单片机ppt课件2 MCS 51单片机结构及原理.ppt

1,第2章 MCS-51单片机结构及原理,本章内容： （1）MCS-51系列的8051的基本结构； （2）存储器结构及其配置； （3）P0、P1、P2、P3四个I/O口的基本工作原理 和操作特点； （4）单片机的时序 （5）复位,2,2.1.1 MCS-51的基本组成 MCS-51单片机（以8051为例，Intel产品）1个8位CPU；1个片内振荡器及时钟电路；128字节RAM（数据存储器）；4K字节ROM（程序存储器）；2个16位定时器/计数器；32条可编程的I/O线（四个8位并行I/O端口）；1个全双工串行口；5个中断源；,2.1 MCS-51单片机组成及结构,3,2.1 MCS-51单片机组成及结构,4,2.1.2 MCS-51单片机的引脚与功能,逻辑符号,2.1 MCS-51单片机组成及结构,引脚分配,5,（1）电源线 5V供电VCC （40）5V GND （20） 地,2.1.2 MCS-51单片机的引脚与功能,引脚分配,P0,（2）晶体振荡器信号输入输出XTAL1（18）晶体振荡器信号输入XTAL1（19）晶体振荡器信号输出,（3）输入/输出线 P0.0P0.7 P0口P1.0P1.7 P1口P2.0P2.7 P2口P3.0P3.7 P3口,P1,P2,P3,6,（4）控制信号线 ALE（30）地址锁存控制信号 （Address Latch Enable）， ALE用于将地址总线的低八位锁存。该信号频率为晶振频率 的1/6，可作为外部定时或时钟使用。,2.1.2 MCS-51单片机的引脚与功能,引脚分配,（29）外部程序存储器读选通信号（ Program Store Enable）该信号为低电平时，CPU从外部程序存储器单元读取指令。,7,（31）内外程序存储器选择控制 （External Access Enable） 0，CPU对程序存储器的操作仅限于单片机外部程序存储器。 1， CPU对程序存储器的操作从单片机内部程序存储器开始，并可延伸到单片机的外部程序存储器。,2.1.2 MCS-51单片机的引脚与功能,（4）控制信号线（续）,引脚分配,RESET（9） 复位信号。 RESET持续2个机器周期以上的高电平，单片机复位。,8,（5）部分引脚的第二功能(复用，同一个引脚被双重定义),2.1.2 MCS-51单片机的引脚与功能,9,（5）部分引脚的第二功能程序存储器固化所需的信号 编程脉冲 ALE/PROG 编程电压 /VPP 备用电源引入 RESET/VPD: 当电源电压下降到某个给定下限时，备用电源由该引脚向单片机芯片内部RAM供电，以保护内部RAM的内容不丢失。,2.1.2 MCS-51单片机的引脚与功能,10,2.1.3 MCS-51单片机的内部结构,11,（一） 中央处理器（CPU） CPU由运算器和控制器组成，它是单片机的核心，完成运算和控制操作。,2.1.3 MCS-51单片机的内部结构,1. 运算器组成： 算术逻辑运算器ALU，算术累加器ACC，寄存器B，暂存器TMP1，暂存器TMP2，布尔累加器Cy等功能：进行移位、算术运算和逻辑运算；MCS-51运算器还包含有一个布尔（位）处理器,用来处理位操作。,12,（1）累加器A（8位） 功能：暂存操作数及保存运算结果； A是MCS-51单片机中最繁忙的寄存器； （2）寄存器B（8位） 功能：用于乘法、除法运算，对于其它指令可作为一个寄存器使用； （3 ）程序状态字寄存器PSW（8位） 功能：存放累加器A在运算过程标志位（P，OV，AC，Cy）的状态；指出CPU所使用的当前工作寄存器组。,2.1.3 MCS-51单片机的内部结构,13,CY,AC,F0,RS0,OV,P,RS1,PSW.7,PSW.0,CY (PSW.7) 进位/借位标志位。 