

AJMPSTART;主程序********;复位看门狗子程序WDT:MOV0A6H,#01EH;先送1E

MOV0A6H,#0E1H;后送E1

RETEND注意事项：1．89S51的看门狗必须由程序激活后才开始工作。所以必须保证CPU有可靠的上电复位。否则看门狗也无法工作。2．看门狗使用的是CPU的晶振。在晶振停振的时候看门狗也无效。3．89S51只有14位计数器。在16383个机器周期内必须至少喂狗一次。而且这个时间是固定的，无法更改。当晶振为12M时每16个毫秒需喂狗一次。ALE/PROG（30脚）:

地址锁存允许/编程脉冲输入端。

P0口寻址外部低8位地址时接外部锁存器74ls373的G端；

ALE端平时会输出周期正脉冲：

ffosc/6；

对片内ROM编程时编程脉冲由此端加入。（指并行编程模式）EA/Vpp（31脚）:寻址外部ROM控制端/编程电源输入端。低电平有效，片内无ROM时必须接地；片内有ROM时可以接高电平，也可以接低电平；接低电平时，只访问片外ROM，接高电平时，访问片内ROM，超范围时，访问片外ROM对S51/S52单片机，若不扩展ROM，/EA要接+5V

对片内ROM编程时编程正电源加到此端。（指并行编程模式）PSEN（29脚）：寻址外部程序存储器时选通外部EPROM的读控制端（OE），低电平有效。单片机锁存器74LS373P0.0-P0.7ALEPSENP2.0-P2.48D8QOEA8-A12A0-A7D0