片机原理与C51编程课件第二章单片机硬件结构和原理.ppt

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1、,第二章 MCS-51 单片机的硬件结构,2.1 MCS-51单片机的内部结构2.2 MCS-51单片机的引脚功能、时钟电路、复位电路 2.3 MCS-51I/0端口结构2.4 MCS-51单片机的存储器结构,2.1 MCS-51 单片机的硬件结构,8 位的 CPU，片内有振荡器和时钟电路,工作频率为(Atmel 89Cxx为024MHz）片内有 128/256字节 RAM片内有 0K/4K/8K字节 程序存储器ROM可寻址片外 64K字节 数据存储器RAM可寻址片外 64K字节 程序存储器ROM片内 21/26个 特殊功能寄存器（SFR）4个8位 的并行I/O口（PIO）1个 全双工串行口（

2、SIO/UART）2/3个16位 定时器/计数器（TIMER/COUNTER）可处理 5/6个中断源，两级中断优先级内置1个布尔处理器和1个布尔累加器（Cy）MCS-51指令集含 111条指令（指汇编语言）,2.1 MCS-51 单片机的硬件结构,2.1 MCS-51 单片机的硬件结构,内部结构框图,2.1 MCS-51 单片机的硬件结构,按功能可分成8个部件，通过片内单一总线连接起来.控制方式：SFR对各功能部件集中控制,1.微处理器,2.数据存储器,3.程序存储器,4.I/O口,5.串行口,6.定时/计数器,7.中断系统,8.特殊功能寄存器,片内总线,2.1 MCS-51 单片机的硬件结构

3、,各功能部件：1.CPU（微处理器）2.数据存储器（RAM）片内为128个字节（52子系列的为256个字节）3.程序存储器（ROM/EPROM）8031:无此部件；8051:4K字节ROM；8751:4K字节EPROM；89C51/89C52/89C55:4K/8K/20K 字节闪存。,2.1 MCS-51 单片机的硬件结构,4.P1口、P2口、P3口、P0口：为4个并行8位I/O口。5.串行口 1个全双工的异步串行口6.定时器/计数器7.中断系统 8.特殊功能寄存器（SFR）共有21个，是一个具有特殊功能的RAM区。,2.2 MCS-51 单片机的引脚功能,MCS-51单片机 40脚Vcc,

4、GND 2XTAL1,XTAL2 2RESET 1EA/Vpp 1ALE/PROG 1PSEN 1,P0.0P0.7 8 P1.0P1.7 8 P2.0P2.7 8 P3.0P3.7 8,2.2 MCS-51 单片机的引脚功能,控制引脚,并行I/O口引脚,电源及时钟引脚,引脚逻辑图8051单片机为40条引脚双列直插式封装引脚可分为三个部分,2.2 MCS-51 单片机的引脚功能,电源和地（Vcc,GND）:正电源端与接地端（+5V/3.3V/2.7V)不同的单片机可以允许不同的工作电压，不同的单片机表现出的功耗也不同。实验用5#电池4节串接供电。,晶振（XTAL1,XTAL2）:片内振荡电路输

5、入/输出端。,1、电源及时钟引脚,2.2 MCS-51 单片机的引脚功能,电容：1545pf常取20pf或30pf,112MHz（MCS-51）024MHz（Atmel89C）实验取12MHz,XTAL1,XTAL2,也可以由 XTAL1端接入外部时钟，此时应将 XTAL2接地。,外部时钟,通常外接一个晶振两个电容,时钟电路,2.2 MCS-51 单片机的引脚功能,CPU总是按照一定的时钟节拍与时序工作：,振荡周期/时钟周期：Tc=晶振频率fosc（或外加频率）的倒数状态周期：Ts=2个时钟周期(Tc)（很少用到此概念）机器周期：Tm=6个状态周期(Ts)=12个振荡周期(Tc)指令周期:Ti

