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1、第二章第二章 单片机的基本结构单片机的基本结构 与工作原理与工作原理主要内容主要内容MCS-51总体结构总体结构MCS-51时钟及时钟及CPU工作时序工作时序MCS-51存储器配置存储器配置MCS-51系列基本产品型号：系列基本产品型号：8051、8031、8751称为称为 51子系列。子系列。不不同同型型号号MCS-51单单片片机机CPU处处理理能能力力和和指指令令系系统统完完全兼容，只是存储器和全兼容，只是存储器和I/O接口的配置有所不同接口的配置有所不同。MCS-51总体结构总体结构硬件硬件基本配置：基本配置：8位位CPU片内片内ROM/EPROM、RAM 片内并行片内并行 I/O接口接
2、口 片内片内16位定时器位定时器/计数器计数器 片内中断处理系统片内中断处理系统 片内全双工串行片内全双工串行I/O口口电源引脚电源引脚Vcc和和Vss 外接晶振引脚外接晶振引脚XTAL1,XTAL2I/O引脚引脚P0、P1、P2和和P3控制和复位引脚控制和复位引脚ALE、RET MCS-51单片机引脚单片机引脚1I/O口线功能口线功能4个个8位并行位并行 I/O 接口引脚接口引脚:P0.0P0.7（低低8位地址、数据、位地址、数据、I/O口）口）P1.0P1.7（准双向口）准双向口）P2.0P2.7（高高8位地址、位地址、I/O）P3.0P3.7（I/O口、第二功能）口、第二功能）为多功能引
3、脚，可自动切换用为多功能引脚，可自动切换用作数据总线、地址总线、控制总作数据总线、地址总线、控制总线和或线和或I/O 接口外部引脚。接口外部引脚。MCS-51单片机引脚单片机引脚2控制线控制线ALE：地址锁存允许信号端地址锁存允许信号端PSEN：外部程序存储器读选通外部程序存储器读选通信号端信号端EA/VPP：程序存储器选择信号程序存储器选择信号端和编程电源输入端端和编程电源输入端RST/VPD：复位信号端和后备复位信号端和后备电源输入端。电源输入端。l输入输入10ms以上高电平脉冲，以上高电平脉冲，单片机复位。单片机复位。lVPD使用后备电源，可实现掉使用后备电源，可实现掉电保护电保护。MC
4、S-51单片机引脚单片机引脚MCS-51单片机内部结构单片机内部结构(图图)中央处理器中央处理器 CPU一、一、一、一、CPU内部结构内部结构1.算术逻辑运算单元算术逻辑运算单元ALU(8位位)+、算术运算，与、或、非、异或算术运算，与、或、非、异或 逻辑运逻辑运算、循环移位、位处理。算、循环移位、位处理。2.寄存器阵列寄存器阵列(1)工作寄存器工作寄存器R0R7（8位）位）暂存运算数据和中间结果。暂存运算数据和中间结果。4个工作寄存器区，工作寄存器个工作寄存器区，工作寄存器0区区3区区。每个区。每个区均含均含8个寄存器个寄存器R0R7。用用PSW中的两位中的两位PSW.4和和PSW.3来切换
5、工作寄存器来切换工作寄存器区，选用一个工作寄存器区进行读写操作区，选用一个工作寄存器区进行读写操作。(2)累加器累加器Acc(8位位)需要需要ALU处理的数据和计算结果多数要经过处理的数据和计算结果多数要经过A累加器累加器。(3)寄存器寄存器B(8位位)与与A累加器配合执行乘、除运算。亦可作通用寄存器。累加器配合执行乘、除运算。亦可作通用寄存器。(4)程序状态字程序状态字PSW(8位位)存放存放ALU运算过程的标志状态运算过程的标志状态Cy AC F0 RS1 RS0 OV P进位进位/辅助进位辅助进位/用户定用户定/选工作寄选工作寄/溢出标志溢出标志/奇偶标志奇偶标志(5)数据指针数据指针D
6、PTR(16位位)存放片外存储器地址，作为片外存储器的指针。可分存放片外存储器地址，作为片外存储器的指针。可分成两个成两个8位寄存器位寄存器DPH、DPL使用使用。(6)堆栈指针堆栈指针SP(8位位)按按“先进后出、后进先出先进后出、后进先出”的原则存取数据的存储区。的原则存取数据的存储区。MCS-51堆栈设在片内堆栈设在片内RAM区。数据入栈区。数据入栈/出栈时，出栈时，SP自动加自动加1/减减 1，其内容始终为栈顶地址。，其内容始终为栈顶地址。复位时：复位时：SP=07H。(7)程序计数器程序计数器PC(16位位)CPU总是按总是按PC的指示读取程序。的指示读取程序。PC可自动加可自动加1
