系列单片机的结构及原理.ppt
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1、第2章MCS-51系列单片机的结构及原理,教学目标:介绍MCS51系列单片机的内部结构与外部引脚功能 介绍MCS51系列单片机输入输出端口的结构与功能 介绍MCS51系列单片机的存储器组织 介绍MCS51系列单片机的时序 学习要求:掌握MCS51系列单片机的内部结构与外部引脚功能 掌握MCS51系列单片机存储器的构成与编址方法 掌握输入输出端口的功能,了解输入输出端口的结构 掌握振荡电路与复位电路的构成,了解单片机的CPU时序,2.1 MCS-51系列单片机 的结构与引脚功能,MCS-51系列单片机是美国Intel公司在1980年推出的8位单片 微型计算机,包含51和52两个子系列。51子系列
2、的典型产品有8031,8051和8751三种机型 52子系列包括8032,8052二种主要机型 MCS-51系列单片机的结构框图见图2-1。,MCS-51系列单片机的结构框图见图2-1。51子系列的配置如下:(1)8位CPU;(2)振荡频率1.212MHZ;(3)128个字节的片内数据存储器(片内RAM);(4)21个专用寄存器;(5)4KB的片内程序存储器(8031无);(6)8位并行I/O口P0,P1,P2,P3;(7)一个全双工串行I/O口;(8)2个16位定时器/计数器;(9)5个中断源,分为2个优先级;2,图2-1 MCS-51系列单片机的结构框图,图2-1 MCS51系列单片机的引
3、脚功能,主电源引脚 Vss、Vcc 外接晶振引脚 XTAL1、XTAL2 输入/输出引脚 P0、P1、P2、P3 P0.0P0.7:P0口的8个引脚,P0口是8位漏极开路型双向I/0端口,在接有片外存储器或I/0扩展接口时,P0.0P0.7分时复用,作低8位地址总线与双向8位数据总线 P1.0P1.7:P1口的8个引脚,P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,对于52子系列,P1.0还可用于定时器/计数器2的计数脉冲输入端2,1.1还可作定时器/计数器2的外部控制端T2EX。P2.0P2.7:P2口的8个引脚,P2口也是一个带内部上拉电阻的双向I/O口,在访问片外存储器或扩展I/O接口时
4、,还用于提供高8位地址。P3.0P3.7:P3口的8个引脚,P3口也是一个带上拉电阻的I/O口,除可以作双向的输入输出口外,还具有第2功能,见表2.1,表 P3口第二功能表,(,控制线(4条):ALE/PROG:双功能引脚。由于P0口的8个引脚是低8位地址总线与数据总线分时复用,因此必须将P0口输出的低8位地址进行锁存。在访问片外存储器时,每机器周期该信号出现2次。其下降沿用于控制锁存P0口输出的低8 位地址。即使不访问片外存储器,该引脚上仍出现上述频率的周期性信号,因此也可作为对外输出的时钟脉冲,频率为振荡器频率的1/6,必须注意的是:在访问片内外存储器时,ALE脉冲会跳空1个。对片内含有E
5、PROM的机型,此引脚在编程时可作为编程脉冲PROG的输入端。PSEN:片外程序存储器读选通信号输出端,在CPU从片外程序存储器取指期间,此信号每个机器周期两次有效,以通过P0口读入指令,在访问片外数据存储器时,该信号不出现。,EA/Vpp:双功能引脚,为片外程序存储器选用端。当该引脚信号有效时,选择片外程序存储器,即EA/Vpp=1时,访问片内程序存储器。对片内含有EPROM的机型,此引脚在编程期间用于施加+21v的编程电压。RST/VPO:双功能引脚,在单片机工作期间,当此引脚上出现连接2个机器周期的高电平时可实现复位操作,详见2.4节。在Vcc掉电期间,若该引脚接备用电源(+5v),可向
6、片内RAM供电,以保存片内RAM中的信息。,运算器由算逻运算单元ALU、累加器A、B寄存器、暂存器1、暂存器2、及程序状态字PSW构成。程序状态字PSW是1个8位的专用寄存器,用于存放程序运行中的各种状态信息,可进行位寻址,PSW的各位定义见图23。D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0图2-1的虚框部分为微处理器,又分为控制器、运算器。控制器由指令寄存器、指令译码器、定时控制部分组成,可根据不同的指令产生相应的控制信号,使各部分协调工作,完成指令所规定的功能。图23 程序状态字各位的含义,2.2 MCS51系列单片机的微处理器与CPU时序,(1)进位标志C(PSW.7);很多算术逻辑
7、运算指令执行 后都会影响进位标志C。例如加减运算,若运算结果有进位或借位,则C=1,若无,则C=0。可用专门的指令或硬件将C置位或清零,在进行位操作时,C又起着位累加器的作用,类似于累加器A。(2)辅助进位标志AC(PSW.6):做加减运算时,若低半字节有进位(借位),则AC=1,否则AC=0,辅助进位标志主要用于BCD运算调整时。(3)软件标志FO(PSW.5):这是可由用户定义的一个状态标志,可由用户置位或复位。F1的定义与F0相同。,(4)工作寄存器组选择位RS1、RS0(PSW.4,PSW.3):RS1、RS0与工作寄存器组的对应关系如下:RS1RS0工作寄存器组 片内RAM地址 0
8、0 第0组 00H07H 0 1 第1组 08H0FH 1 0 第2组 10H17H 1 1 第3组 18H1FH 单片机上电复位后,RS1RS0=00,此时第0组的8个工作寄存器为当前工作寄存器组。,(5)溢出标志OV(PSW.2):当运算结果超出机器所能表示的范围时称溢出。OV是带符号数运算的溢出标志,如发生溢出,则OV=1;否则OV=0。,(6)奇偶标志P(PSW.0):P反映执行指令后累加器A中1的个数的奇偶,若A中1的个数为奇数,则P=1,若 A中1的个数为偶数,则P=0。,程序状态字可反映运算结果的状态,下面以加法指令为例进行说明。例:分析执行下列指令序列后,A、C、AC、OV、P
9、的内容是什么?MOV A,#79H ADD A,#58H 该指令序列的功能是将79H+58HA。计算过程如下:(79H)01111001+(58H)01011000(D1H)11010001指令执行后,A=D1H最高位无进位,故=0;低半字节有进位,AC=1;OV=0 1=1,发生溢出;A中1的个数为偶数,故P=0。,CPU时序,一振荡器 CPU执行指令的一系列动作是在时序电路的控制下一拍一拍进行的。其节拍信号由振荡器产生,MCS-51系列单片机的内部有一个高增益的反相放大器。外接晶体后可构成自激振荡器产生节拍信号,接法见图2-1,也可使用片外振荡器,采用不同工艺制造的单片机芯片接法不同:。,
10、二、时钟周期,机器周期、指令周期 振荡器输出的振荡脉冲经2分频后作为内部节拍信号,作单片机内部各部件协调工作的控制信号,其周期称为时钟周期。计算机一条指令的执行分几个阶段,每一阶段完成一项规定的操作,完成某一规定操作所需的时间称为一个机器周期。对MCS51系列单片机,6个时钟周期构成一个机器周期。CPU执行一条指令所需的时间为指令周期。指令周期以机器周期为单位,MCS51系列单片机的指令多为单周期、双周期指令,只有乘除指令为4周期指令,若用12MHZ晶振,则单周期指令、双周期指令的执行时间分别为1s和2s,而乘除指令则需4s三、CPU时序 MCS51系列单片机的一个机器周期包含6个时钟周期。我
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