MCS-51單片機芯片硬件結構

1、2-3 CPU時序2-4 并行I / O端口第二章 MCS-51單片機芯片的硬件結構2-2 單片機內存配置內容提要:2-1 MCS-51單片機內部結構及引腳2-5 MCS-51工作方式12-1 MCS-51單片機內部結構及引腳單片機是微型計算機的一個分支，繼承了微型機技術和特點，可用學習微型計算機的思路學習單片機2一、MCS-51單片機內部結構內部結構框圖如下：單片機結構框圖 頻率基準源 計數(shù)器 內部總線 中斷 中斷 控制 并行I/O口 串行輸入/輸出 8051振蕩器及定時電路4K/8K字節(jié)程序存儲器ROM128/256字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器RAM2個16位定時器/計數(shù)器8051CPU64K字節(jié)總線擴

2、展控制可編程I/O口48位可編程串行口31、中央處理單元CPU8位 用于數(shù)據(jù)處理、位操作位測試、置位、復位2、只讀存儲器ROM4KB或8KB 用于永久性存儲應用程序，掩膜ROM、EPROM、EEPROM3、隨機存取存取器RAM256B 用于程序運行中存儲工作變量和數(shù)據(jù)4、并行輸入/輸出口 I / O32線 用作系統(tǒng)總線、擴展外存、I / O接口芯片5、串行輸入/輸出口 UART 二線 串行通信、擴展I / O接口芯片46、定時/計數(shù)器 T16位增量可編程 它與CPU之間各自獨立工作，當它計數(shù)滿時向CPU中斷7、時鐘電路 fosc 分為內部振蕩器、外接振蕩電路8、中斷系統(tǒng) 五源中斷、兩級優(yōu)先，可

3、編程進行控制9、位處理器10、總線 傳輸系統(tǒng)的地址、數(shù)據(jù)、控制信號5二、MCS-51單片機外部引腳封裝形式，見右圖：6引腳分類：1、主電源引腳 Vss、Vcc2、外接晶振引腳 XTAL1、XTAL273、控制或復位引腳 RST / VPD 當出現(xiàn)兩個機器周期高電平時，單片機復位 。VPD為備用電源引入端。復位后，P0 P3 輸出高電平；SP存放器為07H；其它存放器全部清0；不影響RAM狀態(tài)。參考復位電路如下：89= 0 時，只訪問外部程序存儲器,即外ROM= 1 時，訪問內部程序存儲器,即內ROM / Vpp 內外ROM選擇端 對于8751單片機編程時，該端施加編程電壓4、輸入/輸出引腳 P

4、0.0 P0.7 ； P1.0 P1.7 ； P2.0 P2.7 ；P3.0 P3.7四個I / O口，每口八條線；還兼作地址/數(shù)據(jù)線。EAEAEAALE / PROG 地址鎖存控制端提供1/6 fosc振蕩頻率；為其內的EPROM輸入編程脈沖PSEN 外部程序存儲器的讀選通信號端105、P3口線的第二功能 外部RAM讀選通RDP3.8外部RAM寫選通WRP3.7定時器/計數(shù)器1計數(shù)輸入T1P3.5定時器/計數(shù)器0計數(shù)輸入T0P3.4外部中斷1申請INT1P3.3外部中斷0申請INT0P3.2串行數(shù)據(jù)發(fā)送TXDP3.1串行數(shù)據(jù)接收RXDP3.0信號名稱第二功能口線11 / Vpp :內部ROM

5、施加編程電壓EAALE / PROG :內部ROM施加編程脈沖注意：RST / VPD：VPD為備用電源引入端第一和第二功能在不同的工作方式下P3口線的第二功能大多為單片機的重要控制信號，在組成系統(tǒng)時大多會使用，不用時可做口線使用。12布置作業(yè)： P37 返回132-2 MCS-51單片機內存配置一、MCS-51單片機的內存結構）（外部K64RAM 數(shù)據(jù)存儲器 程序存儲器14物理上分為：4個空間，即片內ROM、片外ROM 片內RAM、片外RAM邏輯上分為: 3個空間， 即程序內存片內、外統(tǒng)一編址 MOVC 數(shù)據(jù)存儲器片內 MOV 數(shù)據(jù)存儲器片外 MOVX15二、程序存儲器尋址范圍：0000H

