单片机原理及应用课件：chapter2 MCS-51单片机的结构

1、第二章,MCS-51单片机的结构,2.1 MCS-51单片机的基本组成,2.3 MCS-51单片机的引脚功能,2.2 I/O端口结构,2.4 时钟电路及工作方式,教学目的和要求,掌握MCS-51系列单片机的内部硬件结构、存储器结构、I/O口结构、主要引脚、时序,基本组成,51单片机的内部结构,图2-1 8051单片机功能框图,基本组成,8051单片机内部结构和功能 1中央处理器CPU 单片机内部的核心部件，由运算器和控制器组成。 （1）运算器 用于实现算术逻辑运算、位变量处理、移位和数据传送等操作。 以算术逻辑单元ALU为核心，累加器ACC、寄存器B、程序状态字PSW以及十进制调整电路和位操作

2、的布尔处理器等组成的。,基本组成,运算器 1) 算术逻辑单元ALU(Arithmetic Logic Unit) 算术逻辑单元ALU(8位)用来完成二进制数的四则运算和布尔数的逻辑运算。 通过对运算结果的判断,影响程序状态标志寄存器的有关标志位。,基本组成,运算器 2) 累加器ACC (Accumulator) 累加器ACC（8位）是CPU中使用最频繁的寄存器。它既可用于存放操作数，也可用来存放运算的中间结果。,基本组成,运算器 3) 寄存器B 寄存器B（8位）是为ALU进行乘除运算设置的。 在执行乘法运算时, 用于存放其中一个乘数和乘积的高8位数； 在执行除法运算时，用于存放除数和余数。 B

3、寄存器也可作为一般的数据寄存器使用。,基本组成,4) 程序状态字PSW(Program Status Word) 程序状态字PSW是一个8位特殊功能寄存器，格式和含义如下： Cy(PSW.7) 进位标志位。 AC(PSW.6) 辅助进位(或称半进位)标志。 F0(PSW.5) 用户标志位。 RSl和RS0(PSW.4，PSW.3) 工作寄存器组选择位。 OV(PSW.2) 溢出标志位。 F1(PSW.1) 用户标志位，同F0(PSW.5）。 P(PSW.0) 此位为奇偶标志位。,PSW位地址 字节地址D0H,运算器,基本组成,5)布尔处理器 布尔变量也即开关变量，以位（bit）为单位进行操作。

4、 MCS-51单片机有一个布尔处理机，以进位标志(Cy)作为累加位，以内部RAM中所有可位寻址的位作为操作位或存储位。 具有相应的位操作指令系统。,运算器,基本组成,控制器 控制器是CPU的神经中枢，它包括:程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器ID、数据指针DPTR、堆栈指针SP以及定时控制与条件转移逻辑电路等。 对来自PC指定的ROM单元中的指令进行译码，并通过定时和控制电路在规定的时刻发出各种操作所需要的控制信号，使各部件协调工作，完成指令所规定的操作。,基本组成,控制器 1) 程序计数器PC PC是一个16位计数器。是ROM的字节地址计数器，其内容是将要执行的下一条指令的地址，寻址

5、范围达64KB。,基本组成,控制器 2) 数据指针DPTR 16位寄存器，可存放16位的地址，作为访问外部ROM和外部RAM时的地址。 编程时，DPTR既可按16位寄存器使用，也可以按两个8位寄存器分开使用，即DPH为DPTR的高8位，DPL为DPTR的低8位。,基本组成,2定时器/计数器 8051单片机内有两个16位的定时器/计数器：定时器/计数器0和定时器/计数器1。 分别由两个8位寄存器组成，地址依次是8AH8DH。 功能：存放定时或计数的初值。,基本组成,3串行口 单片机内部有一个串行数据缓冲寄存器SBUF，串行口控制寄存器SCON和电源控制及波特率选择寄存器PCON。,SBUF在机器

6、内部实际是由两个8位寄存器组成， 一个作发送缓冲寄存器，另一个作接收缓冲寄存器， 二者由读写信号区分，但都是使用同一个地址99H。,SCON：串行数据通信中控制和监视串行口工作状态。,PCON：串行口波特率的倍增控制。,基本组成,4中断系统 8051单片机共有5个中断源（3个内部，2个外部），两个优先级别（高级和低级）。,基本组成,存储器结构 哈佛结构，程序和数据分别放在两个存储器内。程序存储器(ROM)与数据存储器(RAM)，有四个物理上相互独立的存储空间，即片内ROM和片外ROM，片内RAM和片外RAM。,基本组成,ROM：片内0000H 0FFFH；片外0000HFFFFH统一编址的程序