若ACC在运算过程中发生了进位或借位，则CY=1；否则=0。它也是布尔处理器的位累加器，可用于布尔操作。,AC(PSW.6)半进位/借位标志位。 若ACC在运算过程中，D3位向D4位发生了进位或借位，则CY=1,否则=0。机器在执行“DA A”指令时自动要判断这一位，我们可以暂时不关心它。,F0 (PSW.5) 用户标志位。,PSW.6,PSW.5,2.1.3 MCS-51单片机的内部结构,PSW,14,2.1.3 MCS-51单片机的内部结构,PSW.7,PSW.0,RS1(PSW.4)、RS0(PSW.3)工作寄存器组选择位。,RS1，RS0 = 0 1 则选择了工作寄存器组 1 区R0R7分别代表08H 0FH单元。,RS1，RS0 = 1 0 则选择了工作寄存器组 2 区 R0R7分别代表10H 17H单元。,RS1，RS0 = 1 1 则选择了工作寄存器组 3 区R0R7分别代表18H 1FH单元。,PSW.4 PSW.3,RS1，RS0 = 0 0 则选择了工作寄存器组 0 区R0R7分别代表08H 0FH单元。,PSW,15,CY,AC,F0,RS0,OV,P,RS1,PSW.7,PSW.0,OV (PSW.2)溢出标志位。 OV=1时特指累加器在进行带符号数(-128+127)运算时出错（超出范围）；OV=0时未出错。,PSW.1 未定义。,P (PSW.0)奇偶标志位。 P=1表示累加器中“1”的个数为奇数 P=0表示累加器中“1”的个数为偶数 CPU随时监视着ACC中的“1”的个数,并反映在PSW中,PSW.2,PSW.1,2.1.3 MCS-51单片机的内部结构,PSW,16,（4）布尔处理器Cy 实现各种位逻辑运算和传送；MCS-51具有一个位寻址空间。 （5） TMP1和TMP2为8位暂存寄存器 存放参与预算的操作数。,2.1.3 MCS-51单片机的内部结构,MCS-51仅能实现两个8位二进制数的算术逻辑运算！,17,2. 控制器组成： 定时与控制部件，复位电路，程序计数器（PC），指令寄存器、指令译码器，数据指针（DPTR）,堆栈指针（SP）等作用：产生计算机所需的时序，控制程序自动执行。,2.1.3 MCS-51单片机的内部结构,18,程序计数器PC（16位）程序计数器PC用来存放即要执行的指令地址，共16位，低8位经P0 口输出，高8位经P2口输出。CPU每取一次机器码，PC内容自动加一， CPU执行一条指令，PC内容自动增加该指令的长度。CPU复位后，PC内容为0000H，它标志着程序从头开始执行。 PC的内容变化决定程序的流向。指令寄存器（8位） 指令寄存器中存放将要执行的指令代码，通过指令译码器，将指令代码转化为电信号控制信号ALE等。,2.1.3 MCS-51单片机的内部结构,19,2.1.3 MCS-51单片机的内部结构,数据指针DPTR（16位） 用于访问外部RAM或外部I/O口，提供十六位地址。用于程序存储器的查表和程序散转指令，作为基地址寄存器，提供十六位基地址。,堆栈指针寄存器SP（8位） 用于管理对栈，指出栈顶位置。 MCS-51单片机复位后, (SP)=07H,20,2.1.3 MCS-51单片机的内部结构,（二）存储器 1.内部数据存储器单片机的内部数据存储器由RAM地址寄存器、地址译码器以及128个单元的RAM构成，用于存放可读写的数据。2. 内部程序存储器 MCS-51系列单片机（8031除外）的内部程序存储器由程序地址寄存器、地址译码器以及4K（4096）个单元的ROM构成，用于存放程序的机器代码和常数。 2 . 特殊功能寄存器（Special Function Register，SFR） MCS-51系列单片机有21个可以寻址的特殊功能寄存器，包括单片机内的I/O口、串行口、定时/计数器、中断系统等相关的数据寄存器（或缓冲器）以及控制寄存器和状态寄存器，用于存放相应功能部件的控制命令、状态和数据。