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1、微机原理及应用微机原理及应用三、MCS-51单片机硬件结构时钟电路CPUROMRAMT0 T1中断系统串行接口并行接口P0 P1 P2 P3TXD RXDINT0 INT1定时计数器结构框图结构框图中央处理器中央处理器CPU：8位，位，运算和控制运算和控制功能功能内部内部RAM：共共256个个RAM单单元，用户使用元，用户使用前前128个单元，个单元，用于存放可读用于存放可读写数据，后写数据，后128个单元被个单元被专用寄存器占专用寄存器占用。用。内部内部ROM：4KB掩膜掩膜ROM，用于存放程，用于存放程序、原始数据序、原始数据和表格。和表格。定时定时/计数器：计数器：两个两个16位的定位的
2、定时时/计数器，实计数器，实现定时或计数现定时或计数功能。功能。并行并行I/O口：口：4个个8位的位的I/O口口P0、P1、P2、P3。串行口：串行口：一个全一个全双工串行口。双工串行口。中断控制系统：中断控制系统：5个中断源（外个中断源（外部中断部中断2个，定个，定时时/计数中断计数中断2 个，串行中断个，串行中断1个）个）时钟电路：时钟电路：可可产生时钟脉冲产生时钟脉冲序列，允许晶序列，允许晶振频率振频率6MHZ和和12MHZ1.中央处理器（CPU）vCPU(CentralProcessingUnit)功能：从存储器中取出指令，按指令要求对数据进行运算。（取指令，执行指令）v组成：控制器运
3、算器是计算机系统的核心。v微型计算机的CPU称为微处理器。2.随机访问存储器（RAM：RandomAccessMemory）v1、RAM的特点可以随时读出其中的内容，也可以随时写入新的内容随机存取，即存取任一单元所需的时间相同，不必顺序访问存储单元。断电后，RAM中的内容就立即消失，这称之为易失性。v2、RAM的用途存放当前正在执行的程序和数据。作为I/O数据缓冲存储器。作为中断服务程序和子程序中保护CPU现场信息的堆栈。内部内部RAM：共共256个个RAM单元，用户使用前单元，用户使用前128个单元，用于存放可读写数据，个单元，用于存放可读写数据，后后128个单元被专用寄存器占用。个单元被专
4、用寄存器占用。3.只读存储器（ROM：ReadOnlyMemory）v1、只读存储器的特点只能读出原有的内容，而不能由用户再次写入新内容，ROM中的信息是非易失性的，即使掉电，ROM中的内容也不会丢失。v2、只读存储器的常见类型掩膜ROM可编程只读存储器（PROM）可擦除可编程只读存储器（EPROM）EEPROM内部内部ROM：4KB掩膜掩膜ROM，用于存放程序、原始数据和表格。，用于存放程序、原始数据和表格。程序存储器采用只读存储器，非易失性。（1）掩膜ROM 在制造过程中编程,只适合于大批量生产。（2）可编程ROM（PROM）用独立的编程器写入，只能写入一次。（3）EPROM 电信号编程，
5、紫外线擦除的只读存储器芯片。（4）E2PROM（EEPROM）电信号编程，电擦除。读写操作与RAM相似，写入速度稍慢。断电后能够保存信息。（5）Flash ROM 又称闪烁存储器，简称闪存。电改写，电擦除，读写速度快（70ns），读写次数多（1万次）。4.定时定时/计数器：计数器：两个两个16位的定时位的定时/计数器，实现定时或计计数器，实现定时或计数功能。数功能。5.并行并行I/O口：口：4个个8位的位的I/O口口P0、P1、P2、P3。能同时传送多位二进制数据的端口（总线）。6.串行口：串行口：一个全双工串行口。一个全双工串行口。一次只能传送一位二进制数据的端口（总线）。7.中断控制系统：
6、中断控制系统：5个中断个中断源（外中断源（外中断2个，定时个，定时/计数中断计数中断2 个，串行中个，串行中断断1个）个）8.时钟电路：时钟电路：可产生时钟可产生时钟脉冲序列，允许晶振频脉冲序列，允许晶振频率率6MHZ和和12MHZ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1212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：以机器周期为单位：单周期单周期、双周期双周期和和四周期四周期指令。指令。8051的内部结构展开图1281288 8RAMRAMRAM地址寄存器地址
7、寄存器P3P3口口P1P1口口P2P2口口P0P0口口锁存器锁存器锁存器锁存器锁存器锁存器锁存器锁存器中断控制中断控制定时定时/计数器计数器串行串行I/OI/O口口SP寄存器寄存器B B累加器累加器A A暂存器暂存器1 1 暂存器暂存器2 2程序状态程序状态字字PSWPSW指令寄存器指令寄存器IRIR指令译码器指令译码器ID数据指针数据指针DPTRDPTR缓冲器缓冲器程序计数器程序计数器PCPC增增1 1程序地址寄存器程序地址寄存器ARAR定时与控制定时与控制4K8ROMALUCPU运算器CPU算术/逻辑部件ALU(Arithmetic Logic Unit)累加器ACCACC(Accumul
