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1、第二章 MCS-51单片机系统结构,2018/9/22,2,2.1 MCS-51系列单片机结构及组成,2.1.1 MCS-51系列单片机结构框图,2018/9/22,3,2.1.2 MCS-51系列单片机组成,1） 一个8位CPU,4） 4K/8K字节的程序存储器,5） 128/256字节的数据存储器,2） 振荡器和时钟电路,3） 20多个特殊功能寄存器,2018/9/22,4,7） 32条可编程的I/O线（4个8位并行I/O口）,9） 可编程全双工串行口,10） 5/6个中断源、两个优先级嵌套中断结构,8） 2/3个16位定时/计数器,6） 可寻址64K外部数据存储器（RAM）和64K外部程
2、序存储器（ROM）,2018/9/22,5,CPU的结构,单片机内部资源中最核心的部分是CPU，它是单片机的大脑和心脏。CPU的主要功能是产生各种控制信号，控制存储器、输入/输出端口的数据传送、数据运算、逻辑运算等处理。CPU从功能上可分为运算器和控制器两部分。,2018/9/22,6,（1）控制器,作用：控制器的作用是是对取自程序存储器中的指令进行译码，在规定的时刻发出各种操作所需的控制信号，完成指令所规定的功能。组成：控制器由程序计数器PC、指令寄存器、指令译码器、数据指针寄存器、以及定时控制与条件转移逻辑电路等组成。,2018/9/22,7,1）程序计数器PC（Program Count
3、er）PC是一个16位的专用寄存器，其中永远存放着下一条要执行指令的地址，即PC内容决定着程序的运行轨迹。当CPU要取指令时，PC的内容就会出现在地址总线上；取出指令后，PC内容可自动加1，以保证程序按顺序执行。此外，PC内容也可以通过指令修改，从而实现程序的跳转运行。系统复位后，PC的内容会被自动赋为0000H，这表明复位后CPU将从程序存储器的0000H地址处的指令开始运行。,2018/9/22,8,2）指令寄存器IR（Instruction Register）,指令寄存器是一个8位寄存器，用于暂存待执行的指令，等待译码。,3）指令译码器ID（Instruction Decoder）,指令
4、译码器是对指令寄存器中的指令进行译码，将指令转变为执行此指令所需的电信号。根据译码器输出的信号，再经过定时控制电路产生执行该指令所需的各种控制信号。,2018/9/22,9,4）数据指针DPTR（Data Pointer）,DPTR是一个16位的专用地址指针寄存器，由两个8位寄存器DPH和DPL拼装而成，其中DPH为DPTR的高8位，DPL为DPTR的低8位。DPTR既可以作为一个16位寄存器来使用，也可作为2个独立的8位寄存器来使用。DPTR可以用来存放片内ROM的地址，也可以用来存放片外RAM和片外ROM的地址，与相关指令配合实现对最高64K片外RAM和全部ROM的访问。,2018/9/2
5、2,10,（2）运算器,组成：运算器由算术逻辑部件ALU、累加器ACC、程序状态字寄存器PSW以及运算调整电路等组成。为了提高数据处理速度，片内还增加了一个通用寄存器B和一些专用寄存器与位处理逻辑电路。,作用：算数（加、减、乘、除、加1、减1等）和逻辑（与、或、异或、求补、循环移位等）运算，可对半字节（4位）和单字节数据进行 操作；布尔处理器,2018/9/22,11,2）寄存器B,一般用于乘法、除法指令，与累加器A配合使用。寄存器B存放第二操作数、乘积的高8位、除法的余数部分。其他情况作为一般寄存器使用。,1）累加器ACC（Accumulater）,ACC是一个8位的寄存器，简称为A，通过暂
