单片机原理接口及应用---第1章 MCS-51单片机结构

1、单片机原理、接口及应用 -嵌入式系统技术基础,第1章 MCS-51单片机结构,第1章 MCS-51单片机结构及原理,1.1 MCS-51单片机结构 1.2 MCS-51的存储器结构 1.3单片机的复位、时钟与时序 1.4并行I/O口简介,1.1 MCS-51单片机结构 1. 1.1 MCS-51单片机的内部结构 1. 1.2 MCS-51引脚及功能 1.2 MCS-51的存储器结构 1.3单片机的复位、时钟与时序 1.4并行I/O口,SCM将通用微计算机基本功能部件集成在一块芯片上构成的一种专用微计算机系统,SCM = CPU+RAM+ROM+I/O+T/C+INT+UART,80C51=(1

2、8)CPU+128BRAM+4KBROM+ (216)T/C + (48)I/O + 1个UART+5个中断源,80C51单片机的内部资源主要包括：,8位中央处理器（CPU）； 片内振荡器和时钟电路； 4KB片内程序存储器(ROM)； 128字节的片内RAM； 4个8位双向I/O口； 5中断源； 2个16位定时器/计数器； 1个全双工串行口；,本章介绍 本章介绍 本章介绍 本章介绍 本章介绍 第4章介绍 第5章介绍 第5章介绍,单片机CPU = 控制器 + 运算器,1、控制器,作用：统一指挥和控制计算机协调工作 组成：程序计数器PC+指令译码器ID+数据指针DPTR +其它专用寄存器 功能：

3、(1)从存储器中取出下一条要执行的指令（取指） (2)对取出的指令进行识别（译码） (3)指挥运算器运算或控制数据传送（指挥）,（1）程序计数器（Program CounterPC）,指令地址寄存器，永远存放着下一条指令的地址， PC的变化规律决定着程序的流程,特点： 具有16位字长可寻址范围216（=64KB） 具有自动加1功能（计数器）顺序运行程序功能 具有可被指令修改功能跳转运行程序功能 复位时，PC值为0 复位后程序从0开始运行,（2）数据指针寄存器（Data Pointer DPTR）,16位字长，可寻址范围216(64KB) 用于表示存储器数据地址的指针 可拆为2个8位的独立寄存器

4、DPL和DPH,35H,77H,F4H,94H,9EH,DPTR指针,xxH,xxH,xxH,xxH,xxH,ROM,RAM,DPL,DPH,2、运算器,作用：对数据进行算术运算和逻辑操作 组成：算术/逻辑部件ALU +累加器ACC+程序状态字寄存器PSW+其它工作单元 功能： (1)对暂存器中的数据进行运算 (2)结果保存在ACC中 (3)运行状态反映在PSW中,（1）累加器（AccumulaterA）,累加器A是一个8位寄存器，用来存放操作数或中间运算结果； 通过暂存器与ALU相连； 它是CPU中使用最频繁的寄存器。,寄存器B 寄存器B又称为乘法寄存器，它与累加器A协同工作，可进行乘法操作

5、和除法操作。 乘法指令中的两个操作数分别取自于A、B寄存器，其结果也存放在A、B寄存器中，A存放乘积的低8位，B存放乘积的高8位； 除法指令中，被除数取自A，除数取自B，进行运算后，商数存放于A，余数存放于B。 在一般状态下寄存器B也可作为普通的寄存器使用。,（2）程序状态字寄存器（Program State WordPSW）,PSW是一个8位的专用寄存器，用于存放程序运行过程中的各种状态信息。 PSW中的各位信息通常是在指令执行过程中自动形成的，但也可以由传送指令加以改变。 PSW各位的定义：,按位置定义的名称,按功能定义的名称,（2）程序状态字寄存器（Program State WordP

6、SW）,PSW是一个8位的专用寄存器，用于存放程序运行过程中的各种状态信息。 PSW中的各位信息通常是在指令执行过程中自动形成的，但也可以由传送指令加以改变。 PSW各位的定义：,按位置定义的名称,按功能定义的名称,CY（PSW.7）进位标志 在进行加或减运算时，如果操作结果最高位有进位或借位时，CY由硬件置“1”，否则清“0”。,用途：1、根据CY判断加减运算时有无进位或借位； 2、在位操作中CY可作为位累加器用。,举例,AC（PSW.6）辅助进位标志 在进行加或减运算时，如果操作结果的低四位数向高四位产生进位或借位时，将由硬件置“1”，否则清“0”。,举例,用途：1、根据AC判断加减运算时

