單片機(jī)原理及應(yīng)用課件：chapter2 MCS-51單片機(jī)的結(jié)構(gòu)

1、第二章,MCS-51單片機(jī)的結(jié)構(gòu),2.1 MCS-51單片機(jī)的基本組成,2.3 MCS-51單片機(jī)的引腳功能,2.2 I/O端口結(jié)構(gòu),2.4 時鐘電路及工作方式,教學(xué)目的和要求,掌握MCS-51系列單片機(jī)的內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)、存儲器結(jié)構(gòu)、I/O口結(jié)構(gòu)、主要引腳、時序,基本組成,51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu),圖2-1 8051單片機(jī)功能框圖,基本組成,8051單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能 1中央處理器CPU 單片機(jī)內(nèi)部的核心部件，由運(yùn)算器和控制器組成。 （1）運(yùn)算器 用于實(shí)現(xiàn)算術(shù)邏輯運(yùn)算、位變量處理、移位和數(shù)據(jù)傳送等操作。 以算術(shù)邏輯單元ALU為核心，累加器ACC、寄存器B、程序狀態(tài)字PSW以及十進(jìn)制調(diào)整電路和位操作

2、的布爾處理器等組成的。,基本組成,運(yùn)算器 1) 算術(shù)邏輯單元ALU(Arithmetic Logic Unit) 算術(shù)邏輯單元ALU(8位)用來完成二進(jìn)制數(shù)的四則運(yùn)算和布爾數(shù)的邏輯運(yùn)算。 通過對運(yùn)算結(jié)果的判斷,影響程序狀態(tài)標(biāo)志寄存器的有關(guān)標(biāo)志位。,基本組成,運(yùn)算器 2) 累加器ACC (Accumulator) 累加器ACC（8位）是CPU中使用最頻繁的寄存器。它既可用于存放操作數(shù)，也可用來存放運(yùn)算的中間結(jié)果。,基本組成,運(yùn)算器 3) 寄存器B 寄存器B（8位）是為ALU進(jìn)行乘除運(yùn)算設(shè)置的。 在執(zhí)行乘法運(yùn)算時, 用于存放其中一個乘數(shù)和乘積的高8位數(shù)； 在執(zhí)行除法運(yùn)算時，用于存放除數(shù)和余數(shù)。 B

3、寄存器也可作為一般的數(shù)據(jù)寄存器使用。,基本組成,4) 程序狀態(tài)字PSW(Program Status Word) 程序狀態(tài)字PSW是一個8位特殊功能寄存器，格式和含義如下： Cy(PSW.7) 進(jìn)位標(biāo)志位。 AC(PSW.6) 輔助進(jìn)位(或稱半進(jìn)位)標(biāo)志。 F0(PSW.5) 用戶標(biāo)志位。 RSl和RS0(PSW.4，PSW.3) 工作寄存器組選擇位。 OV(PSW.2) 溢出標(biāo)志位。 F1(PSW.1) 用戶標(biāo)志位，同F(xiàn)0(PSW.5）。 P(PSW.0) 此位為奇偶標(biāo)志位。,PSW位地址 字節(jié)地址D0H,運(yùn)算器,基本組成,5)布爾處理器 布爾變量也即開關(guān)變量，以位（bit）為單位進(jìn)行操作。

4、 MCS-51單片機(jī)有一個布爾處理機(jī)，以進(jìn)位標(biāo)志(Cy)作為累加位，以內(nèi)部RAM中所有可位尋址的位作為操作位或存儲位。 具有相應(yīng)的位操作指令系統(tǒng)。,運(yùn)算器,基本組成,控制器 控制器是CPU的神經(jīng)中樞，它包括:程序計數(shù)器PC、指令寄存器IR、指令譯碼器ID、數(shù)據(jù)指針DPTR、堆棧指針SP以及定時控制與條件轉(zhuǎn)移邏輯電路等。 對來自PC指定的ROM單元中的指令進(jìn)行譯碼，并通過定時和控制電路在規(guī)定的時刻發(fā)出各種操作所需要的控制信號，使各部件協(xié)調(diào)工作，完成指令所規(guī)定的操作。,基本組成,控制器 1) 程序計數(shù)器PC PC是一個16位計數(shù)器。是ROM的字節(jié)地址計數(shù)器，其內(nèi)容是將要執(zhí)行的下一條指令的地址，尋址

