微机控制系统与应用2

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1、第二章 MCS-51单片机结构原理 2.1 MCS-51系列单片机概述 2.2 硬件结构和引脚功能 2.3 中央处理器与存储器组织 2.4 复位方式与掉电保护 2.5 其它内部资源 1 2.1 MCS-51系列单片机概述 2 微型计算机技术主要形成两大分支 n通用微处理器（MPU）： 用在海量数值计算方面，以满足数字 模拟、仿真、数字信号处理 、图像分析、人工智能等领域的要求 n微控制机（MCU）： 用来满足快速实时地信号采集、判断、处理、参数控制 2.1 MCS-51系列单片机概述 什么是单片机？ 【计算机构成 】 ：CPU（进行运算、控制）、RAM（数据存储）、 ROM（程序存储）、输入/

2、输出设备（例如：串行口、并行口等） 【单片机(Single Chip Micro Computer)】：是在一个芯片上集成了一 台计算机的主要组成部件，如CPU、RAM、ROM（EPROM）、计数 /定时器、I/O接口等，高档系列中还集成有A/D、D/A、PWM、高 速I/O等扩展部件。 3 4 2.1 MCS-51系列单片机概述 单片机的历史发展过程： 第一代单片机（1976年）：实现了单个芯片上的计算机集成 ，以Intel 的MCS-48为代表，技术特点是采用了专门的结构设计，将CPU以及外围 单元集成在一块芯片上；指令系统设计面向控制功能的要求，具有很强的控 制功能。 第二代单片机：以I

3、ntel的MCS-51系列为代表，技术特点是完善了外部 总线；在指令系统中增加了位操作指令；并在指令系统中增加了条件和无条 件跳转指令。 第三代单片机：技术特点是全速发展单片机的控制功能。这一时期的综 合特点是发展了非总线形单片机，尽可能将外围接口电路做在片内形成单片 机系统；并推出了具有串行扩展总线的产品；以及发展了具有良好控制功能 的控制网络总线。 2.1 MCS-51系列单片机概述 MCS-51系列单片机： 由美国Intel公司在20世纪70年代开发，其核心技术公开给 Philips,Siemens,AMD,Atmel等著名IC制造厂商，已有100 多种型号的51系列单片机问世。20世纪

4、80年代，51系列单 片机在我国开始使用，目前已成为家用电器、仪器仪表、工 业测控等领域使用的主流单片机。 5 2.1 MCS-51系列单片机概述 6 7 指令：由单片机芯片的设计者规定的一种数字，它与我们常用的 指令助记符有着严格的一一对应关系，不可以由单片机的开发者 更改。例如：MOV A, R0 机器码为11101000 地址：是寻找单片机内部、外部的存储单元、输入输出口的依据 。内部单元的地址值已由芯片设计者规定好，不可更改，外部的 单元可以由单片机开发者自行决定，但有一些地址单元是一定要 有的（详见程序的执行过程）。 【指令、地址、数据】 一串0和1组成的序列 2.2 硬件结构和引脚

5、功能 8 数据：这是由微处理机处理的对象。 数据在各种不同的应用场合中表达的含义各不相同，一般而言 ，被处理的数据可能有这么几种情况： 1常数（如MOV TH0，#10H）10H即定时常数。 2地址（如MOV DPTR，#1000H），即地址1000H送入DPTR 。 3方式字或控制字（如MOV TMOD，#3），3即是控制字。 4实际输出值 （如P1口接彩灯，要灯全亮，则执行指令： MOV P1，#0FFH ；要灯全暗，则执行指令：MOV P1，#00H ），这 里0FFH和00H都是实际输出值。又如用于LED的字形码，也是实际输出 的值。 2.2 硬件结构和引脚功能 9 【总线】 计算机中