7、。因此。因此CPU执行程序一般是顺序方式。当发生转移、子程序调执行程序一般是顺序方式。当发生转移、子程序调用、中断和复位等操作，用、中断和复位等操作，PC被强制改写，程序执行顺序被强制改写，程序执行顺序也发生改变。也发生改变。复位时复位时：PC=0000H。MCS-51单片机的片外总线结构单片机的片外总线结构l三三总线结构总线结构：1.地址总线地址总线(Adress Bus)总线宽度为总线宽度为16位，可访问位，可访问64K外部存储器。外部存储器。A0A7 P0口口(经锁存器经锁存器)A8A15P2口口2.数据总线数据总线(Data Bus)总线宽度为总线宽度为8位位(P0)3.控制总线控制总
8、线(Control Bus)由由P3口和口和4根独立控制线组成根独立控制线组成MCS-51时钟l时钟频率范围要求在时钟频率范围要求在1.2MHz12MHz之间。之间。1内部时钟方式：内部一个高内部时钟方式：内部一个高增益反相放大器与片外石英晶体或增益反相放大器与片外石英晶体或陶瓷谐振器构成了一个自激振荡器。陶瓷谐振器构成了一个自激振荡器。晶体振荡器的振荡频率决定单片晶体振荡器的振荡频率决定单片机的时钟频率。机的时钟频率。XTAL1 单片机 XTAL2 2外部时钟方式：外部振荡器输入时钟信号。外部时钟方式：外部振荡器输入时钟信号。振荡周期：振荡周期：为单片机提供定时信号的振荡源周期。为单片机提供
9、定时信号的振荡源周期。时钟周期：时钟周期：又称状态周期或又称状态周期或S周期。时钟周期是振周期。时钟周期是振 荡周期的两倍荡周期的两倍。机器周期机器周期：完成一个基本操作所需要的时间。：完成一个基本操作所需要的时间。一个机器周期由一个机器周期由12个时钟周期组成。个时钟周期组成。指令周期指令周期：一条指令的执行时间。：一条指令的执行时间。以机器周期为单位可分为：以机器周期为单位可分为：单周期单周期、双双 周期周期和和四周期四周期指令。指令。若外接晶振为若外接晶振为12MHz时，时，MCS-51单片机的四个周单片机的四个周期的具体值为：期的具体值为：振荡周期振荡周期112 us；时钟周期时钟周期
10、16 us；机器周期机器周期1 us；指令周期指令周期14 us；MCS-51工作时序 MCS-51单片机存储器空间结构图单片机存储器空间结构图l图（图（a）是程序存储器，图（是程序存储器，图（b）是内部数据存储器，是内部数据存储器，图（图（c）是外部数据存储器是外部数据存储器 一、五个独立的存储空间一、五个独立的存储空间164KB程序存储器空间程序存储器空间(00FFFFH)2.256B片内数据存储器空间片内数据存储器空间(00FFH)3.128B片内特殊功能寄存器空间片内特殊功能寄存器空间(800FFH)4.位寻址空间位寻址空间(00H0FF)5.64KB外部数据存储器空间外部数据存储器空
11、间(00FFFFH)MCS-51存储器配置存储器配置程序存储器程序存储器6464KB KB 程序存储器空间程序存储器空间EAEA不同电平，选择片内或片外低位存储单元不同电平，选择片内或片外低位存储单元 特殊存储单元：特殊存储单元：复位入口复位入口:0000H中断入口中断入口:0003HINT0 000BHT0 0013H INT1 001BHT1 0023HSISO数据存储器数据存储器256B片内数据存储器：片内数据存储器：1)片内片内RAM工作寄存器区：工作寄存器区：字节地址：字节地址：00H1FH位寻址区：位寻址区：字节地址：字节地址：20H2FH位地址为：位地址为：00H7FH数据缓冲区数据缓冲区/堆栈区：堆栈区：字节地址：字节地址：00H7FH一般使用一般使用30H 7FH数据存储器数据存储器2)特殊功能寄存器特殊功能寄存器 SFR占用字节地址：占用字节地址：80HFFH位寻址寄存器：位寻址寄存器：其字节地址可被其字节地址可被8整除。整除。l 专用寄存器：专用寄存器：A、B、PSW、DPTR、SPl I/O接口寄存器：接口寄存器：P0、P1、P2、P3、SBUF、TMOD、TCON、SCON 表表2-5 特殊功能寄存器地址映象特殊功能寄存器地址映象