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1、单片机原理及应用 C语言版 第2章MCS 51单片机结构与原理 主编 周国运本章制作 周国运中国水利水电出版社 第2章MCS 51单片机结构与原理 目录2 1MCS 51单片机结构及CPU2 2MCS 51单片机引脚与总线结构2 3MCS 51单片机的存储器结构2 4MCS 51单片机的输入输出端口2 5MCS 51单片机的时钟及CPU时序2 6MCS 51单片机的工作方式 2 1MCS 51单片机内部结构及CPU 主要内容2 1 1MCS 51单片机的功能结构及特点2 1 2MCS 51单片机的内部原理结构2 1 3MCS 51单片机的CPU 2 1 1MCS 51单片机的功能结构及特点 M
2、CS 51单片机的内部功能结构如下页图所示 图中是以增强型单片机的结构为对象 从图中可以看到 MCS 51单片机在一块芯片中集成了微型计算机所具有的所有部件 从功能的角度来看 主要包括9个部分 图2 1MCS 51 增强型 单片机功能结构图 2 1 1MCS 51单片机的功能结构及特点 2 1 1MCS 51单片机的功能结构及特点 MCS 51单片机内部主要包括9个部分 一个8位的微处理器CPU8KB的片内程序存储器FlashROM256B的片内数据存储器RAM 128B特殊功能寄存器 SFR 3个16位的定时器 计数器有一个管理6个中断源的中断控制器4个8位并行I O端一个全双工的串行接口
3、UART 片内振荡电路和时钟发生器可扩展64KB程序 64KB数据存储器的三总线控制电路 2 1 2MCS 51单片机的内部原理结构 MCS 51单片机的内部原理结构如图2 2所示 与图2 1比较 主要的区别是画出了CPU的内部结构 图中的中间部分除了 定时器 串行口 大方框之外都属于CPU部件 下面先介绍CPU部分 对于其它部件 将在本章和后面的章节讲解 图2 2MCS 51 增强型 单片机原理结构图 XTAL2XTAL1 P3 0 P3 7 P1 0 P1 7 RAM地址 端口0驱动器 端口2驱动器 8KBFlashROM 端口0锁存器 端口2锁存器 端口1驱动器 端口3驱动器 端口1锁存
4、器 端口3锁存器 暂存器1 SP PSW B寄存器 暂存器2 ACC 256BRAM128BSFR 缓冲器 PC加1 PC 程序地址寄存器 DPTR 定时器 串行口中断部件及特殊功能寄存器 地址总线 数据总线 P2 0 P2 7 VccGND 指令寄存器指令译码器指令控制器 P0 0 P0 7 PSENALEEARST ALU 2 1 3MCS 51单片机的CPU MCS 51单片机内部有一个功能强大的8位CPU 它包含两个基本部分 运算器和控制器 一 运算器运算器包括 算术和逻辑运算部件ALU ArithmeticLogicUnit 以及累加器ACC 寄存器B 暂存器1 暂存器2 程序状态字
5、寄存器PSW 布尔处理器等 2 1 3MCS 51单片机的CPU 1 算术逻辑运算部件ALUALU可以对4位 半字节 8位 一字节 和16位 双字节 数据进行操作 这些操作可以是 算术运算 加 减 乘 除 加1 减1 BCD码数的十进制调整及比较等 逻辑运算 与 或 异或 求补及循环移位等 2 1 3MCS 51单片机的CPU 2 累加器ACCACC在CPU结构中占有特殊的位置 所以ACC在指令中使用的非常多 ACC既做源操作数又做目的操作数 如在加 减 乘 除算术运算指令中 在与 或 异或 循环移位逻辑运算指令等 ACC也作为通用寄存器使用 并且可以按位操作 所以ACC是一个用处最多 最忙碌