6、所有器件共同享用的连线。所有器件的数据线全部接到 公用的线上，即相当于各个器件并联起来，并且分时工作。 数据总线、控制总线、地址总线 2.2 硬件结构和引脚功能 2.2 硬件结构和引脚功能 2.2.1 硬件部分（8051） 10 图2.2 MCS-51单片机引脚图 （a）引脚排列（b）逻辑符号 2.2.2 引脚功 能 11 2.2 硬件结构和引脚功能 MCS-51系列单片机有40个引脚，按功能分为4类： 1 电源 Vcc：+5V电源 Vss：接地端 2 晶体振荡 XTAL1：晶体震荡电路的反相输入端 XTAL2：晶体震荡电路的反相输出端 3 控制信号 EA/Vpp：片内、外程序存储器选择（输入

7、信号）/编程电源 （输出信号） 。 “0”：CPU只访问片外ROM “1”：根据指令可访问片内、外ROM 8751编程时，接21V编程电源 12 ALE/PROG：地址锁存允许（输出信号）/编程脉冲（输入信号 ） ALE输出为脉冲信号，其频率是振荡频率的1/6。 “1”：P0口传送低8位地址（A0A7） “0”：P0口传送数据信息 8751编程时，输入编程脉冲 PSEN：外部程序存储器读选通信号（输出信号） ，低电平有效 。 RST/VPD：复位信号（输入信号） ，高电平（持续2个机器周 期以上）有效。Vcc掉电时，可外接备用电源。 2.2 硬件结构和引脚功能 13 2.2 硬件结构和引脚功能

8、 4 I/O端口 P0口：在当无片外存储器时，P0口做为一个8位双向I/O端口使用 。访问片外存储器时，P0口做为一个8位双向I/O端口，在ALE信号 配合下，分时传送低8位地址信息和8位数据信息。 14 15 P1口：8位准双向I/O端口。 准双向：当端口作为输入口时，要先向锁存器写1，才能够 正确的读入引脚的信息；由于51系列复位后四个锁存器都置 FF，所以一般可以直接作为双向口使用 。 P2口：当无片外存储器时，P2口可做为一个8位准双向I/O端口使用 。在访问片外存储器时，P2口传送高8位地址信息。 P3口： 8位准双向I/O端口。系统扩展时，P3口各引脚具有表2.2所 示的第二功能。

9、 P0口、P2口和P3口的第二功能用法：各端口的第二功能完全是自动的， 不需要用指令来转换。 读端口：也称为读锁存器，是从锁存器中读数据，进行处理，并把处 理后的数据重新写入锁存器，这类指令称为“读修改写指令”。一 般当目的操作数为I/O口或I/O中的一位时，为此类指令。 例如：XRL P0, A 读引脚：一般都是以I/O口作为源操作数。执行指令时，打开三态门 ，输入引脚的状态。在执行指令后，口锁存器的状态与引脚相同。但一 旦给口锁存器写入某一状态后，锁存器的状态不一定同引脚的状态相一 致。例如：MOV A, P0 16 图2.4 MCS-51单片机片外三总线结构图 图2.4所示为单片 机系统

10、扩展时的片外 三总线结构图。 地址总线AB：16位 ，P2口传送A8A15 ，P0口（锁存后）传 送A0A7。 数据总线DB：8位， 由P0口传送D0D7。 控制总线CB：由P3 口的第二功能和PSEN 、EA、ALE、RST组 成。 17 2.3 中央处理器与存储器组织 2.3.1 中央处理 器 MCS-51系列单片机的中央处理器由运算单元、控制单元和时钟电 路组成。 1 运算单元 由算术/逻辑运算部件ALU、暂存器1、暂存器2、累加器ACC、寄 存器B、状态寄存器PSW组成。 ALU：算术/逻辑运算 暂存器1、2：暂存运算的中间结果 ACC：存放参与运算的数据和运算结果 B：乘法运算存放一

11、个乘数和积的高8位，除法运算存放除数和余 数，其它指令运算时可做暂存器使用 18 2.3 中央处理器与存储器组织 PSW：状态字寄存器，存放运算结果的状态标志 CY：进位标志；位处理器C（位运算时与ACC类似） AC：辅助进位标志，主要用于2-10进制运算 FO：用户自定义标志 RS1，RS0：工作寄存器R0R7选择 00 选用第0组工作寄存器（00H07H）为R0R7； 01 选用第1组工作寄存器（08H0FH）为R0R7； 10 选用第2组工作寄存器（10H17H）为R0R7； 11 选用第3组工作寄存器（18H1FH）为R0R7。 OV：溢出标志，主要用于补码运算 X：保留位 P：奇偶标