6、FFFFH 容量64KB，即地址長度：16位 ，尋址內部ROM； ，尋址外部ROM。 當PC值超過片內ROM容量時會自動轉向外部存儲器空間。8031單片機接低電平。作 用： 存放程序及程序運行時所需的常數(shù)。16七個具有特殊含義的單元是： 0000H 系統(tǒng)復位，PC指向此處； 0003H 外部中斷0入口 000BH T0溢出中斷入口 0013H 外中斷1入口 001BH T1溢出中斷入口 0023H 串口中斷入口 002BH T2溢出中斷入口52子系列 17三、內部數(shù)據(jù)存儲器物理上分為兩大區(qū)域：00H 7FH即128B內RAM區(qū) 80H FFH即SFR區(qū)。R0、R1、R2、R3、R4、R5、R6

7、、R7即可位尋址，又可字節(jié)尋址數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、堆棧區(qū)、工作單元18位尋址區(qū)20H2FH16個字節(jié)。16*8=128位，每一位都有一個位地址，范圍為：00H7FH，位地址區(qū)也可作為一般RAM使用。位尋址區(qū)19四、特殊功能存放器MCS-51單片機內共有22個特殊功能存放器，包括PC及SFR。PC為程序計數(shù)器。它是一個雙字節(jié)存放器,尋址范圍為: 0000H FFFFH，即0 64KB。SFR為特殊功能存放器。其尋址空間：80H FFH 其中，51子系列有18個存放器，占有21個字節(jié)； 52子系列有21個存放器，占有26個字節(jié)。 51子系列SFR的地址分配及位地址見下頁表：20 寄存器 位地址/位定義 地

8、址 F7 F6 F5 F4 F3 F2 F1 F0 B F0H E7 E6 E5 E4 E3 E2 E1 E0 ACC E0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 PSW CY AC F0 RS1 RS0 OV / P D0H BF BE BD BC BB BA B9 B8 IP B8H B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 P3 P3.7 P3.6 P3.5 P3.4 P3.3 P3.2 P3.1 P3.0 B0H IE A8H A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 P2 P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0 A0H S

9、BUF 99H 21+22 注意：1、表中共有4個雙字節(jié)存放器(52子系列5個。2、PC也為雙字節(jié)存放器，但是不在80H FFH 范圍內。 3、表中，凡地址能被8整除的存放器都是可位 尋址的存放器。23各存放器的名稱：1、算術運算存放器1A累加器。2BB存放器，乘、除法運算用。3PSW程序狀態(tài)字存放器：包含程序運 行狀態(tài)、信息。 24PSWCY 進位/借位標志；位累加器。AC 輔助進/借位標志；用于十進制調整。F0 用戶定義標志位；軟件置位/清零。OV 溢出標志； 硬件置位/清零。P 奇偶標志；A中1的個數(shù)為奇數(shù) P = 1；否那么 P = 0。RS1、RS0 存放器區(qū)選擇控制位。 0 0 ：

10、 0區(qū) R0 R7 0 1 ： 1區(qū) R0 R7 1 0 ： 2區(qū) R0 R7 1 1 ： 3區(qū) R0 R7 P RS0RS1OV F0 AC CY 252、指針存放器1程序計數(shù)器PC指明即將執(zhí)行的下一條指令的地址(程序存儲器地址)，在物理上獨立，復位時PC = 0000H。2堆棧指針SP指明棧頂元素的地址，8位，可軟件設置初值，復位時SP = 07H。3數(shù)據(jù)指針DPTRDPTR；指明訪問的數(shù)據(jù)存儲器的單元地址，16位，尋址范圍64KB。 DPTR = DPH + DPL，也可單獨使用。 263、并行輸入/輸出端口存放器P0、P1、P2、P3實為相應端口鎖存器。4、串行輸入/輸出端口1串行數(shù)據(jù)

11、緩沖器 SBUF是物理上獨立的兩個存放器，共同使用一個地址99H。2串行控制/狀態(tài)存放器SCON控制監(jiān)視串行口的工作狀態(tài)3電源控制存放器PCON控制單片機的低功耗工作方式及波特率選擇。 275、中斷系統(tǒng)1中斷優(yōu)先級存放器IP：2級優(yōu)先，可軟件設定2中斷允許存放器IE6、定時/計數(shù)器1定時器方式存放器：TMOD2定時器控制存放器：TCON3計數(shù)存放器：TH0、TL0；TH1、TL1?？捎糜谠O定計數(shù)初值。28五、位尋址空間1內部RAM 20H 2FH共16個單元可按位尋 址128位。2SFR 80H FFH 51子系列，有11個存放 器，83位；52子系列，有12個存放器，93位。六、外部數(shù)據(jù)存儲

