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1、1,第2讲：MCS-51的硬件结构,电气工程系 赵志衡 zhzhhe,2,本讲课程主要内容,（1）51的资源 （2）51的外观及引脚简介 （3）51的CPU （4）51的存储器结构 （5）51的I/O端口 （6）复位电路 （7）时钟电路,3,51的资源,包括：微处理器 （8位CPU） 数据存储器（RAM） 程序存储器（ROM/EPROM） IO口 （P0口、Pl口、P2口、P3口） 同时具有串行通讯、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器（SFR）。,4,资源的简单说明,1 数据存储器（RAM） 51片内为128个字节、52片内为256字节。 片外最多可外扩至64k。 2程序存储器（ROM/
2、EPROM） 8031不含； 8051为4k ROM，但用户不可改写。 8751则为4k EPROM。 8951为4k flash 存储器、8952为8k flash 存储器 片外最多可外扩至64k,5,资源的简单说明,3中断系统：具有5个中断源，分为2个中断优先级。 4定时器/计数器：2个16位定时器/计数器，具有四种工作方式。 5串行口：1个全双工的串行口，具有四种工作方式。 6P0P3口：为4个并行8位I/O口。,6,资源的简单说明,7特殊功能寄存器（SFR）：共有21个，用于对片内各功能模块进行管理、控制、监视。实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的RAM区。 8微处
3、理器（CPU）：为8位的CPU，且内含一个1位的位处理器，不仅可处理字节数据，还可以进行位变量的处理。,7,51片内结构,8,资源的特点,MCS-51的硬件结构具有功能部件种类全，功能强等特点。 特别指出：MCS-51 除具有8位数据处理运算能力外，还具有1位处理功能，这使得51在逻辑电路仿真、过程控制方面是非常有效的。,9,51的外观及引脚,10,引脚的分类,（1）电源及时钟引脚：Vcc、Vss、XTAL1、XTAL2. （2）控制引脚：PSEN、ALE、EA、RESET （3）I/O口引脚：P0、P1、P2、P3。 MCS-51具有三总线： 数据总线（DB）、地址总线（AB）、控制总线（C
4、B）,11,引脚功能分类,后继课程会继续讲解,12,1 电源及时钟引脚,电源引脚： Vcc +5V、 Vss GND 时钟引脚： XTAL1、XTAL2. 采用片内振荡器时，这两个引脚接晶振；采用外部振荡器时， XTAL1接地，XTAL2接外部振荡器的输出端。,13,2 控制引脚,RSTVPD（9脚）：当振荡器启振后，在此引脚加上两个机器周期以上的高电平将使MCS51复位。在其正常工作时，此脚应为0.5V低电平。 另外，此引脚可接备用电源，系统掉电时向内部RAM供电，使其保持数据。 什么是机器周期？,P0口的分时复用（后面还有介绍） P0口是51的1个8位并行I/O口。 51的P0口既作为数据
5、总线，又作为地址总线（16位）的低8位，称为分时复用。 如何区分P0口发出的是地址还是数据呢？,14,15,ALEPROG：当MCS51访问的外部存储器时，ALE（地址锁存允许）输出的脉冲下降沿用于16位地址的低8位的锁存信号。解决P0口分时复用的问题。 即使不访问外部锁存器，ALE端仍有正脉冲信号输出，此频率约为时钟振荡器频率的 16。但在执行某些指令时会不发出ALE信号，因而用户不能用做时钟源或定时。,16,PSEN：是访问外部程序存储器的读选通信号。 EA：当EA端保持高电平时，MCS51先访问内部程序存储器，但在PC（程序计数器）值超过0FFFH时（对于8051、8751来说），将自动