12、志（奇校验，为1时表明结果中“1”的个数为奇数个） 19 2.3 中央处理器与存储器组织 2 控制单元 由定时控制逻辑、指令寄存器、译码器、数据地址指针寄存器DPTR 、程序计数器PC组成。 单片机程序执行过程： （1）根据PC，从程序存储器中取出一条指令，送入指令寄存器，PC 指向下一条指令的存放地址； （2）对指令寄存器中的指令译码，产生相应的操作命令、控制信号， 读取所需的操作数； （3）对操作数执行指令规定的运算，将运算结果存入指定的寄存器或 存储单元，并修改PSW中的标志位； （4）返回（1），循环执行。 20 2.3 中央处理器与存储器组织 3 时钟电路与时序 时钟电路产生单片 机

13、工作所需的时序节 拍。 21 2.3 中央处理器与存储器组织 振荡信号：XTAL2引脚的信号，为石英晶体或外部振荡信号，振荡频 率常用6MHz、11.0592MHz或12MHz，用fosc表示，对应的周期称为 振荡周期。 时钟信号：时钟发生器的输出信号P1、P2，是单片机的工作时序节拍 ，P1控制算术逻辑运算的操作，P2控制寄存器之间的数据传输，频率 为fosc/2，周期等于2倍振荡周期，称为时钟周期/状态。 机器周期：由6个时钟周期（12个振荡周期，分为6个状态）组成，是 指令执行的最小单位。 22 23 2.3 中央处理器与存储器组织 2.3.2 存储器组 织 MCS-51单片机的存储器分

14、为程序存储器和数据存储器两种。指 令系统为不同的存储器访问提供了不同的寻址方式，可以灵活、方 便、高效地实现存储器的访问操作。 8051单片机有4种存储器地址空间： （1）4KB片内程序存储器 （2）60KB片外程序存储器 （3）128B片内数据存储器 （4）64KB的片外数据存储器。 存储器空间分配如图2.9所示。 24 2.3 中央处理器与存储器组织 图2. MCS-51单片机存储器组织空间配置 25 1 程序存储器 程序存储器用于存放程序代码、常数和表格，由片内存储器和片外 存储器两部分组成，用16位的程序计数器PC作为其地址指针。 8051单片机由16位PC和16条地址线来寻址程序存储

15、器的，所以程 序存储器最大容量为64KB。若EA引脚接高电平，则单片机根据PC中 的地址值自动执行片内程序存储器(0000H-0FFFH)或片外程序存储器 (1000H-FFFFH)中的程序，当EA接低电平时，单片机只能执行片外 程序存储器中的程序。 单片机访问片外程序存储器时，使用MOVC指令，需要ALE和 PSEN信号配合。 访问内部程序存储器的速度同访问外部程序存储器速度一致。 2.3 中央处理器与存储器组织 26 原则上，程序或表格常数可放置在程序存储器中的任何地方， 但地址为0000H-0023H的单元有特殊安排。 特殊程序存储单元： 0000H：系统复位后的程序入口地址 0003H：外部中断0中断服务程序入口地址 000BH：定时/计数器0中断服务程序入口地址 0013H：外部中断1中断服务程序入口地址 001BH：定时/计数1中断服务程序入口地址 0023H：串行通信中断服务程序入口地址 常常在从这些地址开始的3个单元中各放上一条绝对跳转指令 (LJMP)指令，跳转到相应的程序入口地址上。 2.3 中央处理器与存储器组织 27 2.3 中央处理器与存储器组织 2 数据存储器 数据存储器用于存放程序运行的数据以及运算结果，由片内存储器 和片外存储器两部分组成。 （1）片外数据存储器 片外数据存储器用16位的数据地址寄存器D