12、器 1容量最大擴展到64KB 2尋址范圍：0000H FFFFH 3尋址方式：間接尋址可用R0，R1，DPTR 29存儲器小結ROMEA=1EA=00000H0FFFH1000H0FFFH片內片外程序存儲器片內RAM片內RAM(52子系列)SFRRAMI/O00H7FH80H0FFH80H0FFH0000H0FFFFH片內片外數(shù)據(jù)存儲器寄間或直接尋址寄間尋址直接尋址DPTR尋址DPTR或Ri尋址30七、關于堆棧堆棧是一種數(shù)據(jù)結構，即一個線性表格，這一表格允許在一端進行數(shù)據(jù)插入和數(shù)據(jù)刪除讀出。常常稱為入棧PUSH和出棧POP操作。堆棧的特點：LIFOLast-In First-Out311、堆棧

13、的功能在程序調用和中斷操作時，保護斷點和保護現(xiàn)場2、堆棧的開辟開辟在內部數(shù)據(jù)存儲區(qū)，操作速度快，但容量有限3、堆棧指示器SP為堆棧指針，8位二進制數(shù)，系統(tǒng)復位時為07H4、堆棧類型向上生長型進棧：SP+1寫入數(shù)據(jù)出棧：讀出數(shù)據(jù)SP-15、堆棧使用方式自動方式：調子和中斷 時斷點自動 進棧和出棧指令方式：PUSH和POP，現(xiàn)場保護和現(xiàn)場恢復32布置作業(yè)： P37 小結： 1、MCS51存儲結構分配是怎樣的？ 2、SFR中各存放器的名稱？33 時鐘的根本概念 啟動單片機后，指令執(zhí)行順序： 取指令 分析 執(zhí)行 2-3 CPU時序34一個機器周期P1 P2P1 P2單字節(jié)單周期指令例：INC A35以

14、上是單周期單字節(jié)指令在執(zhí)行過程中ALE脈沖、取指 操作、執(zhí)行操作等在時間上的先后關系。時序的定義：單片機內的各種操作都是在一系列脈沖控制下進行的，而各脈 沖在時間上是有先后順序的，這種順序就稱為時序。 執(zhí)令周期：即從取指到執(zhí)行完，所需時間。 不同機器指令周期不一樣；即使相同機器，不同的 指令其指令周期也不一樣。 機器周期：機器的根本操作周期。一個指令周期含假設干機器周 期單、雙、四周期36 每個狀態(tài)周期含兩個振蕩周期，即相位P1、P2。 振蕩周期：由振蕩時鐘產生。 振蕩周期Tosc = 1/fosc 一個機器周期 = 12個振蕩周期 = 121/fosc 。 例如，假設fosc = 12MHz

15、，那么一個機器周期 = 1s。狀態(tài)周期：一個機器周期分6個狀態(tài)周期Si37單字節(jié)單周期指令例：INC A雙字節(jié)單周期指令例：ADD A，DATA單字節(jié)雙周期指令例：INC DPTR38當ALEALE信號為振蕩頻率6分頻正跳變時，對應單片機進行一次讀指令操作。一個機器周期二次出現(xiàn)，在S1P2和S2P1及S4P2和S5P1期間。有效寬度為一個狀態(tài)。1單字節(jié)單周期指令：INC A只需進行一次讀指令操作指令只有一個字節(jié)，當?shù)诙€ALE有效時，由于PC沒有加1，讀出的還是原指令。屬于一次無效操作。392雙字節(jié)單周期指令：ADD A，#dataALE兩次讀操作都有效，第一次讀操作碼指令第一字節(jié)，第二次讀立

