单片微型计算机原理及接口技术(杨光友版)课件ch2

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1、第二章 单片机硬件结构2-1 2-1 单片机的基本结构单片机的基本结构2-2 2-2 MCS-51MCS-51单片机引脚单片机引脚2-3 2-3 MCS-51MCS-51存储器配置存储器配置2-1-1 MCS-51单片机的基本组成2-1 单片机的基本结构时钟电路SFR和RAMROMCPU定时/计数器并行端口中断系统串行端口系 统 总 线时钟源T0 T1P0 P1 P2 P3TXD RXDINT0 INT1 （1） 一个8位微处理器CPU； （5）四个位的I/O并行端口；（2） RAM和特殊功能寄存器SFR（6） 一个串行端口；（3） 内部程序存储器（ROM） （7） 中断控制系统；（4） 两个

2、定时/计数器； （8） 内部时钟电路。硬件基本配置： 1. 8位CPU 2. 片内ROM/EPROM、RAM 3. 片内并行 I/O接口 4. 片内16位定时器/计数器 5. 片内中断处理系统 6. 片内全双工串行I/O口MCS-51系列基本产品型号： 8051、8031、8751称为 51子系列。 不同型号MCS-51单片机CPU处理能力和指令系统完全 兼容，只是存储器和I/O接口的配置有所不同。2-1-2 MCS-51硬件结构特点2-1-3 MCS-51单片机内部结构 P2.0P2.7P0.0P0.7通道驱动器通道驱动器RAM地址 锁存器RAM通道0 锁存器通道2锁 存器ROM/ EPRO

3、MB寄存器程序地址寄存器缓冲器PC递增器程序计数器PCDPTR指针VCCGNDP1.0P1.7堆栈指针SPACCTMP2PSW通道3锁存器通道1锁存器通道1驱动器通道3驱动器TMP1SCON TMODPCONTCON TL0TH1TH0TL1 IESBUF(TX/RX)IP 中断、串行口和定时器逻辑振荡器P3.0P3.7RSTALEPSENXTAL2XTAL1ALU(+5V)指 令 寄 存 器定时 和 控制 逻辑指 令 译 码 器EAMCS-51 CPU 内部结构CPU主要由运算器和控制器组成 1运算器 运算器由8位算术逻辑运算单元ALU（Arithmetic Logic Unit）、8位累加

4、器ACC（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8位暂存寄存器TMP2等组成 。2控制器 控制器主要由程序计数器PC、指令寄存器IR、指令 译码器、堆栈指针SP、数据指针DPTR、时钟发生器及 定时控制逻辑等组成。一、P0口的结构 它由一个输出锁存器、两个三态输入缓冲器和输出驱动 及控制电路组成。MCS-51单片机有4个双向并行的8位I/O口P0P3。2-1-4输入/输出（I/O）端口结构VCCP0.x 锁存器读锁存器地址/数据控制D读引脚 写锁存器内部总线QQ MUXT2T1CL（1）P0口作为I

5、/O口。 （2）作为地址/数据总线 。当作输入口时，读脉冲 将图中下方的三态输入缓 冲器打开，这样端口上的 数据经缓冲器送至内部总 线。图中上方的缓冲器并 不直接读端口引角上的数 据，而是读锁存器Q端的数 据，Q端与引角上的数据是 一致的。作为输出口使用时，内 部控制端发0电平使与门输 出为0，场效应管T1截止， 此时多路开关MUX与锁存 器的端接通。内部数据加 在锁存器D端，当CL端的 写脉冲出现后，与内部总 线相连的D端数据取反后出 现在端，经场效应管T2反 向出现在P0的引脚上。二、P1口的结构P1端口是单 片机中唯一仅 有单功能的I/O 端口，输出信 号锁存在端口 上，故又称为 通用静

6、态端口 。P1口是通用I/O准双向静态端口，输出的信息有锁存。P1端口 与P0端口的主要区别在于，P1端口用内部上拉电阻代替了场效 应管T1，且输出信息仅来自内部总线。若输出时D端的数据为1 ，T截止输出为1；若D端数据为0，则T导通，引脚输出为低电平 。当作输入使用时，必须向锁存器写1，使场效应管截止，才可 以作输入用。VCCP1.x 锁存器读锁存器D读引脚 写锁存器内部总线QQT内部上拉电阻CL三、P2口的结构和P1口比较，P2口多了转换控制部分。当P2口作通用I/O口 使用时，多路开关MUX连接锁存器的Q端，构成一个准双向口 。当系统扩展片外程序存储器时，P2端口就用来周期性地输出 从外

7、存中取指令的高8位地址（A8-A15），此时MUX在CPU的 控制下切换到与内部地址总线相连。因地址信号是不间断的， 此时P2口就不能用作I/O端口使用了。VCCP2.x锁存器读锁存器地址控制D读引脚 写锁存器内部总线QQMUXT内部上拉电阻CL四、P3口的结构当处于第二功能 时，锁存器由硬件 自动置1，使与非门 对第二功能信号畅 通。此时，“读引脚 ”信号无效，左下的 三态缓冲器不通， 引脚上的第二输入 功能信号经右下的 的缓冲器送入“第二 功能输入端”。和P1口比较，P3口增加了一个与非门和一个缓冲器，使其各 端口线有两种功能选择。当处于第一功能时，第二输出功能线 为1，此时输出与P1口相

