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1、第2章 MCS-51单片机的结构和原理,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。,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 MCS-51单片
2、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.
3、1 MCS-51单片机的组成和内部结构,2.1.1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
4、空间)。,2.1 MCS-51单片机的组成和内部结构,2.1.2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,2.1.3接口电路 MCS-51
5、单片机有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。 2.1.4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,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,2.2.1 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
6、和第二功能注意：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,P3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,2.2.2 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
7、，该引脚的输出信号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,2.2.2 控制引脚 /EA/VPP（31）：片内程序存储器屏蔽
8、控制及编程电压输入端。 /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。 2.2.3 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 M
9、CS-51的外部引脚及功能,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,功能：存放运算中间结果、数据暂存。 数量：128字节 地址范围：00H7FH 3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RAM,寄存器区,位地址区,通
10、用RAM区,内RAM组织图,2.3 MCS-51的存储器配置,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）。 0区：00H-07H 1区：08H-0FH 2区：10H-17H 3区：18H-1FH 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。,2.3.1内部数据存储器：内RAM,位地址区 字节地址范围：20H2FH 位地址范围：00H-7FH，128个位 通用RAM区 字节地址范围： 30H-7FH 功能：暂存数据；也可作堆栈区使用。,2.3.1内RAM,2.3 MCS-51的存储器配置,功能：用来存放
11、运算过程的中间值 容量：64K，0000HFFFFH 器件：6116、6264、62256等 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MOV,2.3.2外部数据存储器：外RAM,2.3 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,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/O口操作 数量：21个SFR 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。 A、B、PSW、SP、DPTR(DPH+DPL)、P0、P1、P2、P3、IP、IE、TMOD、TCO
12、N、TH0、TL0、TH1、TL1、SCON、SBUF、PCON,2.3.3特殊功能寄存器：SFR,2.3 MCS-51的存储器配置,A （Accumulator ）*:累加器，ACC，最繁忙的专用寄存器。0E0H B*: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 PSW （Program Status Word） *:程序状态寄存器是一个8位寄存器。它包含了程序状态信息和一些可控制位。0D0H说明：寄存器右上脚带*为能进行位寻址！,SFR,2.3 MCS-51的存储器配置,CY：借进位标志，1，有；0，无AC：辅助借进位标志，高低半字节间F0：用户设置标志位RS1R
13、S0：当前工作寄存器选择位OV：溢出位， 1，有；0，无；X：无效位，保留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。,CY,AC,F0,RS1,RS0,OV,X,P,D7,D0,PSW:程序状态字,2.3 MCS-51的存储器配置,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所能表示的带符号数的范围（+127-128）。 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！除法指令DIV也会影响溢出标志位。当除数为0时
14、，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。81H 堆栈是指数据只允许在其一端进出的一段存储空间。 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 。 MCS-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。,SFR,2.3 MCS-51的存储器配置,DPTR（ Data Pointer ）：数据指针寄存器DPTR是一个16位专用寄存器
15、。 DPTR=DPH+DPL（83H、82H） 它既可以是一个16位专用寄存器； 也可以拆开，作为2个独立的8位寄存器DPH和DPL使用。 主要用途是保持16位的地址，常用于寻址片外64KB的数据存储器或程序存储器空间。,SFR,2.3 MCS-51的存储器配置,P0P3*：专用寄存器P0(80H)、P1(90H)、P2(0A0H)和P3(0B0H)分别是I/O端口P0P3的8位锁存器。 IP （Interrupt Priority Register ）*：中断优先级寄存器，0B8H IE （Interrupt Enable Register ）*：中断允许寄存器，0A8H,SFR,2.3 M
16、CS-51的存储器配置,TMOD （Timer/Counter Mode Register） ：定时器模式控制寄存器，89H TCON （Timer/Counter Control Register ）*：定时器控制寄存器，88H TH1、TL1：定时器1的16位计数值寄存器，8DH、8BH TH0、TL0：定时器0的16位计数值寄存器，8CH、8AH,SFR,2.3 MCS-51的存储器配置,SBUF （Serial Date Buffer ）：串行数据缓冲器，用于串行通信，存放欲发送和已接收数据的，双缓冲结构。99H SCON （Serial Control Register ）*：串行接口控制寄存器，98H PCON （Power Control Register ）：电源控制寄存器，97H,SFR,2.3 MCS-51的存储器配置,PC （Program Counter）不属于特殊功能寄存器SFR。 编程是不能对它进行访问。 它是一个16位程序地址寄存器。 专门用于存放下一条要执行指令的地址。 当一条指令被取出后，PC的内容会自动增量，指向下一条要执行指令的地址。除非遇到子程序调用、跳转等转移类指令。,
