《第二章MCS-51单片机结构原理.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第二章MCS-51单片机结构原理.ppt（38页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、2-3 2-3 CPUCPU时序时序2-4 2-4 并行并行I/OI/O端口端口第二章第二章第二章第二章 MCS-51MCS-51MCS-51MCS-51单片机硬件组成单片机硬件组成单片机硬件组成单片机硬件组成2-2 2-2 单片机存储器配置单片机存储器配置内容提要:2-1 2-1 单片机内部结构及引脚单片机内部结构及引脚12-1 2-1 MCS-51MCS-51单片机内部结构及引脚单片机内部结构及引脚MCS-51MCS-51系列单片机是系列单片机是IntelIntel公司公司19801980推出的高档推出的高档8 8位机位机分为二个子系列，三个版本：分为二个子系列，三个版本：/8KB8052
2、/803252子系子系列列4KB/8751/4KB8051/803151子系子系列列MCS-51 EPROM ROM 存储器类型存储器类型单片机系列单片机系列2一、一、MCS-51MCS-51单片机内部结构单片机内部结构内部结构框图如下：内部结构框图如下：单片机结构框图单片机结构框图 频率基准源频率基准源 内部总线内部总线 中断中断 中断中断 控制控制并行并行I/O口口 串行输入串行输入/输出输出 8051振荡器及定振荡器及定时电路时电路4K字节程序字节程序存储器存储器ROM128字节字节数据存储器数据存储器RAM2 个个 16 位定位定时器时器/计数器计数器8051CPU64K字节总字节总线
3、扩展控制线扩展控制可编程可编程I/O口口48 位位可编程可编程串行口串行口31 1、中央处理单元中央处理单元CPU（8位）位）运算器：运算器：8位算术逻辑运算单元位算术逻辑运算单元ALU（Arithmetic Logic Unit）、）、8位累加器位累加器A（Accumulator）、）、8位寄存器位寄存器B、程序、程序状态字寄存器状态字寄存器PSW（Program Status Word）、）、8位暂存寄存位暂存寄存器器TMP1和和TMP2等。等。完成算术运算和逻辑运算完成算术运算和逻辑运算。控制器：程序计数器控制器：程序计数器PC（Program Counter）、指令寄存）、指令寄存器器
4、IR（Instruction Register）、指令译码器）、指令译码器ID（Instruction Decoder）、堆栈指针）、堆栈指针SP、数据指针、数据指针DPTR、定时控制逻辑、定时控制逻辑和振荡器和振荡器OSC等电路。等电路。2、只读存储器只读存储器ROM（4KB或或8KB）用于永久性存储应用程序，用于永久性存储应用程序，ROM、EPROM、EEPROM43、随机存储器随机存储器RAM（128B/256B）用于程序运行中存储工作变量和数据用于程序运行中存储工作变量和数据4、并行输入、并行输入/输出口输出口 I/O（32线）线）用作系统总线、扩展外存、用作系统总线、扩展外存、I/O
5、接口芯片接口芯片5、串行输入、串行输入/输出口输出口 UART （二线）二线）串行通信、扩展串行通信、扩展I/O接口芯片接口芯片6 6、定时定时/计数器计数器 T（16位）位）它与它与CPU之间各自独立工作，当它计数满时向之间各自独立工作，当它计数满时向CPU中断中断7 7、时钟电路时钟电路 fosc 分为内部振荡器、外接振荡电路分为内部振荡器、外接振荡电路8 8、中断系统中断系统 五源中断、两级优先，可编程进行控制。五源中断、两级优先，可编程进行控制。5二、二、MCS-51单片机外部引脚单片机外部引脚封装形式，封装形式，见右图：见右图：6引脚分类：引脚分类：1 1、主电源引脚、主电源引脚 V
6、ssVss（2020脚）、脚）、VccVcc（4040脚）脚）2 2、外接晶振引脚外接晶振引脚 XTAL1XTAL1（1919脚）、脚）、XTAL2XTAL2（1818脚）脚）构成内部时钟电路。构成内部时钟电路。若若XTAL1XTAL1接地，接地，XTAL2XTAL2接外部振荡信号，可构成外接外部振荡信号，可构成外部时钟电路。部时钟电路。73 3、控制引脚 RST/VPD RST/VPD（9 9脚）脚）RST RST 当出现两个机器周期高电平时，单片机当出现两个机器周期高电平时，单片机复位复位 。复位后，。复位后，P0 P3 P0 P3 输出高电平；输出高电平；SPSP寄存器为寄存器为0707
