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1、第二章MCS 51系列单片机的硬件结构 第二章MCS 51系列单片机的硬件结构 本章将详细介绍MCS 51系列单片机的内部硬件结构 引脚定义 存储器配置 输入 输出端口 复位和时钟电路 工作模式等内容 2 1内部总体结构2 2引脚定义与功能2 3存储器配置2 4输入 输出接口2 5时钟电路与时序2 6复位和复位电路2 7工作方式 2 1内部总体结构 51子系列单片机的主要特点为 1个CPU 1个片内振荡器及时钟电路 4KBROM 128BRAM 21个特殊功能寄存器 32条可编程的I O线 4个8位并行I O接口 可寻址64KB外部数据存储器和64KB外部程序存储器的控制电路 2个16位定时
2、计数器 5个中断源 2个优先级嵌套中断结构 1个可编程全双工串行接口 1个有位寻址功能 适于逻辑运算的位处理机 第二章MCS 51系列单片机的硬件结构 51系列单片机的内部基本结构 第二章MCS 51系列单片机的硬件结构 第二章MCS 51系列单片机的硬件结构 中央处理器CPU其主要由运算电路和控制电路两大部分组成 运算电路以算术逻辑单元ALU为核心 包括累加器ACC 寄存器B 程序状态字PSW和两个暂存寄存器TMP等 运算电路的基本结构如图所示 基本组成及功能 第二章MCS 51系列单片机的硬件结构 中央处理器CPU控制电路是保证单片机各部分能在程序运行过程中自动而协调工作的指挥枢纽 其核心
3、部分是指令地址的计算 取指和指令译码 主要包括程序计数器PC PC加1寄存器 PC增量 指令译码器 定时与控制电路等 运算电路的基本结构如图 基本组成及功能 第二章MCS 51系列单片机的硬件结构 位处理器内部数据存储器RAM内部程序存储器ROM定时 计数器并行I O口串行口中断控制系统时钟电路总线 基本组成及功能 MCS 51单片机内部整体结构原理图 第二章MCS 51系列单片机的硬件结构 2 2引脚定义与功能 MCS 51系列单片机引脚功能及总线结构 第二章MCS 51系列单片机的硬件结构 各引脚的定义和功能 主电源引脚Vcc 40脚 一般接 5V电源正端 Vss 20脚 一般接 5V电源
4、地端 外接晶体振荡器引脚XTAL1 19脚 外接晶体振荡器的一端 XLAT2 18脚 外接晶体振荡器的另一端 第二章MCS 51系列单片机的硬件结构 2 2引脚定义与功能 第二章MCS 51系列单片机的硬件结构 第二章MCS 51系列单片机的硬件结构 控制线RST VPD 9脚 复位 备用电源线 ALE 30脚 地址锁存允许 编程线 29脚 片外程序存储器读选通信号输出端 低电平有效 VPP 31脚 片外程序存储器选用端 低电平有效 2 2引脚定义与功能 输入 输出口P0口 39 32脚 输入 输出线P0 0 P0 7统称为P0口 P1口 1 8脚 输入 输出线P1 0 P1 7统称为P1口
5、P2口 21 28脚 输入 输出线P2 0 P2 7统称为P2口 P3口 10 17脚 输入 输出线P3 0 P3 7统称为P3口 第二章MCS 51系列单片机的硬件结构 2 2引脚定义与功能 第二章MCS 51系列单片机的硬件结构 P3口的第二功能表 2 2引脚定义与功能 2 3存储器配置 微型计算机的存储器地址空间有两种结构形式 普林斯顿结构和哈佛结构 普林斯顿结构是将数据存储器和程序存储器空间合二为一 一个地址对应唯一的一个存储器单元 CPU访问ROM和RAM使用相同的指令 哈佛结构是将ROM和RAM分别安排在两个不同的地址空间 ROM和RAM可以有相同的地址 CPU访问ROM和RAM使
