单片机原理及应用 课件 【ch02】MCS-51单片机的结构和原理

MCS-51单片机的结构和原理“浙江省普通高校“十三五”新形态教材普通高等教育“十三五”规划教材电子设计系列规划教材单片机原理及应用第二章01MCS-51单片机的基本组成MCS-51单片机的基本组成MCS-51单片机是指由美国Intel公司生产的一系列单片机的总称这一系列单片机包括众多品种如基本型(8051子系列)8031、8051875189C51和89S51等，增强型(8052子系列)80328052,8752、89S52等，其中，8051是最早最典型的产品。该系列其他单片机都是在8051的基础上进行功能的增、减、改变而来的，所以人们习惯于用8051来称呼MCS-51系列单片机而8031是20世纪90年代在我国很流行的单片机，所以很多场合会看到8031的名称。MCS-51单片机的基本结构MCS-51单片机的基本组成目前，国内大多数单片机类课程的教材都是以MCS-51系列为基础来讲授单片机原理及应用的,这是因为51系列单片机莫定了8位单片机的基础，各类型单片机的基本组成相同，主要差别反映在存储器的配置上。8031内部无程序存储器ROM；8051内部设有4KB的掩膜ROM，8751内部为EPROM，AT89C51内部为FlashROM，AT89S51内部则是4KB的支持ISP的Flash。MCS-51单片机的基本结构MCS-51单片机的基本组成由图2.12可以看出，它集成了中央处理器(CPU)存储器系统(RAM和ROM)定时器/计数并行接口、串行接口、中断系统及一些特殊功能寄存器(SFR)。MCS-51单片机的基本结构MCS-51单片机的基本组成1.中央处理器(CPU)中央处理器(CentralProcessingUnit，CPU)是单片机的核心，由运算器和控制器组成，用于完成运算和控制操作。2.内部程序存储器在MCS-51系列单片机中不同的芯片其内部程序存储器各不相同8031和8032内部没有ROM；8051内部有4KB的ROM；8051内部有4KB的ROM。MCS-51单片机的基本结构MCS-51单片机的基本组成3.内部数据存储器MCS-51系列基本型单片机内部有256字节的RAM其高128单元有一部分被特殊功能寄存器(SFR)占用，其余单元用户不能使用。4.定时器/计数器MCS-51系列基本型单片机内部有两个16位的定时器/计数器，用定时器/计数器0和定时器/计数器1表示，用于实现定时或计数功能，并以其定时或计数的结果对系统进行控制。MCS-51单片机的基本结构MCS-51单片机的基本组成5.并行I/0口MCS-51单片机内部有4个8位并行I/0口，即PO、P1、P2、P3，以实现数据或地址的并行输入/输出。6.串行I/0口MCS-51单片机有一个全双工的串行口，以实现单片机和其他数据设备之间的串行数据传送。MCS-51单片机的基本结构MCS-51单片机的基本组成7.中断控制系统MCS-51系列基本型单片机有5个中断源，即2个外部中断源、2个定时器计数器中断源和1个串行中断源。全部中断源可设为高、低2个优先级，用来满足控制应用的需要。8.时钟电路MCS-51系列基本型单片机芯片内部有时钟电路，但石英晶体和微调电容需外接。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列。MCS-51单片机的基本结构MCS-51单片机的基本组成9.位处理器单片机主要用于控制，需要有较强的位处理功能，因此，位处理器是其必要组成部分。位处理器也称为布尔处理器。10.内部总线上述部件通过总线连接起来才能构成一个完整的计算机系统。芯片内的地址信号、数据信号和控制信号都是通过总线传送的。总线结构减少了单片机的连线和引脚，提高了集成度和可靠性。