8、同，内部总线信号经锁存器和场效应管 输出。当作输入时，“读引角”信号有效，下面的三态缓冲器打 开（增加的一个为常开），数据通过缓冲器送到CPU内部总线 。VCCP3.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QT内部上拉电阻第二输入功能CLP3口的第二功能表2-2 MCS-51单片机引脚 2-2-1MCS-51单片机引脚描述 1I/O口线功能 4个8位并行 I/O 接口引脚 P0.0P0.7 、P1.0P1.7 、P2.0P2.7和 P3.0P3.7 2控制线ALE：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 RS

9、T/VPD：复位信号端和后备电 源输入端。2-2-2 MCS-51单片机的片外总线结构和所有微机一样，MCS-51单片机是通过总线来传输各种信 息的。所谓总线，是微机中的一组公用导线，是传输信息的公共通 道。各种器件都须通过三态门隔离再连接到总线上。微型计算机 中的总线通常分为 地址总线（AB） 、数据总线（DB ）和控制总线（CB ）。MCS-51单片 机按引脚功能分类 的片外总线结构示 意图如右。2-3 MCS-51存储器配置物理上4个存储器地址空间 ： 片内/片外程序存储器空间片内/片外数据存储器空间逻辑上3个存储器地址空间 ： 64KB 程序存储器256B 片内数据存储器64KB 片外

10、数据存储器2-3 MCS-51存储器配置一、程序存储器 64KB 程序存储器空间 EA不同电平，选择片内或片外低位存储单元特殊存储单元： 复位入口: 0000H 中断入口: 0003H0023H 0003H:外部中断INT0入口 000BH:定时器T0中断入口 0013H:外部中断INT1入口 001BH:定时器T1中断入口 0023H:串行口中断入口二、数据存储器 164KB片外数据存储器空间(与扩展I/O接口共用) 2. 256B片内数据存储器: 1) 片内RAM2) 特殊功能寄存器 SFR1)片内RAM工作寄存器区： 字节地址：00H1FH位寻址区： 字节地址：20H2FH 位地址为：0

11、0H7FH数据缓冲区/堆栈区： 字节地址：00H7FH 一般使用30H7FH2)特殊功能寄存器SFR 占用字节地址：80H FFH位寻址寄存器：其字节地址可被8整除。专用寄存器： A、B、PSW、DPTR、SP I/O接口寄存器：P0、P1、P2、P3、 几个常用的SFRA 累加器。是一个最常用的专用寄存器，其自身带有全零标志Z ，若A=0则Z=1；若A0则Z0。PSW 程序状态字寄存器。其格式如下：SP 堆栈指针。DPTR 数据地址指针寄存器。它由DPL（低8位）和DPH（高8位 ）两个寄存器组成，字节地址分别为82H、83H，用来存放16位 地址值，以便对外部RAM进行读写操作，它们既可整

12、体赋值， 也可分开赋值。CY：进借位标志。在运算时有进、借位时，CY=1；否则CY=0。AC：辅助进借位标志。当D3向D4有进、借时，AC =1；否则AC =0。F0： 用户标志。可由用户根据需要自行设定其含义。RS1、RS0：工作寄存器组选择。 OV：溢出标志。当运算结果超出-128+127的范围时为1；否则为=0。 P：奇偶校验标志。每条指令执行完后，根据累加器A中的个数来决 定，当有奇数个时P=1，否则P=0。2.4 MCS-51的时序及辅助电路2-4-1 单片机的时钟电路。1内部时钟方式：内部一个高增益反相放大器与片 外石英晶体或陶瓷谐振器构成了一个自激振荡器。晶体振荡器的振荡频率决定

13、单片机的时钟频率。2外部时钟方式：外部振荡器输入时钟信号。2-4-2 振荡周期、状态周期、机器周期和指令周期 1.振荡周期：是指为单片机提供时钟信号的振荡源的周期。思考题：设应用单片机晶振频率为6MHz，问机器周 期为多少？指令周期分别为多少？3.机器周期：完成一个基本操作所需要的时间。 一个机器周期由6个时钟周期组成。 4.指令周期：一条指令的执行时间。以机器周期为单位：指令可分为单周期、双周期和四 周期指令。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。2-4-3 单片机复位电路及复位状态 单片机常采用上电复位和按键复位两种方式 。按键复位又分为按键电平复位和按键脉冲复位， 按键电平复位是将复位端通过电阻与VCC相连，按键脉冲 复位是利用RC微分电路产生正脉冲来达到复位目的。上电复位电路，在通电瞬间，在RC电路充电过 程中，RST端出现正脉冲，从而使单片机复位。单片机复位后的状态复位使单片机进入初始化状态，其中包括使程序 计数器PC的内容为0000H，这表明单片机从0000H地址单 元开始执行程序。单片机冷启动后，片内RAM的内容为 随机值，运行中的复位不改变片内RAM的内容。21个特 殊功能寄存器复位后的状态为确定值，见下表所示。