,21,2.1.3 MCS-51单片机的内部结构,（三）并行口（Parallel Port） 有4个并行的I/O口：P0、P1、P2、P3，每根口线都可独立地用作输入或输出。（四）串行口（Serial Port） 有1个全双工的串行口，用于串行通信。串行口由发送缓冲器SBUF、接收缓冲器SBUF、移位寄存器和串行口控制逻辑等部分组成。（五） 定时/计数器（Timer/Counter） 有2个16位的定时/计数器T0和T1，T0由TH0和TL0构成，T1由TH1和TL1构成，定时/计数器方式寄存器TMOD选择定时/计数器的工作模式和方式，定时/计数器控制寄存器TCON控制T0和T1的启动和停止，同时反映T0和T1的溢出状态。（六）中断系统（Interrupt System） 有5个中断源，分别为2个外部中断、2个定时/计数器溢出产生的中断、1个串行口接收/发送产生的中断，提供2个中断优先级。,22,2.2 MCS51单片机的存储器,MCS-51单片机的程序存储器和数据存储器分开设置，地址空间相互独立。MCS51存储器地址空间可分为以下5类：（1）程序存储器，最大空间64K；（2）片内数据存储器，128个单元；（3）特殊功能寄存器，共21个；（4）位寻址空间，211位；（5）外部数据寄存器，最大空间64K。这些资源与单片机应用的关系密切，下面我们介绍上述5类存储空间的功能。,23,2.2.1 程序存储器,程序存储器用来存放程序和常数，最大寻址空间64K单元。MCS51系列产品按程序存储器配置类型分为3类：8051芯片含有4k个单元的ROM；8751芯片含有4k个单元的EPROM；8031中无程序存储器，需要扩展程序存储器。,在实际应用中，用户既可使用芯片内部的程序存储器，也可以使用芯片外部的程序存储器，但最大空间为64k，程序存储器的地址空间构成与引脚的 接法有关。,24,2.2.1 程序存储器,（1）芯片内部含有程序存储器的单片机（ 8051/8751 ）当 =1（接高电平）时，8051/8751的程序存储器结构如图：,程序存储器结构,程序存储器连接电路,25,2.2.1 程序存储器,（1）芯片内部含有程序存储器的单片机（8051/8751）当 =0（接低电平）时，8051/8751的程序存储器结构如图：,程序存储器结构,程序存储器连接电路,26,2.2.1 程序存储器,（1）芯片内部不含有程序存储器的单片机（ 8031 ） 必须接地，8031的程序存储器结构如图：,程序存储器结构,不论哪一种MCS-51单片机，如果 接地，其内部的程序存储器将被CPU忽略。,27,2.2.1 程序存储器,在单片机的程序存储器中，有5个特殊的单元地址被定义为中断入口地址，分别为：外部中断入口地址0003H，外部中断入口地址0013H，定时/计数器T0入口地址000BH，定时/计数器T1入口地址001BH，串行口中断入口地址0023H。,中断入口地址映射,28,2.2.2 片内数据存储器,MCS-51单片机的片内RAM按照功能可分为3个区域：001FH：32个单元为工作寄存器区202FH：16个单元为位寻址区307FH：80个单元为数据缓冲区,片内RAM分区示意图,29,（一）工作寄存器区（Register Bank）（00-1FH）,工作寄存器组分区,工作寄存器区也称为通用寄存器区。工作寄存器区包含4个工作寄存器组，每个工作寄存器组中包含8个工作寄存器R0R7： BANK0（0007H） BANK1（080FH） BANK2（1017H） BANK3（181FH）,2.2.2 片内数据存储器,30,表工作寄存器组的工作寄存器R0R7与内RAM单元的对应关系,2.2.2 片内数据存储器,31,2.2.2 片内数据存储器,（二）位寻址区（Bit Addressable Area）（202FH） MCS-51单片机的片内RAM中， 202FH单元被开辟为位寻址区；这些单元的每一位都具有一个自己的位地址，共168128位。