7、有无半进位或半借位； 2、在BCD码调整运算中要用到AC标志,F0（PSW.5）和F1（PSW.1）用户标志位 可作为用户自行定义的一个状态标记,RS1和 RS0（PSW.4和 PSW.3）工作寄存器组指针 用于选择CPU当前工作寄存器组,OV（PSW.2）溢出标志 在有符号数运算或乘除运算中若有异常结果，OV置1，否则清0。 根据运算过程中的D6和D7位的变化由硬件自动形成OV值 若以Ci表示位i向位il有进位，则OV=C6C7,用途：判断有符号数运算或乘除运算的结果是否正常。,OV用途： OV置位表示运算结果超出了目的寄存器A所能表示的带符号数的范围（一128127）。 对于MUL乘法，当

8、A、B两个乘数的积超过255时OV置位；否则，OV0。因此，若OV0时，只需从A寄存器中取积；若OV1时，则需从B、A寄存器对中取积。 对于DIV除法，若除数为0时，OV=1；否则，OV=0。,OV=C6Y C7Y=1 0=1,101111011100001011000011,正数的补码是它本身，负数的补码是 除符号位外每位求反，然后末尾加1,OV=C6Y C7Y=1 1=0,111010111001010010010101,运算出错,运算正确,举例,举例,P（PSW.0）：奇偶标志位 每个指令周期都由硬件来置位或清零，以表示累加器A中1的个数的奇偶性。若1的个数为奇数，则P置1；若1的个数为

9、偶数，则P清零。,P（PSW.0）奇偶标志位 该位始终跟踪累加器A中含“1”个数的奇偶性 如果A中有奇数个“1”，则P置“1”，否则置“0”,举例 若A=10011111，则P=0 若A=11000001，则P=1,用途：用于串行通讯中的数据校验，判断是否存在传输错误。,1.1 MCS-51单片机结构 1. 1.1 MCS-51单片机的内部结构 1. 1.2 MCS-51引脚及功能 1.2 MCS-51的存储器结构 1.3单片机的复位、时钟与时序 1.4并行I/O口,MCS-51系列单片机的封装方式与制造工艺有关，采用HMOS制造工艺的51单片机一般采用40只引脚的双列直插封装（DIPdual

10、 in-line package）,MCS-51单片机除了采用DIP封装方式外，还采用44只引脚方形扁平封装（QFP quad flat package）方式，其中4只是无用的。,DIP引脚分布,电源及晶振引脚（共4只） 控制引脚（共4只） 输入/输出引脚 （共32只）,（1）电源及晶振引脚,VCC(40脚)：+5V电源引脚 VSS(20脚)： 接地引脚,XTAL1(19脚)；外接晶振引脚（内置放大器输入端） XTAL2(18脚)：外接晶振引脚（内置放大器输出端）,（2）控制引脚,ALE/PROG(30)为地址锁存使能输出/ 编程脉冲输入,RST/VPD(9)为复位/ 备用电源引脚,PSEN(

11、29)：输出访问片外程序存储器读选通信号,EA/ VPP (31)：外部ROM允许访问/ 编程电源输入,（3）并行I/O口引脚,共计48 = 32 个引脚，其中： P0.0P0.7（3932脚）P0口； P1.0P1.7（18脚）P1口； P2.0P2.7（2128脚）P2口； P3.0P3.7（1017脚）P3口。,P0P3是单片机对外联络的重要通道,1.1 MCS-51单片机结构 1.2 MCS-51的存储器结构 1.存储器划分方法 2 .程序存储器 3. 数据存储器 1.3单片机的复位、时钟与时序 1.4并行I/O口,计算机存储器地址空间的两种结构形式： 普林斯顿结构和哈佛结构。,RAM

