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1、第2章 MCS51系列单片机 结构及原理,2.1 微型计算机的组成,2.2 MCS-51系列单片机组成原理,2.3 MCS-51单片机引脚,2.4 MCS51单片机I/O接口,2.5 MCS-51寄存器和存储器,2.6 单片机工作的基本时序,2.1 微型计算机的组成,一、硬件结构,1. 中央处理器CPU CPU（Central Processing Unit）是计算机的核心部件, 它由运算器、控制器和寄存器组成, 完成计算机的运算和控制功能。 运算器，又称算术逻辑部件（ALU, Arithmetical Logic Unit）, 主要完成对数据的算术运算和逻辑运算。 控制器（Controlle
2、r），RD,WR信号。 寄存器（Register）, 它们的作用是存放运算过程中的各种数据、地址或其它信息。寄存器种类很多, 主要有: 通用寄存器、累加器A、程序计数器PC等,2.存储器M 存储器分为程序存储器和数据存储器，有8位和16位两种，以8位为主。 程序存储器：用来存放程序和常数的，在单片机执行期间其属于只读，不可写。地址总线的位数决定了可寻址的程序存储器的空间的大小。 数据存储器 ：用来存放程序在运行期间的变量的数据，空间位置由地址总线决定。其可读可写，有的在掉电后数据丢失，有的采用后备电源和FLASH技术可以实现数据的长期保存。,3.输入/输出接口（I/O接口） 输入/输出（I/O
3、）接口由大规模集成电路组成的I/O器件构成, 用来连接主机和相应的I/O设备（如: 键盘、 鼠标、显示器、 打印机等）, 使得这些设备和主机之间传送的数据、信息在形式上和速度上都能匹配。不同的I/O设备必须配置与其相适应的I/O接口。,4.三总线 地址总线 数据总线 控制总线 地址总线（Address Bus AB） 传输地址信号， 用来选择存储器的地址和I/O口的地址，具有单向性，决定空间的寻址大小。 2n n为地址总线宽度。 数据总线（Data Bus DB），用来传输数据信号，实现存储器或I/O口与CPU间数据的传递，具有双向性，其决定了CPU的位。 控制总线（Control Bus C
4、B），用来传输控制信号或状态信号，实现外围器件与CPU间数据的传递，具有双向性。控制总线的位数与CPU的位数无关，与外围的特性有关。,系统总线的特点： a)在某一时刻只能有一个总线主控设备，否则出现竞争。 b)在总线上的多个设备，可以同时从总线上下载数据，这叫广播功能。,二、存储器的分类,1、RAM 随机存储器，通常是指任何快速可写的易失存储器,常用来代表数据存储器。 2、DRAM 动态RAM ，其需要周期性的动态数据刷新，负责存储数据。单元数据将因放电而丢失数据，特点是读写速度快。 3 、SRAM 静态RAM， 一旦数据被写入，只要保持供电，数据就可一直保存而不丢失，数据不需要刷新。,4、S
5、DRAM 同步动态RAM， 数据需要同步时钟信号来控制存取。 5、NVRAM 非易失性静态RAM，即使调电数据也不会丢失，一般是内置了电池的SRAM。 6、FRAM 铁电存储器，不用后备电池，在调电后数据永久保存，数据可擦写1亿次，速度快，功耗低（静态电流1A，写操作150A）.可代替SRAM 、NVRAM、EEPROM、FLASH 7、ROM 只读存储器，一旦写入，存储内容便不能再更改，且可掉电保持，常用来代表程序存储器。,8、EPROM 电可编程ROM，可以采用特定的设备（烧录器）写入数据，并可用紫外线擦除，可重复使用。 9、EEPROM 电可擦除、可编程ROM， 可以用电写入也可用电擦除
