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1、,一、单片机的基本组成 二、单片机的引脚功能 三、单片机的工作方式 四、单片机的时钟时序,内容提要:,一、8051单片机的基本组成,中央处理器CPU：8位，运算和控制功能 内部RAM：共256个RAM单元，用户使用前128个单元，用于存放可读写数据，后128个单元被专用寄存器占用。 内部ROM：4KB掩膜ROM，用于存放程序、原始数据和表格。 定时/计数器：两个16位的定时/计数器，实现定时或计数功能。 并行I/O口：4个8位的I/O口P0、P1、P2、P3。 串行口：一个全双工串行口。 中断控制系统：5个中断源（外中断2个，定时/计数中断2 个，串行中断1个） 时钟电路：可产生时钟脉冲序列，
2、允许晶振频率6MHZ和12MHZ,组成：运算器、控制器。 8051的CPU包含以下功能部件： （1）8位CPU。 （2）布尔代数处理器，具有位寻址能力。 （3）128B内部RAM数据存储器，21个专用寄存器。 （4）4KB内部掩膜ROM程序存储器。 （5）2个16位可编程定时器/计数器。 （6）32个（48位）双向可独立寻址的I/O口。 （7）1个全双工UART（异步串行通信口）。 （8）5个中断源、两级中断优先级的中断控制器。 （9）时钟电路，外接晶振和电容可产生1.2MHz12 MHz的时钟频率。 （10）外部程序/数据存储器寻址空间均为64KB。 （11）111条指令，大部分为单字节指令
3、。 （12）单一+5V电源供电，双列直插40引脚DIP封装。,1. 中央处理器（CPU）,（1）运算器 组成：8位算术逻辑运算单元ALU（Arithmetic Logic Unit）、8位累加器A（Accumulator）、8位寄存器B、程序状态字寄存器PSW（Program Status Word）、8位暂存寄存器TMP1和TMP2等。 功能：完成算术运算和逻辑运算。 （2）控制器 组成：程序计数器PC（Program Counter）、指令寄存器IR（Instruction Register）、指令译码器ID（Instruction Decoder）、堆栈指针SP、数据指针DPTR、定时控
4、制逻辑和振荡器OSC等电路。 功能：CPU根据PC中的地址将欲执行指令的指令码从存储器中取出，存放在IR中，ID对IR中的指令码进行译码，定时控制逻辑在OSC配合下对ID译码后的信号进行分时，以产生执行本条指令所需的全部信号。,2. 存储器,MCS-51的存储器可分为程序存储器和数据存储器,又有片内和片外之分。 （1）程序存储器 一般将只读存储器（ROM）用做程序存储器。可寻址空间为64KB，用于存放用户程序、数据和表格等信息。,MCS-51单片机按程序存储器可分为内部无ROM型（如8031）和内部有ROM型（如8051）两种，连接时 引脚有区别。程序存储器结构如右图所示：,（2）数据存储器,
5、一般将随机存储器（RAM）用做数据存储器。可寻址空间为64KB。MCS-51数据存储器可分为片内和片外两部分。,片外RAM： 最大范围：0000HFFFFH，64KB；用指令MOVX访问。 片内RAM： 最大范围：00HFFH，256B；用指令MOV访问。又分为两部分：低128B（007FH）为真正的RAM区，高128B（80FFH）为特殊功能寄存器（SFR）区。如右图所示。,3特殊功能寄存器（SFR）,MCS-51有21个特殊功能寄存器（也称为专用寄存器），包括算术运算寄存器、指针寄存器、I/O口锁存器、定时器/计数器、串行口、中断、状态、控制寄存器等，它们被离散地分布在内部RAM的80HF