12、和ROM统一编址,RAM和ROM分别编址,MCS-51系列单片机采用 哈佛结构，存储器配置如图 ：,共有四个物理存储空间，或三个逻辑存储空间。,1.1 MCS-51单片机结构 1.2 MCS-51的存储器结构 1.存储器划分方法 2 .程序存储器 3. 数据存储器 1.3单片机的复位、时钟与时序 1.4并行I/O口,作用：存放程序、表格或常数（非易失性掉电保存） 字长：8位 数量：4KB,1KB=1024字节 （0-03FFH） 4KB=4096字节 （0-0FFFH） 8KB=8192字节 （0-1FFFH） ,80C51的4KB片内ROM,ROM的6个特殊存储器单元引导程序跳转 0000H

13、：复位后程序自动运行的首地址 0003H：外部中断0入口地址 000BH：定时器0溢出中断入口地址 0013H：外部中断1入口地址 001BH：定时器0溢出中断入口地址 0023H：串行口中断入口地址 程序一般应安排在0030H地址以后,a） 同时使用片内和片外ROM b）ROM地址分布,当EA引脚接高电平（开关接A点）时，4 KB以内的地址在片内ROM，大于4KB的地址在片外ROM中（图中折线），两者共同构成64KB空间； 当EA引脚接低电平（开关接B点）时，片内ROM被禁用，全部64KB地址都在片外ROM中（图中直线）。,1.1 MCS-51单片机结构 1.2 MCS-51的存储器结构 1

14、.存储器划分方法 2 .程序存储器 3. 数据存储器（片内，片外） 1.3单片机的复位、时钟与时序 1.4并行I/O口,作用：存放程序运行结果 字长：8位 数量：256B,30H,低128B（ 00H7FH ）为普通RAM区 高128B （80HFFH）为特殊功能寄存器区,片内数据存储器,(1) 低128字节的区域 工作寄存器区（00H-1FH） 可位寻址区（20H-2FH） 用户RAM区（30H-7FH）,区共有32个字节单元（00H1FH），分为4组，每组8个单元，命名为工作寄存器R0R7)。 任一时刻CPU只能选用一组工作寄存器为当前工作寄存器组。,当前工作寄存器组通过PSW中的RS1和

15、RS0标志位（工作寄存器组指针）进行设置。,注意：CPU复位后RS1和 RS0默认值为0，即默认第0组为当前工作寄存器组。,利用Rn寄存器进行编程可以提高编程效率： 1）不必考虑存储单元的具体地址 2）可在同名Rn之间进行快速切换 3）寄存器寻址执行指令的速度快,寄存器（Register）与存储器（Memory）的概念： 寄存器是指一些由与非门构成的结构，而Memory则由MOS管构成。寄存器访问速度快，但是所占面积大。而Memery所占面积小，可以集成较大容量，但访问速度较慢。 在51单片机中两者差别不大，甚至部分寄存器和存储器是重合的，如Rn与区RAM，SFR与高128字节RAM区。,区共

16、有16个字节单元（20H2FH），又可划分为128个位地址单元（ 00H 7FH），可按两种方式存取数据。,例如，欲将地址(20H)中存放数 0111 0010B的最高位改为1， 而其余不变。,特点：位地址可以增强对数据处理的灵活性,方法1，用 数1000 0000B与(20H)的内容进行“或”运算 MOV A,20H ;先将 20H的内容传入A里 OR A,#80H ;再对A进行80H的“或”运算 方法2，直接针对最高位进行“置位”操作 SETB 07H ;07H为20H最高位的位地址,区共有80个字节单元（ 30H7FH），是用户RAM区，但只能按字节进行数据存取操作。,在此区内用户可以作

17、为为堆栈区和中间数据存储区。,（2）高128字节RAM区,在80HFFH的高128字节RAM区中，离散地分布有21个特殊功能寄存器（Spetial Function Register)，又称为特殊功能寄存器区。,30H,具有标准的SFR名称和符号、字节地址和位地址,前述的Acc、PSW、DPL、DPH等几个寄存器都属于SFR，其余寄存器将在以后章节中结合应用进行介绍。,字节地址末位是0或8的SFR，都具有位地址。,SFR之外的其它存储单元用户均不可用（系统留用）。,外部数据存储器 最多可外扩64K字节的RAM或I/O。几点注意： (1) 地址的重叠性 程序存储器与数据存储器全部64K字节地址空

