单片机原理与应用第2章课件

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1、第2章 MCS51单片机的硬件结构,2.1 MCS51单片机的内部结构与引脚功能 2.2 中央处理单元 2.3 存储器结构 2.4 并行输入/输出接口 2.5 复位状态和复位电路 2.6 MCS51单片机的低功耗方式,2.1 MCS51单片机的内部结构 与引脚功能,2.1.1 MCS51单片机的基本组成,介绍图2-1中的各功能部件： 1.CPU（微处理器） 2.程序存储器（ROM/EPROM） 8031:无此部件； 8051:4K字节ROM； 8751:4K字节EPROM ； 89C51:4K字节闪存。 3. 数据存储器（RAM） 片内为128个字节（52子系列的为256个字节） 4.特殊功能

2、寄存器（SFR） 共有21个，是一个具有特殊功能的RAM区。,5. P1口、P2口、P3口、P0口为4个并行8位I/O口。 6. 定时器/计数器 有2个16位的定时/计数器，它们具有4种工作方式。 7. 中断系统 具有5个中断源，2级中断优先权。 8. 串行口 1个全双工的异步串行口，具有四种工作方式。,2.2 MCS-51的引脚,40只引脚 双列直插封装（DIP）。,表 2-1 MCS51单片机引脚功能表,2.2 中央处理单元,由运算器和控制器所构成 2.2.1 运算部件 对操作数进行算术、逻辑运算和位操作。 1算术逻辑运算单元ALU 2. 累加器A 3. B寄存器 4. 程序状态字寄存器P

3、SW,累加器A 使用最频繁的寄存器，也可写为Acc。 A的作用： （1）是ALU单元的输入之一，又是运算结果的存放单元。 （2）数据传送大多都通过累加器A。MCS-51增加了一部分可以不经过累加器的传送指令，即可加快数据的传送速度，又减少了累加器的“瓶颈堵塞”现象。 A的进位标志Cy是特殊的，同时又是位处理机的位累加器。,程序状态字寄存器PSW （1）Cy（PSW.7）进位标志位 （2）Ac(PSW.6)辅助进位标志位 （3）F0（PSW.5）标志位 由用户使用的一个状态标志位。 （4）RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）：4组工作寄存器区选择控制位1和位0。,RS1 RS0 所选的4组寄

4、存器 0 0 0区（内部RAM地址00H07H） 0 1 1区（内部RAM地址08H0FH） 1 0 2区（内部RAM地址10H17H） 1 1 3区（内部RAM地址18H1FH） （5）OV（PSW.2）溢出标志位 指示运算是否产生溢出。各种算术运算指令对该位的影响情况较复杂，将在第3章介绍。 （6）PSW.1位: 保留位，未用 （7）P(PSW.0)奇偶标志位 P=1，A中“1”的个数为奇数 P=0，A中“1”的个数为偶数,2.2.2 控制部件 1程序计数器PC（Program Counter） 存放下一条要执行的指令在程序存储器中的地址。 基本工作方式有以下几种： （1）程序计数器自动加

5、1 （2）执行有条件或无条件转移指令时，程序计数器将被置入新的数值，从而使程序的流向发生变化。 （3）在执行调用子程序调用或中断调用，完成下列操作： PC的现行值保护 将子程序的入口地址或中断向量的地址送入PC。,2指令寄存器IR、指令译码器及控制逻辑电路,2.2.3 时钟电路与CPU时序,时钟电路用于产生MCS-51单片机工作所必需的时钟控制信号。 1 时钟电路 时钟频率直接影响单片机的速度，电路的质量直接影响系统的稳定性。常用的时钟电路有两种方式：内部时钟方式和外部时钟方式。,(1) 内部时钟方式 内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，反相放大器的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为

6、引脚XTAL2。,C1和C2典型值通常选择为30pF左右。 晶体的振荡频率在1.2MHz12MHz之间。 某些高速单片机芯片的时钟频率已达40MHz。,(2) 外部时钟方式 常用于多片MCS-51单片机同时工作。,2. CPU时序 单片机执行的指令的各种时序均与时钟周期有关。 时钟周期 单片机的基本时间单位。若时钟的晶体的振荡频率为fosc，则时钟周期Tosc=1/fosc。如fosc=6MHz，Tosc=166.7ns。 状态周期 两个时钟周期为一个状态周期，用S表示，即当时钟振荡频率为时,则状态周期为2/fosc。,机器周期 CPU完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期。执行一条指令分为

7、几个机器周期。每个机器周期完成一个基本操作。MCS-51单片机每12个时钟周期为一个机器周期，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。,指令周期 执行任何一条指令时，都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（但要注意，在执行访问

8、外部数据存储器的指令MOVX时，将会丢失一个ALE脉冲）,以单字节单周期（机器周期）指令的读取时序为例，如下图所示。由于是单字节指令，因此只需要进行一次读指令操作。当第2个ALE信号有效时，由于PC没有加1，所以读出的还是原指令，属于一次无效的操作。,2.3 存储器结构,哈佛（Har-vard）结构 2.3.1 程序存储器 8031无内部程序存储器。 2.3.2 内部数据存储器 2.3.3 特殊功能寄存器（SFR-Special Function Register）,2.3.1 程序存储器 存放应用程序和表格之类的固定常数。 分为片内和片外两部分，由EA*引脚上所接的电平确定。,2.3.2 数