MCS-51单片机的基本结构MCS-51单片机的基本组成MCS-51单片机的封装与信号引脚1，芯片封装形式MCS-51单片机采用40引脚双列直插式DIP(DualIn-linePackage)44引脚方形扁平式QFP(QuadFlatPackage)和带引线的塑料芯片载体PLCC(PlasticLeadedChinCarrier)形式等封装。2.芯片引脚介绍(1)输入/输出(I/0)引脚(POP1P2P3口)。P0、P1、P2、P3口:每个口8位，共32个引脚。MCS-51单片机的基本组成MCS-51单片机的封装与信号引脚(2)电源及时钟引脚。电源及时钟引脚共4个，分别是:Vcc(40脚):接+5V电源。Vss(20脚):接地。(3)控制线和复位引脚。单片机用于复位和控制用的引脚共4个，分别为:ALE/PROG(30脚):地址锁存允许信号输出引脚/编程脉冲输入引脚。MCS-51单片机的基本组成MCS-51单片机的封装与信号引脚3.引脚的第二功能随着单片机功能的增强，其所需要引脚的数量不断增加，但芯片的引脚数目受到工艺及标准化等因数的限制，因此在单片机设计中，给有些引脚赋予了双重功能，即给一个引脚赋予了两种功能。(1)P3口线的第二功能。(2)内部程序存储器固化所需要的信号。(3)备用电源。02MCS-51单片机的并行I/O端口结构MCS-51单片机的并行I/O端口结构MCS-51单片机有4个8位并行I/0端口(Input/OutputPort)，即P0、P1、P2、P3，每个端口中每位口线的内部结构基本相同，51单片机的I/0端口主要由数据锁存器和输出级组成，其中，P1口结构最简单，PO口结构最复杂。下面从P1口开始绍51单片机IO端口结构。MCS-51单片机的并行I/O端口结构1.P1口P1口的内部结构如图2.2.1所示，由一个数据输出锁存器两个三态输入缓冲器和输出驱动电路组成，输出驱动电路内部设有上拉电阻。该上拉电阻实际上并不是真正的电阻，而是一个能起到上拉电阻作用的由两个场效应管构成的电路。MCS-51单片机的并行I/O端口结构2.P2口P2口与P1口的输出级结构相同，内部都有上拉电阻，整个端口结构也基本相同，唯一不同的是多了一个多路转接电子开关MUX。它的一个输入来自锁存器，另一个输入为地址线，输入转换由“控制”信号控制，即在控制信号的作用下，由MUX实现锁存器输出和地址之间的接通转换。MCS-51单片机的基本组成3.P3口P3口与P1口输出级的结构相同，内部都有上拉电阻，整个端口结构也基本相同，唯一的差别是多了一个与非门，以便选择第一功能或第二功能。4.P0口PO口与P1、P2、P3口不同，电路中除包含一个数据输出锁存器和两个三态数据输入缓冲器外还有数据输出驱动和控制电路。03MCS-51系列单片机的存储器结构MCS-51系列单片机的存储器结构程序存储器程序存储器用于存放应用程序及表格常数。程序存储器依单片机类型的不同，可以是ROM、EPROM、E‘PROM、FlashROM等，其中，8031片内无程序存储器8051片内有4KB的ROM，875第2章MCS-51单片机的结构和原理19片内有4KB的EPROM，AT89系列单片机片内是FlashROM，编程方便。4B的程序存储器地址是0000F~OFFFFH。MCS-51系列单片机的存储器结构数据存储器数据存储器用于存放运算的中间结果、标志位及数据的暂存和缓冲等，数据存储器包括内部数据存储器和外部数据存储器，其原则是内部数据存储器不够用时才扩展外部数据存储器。MCS-51基本型单片机内部数据存储器有256B的存储空间，地址为00FFH；外部数据存储器的地址空间最大为64KB，编址为0000H~FFFFH。MCS-51系列单片机的存储器结构数据存储器1.基本RAM区基本RAM区分为工作寄存器区、位寻址区和用户RAM区三个部分。(1)工作寄存器区(00~1FH)。(2)位址区(20H~2FH)。(3)用户RAM区(30H~TFH)。MCS-51系列单片机的存储器结构数据存储器2.特殊功能寄存器(SFR)区MCS-51基本型单片机的特殊功能寄存器(也叫专用存器)区中,有22个特殊功能寄存器，它们离散地分布在片内RAM的高128B，地址范围为80H~FFH，如图2.3.4所示。