6、:执行一条指令所需的机器周期(Tm)数,牢牢记住：振荡周期=晶振频率fosc的倒数；,1个机器周期=12个振荡周期；,1个指令周期=1、2、4个机器周期,2.2 MCS-51 单片机的引脚功能,CPU总是按照一定的时钟节拍与时序工作：,振荡周期/时钟周期：Tc=晶振频率fosc（或外加频率）的倒数状态周期：Ts=2个时钟周期(Tc)（很少用到此概念）机器周期：Tm=6个状态周期(Ts)=12个振荡周期(Tc)指令周期:Ti:执行一条指令所需的机器周期(Tm)数,牢牢记住：振荡周期=晶振频率fosc的倒数；,1个机器周期=12个振荡周期；,1个指令周期=1、2、4个机器周期,2.2 MCS-51

7、 单片机的引脚功能,一个机器周期又分为6个状态：S1S6。每个状态又分为两拍：P1和P2。因此，一个机器周期中的12个时钟周期表示为：S1P1、S1P2、S2P1、S2P2、S6P2。,2.2 MCS-51 单片机的引脚功能,指令周期执行一条指令时，可分为取指令阶段和指令执行阶段。取指令阶段，PC中地址送到程序存储器，并从中取出需要执行指令的操作码和操作数。指令执行阶段，对指令操作码进行译码，以产生一系列控制信号完成指令的执行。ALE信号是为地址锁存而定义的，以时钟脉冲1/6的频率出现，在一个机器周期中，ALE信号两次有效（注意，在执行访问外部数据存储器的指令时，将会丢失一个ALE脉冲）,2.

8、2 MCS-51 单片机的引脚功能,RESET:复位端（正脉冲有效，宽度8 mS），复位使单片机进入某种确定的初始状态：,PC值归零（0000H）；各个SFR被赋予初始值；（如：P0P3=0FFH，Acc=0，B=0，TH0=0，TL0=0，TH1=0，TL0=0，SP=7，PSW=0 退出处于节电工作方式的停顿状态、退出一切程序进程、退出程序的死循环，从头开始。,2、控制引脚,2.2 MCS-51 单片机的引脚功能,单片机复位状态表,2.2 MCS-51 单片机的引脚功能,+5V,10uF,10K,Vcc,RST,GND,上电复位电路,10uF,10K,Vcc,RST,GND,手动&上电复位

9、,1K,+5V,单片机电路,2.2 MCS-51 单片机的引脚功能,EA/Vpp:EA为内外程序存储器选择控制，EA=1，访问片内程序存储器，EA=0，单片机则只访问外部程序存储器。第二功能VPP，用于施加编程电压。ALE/PROG:地址锁存允许/编程脉冲输入端。P0口寻址外部低8位地址时接外部锁存器（74HC373/74HC273)；ALE端平时会输出周期正脉冲：f fosc/6；第二功能PROG:对片内ROM编程时编程脉冲由此端加入。,2.2 MCS-51 单片机的引脚功能,PSEN：寻址外部程序存储器时选通外部EPROM的读控制端（OE）低有效。,单片机,锁存器74LS373,ALE,P

10、SEN,8D,8Q,OE,A8-A12,A0-A7,D0-D7,G,EA,OE,CE,EPROM,2.2 MCS-51 单片机的引脚功能,P0口：双向8位三态I/O口，地址总线（低8位）及数据总线分时复用口，可驱动8个LS型TTL负载。P1口：8位准双向I/O口，可驱动4个LS型TTL负载。P2口：8位准双向I/O口，与地址总线（高8位）复用，可驱动4个LS型TTL负载。P3口：8位准双向I/O口，双功能复用口，可驱动4个LS型TTL负载。注意:准双向口与双向三态口的差别。当3个准双向I/O口作输入口使用时，要向该口先写“1”，另外准双向I/O口无高阻的“浮空”状态。,3、I/O口引脚,2.3

11、 MCS-51 单片机I/O端口结构,单片机的引脚（P1口）,P1.0P1.7:准双向I/O口（内置了上拉电阻）。输出时一切照常，仅在作输入口用时要先对其写“1”。,2,1,D,Q,CK,/Q,读引脚,读锁存器,写锁存器,内部总线,Vcc,引脚P1.X,内部上拉电阻,2.3 MCS-51 单片机I/O端口结构,单片机的引脚（P1口）,P1.0P1.7:准双向I/O口（内置了上拉电阻）。输出时一切照常，仅在作输入口用时要先对其写“1”。,2.3 MCS-51 单片机I/O端口结构,单片机的引脚（P1口）,P1.0P1.7:准双向I/O口（内置了上拉电阻）。输出时一切照常，仅在作输入口用时要先对其

