单片机原理及应用教育第2章

第2章MCS-51单片机硬件结构2.1MCS-51单片机总体结构2.2MCS-51存储结构及位处理器2.3MCS-51工作方式和时序2.4MCS-51单片机的时序2.5习题2.1MCS-51单片机总体结构单片机

在一块芯片上集成了ＣＰＵ、存储器、I/O接口，构成一个完整的微型计算机。2.1.1MCS-51总体结构框图及功能图2-18051单片机内部基本结构框图MCS-51系列单片机内部结构

实验设备：AtemelAT89C511.CPU构成

①控制器

﹡

程序计数器PC

﹡

指令寄存器IR

﹡

指令译码器ID

﹡

定时、控制电路

②ALU

﹡ACC（Accumulator）

﹡B

﹡PSW（ProgrameStateWord）

(2)功能①控制器接受指令指令译码按时序发出指令功能所需的控制信号②ALU二进制数算术、逻辑运算；处理参数可以是:字

字节

半字节

位

MOVDPTR，#1256HMOVA，R3SWAPASETBRS0③ACC累加器；最活跃：加法、减法、逻辑运算、移位指令的目的操作数。访外指令。乘除指令。通用④寄存器B用于乘、除运算；通用加、减指令唯一的目的操作数加、减指令唯一的目的操作数MOVX指令唯一的片内操作数⑤

标志状态寄存器PSW字节地址D0HCyACF0RS1RS0OVF1PD7D6D5D4D3D2D1D0D7HD6HD5HD4HD3HD2HD1HD0H

位位地址位名字

F0及F1用户标志位：；由用户设置；作为用户自定义标志。RS1RS0寄存器组片内PAM地址通用寄存器名称000组00H~07HR0~R7011组08H~0FHR0~R7102组10H~17HR0~R7013组18H~1FHR0~R7

RS1、RS0

当前寄存器组设置标志位表2-2RS1、RS0与工作寄存器组的对应关系P15OV溢出标志若OV=1，说明运算结果超出一个字长所能表示的范围。CY进位/借位标志在进行加、减运算时：若CY=1，说明运算结果的最高位D7有进位/借位。AC辅助进位标志若AC=1，说明运算结果的低4位向高4位有进位（半进位）。用于BCD码调整指令。提请注意：P（PSW.0)奇/偶标志若ACC中的1的个数为”奇”数,P=1ACC中的1的个数为”偶”数,P=02.RAM片内数据存储器。包括：随机存储器区寄存器区SFR位寻址区3.ROM片内程序存储器存放程序及常数4.并行I/O口P0～P38位并行I/O接口；P0～P3提供CPU访外（ROM、RAM）时的AB、DB和CB；P0～P3口输出时，数据可以锁存； 输入时，具有缓冲功能。P0～P3口可按字节I/O； 也可以按位I/O。P0～P3口均为准双向I/O口，写入时需先向其写1。5.定时器/计数器基本功能是计数。可对外部事件进行计数。对固定周期的脉冲计数可实现定时功能。MCS-51单片机内部含有两个16位计数器。6.中断系统MCS-51单片机有5个中断源。具有较强的中断处理能力。7.串行接口全双工串行通信接口。8.时钟电路OSC产生单片机内的基本时间单位。2.1.2MCS-51引脚功能P0口P3口P2口P1口掉电方式1.主电源引脚VCCVSS2.时钟电路引脚XTAL1片内震荡器反向放大器的输入端；XTAL2片内震荡器反向放大器的输出端。（内部时钟发生器的输入端）。3.控制引脚ALE/PROG

地址锁存允许/编程信号线ALE

锁存P0口输出的低8位地址信号;频率为1/6震荡频率;PROG用于8755时,输入编程脉冲信号。PSEN程序存储器选通信号。EA/VPP

EA访问程序存储器控制信号。EA=1，CPU从片内开始读取指令；EA=0，CPU从片外开始读取指令。VPP用于8755时,输入编程电压。RST/VPD

RST复位。（需要两个机器周期以上的高电平）。VPD后备电源输入端（掉电保护）。4.并行I/O口（1）各端口的共性

4个8位双向、并行I/O接口；输入有缓冲作用，输出时，数据可以被锁存；每一条I/O口线都能单独使用；允许有三种工作方式：输入、输出、读-修改-写。输出时，P0口可驱动8个LSTTL负载，

其余口只能驱动4个LSTTL负载。复位后，P0～P3各口线均为1可直接读数。复位后可写出数据吗？（2）各端口的用途①P0口未加扩展时：通用并行I/O口；扩展系统中：作为数据/低位地址分时复用线。②P1口8位准双向I/O口。③P2口未加扩展时：通用并行I/O口；扩展系统中：作为高位地址线。如何解决分时复用问题？④