8、ator)程序状态字寄存器PSWPSW(Program Status Word)暂存寄存器寄存器B控制器定时控制与条件转移逻辑电路程序计数器PCPC指令寄存器IR指令译码器ID四、四、MCS-51MCS-51单片机信号引脚简介单片机信号引脚简介 P3P3口线的第二功能口线的第二功能口线的第二功能口线的第二功能VCCVSSXTAL2XTAL1RSTP0.0P0.1P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7P1.0P1.1P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0ALEP3.0P3.1P3
9、.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.72 2、振荡电路：、振荡电路：、振荡电路：、振荡电路：XTAL1XTAL1、XTAL2XTAL23 3、复位引脚：、复位引脚：、复位引脚：、复位引脚：RSTRST4 4、并行口：、并行口：、并行口：、并行口：P0P0、P1P1、P2P2、P3P37 7、ALEALE：地址锁存控制信号：地址锁存控制信号：地址锁存控制信号：地址锁存控制信号1 1、电源线：、电源线：、电源线：、电源线：VCC(+5V)VCC(+5V)、VSS(VSS(地地地地)EAPSEN5 5、EAEA：访问程序存储控制信号：访问程序存储控制信号：访问程序存储控制信号：访问程
10、序存储控制信号6 6、PSENPSEN：外部：外部：外部：外部ROMROM读选通信号读选通信号读选通信号读选通信号RXD/TXD/INT0/INT1/T0/T1/WR/RD/1234567891011121314151617181920403938373635343332313029282726252424222180318051 875189C511.时钟电路引脚：XTAL1：接外部晶振和微调电容的一端，在单片机内部，它是构成片内振荡器的反向放大器的输入端。当采用外部振荡器时，该引脚接收振荡器的信号，即把此信号直接接到内部振荡器的输入端。XTAL2：接外部晶振和微调电容的另一端，在单片机内部
11、，它是构成片内振荡器的反向放大器的输出端。当采用外部振荡器时，此引脚应悬空。12345678910111213141516171819204039383736353433323130292827262524232221P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/VPDP3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RDXTAL2XTAL1VSSVCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VPPALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2
12、P2.1P2.080C51/89C51CPU发出的时序信号有两种：1.对片内各个功能部件的控制信号2.对片外存储器或I/O端口的控制信号后者对于分析设计硬件接口电路至关重要。v2.控制信号引脚：控制信号引脚：vRST:RST是复位信号输是复位信号输入端，入端，高电平有效高电平有效。当。当此输入端保持此输入端保持2个机器周个机器周期的高电平时，就可以期的高电平时，就可以完成复位操作。完成复位操作。RST引引脚的第二功能是备用电脚的第二功能是备用电源的输入端。源的输入端。上电复位按键复位12345678910111213141516171819204039383736353433323130292
13、827262524232221P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/VPDP3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RDXTAL2XTAL1VSSVCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VPPALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.080C51/89C51vALE/PROG:(Address Latch Enable/Programming)当单片当单片机上电正常工作后，机上电正常工作后，ALE引脚不断
14、向外输出引脚不断向外输出正弦脉冲信号，此频率正弦脉冲信号，此频率为振荡器频率的为振荡器频率的1/6。CPU访问外部存储器时，访问外部存储器时，ALE作为锁存低作为锁存低8位地位地址的控制信号。此引脚址的控制信号。此引脚的第二功能的第二功能PROG作为作为8751编程脉冲输入端使编程脉冲输入端使用。用。12345678910111213141516171819204039383736353433323130292827262524232221P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/VPDP3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/