6、用的是不同的指令 第二章MCS 51系列单片机的硬件结构 MCS 51单片机存储器结构 第二章MCS 51系列单片机的硬件结构 2 3 1程序存储器 程序存储器用于存放编好的程序和表格常数 它由只读存储器ROM或EPROM或FLASH组成 程序存储器以程序计数器PC作为地址指针 通过16位地址总线 可寻址64KB的地址空间 编址与访问程序的7个特殊入口地址 第二章MCS 51系列单片机的硬件结构 MCS 51单片机复位 中断入口地址 第二章MCS 51系列单片机的硬件结构 2 3 1程序存储器 第二章MCS 51系列单片机的硬件结构 2 3 3内部数据存储器 工作寄存器区 00H 1FH 工作
7、寄存器组的选择表如下图所示 第二章MCS 51系列单片机的硬件结构 片内通用RAM区分为工作寄存器区 位寻址区 数据缓冲区3个区域 第二章MCS 51系列单片机的硬件结构 位寻址区20H 2FH单元是位寻址区 这16个单元 共计16 8 128位 的每一位都有对应的位地址位地址范围为00H 7FH 通用RAM区30H 7FH是通用RAM区 共80个单元 一般用于存储用户数据 也称用户RAM区 2 3 3内部数据存储器 堆栈和堆栈指针 数据08H入栈示意图 第二章MCS 51系列单片机的硬件结构 堆栈是一个特殊的RAM区 用来暂存数据和地址 它是按 先进后出 或 后进先出 的原则存取数据的 堆栈
8、有入栈和出栈两种操作 以数据08H出栈入栈为例 数据08H出栈示意图 第二章MCS 51系列单片机的硬件结构 堆栈和堆栈指针 2 3 4特殊功能寄存器 特殊功能寄存器 简称SFR 也称为专用寄存器 用于控制 管理片内算术逻辑部件 并行I O口 串行I O口 定时器 计数器 中断系统等特殊功能模块的工作 第二章MCS 51系列单片机的硬件结构 第二章MCS 51系列单片机的硬件结构 特殊功能寄存器名称 表示符 地址 复位状态一览表 第二章MCS 51系列单片机的硬件结构 特殊功能寄存器名称 表示符 地址 复位状态一览表 第二章MCS 51系列单片机的硬件结构 特殊功能寄存器名称 表示符 地址 复
9、位状态一览表 程序状态字 PSW 第二章MCS 51系列单片机的硬件结构 进位标志位C辅助进 借位 或称半进位 标志位AC用户自定义标志位F0工作寄存器组选择位RS1 RS0溢出标志位OV奇偶标志位P 2 3 4特殊功能寄存器 2 4输入输出接口 第二章MCS 51系列单片机的硬件结构 单片机内部有P0 P1 P2和P3共4个8位双向I O口 P0 P3的每个端口可按字节输入或输出 也可按位进行输入或输出 共32根口线 对于需要位控制的场合使用十分方便 P0为三态双向口 能驱动8个TTL电路 P1 P3为准双向口 负载能力为4个TTL电路 如果外设需要的驱动电流大 可加接驱动器 2 4 1P0
10、口 第二章MCS 51系列单片机的硬件结构 P0口结构P0口有 位 每一位由一个锁存器 两个三态输入缓冲器以及控制电路和驱动电路组成 其位结构如图所示 第二章MCS 51系列单片机的硬件结构 地址 数据分时复用功能 P0口作为地址 数据分时复用使用时的逻辑关系示意图 2 4 1P0口 第二章MCS 51系列单片机的硬件结构 通用I O接口功能 P0口作为通用I O口使用时的逻辑关系示意图 2 4 1P0口 第二章MCS 51系列单片机的硬件结构 端口操作 MCS 51单片机有不少指令可直接进行端口操作 例如 ANLP0 A P0 P0 A ORLP0 data P0 P0 dataDELP0