7、存储器。 RAM：片内00H FFH；片外0000HFFFFH统一编址的数据存储器或I/O口地址空间。 ROM片内外低4KB地址重叠，RAM片内外低256B地址重叠， RAM与ROM64KB地址全部重叠。 如何寻址？采用不同的操作指令及控制信号EA、PSEN的选择，因此不会发生混乱。,基本组成,1.程序存储器 片内ROM和片外ROM。内部4KBROM，地址范围为0000H0FFFH，片外64KB的ROM，两者统一编址。 执行程序： EA接高电平，PC在片内ROM取指，而当PC大于0FFFH后，则自动转向片外ROM取指。 EA接低电平，片内ROM不起作用，CPU只能从片外ROM取指，地址可以从O

8、000H开始编址。 对于片内无ROM的8031、8032单片机， EA应接地。,基本组成,2.片内数据存储器 片内数据存储器最大可寻址256个单元，通常把这256个单元按功能划分为低128单元(单元地址00H7FH)和高128单元(单元地址80HFFH),基本组成,(1) 片内数据存储器低128单元 低128单元共分为工作寄存器、位寻址区和数据缓冲区三个区域。 工作寄存器区(00H1FH) 32个RAM单元共分四组，每组8个寄存单元(R0R7)。常用于存放操作数及中间结果等，称为通用寄存器，也叫工作寄存器。,基本组成,工作寄存器区,在任一时刻，CPU只能使用其中的一组寄存器，称为当前寄存器组。

9、当前寄存器组由PSW中RS1、RS0位的状态决定。,基本组成,位寻址区(20H2FH) 16个单元(共计128位)的每一位都有一个8位表示的位地址，位寻址范围为00H7FH。 数据缓冲区 (30H7FH) 也可供用户使用，共80个单元。对用户RAM区的使用没有任何规定或限制，一般用于存放用户数据及作堆栈区使用。,基本组成,(2) 特殊功能寄存器( 80H0FFH ) 8051片内高128字节RAM中，除程序计数器PC外，还有21个特殊功能寄存器(SFR) ，又称为专用寄存器,离散地分布在RAM空间中。,基本组成,表 2-3 MCS-51专用寄存器一览表,基本组成,21个可字节寻址的特殊功能寄存

10、器是不连续地分布在内部RAM高128单元之中，空闲地址无意义。 对特殊功能寄存器只能使用直接寻址方式，书写时既可使用寄存器符号，也可使用寄存器单元地址。 有11个寄存器可位寻址。,基本组成,3.片外数据存储器 即片外RAM，一般由静态RAM芯片组成。访问片外RAM可用DPTR,寻址范围为064KB。 片外RAM地址范围:0000HFFFFH，片内数据存储器空间:0000H00FFH。 重叠？ CPU使用MOV指令和MOVX指令加以区分。,基本组成,4.堆栈及堆栈指针 堆栈是一种数据结构，所谓堆栈就是只允许在其一端进行数据插入和数据删除操作的线性表。 数据写入堆栈称为插入运算(PUSH)，也叫入

11、栈。 数据从堆栈中读出称为删除运算(POP)，也叫出栈。 堆栈的最大特点就是“后进先出”。常把后进先出写为LIFO(Last-In-First-Out)。,基本组成,(1)堆栈的功能 堆栈是为程序调用和中断操作而设立的，具体功能是保护断点和保护现场。,基本组成,(2)堆栈指针SP 8位，有栈顶和栈底之分，栈底地址一经设定后固定不变，它决定了堆栈在RAM中的物理位置。 为了指示栈顶地址，要设置堆栈指针SP。SP的内容就是堆栈栈顶的存储单元地址，最好在内部RAM的307FH单元中开辟。,基本组成,(3)堆栈使用方式 堆栈的使用有两种方式。一种是自动方式，在调用子程序时，断点地址自动进栈。另一种是指

12、令方式，使用专用的堆栈操作指令，执行进出栈操作。,I/O端口结构,I/O端口结构,四个8位并行接口P0P3，共有32根I/O线。它们都具有双向I/O功能，均可以作为数据输入/输出使用。 每个接口内部都有一个8位数据输出锁存器、一个输出驱动器和一个数据输入缓冲器，因此，CPU数据从并行I/O接口输出时可以得到锁存，输入时可以得到缓冲。,I/O端口结构,P0口结构及应用 1.组成结构,D,CP,Q,Q,-,锁存器,T2,T1,P0.X,VCC,MUX,读锁存器,内部总线,写锁存器,读引脚,地址/数据,控制,图2-4 P0口某位结构,输出锁存器,输出控制电路,I/O端口结构,应用 （1）P0口作为一

