单片机第二章2课件

上节回顾:从一个简单的测控应用实例说起介绍单片机技术的重要性、实用性单片机的基本概念单片机与计算机之异同单片机的发展概况单片机的特点和应用本节主要内容:2.2单片机的内部结构2.2单片机的内部结构

MCS-51单片机的主要特点（1）扩大了内部程序存储器（ROM）和内部数据存储器（RAM）的容量。（2）具有布尔代数运算能力。（3）具有32条双向可被独立寻址的I/O口。（4）具有5～6个中断源，可分为2个中断优先级。（5）具有丰富的指令系统。（6）具有全双工传输信号UART。（7）片内具有时钟振荡电路。（8）烧写工艺上采用可一次性烧写的内含ROM或可重复烧写的EPROM。2.2.1内部结构微计算机组成微处理器CPUROMRAMI/O接口外设地址总线AB数据总线DB控制总线CB微型机组成框图1．CPU

CPU也叫中央处理器，是单片机的核心部件，主要完成单片机的运算和控制功能。（1）运算器：包括算术逻辑单元ALU、布尔处理器、累加器ACC、寄存器B、暂存器TMP1和TMP2、程序状态字PSW寄存器及十进制调整电路等。（2）控制器：包括定时控制逻辑、指令寄存器、译码器以及信息传送控制部件等，以实现控制功能。

2．内部存储器

单片机内的存储器包括程序存储器和数据存储器，它们是相互独立。（1）程序存储器（ROM）：为只读存储器，用于存放程序指令，常数及数据表格。（2）数据存储器（RAM）：为随机存储器，用于存放数据。数据存储器又可分为内部数据存储器和外部数据存储器。在单片机内部有256个RAM单元来存放可读写的数据，其中，后128单元被专用寄存器占用，作为寄存器供用户使用的只是前128单元。

3．定时/计数器

MCS-51单片机内部有2个16位的定时器/计数器，用于实现内部定时或外部计数的功能；并以其定时或计数的结果（查询或中断方式）来实现控制功能。

6．全双工串行口MCS-51单片机还有一个全双工的串行口，以实现单片机与外部之间的串行数据传送。7．OSCOSC是单片机的时钟电路。时钟电路用于单片机产生时钟脉冲序列，协调和控制单片机的工作。MCS-51系列单片机分类

资源配置子系列片内ROM形式片内

ROM容量片内RAM容量定时/计数器中断源

无ROMEPROME2PROM51子系列80318051875189514KB128B2×16552子系列80328052875289528KB256B3×1662.2.2引脚定义及功能

805112345678910111213141516171819204039383736353433323130292827262524232221

P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/VPDRXD/P3.0TXD/P3.1INT0/P3.2INT1/P3.3T0/P3.4T1/P3.5WR/P3.6RD/P3.7XTAL2XTAL1VssVccP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VppALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0P3口的特殊功能

单片机引脚（5）VDD（40脚）：+5V电源。（6）VSS（20脚）：GND（7）XTAL1（19脚）

XTAL2（18脚）：接外部石英晶振的引脚，也可引入外部时钟。（8）RESET（9脚）：复位信号引脚。必须在此引脚上出现两个机器周期的高电平，才能保证单片机可靠的复位。复位后，单片机内部各寄存器的状态见表2-2所示。复位后单片机寄存器的内容

单片机引脚（10）PSEN（29脚）：外部程序存储器的读选通信号。（11）/VPP（脚31）：访问程序存储器控制信号。当信号接低电平时，对ROM的读操作（执行程序）限定在外部程序储器。当接高电平时，对ROM的读操作（执行程序）从内部开始。在使用内部带程序存储器的单片机时，应接高电平。2.3单片机的存储器结构（1）内部程序存储器（ROM）：用来存放程序和表格常数。8051为4KB、8052为8KB。（2）内部数据存储器（RAM）：用来存放运算过程中的数据。包括寄存器在内，8051/31为128字节、8052/32为256字节。（3）外部程序存储器（ROM）：用来存放程序。最大可扩展64KB空间（包括内部ROM）。（4）外部数据存储器（RAM）：在数据采集系统中可存放大量的数据。最大可扩展64KB空间（不包括内部RAM）。1．内部数据存储器

2.3.1内部数据存储器及专用寄存器内部数据存储器在结构上可分为两个不同的存储空间,即低128单元的数据存储器空间（00H～7FH）和高128单元的具有特殊功能的专用寄存器存贮器空间（80H～0FFH）。（1）B寄存器B寄存器是一个8位寄存器，即可作为一般寄存器使用，也可用于乘除运算。做乘法运算时，B是乘数。乘法操作后，乘积的高8位存于B中。做除法运算时，B存放除数。除法操作后，余数存放在B中。（2）累加器ACC（Accumulator）累加器A是在编程操作中最常用的专用寄存器，功能较多，可按位寻址。（3）程序状态字PSW（ProgramStatusWord）CY：进位标志。

