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1、第2章 MCS-51单片机的结构和原理u教学提示：需要数字电路、模拟电路和计算 机基础等课程知识。单片机的结构及工作原理 是单片机系统的基础资源，属硬件部分。本章 主要讲述MCS-51单片机芯片的组成、内部各功 能模块的逻辑框图、电路结构和工作原理。 u教学要求：本章让学生了解单片机芯片内部 功能模块的组成，重点掌握CPU，RAM，ROM， SFR，I/O接口，时钟电路和复位电路的结构与 原理。 2.1 MCS-51单片机的组成和内部结构 2.2 MCS-51的外部引脚及功能 2.3 MCS-51的存储器配置 2.4 时钟电路与复位电路 2.5 I/O端口电路与电气特性 2.6 本章小结第2章
2、 MCS-51单片机的结构和原理2.1 MCS-51单片机的组成和内部结构MCS-51单片机内部主要包含下列硬件资源：(1) 8位CPU，片内振荡器；(2) 4KB/8KB程序存储器(ROM)；(3) 128B/256B数据存储器(RAM)；(4) 2/3个16位定时/计数器；(5) 32个可编程的I/O线(4个8位并行I/O端口)；(6) 1个可编程全双工串行端口；(7) 5/6个中断源，2个中断优先级；(8) 可寻址64KB片外部数据存储器空间、64KB片外部程序存储器空间的控 制电路；(9) 有位寻址功能，适用于位处理器(布尔处理器)。2.1 MCS-51单片机的组成和内部结构2.1 M
3、CS-51单片机的组成和内部结构 l2.1.1中央处理器（CPU） 运算器：运算器包括算术/逻辑单元(ALU)、累加器(ACC)、寄存器(B)、暂存器(TEMP)及程序状态寄存器(PSW)等。运算器的功能是进行算术运算和逻辑运算。 控制器：控制器是控制单片机工作的神经中枢，它包括程序计数器(PC)、指令寄存器(IR)、指令译码器(ID)、数据指针(DPTR)、堆栈指针(SP)、RAM地址寄存器、时钟发生器、定时控制逻辑等。 位处理器（布尔处理机）：MCS-51的CPU内有一个1位处理器子系统，它相当于一个完整的位单片机，但每次处理的数据只有1位。它有自己累加器(CY)，数据存储器(可位寻址空间
4、)。2.1 MCS-51单片机的组成和内部结构 l2.1.2存储器 MCS-51系列单片机的存储器包括：数据存储器(RAM)和程序存储器(ROM)两部分。 51/52片内有128/256个8位用户读写数据存储单元和21/26个特殊功能寄存器 。当片内数据存储器不够使用时，可扩展片外RAM。MCS-51对外有64KB数据存储器的寻址能力。 51/52有4KB/8KB(1KB=1024B)的ROM，用于存放用户程序和常数(如原始数据或表格)等。当需要扩展片外ROM时，MCS-51对片外有64KB程序存储器的寻址能力。2.1 MCS-51单片机的组成和内部结构 l2.1.3接口电路 MCS-51单片
5、机有4个8位宽度的并行输入/输出(I/O)端口，分别称P0口、P1口、P2口和P3口，I/O线共32根。单片机输出的控制信号和采集外部的输入信号，都是通过这32根I/O线进行传输的。l2.1.4时钟振荡电路 51/52内置一个振荡器和时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序 。 2.2 MCS-51的外部引脚及功能u有DIP封装、PLCC封装等，本书DIP40为例。2.2 MCS-51的外部引脚及功能 l2.2.1 I/O端口 4个并行I/O端口分别为P0口、P1口、P2口及P3口。 P0：数据/地址复用总线 P1：通用静态I/O口 P2：通用I/O口和高8位地址总线 P3：通用I/O口和第