11、P0 P0 1 2 4 1P0口 第二章MCS 51系列单片机的硬件结构 综上所述 P0口在有外部扩展存储器时被作为地址 数据总线口 此时是一个真正的双向口 在没有外部扩展存储器时 P0口作为通用的I O接口 但此时只是一个准双向口 在输入数据时 应先向端口写入1 在输出数据时 必须外接上拉电阻才能正常输出高电平 另外 P0口的输出级具有驱动8个TTL门的负载能力 即输出电流不大于800 A 2 4 1P0口 2 4 2P1口 第二章MCS 51系列单片机的硬件结构 P1口的位结构P1口是一个专用的8位准双向I O口 只具有通用输入 输出口功能 对51子系列 每一位都能设定为输入或输出 它的位
12、结构如图 2 4 3P2口 第二章MCS 51系列单片机的硬件结构 P2口的位结构 P2具有通用I O接口或高8位地址总线输出两种功能 所以同P0口类似 其电路结构中有一个多路转换开关MUX 2 4 4P3口 第二章MCS 51系列单片机的硬件结构 P3口除了可作为通用准双向I O接口外 每一根口线还具有第二功能 P3口位结构 2 5时钟电路与时序 第二章MCS 51系列单片机的硬件结构 MCS 51单片机本身是一个复杂的同步时序电路 为保证同步工作方式的实现 MCS 51单片机在唯一的时钟信号控制下 严格地按时序执行指令 在执行指令时 CPU以时钟电路的主振频率为基准发出CPU的时序 对指令
13、进行译码 并由时序电路产生一系列控制信号去完成指令所规定的操作 这些控制信号在时间上的相互关系就是CPU时序 CPU产生的时序信号有两类 一类用于片内各功能部件的控制 另一类用于片外存储器或I O端口的控制 2 5 1时钟电路 第二章MCS 51系列单片机的硬件结构 MCS 51单片机的时钟信号产生通常有两种方式 内部时钟方式和外部时钟方式 内部时钟方式 外部时钟方式 2 5 2单片机的时序单位 第二章MCS 51系列单片机的硬件结构 单片机的时序单位有以下几种 时钟周期机器周期指令周期 各时序单位的关系 2 6复位和复位电路 第二章MCS 51系列单片机的硬件结构 复位操作MCS 51单片机
14、复位状态表 复位电路与其它计算机一样 MCS 51单片机系统通常有上电复位和按键复位两种方式 第二章MCS 51系列单片机的硬件结构 最简单的一种上电复位及按键复位电路如图 2 6复位和复位电路 2 7工作方式 第二章MCS 51系列单片机的硬件结构 MCS 51系列单片机中 8051及80C51的工作方式有 复位方式 程序执行方式 掉电方式 低功耗方式以及EPROM编程和校验方式 单片机不同的工作方式 代表单片机处于不同的状态 单片机工作方式的多少 是衡量单片机性能的一项重要指标 2 7 1程序执行方式 第二章MCS 51系列单片机的硬件结构 程序执行方式可分为连续执行和单步执行两种 连续执
15、行方式连续执行方式是从指定地址开始连续执行程序存储器ROM中存放的程序 每读一次程序 PC自动加1 单步运行方式程序的单步运行方式是在单步运行键的控制下实现的 每按一次单步运行键 程序顺序执行一条指令 第二章MCS 51系列单片机的硬件结构 2 7 2掉电保护方式 当CPU执行一条置PCON 1位 PD 为1的指令后 系统即进入掉电工作方式 掉电的含义退出掉电方式的方法 硬件复位 第二章MCS 51系列单片机的硬件结构 2 7 380C51的低功耗方式 HMOS单片机的低功耗工作方式CHMOS单片机的低功耗工作方式电源控制寄存器PCON PCON寄存器的控制格式如下 第二章MCS 51系列单片机的硬件结构 待机工作方式当程序将PCON的IDL位置1后 系统就进入了空闲工作方式 退出空闲方式的方法有两种 一种是中断退出 一种是按键复位退出 掉电工作方式 2 7 380C51的低功耗方式 第二章结束 谢谢 第二章MCS 51系列单片机的硬件结构