7、H H；其它寄存器全部清其它寄存器全部清0 0；不影响；不影响RAMRAM状态。状态。VPDVPDVccVcc掉电后，接入备用电源，保证片内掉电后，接入备用电源，保证片内RAMRAM数据不丢失。数据不丢失。8=0 时，只访问外部程序存储器时，只访问外部程序存储器,即外即外ROM=1 时，访问内部程序存储器时，访问内部程序存储器,即内即内ROM /Vpp（31脚）脚）EAEAEAALE/PROG（30脚）脚）ALE 地址锁存控制端，提供地址锁存控制端，提供1/6 fosc振荡频率；振荡频率；PROG 为其内的为其内的EPROM输入编程脉冲输入编程脉冲PSEN （29脚）脚）外部程序存储器的读选通
8、信号端外部程序存储器的读选通信号端EA 内内外外ROM选择端选择端 94、输入、输入/输出引脚输出引脚 P0.0 P0.7 ；P1.0 P1.7 ；P2.0 P2.7 ；P3.0 P3.7四个四个I/O口，每口八条线；还兼作地址口，每口八条线；还兼作地址/数据线。数据线。P0，P2 地址线地址线 P0 数据线数据线 P3控制线控制线 /Vpp（31脚）脚）Vpp为编程电源输入引脚。为编程电源输入引脚。对内有对内有EPROM编程时接用编程电源。编程时接用编程电源。EA102-2 2-2 MCS-51MCS-51单片机存储器配置单片机存储器配置一、一、MCS-51单片机的内存结构单片机的内存结构）
9、（外部外部K64RAM 数据存储器数据存储器007FH 程序存储器程序存储器1011物理上分为：物理上分为：4个空间，即片内个空间，即片内ROM、片外片外ROM 片内片内RAM、片外片外RAM逻辑上分为逻辑上分为:3个空间，个空间，即程序内存（片内、外）统一编址即程序内存（片内、外）统一编址 MOVC 数据存储器（片内）数据存储器（片内）MOV 数据存储器（片外）数据存储器（片外）MOVX12二、程序存储器空间二、程序存储器空间 内部内部ROM+ROM+外部外部ROMROM的总空间的总空间=64=64 KBKB （c c）内部内部+外部外部 内部内部4 4KBKB：0000H0000H0FFF
10、H0FFFH 外部外部6060KBKB：1000H1000HFFFFHFFFFH 三种程序存储器配置情况：三种程序存储器配置情况：（a a）内部内部ROMROM（或或PROMPROM、EPROMEPROM、EEPROMEEPROM、FLASH ROMFLASH ROM）4KB 4KB：0000H0000H0FFFH0FFFH（b b）外部外部ROMROM（或或PROMPROM、EPROMEPROM、EEPROMEEPROM、FLASH ROMFLASH ROM）64KB 64KB：0000H0000HFFFFHFFFFH13寻址范围：寻址范围：0000H FFFFH 容量容量64KB，即即地址
11、长度：地址长度：16位位 ，寻址寻址内部内部ROM；，寻址寻址外部外部ROM。当当PC值超过片内值超过片内ROM容量时会自动转向容量时会自动转向 外部外部存储器空间。存储器空间。8031单片机单片机接低电平。接低电平。作作 用：用：存放程序及程序运行时所需的常数。存放程序及程序运行时所需的常数。14六个具有特殊含义的单元是：六个具有特殊含义的单元是：0000H 系统复位，系统复位，PC指向此处；指向此处；0003H 外部中断外部中断0入口入口 000BH T0溢出中断入口溢出中断入口 0013H 外中断外中断1入口入口 001BH T1溢出中断入口溢出中断入口 0023H 串口中断入口串口中断
12、入口15三、内部数据存储器三、内部数据存储器物理上分为两大区域：物理上分为两大区域：00H 7FH即即128B内内RAM区区 80H FFH即即SFR区。区。R0、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7即可位寻址，又可字节寻址即可位寻址，又可字节寻址数据缓冲区、堆栈区、工作数据缓冲区、堆栈区、工作单元单元通用通用RAM区区16位寻址区（位寻址区（20H2FH）16个字节。个字节。16*8=128位，每一位都有一个位地址，编码范围为：位，每一位都有一个位地址，编码范围为：00H7FH，位地址区也可作为一般位地址区也可作为一般RAM使用。使用。位寻址区位寻址区17四、特殊功能寄存器四、特殊功能寄