6、，与EPROM的存储方式不同。 10、FLASH 闪速存储器，一种可用电写入和存储的存储器，但速度较慢。不用后备电池可实现数据保持。 11、PROM 可编程ROM，只可使用一次的ROM,2.2 MCS-51系列单片机组成原理,目前51单片机的生产厂家有：Intel、Atmel、华邦、菲利普等；型号有：AT89C51,AT89C2051,AT89C52,AT89C55等，它们都有一个相同的C51内核，指令系统完全兼容，只是存储器和I/O接口的配置有所不同。,AT89C51单片机的组成 ： 8位CPU 片内4K bytes FLASH 128 bytes RAM 片内并行 I/O接口 P0、P1、
7、 P2 、P3 片内2个16位定时器/计数器 片内5个中断处理系统 片内全双工串行接口,MCS-51单片机结构,CPU,1、 CPU （1）运算器电路 运算器电路包括ALU（算术逻辑单元）、ACC（累加器）、B寄存器、状态寄存器、暂存器1和暂存器2等部件，运算器的功能是进行算术运算和逻辑运算。 （2）控制器电路 控制器电路包括程序计数器PC、PC加1寄存器、指令寄存器、指令译码器、数据指针DPTR、堆栈指针SP、缓冲器以及定时与控制电路等。控制电路完成指挥控制工作，协调单片机各部分正常工作。,2、 定时器/计数器 MCS51单片机片内有两个16位的定时/计数器，即定时器0和定时器1。它们可以用
8、于定时控制、延时以及对外部事件的计数和检测等。 3、存储器 MCS51系列单片机的存储器包括数据存储器和程序存储器，程序存储器4K bytes Flash，数据存储器128 bytes RAM。 4、并行I/O口 MCS51单片机共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2和P3），每一条I/O线都能独立地用作输入或输出。P0口为三态准双向口，能带8个TTL门电路，P1、P2和P3口为准双向口，负载能力为4个TTL门电路。,5、串行I/O口 MCS51单片机具有一个采用通用异步工作方式的全双工串行通信接口，可以同时发送和接收数据。 6、中断控制系统 8051共有5个中断源，即外中断2个，定时/计数
9、中断2个，串行中断1个。 7、 时钟电路 MCS51芯片内部有时钟电路，但晶体振荡器和微调电容必须外接。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列，振荡器的频率范围为1.2MHz24MHz，典型取值为12MHz。 8、总线 系统的地址信号、数据信号和控制信号都是通过总线传送的，总线结构减少了单片机的连线和引脚，提高了集成度和可靠性。,2.3 MCS-51单片机引脚,1、I/O口线功能 4个8位并行 I/O 接口引脚P0.0 P0.7 、P1.0P1.7 、P2.0P2.7 和 P3.0P3.7 为多功能引脚，可自 动切换用 作数据总线、地址总线、控制总线 和或I/O 接口外部引脚 2、控制线 ALE：
10、地址锁存允许信号端 PSEN： 外部程序存储器读选通信 号端 EA/VPP：程序存储器选择信号端 和编程电源输入端,3、复位,RST：复位信号端和后备电源输入端。 输入10ms以上高电平脉冲，单片机复位。 VPD使用后备电源，可实现掉电保护。,4、电源 工作电源：VCC=5V、VSS,复位后各个寄存器和I/O的状态： PC=0000H，PSW=00H, SP=07 TH0=TL0=TH1=TL1=00H，P0=P1=P2=P3=0XFFH，IE=00H，A=B=00H,5、时钟,时钟频率: 范围要求在1.2MHz24MHz之间。 一般从外部振荡器输入时钟信号。,机器周期: 完成一个基本操作所需
11、要的时间。 一个机器周期由12个振荡周期组成。 指令周期: 一条指令的执行时间。 以机器周期为单位：单周期、双周期和四周期指令。 思考题：设应用单片机晶振频率为12MHz， 问机器周期为多少？单指令周期为多少？,2.4 MCS51单片机输入/输出（I/O）口 2.4.1 P0口 下图给出了P0口的逻辑结构，它由一个锁存器、两个三态输入缓冲器、一个多路复用开关以及控制电路和驱动电路等组成。,图 P0口的逻辑结构,0,1,P0口可以作为输入输出口，在实际应用中它通常作为地址/数据复用总线。 （1）I/O口使用： 外部要加上拉电阻。 输出 输入 准双向I/O口： 先置1 ，再读。 （2）地址/数据总