6、转向执行外部程序存储器内的程序。 当EA保持低电平时，不管是否有内部程序存储器，只访问外部程序存储器。,17,3 I/O口引脚,P0口：双向8位三态I/O口，为地址总线（低8位）及数据总线分时复用口，可带8个LSTTL负载。 P0口的分时复用：P0口既作为数据总线又作为地址总线的低8位使用称为分时复用。 P1口：8位准双向I/O口，可带4个LSTTL负载。 P2口：地址总线（高8位），可带4个LSTTL负载。也可做8位准双向I/O口。 P3口：8位准双向I/O口，双功能复用口。,18,51的中央处理器（CPU）,运算部件：运算部件包括算术逻辑单元ALU、位处理器、累加器A、寄存器B、暂存器以及
7、程序状态字PSW寄存器等。该模块的功能是实现数据的算术、逻辑运算、位变量处理和数据传送等操作。 控制部件：控制部件是微控制器的神经中枢，以主振频率为基准（每个主振周期称为振荡周期），控制CPU的时序，对指令进行译码，然后发出各种控制信号，它将各个硬件环节组织在一起。,19,运算部件:ALU、A、B,ALU：功能强大，它不仅可对8位变量进行逻辑“与、或、异或”、循环、求补和清零等基本操作，还可以进行加、减、乘、除等基本运算，ALU还具有位处理操作，如置位、清零、求补、测试。转移及逻辑“与、或”等操作。 累加器A：ALU中的主要寄存器，大部分指令都用到它。 寄存器B：是为执行乘法和除法操作设置的，
8、在不执行乘、除法操作的一般情况下可把它当作一个普通寄存器使用。,20,程序状态字寄存器：PSW,PSW.1是保留位，未用。 Cy（PSW.7）进位标志位，在执行算术和逻辑指令时，可以被硬件或软件置位或清除，在位处理器中，它是位累加器。 Ac（PSW.6）辅助进位标志位。 F0（PSW.5）标志位，它是由用户使用的一个状态标志位。 RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）：寄存器区选择控制位 OV（PSW.2）：溢出标志位。 P（PSW.0）奇偶标志位。每个指令周期都由硬件来置位或清除，以表示累加器A中值为1的位数的奇偶数。,21,运算部件：PSW,工作寄存器的选择： RS1 RS0 软件写入
9、0 0 寄存器区0（内部RAM地址00H07H） 0 1 寄存器区1（内部RAM地址08H0FH） 1 0 寄存器区2（内部RAM地址10H17H） 1 1 寄存器区3（内部RAM地址18H1FH）,22,控制部件,时序图 每2个振荡周期作为1个状态周期，每个状态周期分为2个时相P1、P2，每6个状态周期作为1个机器周期。,23,51的存储器结构,程序存储器 内部数据存储器 特殊功能寄存器（SFR） 位地址空间 外部数据存储器,24,存储器简单介绍,程序存储器 用来存放程序的存储器，存储器中存放的实际上是由用户程序形成的二进制码（机器码），该存储器必须具有非易失性。外部可扩展64k字节。,25
10、,存储器简单介绍,内部数据存储器 MCS51内部有128个字节的随机存取存储器RAM，作为用户的数据寄存器、数据缓冲器。它能满足大多数工程应用场合的需要。 52系列具有256字节的内部RAM。,26,存储器简单介绍,特殊功能寄存器（SFR） 特殊功能寄存器反映了MCS51的状态，实际上是MCS51的状态字及控制字寄存器。微控制器通过写相应的SFR来设定相关功能部件（定时器、串口、中断等）的工作方式，同时SFR也综合的、实际的反映了整个微控制器系统内部的工作状态。例如，前面提到的PSW程序状态字寄存器，就是一个特殊功能寄存器。,27,存储器简单介绍,位地址空间 MCS51内部具有211个可寻址的
11、位，他们存在于内部RAM（128个）、和SFR（83个）中。用来存放一些位变量。 有相应的位操作指令来控制其读写。,28,存储器简单介绍,外部数据存储器 当片内的RAM不够用时，MCS51可在片外扩展64k的数据存储器。,29,程序存储器,程序存储器中存放程序和表格，最多外扩64k。由程序计数器（PC）控制程序的执行，PC中存放的是将要执行的下一条指令的地址，是由微控制器内部硬件自动生成的，且自动加一。复位后PC值为0000H，因而程序总是从程序存储器的0000H处开始执行。,30,程序存储器,一些指令会影响到PC的连续性，例如跳转类，中断响应等。 例如中断，微控制器响应不同的中断后，PC被硬