6、存器与ALU相连。它是CPU工作中使用最频繁的寄存器，用来存放一个操作数或中间结果。,2018/9/22,12,4）程序状态字寄存器PSW（Program State Word）,PSW是一个8位的专用寄存器，用于存放程序运行过程中的各种状态信息。PSW中的各位信息通常是在指令执行过程中自动形成的，但也可以由传送指令加以改变。PSW各位的定义如下：,字节地址 D0H,3）算术逻辑部件ALU（Arithmetic Logic Unit）,ALU由加法器和其他逻辑电路组成，用于对数据进行四则运算和逻辑运算等功能。ALU的运算结果的状态送PSW。,2018/9/22,13,Cy （PSW.7）进位标
7、志，在进行加或减运算时，如果操作结果最高位有进位或借位时， Cy由硬件置“1”，否则清“0”。在进行位操作时，Cy的作用相当于CPU中的累加器A，因而又可以被认为是位累加器。,AC（PSW.6）辅助进位标志，在进行加或减运算时，如果操作结果的低四位数向高四位产生进位或借位时，将由硬件置“1”，否则清“0”。AC位可用于BCD码调整时的判断位。,字节地址 D0H,2018/9/22,14,RS1和RS0寄存器选择位：工作寄存器区选择位。用来 选择当前工作的寄存器区。用户通过改变RS1 、RS0的 内容来选择当前工作寄存器区。,F0用户标志位：可由用户通过软件定义（置位或清零） 和检测，可作为用户
8、自行定义的一个状态标记。,2018/9/22,15,例题：设程序执行前F0=0，RS1RS0=00B，请问机器执行如下程序后MOV A，#0FHADD A，#F8H PSW中各位的状态是什么？,OV（PSW.2）溢出标志，可以指示带符号数运算过程中是否发生了溢出，由硬件自动形成。若在执行有符号数加、减运算指令过程中，累加器A中运算结果超出了8位数能表示的范围，即-128+127，则OV标志自动置“1”，否则清“0”。因此，根据OV状态可以判断累加器A中的结果是否正确。,P（PSW.0）奇偶标志位，该位始终跟踪累加器A中含“1”个数的奇偶性。如果A中有奇数个“1”，则P置“1”，否则置“0”。凡
9、是改变累加器A中内容的指令均会影响P标志位。,2018/9/22,16,带符号数的运算是以补码的形式进行的，8位补码的取值范围是-128+127，当运算结果超出此范围时有溢出。 0FH: 00001111 ；此补码表示数值+15 F8H: 11111000 ；此补码表示数值-807H: 00000111 ; 此补码表示数值+7，运算结果正确， 无溢出如进行运算0FH78H则有溢出 带符号数可能溢出的两种情况： 相同符号数相加 不同符号数相减,2018/9/22,17,5) 堆栈指针SP,8位寄存器,8051的堆栈编址采用“向上生成方式”,堆栈是一组有地址码的特殊的存储单元，栈顶地址码由栈指针S
10、P指示。 压入操作：数据存入堆栈 栈指针SP自动增1 弹出操作：数据从堆栈中取出 栈指针SP自动减1 后进先出原则,栈指针SP的初始值为07H，压入数据从08H单元为起始，栈指针可以重新定义。,2018/9/22,18,MCS-51系列单片机的封装方式与制造工艺有关，采用HMOS制造工艺的51单片机一般采用40只引脚的双列直插封装（DIP）,2.1.3 MCS-51系列单片机芯片引脚,2018/9/22,19,MCS-51单片机除了采用DIP封装方式外，还采用44只引脚方形封装方式，其中4只是无用的,2018/9/22,20,DIP引脚图,2018/9/22,21,2018/9/22,22,共
11、40个引脚，大致可分为四类 1）电源引脚VCC和VSSVCC：40脚，电源端，+5VVSS：20脚，接地端（GND）2）时钟电路引脚XTAL1：19脚，外接晶振引脚，内部反向放大器输入端。XTAL2：18脚，外接晶振引脚，内部反向放大器输出端。,2018/9/22,23,3）控制线引脚共4根，其中3根为双功能RST/VPD ：9脚，复位/备用电源。RST-通过外接复位电路实现上电复位或按键复位。VPD-可外接备用电源，在VCC掉电时向RAM供电。,上电复位,2018/9/22,24,振荡频率为6MHz时，典型值为C=22uF, R=1K 振荡频率为12MHz时，典型值为C=10uF, R=8.