12、写“1”。,2.3 MCS-51 单片机I/O端口结构,单片机的引脚（P1口）,P1.0P1.7:准双向I/O口（内置了上拉电阻）。输出时一切照常，仅在作输入口用时要先对其写“1”。,输入数据时，要先对其写“1”,2.3 MCS-51 单片机I/O端口结构,单片机的引脚（P0口）,P0.0P0.7:双向I/O（内置场效应管上拉），寻址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。,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,引脚P0.X,3,4,Vcc,2.3 MCS-51 单片机I/O端

13、口结构,单片机的引脚（P0口）,P0.0P0.7:双向I/O（内置场效应管上拉），寻址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。,2,1,D,Q,CK,/Q,读锁存器,写锁存器,内部总线,地址/数据,控制,引脚P0.X,3,4,Vcc,控制=0 时，此脚作I/O输入口（事先必须对它写“1”）,读引脚=1,控制,0,0,1,0,0,截止,截止,=0,2.3 MCS-51 单片机I/O端口结构,单片机的引脚（P0口）,P0.0P0.7:双向I/O（内置场效应管上拉），寻址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

14、口；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,读锁存器,写锁存器,内部总线,地址/数据,控制,引脚P0.X,3,4,Vcc,控制=1 时，此脚作地址/数据复用口:（1)输出地址/数据=0 时,读引脚=0,控制,0,截止,=1,1,1,1,=0,导通,=0,2.3 MCS-51 单片机I/O端口结构,单片机的引脚（P0口）,P0.0P0.7:双向I/O（内置场效应管上拉），寻址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。,2,1,D,Q,CK,/Q,读锁存器,写锁存器,内部总线,地址/数据,

15、控制,引脚P0.X,3,4,Vcc,控制=1 时，此脚作地址/数据复用口:（2)输出地址/数据=1 时,读引脚=0,控制,1,导通,=1,1,0,0,=1,截止,=1,2.3 MCS-51 单片机I/O端口结构,单片机的引脚（P0口）,P0.0P0.7:双向I/O（内置场效应管上拉），寻址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。,2,1,D,Q,CK,/Q,读锁存器,写锁存器,内部总线,地址/数据,控制,引脚P0.X,3,4,Vcc,控制=1 时，此脚作地址/数据复用口:（3)输入数据时，输入指令将使引脚与内部总线直通,读

16、引脚=1,控制,=1,=1,单片机的引脚（P2口）,P2.0P2.7:双向I/O（内置了上拉电阻）,寻址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。,2.3 MCS-51 单片机I/O端口结构,单片机的引脚（P3口）,P3.0P3.7:双功能口（内置了上拉电阻）,它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。,2.3 MCS-51 单片机I/O端口结构,51单片机的8个特殊引脚,Vcc,GND:电源端XTAL1,XTAL2:片内振荡电路输入、输出端RESET:复位端 正脉冲有效（宽度8 mS）EA/Vpp:寻址外部ROM控制端

17、。低有效 片内有ROM时应当接高电平。ALE/PROG:地址锁存允许控制端。PSEN：选通外部ROM的读(OE)控制端。低有效,小结,2.3 MCS-51 单片机I/O端口结构,51单片机的4个8位的I/O口,P0.0P0.7:8位数据口和输出低8位地址复用口(复用时是双向口；不复用时也是准双向口)P1.0P1.7:通用I/O口（准双向口）,P2.0P2.7:输出高8位地址（用于寻址时是输出口；不寻址时是准双向口）P3.0P3.7:具有特定的第二功能（准双向口）,注意：在不外扩ROM/RAM时，P0P3均可作通用I/O口使用，而且都是准双向I/O口(例如:AT89C51)！,小结,2.3 MC

18、S-51 单片机I/O端口结构,P3口第二功能表,小结,2.3 MCS-51 单片机I/O端口结构,数据存储器RAM（Random Access Memory）程序存储器ROM（Read Only Memory）闪速存储器Flash MemoryEPROM（UV）Erazible Programmable ROME2PROMElectrical Erasable Programmable ROM静态存储器 SRAMStatic RAM动态存储器 DRAMDynamic RAM）按字节寻址：每个字节(8个位)占一个地址按位寻址：有的存储器每一个位就有一个地址,单片机的存储器几个有关的概念：,2.

