第2章―MCS-51单片机的结构及原理

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1、第2章 MCS-51单片机结构及原理,2.1 MCS-51单片机结构 2.2 MCS-51的存储器结构 2.3单片机的复位、时钟与时序 2.4并行I/O口,2.1 MCS-51单片机结构 2. 1.1 MCS-51单片机的内部结构 2. 1.2 MCS-51引脚及功能 2.2 MCS-51的存储器结构 2.3单片机的复位、时钟与时序 2.4并行I/O口,第2章 单片机结构及原理,SCM将通用微计算机基本功能部件集成在一块芯片上构成的一种专用微计算机系统,SCM = CPU+RAM+ROM+I/O+T/C+INT+UART,第2章 单片机结构及原理,80C51=(18)CPU+128BRAM+4

2、KBROM+ (216)T/C + (48)I/O + 1个UART+5个中断源,第2章 单片机结构及原理,80C51单片机的内部资源主要包括：,8位中央处理器（CPU）； 片内振荡器和时钟电路； 4KB片内程序存储器(ROM)； 128字节的片内RAM； 4个8位双向I/O口； 5中断源； 2个16位定时器/计数器； 1个全双工串行口；,第2章 单片机结构及原理,本节介绍 下节介绍 下节介绍 下节介绍 下节介绍 第5章介绍 第6章介绍 第7章介绍,单片机CPU = 控制器 + 运算器,第2章 单片机结构及原理,1、控制器,作用：统一指挥和控制计算机协调工作 组成：程序计数器PC+指令译码器I

3、D+数据指针DPTR +其它专用寄存器 功能： (1)从存储器中取出下一条要执行的指令（取指） (2)对取出的指令进行识别（译码） (3)指挥运算器运算或控制数据传送（指挥）,第2章 单片机结构及原理,（1）程序计数器（Program CounterPC）,指令地址寄存器，永远存放着下一条指令的地址， PC的变化规律决定着程序的流程,第2章 单片机结构及原理,特点： 具有16位字长可寻址范围216（=64KB） 具有自动加1功能（计数器）顺序运行程序功能 具有可被指令修改功能跳转运行程序功能 复位时，PC值为0 复位后程序从0开始运行,第2章 单片机结构及原理,（2）数据指针寄存器（Data

4、Pointer DPTR）,16位字长，可寻址范围216(64KB) 用于表示存储器数据地址的指针 可拆为2个8位的独立寄存器DPL和DPH,35H,77H,F4H,94H,9EH,DPTR指针,xxH,xxH,xxH,xxH,xxH,ROM,RAM,DPL,DPH,第2章 单片机结构及原理,2、运算器,作用：对数据进行算术运算和逻辑操作 组成：算术/逻辑部件ALU +累加器ACC+程序状态字寄存器PSW+其它工作单元 功能： (1)对暂存器中的数据进行运算 (2)结果保存在ACC中 (3)运行状态反映在PSW中,第2章 单片机结构及原理,（1）累加器（AccumulaterA）,累加器A是一

5、个8位寄存器，用来存放操作数或中间运算结果； 通过暂存器与ALU相连； 它是CPU中使用最频繁的寄存器。,第2章 单片机结构及原理,（2）程序状态字寄存器（Program State WordPSW）,PSW是一个8位的专用寄存器，用于存放程序运行过程中的各种状态信息。 PSW中的各位信息通常是在指令执行过程中自动形成的，但也可以由传送指令加以改变。 PSW各位的定义：,按位置定义的名称,按功能定义的名称,第2章 单片机结构及原理,（2）程序状态字寄存器（Program State WordPSW）,PSW是一个8位的专用寄存器，用于存放程序运行过程中的各种状态信息。 PSW中的各位信息通常是