加减运算时，保存最高位进位、借位状态。

AC：半进位标志。

例：78H+97H01111000+10010111100001111有进位CY=1没有半进位AC=0（7）SCON寄存器串行控制寄存器

（8）SBUF寄存器串行数据缓冲器SBUF用于利用串行口进行发送或接收的数据，在硬件上，实际上由两个独立的寄存器组成，一个是发送缓冲器，另一个是接收缓冲器。

（9）定时器0和定时器1寄存器TCON：定时器控制寄存器。TMOD：定时器方式寄存器。TL0、TH0：定时器0寄存器。TL1、TH1：定时器1寄存器。（10）P0～P3端口寄存器（11）栈指针SP寄存器栈指针SP寄存器指示出堆栈顶部在内部数据存储器中的位置。系统复位后，SP初始化为07H，如果不重新设置，就使得堆栈由08H单元开始。但08H～1FH单元属于工作寄存器区，所以在程序设计中，最好把SP的值设置的大一些，一般将堆栈开辟在30H～7FH区域中。SP的值越小，堆栈容量就越大，但最大为128字节。（12）数据指针DPTR寄存器数据指针DPTR由两个8位寄存器DPH和DPL组合而成一个16位专用寄存器，其中DPH为DPTR的高8位，DPL为DPTR的低8位。

3.程序计数器PC程序计数器PC中存储的是将要执行的指令地址，是一个16位的计数器。寻址范围达64KB。2.3.3程序存储器2.4单片机并行I／O口

8051单片机有4个I/O端口，每个端口都是8位准双向口，共占32根引脚。每个端口都包括一个锁存器(即专用寄存器P0～P3)、一个输出驱动器和输入缓冲器。通常把4个端口笼统地表示为P0～P3。2.4.1P0口的结构及特点

P0口的某位P0.n(n=0~7)结构图，它由一个输出锁存器、两个三态输入缓冲器和输出驱动电路及控制电路组成。从图中可以看出，P0口既可以作为I/O用，也可以作为地址/数据线用。DQCLKQMUXP0.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚地址/数据控制VCCT1T2P0口引脚1、P0口作为普通I/O口①输出时CPU发出控制电平“0”封锁“与”门，将输出上拉场效应管T1截止，同时使多路开关MUX把锁存器与输出DQCLKQMUXP0.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚地址/数据控制VCCT1T2P0口引脚驱动场效应管T2栅极接通。故内部总线与P0口同相。由于输出驱动级是漏极开路电路，若驱动NMOS或其它拉流负载时，需要外接上拉电阻。P0的输出级可驱动8个LSTTL负载。DQCLKQMUXP0.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚地址/数据控制VCCT1T2P0口引脚②输入时----分读引脚或读锁存器读引脚：由传送指令(MOV)实现；

下面一个缓冲器用于读端口引脚数据，当执行一条由端口输入的指令时，读脉冲把该三态缓冲器打开，这样端口引脚上的数据经过缓冲器读入到内部总线。DQCLKQMUXP0.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚地址/数据控制VCCT1T2P0口引脚DQCLKQMUXP0.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚地址/数据控制VCCT1T2P0口引脚②输入时----分读引脚或读锁存器读锁存器：有些指令如：ANLP0，A称为“读-改-写”指令，需要读锁存器。

上面一个缓冲器用于读端口锁存器数据。**原因：如果此时该端口的负载恰是一个晶体管基极，且原端口输出值为1，那么导通了的PN结会把端口引脚高电平拉低；若此时直接读端口引脚信号，将会把原输出的“1”电平误读为“0”电平。现采用读输出锁存器代替读引脚，图中，上面的三态缓冲器就为读锁存器Q端信号而设，读输出锁存器可避免上述可能发生的错误。**DQCLKQMUXP0.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚地址/数据控制VCCT1T2P0口引脚DQCLKQMUXP0.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚地址/数据控制VCCT1T2P0口引脚准双向口：

从图中可以看出，在读入端口数据时，由于输出驱动FET并接在引脚上，如果T2导通，就会将输入的高电平拉成低电平，产生误读。所以在端口进行输入操作前，应先向端口锁存器写“1”，使T2截止，引脚处于悬浮状态，变为高阻抗输入。这就是所谓的准双向口。

2、P0作为地址/数据总线在系统扩展时，P0端口作为地址/数据总线使用时，分为：

P0引脚输出地址/数据信息。

DQCLKQMUXP0.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚地址/数据控制VCCT1T2P0口引脚CPU发出控制电平“1”，打开“与”门，又使多路开关MUX把CPU的地址/数据总线与T2栅极反相接通，输出地址或数据。由图上可以看出，上下两个FET处于反相，构成了推拉式的输出电路，其负载能力大大增强。DQCLKQMUXP0.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚地址/数据控制VCCT1T2P0口引脚2、P0作为地址/数据总线