19、4 MCS-51单片机的存储器结构,2.4 MCS-51单片机存储器结构,1、89C51单片机存储器配置,片内RAM 128字节（00H7FH）；片内RAM前32个单元是工作寄存器区(00H1FH)片内RAM有128个可按位寻址的位，占16个单元。位地址编号为：00H7FH，分布在20H2FH单元片内21个特殊功能寄存器(SFR)中：地址号能被8整除的SFR中的各位也可按位寻址可寻址片外RAM 64K字节（0000HFFFFH）可寻址片外ROM 64K字节（0000HFFFFH）片内 Flash ROM 4K字节（0000H0FFFH）,2、存储器配置（片内RAM）,片内RAM 128字节（0

20、0H7FH）,00H,20H,2FH,7FH,1FH,30H,80H,FFH,52子系列才有的RAM区,普通RAM区,位寻址区,工作寄存器区,SFR分布在80H-FFH，其中92个位可位寻址,80H,FFH,所有的RAM区(包括位寻址区、工作寄存器区）都可以用于存放数据，故也称为数据缓存寄存器,89C51 128字节,2.4 MCS-51单片机存储器结构,片内RAM前32个单元是工作寄存器区(00H1FH),00H,20H,2FH,7FH,1FH,30H,80H,FFH,52子系列才有的RAM区,普通RAM区,位寻址区,工作寄存器区,2、存储器配置（片内RAM）,2.4 MCS-51单片机存储

21、器结构,00H,20H,2FH,7FH,1FH,30H,80H,FFH,52子系列才有的RAM区,普通RAM区,位寻址区,工作寄存器区,R0,R2,R1,R3,R4,R5,R6,R7,07H,02H,01H,00H,06H,04H,05H,03H,08H,1FH,工作寄存器区3,工作寄存器区2,工作寄存器区1,工作寄存器区0,0FH,10H,17H,18H,片内RAM前32个单元是工作寄存器区(00H1FH),2、存储器配置（片内RAM）,2.4 MCS-51单片机存储器结构,00H,20H,2FH,7FH,1FH,30H,80H,FFH,52子系列才有的RAM区,普通RAM区,位寻址区,工作

22、寄存器区,片内RAM中有128个可按位寻址的位。位地址:00H7FH；分布在:20H2FH单元,2、存储器配置（片内RAM）,2.4 MCS-51单片机存储器结构,00H,20H,2FH,7FH,1FH,30H,80H,FFH,52子系列才有的RAM区,普通RAM区,位寻址区,工作寄存器区,片内RAM中有128个可按位寻址的位。位地址:00H7FH；分布在:20H2FH单元,2、存储器配置（片内RAM）,2.4 MCS-51单片机存储器结构,27H,22H,21H,20H,26H,24H,25H,23H,28H,2FH,单元地址,07 06 05 04 03 02 01 00,0F 0E 0D

23、 0C 0B 0A 09 08,17 16 15 14 13 12 11 10,1F 1E 1D 1C 1B 1A 19 18,27 26 25 24 23 22 21 20,2F 2E 2D 2C 2B 2A 29 28,37 36 35 34 33 32 31 30,3F 3E 3D 3C 3B 3A 39 38,47 46 45 44 43 42 41 40,7F 7E 7D 7C 7B 7A 79 78,位地址,总共128个可按位寻址的位,可寻址片外RAM 64K字节（0000HFFFFH）；可寻址片外ROM 64K字节（0000HFFFFH）；片内 Flash ROM 4K字节（00

24、0H FFFH）；,FFFFH,0000H,可寻址片外RAM,64K字节,FFFFH,0000H,可寻址片外ROM,64K字节,0FFFH,0000H,可寻址片内 Flash ROM,4K 字节,89C51,7FH,00H,片内 RAM,128字节,FFH,80H,2.4 MCS-51单片机存储器结构,堆栈：在片内RAM中，常常要指定一个专门的区域来存放某些特别的数据,它遵循顺序存取和后进先出(LIFO/FILO）的原则,这个RAM区叫堆栈。,功用：1）子程序调用和中断服务时CPU自动将当前PC 值压栈保存，返回时自动将PC值弹栈。2）保护现场/恢复现场3）数据传输,2.4 MCS-51单片机