12、线复用,P0口可以作为输入输出口，在实际应用中它通常作为地址/数据复用总线。作为通用I/O口使用时，P0口为 准双向口。 2.4.2 P1口 P1口是一个准双向口，通常作为I/O口使用，其位结构如图。由于在其输出端接有上拉电阻，故可以直接输出而无需外接上拉电阻。,图 P1口位结构图,2.4.3 P2口 P2口位结构图如图。P2通用为一个准双向口，其位结构与P0口相似。对于8031单片机来说，P2口通常用作高8位地址信号输出。,图 P2口位结构图,2.4.4 P3口 P3口的位结构图如图。P3口为双功能口，当P3口作为通用I/O口使用时，它为准双向口，且每位都可定义为输入或输出口，其工作原理同P
13、1口类似。,图 P3口的位结构图,P3口还具有第二功能，其引脚描述如表。 表 P3口特殊功能,2.5 MCS-51寄存器和存储器,MCS51的存储器结构如图所示。存储器分为：程序存储器，数据存储器。另外它们分别又分为内部和外部。可寻址能力都为64K bytes。,内部,一、 内部数据存储器,2.5.1 数据存储器,MCS51数据存储器的寻址空间能够达到64K，它们内部数据存储器（RAM）空间一般为128，外部可扩展为64K。,1. 内部数据存储器低128单元（00H7FH） 工作寄存器区： 00H1FH 位寻址区： 20H2FH 用户RAM区： 30H7FH,2. 内部数据存储器高128单元（
14、80HFFH） 专用寄存器区,也称作特殊功能寄存器区（SFR）,其它预留区。,表 专用寄存器区,累加器ACC 累加器为8位寄存器，助记符为A。加、减乘和除等算术运算指令的运算结果都存放在累加器A或AB寄存器中，在变址寻址方式中累加器被作为变址寄存器使用。 B寄存器 B寄存器为8位寄存器，主要用于乘除指令中。乘法指令的两个操作数分别取自累加器A和寄存器B，其中B为乘数，乘法结果的高8位存放于寄存器B中。除法指令中，被除数取自A，除数取自B，除法的结果商数存放于A，余数存放于B中。在其它指令中，B寄存器也可作为一般的数据单元来使用。 程序状态字PSW 程序状态字是一个8位寄存器，它包含程序的状态信
15、息。PSW的各位定义如表。,表 PSW的各状态位定义,(1) CY：进位标志位 在执行某些算术和逻辑指令时，可以被硬件或软件置位或清零。在算术运算中它可作为进位标志，在位运算中，它作累加器使用，在位传送、位与和位或等位操作中，都要使用进位标志位。 (2) AC：辅助进位标志 进行加法或减法操作时，当发生低四位向高四位进位或借位时，AC由硬件置位，否则AC位被置“0”。在进行十进制调整指令时，将借助AC状态进行判断。,(3)用户标志位F0 该位为用户定义的状态标记，用户根据需要用软件对其置位或清零，也可以用软件测试F0来控制程序的跳转。 (4)RS1和RS0：寄存器区选择控制位 该两位通过软件置
16、“0”或“1”来选择R0R7所在的当前工作寄存器区。 RS1 RS0 寄存器区 地 址 0 0 0 0007H 0 1 1 080FH 1 0 2 1017H 1 1 3 181FH (5)OV：溢出标志位 OV1表示运算结果超出了累加器A所能表示的符号数有效范围（0255），即运算结果是错误的，反之，OV0表示运算正确，即无溢出产生。OV=CY7CY6,(6) P：奇偶标志位 每个指令周期由硬件来置位或清零用以表示累加器A中1的个数的奇偶性，若累加器中1的个数为奇数则P1，否则P0。 数据指针DPTR 数据指针DPTR为一个16位的专用寄存器，其高位用DPH表示，其低位用DPL表示，它即既可以作为一个16位的寄存器来使用，也可作为两个8位的的寄存器DPH和DPL使用。DPTR在访问外部数据存储器时既可
