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1、1 第2章 MCS 51单片机结构及原理 本章内容 1 MCS 51系列的8051的基本结构 2 存储器结构及其配置 3 P0 P1 P2 P3四个I O口的基本工作原理和操 作特点 4 单片机的时序 5 复位 2 2 1 1 MCS 51的基本组成 MCS 51单片机 以8051为例 Intel产品 l1个8位CPU l1个片内振荡器及时钟电路 l128字节RAM 数据存储器 l4K字节ROM 程序存储器 l2个16位定时器 计数器 l32条可编程的I O线 四个8位并行I O端口 l1个全双工串行口 l5个中断源 2 1 2 1 MCS 51MCS 51单片机组成及结构单片机组成及结构 3
2、 2 1 2 1 MCS 51MCS 51单片机组成及结构单片机组成及结构 存储器 CPU 输入输出口 定时 计数器 中断系统 总线 4 2 1 2 MCS 512 1 2 MCS 51单片机的引脚与功能单片机的引脚与功能 逻辑符号 2 1 2 1 MCS 51MCS 51单片机组成及结构单片机组成及结构 引脚分配 5 1 电源线 5V供电 VCC 40 5V GND 20 地 2 1 2 MCS 512 1 2 MCS 51单片机的引脚与功能单片机的引脚与功能 引脚分配 P0 2 晶体振荡器信号输入输出 XTAL2 18 晶体振荡器信号输出 XTAL1 19 晶体振荡器信号输入 3 输入 输
3、出线 P0 0 P0 7 P0口 P1 0 P1 7 P1口 P2 0 P2 7 P2口 P3 0 P3 7 P3口 P1 P2 P3 6 4 控制信号线 l ALE 30 地址锁存控制信号 Address Latch Enable ALE用于 将地址总线的低八位锁存 该信号频 率为晶振频率 的1 6 可作为外部定 时或时钟使用 2 1 2 MCS 512 1 2 MCS 51单片机的引脚与功能单片机的引脚与功能 引脚分配 29 外部程序存储器读选 通信号 Program Store Enable 该信号为低电平时 CPU从外部程序 存储器单元读取指令 7 l 31 内外程序存储器选 择控制
4、External Access Enable 2 1 2 MCS 512 1 2 MCS 51单片机的引脚与功能单片机的引脚与功能 4 控制信号线 续 引脚分配 RESET 9 复位信号 RESET 持续2个机器周期以上的高电平 单片 机复位 0 CPU对程序存储器的操作 仅限于单片机外部程序存储器 1 CPU对程序存储器的操作 从单片机内部程序存储器开始 并可 延伸到单片机的外部程序存储器 5 部分引脚的第二功能 复用 同一个引脚被双重定义 2 1 2 MCS 512 1 2 MCS 51单片机的引脚与功能单片机的引脚与功能 T1 定时器1外部计数信号输入 T0 定时器0外部计数信号输入 I
5、NT1 外部中断1 输入 INT0 外部中断0 输入 WR 外部数据存储器写选通信号 输出 第二功能 RXD 串行输入 端口引脚 P3 0 P3 2 P3 3 P3 4 P3 5 P3 6 P3 7RD 外部数据存储器读选通信号 输出 TXD 串行输出P3 1 9 5 部分引脚的第二功能 l程序存储器固化所需的信号 编程脉冲 ALE PROG 编程电压 VPP l 备用电源引入 RESET VPD 当电源电压下降到某个给定下 限时 备用电源由该引脚向单片机芯片内部RAM 供电 以保护内部RAM的内容不丢失 2 1 2 MCS 51单片机的引脚与功能 10 控制器 运算器特殊功能寄存器 I O口