5、范圍達(dá)64KB。,基本組成,控制器 2) 數(shù)據(jù)指針DPTR 16位寄存器，可存放16位的地址，作為訪問外部ROM和外部RAM時的地址。 編程時，DPTR既可按16位寄存器使用，也可以按兩個8位寄存器分開使用，即DPH為DPTR的高8位，DPL為DPTR的低8位。,基本組成,2定時器/計數(shù)器 8051單片機(jī)內(nèi)有兩個16位的定時器/計數(shù)器：定時器/計數(shù)器0和定時器/計數(shù)器1。 分別由兩個8位寄存器組成，地址依次是8AH8DH。 功能：存放定時或計數(shù)的初值。,基本組成,3串行口 單片機(jī)內(nèi)部有一個串行數(shù)據(jù)緩沖寄存器SBUF，串行口控制寄存器SCON和電源控制及波特率選擇寄存器PCON。,SBUF在機(jī)器

6、內(nèi)部實(shí)際是由兩個8位寄存器組成， 一個作發(fā)送緩沖寄存器，另一個作接收緩沖寄存器， 二者由讀寫信號區(qū)分，但都是使用同一個地址99H。,SCON：串行數(shù)據(jù)通信中控制和監(jiān)視串行口工作狀態(tài)。,PCON：串行口波特率的倍增控制。,基本組成,4中斷系統(tǒng) 8051單片機(jī)共有5個中斷源（3個內(nèi)部，2個外部），兩個優(yōu)先級別（高級和低級）。,基本組成,存儲器結(jié)構(gòu) 哈佛結(jié)構(gòu)，程序和數(shù)據(jù)分別放在兩個存儲器內(nèi)。程序存儲器(ROM)與數(shù)據(jù)存儲器(RAM)，有四個物理上相互獨(dú)立的存儲空間，即片內(nèi)ROM和片外ROM，片內(nèi)RAM和片外RAM。,基本組成,ROM：片內(nèi)0000H 0FFFH；片外0000HFFFFH統(tǒng)一編址的程序

7、存儲器。 RAM：片內(nèi)00H FFH；片外0000HFFFFH統(tǒng)一編址的數(shù)據(jù)存儲器或I/O口地址空間。 ROM片內(nèi)外低4KB地址重疊，RAM片內(nèi)外低256B地址重疊， RAM與ROM64KB地址全部重疊。 如何尋址？采用不同的操作指令及控制信號EA、PSEN的選擇，因此不會發(fā)生混亂。,基本組成,1.程序存儲器 片內(nèi)ROM和片外ROM。內(nèi)部4KBROM，地址范圍為0000H0FFFH，片外64KB的ROM，兩者統(tǒng)一編址。 執(zhí)行程序： EA接高電平，PC在片內(nèi)ROM取指，而當(dāng)PC大于0FFFH后，則自動轉(zhuǎn)向片外ROM取指。 EA接低電平，片內(nèi)ROM不起作用，CPU只能從片外ROM取指，地址可以從O

8、000H開始編址。 對于片內(nèi)無ROM的8031、8032單片機(jī)， EA應(yīng)接地。,基本組成,2.片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器最大可尋址256個單元，通常把這256個單元按功能劃分為低128單元(單元地址00H7FH)和高128單元(單元地址80HFFH),基本組成,(1) 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器低128單元 低128單元共分為工作寄存器、位尋址區(qū)和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)三個區(qū)域。 工作寄存器區(qū)(00H1FH) 32個RAM單元共分四組，每組8個寄存單元(R0R7)。常用于存放操作數(shù)及中間結(jié)果等，稱為通用寄存器，也叫工作寄存器。,基本組成,工作寄存器區(qū),在任一時刻，CPU只能使用其中的一組寄存器，稱為當(dāng)前寄存器組。

9、當(dāng)前寄存器組由PSW中RS1、RS0位的狀態(tài)決定。,基本組成,位尋址區(qū)(20H2FH) 16個單元(共計128位)的每一位都有一個8位表示的位地址，位尋址范圍為00H7FH。 數(shù)據(jù)緩沖區(qū) (30H7FH) 也可供用戶使用，共80個單元。對用戶RAM區(qū)的使用沒有任何規(guī)定或限制，一般用于存放用戶數(shù)據(jù)及作堆棧區(qū)使用。,基本組成,(2) 特殊功能寄存器( 80H0FFH ) 8051片內(nèi)高128字節(jié)RAM中，除程序計數(shù)器PC外，還有21個特殊功能寄存器(SFR) ，又稱為專用寄存器,離散地分布在RAM空間中。,基本組成,表 2-3 MCS-51專用寄存器一覽表,基本組成,21個可字節(jié)尋址的特殊功能寄存