6、的寄存器 在指令中用助记符A来表示 2 1 3MCS 51单片机的CPU 3 B寄存器B做专门应用 在乘 除运算时 用来存放一个操作数 并且存放运算后的部分结果 B做一般应用 在非乘 除运算中 B可以作为通用寄存器使用 B可以按位操作 2 1 3MCS 51单片机的CPU 4 程序状态字PSW功能 用于设定CPU的状态和指示指令执行后的状态 PSW相当于其它微处理器中的标志寄存器 格式如下 2 1 3MCS 51单片机的CPU CY PSW 7 进位 借位标志在做位操作 布尔操作 时CY作为位累加器 在指令中用C代替CYAC PSW 6 半进位 半借位标志 也称为辅助进位标志F0 F1 PSW
7、 5 PSW 1 用户标志位 留给用户使用 2 1 3MCS 51单片机的CPU OV PSW 2 溢出标志位有以下几种情况 加减运算 OV 1表示结果超出了8位有符号数的有效范围 128 127 对无符号数OV没有意义 无符号数乘法运算 OV 1表明结果超出了8位数 无符号数除法运算 OV 1表明除数为0 2 1 3MCS 51单片机的CPU P PSW 0 累加器A的奇偶标志位P表示累加器A中1的个数的奇偶性P 1 A中有奇数个1P 0 A中有偶数个1 2 1 3MCS 51单片机的CPU RS1 RS0 PSW 4和PSW 3 工作寄存器组选择控制位 工作寄存器 R0 R1 R7 2 1
8、 3MCS 51单片机的CPU 5 布尔处理器布尔处理器以PSW中的进位标志位CY作为位累加器 用C表示 功能 专门用于处理位操作 MCS 51单片机有丰富的位处理指令 如置位 位清0 位取反 判断位值 为1或为0 转移 以及通过C 指令中用C代替CY 做位数据传送 位逻辑与 位逻辑或等位操作 2 1 3MCS 51单片机的CPU 二 控制器控制器包括程序计数器PC 指令寄存器IR 指令译码器ID 以及时钟控制逻辑 堆栈指针SP 地址指针DPTR等 1 程序计数器PCPC是一个具有自加1功能的16位的计数器PC的内容是将要执行的下一条指令的地址改变PC的内容就改变了程序执行的顺序 2 1 3M
9、CS 51单片机的CPU 2 指令寄存器IR和指令译码器IDIR 存放从FlashROM中读取的指令ID 进行译码 产生一定序列的控制信号 完成指令所规定的操作 3 堆栈 1 堆栈的概念堆栈是在RAM中专门开辟的一个特殊用途的存储区 2 堆栈的访问原则 先进后出 后进先出 即先进入堆栈的数据后移出堆栈 即后进入堆栈的数据先移出堆栈 2 1 3MCS 51单片机的CPU 3 堆栈的结构堆栈的一端的地址是固定的 称为栈底 另一端的地址是动态变化的 称为栈顶 4 堆栈的操作方式堆栈有两种操作方式 数据进栈和数据出栈 进栈和出栈都是在栈顶进行 这就必然是按照 先进后出 后进先出 的方式存取数据 2 1
10、 3MCS 51单片机的CPU 5 堆栈的应用主要是用来暂时存放数据 有两种情况使用堆栈 一是CPU自动使用堆栈 当调用子程序或响应中断 处理中断服务程序时 CPU自动将返回地址存放到堆栈中 通过堆栈传递参数 二是程序员使用堆栈 用堆栈暂时存放数据 2 1 3MCS 51单片机的CPU 4 堆栈指针SP堆栈指针SP StackPointer 中为栈顶的地址 即SP指向栈顶 SP是访问堆栈的间址寄存器SP具有自动加1 自动减1功能 当数据进栈时 SP先自动加1 然后CPU将数据存入 当数据出栈时 CPU先将数据送出 然后SP自动减1 2 1 3MCS 51单片机的CPU 下图是数据进栈的情况数据
11、从栈顶进入 58 A6 7B 2 1 3MCS 51单片机的CPU 由于进栈时SP的值增加 即堆栈向地址大的方向生长 并且栈顶是有效数据 这种堆栈是满递增型堆栈 7B A6 58 36 2 1 3MCS 51单片机的CPU 5 数据指针DPTRDPTR是唯一的16位寄存器 DPTR既可以作为一个16位寄存器使用 也可以作为两个独立的8位寄存器使用 其高字节寄存器用DPH表示 低字节寄存器用DPL表示 DPTR的用途 1 主要用于存放16位地址 以便对64KB的片外RAM和64KB的程序存储空间作间接访问 2 其次用于存放数据 作为一般寄存器使用 2 2MCS 51单片机引脚与总线结构 主要内容
