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1、第第2 2章章 M MC CS S-5 51 1系系列列单单片片机机的的硬硬件件结结构构第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构n2.1 MCS-512.1 MCS-51单片机的主要性能特点单片机的主要性能特点n2.2 MCS-512.2 MCS-51单片机的基本结构单片机的基本结构n2.3 MCS-512.3 MCS-51单片机的存储器配置单片机的存储器配置n2.4 MCS-512.4 MCS-51系列单片机的并行系列单片机的并行I/OI/O端口端口n2.5 MCS-512.5 MCS-51单片机的时钟电路和时序单片机的时钟电路和时序n2.6 MCS-512.6 MCS-51系列单片机的工作
2、方式系列单片机的工作方式第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构本章学习目标本章学习目标 nMCS-51MCS-51单片机的内部结构、引脚功单片机的内部结构、引脚功能、工作方式和时序。能、工作方式和时序。n掌握掌握MCS-51MCS-51单片机的内部结构特点单片机的内部结构特点n了解单片机并行了解单片机并行I/OI/O口的结构特点口的结构特点n掌握掌握MCS-51MCS-51单片机的基本工作原理单片机的基本工作原理n掌握单片机最小系统的设计方法掌握单片机最小系统的设计方法n掌握单片机存储器的扩展方法掌握单片机存储器的扩展方法 MCS-51系列单片机分类第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构
3、资源资源 配置配置子子 系列系列 片内片内ROMROM形式形式 片片 内内 ROM ROM 容容 量量 片片 内内 RAM RAM 容容 量量定时定时/计数器计数器中中断断源源 无无ROMROMEPROMEPROME E2 2PROMPROM5151子系列子系列8031803180518051 87518751 895189514KB 128B128B 2162165 55252子系列子系列8032803280528052 87528752 895289528KB 256B256B 3163166 6它可归纳为它可归纳为1414个特点：个特点：1.1.具有具有8 8位位CPUCPU。2.2.具
4、有片内振荡器，振荡频率具有片内振荡器，振荡频率foscfosc范围为范围为1.21.212MHz12MHz，可以，可以有时钟输出。有时钟输出。3.3.具有具有128B128B片内片内RAMRAM和具有和具有2121个字节专用寄存器。个字节专用寄存器。2.1 MCS-51单片机的主要性能特点4.4.具有具有4KB4KB片内片内ROM(ROM(固定固定ROM/EPROM/E2PROM)ROM/EPROM/E2PROM)（80318031单单片机中无片机中无ROM ROM）。）。5.5.具有具有4 4个个8 8位并行位并行I/OI/O接口：接口：P0P0、P1P1、P2P2、P3P3。6.6.具有具
5、有1 1个全双串行个全双串行I/OI/O。7.7.具有具有2 2个个1616位定时位定时计数器。计数器。2.1 MCS-51单片机的主要性能特点8.8.中断系统有中断系统有5 5个中断源，可编程为两个优先级。个中断源，可编程为两个优先级。9.9.具有具有111111条指令（含乘法指令和除法指令）。条指令（含乘法指令和除法指令）。10.10.有较强的位寻址、位处理能力。有较强的位寻址、位处理能力。2.1 MCS-51单片机的主要性能特点11 11 片内采用单总线结构。片内采用单总线结构。12 12 采用单一采用单一+5V+5V电源。电源。13 13 可寻址可寻址64KB64KB程序存储器空间（即
6、程序存储器的地址为程序存储器空间（即程序存储器的地址为1616位）。位）。1414可寻址可寻址64KB64KB外部数据存储器空间（即外部数据存储器的地址外部数据存储器空间（即外部数据存储器的地址为为1616位）。位）。2.1 MCS-51单片机的主要性能特点2.2 MCS-51单片机的基本结构微计算机组成微处理器CPUROMRAMI/O接口外设地址总线AB数据总线DB控制总线CB微型机组成框图2.2 MCS-51单片机的基本结构单片机的内部结构2.2.1 MCS-51单片机的组成 CPURAMROM中断系统中断系统串行口串行口并行口并行口定时计数器定时计数器振荡电路振荡电路 X1 X2 P0
7、P1 P2 P3 TXD RXD INT0 INT1T0 T1MCS-51MCS-51系列单片机的基本结构图系列单片机的基本结构图2.2.1 MCS-51单片机的组成 MCS-51单片机的内部结构单片机的内部结构 ATMPPSWBSPDPTRRAMPCROMP1P2P3P0定时定时中断中断串口串口IRPLAID振振荡荡X1X2 PSEN RST ALE EAP0P1P2P3ALU2.2.1 MCS-51单片机的组成1.CPU（它由ALU、CU、Rs组成）(1)算术逻辑单元ALU及其相关寄存器 累加器ACC（简称A）、寄存器B、程序状态字寄存器PSW、暂存寄存器TMP等 (2)控制器CU及其相关