6、FH地址单元中（不包括PC） ，共占据了128个存储单元，构成了SFR存储块。其字节地址可被8整除的SFR可位寻址。SFR反映了MCS-51单片机的运行状态。特殊功能寄存器分布如右表所示。,I/O接口是MCS-51单片机对外部实现控制和信息交换的必经之路，用于信息传送过程中的速度匹配和增加它的负载能力。 8051内部有4个8位并行接口P0, P1, P2, P3，有1个全双工的可编程串行I/O接口。 5定时器/计数器 8051内部有两个16位可编程序的定时器/计数器，均为二进制加1计数器，分别命名为T0和T1。 T0和T1均有定时器和计数器两种工作模式。在定时器模式下，T0和T1的计数脉冲可以
7、由单片机时钟脉冲经12分频后提供。在计数器模式下，T0和T1的计数脉冲可以从P3.4和P3.5引脚上输入。对T0和T1的控制由定时器方式选择寄存器TMOD和定时器控制寄存器TCON完成。,4I/O接口,6中断系统,中断：指CPU暂停原程序执行，转而为外部设备服务（执行中断服务程序），并在服务完后返回到原程序执行的过程。 中断系统：指能够处理上述中断过程所需要的硬件电路。 中断源：指能产生中断请求信号的源泉。 8051可处理5个中断源（2个外部，3个内部）发出的中断请求，并可对其进行优先权处理。外部中断的请求信号可以从P3.2, P3.3（即 和 ）引脚上输入，有电平或边沿两种触发方式；内部中断
8、源有3个，2个定时器/计数器中断源和1个串行口中断源。 8051的中断系统主要由中断允许控制器IE和中断优先级控制器IP等电路组成。,P3口线的第二功能,VCC,VSS,XTAL2XTAL1,RST,P0. 0P0.1P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7,P1. 0P1.1P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7,P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2. 0,ALE,P3. 0P3.1P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7,2、振荡电路：XTAL1、XTAL2,3、复位引脚：RST,4、并行口：P0
9、、P1、P2、P3,7、ALE：地址锁存控制信号,1、电源线：VCC(+5V)、VSS(地),二、MCS-51单片机外部引脚,1电源线 GND：接地引脚。 VCC：正电源引脚。接5V电源。,MCS-51系列单片机中，各类单片机都是相互兼容的，只是引脚功能略有差异。8051单片机有40个引脚，分为端口线、电源线和控制线三类。,2I/O口线 P0P3口：48=32条。,3控制线 （1）RST/VPD RST/VPD引脚是复位信号/备用电源线引脚。当8051通电时，在RST引脚上出现2个机器周期以上的高电平，系统即初始复位。,（2）ALE/,地址锁存允许/编程引脚。当访问外部程序存储器时，ALE的输
10、出用于锁存地址的低位字节，以便P0口实现地址/数据复用。当不访问外部程序存储器时，ALE端将输出一个1/6时钟频率的正脉冲信号。 ALE/ 是复用引脚，其第二功能是对EPROM型芯片（如8751）进行编程和校验时，此引脚传送52ms宽的负脉冲选通信号，程序计数器PC的16位地址数据将出现在P0和P2口上，外部程序存储器则把指令码放到P0口上，由CPU读入并执行。 （3） /VPP 允许访问片外程序存储器/编程电源引脚。对于片内无程序存储器的MCS-51单片机（如8031）， 必须接地。片内有程序存储器的MCS-51单片机（如8051）， 接高电平。 /VPP是复用引脚，其第二功能是片内EPRO
11、M编程/校验时的电源线，在编程时，VPP脚需加上21V的编程电压。,（4）XTAL1和XTAL2,XTAL1脚为片内振荡电路的输入端，XTAL2脚为片内振荡电路的输出端。8051的时钟有两种方式，一种是片内时钟振荡方式，但需在XTAL1和XTAL2脚外接石英晶体（频率为1.212MHz）和振荡电容，振荡电容的值一般取1030pF，典型值为30pF；另外一种是外部时钟方式，即将XTAL1接地，外部时钟信号从XTAL2脚输入，如下图所示。,片外ROM选通线。在执行访问片外ROM的指令MOVC时，8051自动在 引脚产生一个负脉冲，用于对片外ROM的选通。其他情况下，该引脚均为高电平封锁状态。,（5