6、二功能 注意：驱动能力(拉：几十微安；灌：mA级)，注意硬件设计。2.2 MCS-51的外部引脚及功能 lP3的第二功能口P3.0：RXD，串口输入口P3.1：TXD，串行输出口P3.2：/INT0，外部中断0输入口P3.3：/INT1，外部中断1输入口P3.4：T0，定时器0外部输入口P3.5：T1，定时器1外部输入口P3.6：/WR，写选通输出口P3.7：/RD，读选通输出口2.2 MCS-51的外部引脚及功能 l2.2.2 控制引脚 控制引脚包括ALE/PROG（30）：地址锁存信号输出及编程脉冲输入端。 地址锁存允许，在单片机访问外部存储器（包括外ROM和外RAM）时，该引脚的输出信号
7、ALE用于锁存P0的低8位地址（结合最小系统稍细讲一下），信号的输出频率一般为fosc/6（特殊的到第4章再介绍）；编程时的编程脉冲输入端，与我们使用CPU的用户无关，与设计编程器的厂商有关。 /PSEN（29）：程序存储器输出使能。在扩展外ROM时，为取指时的外部ROM选通信号。信号频率一般为fosc/6。但CPU内部有ROM时，即在访问内ROM时，该信号不出现，由于CPU的内ROM化，使目前的该引脚功能有退化的趋势。RST/VPD（9）：复位信号输入及后备电源输入端。2.2 MCS-51的外部引脚及功能 l2.2.2 控制引脚 /EA/VPP（31）：片内程序存储器屏蔽控制及编程电压输入端
8、。 /EA=0，只访问外ROM，/EA=1，先内后外，但随着CPU的内ROM容量的不断增大，一般只访问内ROM，因此使用时目前的趋势/EA只接高电平，而且一般通过一上拉电阻接高电平；编程时，该脚作编程电源输入端，与我们使用CPU的用户无关，与设计编程器的厂商有关。l2.2.3 电源与晶振引脚 VCC(40脚)：主电源正端，接+5V。 VSS(20脚)：主电源负端，接地。 XTAL1(19脚)：片内高增益反相放大器的输入端。若使用外部输入时钟，该引脚必须接地。 XTAL2(18脚)：片内高增益反相放大器的输出端。若使用外部输入时钟，该引脚作为外部输入时钟的输入端。2.2 MCS-51的外部引脚及
9、功能 2.3 MCS-51的存储器配置 内RAM：内部数据存储器，存放运算中间结果、数据暂存。SFR：特殊功能寄存器，设置片内电路运行方式，记录电路的运行状态，表明有关标志，映射和实现I/O 口操作等。ROM：程序存储器，存放程序或表格。外RAM：外部数据存储器，存放运算中间结果、数据暂存。存储器的配置分类2.3 MCS-51的存储器配置 v功能：存放运算中间结果、数据暂存。v数量：128字节v地址范围：00H7FHv3个区：00H 1FH：寄存器区 20H 2FH：位地址区 30H 7FH：通用RAM区2.3.1内部数据存储器：内RAM7FH通用RAM区30HD7D6D5D4D3D2D1D0
10、2FH7F7E7D7C7B7A79782EH77767574737271702DH6F6E6D6C6B6A69682CH67666564636261602BH5F5E5D5C5B5A59582AH575655545352515029H4F4E4D4C4B4A494828H474645444342414027H3F3E3D3C3B3A393826H373635343332313025H2F2E2D2C2B2A292824H272625242322212023H1F1E1D1C1B1A191822F171615141312111021H0F0E0D0C0B0A090820H070605040302
11、01001FH3区、2区、1区、0区00H寄存器区 位地址区 通用RAM区 内RAM组织图2.3 MCS-51的存储器配置 v寄存器区00H-1FH：32个单元，4个区，每区8个寄存 器，称为R0、R1、R7 （Register）。v0区：00H-07Hv1区：08H-0FHv2区：10H-17Hv3区：18H-1FHv由RS0RS1(PSW中的两个位)组合决定当前工作寄存器区R0-R7是哪个区。RS1、RS0寄存器工作区0 00区0 11区1 02区1 13区2.3.1内部数据存储器：内RAMv位地址区v字节地址范围：20H2FHv位地址范围：00H-7FH，128个位v通用RAM区v字节地