25、存储器结构,00H,20H,2FH,7FH,1FH,30H,80H,FFH,52子系列才有的RAM区,普通RAM区,位寻址区,工作寄存器区,SP栈顶,下一个进栈的数据将存在此,数据进栈,已经进栈的数据存放在此,初始 SP,复位后 SP=07H，数据进栈时：首先SP+1指向08H单元，第一个放进堆栈的数据将放进08H单元，然后SP再自动增 1，仍指着栈顶,堆栈区由特殊功能寄存器堆栈指针SP管理。堆栈区可以安排在 RAM区任意位置，一般不安排在工作寄存器区和可按位寻址的RAM区，通常放在RAM区的靠后的位置。,2.4 MCS-51单片机存储器结构,00H,20H,2FH,7FH,1FH,30H,8

26、0H,FFH,52子系列才有的RAM区,普通RAM区,位寻址区,工作寄存器区,SP栈顶,初始 SP,从堆栈取出数据时：取出的数据是最近放进去的一个数据，也就是当前栈顶的数据。然后SP再自动减1，仍指着栈顶,堆栈区由特殊功能寄存器堆栈指针SP管理。堆栈区可以安排在 RAM区任意位置，一般不安排在工作寄存器区和可按位寻址的RAM区，通常放在RAM区的靠后的位置。,2.4 MCS-51单片机存储器结构,数据出栈,当前要出栈的数据,SP-1指向下一个将要出栈的数据,程序计数器PC（Program Counter）PC 不是一个特殊功能寄存器SFR，但其作用又十分重要和特殊!,特点：它是16位的按机器周

27、期自动增1计数器；总指向下一条指令所在首地址(当前PC值)；一切分支/跳转/调用/中断/复位 等操作的本质就是:改变 PC 值,2.4 MCS-51单片机存储器结构,3、89C51特殊功能寄存器(SFR),特殊功能寄存器SFR（专用寄存器）专用于控制、选择、管理、存放单片机内部各部分的工作方式、条件、状态、结果的寄存器。,不同的SFR管理不同的硬件模块，负责不同的功能各司其职。换言之：要让单片机实现预订的功能，必须有相应的硬件和软件，而软件中最重要的一项工作就是对SFR写命令（要求）。,2.4 MCS-51单片机存储器结构,已知的P0、P1、P2、P3等四个8位I/O口分别由名为P0、P1、P

28、2、P3四个SFR代表。堆栈指针寄存器 SP（Stack Pointer):总是指向栈顶,压栈时先(SP)+1 然后数据进栈；弹栈时数据先出栈 然后(SP)-1。累加器 ACC:一个被众多指令用得最频繁的特殊功能寄存器(如：运算、数据传输)副累加器 B:一个经常与 ACC 配合在一起使用的特殊功能寄存器(如：乘法、除法)，此外，它也经常当作普通寄存器使用。,特殊功能寄存器(P0P3,SP,A,B)：89C51有21个SFR(89C52有26个),2.4 MCS-51单片机存储器结构,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

29、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)可由用户定义的标志位。,特殊功能寄存器(PSW),2.4 MCS-51单片机存储器结构,RS1(PSW.4)、RS0(PSW.3)工作寄存器组选择位。,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。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

30、 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。,2.4 MCS-51单片机存储器结构,2.4 MCS-51单片机存储器结构,CY,AC,F0,RS0,OV,P,RS1,PSW.0,PSW.2,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。,2.4 MCS-51单片机存储器结构,特殊功能寄存器(数据指针DPTR):16位特殊功能寄存器，高位字节寄存器用DPH表示，低位字节寄存器用DPL表示。串行数据缓冲器SBUF:存放欲发送或已接收的数据，一个字节地址，物理上是由两个独立的寄存器组成，一个是发送缓冲器，另一个是接收缓冲器。定时器/计数器:两个16位定时器/计数器T1和T0，各由两个独立的8位寄存器组成：TH1、TL1、TH0、TL0，只能字节寻址，但不能把T1或T0当作一个16位寄存器来寻址访问。,单片机SFR名称及其地址,2.4 MCS-51单片机存储器结构,单片机SFR名称及其地址,2.4 MCS-51单片机存储器结构,