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1、第2章 MCS-51 的结构,2.1 MCS-51 单片机总体结构 2.2 MCS -51存储结构及位处理器 2.3 MCS -51工作方式和时序 2.4 MCS-51 单片机的时序 2.5 习题,2.1 MCS-51 单片机总体结构,单片机在一块芯片上 集成了、存储器、I/O接口，构成一个完整的微型计算机。,2.1.1 MCS-51总体结构框图及功能,图2-1 8051 单片机内部基本结构框图,MCS-51 系列单片机内部结构,1. CPU,构成 控制器 程序计数器 PC 指令寄存器 IR 指令译码器 ID 定时、控制电路 ALUACC （Accumulator） B PSW（Program
2、e State Word）,(2) 功能 控制器 接受指令 指令译码 按时序发出指令功能所需的控制信号 ALU二进制数算术、逻辑运算；处理参数可以是: 字、字节、半字节、 位 。,MOV DPTR，#1256H,MOV A，R3,SWAP A,SETB RS0, ACC 累加器；最活跃： 加法、减法、逻辑运算、移位指令的目的操作数。 访外指令。 乘除指令。 通用 寄存器B 用于乘、除运算； 通用,加、减指令唯一的目的操作数,加、减指令唯一的目的操作数,MOVX 指令唯一的片内操作数, 标志状态寄存器 PSW 字节地址 D0H,F0 及 F1 用户标志位：；由用户设置；作为用户自定义标志。,RS
3、1、RS0 当前寄存器组设置标志位,表2-2 RS1、 RS0与工作寄存器组的对应关系 P15,OV 溢出标志 若 OV=1，说明运算结果超出一个字长所 能表示的范围。CY 进位/借位标志在进行加、减运算时：若 CY=1，说明运算结果的最高位 D7 有 进位/借位。 AC 辅助进位标志若 AC=1，说明运算结果的低4位向高4位 有进位（半进位）。用于 BCD 码调整指令。,提请注意：P（PSW.0) 奇/偶标志若 ACC中的 1 的个数为”奇”数, P=1ACC中的 1 的个数为”偶”数, P=0,2. RAM,片内数据存储器。 包括： 随机存储器区 寄存器区 SFR 位寻址区,3. ROM,
4、片内程序存储器 存放程序及常数,4. 并行 I/O 口,P0 P3 8 位并行 I/O 接口 ； P0 P3 提供 CPU 访外（ROM、RAM）时 的 AB、DB 和 CB ； P0 P3 口 输出时，数据可以锁存；输入时，具有缓冲功能。 P0 P3 口 可按字节 I/O；也可以按位 I/O。 P0 P3 口 均为准双向 I/O 口，写入时需先向其写 1 。,5. 定时器/计数器,基本功能是计数。 可对外部事件进行计数。 对固定周期的脉冲计数可实现定时功能。 MCS-51 单片机内部含有两个 16 位计数器。,6. 中断系统,MCS-51 单片机有 5 个中断源。 具有较强的中断处理能力。,
5、7. 串行接口,全双工串行通信接口。,8. 时钟电路 OSC产生单片机内的基本时间单位。,2.1.2 MCS-51 引脚功能,1. 主电源引脚,VCC VSS2. 时钟电路引脚 XTAL1 片内震荡器反向放大器的输入端； XTAL2 片内震荡器反向放大器的输出端。（内部时钟发生器的输入端）。,3. 控制引脚,ALE / PROG 地址锁存允许/编程信号线ALE 锁存 P0 口输出的低 8 位地址信号;频率为 1/6 震荡频率;PROG 用于 8755 时, 输入编程脉冲信号。 PSEN 程序存储器选通信号。 EA / VPP EA 访问程序存储器控制信号。EA=1，CPU从片内开始读取指令；E
6、A=0，CPU从片外开始读取指令。VPP 用于 8755 时, 输入编程电压。 RST / VPDRST 复位。（需要两个机器周期以上 的高电平）。VPD 后备电源输入端（掉电保护）。,4. 并行 I/O 口,（1）各端口的共性4 个 8 位双向、并行 I/O 接口；输入有缓冲作用，输出时，数据可以被锁存；每一条 I/O 口 线都能单独使用；允许有三种工作方式：输入、输出、读-修改-写。输出时，P0 口可驱动 8 个LS TTL 负载，其余口只能驱动 4 个LS TTL 负载。复位后 ，P0P3 各口线均为 1 可直接读数。,（2）各端口的用途, P0 口 未加扩展时：通用并行 I/O 口；
7、扩展系统中：作为数据 / 低位地址分时复 用线。 P1 口8位准双向 I/O 口。 P2 口 未加扩展时：通用并行 I/O 口； 扩展系统中：作为高位地址线。,2.2 MCS 51存储结构及位处理器,2.2.1 MCS 51存储器的特点MCS-51 存储器的划分 : 从物理结构上划分为 4 个存储空间 片内程序存储器 片外程序存储器 片内数据存储器 片外数据存储器,(2) 从使用的角度 划分为三个存储器地址空间。 片内外统一编址的 64KB 程序存储器； 片内 256 B 数据存储器地址空间； 片外 64 KB 数据存储器地址空间； 用不同的指令访问不同的存储空间： 访问内部数据存储器用 MO
8、V 指令； 访问外部数据存储器用 MOVX 指令； 访问程序存储器用 MOVC 指令。,图2.4 MCS-51 存储结构 P20,2.2.2 程序存储器,程序存储器的内部地址为 0000H 0FFFH, 共 4 KB;外部地址为 1000H FFFFH, 共 60 KB。 当程序计数器由内部 0FFFH 执行到外部 1000H 时, 会自动跳转。 4. 8751 内部有 4 KB 的 EPROM;8051 内部有 4 KB的 ROM;8031 内部无程序存储器, 必须外接程序存储器； 最多可外扩 64 KB程序存储器。,5. 其中 6 个单元地址, 保留给系统使用。 0000H是系统的启动地址