13、存器MCS-51MCS-51单片机内共有单片机内共有2 21 1个特殊功能寄存器个特殊功能寄存器SFRSFR。其寻址空间：其寻址空间：80H FFHPCPC为为程程序序计计数数器器，是是1616位位专专用用寄寄存存器器。不不占占据据RAMRAM单单元元，物物理理上独立，不可对其寻址。上独立，不可对其寻址。寻址范围为寻址范围为:0000:0000H FFFFHH FFFFH，即即0 640 64KBKB。18各寄存器的名称：各寄存器的名称：1、算术运算寄存器、算术运算寄存器（1）A累加器。累加器。（2）BB寄存器，乘、除法运算用。寄存器，乘、除法运算用。（3）PSW程序状态字寄存器：包含程序运程
14、序状态字寄存器：包含程序运 行状态、信息。行状态、信息。19CY 进位进位/借位标志；位累加器。借位标志；位累加器。AC 辅助进辅助进/借位标志；用于十进制调整。借位标志；用于十进制调整。F0 用户定义标志位；软件置位用户定义标志位；软件置位/清零。清零。OV 溢出标志；溢出标志；硬件置位硬件置位/清零。清零。P 奇偶标志；奇偶标志；A中中1的个数为奇数的个数为奇数 P=1；否则否则 P=0。RS1、RS0 寄存器区选择控制位。寄存器区选择控制位。0 0：0区区 R0 R7 0 1：1区区 R0 R7 1 0：2区区 R0 R7 1 1：3区区 R0 R7 P OVRS0RS1 F0 AC C
15、Y PSW202、指针寄存器、指针寄存器（1）程序计数器）程序计数器PC指明即将执行的下一条指令的地址指明即将执行的下一条指令的地址(程序存储器地址程序存储器地址)，在物理上独立，复位时在物理上独立，复位时PC=0000H。（2）堆栈指针堆栈指针SP指明栈顶元素的地址，指明栈顶元素的地址，8位，可软件设置初值，复位时位，可软件设置初值，复位时SP=07H。（3）数据指针数据指针DPTRDPTR；指明访问的数据存储器的单元地址，指明访问的数据存储器的单元地址，16位，位，寻址范围寻址范围64KB。DPTR=DPH+DPL，也可单独使用也可单独使用。213、并行输入、并行输入/输出端口输出端口寄存
16、器寄存器P0、P1、P2、P3实为相应端口锁存器。实为相应端口锁存器。4、串行输入、串行输入/输出端口输出端口（1）串行数据缓冲器）串行数据缓冲器 SBUF是物理上独立的两个寄存器，共同使用一个地址是物理上独立的两个寄存器，共同使用一个地址99H。（2）串行控制串行控制/状态寄存器状态寄存器SCON控制监视串行口的工作状态控制监视串行口的工作状态（3）电源控制寄存器）电源控制寄存器PCON控制单片机的低功耗工作方式及波特率选择。控制单片机的低功耗工作方式及波特率选择。225、中断系统、中断系统（1）中断优先级寄存器）中断优先级寄存器IP：2级优先，可软件设定级优先，可软件设定（2）中断允许寄存
17、器）中断允许寄存器IE6、定时定时/计数器计数器（1）定时器方式寄存器：）定时器方式寄存器：TMOD（2）定时器控制寄存器：定时器控制寄存器：TCON（3）计数寄存器：计数寄存器：TH0、TL0；TH1、TL1。可用于设定计数可用于设定计数初值。初值。23五、外部数据存储器五、外部数据存储器 （1）容量最大扩展到）容量最大扩展到64KB （2）寻址范围：寻址范围：0000H FFFFH （3）寻址方式：间接寻址可用寻址方式：间接寻址可用R0，R1，DPTR 24 时钟的产生：时钟的产生：1、内部方式内部方式 与作为反馈元件的片外晶体或陶瓷谐振器一起组成与作为反馈元件的片外晶体或陶瓷谐振器一起组
18、成 一个自激振荡器。一个自激振荡器。2、外部方式、外部方式 CMOS工艺的工艺的芯片芯片，其，其XTAL1接外信号；接外信号；XTAL2 可悬空。可悬空。HMOS工艺的工艺的芯片芯片，其，其XTAL2接外信号；接外信号；XTAL1接地。接地。2-3 CPU时序时序2526时序的定义：时序的定义：单片机内的各种操作都是在一系列脉冲控制下进行的，而各脉单片机内的各种操作都是在一系列脉冲控制下进行的，而各脉 冲在时间上是有先后顺序的，这种顺序就称为时序。冲在时间上是有先后顺序的，这种顺序就称为时序。振荡周期：振荡周期：为单片机提供定时信号的振荡器所产生的时钟脉冲周为单片机提供定时信号的振荡器所产生的