位寻址区位地址范围为007FH，CPU可以对每一位直接操作。,32,2.2.2 片内数据存储器,内部RAM中202FH的位地址映射,33,202F单元的位地址区的使用： （I）在片内RAM中只有202FH单元的位能够进行位操作，我们经常表示为20H.0，它与位地址00H是等价的。 （II）位寻址区16个单元也可以按单元访问，所以，当位寻址区16个单元的128位未完全使用时，其剩余单元也可作为RAM单元使用。,2.2.2 片内数据存储器,34,（三） 数据缓冲区（Data Buffer Area）（307FH）（1）数据缓冲区的作用作为数据缓冲、数据暂存、作为堆栈区使用；这些单元只能按单元访问。（2）堆栈堆栈是为了保护CPU执行程序的现场，在存储器中开辟了一个“先进后出”（后进先出）的区域；堆栈的操作：入栈，出栈；操作规则：先进后出；堆栈由堆栈指针SP管理，它始终指向栈顶位置，一般情况下，将堆栈设在30H单元之后。程序设计时，最好设在片内RAM的末端，如 MOV SP, #60H, 以避免堆栈向上生成时覆盖所存储的数据。,2.2.2 片内数据存储器,35,2.2.3 特殊功能寄存器（SFR）,MCS-51芯片内部有21个可寻址的SFR（具有地址），它们离散的分布在片内RAM 80HFFH范围内，并与内RAM统一编址。 MCS-51芯片内部还有1个不可寻址的SFR程序计数器PC。 对可寻址的SFR只能采用直接寻址方式，即按单元地址访问的模式； 可寻址的SFR中部分SFR （单元地址能够被8整除）具有位寻址功能。,36,2.2.3 特殊功能寄存器,单片机的特殊功能寄存器（SFR）及其单元地址,37,2.2.3 特殊功能寄存器,特殊功能寄存器（SFR）的位地址空间凡是SFR的地址能被8整除的SFR（单元地址的末位是0或8）都具有位寻址功能，MCS-51单片机共有11个SFR具有位寻址功能，这些寄存器（单元）的每一位都有一个位地址。位地址空间：80FFH。特殊功能寄存器（SFR）的位地址空间的特点：（1）SFR对应的单元地址为该SFR最低位的位地址。（2）SFR的位寻址区地址是不连续的。,38,2.2.3 特殊功能寄存器,SFR位寻址空间地址映射,39,2.2.3 特殊功能寄存器,MCS-51单片机SFR的使用：（1）对于SFR以单元形式访问时，只能采用直接寻址方式。 如： MOV SBUF, A MOV 99H, A 二者是等价的。（2）对于80FFH区间未定义的单元，用户不得使用。同样，对于未定义位地址所对应的位操作也是无效的。（3）在编程时，最好不要采用SFR作为中间寄存器暂存中间结果。因为复位时，多数SFR被清0.,40,2.2.4 MCS-51单片机的位寻址空间,MCS-51单片机的位寻址空间由两部分组成，位地址范围为00 FFH。,41,2.2.5 外部数据存储器,MCS51系列单片机的外部数据存储器是一个独立的物理空间，外部数据存储器和外部I/O口共同占用这个空间，最大可以扩展到64k，地址范围为：0000HFFFFH。外部数据存储器一般由静态RAM构成，简称外部RAM。,42,一、单片机I/O的作用单片机芯片上的输入输出口有4个，P0，P1，P2和P3。它们的作用与单片机是否扩展有较大关系： （1）8051/8751不进行存储器和I/O口扩展时 P0：I/O口； P1：I/O口；P2：I/O口； P3：I/O口，也可以作为第二功能使用；当P3口某些引脚作为第二功能使用时，不可再作为I/O口线使用。