第2章 MCS51单片机结构与时序.ppt

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1、第二章 MCS-51单片机结构与时序,2.1 MCS-51系列单片机简介2.2 MCS-51系列单片机内部结构与外部引脚说明2.3 微处理器2.4 存储器2.5 复位状态及复位电路,2.1 MCS-51系列单片机简介,MCS-51系列单片机已有十多种产品，可分为两大系列：51子系列和52子系列。51子系列主要有8031、8051、8751三种机型。它们的指令系统与芯片引脚完全兼容。从表1.1中可以看出，它们的差别仅在于片内有无ROM或EPROM。52子系列主要有8032、8052、8752三种机型。从表1.1中可以看出，52子系列与51子系列的不同之处在于：片内数据存储器增至256字节；片内程

2、序存储器增至8 KB(8032无)；有3个16位定时/计数器，6个中断源。其它性能均与51子系列相同。,第二章 单片机结构和时序,2.2 MCS-51系列单片机内部结构与外部引脚说明,2.2.1 内部结构框图,MCS-51单片机组成结构中包含CPU（运算器、控制器）、片内存储器、4个I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统、振荡器等功能部件。,第二章 单片机结构和时序,图2.1 MCS-51单片机内部结构框图,第二章 单片机结构和时序,2.2.2 外部引脚说明,1主电源引脚 VCC(40脚)：接+5 V电源正端。VSS(20脚)：接+5 V电源地端。2外接晶体引脚 XTAL1(19脚)：接外

3、部石英晶体的一端。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，该引脚接地；对于CHMOS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。,第二章 单片机结构和时序,图2.2 MCS-51系列单片机引脚及总线结构,第二章 单片机结构和时序,3输入/输出引脚(1)P0口(3932脚)：P0.0P0.7统称为P0口。在不接片外存储器与不扩展I/O口时，可作为准双向输入/输出口。在接有片外存储器或扩展I/O口时，P0口分时复用为低8位地址总线和双向数据总线。(2)P1口(18脚)：P1.0P1.7统称为P1口，可作为准双向I/O口使用。对于52子

4、系列，P1.0与P1.1还有第二功能：P1.0可用作定时器/计数器2的计数脉冲输入端T2，P1.1可用作定时器/计数器2的外部控制端T2EX。,第二章 单片机结构和时序,(3)P2口(2128脚)：P2.0P2.7统称为P2口，一般可作为准双向I/O口使用；在接有片外存储器或扩展I/O口且寻址范围超过256字节时，P2口用作高8位地址总线。(4)P3口(1017脚)：P3.0P3.7统称为P3口。除作为准双向I/O口使用外，还可以将每一位用于第二功能，而且P3口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能。,第二章 单片机结构和时序,表 P3口第二功能表,第二章 单片机结构和时序,第

5、二章 单片机结构和时序,第二章 单片机结构和时序,2.3 微 处 理 器,2.3.1 运算部件 运算部件以算术逻辑单元ALU为核心，包括累加器ACC、寄存器B、暂存器、程序状态字PSW等许多部件。它能实现数据的算术逻辑运算、位变量处理和数据传输操作。,第二章 单片机结构和时序,1算术逻辑单元ALU与累加器ACC、寄存器B 算术逻辑单元不仅能完成8位二进制的加、减、乘、除、加1、减1及BCD加法的十进制调整等算术运算，还能对8位变量进行逻辑与、或、异或、循环移位、求补、清零等逻辑运算，并具有数据传输、程序转移等功能。累加器(ACC,简称累加器A)为一个8位寄存器，它是CPU中使用最频繁的寄存器。

6、进入ALU作算术和逻辑运算的操作数多来自于A，运算结果也常送回A保存。寄存器B是为ALU进行乘除法运算而设置的。若不作乘除运算时，则可作为通用寄存器使用。,第二章 单片机结构和时序,2程序状态字 程序状态字PSW是一个8位的标志寄存器，它保存指令执行结果的特征信息，以供程序查询和判别。其各位的定义如下：,进位标志位C(PSW.7)：在执行某些算术操作类、逻辑操作类指令时，可被硬件或软件置位或清零。它表示运算结果是否有进位或借位。如果在最高位有进位(加法时)或有借位(减法时)，则C=1，否则C=0。,第二章 单片机结构和时序,辅助进位(或称半进位)标志位AC(PSW.6)：它表示两个8位数运算，

