單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)：第2章 MCS-51單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1、 第2章 MCS-51單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2.1 硬件組成1、一個(gè)8位微處理器CPU2、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM和特殊功能寄存器SFR3、片內(nèi)程序存儲(chǔ)器ROM4、四個(gè)8位可編程的并行I/O端口，每個(gè)端口既可作輸 入，也可作輸出5、兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0、T1，可用作定時(shí)器，也可用 以對(duì)外部脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)6、一個(gè)串行SIO端口，用于數(shù)據(jù)的串行通信7、中斷控制系統(tǒng)8、內(nèi)部時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路SFR和RAM ROMCPU定時(shí)/計(jì)數(shù)器并行端口中斷系統(tǒng)串行端口系 統(tǒng) 總 線時(shí)鐘源T0 T1P0 P1 P2 P3TXD RXD INT0 INT1。運(yùn)算器控制器片內(nèi)存儲(chǔ)器4個(gè)I/O口串行口定時(shí)器/計(jì)數(shù)器中斷系統(tǒng)振蕩器SP堆

2、棧指針PC程序計(jì)數(shù)器PSW程序狀態(tài)字DPTR數(shù)據(jù)指針2.2 8051引腳說(shuō)明 44只引腳方形封裝40只引腳雙列直插封裝（DIP）一、電源及時(shí)鐘引腳 1、電源引腳 Vcc（40腳）：+5V電源 Vss（20腳）：接地2、時(shí)鐘引腳 XTAL1（19腳）：接外部晶體，如果采用外接 時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，振蕩器的輸出應(yīng)接到此引腳上。 XTAL2（18腳）：接外部晶體的另一端或懸空。二、控制信號(hào)（控制總線）引腳1、RST（VPD ）：(9腳)復(fù)位（備用電源）2、ALE（/PROG）：（30腳）地址鎖存(編程脈沖）。可驅(qū) 動(dòng)8個(gè)LS型TTL 負(fù)載3、/PSEN（29腳）：外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)?？?驅(qū)動(dòng)8個(gè)LS

3、型TTL負(fù)載4、/EA（VPP）：(31腳)程序存儲(chǔ)器選擇端（編程電源） /EA=1時(shí)，訪問(wèn)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，但在PC（程序計(jì)數(shù)器） 值超過(guò)0FFFH（對(duì)于8051、8751）時(shí)，即超出片內(nèi)程序 儲(chǔ)器的4K字節(jié)地址范圍時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存 儲(chǔ)器內(nèi)的程序。 /EA=0時(shí)，單片機(jī)則只訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器。三、I/O口引腳1、P0口：雙向8位三態(tài)I/O口，地址總線（低8位）和數(shù)據(jù)總 線復(fù)用，可驅(qū)動(dòng)8個(gè)LS型TTL負(fù)載。2、P1口：8位準(zhǔn)雙向I/O口，可驅(qū)動(dòng)4個(gè)LS型TTL負(fù)載。3、P2口：8位準(zhǔn)雙向I/O口，地址總線（高8位）和I/O口復(fù) 用，可驅(qū)動(dòng)4個(gè)LS型TTL負(fù)載。4、P3口：8位準(zhǔn)雙向I

4、/O口，I/O口和第二功能復(fù)用，可驅(qū)動(dòng) 4個(gè)LS型TTL負(fù)載。 注意 準(zhǔn)雙向口與雙向三態(tài)口的差別： 當(dāng)準(zhǔn)雙向I/O口作輸入口使用時(shí)，要向該口先寫(xiě)“1”， 準(zhǔn)雙向I/O口無(wú)高阻 “浮空”狀態(tài)。P3口的第二功能MCS-51系列單片機(jī)的引腳可歸納為以下兩點(diǎn)： (1) 單片機(jī)功能多，引腳數(shù)少，因而許多引腳都具有第二功能。 (2) 單片機(jī)對(duì)外呈現(xiàn)3總線形式， P2、P0口組成16位地址總線； P0口分時(shí)復(fù)用為數(shù)據(jù)總線； ALE、PSEN、RST、EA與P3口中的INT0、INT1、T0、 T1、WR、RD共10個(gè)引腳組成控制總線。 由于是16位地址線，因此，可使片外存儲(chǔ)器的尋址范圍達(dá)到64 KB。2.3