16、即數(shù)指令第二字節(jié)。3單字節(jié)雙周期指令：INC DPTR兩個機器周期共進行四次讀指令操作，但其后三次的讀操作都是無效的。40 時鐘的產生： XTAL119、XTAL18。 1、內部方式 與作為反響元件的片外晶體或陶瓷諧振器一起組成 一個自激振蕩器。 2、外部方式 CMOS工藝的8031，其XTAL1接外信號；XTAL2 可懸空。HMOS工藝的8031，其XTAL2接外信號； XTAL1接地。 41布置作業(yè):P37422-4 并行I / O 端口四個端口、雙向、每個口包含一個鎖存器、一個輸出驅動器和二個輸入緩沖器。一、P0口1、結構 P0口電路圖如以下圖 43P0口：地址/數(shù)據(jù)復用口442、通用I

17、 / O口1讀端口外數(shù)據(jù) 內部存放器方式1讀鎖存器 Q G2 D 內部總線, 適于“讀修改寫方式2讀引腳：P0.x G1 D 內部總線。作為通用I / O使用， 是一個準雙向口：“在輸入數(shù)據(jù)時應先把口置1，使兩個FET都截止，引腳處于懸浮狀態(tài)，可作高阻抗輸入2寫片內數(shù)據(jù) 端口 數(shù)據(jù) 鎖存 MUX P0.x 453地址/數(shù)據(jù)總線口控制MUX寫：地址/數(shù)據(jù)為1，P0 x 高 地址/數(shù)據(jù)為0，P0 x 低 讀：經緩沖器G1讀入 4)負載能力可帶8個TTL輸入，驅動NMOS時，接上拉電阻。46 總結特點：1P0口可作通用I / O口使用，又可作地址/數(shù)據(jù)總線口；2P0既可按字節(jié)尋址，又可按位尋址；3P

18、0作為輸入口使用時：是準雙向口；4作通用I / O 口輸出時：是開漏輸出；5作地址/數(shù)據(jù)總線口時，P0是一真正雙向口，而作通 用I / O口時，只是一個準雙向口。 47二、P1口1、結構：48只能作I / O口用，且是一個準雙向口。內部已有上拉電阻，不是開漏輸出口。2、特點：1無地址/數(shù)據(jù)口功能2可按字節(jié)尋址，也可按位尋址3作I / O輸入口時：是一準雙向口，不是開漏輸出。 49三、P2口1、結構 502、特點：1當P2口作為通用I / O時，是一準雙向口。2從P2口輸入數(shù)據(jù)時，先向鎖存器寫“1。3可位尋址，也可按字節(jié)尋址4可輸出地址高8位。 51四、P3口1、結構522、特點：1作通用I /

19、 O時，“選擇輸出功能應保持高電平，2工作于第二功能時，該位鎖存器應置1，3作輸入口時，輸出鎖存器和選擇輸出功能端都應 置14第二功能專用輸入，取自輸入通道第一緩沖器 G1輸出端，通用輸入信號取自“讀引腳。 53小結：1、P0口：地址低8位與數(shù)據(jù)線分時使用端口，2、P1口：按位可編址的輸入輸出端口，3、P2口：地址高8位輸出口4、P3口：雙功能口。假設不用第二功能，也可作通用I / O 口。5、按三總線劃分： 地址線：P0低八位地址，P2高八位地址；數(shù)據(jù)線：P0輸入輸出8位數(shù)據(jù)；控制線：P3口的8位加上/PSEN、ALE共同完成 控制總線。54布置作業(yè)： P37552-5 MCS-51工作方式

20、MCS-51單片機共有復位、程序執(zhí)行、單步執(zhí)行、掉電保護、低功耗、EPROM編程和校驗6種工作方式。561、復位操作（1）復位是單片機的初始化操作（2）系統(tǒng)進入正常的初始化狀態(tài)（3）程序錯誤、系統(tǒng)死機時可用按鍵方式復位， 重新啟動系統(tǒng)（4） 復位后，一些專用寄存器的狀態(tài)如下00HTMOD00000PCON0000000BIE不定SBUF000000BIP00HSCON0FFHP0P300HTH10000HDPTR00HTL107HSP00HTH000HPSW00HTL000HACC00HTCON0000HPC572、程序執(zhí)行方式復位后PC=0000H，程序從地址0000H開始3、HMOS型單片機掉電保護方式片內RAM復位電路D1D2RST/VPDVCCVSS數(shù)據(jù)轉存：當檢測到電源出現(xiàn)故障時應通過一次中斷操作，將系統(tǒng)有用數(shù)據(jù)轉存到內部RAM接通備用電源：給內部R