[工学]MCS51单片机入门课件

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1、第13章 MCS-51单片计算机,13.1 概述 13.2 MCS-51系列单片机结构 13.3 并行输入/输出端口 13.4 定时器/计数器 13.5 串行端口 13.6 中断 13.7 MCS-51单片机的工作方式 13.8 MCS-51单片机的外部信号 13.9 MCS-51单片机的指令系统和程序设计 13.10 MCS-51系列单片机系统扩展,13.1 概述 13.1.1 单片机结构,一块芯片集成了CPU、存储器、定时/计数器、I/O接口、A/D、D/A等功能部件。体积小、功耗低、价格便宜。 单片机主要用于控制，也称为微控制器（Microcontroller），但也可以广泛地用于其它方

2、面。 单片机有很多种，Intel 的MCS-51用得最广泛，其次是Microchip的PIC系列。这几年发展的比较快的还有DSP（数据信号处理器）和嵌入式处理器ARM。,13.1 概述,单片机大多采用哈佛结构；一般计算机采用的是冯. 诺依曼结构,中断系统,单片机的应用 单片机在智能仪表中的应用使仪表智能化，提高测量的自动化程度和精度，简化仪器仪表的硬件结构；,2. 单片机在机电一体化中的应用: 微机控制的车床、钻床等,3. 单片机在实时控制中的应用: 广泛地用于各种实时控制系统中, 例如工业控制、航空航天、 尖端武器、机器人等各种实时控制系统都在使用单片机；,4. 单片机在分布式多机系统中的应

3、用,5. 单片机在人类生活中的应用 手机、洗衣机、电冰箱、空调、电子玩具、收录机等,单片机是计算机技术发展的一个重要方面，它从根本上改变了 传统电路的设计思想和设计方法，在电路设计中引入了单片机 可以使硬件电路更简单、更灵活、功能更强大,1 特点,哈佛结构：程序与数据分为两个独立存储器逻辑空间，分开编址。 冯.诺依曼结构：程序和数据共用一个存储器逻辑空间，统一编址。,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 片外数据存储器,2 单片机CPU的两种结构,独立型：采用了面向控制的结构和

4、指令系统,可提高指令的执行速度和效率 兼容型：与原有微处理器兼容,开发应用方便。,3 单片机存储器结构,片内存储器、片外存储器、掩膜ROM、PROMEPROM、E2PROM和 FLASH,4 专用I/O 5 快速的片外数据通路（DMA） 6 软件及语言：汇编、C、BASIC、FORTH 7 开发系统,13.2 MCS-51系列单片机结构 13.2.1 内部结构,8051 CPU,时钟,中断,4K程序 存储器,128数据 存储器,两个16位 定时器,扩展控制,可编程I/O,串行端口,In,Out,控制,复用功能的 并行端口,计数,输入,图13-3 8051单片机功能框图,MCS-51单片机的主要

5、部分： CPU是单片机最核心的部分，主要完成运算和控制功能，51 系列的CPU字长为8位，对数据处理是按字节进行；,2. 内部数据存储器（内部RAM） 51单片机有256个RAM字节单元，前128个可供用户使用，后128 个为专用寄存器区；52单片机比51单片机多了128个字节，共有 384个。（A、B及特殊功能寄存器也在内部RAM中）,3. 内部程序存储器 51单片机有4K字节，52单片机有8K字节，用于存放程序、原始数 据等；,4. 定时/计数器 51单片机有2个，52单片机有3个16位的定时/计数器，可以实现定 时和计数功能。（它是用加法计数的）；,并行I/O口 51系列单片机有4个8位

6、的I/O口(P0、P1、P2、P3）,6. 串行口 51系列单片机有1个全双工的可编程串行口；,7. 时钟电路,8. 中断系统,13.2.2 中央处理器,1运算器完成+、算术运算，与、或、非、异或 逻辑运算、循环移位、位处理。,由ALU (8位)、 位处理器、累加器ACC、寄存器B、暂存器TMP1、TMP2等部分组成。,数据存储器的内部RAM中共有219个可寻址位（bit）， 00H7FH在内部RAM中（20H2FH单元）位地址若在80HFFH时，该位在专用寄存器中,2. 控制器定时控制逻辑、内部振荡电路、指令寄存器及译 码器、PC、程序地址寄存器、状态字寄存器PSW、RAM地址寄存器、数据指

7、针DPTR、堆栈指针SP等。,(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.,保留的存储单元：0000H002FH （表13-1）,（二） 数据存储器 256B片内数据存储器: 1) 片内RAM2) 特殊功能寄存器 SFR,64KB片外数据存储器空间 (与扩展I/O接口共用),MCS-51的寄存器在片内RAM都有映像地址。使用时，既可用寄存器名，也可用对应单元地址。,(二）数据存储器,1. 256B片内数据存储器 1) 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：00H7FH 数据缓冲区/堆栈

8、区： 字节地址：00H7FH 一般使用30H7FH,2) 特殊功能寄存器SFR占用字节地址：80HFFH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（DPL：82H、DPH：83H）、SP（81H）I/O接口寄存器：P0、P1、P2、P3、SBUF、TMOD、TCON、SCON 3) 8052增加的数据存储器 占用字节地址：80HFFH,8051 和 8052片内数据存储器的区别,8051的片内80H0FFH地址空间为特殊寄存器块,而8052的这部分既是特殊寄存器块, 又是数据存储器. 也就是说, 在8052子系列中,高128B RAM块与SFR块的 地址是重合的