P3口未加扩展时：通用并行I/O口；扩展系统中：串行I/O口：TXD、RXD

定时器输入：T1、T0RAM、I/0接口扩展时控制信号：/RD、/WR

外部中断申请线：INT1、INT02.2MCS–51存储结构及位处理器2.2.1MCS–51存储器的特点MCS-51存储器的划分:从物理结构上划分为4个存储空间片内程序存储器片外程序存储器片内数据存储器片外数据存储器(2)从使用的角度①划分为三个存储器地址空间。片内外统一编址的64KB程序存储器；片内256B数据存储器地址空间；片外64KB数据存储器地址空间；

②用不同的指令访问不同的存储空间：访问内部数据存储器用MOV指令；访问外部数据存储器用MOVX指令；访问程序存储器用MOVC指令。图2.4MCS-51存储结构P30MOVCMOVMOVX2.2.2程序存储器

程序存储器的内部地址为0000H~0FFFH,共4KB;

外部地址为1000H~FFFFH,共60KB。当程序计数器由内部0FFFH执行到外部1000H时,

会自动跳转。4.8751内部有4KB的EPROM;8051内部有4KB的ROM;8031内部无程序存储器,必须外接程序存储器；

最多可外扩64KB程序存储器。

条件：/EA接+5V5.其中6个单元地址,保留给系统使用。

0000H是系统的启动地址,一般在该单元中存放一条绝对跳转指令。0003H000BH0013H001BH0023H对应5种中断源的中断服务入口地址。2.2.3

数据存储器MCS-51单片机片内RAM的配置如图2.5所示片内RAM为256字节,地址范围为00H~FFH。分为两大部分:

低128字节（00H~7FH）为RAM区;

高128字节（80H~FFH）为特殊功能寄存器区

SFR。P32RS1RS0=00RS1RS0=01RS1RS0=10RS1RS0=11在低128字节RAM中

（1）00H~1FH共32单元是通用工作寄存器区。分为4个区：0区、1区、2区、3区，每一个区有8个通用寄存器：R0~R7。由程序员通过RS1、RS0的设置选用当前寄存器组。每个寄存器对应一个内存地址。复位时，指向0区。（R0~R7依次对应内存地址：00H~07H）。寄存器与RAM地址对照表（2）20H~2FH为位寻址区位地址：00H~7FH不作为寻址使用时也可以按字节寻址；（3）30H~7FH为用户RAM区此区内只能按字节寻址；堆栈可设置在此区域中；堆栈可设在内存中未被设为专用区的地方表2.6RAM中的位寻址区地址表P33

2.2.4专用寄存器区（SFR）表2.4特殊功能寄存器（SFR）地址P34

表2.4特殊功能寄存器（SFR）地址续表2.4特殊功能寄存器（SFR）地址续2.2.5位处理器性能优越的位处理器(布尔处理机)(即CPU)有位寄存器;有位累加器(CY);有位存储器(可按位寻址区)(20H~2FH)及地址可被8整除的专用寄存器中的位;以位为操作数的指令。单片机具有较强的位处理能力2.3MCS-51工作方式和时序工作方式含:复位方式程序执行方式节电方式EPROM的编程及校验方式2.3.1复位方式（2）应用程序必须以此作为设计前提。

复位（1）CPU

及其它功能部件处于一个确定的初始状态。2.复位电路上电复位电路(图(a));按键（手动）复位电路(图(b))。按键脉冲复位（图（C））。图2-7复位电路P36（c)都需要持续两个机器周期的高电平3.什麽时候需要复位?(1)启动时;运行过程中出现无法解决的问题时。表2.5复位后内部寄存器状态P264.复位后内部寄存器状态2.3.2程序执行工作方式基本工作方式1.连续执行被执行的程序在程序存储器(片内/片外中)启动时(或复位后)从0000H开始执行程序

调试过程中使用2.单步执行利用单片机外部中断功能实现。2.3.3节电工作方式 P38①减少单片机功耗的方式②只有CHMOS型单片机才有的工作方式（80C31等）③两种方式：掉电方式空闲方式由PCON控制;PD=PCON.1=1掉电方式;IDL=PCON.0=1空闲方式。5~50µA1.7~5mA11~20mA1.掉电方式当VCC升至5V，可重归正常工作方式。当VCC降至VPD以下时,转为由VPD供电。

(以低功耗维持内部RAM及SFR的内容不丢失)。应用：当检测到VCC接近VPD

时，通过INTX申请中断。利用中断服务程序将重要数据保存到内部RAM中。执行指令MOVPCON，#02H，进入掉电工作方式。 （内部RAM中的00H~7FH单元内容被保留）2.空闲方式有中断申请时，CPU自动退出空闲方式

执行

MOVPCON，#01H指令后，进入空闲工作方式：

CPU停止工作；中断、串口、定时/计数器可以继续工作；

SFR及内存中的数据不变；（如：SP、PC、PSW、A）

ALE、PSEN为高电平；2.4MCS-51单片机的时序 P39外接震荡器通过内部反相放大器产生时钟脉冲。时序学习时序有助于理解指令的执行。2.4.1时钟单片机内部有一个高增益反向放大器，通过外接晶体振荡器及微调电容，构成稳定的自激振荡器—时钟电路。外接定时元件，内部电路自激振荡外接振荡器频率fOSC为6~16MHz（a）