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1、第2章 MCS-51单片微型计算机结构,本章主要介绍MCS-51系列的8051的基本结构、 工作原理、存储器结构、P0、P1、P2、P3四个I/O口 的基本工作原理和操作特点。单片机的各种工作方 式、单片机的时序等。,20世纪80年代中期,Intel公司将8051(属MCS-51系列)内核使用权以专利互换和出售形式转让给许多著名IC厂商,如Philips、Siemens、AMD、OKI、NEC、Atmel等，这样8051就成为有众多制造商支持并发展出上百种的大家族。,MCS-51单片机的结构原理,一、计算机的经典组成 计算机的经典结构见图1.1 所示。这种结构是由计算机的开拓者数学家约翰冯诺依
2、曼最先提出的，所以就称之为冯诺依曼计算机体系结构，也叫普林斯顿结构。,图 1.1 计算机经典结构,二、 MCS-51单片机的基本组成,(一) 8051单片机的结构,(二) MCS-51 系列简介,MCS-51 系列单片机是Intel 公司1980 年推出的高性能 8 位单片机。典型产品为8051，其内部资源分配和性能如 下： 1、8 位CPU,寻址能力达64KB； 2、4KB 的ROM 3、128 字节RAM； 4、4 个8 位I/O 并行接口电路； 5、一个串行全双工异步（串行）接口； 6、5 个中断源和两个中断优先级； 7、21个特殊功能寄存器 8、2个16位定时计数器,CPU,数据存储器
3、RAM,程序存储器ROM,8051单片机的结构,P1,P0,P2,P3,特殊功能寄存器,I/O 数据总线/地址总线低8位,I/O,I/O 地址总线高8位,I/O,(三) MCS-51单片机内部结构 1、中央处理器（CPU）:运算器、控制器 微处理器指挥机构 1）运算器：完成运算、位处理任务。 （1）8位算术逻辑运算单元ALU（Arithmetic Logic Unit） （2）8位累加器ACC（Accumulator） ,简称 A （3）8位寄存器B （4）程序状态字寄存器PSW（Program Status Word）,2）控制器：完成状态检测、中断处理 （1）程序计数器PC:指令地址 （2
4、）堆栈指针SP:要保护的指令、寄存器等地址 （3）数据指针DPTR:数据地址 （4）时钟发生器及定时控制逻辑等组成：工作时钟,返回主画面,(四) MCS-51单片机的存储器,1、存储器：用来存放数据和程序。 半导体存储器按其存取方式可分为两大类： 随机存储器RAM (Random Access Memory) 只读存储器ROM (Read Only Memory) RAM： 在程序运行过程中可读可写，但掉电后信息 丢失，常用来存放数据，因此也叫数据存储器。 ROM： 在程序运行过程中存储单元内的内容只能读 出而不能存入，但掉电后信息不丢失，常用来存放程 序,因此也叫程序存储器存储器：用来存放数
5、据和程 序。,2、存储器结构： 至今为止,微型计算机的存储器有两种结构形式。一种是将程序存储器和数据存储器采取统一的地址编码结构，即传统微型计算机的存储器结构，称为冯诺依曼结构，也叫普林斯顿结构。另一种是将程序存储器与数据存储器分开的地址编码结构，称为哈佛结构。所示。单片机通常采用哈佛结构。 普林顿结构：程序、数据合用一个存储空间。(通用计算机) 哈佛结构：程序、数据存储空间截然分开。 (单片机),微型计算机存储器结构,3、 MCS-51单片机的数据存储器,片内数据存储器 片外数据存储器,返回单片机的结构,特 殊 功 能 寄 存 器,00H,1FH,20H,2FH,30H,7FH,80H,FF