5、 MCS-51的CPU 一、算術(shù)、邏輯運(yùn)算運(yùn)算器ALU 對(duì)操作數(shù)進(jìn)行算術(shù)、邏輯運(yùn)算、位操作和數(shù)據(jù)傳輸二、專用寄存器 1、累加器A（Acc） 提供操作數(shù)，存放運(yùn)算結(jié)果 數(shù)據(jù)傳送大多都要通過(guò)累加器A 也有一部分傳送指令可以不經(jīng)過(guò)累加器 2、寄存器B 乘法和除法操作時(shí)提供另一操作數(shù) 無(wú)乘、除法操作時(shí)，可當(dāng)作普通寄存器使用3、程序狀態(tài)字寄存器PSW Cy（PSW.7）進(jìn)位標(biāo)志位 不僅是A的進(jìn)位標(biāo)志位，還是位（布爾）操作的位累加器（C） AC（PSW.6）輔助進(jìn)位（半字節(jié)）標(biāo)志位 常用于BCD碼運(yùn)算后的結(jié)果調(diào)整 F0（PSW.5）用戶自定義標(biāo)志位 RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）工作寄存器組選擇

6、 置0和1選擇4組工作寄存器組中的一組RS1RS0工作寄存器組片內(nèi)RAM地址00第0組 00H07H 01第1組08H0FH 10第2組10H17H 11第3組18H1FH OV（PSW.2）溢出標(biāo)志位 用于帶符號(hào)數(shù)運(yùn)算，指示運(yùn)算是否產(chǎn)生溢出 結(jié)果超出-128+127時(shí)，OV=1，有溢出； 否則OV=0無(wú)溢出 （PSW.1）保留位，未用 8052也作為用戶標(biāo)志 P（PSW.0）奇偶標(biāo)志位 結(jié)果A中“1”的個(gè)數(shù)為奇數(shù) P=1 結(jié)果A中“1”的個(gè)數(shù)為偶數(shù) P=04、堆棧指針SP 用來(lái)指示堆棧的起始地址 8051單片機(jī)的堆棧區(qū)位于片內(nèi)RAM中，“向上增長(zhǎng)型” 復(fù)位后SP被初始化為07H，堆棧實(shí)際上從

7、08H單元開(kāi)始5、數(shù)據(jù)指針DPTR 是一個(gè)16位寄存器，由高位字節(jié)DPH和低位字節(jié)DPL組成 用來(lái)存放16位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址，以便對(duì)片外64kB的數(shù)據(jù) RAM區(qū)進(jìn)行讀寫(xiě)操作。6、指令譯碼器 指令送入指令譯碼器后，由譯碼器對(duì)該指令進(jìn)行譯碼 CPU根據(jù)譯碼器輸出的電平信號(hào)使控制電路產(chǎn)生執(zhí)行該 指令所需要的各種控制信號(hào)7、程序計(jì)數(shù)器PC 當(dāng)一條指令按PC所指向的地址從程序存儲(chǔ)器中取出之 后，PC的值會(huì)自動(dòng)增量，指向下一條指令 執(zhí)行有條件轉(zhuǎn)移或無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令時(shí)，PC將被置入新的 數(shù)值，從而使程序的流向發(fā)生變化。 執(zhí)行子程序調(diào)用或中斷調(diào)用，完成下列操作： PC的現(xiàn)行值保護(hù) 將子程序入口地址或中斷向量的地