7、低4位有无进(借)位的状况。当低4位相加(或相减)时，若D3位向D4位有进位(或借位)，则AC=1，否则AC=0。在BCD码运算的十进制调整中要用到该标志。用户自定义标志位F0(PSW.5)：用户可根据自己的需要对F0赋予一定的含义，通过软件置位或清零，并根据F0=1或0来决定程序的执行方式，或反映系统某一种工作状态。,第二章 单片机结构和时序,工作寄存器组选择位RS1、RS0(PSW.4、PSW.3)：可用软件置位或清零，用于选定当前使用的4个工作寄存器组中的某一组(详见第2.4节)。溢出标志位OV(PSW.2)：做加法或减法时，由硬件置位或清零，以指示运算结果是否溢出。OV=1反映运算结果

8、超出了累加器的数值范围(无符号数的范围为0255，以补码形式表示一个有符号数的范围为-128+127)。进行无符号数的加法或减法时,OV的值与进位位C的值相同；进行有符号数的加法时，如最高位、次高位之一有进位，或做减法时，如最高位、次高位之一有借位，OV被置位，即OV的值为最高位和次高位的异或(C7C6)。,第二章 单片机结构和时序,执行乘法指令MUL AB也会影响OV标志，积255时OV=1，否则OV=0。执行除法指令DIV AB 也会影响OV标志，如B中所放除数为0，OV=1,否则 OV=0。奇偶标志位P(PSW.0)：在执行指令后，单片机根据累加器A中1的个数的奇偶自动给该标志置位或清零

9、。若A中1的个数为奇数，则P=1，否则P=0。该标志对串行通信的数据传输非常有用，通过奇偶校验可检验传输的可靠性。,第二章 单片机结构和时序,3布尔处理机 布尔处理机(即位处理)是MCS-51单片机ALU所具有的一种功能。单片机指令系统中的位处理指令集(17条位操作指令)，存储器中的位地址空间，以及借用程序状态寄存器PSW中的进位标志CY作为位操作累加器，构成了MCS-51单片机内的布尔处理机。它可对直接寻址的位(bit)变量进行位处理，如置位、清零、取反、测试转移以及逻辑与、或等位操作，使用户在编程时可以利用指令完成原来单凭复杂的硬件逻辑所完成的功能，并可方便地设置标志等。,第二章 单片机结

10、构和时序,4.程序计数器PC（Program Counter）PC用于存放CPU下一条要执行的指令地址,是一个 16 位的专用寄存器,可寻址范围是0000H0FFFFH共 64 KB。程序中的每条指令存放在ROM区的某一单元,并都有自己的存放地址。CPU 要执行哪条指令时,就把该条指令所在的单元的地址送上地址总线。在顺序执行程序中,当PC的内容被送到地址总线后,会自动加 1,即(PC)(PC)+1,又指向CPU 下一条要执行的指令地址。,第二章 单片机结构和时序,5.堆栈指针SP（Stack Pointer）堆栈操作是在内存RAM区专门开辟出来的按照“先进后出”原则进行数据存取的一种工作方式,

11、主要用于子程序调用及返回和中断处理断点的保护及返回,它在完成子程序嵌套和多重中断处理中是必不可少的。为保证逐级正确返回,进入栈区的“断点”数据应遵循“先进后出”的原则。SP用来指示堆栈所处的位置,在进行操作之前,先用指令给SP赋值,以规定栈区在RAM区的起始地址（栈底层）。当数据推入栈区后,SP的值也自动随之变化。MCS-51 系统复位后,SP初始化为07H。,第二章 单片机结构和时序,6.数据指针寄存器DPTR 数据指针DPTR是一个 16 位的专用寄存器,其高位字节寄存器用DPH表示,低位字节寄存器用DPL表示。既可作为一个 16 位寄存器DPTR来处理,也可作为两个独立的 8 位寄存器D