6、H,特殊功能寄存器中位寻址,外 部 RAM (I/O口 地址),0000H,FFFFH,内部数据存储器 （a）,外部数据存储器 （b）,工作寄存器区,位寻 址区,返回数据存储器,00FFH,一页,通用RAM区,片外数据存储器,外部数据存储器又称外部RAM，当片内RAM不能满足数量上的要求时，可通过总线端口和其他I/O口扩展外部数据RAM，其最大容量可达64K字节。 片内、片外数据存储器统一编址，片内、片外低256字节是重复的，但操作时使用的指令不同。所以不会发生数据读错现象。 内部RAM MOV A，30H 外部RAM MOVX A，30H,去存储器结构图,内部数据存储器中的位地址,ACC E
7、0H ACC.7ACC.0 E7HE0H 累加器 B F0H B.7B.0 F7HF0H 寄存器 PSW D0H PSW.7PSW.0 D7HD0H 程序状态字 SP 81H 堆栈指针 DPH 83H 数据指针高8位 DPL 82H 数据指针低8位 P0 80H P0.7P0.0 87H80H I/O端口，P0口 P1 90H P1.7P1.0 97H90H I/O端口，P1口 P2 A0H P2.7P2.0 A7HA0H I/O端口，P2口 P3 B0H P3.7P3.0 B7HB0H I/O端口，P3口,IP B8H IP.7IP.0 BFHB8H 中断优先控制器 IE A8H IE.7I
8、E.0 AFHA8H 中断允许控制器 TMOD 89H 定时器方式选择 TCON 88H TCON.7TCON.0 8FH88H 定时控制寄存器 TL0 8AH 定时器T0低8位 TH0 8CH 定时器T0高8位 TL1 8BH 定时器T1低8位 TH1 8DH 定时器T1高8位 PCON 87H 电源控制及波特率选择 SCON 98H SCON.7SCON.0 9FH98H 串行口控制 寄存器 SBUF 99H 串行口数据缓冲器,返回,（3）程序存储器,程序存储器的结构如图（c）所示，包括片内和片外程序存储器两个部分。其主要用来存放编好的用户程序和表格常数，它以16位的程序计数器PC作为地址
9、指针，故寻址空间为64KB。,外部 ROM,0000H,0000H,0FFFH,0FFFH,1000H,FFFFH,程序存储器 （c）,返回单片机的结构,2、输入/输出（I/O）端口结构,MCS-51单片机有4个双向并行的8位I/O口P0P3， (1) P0口为三态双向口，可驱动8个TTL电路 (2) P1、P2、P3口为准双向口（作为输入时，口线被拉成高电平，故称为准双向口），其负载能力为4个TTL电路。 把100uA的输入电流定义为一个TTL负载,P0.X 锁存器,&,读锁存器,地址/数据,控制“0”,读引脚,MUX,T2,T1, P0口的结构,“0”,“1”,“1”,“0”,截止,截止,
10、作I/O使用时,漏极 开路,“0”,“1”,导通,“0”,“1”,导通,CPL P0.0,控制“1”,返回单片机结构,图2-10 P0口的一位结构图,MOV A,P0,P0口两种功能 : 地址/数据复用、基本I/O,)地址/数据复用: 单片机系统扩展外部存储器时，P0口作地址/ 数据复用，访问外部数据存储器时，CPU发高电 平，模拟开关打在上方。如果执行输出数据的指 令，分时输出的地址/数据经非门、T1、T2送到 引脚上。当地址或数据为“1”时，T2截止，T1导 通，管脚出现高电平；当地址或数据为“0”时， T1截止，T2导通，管脚出现低电平；,）I/O: 系统无扩展时，P0作I/O用，控制信
11、号 为“0”开关打在下面，T1截止。 输出数据为“0”时，当发出写脉冲后，Q 输出 “1”，T2导通，P0管脚为“0”；输出数据为“1” 时，T2截止，通过上拉电阻使P0管脚为“1” 输入数据时，当“读引脚”信号有效时，打开 下面的输入缓冲器使数据进入内部总线。, P1口的结构,VCC,P1.X 锁存器,读锁存器,D,读引脚,写锁存器,内部总线,Q,Q,T,P1.X,内部上拉电阻,CL,图2-11 P1口的一位结构图,试分析P1口输入、输出、端口工作过程 a)图中场效应管V1与上拉电阻组成输出驱动器，以 增大负载能力，三态门1是输入缓冲器，三态门2在 端口操作时用。 b) P1口只有一种功能，
