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1、第9章 . MCS-51单片机结构及原理,9.1 单片机基础知识(回顾)9.2 MCS-51单片机的组成与结构9.3 MCS-51单片机的存储器9.4 MCS-51单片机的I/O口9.5 MCS-51单片机的时钟电路与时序9.6 MCS-51单片机的复位电路,单片机原理及接口技术第2章,9.1 有关单片机(回顾),微型计算机的分类,按系统规模分类：,单片机个人计算机(台式机Desktop)笔记本电脑(Laptop)掌上电脑,单片机的概念：,单片机即单片微型计算机，它是将微处理器(CPU)、一定容量的程序存储器(ROM)和数据存储器(RAM)、输入/输出接口(I/O)、时钟及其它一些计算机外围电
2、路，通过总线连接在一起并集成在一个芯片上，构成的微型计算机系统。,单片机也称为微控制器(MiCrocontroller Unit, MCU)、嵌入式控制器(Embedded MiCrocontroller Unit, EMCU)。,单片机的分类：,单片机分为通用型和专用型两种，通用型单片机把可开发的内部资源全部提供给用户，内部资源丰富、性能全面、适应性强。专用型单片机针对某些产品的特定用途而制作，是MCU发展的一个趋势。,单片机的特点：,(1) 集成度高，功能强。单片机在一块芯片上集成了CPU、RAM、ROM、I/O接口等资源，在芯片上还包含了中断系统、串行通信接口、定时器/计数器等功能部件。
3、芯片功能强、体积小、集成度高。(2) 具有很高的性价比。单片机尽可能地把应用所需的各种资源集成在一块芯片内，性能高，但是价格却相对较低廉。(3) 抗干扰能力强。单片机是面向工业检测、控制环境设计的，因此，抗噪声干扰能力较强。程序固化在ROM类型的存储器中不易被破坏；许多资源集成在一个芯片，可靠性高。,单片机的发展：,第1阶段(19711976)：单片机萌芽阶段。 第2阶段(19761980)：初级单片机阶段。第3阶段(19801983)：高性能单片机阶段。 第4阶段(19831990)：8位单片机巩固发展及16位单片机推出阶段。 第5阶段(1990 )：单片机在集成度、功能、速度、可靠性、应用
4、领域等方面高速发展。,发展方向,(1) 内部结构 （硬件结构包括指令结构）(2) 功耗和电源电压方面 (3) 工艺的进步及抗干扰能力的提高 (4) 存储能力和Internet连接,1、8051类单片机 （属MCS-51系列）2、Motorola单片机 3、Microchip单片机 4、华邦单片机 5、Philips单片机 6、Epson单片机 7、NS单片机 8、AT89、ATMega系列9、其它单片机,单片机的系列产品,本章学习要求,1、掌握MCS-51单片机的内部结构特点。,3、掌握MCS-51单片机的基本工作原理。,2、了解单片机并行I/O口的结构特点。,4、掌握单片机存储器的扩展方法。
5、,9.2 MCS-51单片机的组成与结构,9.2.1 MCS-51的基本组成,MCS-51单片机(以8051为例，Intel产品),1个8位CPU；,1个片内振荡器及时钟电路；,128字节RAM（数据存储器）；,4K字节ROM（程序存储器）；,2个16位定时器/计数器；,32条可编程的I/O线（四个8位并行I/O端口）；,1个全双工串行口；,5个中断源；,MCS-51单片机的逻辑结构,9.2.2 MCS-51单片机的引脚与功能,逻辑符号,8051,引脚分配,P0,P1,P2,P3,引脚分配,P0,P1,P2,P3,(1) P0口（32脚39脚）有两种使用方法：作为与外部传送数据的8位数据总线（