13、般I/O口使用,P0.X,图2-4 P0口某位结构,I/O端口结构,应用 （2）P0口作为地址/数据总线使用,P0.X,图2-4 P0口某位结构,I/O端口结构,2.应用 (1)P0口作为一般I/O口使用 作为输入/输出口 (2)P0口作为地址/数据总线使用,I/O端口结构,P1口结构及应用,D,CP,Q,Q,-,锁存器,读锁存器,内部总线,写锁存器,读引脚,VCC,内部上拉电阻,P1,T,P1口通常作为通用I/O口使用，所以在电路结构上不再需要多路转换开关MUX。,I/O端口结构,P2口结构及应用 P2口可以作为通用I/O口使用，但通常作为高位地址线使用。 P3口结构及应用 P3口增加了第二

14、功能控制逻辑。,引脚功能,引脚信号功能介绍 1电源引脚VSS和VCC 2XTAL1和XTAL2是 外接晶体引线端 3控制信号引脚ALE、 PSEN 、 EA和RST 4I/O端口P0、P1、 P2和P3,图2-8 MCS-51单片机芯片引脚图,引脚功能,引脚信号的第二功能 受到工艺及标准化等因素的限制，如MCS-51系列的芯片引脚数目为40条。 所以，些信号引脚赋以了双重功能。,引脚功能,1P3口线的第二功能,表2-5 P3口线的第二功能,引脚功能,2EPROM存储器程序固化所需要的信号 有内部EPROM的单片机芯片(例如8751)，为写入程序需要提供专门的编程脉冲和编程电压。这些信号是由信号

15、引脚第二功能提供的，即 编程脉冲 30脚 (ALE/PROG) 编程电压(21V) 31脚 (EAVPP),引脚功能,3备用电源 MCS-51单片机的备用电源是以第二功能的方式由9脚(RSTVPD)引入的。当主电源VCC发生故障或电压降低到下限时，备用电源经此端向内部RAM提供电压，以保护内部RAM中的信息不丢失。,时钟电路及工作方式,时钟电路 用于产生工作所需要的时钟信号，而时序所研究的是指令执行中各个信号的相互关系。 单片机如同一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，使用唯一的时钟信号，严格地按时序进行工作。,时钟电路及工作方式,时钟电路 1.时钟信号的产生 2.引入外部脉冲信

16、号,图2-9 时钟振荡电路,图2-10 外部脉冲源接法,时钟电路及工作方式,时序定时单位 MCS-51的时序定时单位从小到大依次为： 拍节（或节拍）、状态、机器周期和指令周期。 1.拍节与状态 把振荡脉冲的周期定义为拍节 (用P表示)。 每二个拍节定义为一个状态(用S表示)。一个状态包含拍节1(P1)和拍节2(P2)。,时钟电路及工作方式,2.机器周期 MCS-51规定一个机器周期的宽度为6个状态（S1S6），12个拍节（振荡脉冲周期），因此机器周期就是振荡脉冲的十二分频。 例如：当振荡脉冲频率为12MHz时，一个机器周期为1s；当振荡脉冲频率为6MHz时，一个机器周期为2s。,时钟电路及工作

17、方式,3.指令周期 指令周期是最大的时序定时单位，执行一条指令所需的时间称为指令周期。,时钟电路及工作方式,MCS-51指令时序,图2-11 MCS-51 指令的取指/执行时序 (a)单字节单周期指令，如INC A； (b)双字节单周期指令，如ADD A，#data; (c)单字节双周期指令，如INC DPTR (d)单字节双周期指令，如MOVX类指令,时钟电路及工作方式,MCS-51单片机的工作方式 1复位方式 (1)单片机的初始化操作复位 复位后内部寄存器的状态：大部分为零。堆栈指针SP为07H；四个口为FFH；个别随机（P22）。,时钟电路及工作方式,MCS-51单片机的工作方式 (2)复位信号 RST引脚是复位信号的输入端，复位信号为高电平有效，且持续时间必须保持两个机器周期（24个时钟周期），以确保复位完成。,时钟电路