MCS-51系列单片机的存储器结构数据存储器(1)程序计数器(PC，ProgramCounter)。程序计数器(PC)用于存放下一条要执行的指令地址，是一个16位寄存器，可寻址范围达64KB。PC有自动加1功能，以实现程序的顺序执行。(2)累加器A(ACC，Accumulator)。累加器A为8位寄存器，在内部RAM的地址为0EOH，是程序中最常用的特殊功能寄存器功能较多，地位重要，既可以用于存放操作数，也可以用于存放运算的中间结果。MCS-51系列单片机的存储器结构数据存储器(3)B寄存器。B寄存器是一个8位寄存器，在内部RAM的地址为OFOH，主要用于乘除运算。(4)数据指针寄存器。数据指针寄存器(DPTR)是一个16位的寄存器也是MCS-51单片机中唯一一个供用户使用的16位寄存器。(5)程序状态字寄存器(ProgramStatusWord，PSW)。程序状态字寄存器是一个8位寄存器，在内部RAM的地址为0DOH，用来存放程序执行的状态23信息。04单片机的时钟电路与时序单片机的时钟电路与时序MCS-51单片机所需要的时钟信号频率是因型号而异的，80C51的典型值为12MHz，单片机得到时钟信号的方法有两种。一种是通过外接晶振、电容，与内部电路一起构成振荡申路而产生，称为内部时钟方式;另一种是外接时钟信号，称为外部时钟方式。时钟电路单片机的时钟电路与时序在由多片单片机组成的系统中，为了使各单片机之间的时钟信号同步，应当引入唯一的公用外部脉冲信号作为各单片机的振荡脉冲，如图2.4.2和图243所示。时钟电路单片机的时钟电路与时序单片机在执行指令时，一条指令经译码后产生若干个基本操作，这些操作所对应的脉冲信号在时间上的先、后次序称为单片机的时序。描述MCS-51单片机时序的有关单位有4个，分别是振荡周期时钟周期、机器周期、指令周期。时序单片机的时钟电路与时序1.振荡周期P振荡周期是指为单片机提供脉冲信号的振荡源的周期。振荡周期又定义为拍节，用P表示。若内部时钟产生方式，则为晶振的振荡周期。2.时钟周期S振荡脉冲经过二分频后就是单片机的时钟信号，时钟信号的周期称为时钟周期，又定义为状态,用S表示。时序单片机的时钟电路与时序时序3.机器周期为了便于管理，常把一条指令的执行过程划分为若干个阶段，每一个阶段完成一个基本操作，如取指令、读存储器、写存储器等。4.指令周期指令周期是指执行一条指令所需要的时间。05MCS-51单片机的工作方式MCS-51单片机的工作方式复位复位是指单片机的初始化操作，复位使单片机及其内部寄存器处于一个确定的初始状态，从这个状态开始工作。1，复位信号RST引脚是复位信号的输入端，高电平有效。当外部电路使得RST端出现两个机器周期(即24个振荡脉冲周期)以上的高电平时，系统内部复位。MCS-51单片机的工作方式2.复位操作为了使复位可靠，在每个机器周期的S5P2时刻采样施密特触发器的输出，若连续两次采样到高电平才确认为是复位信号，因此要求复位信号高电平在RST端至少保持两个机器周期。3复位方式复位分为上电自动复位和按键手动复位两种方式。复位MCS-51单片机的工作方式程序执行方式是单片机的基本工作方式，也是单片机最主要的工作方式。单片机在实现用户功能时通常采用这种方式。单片机执行的程序放置在程序存储器中，可以是片内ROM，也可以是片外ROM。程序执行方式MCS-51单片机的工作方式单步执行方式是指通过外来脉冲控制程序的执行，使之达到来一个脉冲就执行一条指令的目的。而外来脉冲是通过按键产生的，因此单步执行实际上就是按一次键执行一条指令，其通常用于调试程序、跟踪程序执行和了解程序执行过程。单步执行方式MCS-51单片机的工作方式低功耗方式1.HMOS单片机的掉电方式HMOS单片机芯片本身运行功耗较大，为了减小系统功耗，设置了掉电方式。RST/VPD端接备用电源，当单片机正常运行时单片机内部的RAM由主电源Vcc供电;当Vcc掉电,V