12、2K,RST必须在两个机器周期以上的高电平才有效,按键复位,复合复位,2018/9/22,25, EA/VPP ：31脚，内外ROM的选择/ EPROM编程电源。EA=0：访问外部ROM；EA=1：访问内部ROM；PC值超过0FFFH（4KB）时，自动转向外ROM。VPP -在8751片内EPROM编程期间，为21V编程电源输入端。,8031 没有片内ROM，所以EA必须接地。,2018/9/22,26,ALE/ PROG ：30脚，地址锁存允许/编程脉冲。 ALE-访问外ROM或RAM时，用来驱动地址锁存器锁存P0口,分时送出的低8位地址（下降沿有效）。不访问外存储器时，该端以1/6时钟频率
13、输出正脉冲， 可用作为外部时钟或定时信号。带8个LS型TTL门电路。PROG - 8751片内EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。,2018/9/22,27, PSEN：29脚，访问外部ROM选通信号，即该脚有效时（低电平），外ROM允许输出。每个机器周期产生2次PSEN 信号。在执行内部ROM和访问外部数据存储器时不产生PSEN 信号。可带8个LS型TTL门电路。,2018/9/22,28,4）I/O引脚P0口：P0.0P0.7，3932脚，外接存储器时作地址/数据分时复用口线；不接外部存储器时，可用作为8位准双向I/O口。P1口：P1.0P1.7，18脚，8位准双向I/O口。P2口：P
14、2.0P2.7，2128脚，8位准双向I/O口。接外部存储器时作为高8位地址总线。P3口：P3.0P3.7，1017脚，8位准双向I/O口，出于芯片引脚数的限制，P3口具有第二输出、输入功能。,2018/9/22,29,P3口第二输出、输入功能,2018/9/22,30,存储器划分方法,计算机的存储器地址空间有两种结构形式： 普林斯顿结构和哈佛结构.,2.2 MCS-51系列单片机存储器,2018/9/22,31,MCS-51系列单片机采用 哈佛结构，存储器配置如图 ：,2018/9/22,32,从物理空间上看 MCS-51单片机有4个存储器地址空间,片内程序存储器,片外程序存储器,片内数据存
15、储器,片外数据存储器,程序存储器（ROM）用来存放程序和始终要保留的数据,数据存储器（RAM）用来存放程序运行中所需要的常数和变量,特点：程序存储器、数据存储器分开、各有各的寻址系统、控制信号和功能,2018/9/22,33,8051存储映像,程序存储器映像,数据存储器映像,2018/9/22,34,2.2.1 程序存储器,程序存储器以PC作为地址指针，可寻址空间为 64K字节（0000HFFFFH）,8051/8751单片机内部分别驻留4K （0000H0FFFH） 字节ROM/EPROM,8031则没有片内存储器,2018/9/22,35,51系列单片机64K字节程序存储器统一编址,EA=
16、1 程序从片内ROM开始执行，当PC值超过片内容量 时，会自动转向外部存储器空间,EA=0 程序从外部存储器开始执行,8031单片机EA接低电平,2018/9/22,36,特殊地址单元,在8051单片机的程序存储器中，有6个特殊地址单元是为复位和中断功能特殊设计的。,0000H为程序的首地址，单片机复位后程序将从这个单元开始运行。其余5个特殊单元分别对应5个中断源的中断服务程序的入口地址：0003H为外部中断0入口地址；000BH为定时器0溢出中断入口地址；0013H为外部中断1入口地址；001BH为定时器1溢出中断入口地址；0023H为串行口中断入口地址。,2018/9/22,37,0FFFFH,0000H,0002H/0003H,000AH/000BH,0012H/0013H,001AH/001BH,0022H/0023H,002AH/002BH,0032H/0033H,8052,