如 P3.0和P3.1作为RXD和TXD时，不可再作为I/O口线使用。,2.3 MCS-51单片机的I/O口,43,（2） 8031及8051/8751进行存储器和I/O口扩展时 P0：低八位地址总线/数据总线 P2：高八位地址总线 P1：I/O口 P3：I/O口或第二功能，当P3口某些引脚作为第二功能使用时，不可再作为I/O口线使用。,2.3 MCS-51单片机的I/O口,一、单片机I/O的作用,44,（一）P0.0P0.7：双向I/O （内置场效应管上拉） 访问外部程序存储器时分时作为双向8位数据口和输出低8位地址复用口；不接外部程序存储器时可作为8位准双向I/O口使用。,引脚P0.X,2,1,D,Q,CK,/Q,读引脚,读锁存器,写锁存器,内部总线,地址/数据,控制,3,4,Vcc,2.3 MCS-51单片机的I/O口,二、单片机I/O的工作原理,45,2.3 MCS-51单片机的I/O口,2,1,D,Q,CK,/Q,读引脚 =1,读锁存器=0,写锁存器,内部总线,地址/数据,控制,引脚P0.X,3,4,控制=0 时，此脚作输入口（事先必须对它写“1”）,0,0,1,0,0,截止,截止,=0,Vcc,（1）P0.0P0.7做输入口，分读引脚和读锁存器。读引脚：就是读取从引脚送进来的外部数据，使用的是缓冲器1。,二、单片机I/O的工作原理,46,“读引脚”信号=1，把三态缓冲器1打开，引脚的数据经过缓冲器直接进入内部总线。这类操作由数据传送（MOV）指令来完成。读引脚前必须先向端口锁存器写“1”，使下方的FETVN截止，然后再读引脚的状态。原因。双向口：在读端口数据前，应先向端口锁存器写“1”，使VN截止，引脚处于悬浮状态，变为高阻抗输入。只有数据传送时单片机内外才接通，其它时间单片机内外处于隔离状态，称为“双向口”。,47,由于P0口的输出电路有两个场效应管组成，构成一个三态门，即具有高电平、低电平和高阻隔离状态，因此它是“双向口”。准双向口：P1、P2、P3的输出电路是由一个上拉电阻和一个FET组成，没有高阻隔离状态，不是一个三态门，所以它们为准双向口。读锁存器：就是读端口锁存器数据，使用的是缓冲器2 。有些指令如：ANL P0,A 称为“读，改，写”指令，需要读锁存器。,48,2.3 MCS-51单片机的I/O口,2,1,D,Q,CK,/Q,读引脚 =0,读锁存器=0,写锁存器,内部总线,地址/数据,控制,引脚P0.X,3,4,控制=0 时，此脚作输出口（外接上拉电阻）,0,0,1,0,0,截止,截止,=0,Vcc,（2）P0.0P0.7作为输出口，引脚应外接上拉电阻。,二、单片机I/O的工作原理,Vcc,R(外接),输出=1,49,CPU发出控制电平“0”封锁与门，使输出上拉场效应管VP截止，同时，多路开关将锁存器与输出驱动场效应管VN栅极接通，这样，与内部总线相连的数据从锁存器的反相输出端输出，又经VN反相，P0端口的数据正好是内部总线的数据。注意，由于FETVN的漏极开路，所以需要在漏极外接上拉电阻。,50,2,1,D,Q,CK,/Q,读引脚 =0,读锁存器=0,写锁存器,内部总线,地址/数据,控制=1,引脚P0.X,3,4,控制=1时，此脚作地址/数据复用口：（1）输出地址/数据 =0 时,1,0,1,1,=0,导通,截止,=0,Vcc,（3）在系统扩展时，P0.0P0.7作为地址/数据总线使用。A.双向8位数据口和输出低8位地址复用口【 输出0】,2.3 MCS-51单片机的I/O口,二、单片机I/O的工作原理,51,又可以分为：输出地址/数据，输出地址/输入数据。http:/,52,2.3 MCS-51单片机的I/O口,B.