18、间重叠 程序存储器与数据存储器在使用上是严格区分的 (3) 位地址空间共有两个区域 (4) 片外与片内数据存储器由指令来区分（mov,movx) (5) 片外数据存储区中，RAM与I/O端口统一编址。 所有外围I/O端口的地址均占用RAM地址单元，使用与访问外部数据存储器相同的传送指令。,内部数据存储器 （a）,外部数据存储器 （b）,回顾-MCS-51单片机存储器空间分配,返回,2.1 MCS-51单片机结构 2.2 MCS-51的存储器结构 2.3单片机的复位、时钟与时序 1.复位与复位电路 2.时钟电路 3. CPU时序 2.4并行I/O口,复位使单片机恢复原始默认状态的操作。,复位条件

19、,在RST/VPD引脚端出现满足复位时间要求的高电平状态，该时间等于系统时钟振荡周期建立时间再加2个机器周期时间（一般不小于10ms）。,复位方式,上电复位 按键复位 复合复位,2.1 MCS-51单片机结构 2.2 MCS-51的存储器结构 2.3单片机的复位、时钟与时序 1.复位与复位电路 2.时钟电路 3. CPU时序 2.4并行I/O口,CPU微操作必须在统一的时钟控制下才能正确进行。,内部时钟方式,微调电容: C1、C2 30pF 晶振：石英晶体封裝,MCS-51时振荡频率为612MHZ。,外部时钟方式,一、内部时钟方式 内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，其输入端：XTAL

20、1，输出端：XTAL2。,C1和C2典型值通常选择为30pF左右。 晶体的振荡频率在1.2MHz12MHz之间。 某些高速单片机芯片的时钟频率已达40MHz。,二、外部时钟方式 常用于多片MCS-51 单片机同时工作。,三、时钟信号的输出 为应用系统中的其它芯片提供时钟，但需增加驱动能力。,2.1 MCS-51单片机结构 2.2 MCS-51的存储器结构 2.3单片机的复位、时钟与时序 1.复位与复位电路 2.时钟电路 3. CPU时序 2.4并行I/O口,时序是计算机指令执行时各种微操作在时间上的顺序关系，其作用是保证CPU中各种微操作有序运行。,（1）时序的概念,在时钟信号CL触发下，输出

21、端Q电平具有跟随输入端D电平的功能； 在没有CL触发时，D与Q端是信号隔离的。 D触发器的这一功能被广泛用于数字信号的输出锁存。,时序定时单位共有4个参数： 拍（振荡周期、时钟周期）P、状态周期S、机器周期、指令周期,一个状态（S）包含2个拍（P）; 一个机器周期由6个S或12个P组成； 一个指令周期约为14个机器周期。,若外接晶振为12MHz时，则单片机的四个周期的具体值为： 时钟周期1/12MHz1/12s0.0833s 状态周期1/6s0.167s 机器周期1s 指令周期14s 可用于计算指令、程序的执行时间，以及定时器的定时时间,（2）51单片机的取址/执行时序,MCS-51单片机执行

22、任何一条指令时都可以分为取指令阶段和执行指令阶段（此处将分析指令阶段也包括在内）。 取指令阶段把程序计数器PC中的指令地址送到程序存储器，选中指定单元并从中取出需要执行的指令。 指令执行阶段对指令的操作码进行译码，以产生一系列控制信号完成指令的执行。,MCS-51指令的取指/执行时序,指令的集合称为程序，执行程序的过程就是执行指令的过程。单片机执行任何一条指令时都可以分为取指阶段和执行阶段。在取指阶段，CPU从程序存储器中取出指令操作码，送指令寄存器，再经指令译码器译码，产生一系列控制信号，完成本指令规定的操作。 单周期和双周期指令的取指时序图如下页图所示。 ALE信号是用于锁存低8位地址的选通信号，每出现一次该信号，单片机即进行一次读指令操作。当指令为多字节或多周期指令时，只有第一个ALE信号进行读指令操作，其余的ALE信号为无效操作 或 读操作数操作。,1外部程序存储器读时序 从外部程序存储器读取指令，必须有两个信号进行控制：ALE信号和 PSEN 信号（外部ROM读选通脉冲）。,2外部数据存储