12、2 2 1MCS 51单片机引脚信号及功能2 2 2MCS 51单片机外部总线结构 2 2 1MCS 51单片机引脚信号及功能 封装 40DIP 44PLCC 常用40DIP40个引脚分为4类 电源引脚晶振引脚控制信号输入 输出引脚 2 2 1MCS 51单片机引脚信号及功能 一 电源引脚Vcc 40脚 接5V电源正端Vss 20脚 接5V电源地端二 晶振引脚XTAL1 19脚 XTAL2 18脚 2 2 1MCS 51单片机引脚信号及功能 三 控制信号引脚1 RST VPD 9脚 RST 复位信号输入端 高电平有效 单片机正常工作时 RST保持两个机器周期的高电平就会使单片机复位 上电时 R
13、ST上的高电平必须保持10ms以上才能保证有效复位 由于振荡器需要一定的起振时间 VPD 备用电源输入端 以保持内部RAM中的数据不丢失 当Vcc的电压降低到低电平规定的值或掉电时 接入电源 2 2 1MCS 51单片机引脚信号及功能 2 ALE PROG 30引脚 ALE 地址锁存信号 每个机器周期输出两个正脉冲 下降沿或低电平用于控制外接的地址锁存器 锁存从P0口输出的低8位地址 可以将ALE作为时钟信号使用 PROG 片内程序存储器的编程脉冲输入端 低电平有效 2 2 1MCS 51单片机引脚信号及功能 3 PSEN 29引脚 片外程序存储器读选通信号输出端 每个机器周期输出两个负脉冲
14、低电平有效 在访问片外数据存储器时 该信号不出现 4 EA Vpp 31引脚 EA 程序存储器选择输入端 低电平时 使用片外程序存储器 高电平时 使用片内程序存储器 Vpp 片内程序存储器编程电压输入端 2 2 1MCS 51单片机引脚信号及功能 五 输入 输出引脚1 P0口 P0 0 P0 7 32 39引脚 P0口是一个8位漏极开路的I O口 P0口作总线口 当CPU以总线方式访问片外存储器时 P0口分时地输出低8位地址 读入指令和输入 输出数据 P0口作为一般I O口 此时P0口为准双向口 各位输入前必须先输出1 2 2 1MCS 51单片机引脚信号及功能 2 P1口 P1 0 P1 7
15、 1 8引脚 P1口是一个8位准双向I O口P1 0 P1 1的第二功能 对于增强型 第二功能的信号分别为T2和T2EXT2 P1 0 定时器 计数器2的计数脉冲输入和时钟输出 T2EX P1 1 定时器 计数器2的重装 捕获和计数方向控制输入 2 2 1MCS 51单片机引脚信号及功能 3 P2口 P2 0 P2 7 21 28引脚 当CPU以总线方式访问片外存储器时 P2口输出高8位地址 作为一般I O口使用时 为准双向口 4 P3口 P3 0 P3 7 10 17引脚 P3口是一个8位I O口 还是一个双功能口作为一般I O口使用时 为准双向口 各引脚第二功能如下页表2 2所示 2 2
16、1MCS 51单片机引脚信号及功能 表2 2P3口各引脚第二功能定义 2 2 2MCS 51单片机总线结构 总线的概念 总线即三总线 指数据总线 地址总线 控制总线 一般说法为 多个部件信息的电气连接 MCS 51单片机的总线 内部具有产生总线的结构 如图2 6所示 单片机总线的应用 扩展数据存储器扩展程序存储器 2 2 2MCS 51单片机总线结构 图2 6MCS 51单片机总线结构 地址锁存器74LS573 A15 A8A7 A0D7 D0 数据总线 DB I O口 控制总线 CB 地址总线 AB P1 0P1 1P1 2P1 3P1 4P1 5P1 6P1 7P3 0P3 1P3 2P3 3P3 4P3 5P3 6 WRP3 7 RDALEPSENEARST P2 7P2 6P2 5P2 4P2 3P2 2P2 1P2 0P0 7P0 6P0 5P0 4P0 3P0 2P0 1P0 0 2 3MCS 51单片机的存储器结构 主要内容2 3 1程序存储器结构2 3 2片内数据存储器结构2 3 3片外数据存储器结构 MCS 51单片机存储器概述1 单片机的哈佛结构存储器MCS 51单