9、据存储器,表2-5 片内数据存储器的结构,工作寄存器区 工作寄存器也称通用寄存器，用于临时寄存8位信息。工作寄存器分成4组，每组都有8个寄存器，用R0R7来表示。程序中每次只用1组，其它各组不工作。在复位后，工作寄存器组0有效，若希望选择其他的寄存器组，则要在软件中设置程序状态字PSW中的工作寄存器组选择位RS0 (PSW.3)和RS1 (PSW.4)，如表2-6所示。,表2-6 工作寄存器组的选择,2.3.3 特殊功能寄存器（SFR）区 CPU对各种功能部件的控制采用特殊功能寄存器采用集中控制方式，共21个。有的SFR可进行位寻址。 其字节地址的末位是0H或8H。,1. I/O端口P0P3

10、P0P3分别为I/O端口P0P3的锁存器。 2堆栈指针SP 指示出堆栈顶部在内部RAM块中的位置 复位后 ，SP中的内容为07H。 （1）保护断点 （2）现场保护 堆栈向上生长 3. 数据指针DPTR 高位字节寄存器用DPH表示，低位字节寄存器用DPL表示。,4与定时/计数器有关的特殊功能寄存器 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。 TMOD（89H）、TCON（88H）分别为定时/计数器的方式及控制寄存器。 5与串口有关的特殊功能寄存器 串行口数据缓冲器SBUF(9

11、9H)用于串行通信时存放欲发送或已接收的数据。 SCON（98H）是串行口的控制寄存器。 6与中断系统有关的特殊功能寄存器 IE(A8H)、IP(B8H)分别是中断系统中的中断允许和中断优先级控制寄存器。,2.4 并行输入/输出接口,4个双向的8位并行I/O端口(Port) ，记作P0P3。 属于特殊功能寄存器，还可位寻址。,2.4.1 P1端口 字节地址90H，位地址90H97H。,结构组成为：,（1） 1个锁存器，用于进行数据位的锁存； （2） 1个输出驱动器，由场效应管Vl与内部上拉电阻组成，以增大负载能力； （3） 2个三态缓冲器，三态门1是读引脚缓冲器，在将引脚输入的数据读入锁存器时

12、用；三态门2在读端口数据时用。 Pl口只有通用I/O接口的一种功能，其工作方式有写操作、读操作和端口操作。,1写操作 写操作是CPU向端口输出数据，例如执行指令MOV P1,#01H时，控制器发出写信号，数据“01H”经内部总线写入锁存器锁存。 2读操作 读操作是从引脚向CPU输入数据，例如执行指令MOV A, P1时，控制器发出读信号打开三态门1，引脚上的每位数据经三态门1进入内部总线，并送到累加器A。 3端口操作 MCS51单片机有一些指令可直接进行端口操作，例如ANL P1,#data等。这些指令的执行过程分成“读-修改-写”三步。先将P1口的数据读入CPU，接着在ALU中运算，最后结果

13、写入P1端口。注意在“读”这一步中，CPU是通过三态门2读出锁存器端的数据。,2.4.2 P0口,1P0口 结构,和P1口不同的是其输出驱动器由场效应管（EFT）V1、V2组成，以增大带负载能力；与门3、反相器4及多路开关MUX构成了输出控制电路。 P0口可作为通用I/O接口，也可作为地址/数据分时复用口。,字节地址90H，位地址90H97H。,2通用I/O接口功能 端口操作和P1口相同。 当P0口作为通用I/O接口时，必须外接上拉电阻。因为在输出数据时，由于V2截止，输出级是漏极开路电路，要使“1”信号正常输出，必须外接上拉电阻。 3地址/数据分时复用功能 当P0口作为地址/数据分时复用总线

14、时，可分为两种情况：一种是从P0口输出地址或数据，另一种是从P0口输入数据。,2.4.3 P2口 字节地址为A0H，位地址A0HA7H。,在实际应用中，因为P2口用于为系统提供高位地址，有一个多路转接开关MUX。但MUX的一个输入端不再是“地址/数据”，而是单一的“地址”，因为P2口只作为地址线使用。 P2口也可以作为通用I/O口使用，这时，多路转接开关接向锁存器Q端。,2.4.4 P3口 P3口的字节地址为B0H，位地址为B0HB7H,它的每一位结构包括一个锁存器、含有与非门3和场效应管Vl的输出驱动，以及含有三个三态门的输入缓冲器。 P3口与P1口一样可作为通用准双向I/O接口。 另外它的

15、每一根口线还具有第二功能，各引脚功能见表2-9。,P3口的第二功能定义，应熟记。 表2-9 P3口的第二功能定义 口引脚 第二功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 INT0* （外部中断0） P3.3 INT1* （外部中断1） P3.4 T0（定时器0外部计数输入） P3.5 T1（定时器1外部计数输入） P3.6 WR* （外部数据存储器写选通） P3.7 RD* （外部数据存储器读选通）,2.5 复位状态和复位电路 2.5.1 复位状态 复位是单片机的初始化操作，以便单片机摆脱 死锁状态。 引脚RST加上大于2个机器周期（即24个时钟振荡周期）的

16、高电平就可使MCS-51复位。复位时，PC初始化为0000H，使MCS-51单片机从0000H单元开始执行程序。 除PC之外，复位操作还对其它一些寄存器有影响，见表2-10。,表2-10 复位时片内各寄存器的状态,学习表2-10时需注意以下几点的理解： (1) 复位后，PC初始化为0000H，使MCS51单片机从0000H单元开始执行程序。 (2) 复位后，SP初始化为07H，即初始化下的堆栈区设在数据存储器08H开始的单元。 (3) 复位后，4个I/O端口P0P3的引脚均为高电平，此时这些并行接口可直接作输入口。 (4) 复位后，PSW初始化为00H。那么其中RS1、RS0位的初始化值均为0，选择第0组工作寄存器，即此时R0R7对应地址为00H07H的片内数据存储器单元。,2.5.2 复位电路 片内复位结构：,复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。 最简单的上电自动复位电路:,按键手