9、, 用寻址方式加以区分. 访问高地址RAM 采用寄存器间接寻址方式, 访问SFR时采用直接寻址方式,例如，在8052子系统中，内部的90H单元既是P1口地址又是数据存储单元，MOV A，90H将P1口的内容送累加器；,而读90H单元中的内容（作为数据存储器）则需用寄存器间接 寻址。 MOV R0，#90H 后再用 MOV A, R0 ；(P392),另外8052比8051还多了几个特殊寄存器.,访问低128B RAM 两种方式都可。,（三） 特殊功能寄存器 1. 寻址空间及分类特殊功能寄存器区的片内地址为80H0FFH，特殊功能寄存器又分为两种类型，一种是可位寻址的，图13-7所示的特殊功能寄

10、存器是可位寻址的，它们的字节单元地址可被8整除。,另外还有不可位寻址的特殊功能寄存器，如表13-2所示，从图13 -7及表13-2可以看出80H0FFH字节单元地址还有一部分没有定 义，显然对这些单元读数将得到不确定的值。,有些厂家在保证与51系列兼容的同时，为了增强其功能，在特殊 功能寄存器区未用的部分增加了一些特殊功能寄存器。例如， DALLAS公司的80C320系列单片机。,(2) 寄存器B(8位)与A累加器配合执行乘、除运算。也可用作通用寄存器。,(1) 累加器ACC(8位)需要ALU处理的数据和计算结果多数要经过A累加器。,2寄存器阵列,(3) 程序状态字PSW(8位)存放ALU运算

11、过程的标志状态Cy AC F0 RS1 RS0 OV P（F0：用户定义的状态标志）,工作寄存器R0R7 (8位)暂存运算数据和中间结果。4个工作寄存器区，工作寄存器0区3区。每个区均含8个寄存 器R0R7 。用PSW中的两位PSW.4和PSW.3来切换工作寄存器 区，选用一个工作寄存器区进行读写操作。,(5) 堆栈指针 SP(8位)堆栈是按“先进后出”原则存取数据的存储区。 MCS-51堆栈设在片内RAM区。数据入栈/出栈时， SP自动加1/减 1，其内容始终为栈顶地址。 复位时 SP=07H，一般设SP=30H, 则可用31H7FH 之间存储空间为堆栈。,(4) 数据指针DPTR(16位)

12、存放片外存储器地址，作为片外存储器的指针。 可分成两个8位寄存器DPH(83H)、DPL(82H)使用。,(6) 程序计数器PC(16位)CPU总是按PC的指示读取程序。PC可自动加1。因此CPU执行程序一般是顺序方式。当发生转移、子程序调用、中断和复位等操作，PC被强制改写，程序执行顺序也发生改变。 PC不在特殊功能寄存器区。,(7) 端口寄存器P0P3：MCS-51把I/O口当作一般的专用寄存器 使用，不再设口操作指令，都采用统一的MOV指令；,（8）串行数据缓存器SBUF：用于存放欲发送或已接受的数据,（9）定时器/计数器：2个16位的定时器/计数器T0、T1， 它们各由2个独立的8位计

13、数寄存器组成（THX，TLX），可对 计数寄存器寻址，不能将T0，T1当作一个16位的寄存器来 对待。,（四） 64KB片外数据存储器采用工作寄存器0（R0)，工作寄存器1（R1)和DPTR寄存器间接寻址方式进行访问。,采用R0、R1间址只能在预置P2的基础上访问256B，采用DPTR 间址可访问64KB;MOV DPTR, #0FFFFHMOVX A, DPTR,MOV R0, #0FFH MOVX A, R0,MOV R1, #50H MOVX A, R1,内部和外部数据存储器的区别,内部数据存储器在片内,8051只有128字节,8052有256字节,外部数据存储器在片外,寻址空间可达64

14、KB;,2. 访问内部数据存储器用MOV 指令,访问外部数据存储器用MOVX 指令;,3. 内部数据存储器有一部分可位寻址也可字节寻址, 外部数据存储器只能字节寻址;,13.2.4 时序系统 （一） MCS-51单片机引脚,I/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为多功能引脚，可自动切换用作数据总线、地址总线、控制总线或I/O 接口外部引脚。,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。,三种封装形式：PDIP、 PLCC、T

15、QFP,(二) MCS-51时钟及时序,时钟方式 时钟频率范围要求在1.2MHz24/33MHz之间。,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单片机的时钟频率。,外部时钟方式：外部振荡器输入时钟信号。,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12个时钟周期组成。,补充内容：,时钟周期：是计算机中最基本的最小时间单位，一个时钟周期也称为1个节拍P，2个P定义为一个状态周期S,指令周期：执行一条指令所需要的时间，一般由若干个机器周期 组成。在51系列单片机中，单周期、双周期和四周期指令。,思考题：设单片机晶振频率为12MHz，问机器周期为多少？指令周期分别为多少？,基本时序关系图,2控制线,RST/VPD：复位信号端和后备电源输入端。输入10ms以上高电平脉冲，单片机复位。VPD使用后备电源，可实现掉电保护。,3. 电源及时钟引线工作电源：VCC、VSS、时钟输入：XTAL1、XTAL2 。,复位电路：1）上电复位(通电自动复位） 2）外部信号复位,13.3 输入/输出端口结构,有4个8位并行I/O口:P0P3。它们都是8位双向口，每个端口都包括一个锁存器、一个输出锁存器、一个输出驱动器和输入缓冲器，在作一般输入时，都必须先向锁存器写入1。它们的结构基本相同，但又各具特点。,