10、器是不連續(xù)地分布在內(nèi)部RAM高128單元之中，空閑地址無意義。 對特殊功能寄存器只能使用直接尋址方式，書寫時既可使用寄存器符號，也可使用寄存器單元地址。 有11個寄存器可位尋址。,基本組成,3.片外數(shù)據(jù)存儲器 即片外RAM，一般由靜態(tài)RAM芯片組成。訪問片外RAM可用DPTR,尋址范圍為064KB。 片外RAM地址范圍:0000HFFFFH，片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器空間:0000H00FFH。 重疊？ CPU使用MOV指令和MOVX指令加以區(qū)分。,基本組成,4.堆棧及堆棧指針 堆棧是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，所謂堆棧就是只允許在其一端進(jìn)行數(shù)據(jù)插入和數(shù)據(jù)刪除操作的線性表。 數(shù)據(jù)寫入堆棧稱為插入運(yùn)算(PUSH)，也叫入

11、棧。 數(shù)據(jù)從堆棧中讀出稱為刪除運(yùn)算(POP)，也叫出棧。 堆棧的最大特點(diǎn)就是“后進(jìn)先出”。常把后進(jìn)先出寫為LIFO(Last-In-First-Out)。,基本組成,(1)堆棧的功能 堆棧是為程序調(diào)用和中斷操作而設(shè)立的，具體功能是保護(hù)斷點(diǎn)和保護(hù)現(xiàn)場。,基本組成,(2)堆棧指針SP 8位，有棧頂和棧底之分，棧底地址一經(jīng)設(shè)定后固定不變，它決定了堆棧在RAM中的物理位置。 為了指示棧頂?shù)刂?，要設(shè)置堆棧指針SP。SP的內(nèi)容就是堆棧棧頂?shù)拇鎯卧刂?，最好在?nèi)部RAM的307FH單元中開辟。,基本組成,(3)堆棧使用方式 堆棧的使用有兩種方式。一種是自動方式，在調(diào)用子程序時，斷點(diǎn)地址自動進(jìn)棧。另一種是指

12、令方式，使用專用的堆棧操作指令，執(zhí)行進(jìn)出棧操作。,I/O端口結(jié)構(gòu),I/O端口結(jié)構(gòu),四個8位并行接口P0P3，共有32根I/O線。它們都具有雙向I/O功能，均可以作為數(shù)據(jù)輸入/輸出使用。 每個接口內(nèi)部都有一個8位數(shù)據(jù)輸出鎖存器、一個輸出驅(qū)動器和一個數(shù)據(jù)輸入緩沖器，因此，CPU數(shù)據(jù)從并行I/O接口輸出時可以得到鎖存，輸入時可以得到緩沖。,I/O端口結(jié)構(gòu),P0口結(jié)構(gòu)及應(yīng)用 1.組成結(jié)構(gòu),D,CP,Q,Q,-,鎖存器,T2,T1,P0.X,VCC,MUX,讀鎖存器,內(nèi)部總線,寫鎖存器,讀引腳,地址/數(shù)據(jù),控制,圖2-4 P0口某位結(jié)構(gòu),輸出鎖存器,輸出控制電路,I/O端口結(jié)構(gòu),應(yīng)用 （1）P0口作為一

13、般I/O口使用,P0.X,圖2-4 P0口某位結(jié)構(gòu),I/O端口結(jié)構(gòu),應(yīng)用 （2）P0口作為地址/數(shù)據(jù)總線使用,P0.X,圖2-4 P0口某位結(jié)構(gòu),I/O端口結(jié)構(gòu),2.應(yīng)用 (1)P0口作為一般I/O口使用 作為輸入/輸出口 (2)P0口作為地址/數(shù)據(jù)總線使用,I/O端口結(jié)構(gòu),P1口結(jié)構(gòu)及應(yīng)用,D,CP,Q,Q,-,鎖存器,讀鎖存器,內(nèi)部總線,寫鎖存器,讀引腳,VCC,內(nèi)部上拉電阻,P1,T,P1口通常作為通用I/O口使用，所以在電路結(jié)構(gòu)上不再需要多路轉(zhuǎn)換開關(guān)MUX。,I/O端口結(jié)構(gòu),P2口結(jié)構(gòu)及應(yīng)用 P2口可以作為通用I/O口使用，但通常作為高位地址線使用。 P3口結(jié)構(gòu)及應(yīng)用 P3口增加了第二