双向8位数据口和输出低8位地址复用口【输出1】,2,1,D,Q,CK,/Q,读引脚 =0,读锁存器=0,写锁存器,内部总线,引脚P0.X,3,4,控制=1时，此脚作地址/数据复用口：（2）输出地址/数据 =1 时,1,1,0,0,=1,截止,导通,=1,地址/数据,控制=1,Vcc,二、单片机I/O的工作原理,53,2.3 MCS-51单片机的I/O口,（二）P2.0P2.7: 双向I/O （内置了上拉电阻） 外部程序存储器时输出高8位地址；不接外部程序存储器时可作为8位准双向I/O口使用。,2,1,D,Q,CK,/Q,读引脚,读锁存器,写锁存器,内部总线,地址高8位,控制,引脚 P2.X,3,内部上拉电阻,Vcc,二、单片机I/O的工作原理,54,2.3 MCS-51单片机的I/O口,（1）P2.0P2.7作为8位准双向I/O口使用【输出】。,2,1,D,Q,CK,/Q,读引脚 =1,读锁存器=0,写锁存器,内部总线,地址高8位,控制,引脚P2.X,控制=0时，此脚作通用输出口： 输出=1时,1,1,0,截止,3,内部上拉电阻,1,1,Vcc,=1,=0,二、单片机I/O的工作原理,55,2.3 MCS-51单片机的I/O口,2,1,D,Q,CK,/Q,读引脚 =1,读锁存器=0,写锁存器,内部总线,地址高8位,控制,引脚P2.X,控制=0时，先写1，此脚作通用输入口,1,0,截止,3,内部上拉电阻,1,1,Vcc,=0,二、单片机I/O的工作原理,（2）P2.0P2.7作为8位准双向I/O口使用【输入】。,56,2.3 MCS-51单片机的I/O口,2,1,D,Q,CK,/Q,读引脚 =0,读锁存器=0,写锁存器,内部总线,地址高8位,控制=1,引脚P2.X,0,1,导通,3,内部上拉电阻,0,=0,=0,控制=1 时，此脚作高8位地址A8A15输出口：当输出 =0 时,二、单片机I/O的工作原理,（3）P2.0P2.7作为高八位地址总线【输出地址】。,Vcc,57,2.3 MCS-51单片机的I/O口,（三）P3.0P3.7: 双功能口（内置了上拉电阻） 具有特定的第二功能。在不使用它的第二功能时它就是普通的通用准双向I/O口。,2,1,D,Q,CK,/Q,读引脚,读锁存器,写锁存器,内部总线,第二功能输出,引脚 P3.X,3,内部上拉电阻,Vcc,第二功能输入,4,二、单片机I/O的工作原理,58,2.3 MCS-51单片机的I/O口,（1）P3.0P3.7作为第二功能【输出RD/RW/TXD】。锁存器应预先置“1”，以保证与非门对第二功能信号的输出能顺利进行。,2,1,D,Q,CK,/Q,读引脚,读锁存器=0,写锁存器,内部总线,第二功能输出（WR，RD，TxD）,引脚 P3.X,3,内部上拉电阻,Vcc,4,第二功能输出时，内部自动 D=1,1,1,1,反相器,二、单片机I/O的工作原理,59,2.3 MCS-51单片机的I/O口,2,1,D,Q,CK,/Q,读引脚=0,读锁存器=0,写锁存器,内部总线,第二个能输出此端自动1,引脚 P3.X,3,内部上拉电阻,Vcc,第二功能输入（RxD/T0/T1/INT0/INT1）,4,第二功能输入时，信号经缓冲器4 直接进入内总线,1,1,1,0,截止,（2）P3.0P3.7作为第二功能【输入RXD/T0/INT0】。,二、单片机I/O的工作原理,60,2.3 MCS-51单片机的I/O口,（3）P3.0P3.7作为通用I/O口【输入】。,二、单片机I/O的工作原理,2,1,D,Q,CK,/Q,读引脚=1,读锁存器=0,写锁存器,内部总线,引脚 P3.X,3,内部上拉电阻,Vcc,第二功能输入,4,先写1，再读引脚,1,1,1,0,截止,第二功能输出此端自动1,61,2.3 MCS-51单片机的I/O口,（4）P3.0P3.7作为通用I/O口【输出】。