15、T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RDXTAL2XTAL1VSSVCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VPPALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.080C51/89C51vPSEN：(Program Store Enable)在访问片外存储器在访问片外存储器时，此端定时输出负脉冲时，此端定时输出负脉冲作为作为片外存储器的选通信片外存储器的选通信号号。vEA/VPP：(Enable Address/Voltage Pulse Of Programming)当当EA接接高电平时，高电平时，CPU访问片内访
16、问片内ROM，并执行内部程序存，并执行内部程序存储器中的指令。当储器中的指令。当EA脚接脚接低电平时，低电平时，CPU只访问片只访问片外外ROM并执行外部程序存并执行外部程序存储器中的指令，而不管是储器中的指令，而不管是否有片内程序存储器。否有片内程序存储器。12345678910111213141516171819204039383736353433323130292827262524232221P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/VPDP3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/
17、RDXTAL2XTAL1VSSVCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VPPALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.080C51/89C51v3.输入输出引脚：vP0P3：4个8位双向输入输出端口，每个端口都有锁存器、输出驱动器和输入缓冲器。4个端口都可以做输入输出口使用，其中，P0和P2通常用于对外部存储器的访问。在这种方式下，把P0口作为地址/数据总线使用，分时输出外部存储器的地址和传送8位数据。当扩充外部存储器的地址为16位时，P2口作为地址总线的高8位地址使用。1234567891011121314151
18、6171819204039383736353433323130292827262524232221P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/VPDP3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RDXTAL2XTAL1VSSVCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VPPALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.080C51/89C5112345678910111213142827262524232221 20191
19、8171615EPROM276412345678910111213142827262524232221 201918171615EPROM27641234567891011121314151617181920403938373635343332313029282726252424222112345678910111213142827262524232221 201918171615RAM6264 12345678910111213142827262524232221 201918171615RAM6264 80318751805189C51片内片内片内片内RAMRAM片内片内片内片内ROMRO
20、M256B（字节）4K64K64K五、五、MCS-51MCS-51存储器存储器(1)(1)(1)(1)程序存储器程序存储器程序存储器程序存储器程序程序存储器存储器内部外部0000H0FFFH(4K)0000HFFFFH(64K)0000H0FFFH(4K)0000H0001H0002H(PC)0000H是程序执行的起始单元,在这三个单元存放一条无条件转移指令中断5中断4中断3中断2中断10003H000BH0013H001BH0023H002BH外部中断0定时器0中断外部中断1定时器1中断串行口中断8位位0FFFH0FFEHEA=1 EA=0EA=1 EA=0程序程序存储器资源分布存储器资源分
21、布0000HFFFFH(64K)内部外部(2)(2)(2)(2)数据存储器数据存储器数据存储器数据存储器数据数据存储器存储器00HFFH7FH80H(高128B)(低128B)RAM专用寄存器00H00H07H07H08H08H0FH0FH10H10H17H17H18H18H1FH1FH0区区R0R0R7R7R0R0R7R7R0R0R7R7R0R0R7R71区区2区区3区区工作寄存器区工作寄存器区可位寻址区可位寻址区20H2FH7F 7807 0030H7FH数据缓冲区数据缓冲区/堆栈区堆栈区内部内部RAMRAM存储器存储器 1 11 1第第第第 3 3 区区区区18H1FH18H1FH 0