9、, 一般在该单元中存放一条绝对跳转指令。 0003H000BH 000BH001BH0023H对应 5 种中断源的中断服务入口地址。,2、2、3 数据存储器,MCS-51 单片机片内 RAM 的配置如图 2.5 所示 片内RAM为 256 字节, 地址范围为00HFFH。 分为两大部分: 低 128 字节（00H7FH）为RAM区; 高 128 字节（80HFFH）为特殊功能寄存器区SFR。 ,在低 128 字节 RAM 中,00H 1FH 共 32 单元是 通用工作寄存器区。 每一个区有 8 个通用寄存器 R0 R7。,寄存器与RAM 地址对照表,表 2.6 RAM中的位寻址区地址表 P22
10、,2、2、4 专用寄存器区（SFR）,表 2.4 特殊功能寄存器（SFR）地址 P23,表 2.4 特殊功能寄存器（SFR）地址 续,表 2.4 特殊功能寄存器（SFR）地址 续,2.2.5 位处理器,性能优越的位处理器 (布尔处理机)(即CPU) ; 有位寄存器; 有位累加器 (CY); 有位存储器 ( 可按位寻址区)(20H2FH) 及地址可被 8 整除的专用寄存器中的位; 以位为操作数的指令。,单片机具有较强的位处理能力,2.3 MCS-51 工作方式和时序,工作方式含: 复位方式 程序执行方式 节电方式 EPROM 的编程及校验方式,2.3.1 复位方式,2. 应用程序必须以此作为设计
11、前提。,CPU 及其它功能部件处于一个确定的初始状态。,2. 复位电路,上电复位电路 ( 图 (a) ; 按键（手动）复位电路 (图 (b)。 按键脉冲复位（图（C）。,图2-7 复位电路 P36,（c),3. 什麽时候需要复位?,(1)启动时; 运行过程中出现无法解决 的问题时。,表 2.5 复位后内部寄存器状态 P26,4. 复位后内部寄存器状态,2.3.2 程序执行工作方式,基本工作方式1. 连续执行 被执行的程序在程序存储器(片内/片外中) 启动时(或复位后)从0000H 开始执行程序调试过程中使用2.单步执行利用单片机外部中断功能实现。,2.3.3 节电工作方式 P38, 减少单片机
12、功耗的方式 只有 CHMOS 型单片机才有的工作方式（80C31 等） 两种方式：掉电方式空闲方式由 PCON 控制; PD = PCON.1 =1 掉电方式;IDL = PCON.0 =1 空闲方式。,550 A,1.75 mA,1120 mA,1.掉电方式,当 VCC 升至 5V，可重归正常工作方式。,当 VCC 降至 VPD 以下时, 转为由 VPD 供电。( 以低功耗维持内部 RAM 及 SFR 的内容不丢失 ),应用：,当检测到 VCC 接近 VPD 时，通过 INTX 申请中断。,利用中断服务程序将重要数据保存到内部 RAM 中。,执行指令 MOV PCON，#02H，进入掉电工作
13、方式。（内部 RAM 中的 00H7FH 单元内容被保留）,2.空闲方式,有中断申请时，CPU 自动退出空闲方式,执行 MOV PCON，#01H 指令后，进入空闲工作方式：,CPU 停止工作；,中断、串口、定时/计数器可以继续工作；,SFR 及内存中的数据不变；（如：SP、PC、PSW、A）,2.4 MCS-51 单片机的时序 P39,外接震荡器通过内部反相放大器产生时钟脉冲。,时序,学习时序有助于理解指令的执行。,2.4.1 时钟,外接定时元件，内部电路自激振荡 外接振荡器频率 f OSC 为 6 16MHz,（a） 内部时钟电路；,图 2.8 单片机时钟电路,（b） 外部振荡源,1. 时
14、钟周期、机器周期和指令周期,（1）时钟周期（震荡周期）控制计算机的工作节奏时钟周期 = 震荡频率的倒数（1/ fosc)（2）机器周期 完成一个规定操作的时间 每个机器周期 = 6 个状态周期 每个状态持续两个时钟周期即一个机器周期包含 12 个时钟周期。（3）指令周期 完成一条指令所用的时间 有单周期指令、双周期指令、四周期指令,例 某单片机外接石英震荡器频率为12MHZ,时钟周期 = 1/12 106 =( 1/12 )s 状态周期 = 时钟周期 2 = (1/6)s 机器周期 = 状态周期 6 = 1s 指令周期 = 1 4 s,2. 取指/执行周期,3. 访问外部 ROM 时序,图 2
15、.8 读外部程序ROM时序,ALE 周期性有效 ALE 每有效一次，CPU 进行一次取指操作 每个机器周期 ALE 两次有效 可取一条双字节指令,4. 读外部 RAM 时序,图 2-10 MCS-51 单片机读外部 RAM 时序 P31,1. 访问外部 RAM 有两种操作: 读操作 写操作 2. 读、写 控制 P3.6 WR ，写控制 P3.7 RD , 读控制,MCS-51 单片机读外部 RAM 时序,2、5 习题,2.5 并行输入/输出接口,4个8位双向、并行I/O接口； 输入有缓冲作用，输出时，数据可以被锁存； 每一条I/O 口线都能单独使用； 允许有三种工作方式：输入、输出、读-修改-写。 输出时，P0口可驱动 8 个 LSTTL 负载，其余口只能驱动 4 个LSTTL 负载。,图 2.5 P0 口内部一位结构图 p26,1. P0口 地址/数据分时复用,2. P1、P2 和 P3口 准双向口,
