片機(jī)原理及接口技術(shù)第二章

1、第2章 MCS-51 單片機(jī)組成原理,2.1 MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 2.2 CPU的結(jié)構(gòu) 2.3 MCS-51單片機(jī)存儲器 2.4 時(shí)鐘電路及時(shí)序 2.5 輸入/輸出端口 2.6 MCS-51單片機(jī)的引腳功能 2.7 MCS-51單片機(jī)的工作方式,退出,2.1 MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu),MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示,2.2 CPU的結(jié)構(gòu),CPU包括運(yùn)算器和控制器二大部分。 2.2.1 運(yùn)算器 運(yùn)算器包括算術(shù)邏輯部件(ALU)、累加器A、暫存寄存器、寄存器B、程序狀態(tài)寄存器（PSW），十進(jìn)制調(diào)整電路等。運(yùn)算器主要用于實(shí)現(xiàn)算術(shù)/邏輯運(yùn)算及位操作運(yùn)算。下面介紹運(yùn)算器的各

2、組成部分。 1、算術(shù)邏輯部件ALU 2、累加器A 3、寄存器B 4、程序狀態(tài)字寄存器PSW,CY（PSW.7）：進(jìn)位標(biāo)志位。在進(jìn)行加法（或減法）運(yùn)算時(shí)，若運(yùn)算結(jié)果最高位有進(jìn)位或借位，則CY自動置“1”，否則CY置“0”，在進(jìn)行布爾操作運(yùn)算時(shí)，CY（簡稱C）作為布爾處理器。 AC：輔助進(jìn)位標(biāo)志位。當(dāng)進(jìn)行加法或減法時(shí)，若低4位向高4位有進(jìn)位（或借位）時(shí)，AC被置“1”，否則AC被置“0”。在十進(jìn)制調(diào)整指令中AC還作為十進(jìn)制調(diào)整的判別位。 F0：用戶標(biāo)志位。用戶可用軟件對F0位置“1”或清“0”以決定程序的流向。,OV：溢出標(biāo)志位，當(dāng)運(yùn)算結(jié)果溢出時(shí)OV為“1”，否則為“0”，此標(biāo)志位反映了運(yùn)算結(jié)果是

3、否溢出。 PSW.1：未定義位。 P（PSW.0）：奇偶標(biāo)志位。MCS-51單片機(jī)采用的是偶校驗(yàn)。當(dāng)累加器A中“1”的個數(shù)為奇數(shù)時(shí)，P置“1”，否則P置“0”。此位反映累加器A中內(nèi)容“1”的奇偶性，它常常用于機(jī)間通信。 RS1、RS0：工作寄存器區(qū)選擇位。用來選擇當(dāng)前工作的寄存器區(qū)。用戶通過改變RS1 、RS0的內(nèi)容來選擇當(dāng)前工作寄存器區(qū)。RS1、RS0的內(nèi)容與工作寄存器區(qū)的對應(yīng)關(guān)系如表2-1所示。,2.2.2 控制器 1、指令寄存器IR和指令譯碼器ID。 指令寄存器是存放指令代碼的地方。當(dāng)執(zhí)行指令時(shí)，CPU把從程序存儲器中讀取的指令代碼送入指令寄存器，然后指令譯碼器譯碼后由定時(shí)控制電路發(fā)生相

4、應(yīng)的控制信號，最終完成指令所規(guī)定的操作。,2、程序計(jì)數(shù)器PC 程序計(jì)數(shù)器PC的功能與普通微機(jī)相同，它用來存放CPU執(zhí)行的下一條指令的地址。當(dāng)一條指令按照PC所指的地址從程序存儲器中取出后，PC會自動加1，指向下一條指令。程序計(jì)數(shù)器PC是一個16位的寄存器，可尋址64KB的程序存儲器空間。 3、堆棧指針SP 4、數(shù)據(jù)指針寄存器DPTR,2.2.3 工作寄存器和特殊功能寄存器 1、工作寄存器 MCS-51有32個工作寄存器，分為四個區(qū)（或組）每個區(qū)為8個寄存器R0、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7，每一時(shí)刻只有一個區(qū)工作。由PSW寄存器中的RS1、RS0的值來決定當(dāng)前的工作區(qū)： 當(dāng) RS1

5、 RS000時(shí)，0區(qū)為工作區(qū)， RS1RS001時(shí)，1區(qū)為工作區(qū) RS1RS010時(shí)，2區(qū)為工作區(qū) RS1RS011時(shí)，3區(qū)為工作區(qū),這32個工作寄存器不但有它們的名稱和區(qū)號，而且還有地址。00H-1FH共32個單元。 00H07H為0區(qū)，分別對應(yīng)R0R7 08H0FH為1區(qū)，分別對應(yīng)R0R7 10H17H為2區(qū)，分別對應(yīng)R0R7 18H1FH為3區(qū)，分別對應(yīng)R0R7,這32個單元為內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（即片內(nèi)RAM）的00H1FH存貯空間，這與普通微機(jī)中的通用寄存器基本相同，所不同的是，普通微機(jī)的通用寄存器只有名稱，不占有RAM空間，因此只有名字，沒有對應(yīng)的地址；而MCS-51單片機(jī)的工作寄存器R

