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第二章 MCS-51单片机结构原理,2.1 MCS-51系列单片机概述2.2 硬件结构和引脚功能2.3 中央处理器与存储器组织2.4 复位方式与掉电保护2.5 其它内部资源,1,2.1 MCS-51系列单片机概述,2,微型计算机技术主要形成两大分支 通用微处理器（MPU）：用在海量数值计算方面，以满足数字 模拟、仿真、数字信号处理、图像分析、人工智能等领域的要求 微控制机（MCU）：用来满足快速实时地信号采集、判断、处理、参数控制,2.1 MCS-51系列单片机概述,什么是单片机？【计算机构成】：CPU（进行运算、控制）、RAM（数据存储）、ROM（程序存储）、输入/输出设备（例如：串行口、并行口等）【单片机(Single Chip Micro Computer)】：是在一个芯片上集成了一台计算机的主要组成部件，如CPU、RAM、ROM（EPROM）、计数/定时器、I/O接口等，高档系列中还集成有A/D、D/A、PWM、高速I/O等扩展部件。,3,4,2.1 MCS-51系列单片机概述,单片机的历史发展过程：第一代单片机（1976年）：实现了单个芯片上的计算机集成，以Intel的MCS-48为代表，技术特点是采用了专门的结构设计，将CPU以及外围单元集成在一块芯片上；指令系统设计面向控制功能的要求，具有很强的控制功能。第二代单片机：以Intel的MCS-51系列为代表，技术特点是完善了外部总线；在指令系统中增加了位操作指令；并在指令系统中增加了条件和无条件跳转指令。第三代单片机：技术特点是全速发展单片机的控制功能。这一时期的综合特点是发展了非总线形单片机，尽可能将外围接口电路做在片内形成单片机系统；并推出了具有串行扩展总线的产品；以及发展了具有良好控制功能的控制网络总线。,2.1 MCS-51系列单片机概述,MCS-51系列单片机：由美国Intel公司在20世纪70年代开发，其核心技术公开给Philips,Siemens,AMD,Atmel等著名IC制造厂商，已有100多种型号的51系列单片机问世。20世纪80年代，51系列单片机在我国开始使用，目前已成为家用电器、仪器仪表、工业测控等领域使用的主流单片机。,5,2.1 MCS-51系列单片机概述,6,7,指令：由单片机芯片的设计者规定的一种数字，它与我们常用的指令助记符有着严格的一一对应关系，不可以由单片机的开发者更改。例如：MOV A,R0 机器码为11101000地址：是寻找单片机内部、外部的存储单元、输入输出口的依据。内部单元的地址值已由芯片设计者规定好，不可更改，外部的单元可以由单片机开发者自行决定，但有一些地址单元是一定要有的（详见程序的执行过程）。,【指令、地址、数据】一串0和1组成的序列,2.2 硬件结构和引脚功能,8,数据：这是由微处理机处理的对象。数据在各种不同的应用场合中表达的含义各不相同，一般而言，被处理的数据可能有这么几种情况：1常数（如MOV TH0，#10H）10H即定时常数。2地址（如MOV DPTR，#1000H），即地址1000H送入DPTR。3方式字或控制字（如MOV TMOD，#3），3即是控制字。4实际输出值（如P1口接彩灯，要灯全亮，则执行指令：MOV P1，#0FFH；要灯全暗，则执行指令：MOV P1，#00H），这里0FFH和00H都是实际输出值。又如用于LED的字形码，也是实际输出的值。,2.2 硬件结构和引脚功能,9,【总线】计算机中所有器件共同享用的连线。所有器件的数据线全部接到公用的线上，即相当于各个器件并联起来，并且分时工作。数据总线、控制总线、地址总线,2.2 硬件结构和引脚功能,2.2 硬件结构和引脚功能,2.2.1 硬件部分（8051）,10,图2.2 MCS-51单片机引脚图,（a）引脚排列,（b）逻辑符号,2.2.2 引脚功能,11,2.2 硬件结构和引脚功能,MCS-51系列单片机有40个引脚，按功能分为4类：1 电源 Vcc：+5V电源 Vss：接地端2 晶体振荡 XTAL1：晶体震荡电路的反相输入端 XTAL2：晶体震荡电路的反相输出端3 控制信号 EA/Vpp：片内、外程序存储器选择（输入信号）/编程电源（输出信号）。“0”：CPU只访问片外ROM“1”：根据指令可访问片内、外ROM 8751编程时，接21V编程电源,12,ALE/PROG：地址锁存允许（输出信号）/编程脉冲（输入信号）ALE输出为脉冲信号，其频率是振荡频率的1/6。