14、功能控制邏輯。,引腳功能,引腳信號功能介紹 1電源引腳VSS和VCC 2XTAL1和XTAL2是 外接晶體引線端 3控制信號引腳ALE、 PSEN 、 EA和RST 4I/O端口P0、P1、 P2和P3,圖2-8 MCS-51單片機(jī)芯片引腳圖,引腳功能,引腳信號的第二功能 受到工藝及標(biāo)準(zhǔn)化等因素的限制，如MCS-51系列的芯片引腳數(shù)目為40條。 所以，些信號引腳賦以了雙重功能。,引腳功能,1P3口線的第二功能,表2-5 P3口線的第二功能,引腳功能,2EPROM存儲器程序固化所需要的信號 有內(nèi)部EPROM的單片機(jī)芯片(例如8751)，為寫入程序需要提供專門的編程脈沖和編程電壓。這些信號是由信號

15、引腳第二功能提供的，即 編程脈沖 30腳 (ALE/PROG) 編程電壓(21V) 31腳 (EAVPP),引腳功能,3備用電源 MCS-51單片機(jī)的備用電源是以第二功能的方式由9腳(RSTVPD)引入的。當(dāng)主電源VCC發(fā)生故障或電壓降低到下限時，備用電源經(jīng)此端向內(nèi)部RAM提供電壓，以保護(hù)內(nèi)部RAM中的信息不丟失。,時鐘電路及工作方式,時鐘電路 用于產(chǎn)生工作所需要的時鐘信號，而時序所研究的是指令執(zhí)行中各個信號的相互關(guān)系。 單片機(jī)如同一個復(fù)雜的同步時序電路，為了保證同步工作方式的實(shí)現(xiàn)，使用唯一的時鐘信號，嚴(yán)格地按時序進(jìn)行工作。,時鐘電路及工作方式,時鐘電路 1.時鐘信號的產(chǎn)生 2.引入外部脈沖信

16、號,圖2-9 時鐘振蕩電路,圖2-10 外部脈沖源接法,時鐘電路及工作方式,時序定時單位 MCS-51的時序定時單位從小到大依次為： 拍節(jié)（或節(jié)拍）、狀態(tài)、機(jī)器周期和指令周期。 1.拍節(jié)與狀態(tài) 把振蕩脈沖的周期定義為拍節(jié) (用P表示)。 每二個拍節(jié)定義為一個狀態(tài)(用S表示)。一個狀態(tài)包含拍節(jié)1(P1)和拍節(jié)2(P2)。,時鐘電路及工作方式,2.機(jī)器周期 MCS-51規(guī)定一個機(jī)器周期的寬度為6個狀態(tài)（S1S6），12個拍節(jié)（振蕩脈沖周期），因此機(jī)器周期就是振蕩脈沖的十二分頻。 例如：當(dāng)振蕩脈沖頻率為12MHz時，一個機(jī)器周期為1s；當(dāng)振蕩脈沖頻率為6MHz時，一個機(jī)器周期為2s。,時鐘電路及工作

17、方式,3.指令周期 指令周期是最大的時序定時單位，執(zhí)行一條指令所需的時間稱為指令周期。,時鐘電路及工作方式,MCS-51指令時序,圖2-11 MCS-51 指令的取指/執(zhí)行時序 (a)單字節(jié)單周期指令，如INC A； (b)雙字節(jié)單周期指令，如ADD A，#data; (c)單字節(jié)雙周期指令，如INC DPTR (d)單字節(jié)雙周期指令，如MOVX類指令,時鐘電路及工作方式,MCS-51單片機(jī)的工作方式 1復(fù)位方式 (1)單片機(jī)的初始化操作復(fù)位 復(fù)位后內(nèi)部寄存器的狀態(tài)：大部分為零。堆棧指針SP為07H；四個口為FFH；個別隨機(jī)（P22）。,時鐘電路及工作方式,MCS-51單片機(jī)的工作方式 (2)復(fù)位信號 RST引腳是復(fù)位信號的輸入端，復(fù)位信號為高電平有效，且持續(xù)時間必須保持兩個機(jī)器周期（24個時鐘周期），以確保復(fù)位完成。,時鐘電路