6、0R7既可以用名字也可以用它的地址來表示。其中R0、R1寄存器除做工作寄存器外還常做間址尋址的地址指針。 2、特殊功能寄存器SFR（又稱專用寄存器） 這21個特殊功能寄存器詳情見表2-2。,這21個特殊功能寄存器中，有11個寄存器具有位尋址功能，即寄存器中的每位都具有位地址，可以按位尋址。11個寄存器的位地址如圖2-3所示。,2.3 MCS-51單片機(jī)存儲器,2.3.1 程序存儲器 8051單片機(jī)內(nèi)部有4KB的掩膜ROM、8751單片機(jī)內(nèi)部有4KB的EPROM，而8031內(nèi)部沒有程序存儲器，必須外接程序存儲器。 2.3.2 數(shù)據(jù)存儲器 MCS-51系列單片機(jī)數(shù)據(jù)存儲器分內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（即片內(nèi)R

7、AM）和外部數(shù)據(jù)存儲器（即片外RAM）。 1、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器,2、外部數(shù)據(jù)存儲器 由于MCS-51子系列單片機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器只有128個字節(jié)，往往不夠用，這就需要擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲器，外部數(shù)據(jù)存儲器最多可擴(kuò)至64KB。,2.4 時(shí)鐘電路及時(shí)序,2.4.1 時(shí)鐘電路 1、內(nèi)部方式時(shí)鐘電路,2、外部方式時(shí)鐘電路 2.4.2 時(shí)序 1、基本概念 （1）振蕩周期 振蕩周期指為單片機(jī)提供定時(shí)信號的振蕩源的周期，即晶體振蕩器直接產(chǎn)生的振蕩信號的振蕩周期。,（2）時(shí)鐘周期 時(shí)鐘周期是振蕩周期的兩倍。是對振蕩器2分頻的信號。時(shí)鐘周期又稱狀態(tài)周期，用S來表示，一個時(shí)鐘周期，分為兩個節(jié)拍，P1和P2節(jié)拍。P1節(jié)拍通

8、常完成算術(shù)邏輯操作，P2節(jié)拍通常完成內(nèi)部寄存器間數(shù)據(jù)的傳遞。 （3）機(jī)器周期 一個機(jī)器周期由6個時(shí)鐘周期組成，即S1S6，如果把一條指令的執(zhí)行過程劃分為幾個基本操作，則完成一個基本操作所需的時(shí)間稱為機(jī)器周期。 （4）指令周期 指令周期是執(zhí)行一條指令所需的全部時(shí)間。MCS-51單片機(jī)的指令周期通常由14個機(jī)器周期組成。 2、幾種典型的取指和執(zhí)行時(shí)序,（1）單字節(jié)單周期指令 （2）雙字節(jié)單周期指令 （3）單字節(jié)雙周期指令 （4）訪問外部數(shù)據(jù)存儲器指令MOVX時(shí)序,2.5 輸入/輸出端口,2.5.1 P0口 P0口有位，每一位由一個鎖存器、兩個三態(tài)輸入緩沖器以及控制電路和驅(qū)動電路組成，其位結(jié)構(gòu)如圖2

9、-7（a）所示。,1、P0口作通用I/O口 2、作分時(shí)復(fù)用的地址/數(shù)據(jù)總線 2.5.2 P1口 P1口是一個專用的8位準(zhǔn)雙向I/O口，只具有通用輸入/輸出口功能，每一位都能設(shè)定為輸入或輸出，它的位結(jié)構(gòu)如圖2-7（b）所示。,2.5.3 P2口 P2口是一個8位準(zhǔn)雙向I/O口，具有兩種功能。一是作通用I/O口用，與P1口相同。二是作擴(kuò)展系統(tǒng)的高8位地址總線。輸出高8位地址，與P0口一起組成16位地址總線。它的位結(jié)構(gòu)如圖2-7（c）所示。,2.5.4 P3口 P3口也是一個8位準(zhǔn)雙向I/O口，除具有與P1口同樣的功能（即可以作通用I/O口使用）外，還具有第二功能。當(dāng)工作在第二功能時(shí)，每位都具有新的

10、功能，各位的定義如表2-4。,P3口的位結(jié)構(gòu)如圖2-7（d）所示，當(dāng)P3口作通用I/O口時(shí)，與P1口相同。,2.5.5 P0P3口的負(fù)載能力及接口要求 P0口的輸出級的每一位可驅(qū)動8個LSTTL門。P0口作通用I/O口時(shí)，由于輸出級是開漏電路，故用它驅(qū)動NMOS電路時(shí)需外加上拉電阻；而作地址/數(shù)據(jù)總線時(shí)，無需外接上拉電阻。 P1口P3口的輸出級的每一位可驅(qū)動4個LSTTL門。由于它們的輸出級內(nèi)部有上拉電阻，因此組成系統(tǒng)時(shí)無需外加上拉電阻。,2.6 MCS-51單片機(jī)的引腳功能,MCS-51單片機(jī)共有40個引腳。,2.7 MCS-51單片機(jī)的工作方式,MCS-51單片機(jī)有三種工作方式，復(fù)位方式、程序執(zhí)行方式以及節(jié)電工作方式。 2.7.1 復(fù)位方式 1、單片機(jī)復(fù)位后的工作狀