“1”：P0口传送低8位地址（A0A7）“0”：P0口传送数据信息8751编程时，输入编程脉冲PSEN：外部程序存储器读选通信号（输出信号），低电平有效。RST/VPD：复位信号（输入信号），高电平（持续2个机器周期以上）有效。Vcc掉电时，可外接备用电源。,2.2 硬件结构和引脚功能,13,2.2 硬件结构和引脚功能,4 I/O端口P0口：在当无片外存储器时，P0口做为一个8位双向I/O端口使用。访问片外存储器时，P0口做为一个8位双向I/O端口，在ALE信号配合下，分时传送低8位地址信息和8位数据信息。,14,15,P1口：8位准双向I/O端口。准双向：当端口作为输入口时，要先向锁存器写1，才能够正确的读入引脚的信息；由于51系列复位后四个锁存器都置FF，所以一般可以直接作为双向口使用。P2口：当无片外存储器时，P2口可做为一个8位准双向I/O端口使用。在访问片外存储器时，P2口传送高8位地址信息。P3口：8位准双向I/O端口。系统扩展时，P3口各引脚具有表2.2所示的第二功能。,P0口、P2口和P3口的第二功能用法：各端口的第二功能完全是自动的，不需要用指令来转换。,读端口：也称为读锁存器，是从锁存器中读数据，进行处理，并把处理后的数据重新写入锁存器，这类指令称为“读修改写指令”。一般当目的操作数为I/O口或I/O中的一位时，为此类指令。例如：XRL P0,A读引脚：一般都是以I/O口作为源操作数。执行指令时，打开三态门，输入引脚的状态。在执行指令后，口锁存器的状态与引脚相同。但一旦给口锁存器写入某一状态后，锁存器的状态不一定同引脚的状态相一致。例如：MOV A,P0,16,图2.4 MCS-51单片机片外三总线结构图,图2.4所示为单片机系统扩展时的片外三总线结构图。地址总线AB：16位，P2口传送A8A15，P0口（锁存后）传送A0A7。数据总线DB：8位，由P0口传送D0D7。控制总线CB：由P3口的第二功能和PSEN、EA、ALE、RST组成。,17,2.3 中央处理器与存储器组织,2.3.1 中央处理器,MCS-51系列单片机的中央处理器由运算单元、控制单元和时钟电路组成。1 运算单元 由算术/逻辑运算部件ALU、暂存器1、暂存器2、累加器ACC、寄存器B、状态寄存器PSW组成。ALU：算术/逻辑运算 暂存器1、2：暂存运算的中间结果 ACC：存放参与运算的数据和运算结果 B：乘法运算存放一个乘数和积的高8位，除法运算存放除数和余数，其它指令运算时可做暂存器使用,18,2.3 中央处理器与存储器组织,PSW：状态字寄存器，存放运算结果的状态标志 CY：进位标志；位处理器C（位运算时与ACC类似）AC：辅助进位标志，主要用于2-10进制运算 FO：用户自定义标志 RS1，RS0：工作寄存器R0R7选择00 选用第0组工作寄存器（00H07H）为R0R7；01 选用第1组工作寄存器（08H0FH）为R0R7；10 选用第2组工作寄存器（10H17H）为R0R7；11 选用第3组工作寄存器（18H1FH）为R0R7。OV：溢出标志，主要用于补码运算 X：保留位 P：奇偶标志（奇校验，为1时表明结果中“1”的个数为奇数个）,19,2.3 中央处理器与存储器组织,2 控制单元 由定时控制逻辑、指令寄存器、译码器、数据地址指针寄存器DPTR、程序计数器PC组成。单片机程序执行过程：（1）根据PC，从程序存储器中取出一条指令，送入指令寄存器，PC指向下一条指令的存放地址；（2）对指令寄存器中的指令译码，产生相应的操作命令、控制信号，读取所需的操作数；（3）对操作数执行指令规定的运算，将运算结果存入指定的寄存器或存储单元，并修改PSW中的标志位；（4）返回（1），循环执行。,20,2.3 中央处理器与存储器组织,3 时钟电路与时序 时钟电路产生单片机工作所需的时序节拍。,21,2.3 中央处理器与存储器组织,振荡信号：XTAL2引脚的信号，为石英晶体或外部振荡信号，振荡频率常用6MHz、11.0592MHz或12MHz，用fosc表示，对应的周期称为振荡周期。时钟信号：时钟发生器的输出信号P1、P2，是单片机的工作时序节拍，P1控制算术逻辑运算的操作，P2控制寄存器之间的数据传输，频率为fosc/2，周期等于2倍振荡周期，称为时钟周期/状态。机器周期：由6个时钟周期（12个振荡周期，分为6个状态）组成，是指令执行的最小单位。