12、件赋予不同的值，称为中断入口地址： 外部中断0（INT0） 0003H 定 时 器0（T0） 000BH 外部中断1（INT1） 0013H 定 时 器1（T1） 001BH 串 行 口 0023H 由于程序存储器的起始部分具有特殊意义，在编制程序时主程序中最好有跳转指令，在中断程序中也要有跳转指令。,31,内部数据存储器,MCS51内部数据存储器（RAM）共有128个字节，地址00H7FH。51对内部数据存储器有丰富的操作指令。,32,特殊功能寄存器（SFR）,SFR共21个，存在于MCS-51中的一部分RAM单元中，地址范围80HFFH，呈离散分布。,33,特殊功能寄存器（SFR）,SFR
13、简介,34,特殊功能寄存器（SFR）,可位寻址的SFR位地址,35,SFR,累加器A 累加器A是一个最常用的专用的寄存器，大部分单操作数指令的操作数取自累加器，很多双操作数指令的一个操作数取自累加器，加、减、乘、除算术运算指令的运算结果都存放在累加器A或B寄存器中。 寄存器B 在乘、除指令中，用到B寄存器。不进行算数操作时，可作为一般寄存器使用。 程序状态字寄存器PSW PSW是一个8位寄存器，它包含了程序状态信息。,36,SFR,栈指针SP 栈指针SP是一个8位专用寄存器，它指示出堆栈顶部在内部RAM块中的位置，51的栈向上生成，栈指针先加1，再存储、且后入先出。系统复位后，SP初始化为07
14、H，使得堆栈事实上由08H单元开始，考虑到08H1FH单元分别属于工作寄存器区13，若在程序设计中要用到这些区，则最好把SP值改置为1FH或更大的值。例如SP60H，MCU执行一条A累加器进栈指令， push a; 执行后寄存器状态：（sp）61H， (61H)=A。,37,SFR,数据指针DPTR 数据指针DPTR是一个16位的SFR，其高位字节寄存器用DPH表示，低位字节寄存器用DPL表示。DPTR即可以作为一个16位寄存器来用，也可以作为两个独立的8位寄存器DPH和DPL来用。,38,SFR,特殊功能寄存器P0P3 特殊功能寄存器P0P3分别管理I/O端口P0P3。每一个8位I/O口都可
15、视为RAM的一个单元（8位）。 在MCS51中，I/O口和RAM统一编址，所有访问RAM的指令，都可用来访问I/O口。对于片外数据存储器和扩展的I/O口，也是统一编址的。,39,SFR,串行数据缓冲器SBUF 串行数据缓冲器SBUF用于存放待发送或已接收到的数据，它在SFR块中只有一个字节地址，但是物理上由两个独立的寄存器组成，一个发送一个接收。 定时器/计数器 51内部有2个16位定时/计数器T0、T1，他们各由两个独立的8位寄存器组成，分别是TH0、TL0；TH1，TL1。不能把T0、T1作为16位寄存器操作。 52内部有3个16位的定时/计数器,40,位地址空间,MCS51中共有可寻址的
16、位211个，构成了8051的位地址空间。在RAM区，有可寻址128位，其位地址为007FH。可位寻址RAM的字节地址为20H2FH。,41,位地址空间,可位寻址的SFR。共83位,42,外部数据存储器,当内部RAM不够使用时，可以外扩数据存储器，最多64k。,43,MCS51存储器结构的特点,地址重叠性 程序存储器与数据存储器操作指令不同 位地址空间共有两个区域 堆栈区可自由设定 片外数据存储器与I/O口统一编址,44,MCS51存储器结构示意,45,I/O端口,简介 MCS51具有4个双向8位I/O口，每个口都有一个锁存器。 P0口是三态双向口，作为数据和低8位地址的分时复用口，由ALE信号作为地址锁存。 P1口准双向口，供用户使用。 P2口准双向口，作为高8位地址使用，当扩展的外部存储器小于64k时，即有未用到的P2口线，可作为一般I/O口使用。 P3口准双向口，即可作为一般I/O口使用，也可作为第二