12、PH和DPL来处理。DPTR 主要用来存放 16 位地址,当对 64 KB外部数据存储器空间寻址时,作为间址寄存器用。在访问程序存储器时,用作基址寄存器。,第二章 单片机结构和时序,7.指令寄存器和指令译码器 指令寄存器中存放指令代码。CPU执行指令时,由程序存储器中读取的指令代码送入指令存储器,经译码器译码后由定时与控制电路发出相应的控制信号,完成指令所指定的操作。,第二章 单片机结构和时序,第二章 单片机结构和时序,单片机时钟电路（a）内部时钟电路；（b）外部振荡源,第二章 单片机结构和时序,时钟产生方式,80C51的时钟信号,1个机器周期：12个晶荡周期（或6个时钟周期）,指令的执行时间

13、称作指令周期（单、双、四周期）,2.MCS-51 指令的取指/执行时序,图MCS-51 单片机取指/执行时序,第二章 单片机结构和时序,3.访问外部ROM和RAM的时序,图 2.4 读外部程序ROM时序,第二章 单片机结构和时序,图 2-5 读外部数据RAM时序,第二章 单片机结构和时序,图 2.6 写外部数据RAM的时序,第二章 单片机结构和时序,2.4 80C51的存储器组织,80C51存储器可以分成两大类：,RAM，CPU在运行时能随时进行数据的写入和读出，但在关闭电源时，其所存储的信息将丢失。用来存放暂时性的输入输出数据、运算的中间结果或用作堆栈。,ROM，写入信息后不易改写的存储器。

14、断电后，其中的信息保留不变。用来存放固定的程序或数据，如系统监控程序、常数表格等。,2.4.1 80C51单片机的程序存储器配置,片内与片外程序存储器的选择,程序存储器低端的几个特殊单元,程序存储器中的指令代码及其观察,2.4.2 80C51单片机数据存储器配置,片内、片外数据存储器概况,片内RAM及SFR 片外RAM,工作寄存器区（含寄存器组0 3）,寄存器组0：地址00H07H 寄存器组1：地址08H0FH 寄存器组2：地址10H17H 寄存器组3：地址18H1FH,当前工作寄存器组选择,PSW寄存器中：,片内RAM详图,位寻址区,通用RAM区,30H7FH，共80字节,数据缓冲 堆栈 S

15、P指示栈顶 复位时SP=07H 系统初始化通常重新设置,RAM内容查看,2.4.3 80C51单片机的特殊功能寄存器（SFR）,基本型单片机有21个SFR离散地分布在80HFFH空间。,与运算器相关3个 ACC B PSW,与定时/计数器相关6个 TH0,TL0 TH1,TL1 TMOD TCON,指针类3个 SP DPH,DPL,与口相关7个 P0,P1,P2,P3 SBUF SCON PCON,与中断相关2个 IE IP,2.5 复位状态及复位电路,2.5.1 复位状态 MCS-51系列单片机的复位引脚RST上只要出现10 ms以上的高电平，单片机就实现复位。,第二章 单片机结构和时序,(

16、PSW)=00H，由于RS1(PSW.4)=0，RS0(PSW.3)=0，复位后单片机选择工作寄存器0组。(SP)=07H，复位后堆栈在片内RAM的08H单元处建立。TH1、TL1、TH0、TL0的内容为00H，定时器/计数器的初值为0。(TMOD)=00H，复位后定时器/计数器T0、T1为定时器方式0，非门控方式。(TCON)=00H，复位后定时器/计数器T0、T1停止工作，外部中断0、1为电平触发方式。,第二章 单片机结构和时序,(T2CON)=00H，复位后定时器/计数器T2停止工作。(SCON)=00H，复位后串行口工作在移位寄存器方式，且禁止串行口接收。(IE)=00H，复位后屏蔽所

17、有中断。(IP)=00H，复位后所有中断源都设置为低优先级。P0P3口锁存器都是全1状态，说明复位后4个并行接口设置为输入口。,第二章 单片机结构和时序,表2.6 MCS-51单片机复位状态表,第二章 单片机结构和时序,2.9.2 复位电路 与其它计算机一样，MCS-51单片机系统常常有上电复位和按钮复位两种方法。上电复位，是指计算机加电瞬间，要在RST引脚上出现大于10 ms的正脉冲，使单片机进入复位状态。按钮复位是指用户按下复位按钮，使单片机进入复位状态。,第二章 单片机结构和时序,2.复位电路,图 2.11 单片机复位电路（a）上电复位电路；(b)开关复位电路,复位电路,第二章 单片机结构和时序,