,二、单片机I/O的工作原理,2,1,D,Q,CK,/Q,读引脚 = 0,读锁存器=0,写锁存器,内部总线,引脚 P3.X,3,内部上拉电阻,Vcc,第二功能输入,4,输出1的操作,1,1,1,0,截止,1,第二个能输出此端自动1,输出1,62,2.3 MCS-51单片机的I/O口,（四） P1.0P1.7: 准双向I/O口（内置了上拉电阻）,2,1,D,Q,CK,/Q,读引脚=0,读锁存器=0,写锁存器,内部总线,Vcc,引脚P1.X,内部上拉电阻,二、单片机I/O的工作原理,63,2.3 MCS-51单片机的I/O口,（1）P1.0P1.7作为输出口【输出1】,2,1,D,Q,CK,/Q,读引脚=0,读锁存器=0,写锁存器,内部总线,Vcc,引脚P1.X,内部上拉电阻,输出数据 = 1 时,1,1,0,截止,=1,二、单片机I/O的工作原理,64,2.3 MCS-51单片机的I/O口,2,1,D,Q,CK,/Q,读引脚=0,读锁存器=0,写锁存器,内部总线,Vcc,引脚P1.X,内部上拉电阻,输出数据 = 0 时,0,0,1,=0,导通,（2）P1.0P1.7作为输出口【输出0】,二、单片机I/O的工作原理,65,2.3 MCS-51单片机的I/O口,2,1,D,Q,CK,/Q,读引脚 =1,读锁存器=0,写锁存器,内部总线,Vcc,引脚P1.X,内部上拉电阻,输入数据时，要先对其写“1”,1,1,0,截止,（3）P1.0P1.7作为输入口,二、单片机I/O的工作原理,66,2.3 MCS-51单片机的I/O口,2,1,D,Q,CK,/Q,读引脚 =0,读锁存器,写锁存器,内部总线,Vcc,引脚P1.X,内部上拉电阻,（五）读单片机I/O口寄存器（以P1口为例）,二、单片机I/O的工作原理,=1,67,（1）驱动能力： P0：双向，8个TTL P1、 P2和 P3：准双向，4个TTL （2）4个口作为输入口使用，都必须先向端口锁存器写1，再读引脚状态。 （3）P0口作为输出口时，输出引脚应外接上拉电阻。 （4）P3口用作第二功能输出信号时，也应先把端口锁存器置“1”。,2.3 MCS-51单片机的I/O口,三、单片机I/O的使用,68,2.4 MCS-51单片机的时钟电路与时序,2.4.1 MCS-51单片机的时钟电路 时钟电路用来产生CPU工作所需的时钟控制信号。时钟的频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量直接影响单片机系统的稳定性。 时钟电路的设计形式：内部方式和外部方式,（一）内部方式： 原理：借助于单片机内部电路（反相放大器）外接晶体振荡器和微调电容构成自激振荡器，提供时钟信号。 OSC：1.2M12MHz C1、C2：530pF,69,2.4.1 MCS-51单片机的时钟电路,（2）外部方式 直接使用外部振荡脉冲信号。（常用于多CPU系统，以保持各个CPU同步工作）外部振荡脉冲信号为满足一定的幅宽的方波，频率不大于12MHz。,70,在计算机中，一条指令可分解为若干个基本的微操作，这些微操作所对应的脉冲信号在时间上有严格的先后次序，即为计算机的时序。 （一）时钟周期、机器周期与指令周期 时钟周期：就是一个振荡周期 振荡周期(T)：为晶体振荡器（晶振）的振荡周期,2.4.2 MCS-51单片机的时序,机器周期(TM) : CPU完成一个基本操作所用的时间。 