19、时钟脉冲周期。用期。用P P表示。是表示。是CPUCPU工作的最小时间单位。工作的最小时间单位。振荡周期振荡周期P P=1/fosc状态周期：状态周期：每个状态周期含两个振荡周期，即每个状态周期含两个振荡周期，即P1、P2。27机器周期：机器周期：完成一项基本操作所需要的时间称为机器周期。机完成一项基本操作所需要的时间称为机器周期。机器的基本操作周期。器的基本操作周期。一个机器周期一个机器周期=6个状态周期个状态周期S=12个振荡周期个振荡周期指令周期：指令周期：即从取指到执行完，所需时间。不同机器指令周期即从取指到执行完，所需时间。不同机器指令周期不一样；即使相同机器，不同的指令其指令周期也
20、不一样。不一样；即使相同机器，不同的指令其指令周期也不一样。一一个指令周期含若干机器周期（单、双、四周期）个指令周期含若干机器周期（单、双、四周期）例如，若例如，若fosc=12MHz，则一个机器周期则一个机器周期=1s。28单字节单周期指令例：INC A双字节单周期指令例：ADD A，DATA单字节双周期指令例：INC DPTR29当当ALEALE（ALEALE信号为振荡频率信号为振荡频率6 6分频）正跳变时，对应单片分频）正跳变时，对应单片机进行一次读指令操作。一个机器周期二次出现，在机进行一次读指令操作。一个机器周期二次出现，在S1P2S1P2和和S2P1S2P1及及S4P2S4P2和和
21、S5P1S5P1期间。期间。有效宽度为一个状态。有效宽度为一个状态。（1 1）单字节单周期指令：）单字节单周期指令：INC AINC A只需进行一次读指令操作（指令只有一个字节），当第只需进行一次读指令操作（指令只有一个字节），当第二个二个ALEALE有效时，由于有效时，由于PCPC没有加没有加1 1，读出的还是原指令。，读出的还是原指令。属于一次无效操作。属于一次无效操作。30（2 2）双字节单周期指令：）双字节单周期指令：ADD AADD A，#data#dataALEALE两次读操作都有效，第一次读操作码（指令第两次读操作都有效，第一次读操作码（指令第一字节），第二次读立即数（指令第二字
22、节）。一字节），第二次读立即数（指令第二字节）。（3 3）单字节双周期指令：）单字节双周期指令：INC DPTRINC DPTR两个机器周期共进行四次读指令操作，但其后三两个机器周期共进行四次读指令操作，但其后三次的读操作都是无效的。次的读操作都是无效的。312-4 并行并行I/O口口一、一、P0口口T1T2I/O输出输出1000 1I/O输入输入111032 总结特点：总结特点：（1）P0口可作通用口可作通用I/O口使用，又可作地址口使用，又可作地址/数据总线口；数据总线口；（2）P0既可按字节寻址，又可按位寻址；既可按字节寻址，又可按位寻址；（3）P0作为输入口使用时：是准双向口；作为输入
23、口使用时：是准双向口；（4）作通用）作通用I/O 口输出时：是开漏输出；口输出时：是开漏输出；（5）作地址）作地址/数据总线口时，数据总线口时，P0是一真正双向口，而作通是一真正双向口，而作通 用用I/O口时，只是一个准双向口。口时，只是一个准双向口。33二、二、P1P1口口1、结构：、结构：34只能作只能作I/O口用，且是一个准双向口。口用，且是一个准双向口。内部已有上拉电阻，不是开漏输出口。内部已有上拉电阻，不是开漏输出口。2、特点：、特点：（1）无地址）无地址/数据口功能数据口功能（2）可按字节寻址，也可按位寻址）可按字节寻址，也可按位寻址（3）作）作I/O输入口时：是一准双向口，不是开
24、漏输出。输入口时：是一准双向口，不是开漏输出。35三、三、三、三、P2P2P2P2口口口口1 1 1 1、结构、结构、结构、结构 36四、四、P3口口1、结构、结构37并行并行I/O口口总结总结1、P0口：地址低口：地址低8位与数据线分时使用端口，位与数据线分时使用端口，2、P1口：按位可编址的输入输出端口，口：按位可编址的输入输出端口，3、P2口：地址高口：地址高8位输出口位输出口4、P3口：双功能口。若不用第二功能，也可作通用口：双功能口。若不用第二功能，也可作通用I/O 口。口。5、按三总线划分：、按三总线划分：地址线：地址线：P0低八位地址，低八位地址，P2高八地址；高八地址；数据线：数据线：P0输入输出输入输出8位数据；位数据；控制线：控制线：P3口的口的8位加上位加上/PSEN、ALE共同完成共同完成 控制总线。控制总线。38