6、 I O口 2 1 3 MCS 51单片机的内部结构 数据存储器 程序存储器 11 一 中央处理器 CPU CPU由运算器和控制器组成 它是单片机的 核心 完成运算和控制操作 2 1 3 MCS 51单片机的内部结构 1 运算器 组成 算术逻辑运算器ALU 算术累加器ACC 寄存器 B 暂存器TMP1 暂存器TMP2 布尔累加器Cy等 功能 进行移位 算术运算和逻辑运算 MCS 51运算器 还包含有一个布尔 位 处理器 用来处理位操作 12 1 累加器A ACC 8位 功能 暂存操作数及保存运算结果 A是MCS 51单片机中最繁忙的寄存器 2 寄存器B 8位 功能 用于乘法 除法运算 对于其它
7、指令可作为一 个寄存器使用 3 程序状态字寄存器PSW 8位 功能 存放累加器A在运算过程标志位 P OV AC Cy 的状态 指出CPU所使用的当前工作寄存器组 2 1 3 MCS 51单片机的内部结构 13 CYACF0RS0OVPRS1 PSW 7 PSW 0 CY PSW 7 进位 借位标志位 Carry 若ACC在运算过程中发生了进位或借位 则CY 1 否 则 0 它也是布尔处理器的位累加器 可用于布尔操作 AC PSW 6 半进位 借位标志位 Attached Carry 若AC在运算过程中 D3位向D4位发生了进位或借位 则AC 1 否则 0 F0 PSW 5 用户标志位 Fla
8、g 0 user definable flag PSW 6 PSW 5 2 1 3 MCS 51单片机的的内部结构 PSW 程序状态字寄存器 14 2 1 3 MCS 51单片机的内部结构 PSW 7PSW 0 RS1 PSW 4 RS0 PSW 3 工作寄存器组选择位 Register Selection RS1 RS0 0 1 则选择了工作寄存器组 1 区R0 R7分别 代表08H 0FH单元 RS1 RS0 1 0 则选择了工作寄存器组 2 区 R0 R7分别 代表10H 17H单元 RS1 RS0 1 1 则选择了工作寄存器组 3 区R0 R7分 别代表18H 1FH单元 CYACF0
9、RS0OVPRS1 PSW 4 PSW 3 RS1 RS0 0 0 则选择了工作寄存器组 0 区R0 R7分别 代表08H 0FH单元 PSW 程序状态字寄存器 15 CYACF0RS0OVPRS1 PSW 7 PSW 0 OV PSW 2 溢出标志位 Overflow 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 Reserved P PSW 0 奇偶标志位 Parity Bit P 1表示累加器ACC中 1 的个数为奇数 P 0表示累加器ACC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
10、PSW 2 PSW 1 2 1 3 MCS 51单片机的内部结构 PSW AC Cy OV P通常在有A累加器参与运算的情况下改变 它们反映A累加器参与运算后的状态变化 程序状态字寄存器 16 4 布尔处理器Cy 实现各种位逻辑运算和传送 MCS 51具有一个 位寻址空间 5 TMP1和TMP2为8位暂存寄存器 存放参与预算的操作数 2 1 3 MCS 51单片机的内部结构 MCS 51单片机仅能实现两个8位二进制数的算术和 逻辑运算 17 组成 定时与控制部件 复位电路 程序计数器 PC 指令寄存器 指令译码器 数据指针 DPTR 堆栈指针 SP 等 l作用 产生计算机所需的时序 控制程序自
11、动执行 CPU 程序存储器 指令寄存器 外RAM EPROM 外I O 指令译码器 控制单片机各部分的运行 产生ALE PSEN RD WR 2 1 3 MCS 51单片机的内部结构 CPU执行指令 2 控制器 18 控制器示意图 19 1 程序计数器PC 16位 程序计数器PC用来存放即要执行的指令地址 共16位 低8位经P0 口输出 高8位经P2口输出 CPU每取一次机器码 PC内容自动加一 CPU 执行一条指令 PC内容自动增加该指令的长度 CPU复位后 PC内容为0000H 它标志着程序从头开 始执行 PC的内容变化决定程序的流向 2 指令寄存器 8位 指令寄存器中存放将要执行的指令代