12、址范围： 30H-7FHv功能：暂存数据；也可作堆栈区使用。2.3.1内RAM7FH通用RAM区30HD7D6D5D4D3D2D1D02FH7F7E7D7C7B7A79782EH77767574737271702DH6F6E6D6C6B6A69682CH67666564636261602BH5F5E5D5C5B5A59582AH575655545352515029H4F4E4D4C4B4A494828H474645444342414027H3F3E3D3C3B3A393826H373635343332313025H2F2E2D2C2B2A292824H272625242322212023H1F
13、1E1D1C1B1A191822F171615141312111021H0F0E0D0C0B0A090820H07060504030201001FH3区、2区、1区、0区00H2.3 MCS-51的存储器配置 v功能：用来存放运算过程的中间值v容量：64K，0000HFFFFHv器件：6116、6264、62256等v与内RAM区分：片外有读写引脚信号，指令用MOVX片内无读写引脚信号，指令用MOV2.3.2外部数据存储器：外RAM2.3 MCS-51的存储器配置 数据存储器配置图2.3 MCS-51的存储器配置 v功能：设置片内电路运行方式，记录电路的运行状态 ，表明有关标志，映射和实现I/
14、O口操作v数量：21个SFRv地址范围：不连续地分布在80HFFH中，11个SFR 具有83个位地址。与内RAM统一编址。vA、B、PSW、SP、DPTR(DPH+DPL)、P0、P1、 P2、P3、IP、IE、TMOD、TCON、TH0、TL0、 TH1、TL1、SCON、SBUF、PCON2.3.3特殊功能寄存器：SFR2.3 MCS-51的存储器配置 vA （Accumulator ）*:累加器，ACC，最繁忙的 专用寄存器。0E0HvB*:可作为一般寄存器使用。但在乘除指令中，B 寄存器有专门的用途。0F0H vPSW （Program Status Word） *:程序状态寄存 器是
15、一个8位寄存器。它包含了程序状态信息和 一些可控制位。0D0Hv说明：寄存器右上脚带*为能进行位寻址！SFR2.3 MCS-51的存储器配置 v CY：借进位标志，1，有；0，无v AC：辅助借进位标志，高低半字节间v F0：用户设置标志位v RS1RS0：当前工作寄存器选择位v OV：溢出位， 1，有；0，无；v X：无效位，保留v P：奇偶校验位，累加器中奇数个1为1，偶数个1为0，经常被用 在通信时为增加通信的可靠性而使用。CYACF0RS1RS0OVXPD7D0PSW:程序状态字2.3 MCS-51的存储器配置 v对8位运算而言，溢出是指两个带符号数运算时，结果超出了累加器A所能表示的
16、带符号数的范围（+127-128）。v还有无符号数乘法指令MUL的执行结果也会影响溢出标志位。置于累加器A和寄存器B的两个乘数的积超过255（0FFH）时，OV=“1”，否则OV=“0”。较少使用！v 除法指令DIV也会影响溢出标志位。当除数为0时，OV=“1”，否则OV=“0”。较少使用！OV：溢出位， 1，有；0，无2.3 MCS-51的存储器配置 SP （Stack Pointer ）：堆栈指针SP是一个8位的特 殊功能寄存器。81Hv堆栈是指数据只允许在其一端进出的一段存储空间。v堆栈数据写入和读出遵守“先入后出，后进先出” 的规则。要 实现这一功能，需要有一个特殊的地址指针SP 。vMCS-51的堆栈指针是指向栈顶的。复位时，堆栈指针 SP=07H，根据SP是指向栈顶的特点。堆栈正落在工作寄存 器1区。