,22,23,2.3 中央处理器与存储器组织,2.3.2 存储器组织,MCS-51单片机的存储器分为程序存储器和数据存储器两种。指令系统为不同的存储器访问提供了不同的寻址方式，可以灵活、方便、高效地实现存储器的访问操作。8051单片机有4种存储器地址空间：（1）4KB片内程序存储器（2）60KB片外程序存储器（3）128B片内数据存储器（4）64KB的片外数据存储器。存储器空间分配如图2.9所示。,24,2.3 中央处理器与存储器组织,图2.MCS-51单片机存储器组织空间配置,25,1 程序存储器 程序存储器用于存放程序代码、常数和表格，由片内存储器和片外存储器两部分组成，用16位的程序计数器PC作为其地址指针。8051单片机由16位PC和16条地址线来寻址程序存储器的，所以程序存储器最大容量为64KB。若EA引脚接高电平，则单片机根据PC中的地址值自动执行片内程序存储器(0000H-0FFFH)或片外程序存储器(1000H-FFFFH)中的程序，当EA接低电平时，单片机只能执行片外程序存储器中的程序。单片机访问片外程序存储器时，使用MOVC指令，需要ALE和PSEN信号配合。访问内部程序存储器的速度同访问外部程序存储器速度一致。,2.3 中央处理器与存储器组织,26,原则上，程序或表格常数可放置在程序存储器中的任何地方，但地址为0000H-0023H的单元有特殊安排。特殊程序存储单元：0000H：系统复位后的程序入口地址 0003H：外部中断0中断服务程序入口地址 000BH：定时/计数器0中断服务程序入口地址 0013H：外部中断1中断服务程序入口地址 001BH：定时/计数1中断服务程序入口地址 0023H：串行通信中断服务程序入口地址 常常在从这些地址开始的3个单元中各放上一条绝对跳转指令(LJMP)指令，跳转到相应的程序入口地址上。,2.3 中央处理器与存储器组织,27,2.3 中央处理器与存储器组织,2 数据存储器 数据存储器用于存放程序运行的数据以及运算结果，由片内存储器和片外存储器两部分组成。（1）片外数据存储器 片外数据存储器用16位的数据地址寄存器DPTR间接寻址，所以最大可扩展为64KB。使用MOVX指令访问外部数据存储器或外部扩展的I/O接口，需要RD和WR信号配合。（2）片内数据存储器 片内数据存储器在物理上分为两个独立的区域：RAM的低128B和高128B的特殊功能寄存器(SFR，21个)区。,28,图2.10 片内存储器地址空间,片内RAM低128B 是读写速度最快、操作最方便的数据存储器。00H1FH：4组工作寄存器R0R7单元；20H2FH：可按字节和位两种方式寻址单元；30H7FH：只能按字节方式寻址单元。,29,特殊功能寄存器 特殊功能寄存器（SFR）是用来对片内各功能模块进行管理、控制、监视的多个数据寄存器。单片机内部的I/O端口、定时器/计数器、串行口等都以特殊功能寄存器的形式表示，分布在80H-FFH的RAM地址空间范围内，特殊功能寄存器的内部RAM地址如表2.4所示（P24）。特殊功能寄存器可归纳为5类：CPU：ACC，B，PSW，DPTR（DPH和DPL），SP 并行口：P0，P1，P2，P3 串行口：SCON，SBUF，PCON 定时/计数器：TMOD，TCON，T0（TL0和TH0），T1（TL1和TH1）中断：IE，IP,2.3 中央处理器与存储器组织,30,2.3 中央处理器与存储器组织,【堆栈指针寄存器SP】用于存放堆栈的栈顶在RAM中地址，复位时(SP)=07H。堆栈是一种“先入后出”表（LIFO表），只能采用PUSH和POP指令操作堆栈。如图2.11所示。,31,【堆栈】内部RAM存放数据的区域，先进后出，后进先出，专有指令,2.4 复位方式与掉电保护,当单片机的RST引脚保持2个机器周期以上宽度的高电平（上电或通过按键方式）时，系统进入复位状态，此时片内各寄存器的初始化状态如下：,32,2.5 单片机内的其它内部资源,串行口：1个可编程、全双工的串行接口，SCON设置工作方式，通过读写SBUF（串行数据缓冲器）实现串行通信。定时/计数：2个16位可编程的定时/计数器T0、T1，使用TMOD设置工作方式，TCON控制启动、停止和中断，TH0、TL0、TH1、TL1存放定时/计数值。中断系统：5个独立的中断源（外部中断0、外部中断1、定时/计数中断0、定时/计数中断1、串行中断），2个优先级别。通过IE允许或禁止每个中断，IP设置优先级别。,33,34,