6、在指令执行过程中自动形成的，但也可以由传送指令加以改变。 PSW各位的定义：,按位置定义的名称,按功能定义的名称,第2章 单片机结构及原理,CY（PSW.7）进位标志 在进行加或减运算时，如果操作结果最高位有进位或借位时，CY由硬件置“1”，否则清“0”。,用途：1、根据CY判断加减运算时有无进位或借位； 2、在位操作中CY可作为位累加器用。,举例,第2章 单片机结构及原理,AC（PSW.6）辅助进位标志 在进行加或减运算时，如果操作结果的低四位数向高四位产生进位或借位时，将由硬件置“1”，否则清“0”。,举例,用途：1、根据AC判断加减运算时有无半进位或半借位； 2、在BCD码调整运算中要用

7、到AC标志,第2章 单片机结构及原理,F0（PSW.5）和F1（PSW.1）用户标志位 可作为用户自行定义的一个状态标记,第2章 单片机结构及原理,RS1和 RS0（PSW.4和 PSW.3）工作寄存器组指针 用于选择CPU当前工作寄存器组,第2章 单片机结构及原理,OV（PSW.2）溢出标志 在有符号数运算或乘除运算中若有异常结果，OV置1，否则清0。 根据运算过程中的D6和D7位的变化由硬件自动形成OV值,用途：判断有符号数运算或乘除运算的结果是否正常。,第2章 单片机结构及原理,OV=C6Y C7Y=1 0=1,101111011100001011000011,正数的补码是它本身，负数的

8、补码是 除符号位外每位求反，然后末尾加1,OV=C6Y C7Y=1 1=0,111010111001010010010101,运算出错,运算正确,举例,举例,第2章 单片机结构及原理,P（PSW.0）奇偶标志位 该位始终跟踪累加器A中含“1”个数的奇偶性 如果A中有奇数个“1”，则P置“1”，否则置“0”,举例 若A=10011111，则P=0 若A=11000001，则P=1,用途：用于串行通讯中的数据校验，判断是否存在传输错误。,第2章 单片机结构及原理,第2章 单片机结构及原理,2.1 MCS-51单片机结构 2. 1.1 MCS-51单片机的内部结构 2. 1.2 MCS-51引脚及功

9、能 2.2 MCS-51的存储器结构 2.3单片机的复位、时钟与时序 2.4并行I/O口,MCS-51系列单片机的封装方式与制造工艺有关，采用HMOS制造工艺的51单片机一般采用40只引脚的双列直插封装（DIPdual in-line package）,第2章 单片机结构及原理,MCS-51单片机除了采用DIP封装方式外，还采用44只引脚方形扁平封装（QFP quad flat package）方式，其中4只是无用的。,第2章 单片机结构及原理,DIP引脚分布,电源及晶振引脚（共4只） 控制引脚（共4只） 输入/输出引脚 （共32只）,第2章 单片机结构及原理,（1）电源及晶振引脚,VCC(4

10、0脚)：+5V电源引脚 VSS(20脚)： 接地引脚,XTAL1(19脚)；外接晶振引脚（内置放大器输入端） XTAL2(18脚)：外接晶振引脚（内置放大器输出端）,第2章 单片机结构及原理,（2）控制引脚,ALE/PROG(30)为地址锁存使能输出/ 编程脉冲输入,RST/VPD(9)为复位/ 备用电源引脚,PSEN(29)：输出访问片外程序存储器读选通信号,EA/ VPP (31)：外部ROM允许访问/ 编程电源输入,第2章 单片机结构及原理,（3）并行I/O口引脚,共计48 = 32 个引脚，其中： P0.0P0.7（3932脚）P0口； P1.0P1.7（18脚）P1口； P2.0P2

11、.7（2128脚）P2口； P3.0P3.7（1017脚）P3口。,P0P3是单片机对外联络的重要通道,第2章 单片机结构及原理,2.1 MCS-51单片机结构 2.2 MCS-51的存储器结构 1.存储器划分方法 2 .程序存储器 3. 数据存储器 2.3单片机的复位、时钟与时序 2.4并行I/O口,第2章 单片机结构及原理,计算机存储器地址空间的两种结构形式： 普林斯顿结构和哈佛结构。,RAM和ROM统一编址,RAM和ROM分别编址,第2章 单片机结构及原理,MCS-51系列单片机采用 哈佛结构，存储器配置如图 ：,共有四个物理存储空间，或三个逻辑存储空间。,第2章 单片机结构及原理,第2

