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1、嵌入式系统设计,第一讲 MCS-51单片机总体结构,本章从硬件上阐述MCS-51系列单片机的系统结构、工作原理和应用中的一些技术问题。要求从应用的角度掌握MCS-51单片机的功能、内部结构、外部引脚的意义、主要的硬件资源、存储器系统结构等 。,一、总体结构二、CPU三、 存储器四、硬件资源五、辅助电路及时序,一、 MCS-51单片机的总体结构,MCS-51系列单片机,51子系列,52子系列,8031,8051,8751,8032,8052,8752,基本型,增强型,片内有无ROM或EPROM,4KB的ROM,4KB的EPROM,片内有无ROM或EPROM,8KB的ROM,8KB的EPROM,5
2、1子系列片内128B的RAM,52子系列片内256B的RAM,1、主要组成,图1 MCS-51单片的结构框图,2、引脚说明,HMOS工艺制造的MCS-51单片机大都采用40条引脚的双列直插式封装（DIP）,（1）主电源引脚 主电源引脚接入单片机的工作电源 VCC（40脚）：接+5V电源（直流电源正端） VSS（20脚）：接地（直流电源负端）,（2）时钟引脚（18、19脚）：,（3）输入/输出引脚 包括P0口、P1口、P2口和P3口。, P0口（P0.0P0.7）：为双向8位三态I/O口,准双向输入/输出口（不扩展时）,地址总线低8位及数据总线分时复用口（扩展时）, P1口（P1.0P1.7）：
3、为8位准双向I/O口, P2口（P2.0P2.7）：为8位准双向I/O口,准双向输入/输出口,地址总线高8位（扩展时）, P3口（P3.0P3.7）：为8位准双向I/O口,表 P3口第二功能,（4）控制引脚, RST/VPD（9脚）, ALE/PROG（30脚）,（29脚）,（31脚）,片外程序存储器选用端,1：片内,0：片外,片外程序存储器读选通信号输出端,图3 MCS-51单片机的外部总线结构图,二、 MCS-51单片机的微处理器,CPU又称为微处理器，是单片机内部的核心部件，它决定了单片机的重要功能特性。它由运算器和控制器两大部分组成。,1、 运算器,算术逻辑单元ALU,累加器A和寄存器
4、B,程序状态字PSW,布尔处理机,（1）进位标志C（PSW.7）,在执行某些算术运算类、逻辑运算类指令时，可被硬件或软件置位或清零。它表示运算结果是否有进位或借位。如果在最高位有进位（加法时）或借位（减法时），则C=1，否则C=0。,（2）辅助进位（或称半进位）标志位AC（PSW.6）,它表示两个8位数运算，低4位有无进（借）位的状况。当低4位相加（或相减）时，若D3位向D4位有进位（或借位），则AC=1，否则AC=0。,（3）用户自定义标志位F0（PSW.5）,（4）工作寄存器组选择位RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）,（5）溢出标志位OV（PSW.2）,由硬件置位或清零,带符号数加减
5、运算： OV=1表示产生溢出，OV=0表示运算正确，即无溢出产生,乘法：若积255， OV=1，否则OV=0。,除法：除数为零，OV=1,（6）奇偶标志位P（PSW.0）,若A中1的个数为奇数，则P=1，否则P=0。,2、控制器,（1）程序计数器PC 一个16位的专用寄存器，其内容表示下一条要执行的指令的地址。 系统复位后，PC=0000H，CPU便从这一固定的入口地址开始执行程序。,（2）堆栈指针SP 堆栈指针SP是一个8位的专用寄存器，用来存放栈顶的地址。SP总是指向栈顶。 系统复位后，SP的初始化为07H,（3）数据指针DPTR 一个16位的专用地址指针寄存器，主要用来存放16位地址，作
6、为间址寄存器使用。DPTR也可以分为两个8位的寄存器，即DPH（高8位字节）和DPL（低8位字节）。,（4）指令寄存器、指令译码器和CPU定时控制 CPU从程序存储器内取出的指令首先要送到指令寄存器，然后送入指令译码器，由指令译码器对指令进行译码，即把指令转变成执行该指令所需要的电信号，再通过CPU的定时和控制电路，发出特定的时序信号，使计算机正确地执行程序所要求的各种操作。,3.CPU的时序,（1）振荡周期 振荡周期是指为单片机提供定时信号的振荡源的周期。,（2）状态周期 两个振荡周期为一个状态周期，用S表示。两个振荡周期作为两个节拍分别称为节拍P1和P2节拍。,（3）机器周期 CPU执行一
7、条指令的过程可以划分为若干个阶段，每一阶段完成某一项基本操作，如取指令、存储器读/写等。通常把完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期。,一个机器周期包含6个状态周期,（4）指令周期 执行一条指令所占用的全部时间，它以机器周期为单位。MCS-51系列单片机除乘法、除法指令是4机器周期指令外，其余都是单周期指令和双周期指令。若用12MHz晶振，则单周期指令和双周期指令的指令周期时间分别是1s和2s，乘法和除法指令为4s。,三、 MCS-51单片机的存储器,程序存储器,片内程序存储器,片外程序存储器,数据存储器,片内数据存储器,片外数据存储器,MCS-51单片机的程序存储器（ROM）和数据存储器（
8、RAM），在使用上是严格区分的，不得混用。,程序存储器通常存放程序指令、常数及表格等，系统在运行过程中不能修改其中的数据 。,1、程序存储器,程序存储器编址图,程序的6个特殊入口地址 程序地址空间原则上可由用户任意安排。,2、 数据存储器,数据存储器则存放缓冲数据，系统在运行过程中可修改其中的数据,图5 数据存储器编址图,1）编址与访问,2）片内数据存储器,（a）工作寄存器区,00H1FH单元,工作寄存器分成4组，每组都是8个寄存器，用R0R7来表示,（b）位寻址区,20H2FH单元是位寻址区,位地址范围为00H7FH,（c）数据缓冲区,30H7FH是数据缓冲区,3）特殊功能寄存器块,特殊功能寄存器（SFR，即Special Function Registers），又称为专用寄存器，专用于控制、管理片内算术逻辑部件、并行I/O口、串行I/O口、定时器/计数器、中断系统等功能模块的工作。,用户在编程时可以置数设置，却不能自由移作它用。,SFR块地址空间80H0FFH,用户在使用特殊功能寄存器时，不需要记住特殊功能寄存器及其位的地址，只要记住特殊功能寄存器及位的名称就可以了，操作时对其名字进行操作。,小结,介绍了MCS-51系列单片机的内部结构、使用要点。几个关键问题：片内存储器的结构特点与地址分配进位与溢出的区别,