6、D0D7）。作为扩展外部存储器时的低8位地址总线（A0A7）。,(2) P1口（1脚8脚）作为普通I/O口使用，无须外接上拉电阻(80C52的P1.0和P1.1还具有第二功能，见表),引脚分配,P0,P1,P2,P3,(3) P2口（21脚28脚）有两种使用方法： 作为普通I/O口使用，无须外接上拉电阻。 作为扩展外部存储器时的高8位地址总线(A8A15)。,(4) P3口（10脚17脚）作为普通I/O口使用，无须外接上拉电阻；各引脚具有第二功能，见下表。,P1口与P3口的第二功能,(5) VDD（40脚）： +5V电源。(6) VSS（20脚）： GND(7) XTAL1（19脚） XTAL
7、2（18脚）：接外部石英晶振的引脚，也可引入外部时钟。(8)RESET（9脚）：复位信号引脚。必须在此引脚上出现两个机器周期的高电平，才能保证单片机可靠的复位。复位后，单片机内部各寄存器的状态如下表所示。,引脚分配,P0,P1,P2,P3,复位后单片机各寄存器的内容,(9) ALE/PROG（30脚）：地址锁存允许信号。有以下两个作用： 当外接存储器（RAM/ROM）时，ALE（允许地址锁存）的输出用于锁存地址的低8位。一般ALE接锁存器的EN端。 当没有外部存储器时，ALE端可输出脉冲信号，此频率为石英振荡频率的1/6。因此，它可用作对外部芯片提供输出的时钟，或用于定时的目的。(10) PS
8、EN（29脚）：外部程序存储器的读选通信号,引脚分配,P0,P1,P2,P3,(11) /VPP（脚31）：访问程序存储器控制信号。 当信号接低电平时，对ROM的读操作（执行程序）限定在外部程序存储器。 当接高电平时，对ROM的读操作（执行程序）从内部开始。在使用内部带程序存储器的单片机时，应接高电平。,引脚分配,P0,P1,P2,P3,MCS-51单片机的逻辑结构,9.2.3 MCS-51单片机的内部结构,一、中央处理器 (CPU),CPU由运算器和控制器组成，它是单片机的核心，完成运算和控制操作。,1、运算器,组成： 算术逻辑运算器ALU、布尔处理器、算术累加器ACC、寄存器B、暂存器TM
9、P1和TMP2、程序状态字PSW寄存器、布尔累加器Cy及十进制调整电路等。,功能： 进行移位、算术运算和逻辑运算；MCS-51运算器还包含有一个布尔（位）处理器，用来处理位操作。,(1)、累加器ACC (8位),暂存操作数及保存运算结果。ACC是MCS-51单片机中最繁忙的寄存器。,(2)、寄存器B (8位),用于乘法、除法运算，对于其它指令可作为一个寄存器使用。,(3)、程序状态字PSW寄存器 (8位),存放累加器ACC在运算过程中标志位（P，OV，AC，Cy）的状态；指出CPU所使用的当前工作寄存器组。,CY,AC,F0,RS0,OV,P,RS1,PSW.7,PSW.0,PSW.6,PSW
10、.5,PSW,CY (PSW.7) 进位/借位标志位,若ACC在运算过程中发生了进位或借位，则CY=1；否则=0。它也是布尔处理器的位累加器，可用于布尔操作。,AC (PSW.6) 半进位/借位标志位,若ACC在运算过程中，D3位向D4位发生了进位或借位，则AC=1，否则=0。,F0 (PSW.5) 用户标志位,CY,AC,F0,RS0,OV,P,RS1,PSW.7,PSW.0,PSW.6,PSW.5,PSW,RS1(PSW.4)、RS0(PSW.3) 工作寄存器组选择位,若RS1，RS0 = 00 则选择了工作寄存器组 0 区，R0R7分别代表00H 07H单元。,若RS1，RS0 = 01
11、 则选择了工作寄存器组 1 区，R0R7分别代表08H 0FH单元。,若RS1，RS0 = 1 0 则选择了工作寄存器组 2 区，R0R7分别代表10H 17H单元。,若RS1，RS0 = 11 则选择了工作寄存器组 3 区，R0R7分别代表18H 1FH单元。,CY,AC,F0,RS0,OV,P,RS1,PSW.7,PSW.0,PSW.6,PSW.5,PSW,OV (PSW.2) 溢出标志位,OV=1时特指累加器在进行带符号数(-128+127)运算时出错（超出范围）；OV=0时未出错。,PSW.1 未定义,P (PSW.0) 奇偶标志位,P=1表示累加器中“1”的个数为奇数P=0表示累加器