12、）,三、MCS-51单片机的工作方式,MCS-51系列单片机的工作方式可分为：复位方式、程序执行方式、单片执行方式、掉电保护方式、节电工作方式和EPROM编程/校验方式。 1、复位方式 系统开始运行和重新启动靠复位电路来实现，这种工作方式为复位方式。 单片机在开机时都需要复位，以便CPU及其他功能部件都处于一种确定的初始状态，并从这个状态开始工作。 MCS-51单片机在RST引脚产生两个机器周期（即24个时钟周期）以上的高电平即可实现复位。,单片机复位条件: 必须使RST引脚持续2微秒高电平(外部时钟12MHz),复位电路有两种：上电自动复位和上电/按键手动复位，如下图所示。,复位后，8051
13、的各特殊功能寄存器的初始状态如下表所示。,2、程序执行方式,程序执行方式是单片机基本工作方式，可分为连续执行工作方式和单步执行工作方式。 1连续执行工作方式 这是所有单片机都需要的一种方式。单片机复位后，PC值为0000H，因此单片机复位后立即转到0000H处执行程序。单片机按照程序事先编排的任务，自动连续地执行下去。 2单步执行工作方式 这是用户调试程序的一种工作方式，在单片机开发系统上有一专用的单步按键（或软件调试环境）。按一次，单片机就执行一条指令（仅仅执行一条），这样就可以逐条检查程序，发现问题进行修改。 单步执行方式是利用单片机外部中断功能实现的。,节电工作方式是一种低功耗的工作方式
14、，可分为空闲（等待）方式和掉电（停机）方式。是针对CHMOS类芯片而设计的，HMOS型单片机不能工作在节电方式，但它有一种掉电保护功能。 1HMOS单片机的掉电保护 当VCC突然掉电时，单片机通过中断将必须保护的数据送入内部RAM，备用电源VPD可以维持内部RAM中的数据不丢失。 2CHMOS单片机的节电方式 CHMOS型单片机是一种低功耗器件，正常工作时电流为1122mA，空闲状态时为1.75mA，掉电方式为550A。因此，CHMOS型单片机特别适用于低功耗应用场合，它的空闲方式和掉电方式都是由电源控制寄存器PCON中相应的位来控制。,3、节电方式,1、 单片机的时钟电路,单片机时钟电路通常
15、有两种形式： 1内部振荡方式：MCS-51单片机片内有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。把放大器与作为反馈元件的晶体振荡器或陶瓷谐振器连接，就构成了内部自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。 2外部振荡方式：外部振荡方式就是把外部已有的时钟信号引入单片机内。,四、单片机的时序,内部振荡方式,外部振荡方式,返回本节,P1,P2,S1,P2,振荡周期,时钟周期,机器周期,机器周期,指令周期,XTAL2 (OSC),S2,S3,S4,S5,S6,S1,S2,S4,S5,S3,S6,P1,P1,P1,P1,P1,P1,P1,P1,P1,P1,P1,
16、P2,P2,P2,P2,P2,P2,P2,P2,P2,P2,MCS-51单片机各种周期的相互关系,2、振荡周期、时钟周期、机器周期和指令周期,1振荡周期：为单片机提供时钟信号的振荡源的周期。 2时钟周期：是振荡源信号经二分频后形成的时钟脉冲信号。 3机器周期：通常将完成一个基本操作所需的时间称为机器周期。 4指令周期：是指CPU执行一条指令所需要的时间。一个指令周期通常含有14个机器周期。,若MCS-51单片机外接晶振为12MHz时，则单片机的四个周期的具体值为： 振荡周期1/12MHz1/12s0.0833s 时钟周期1/6s0.167s 机器周期1s 指令周期14s,若单片机外接晶振（主频）