P0引脚输出地址/输入数据输入信号是从引脚通过输入缓冲器进入内部总线。此时，CPU自动使MUX向下，并向P0口写“1”，“读引脚”控制信号有效，下面的缓冲器打开，外部数据读入内部总线。2、P0作为地址/数据总线----真正的双向口DQCLKQMUXP0.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚地址/数据控制VCCT1T2P0口引脚2.4.2.P1口的结构及特点

它由一个输出锁存器、两个三态输入缓冲器和输出驱动电路组成----准双向口。DQCLKQP1.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚VCCRTP1口引脚2.4.3.P2口的结构及特点

1.P2口作为普通I/O口DQCLKQMUXP2.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚地址控制VCCRTP2口引脚CPU发出控制电平“0”，使多路开关MUX倒向锁存器输出Q端，构成一个准双向口。其功能与P1相同。

2.P2口作为地址总线在系统扩展片外程序存储器扩展数据存储器且容量超过256B(用MOVX@DPTR指令)时，CPU发出控制电平“1”，使多路开关MUX倒内部地址线。此时，P2输出高8位地址。DQCLKQMUXP2.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚地址控制VCCRTP2口引脚2.4.4.P3口的结构及特点

DQCLKQP3.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚VCCRTP3口引脚第二输入功能第二输出功能一、作为通用I/O口与P1口类似----准双向口(W=1)WP3的内部结构DQCLKQP3.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚VCCRTP3口引脚第二输入功能第二输出功能二、P3第二功能(Q=1)此时引脚部分输入(Q=1、W=1)

,部分输出(Q=1、W输出)。WP3第二功能各引脚功能定义：P3.0：RXD串行口输入P3.1：TXD串行口输出P3.2：INT0外部中断0输入P3.3：INT1外部中断1输入P3.4：T0定时器0外部输入P3.5：T1定时器1外部输入P3.6：WR外部写控制P3.7：RD外部读控制2.5单片机的时钟与时序2.5.1时钟电路单片机的各项工作都是在时钟信号的控制下协调工作的，单片机的时钟电路可为单片机提供一个时钟信号，根据连接方式的不同，时钟电路可分为内部时钟方式和外部时钟方式。时钟的连接XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和两个微调电容，和芯片内部的振荡器电路构成一个稳定的自激振荡器，

2.5.2单片机的CPU时序MCS-51包括4个定时单位，它们分别是：振荡周期（节拍）、时钟周期（状态周期）、机器周期和指令周期。单片机两种常用晶振的4个周期信号的对比见表2-7所示。

1.振荡周期振荡周期也叫节拍，用P表示，振荡周期是指为单片机提供定时信号的振荡源的周期。是时序中最小的时间单位。例如：若某单片机时钟频率为2MHz，则它的振荡周期应为0.5μs。2.时钟周期时钟周期又叫做状态周期，用S表示。是振荡周期的二倍，其前半周期对应的节拍叫P1拍，后半周期对应的节拍叫P2。P1节拍通常完成算术、逻辑运算，P2节拍通常完成传送指令。

3.机器周期机器周期是实现特定功能所需的时间周期，通常有若干时钟周期构成。MCS-51的一个机器周期是固定不变的，宽度均由6个状态周期（12个振荡周期）组成，并依次表示为S1～S6，分别记作S1P1、S1P2～S6P1、S6P2。4.指令周期指令周期是最大的时序定时单位，指令周期是指执行一条指令需要的时间。通常MCS-51的指令周期可以包含有1～4个机器周期。MCS-51的几种典型的指令时序如图2-15所示，每个机器周期内地址锁存信号（ALE）产生两次有效信号，分别出现在S1P2、S2P1期间与S4P2、S5P1期间。

指令时序2.6.2节电工作方式

MCS-51单片机中有HMOS和CHMOS两种工艺芯片，它们的节电运行方式不同，HMOS单片机的节电方式只有掉电方式，CHMOS单片机的节电工作方式有掉电方式和空闲方式两种。2.6单片机的工作方式2.6.1程序执行方式

1．连续执行方式

2．单步运行方式

3.复位方式

1．HMOS的掉电工作方式

掉电工作方式是指由于电源的故障使电源电压丢失或工作电压低于正常值，使单片机系统不能正常运行，若不采取保护措施，将丢失RAM和寄存器中的全部数据，后果严重。为此MCS-51系列单片机设置有掉电保护措施，进行掉电保护处理。具体做法是：检测电路一旦发现掉电，通过外部中断源向CPU发出中断请求，CPU响应此中断请求，调用中断服务子程序，由中断服务子程序将重要数据送内部RAM转存，立即先把程序运行过程中有用信息转存到RAM，然后启用备用电源维持RAM供电。

2．CHMOS的节电工作方式

单片机还设计有待机和掉电两种节电工作方式，特别