MCS-51单片机的1个机器周期包含12个时钟周期,指令周期（TI）：执行一条指令所用的时间； MCS-51：1TI = 1 4 TM,71,2.4.2 MCS-51单片机的时序,MCS-51单片机的机器周期(TM),状态,P1相,P2相,72,2.4.2 MCS-51单片机的时序,（二） 典型指令的时序取指令，执行指令,INC A 的机器码,（1）单字节单周期指令,73,（2）双字节单周期指令,2.4.2 MCS-51单片机的时序,读机器码 24,读机器码 50,CPU执行指令 ADD A, #50H,(PC)加1,(PC)加1,(PC)加1,（二） 典型指令的时序,读下一个指令的机器码,74,（3）单字节双周期指令,2.4.2 MCS-51单片机的时序,CPU执行指令INC DPTR,读操作码 A3,读下一个操作码,丢弃,读下一个操作码,丢弃,读下一个操作码,丢弃,(PC)加1,(PC)不加1,(PC)不加1,(PC)不加1,（二） 典型指令的时序,75,2.4.2 MCS-51单片机的时序,（4）单片机访问外部数据存储器指令的时序,CPU执行访问外部数据存储器指令的时序,（二） 典型指令的时序,76,如：MOVX A,DPTR指令的执行分两个阶段：第一个是根据PC中的地址读片外ROM中的操作码；第二个是根据DPTR中的地址读片外RAM，并把读出的数送累加器A。在ALE第一次和第二次有效期间，把PC中的高8为地址送P2口，低8位地址送P0端口并锁存，用于从片外ROM中读取MOVX指令的操作码。PSEN=0时，CPU把从片外ROM中读取的操作码送入指令寄存器，再送入指令译码器进行译码，产生一系列控制信号。在ALE第二次有效时，CPU把DPTR中的地址送到P2口和P0口，从片外RAM中读出相应的数据。然后将此数据经P0口送到累加器A中。,77,2.5 MCS-51单片机的复位电路,2.5.1单片机复位及复位状态,复位是单片机的一个重要的工作状态。在单片机开始工作时需要上电复位、在运行过程中发生了故障或意外情况需要强制复位等。复位目的是使单片机或系统中的其它部件处于某种确定的初始状态。,MCS-51单片机复位的条件： 在振荡器运行的情况下，在RESET引脚上保持2个以上机器周期（24个振荡周期）的高电平，就可以使单片机可靠地复位。,78,2.5 MCS-51单片机的复位电路,特殊功能寄存器及其复位时的内容,79,2.5 MCS-51单片机的复位电路,（1）复位对MCS-51片内RAM（007FH）的影响: 在单片机工作过程中CPU复位时，不会影响MCS-51片内RAM（007FH）的状态。 存储在位寻址区202FH的标志位状态不变，但是，R0R7的内容不一定是复位以前的R0R7，因为PSW被清0了，此时R0R7代表的是0007的内容。 （2） 复位对MCS-51片内SFR（80FFH）的影响: 单片机工作过程中CPU复位时，大多数SFR被清0，程序设计时必须注意。,复位对片内RAM和SFR的影响：,80,2.5 MCS-51单片机的工作方式,MCS51系列单片机的复位是由外部的复位电路实现的。在实际应用中，单片机通常采用2种形式的复位电路：上电自动复位电路和按钮开关复位电路。 设计要求：在RESET（RST）端维持110ms的高电平。,2.5.1单片机复位及复位状态,上电自动复位电路,按钮开关及上电自动复位电路,81,2.5 MCS-51单片机的工作方式,2.5.2程序执行方式单步执行方式：是利用单片机的外部中断功能实现的，单步执行键相当于外部中断源。连续执行方式2.5.3掉电保护方式单片机系统在运行过程中发生掉电故障时，为避免系统数据丢失，必须先把有用数据转存，然后启动备用电源维持供电以继续保存有用数据。由于备用电源容量有限，为减少消耗，系统掉电后时钟电路和CPU等都停止运行，只有内部RAM和必要的专用寄存器继续工作，用以继续保存数据。,82,2.5 MCS-51单片机的工作方式,2.5.4节电方式两种：空闲方式（待机方式），掉电保护方式只有CHMOS型单片机如80C51才有这种工作方式。待机方式时：振荡器继续工作（为了退出待机方式），但向CPU提供时钟信号的电路被阻断，即CPU不能工作，与CPU有关的寄存器也都被冻结。掉电保护方式时：,83,本章内容介绍完毕!,THANK YOU!,