12、通用输入/输出接口，有三 种工作方式 输出方式：单片机执行指令 MOV P1，#data； 将单片机内数据经P1口送出，P1口工作于输出方式 数据data经内部总线送入锁存器锁存，如某位为1， 则锁存器输出 Q=1， Q=0，T截止，P1.i 出现高电平；若某位为0， 则锁存器输出 Q=0， Q=1，T导通，P1.i 出现低电平。,输入方式：单片机执行指令MOV A，P1； 将P1口数据送累加器A，P1口工作于输入方式。 控制器发出读信号打开三态门1， P1.i的数据 经三态门1进入内部总线，并送到累加器A，输入 无锁存功能。 问题： 1、试分析P1口输入、输出、端口工作过程 2、P1口作输入
13、时为什么要先用输出指令 置P1口为高？ 3、计算51单片机有多少个位寻址空间？, P2口的结构,图2-12 P2口的一位结构图,VCC,P2.X 锁存器,读锁存器,地址,控制,D,读引脚,写锁存器,内部总线,Q,Q,MUX,T,P2.X,内部上拉电阻,CL, P3口的结构,图2-13 P3口的一位结构图,VCC,P3.X 锁存器,读锁存器,第二输出功能,D,读引脚,写锁存器,内部总线,Q,Q,T,P3.X,内部上拉电阻,第二输入功能,CL,P3口的第二功能表,返回单片机结构,三、 MCS-51单片机芯片引脚描述,图为MCS-51单片机的引脚配置图。 1主电源引脚VCC和VSS 2外接晶振引脚X
14、TAL1和XTAL2 3控制或其他电源复用引脚RST、ALE/PROG、EA/VPP 4输入/输出引脚P0、P1、P2、P3（共32根）,ALE,RESET,ALE,用户I/O,控制总线CB,锁存器,地址总线AB,数据总线DB,单片机三总线,16根地址总线 扩展地址空间 216=65536字节,总线 ：三总线，信息传输的通道 数据总线（DB，双向）：实现微处理器、 存储器、I/O之间的数据交换。 地址总线（AB）：单向，确定存储器地 址、I/O地址。 控制总线（CB）：传送各种控制信息，协 调计算机各部分工作。,五、几个常用特殊功能寄存器介绍,1、累加器A（0E0H） 累加器是一个最常用的专用
15、寄存器，其自身 带有全零标志Z，若A=0则Z=1；若A0则Z0。该 标志常用作程序分支的判断条件。 如JZ LOOP（判累加器A的内容为零时转移到标 号为LOOP的程序处）。,返回,CY,进位位标志,AC,半进位位标志,F0,用户标志,OV,P,D7,D6,D5,D2,D1,D0,工作寄存器组 选择,溢出标志,无效位,奇偶标志位,返回,PSW：程序状态字寄存器，共8位。,RS1、RS0：工作寄存器组选择 （如下表所示）。 如 MOV PSW，#18H；用2组工作寄存器,返回,四组 工作寄存器 R7R0,3. 特殊功能寄存器,专用寄存器的地址映像如表2-4所示。 完成状态检测、中断处理。 1)堆
16、栈指针SP:保护断点、现场保护 2）数据指针DPTR：指针 指向16位地址 3）定时/计数器：内部时钟/外部计数,表2-4 特殊功能寄存器地址及功能表,表2-4 特殊功能寄存器地址及功能表,4、位寻址,共211个位寻址空间 其中：00FFH （128位） 特殊功能寄存器中的B、ACC、PSW、IP、 P3、IE、P2、SCON、P1、TCON、P0共88 位中的83位。,CPU的时序及辅助电路,1、 单片机的时钟电路 2、 振荡周期、时钟周期、机器周期和指令周期 3、 MCS-51单片机指令的取指和执行时 4、 单片机复位电路及复位状态,返回本章首页,1、 单片机的时钟电路,单片机时钟电路通常有两种形式