12、中“1”的个数为偶数CPU随时监视着ACC中的“1”的个数,并反映在PSW中。,(4)、布尔处理器Cy,实现各种位逻辑运算和传送；MCS-51专门提供了一个位寻址空间。,(5)、TMP1和TMP2 8位暂存寄存器,存放参与运算的操作数。,2、控制器,组成： 程序计数器(PC)、指令寄存器、指令译码器，数据指针(DPTR)、堆栈指针(SP)、定时与控制部件、复位电路等。,功能： 产生计算机所需的时序，控制程序自动执行。,(1)、程序计数器PC (16位),程序计数器PC用来存放即将要执行的指令地址，共16位，低8位经P0口输出，高8位经P2口输出。CPU每取一次机器码，PC内容自动加一。CPU执
13、行完一条指令，PC内容自动增加该指令的长度。CPU复位后，PC内容为0000H，它标志着程序从头开始执行。PC的内容变化决定程序的流向。,(2)、指令寄存器 (8位),指令寄存器中存放将要执行的指令代码，通过指令译码器，将指令代码转化为电信号(控制信号ALE等)。,(3)、数据指针DPTR (16位),用于访问外部RAM或外部I/O口，提供十六位地址；也用于程序存储器的查表和程序散转指令，作为基地址寄存器，提供十六位基地址。,(4)、堆栈指针寄存器SP (8位),用于管理堆栈，指出栈顶位置。MCS-51单片机复位后，(SP)=07H。,单片机取指令、分析指令和执行指令的过程：,取指令：,CPU
14、根据程序计数器PC的内容所指的单元地址，从程序存储器中的某个单元取一个字节的指令代码(机器码)，并将它送入指令寄存器中，同时，PC的内容自动加1，指出存储下一个字节指令代码的单元地址。,分析指令：,即解释指令或指令译码。分析指令时，CPU对指令寄存器中的指令代码译码分析，指出要求CPU做什么，并按一定的时序产生相应的操作命令、控制信号、读取所需的操作数。,执行指令：,对操作数进行相应的运算操作，并将运算结果存放到指定的单元(或存储器、I/O口)，同时，在运算过程中自动设置有关标志位的状态。,二、存储器,1、内部数据存储器,单片机的内部数据存储器由RAM地址寄存器、地址译码器以及128个单元的R
15、AM构成，用于存放可读写的数据。,2、内部程序存储器,MCS-51系列单片机 (8031除外) 的内部程序存储器由程序地址寄存器、地址译码器以及4K (4096) 个单元的ROM构成，用于存放程序的机器代码和常数。,3、特殊功能寄存器(Special Function Register，SFR),MCS-51系列单片机有21个可以寻址的特殊功能寄存器，包括单片机内的I/O口、串行口、定时/计数器、中断系统等相关的数据寄存器（或缓冲器）以及控制寄存器和状态寄存器，用于存放相应功能部件的控制命令、状态和数据。,三、并行口（Parallel Port）,有4个并行的I/O口：P0、P1、P2、P3，
16、每根口线都可独立地用作输入或输出。,四、串行口（Serial Port）,有1个全双工的串行口，用于串行通信。串行口由发送缓冲器SBUF、接收缓冲器RBUF、移位寄存器和串行口控制逻辑等部分组成。,五、定时/计数器（Timer/Counter）,有2个16位的定时/计数器T0和T1，T0由TH0和TL0构成，T1由TH1和TL1构成，定时/计数器方式寄存器TMOD选择定时/计数器的工作模式和方式，定时/计数器控制寄存器TCON控制T0和T1的启动和停止，同时反映T0和T1的溢出状态。,六、中断系统（Interrupt System）,有5个中断源，分别为2个外部中断、2个定时/计数器溢出产生的中断、1个串行口接收/发送产生的中断，提供2个中断优先级。,9.3 MCS-51单片机的存储器,