12、码 通过 指令译码器 将指令代码转化为电信号 控制 信号ALE等 2 1 3 MCS 51单片机的内部结构 20 2 1 3 MCS 51单片机的内部结构 3 数据指针DPTR 16位 用于访问外部RAM或外部I O口 提供十六位地 址 用于程序存储器的查表和程序散转指令 作为 基地址寄存器 提供十六位基地址 4 堆栈指针寄存器SP 8位 用于管理对栈 指出栈顶位置 MCS 51单片机复位后 SP 07H 21 2 1 3 MCS 51单片机的内部结构 二 存储器 1 内部数据存储器 单片机的内部数据存储器由RAM地址寄存器 地址译码器 以及128个单元的RAM构成 用于存放可读写的数据 2
13、内部程序存储器 MCS 51系列单片机 8031除外 的内部程序存储器由程序地 址寄存器 地址译码器以及4K 4096 个单元的ROM构成 用 于存放程序的机器代码和常数 3 特殊功能寄存器 Special Function Register SFR MCS 51系列单片机有21个可以寻址的特殊功能寄存器 包括 单片机内的I O口 串行口 定时 计数器 中断系统等相关的数 据寄存器 或缓冲器 以及控制寄存器和状态寄存器 用于存放 相应功能部件的控制命令 状态和数据 22 存储器示意图 I O口 特殊功能寄存器 数据存储器 程序存储器 23 2 1 3 MCS 51单片机的内部结构 三 并行口
14、Parallel Port 有4个并行的I O口 P0 P1 P2 P3 每根口线都可独立 地用作输入或输出 四 串行口 Serial Port 有1个全双工的串行口 用于串行通信 串行口由发送缓 冲器SBUF 接收缓冲器SBUF 移位寄存器和串行口控制逻辑 等部分组成 五 定时 计数器 Timer Counter 有2个16位的定时 计数器T0和T1 T0由TH0和TL0构成 T1由TH1和TL1构成 定时 计数器方式寄存器TMOD选择定时 计数器的工作模式和方式 定时 计数器控制寄存器TCON控 制T0和T1的启动和停止 同时反映T0和T1的溢出状态 六 中断系统 Interrupt Sy
15、stem 有5个中断源 分别为2个外部中断 2个定时 计数器溢出 产生的中断 1个串行口接收 发送产生的中断 提供2个中断 优先级 24 输入输出口 输入输出口 25 2 2 MCS 51单片机的存储器 MCS 51单片机的程序存储器和数据存储器分开 设置 地址空间相互独立 MCS 51存储器地址空 间可分为以下5类 1 程序存储器 最大空间64K 2 片内数据存储器 128个单元 3 特殊功能寄存器 共21个 4 位寻址空间 211位 5 外部数据存储器 最大空间64K 这些资源与单片机应用的关系密切 下面我们 介绍上述5类存储空间的功能 26 2 2 1 程序存储器 程序存储器用来存放程序
16、和常数 最大寻址 空间64K单元 MCS 51系列产品按程序存储器 配置类型分为3类 8051芯片含有4K个单元的ROM 8751芯片含有4K个单元的EPROM 8031中无程序存储器 需要扩展程序存储器 在实际应用中 用户既可使用芯片内部的程序 存储器 也可以使用芯片外部的程序存储器 但最 大空间为64K 程序存储器的地址空间构成与引脚 的 接法有关 27 2 2 1 程序存储器 1 芯片内部含有程序存储器的单片机 8051 8751 当 1 接高电平 时 8051 8751的程序存储 器结构如图 程序存储器结构 程序存储器连接电路 28 2 2 1 程序存储器 1 芯片内部含有程序存储器的单片机 8051 8751 当 0 接低电平 时 8051 8751的程序存储器 结构如图 程序存储器结构 程序存储器连接电路 29 2 2 1 程序存储器 1 芯片内部不含有程序存储器的单片机 8031 必须接地 8031的程序存储器结构如图 程序存储器结构 不论哪一种MCS 51单片机 如果 接地 其内部 的程序存储器将被CPU忽略 程序存储器连接电路 8031 此种方式在实际应用中已不采用