8、址送入PC2.4 8051單片機(jī)的CPU時(shí)序一、單片機(jī)的時(shí)鐘電路1、內(nèi)部振蕩方式 片內(nèi)有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引 腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。 把放大器與作為反饋元件的晶體振蕩器或陶瓷諧振器 連接，就構(gòu)成了內(nèi)部自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘脈沖 （晶振fosc=1.2MHz12MHz)2、外部振蕩方式 把外部已有的時(shí)鐘信號(hào)引入單片機(jī)內(nèi) 內(nèi)部振蕩方式 外部振蕩方式二、振蕩周期、時(shí)鐘周期、機(jī)器周期、指令周期1、振蕩周期 為單片機(jī)提供時(shí)鐘信號(hào)的振蕩源的周期2、時(shí)鐘周期 振蕩源信號(hào)經(jīng)二分頻后形成的時(shí)鐘脈沖信號(hào)，為振蕩周期的 2倍 3、機(jī)器周期 完成一個(gè)基本操作所需

9、的時(shí)間，通常為12個(gè)振蕩周期4、指令周期 指CPU執(zhí)行一條指令所需要的時(shí)間，一個(gè)指令周期通常含有 14個(gè)機(jī)器周期。P1P2S1振蕩周期時(shí)鐘周期機(jī)器周期機(jī)器周期指令周期XTAL2(OSC)S2S3S4S5S6S1S2S4S5S3S6P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P2P2P2P2P2P2P2P2P2P28051單片機(jī)各種周期的相互關(guān)系P28051單片機(jī)外接晶振為12MHz時(shí)：振蕩周期1/12s；時(shí)鐘周期1/6s；機(jī)器周期1s； 指令周期14s2.5 并行I/O端口 P0口P3口（特殊功能寄存器），可位尋址 一、P0口（地址/數(shù)據(jù)線，I/O口） 1地址/數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用功能 控制信號(hào)為高電

10、平“1”：當(dāng)?shù)刂坊驍?shù)據(jù)為“1”時(shí)，V1截止，V2導(dǎo)通當(dāng)?shù)刂坊驍?shù)據(jù)為“0”時(shí)，V1導(dǎo)通，V2截止（必須外接上拉電阻）2通用I/O接口功能控制信號(hào)為0，V2截止，輸出級(jí)是漏極開(kāi)路電路：P0口輸出：P0.x=DP0口輸入：先向口寫(xiě)1，使V1、V2均截止，方可高阻輸入準(zhǔn)雙向I/O口 綜上所述，P0口在有外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)被作為地址/數(shù)據(jù)總線口，此時(shí)是一個(gè)真正的雙向口；在沒(méi)有外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)，P0口也可作為通用的I/O接口，但此時(shí)只是一個(gè) 。準(zhǔn)雙向口二、P1口（I/O口）三、P2口（地址線，I/O口） 當(dāng)作為外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器的高8位地址總線使用時(shí)，控制信號(hào)使轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)接向右側(cè)，高8位地址經(jīng)反相器和V1原樣呈現(xiàn)

11、在P2口的引腳上，輸出高8位地址A8A15。 當(dāng)作為準(zhǔn)雙向通用I/O口使用時(shí)，控制信號(hào)使轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)接向左側(cè)，鎖存器Q端經(jīng)反相器接V1，其工作原理與P1相同，四、P3口（第二功能，I/O口） 第一功能：準(zhǔn)雙向通用I/O口,第二輸出功能需置“1” ； 第二功能：具有特殊變異功能的I/O口， 輸出：鎖存器需置“1” 輸入：鎖存器和第二輸出功能均需置“1” P3口的第二功能 總結(jié)：P0口和P2口組成外部16位地址總線和8位數(shù)據(jù)總線；P3口常作為第二變異功能用；P1口是作為I/O口用。注：P0口需要上拉電阻 2.6 復(fù)位電路及復(fù)位狀態(tài)1、復(fù)位電路 單片機(jī)復(fù)位電路包括片內(nèi)、片外兩部分； 外部復(fù)位電路就是為內(nèi)部復(fù)位電路提供兩個(gè)機(jī)器周期 以上的高電平； 8051單片機(jī)通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵手動(dòng)復(fù)位 兩種方式； “看門(mén)狗”電路可定時(shí)輸出高電平信號(hào)，但 外脈沖可將其復(fù)位的電路（防止程序運(yùn)行出錯(cuò)）。 C1 22F RST R11K+5V 上電復(fù)位電路