8、寄存器 指令寄存器IR、指令译码器ID、定时与控制逻辑电路PLA、程序计数器PC、堆栈指针SP、数据指针DPTR等 （3）布尔处理机2.2.1 MCS-51单片机的组成2.2.1 MCS-51单片机的组成2 2单片机的存储器结构特点单片机的存储器结构特点 关于单片机的存储器的体系结构将在2.3节介绍n 普林斯顿结构：普林斯顿结构：程序和数据共用一个存储器逻辑空间，统一编程序和数据共用一个存储器逻辑空间，统一编址。址。n哈佛结构：哈佛结构：程序与数据分为两个独立存储器逻辑空间，分程序与数据分为两个独立存储器逻辑空间，分开编址。开编址。n在51单片机内部有21/26个SFR,它们与内部RAM统一编
9、址，离散地分别在80HFFH的地址单元中。2.2.1 MCS-51单片机的组成3特殊功能寄存器SFR2.2.1 MCS-51单片机的组成4 并行I/O接口 MCS-51单片机内部共有四个8位的并行I/O口（P0、P1、P2、P3），以实现数据的并行输入和输出。5 串行串行I/O接口接口 MCS-51单片机还有一个全双工的串行口，以实现单片机与外部之间的串行数据传送。第2章 MCS-51系列单片机的结构和原理最小应用系统8051/8751最小应用系统最小应用系统8031最小应用系统最小应用系统 6 定时/计数器 MCS-51单片机内部有2个16位的定时器/计数器，用于实现内部定时或外部计数的功能
10、；并以其定时或计数的结果（查询或中断方式）来实现控制功能。7 中断系统 MCS-51单片机具有中断功能，以满足控制应用的需要。MCS-51共有5个中断源（52系列有6个中断源），即外部中断2个，定时/计数器中断2个，串行口中断1个。全部中断可分为高级和低级两个优先级别。2.2.1 MCS-51单片机的组成 MCS-51单片机引脚及总线结构(a)管脚图；(b)引脚功能分类 P2P0ALEPSENEARSTVCCGNDP1P3X1X22.2.2 MCS-51单片机的引脚及其功能单片机引脚说明（1）P0口（32脚39脚）有3种使用方法：作为与外部传送数据的8位数据总线（D0D7）。作为扩展外部存储器
11、时的低8位地址总线（A0A7）。（2）P1口（1脚8脚）：作为普通I/O口使用，无须外接上拉电阻。（3）P2口（21脚28脚）有两种使用方法：作为普通I/O口使用，无须外接上拉电阻。作为扩展外部存储器时的高8位地址总线（A8A15）。第2章 MCS-51系列单片机的结构和原理单片机引脚说明（4）P3口（10脚17脚）有两种使用方法。作为普通I/O口使用，无须外接上拉电阻。P3口还可作为特殊的第2功能。（5）VDD（40脚）：+5V电源。（6）VSS（20脚）：GND第2章 MCS-51系列单片机的结构和原理P3口的特殊功能口的特殊功能 单片机引脚说明（7）XTAL1（19脚）XTAL2（18脚
12、）：接外部石英晶振的引脚，也可引入外部时钟。（8）RESET（9脚）：复位信号引脚。必须在此引脚上出现两个机器周期的高电平，才能保证单片机可靠的复位。复位后，单片机内部各寄存器的状态见表2-9所示。第2章 MCS-51系列单片机的结构和原理外接晶体引脚 XTAL1、XTAL2（19、18脚）：当使用单片机内部振荡电路时，这两个引脚用来外接石英晶体和微调电容，如图2-10（a）。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部时钟时，对于HMOS单片机，XTAL1引脚接地，XTAL2接片外振荡脉冲输入（带上拉电阻）；对于CHMOS单片机，XTAL2引脚接地，XTA
13、L1接片外振荡脉冲输入（带上拉电阻），如图2-11（b）和（c）。第2章 单片机基本原理XTAL1XTAL2外部振荡信号外部振荡信号XTAL1XTAL2VccVssR外部振荡信号外部振荡信号XTAL2XTAL1VccVssR（a）内部时钟方式）内部时钟方式 （b）HMOS工艺外接时钟工艺外接时钟 （c）CHMOS工艺外接时钟工艺外接时钟单片机引脚说明（9）ALE/PROG（30脚）：地址锁存允许信号。有以下3个作用：当外接存储器（RAM/ROM）时，ALE（允许地址锁存）的输出用于锁存地址的低8位。一般ALE接锁存器的EN端。当没有外部存储器时，ALE端可输出脉冲信号，此频率为石英振荡频率的1/6。因此，它可用作对外部芯片提供输出的时钟，或用于定时的目的。第2章 MCS-51系列单片机的结构和原理单片机引脚说明（10）PSEN（29脚）：外部程序存储器的读选通信号。（11）EA/VPP（脚31）：访问程序存储器控制信号。当信号EA接低电平时，对ROM的读操作（执行程序）限定在外部程序储器。当EA接高电平时，对ROM的读操作（执行程序）从内部开始。在使用内部带程序存储器的单片机时，应接高电平。第2章 MCS-51系列单片机的结构和原理