22、10 1第第第第 1 1 区区区区08H0FH08H0FHRS1 RS0RS1 RS0寄存器区寄存器区寄存器区寄存器区片内片内片内片内RAMRAM地址地址地址地址 0 00 0第第第第 0 0 区区区区00H07H00H07H 1 0 1 0第第第第 2 2 区区区区10H17H10H17H工作寄存器区工作寄存器区选择位选择位RS0RS0、RS1RS1PSW位地址 CY ACF0RS1RS0OVF1P片外数据存储器和I/O口与片内数据存储器空间0000H00FFH是重叠的。在8051单片机中采用MOV和MOVX两种指令来区分片内外RAM空间，其中片内RAM使用MOV指令，片外RAM和I/O口使
23、用MOVX指令。MSBMSBMost Significant Bit Most Significant Bit （最高有效位）最高有效位）LSB LSB Least Significant Bit Least Significant Bit（最低有效位）最低有效位）单元地址2FH2EH2DH2CH2BH2AH29H28H27H26H25H24H23H22H21H20H7F7F77776F6F67675F5F57574F4F47473F3F37372F2F27271F1F17170F0F0707 MSB 位地址 LSB7E7E76766E6E66665E5E56564E4E46463E3E363
24、62E2E26261E1E16160E0E06067D7D75756D6D65655D5D55554D4D45453D3D35352D2D25251D1D15150D0D05057C7C74746C6C64645C5C54544C4C44443C3C34342C2C24241C1C14140C0C04047B7B73736B6B63635B5B53534B4B43433B3B33332B2B23231B1B13130B0B03037A7A72726A6A62625A5A52524A4A42423A3A32322A2A22221A1A12120A0A02027979717169696161595
25、9515149494141393931312929212119191111090901017878707068686060585850504848404038383030282820201818101008080000RAM位寻址区位地址表位寻址区位地址表高高128128个单元个单元离散分布有离散分布有2121个个特殊功能寄存器特殊功能寄存器SFRSFR。1111个可以进行个可以进行位寻址。位寻址。特别提示：对特别提示：对SFRSFR只能使用直接只能使用直接寻址方式。寻址方式。高高128128个单元个单元离散分布有离散分布有2121个个特殊功能寄存器特殊功能寄存器SFRSFR。1111个可以进
26、行个可以进行位寻址。位寻址。特别提示：对特别提示：对SFRSFR只能使用直接只能使用直接寻址方式。寻址方式。高高128128个单元个单元MCS51单片机堆栈 栈底数据压入数据弹出SP00H00H07H07H08H08H0FH0FH10H10H17H17H18H18H1FH1FH0区区R0R0R7R7R0R0R7R7R0R0R7R7R0R0R7R71区区2区区3区区工作寄存器区工作寄存器区可位寻址区可位寻址区20H2FH7F 7807 0030H7FH内部内部RAMRAM存储器存储器数据缓冲区数据缓冲区/堆栈区堆栈区v先进后出，栈顶，栈底v堆栈指示器spv堆栈伸展方向，复位值堆栈的操作有两种方式
27、：（1）指令方式，使用堆栈操作指令进行进栈/出栈操作。（2）自动方式，在调用子程序或产生中断时，返回地址（断点）自动进栈。程序返回时，断点地址再自动弹回PC。这种堆栈操作不需要干预，是通过硬件自动实现的。提示：系统复位后提示：系统复位后,SP,SP初始化为初始化为07H07H，使得堆栈事实上使得堆栈事实上由由08H08H开始。因为开始。因为08H-1FH08H-1FH单元为工作寄存器区单元为工作寄存器区1-1-3,20H-2FH3,20H-2FH为位寻址区，在程序设计很可能要用到为位寻址区，在程序设计很可能要用到这些区，所以用户在编程时最好把这些区，所以用户在编程时最好把SPSP初值设为初值设
28、为2FH2FH或更或更大值，当然同时还要顾及其允许的深度。要防止设置大值，当然同时还要顾及其允许的深度。要防止设置不当，引起内部不当，引起内部RAMRAM单元冲突。单元冲突。程序状态字程序状态字PSW程序状态字是一个8位寄存器，它包含程序的状态信息。在状态字中，有些位状态是根据指令执行结果，由硬件自动完成设置的，而有些状态位则必须通过软件方法设定。PSW中的每个状态位都可由软件读出。位序PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0位标志CYACF0RS1RS0OVF1Pv 累加器累加器ACC 累加器为8位寄存器，是程序中最常用的专用寄存器，在指令系统中累加器的助记符为A。大部分单操作数指令的操作取自累加器，很多双操作数指令的一个操作数也取自累加器。加、减乘和除等算术运算指令的运算结果都存放在累加器A或AB寄存器中，在变址寻址方式中累加器被作为变址寄存器使用。B寄存器寄存器B寄存器为8位寄存器，主要用于乘除指令中。乘法指令的两个操作数分别取自累加器A和寄存器B，其中B为乘数，乘法结果的高8位存放于寄存器B中。除法指令中，被除数取自A，除数取自B，除法的结果商数存放于A，余数存放于B中。复位时片内各寄存器的状态复位时片内各寄存器的状态