12、章 单片机结构及原理,2.1 MCS-51单片机结构 2.2 MCS-51的存储器结构 1.存储器划分方法 2 .程序存储器 3. 数据存储器 2.3单片机的复位、时钟与时序 2.4并行I/O口,作用：存放程序、表格或常数（非易失性掉电保存） 字长：8位 数量：4KB,1KB=1024字节（0-03FFH） 4KB=4096字节（0-0FFFH） 8KB=8192字节（0-1FFFH） ,80C51的4KB片内ROM,第2章 单片机结构及原理,ROM的6个特殊存储器单元引导程序跳转 0000H：复位后程序自动运行的首地址 0003H：外部中断0入口地址 000BH：定时器0溢出中断入口地址 0

13、013H：外部中断1入口地址 001BH：定时器0溢出中断入口地址 0023H：串行口中断入口地址 程序一般应安排在0030H地址以后,第2章 单片机结构及原理,a） 同时使用片内和片外ROM b）ROM地址分布,当EA引脚接高电平（开关接A点）时，4 KB以内的地址在片内ROM，大于4KB的地址在片外ROM中（图中折线），两者共同构成64KB空间； 当EA引脚接低电平（开关接B点）时，片内ROM被禁用，全部64KB地址都在片外ROM中（图中直线）。,第2章 单片机结构及原理,第2章 单片机结构及原理,2.1 MCS-51单片机结构 2.2 MCS-51的存储器结构 1.存储器划分方法 2 .

14、程序存储器 3. 数据存储器 2.3单片机的复位、时钟与时序 2.4并行I/O口,作用：存放程序运行结果 字长：8位 数量：256B,30H,低128B（ 00H7FH ）为普通RAM区 高128B （80HFFH）为特殊功能寄存器区,第2章 单片机结构及原理,(1) 低128字节的区域 工作寄存器区（00H-1FH） 可位寻址区（20H-2FH） 用户RAM区（30H-7FH）,第2章 单片机结构及原理,区共有32个字节单元（00H1FH），分为4组，每组8个单元，命名为工作寄存器R0R7)。 任一时刻CPU只能选用一组工作寄存器为当前工作寄存器组。,当前工作寄存器组通过PSW中的RS1和R

15、S0标志位（工作寄存器组指针）进行设置。,第2章 单片机结构及原理,注意：CPU复位后RS1和 RS0默认值为0，即默认第0组为当前工作寄存器组。,第2章 单片机结构及原理,利用Rn寄存器进行编程可以提高编程效率： 1）不必考虑存储单元的具体地址 2）可在同名Rn之间进行快速切换 3）寄存器寻址执行指令的速度快,寄存器（Register）与存储器（Memory）的概念： 寄存器是指一些由与非门构成的结构，而Memory则由MOS管构成。寄存器访问速度快，但是所占面积大。而Memery所占面积小，可以集成较大容量，但访问速度较慢。 在51单片机中两者差别不大，甚至部分寄存器和存储器是重合的，如R

16、n与区RAM，SFR与高128字节RAM区。,第2章 单片机结构及原理,区共有16个字节单元（20H2FH），又可划分为128个位地址单元（ 00H 7FH），可按两种方式存取数据。,第2章 单片机结构及原理,例如，欲将地址(20H)中存放数 0111 0010B的最高位改为1， 而其余不变。,特点：位地址可以增强对数据处理的灵活性,方法1，用 数1000 0000B与(20H)的内容进行“或”运算 MOV A,20H ;先将 20H的内容传入A里 OR A,#80H ;再对A进行80H的“或”运算 方法2，直接针对最高位进行“置位”操作 SETB 07H ;07H为20H最高位的位地址,第2章 单片机结构及原理,区共有80个字节单元（ 30H7FH），是用