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1、第二章 MCS-51单片机的 基本结构和工作原理,信息科学与工程学院自动化系,第二章MCS-51单片机的结构和工作原理,本章介绍MCS-51单片机的结构、工作原理及其组成部件和各部件的功能。 2.1 MCS-51系列单片机的结构 2.2 8051单片机内部结构和功能 2.3 MCS-51单片机的引脚功能 2.4 MCS-51单片机的工作方式2.5 MCS-51单片机的时序,2.1.2 MCS-51单片机的应用特性,21 MCS-51系列单片机的结构,2.1.1 MCS-51 单片机的基本组成,2.2.1 中央处理器CPU 2.2.2 存储器结构2.2.3 定时器/计数器（T/C)2.2.4 并
2、行I/O接口2.2.5 串行口2.2.6 中断系统,22 8051单片机内部结构和功能,存储器,I/O接口,MCS-51单片机芯片有许多种：如8051、8031、8751、80C51、80C31等。 它由8个部件组成，1、中央处理器（CPU）核心2、时钟电路 12MHz3、程序存储器（ROM/EPROM） 4KB4、数据存储器（RAM） 128B+128B SFR5、并行I/O口（P0P3口）P0和P2兼作外总线6、串行口 全双工串行口7、定时器/计数器 2个16位8、中断系统 5个中断源，高级和低级两级优先级别它们都是通过单一总线连接，并被集成在一块半导体芯片上，为单片微型计算机（Singl
3、e-Chip Microcomputer）,片内存储器,片内I/O接口,1. MCS-51单片机系列两大系列：MCS-51子系列和MCS-52子系列。 其中51子系列是基本型，而52子系列属于增强型。各子系列配置如表2-1所示。(P36)片内ROM形式无 ROM EPROM8031 8051 875180C31 80C51 87C518032 8052 875280C32 80C52 87C52,212 MCS-51单片机的应用特性,51子系统,52子系统,52子系列与51子系列相比，其功能增强的具体方面如下： 1片内RAM从128字节增加到256字节 2片内ROM从4KB 增加到8KB 3定
4、时器/计数器从2个增加到3个 4中断源从5个增加到67个,2. 单片机芯片的半导体工艺 MCS-51系列单片机采用以下两种半导体工艺生产HMOS 芯片型号中不带有字母“C”的，功耗较大。CHMOS 芯片型号中凡带有字母“C”的，具有高速度、高密度、低功耗的特点 例如 8051的功耗为630mW，80C51的功耗只有120mW。在便携式、手提式或野外作业仪器设备或长期无人值守自动监测、监控的仪表上是非常有意义的。因此在这些产品中最好使用CHMOS型单片机芯片。,3. 片内ROM存储器的配置形式及应用环境MCS-51单片机内程序存储器的配置形式有三种：掩模ROM型 （由厂家一次写入，成本低）EPR
5、OM型 （由用户可反复写入，成本较高）无ROM （需在片外扩展）各有特点，也各有其适用场合，可根据需要进行选择环境温度范围，划分为三个等级民用级 070工业级 4085军用级 65125因此在使用中应注意根据现场温度选择芯片。,22 8051单片机内部结构和功能,一、运算器1算术逻辑单元（ALUArithmetic Logic Unit）2累加器（ACCAccumulator）3寄存器 B4程序状态字（PSWProgram Status Word）5布尔处理器 二、控制器 1程序计数器（PCProgram Counter） 2指令译码器ID 3数据指针（DPTR） 4. 堆栈指针(SPStac
6、k Pointer),221 中央处理器CPU,一、运算器功能：运算部件实现算术、逻辑运算、位变量处理、移位、数据传送1算术逻辑单元（ALU）8位 其累加器是ACC二进制四则运算和布尔代数的逻辑运算 运算结果影响PSW的有关标志位2. 累加器（ACC）8位 存放操作数和中间结果工作频繁，大多数操作均通过它进行3寄存器B 8位 乘法时用于存乘数/积的高8位除法时用于存除数/余数4程序状态字（PSW）8位 特殊功能寄存器 5布尔处理器 1位它以进位标志（CY）作为累加位 进行位操作,程序状态字PSW各位标志的含义,PSW.7 PSW.6 PSW.5 PSW.4 PSW.3 PSW.2 PSW.1
7、PSW.0,CY (PSW.7) 进位标志位 AC（PSW.6） 辅助进位（或称半进位）标志 F0（PSW.5） 用户标志位 RS1和RS0（PSW.4，PSW.3）工作寄存器组选择位 OV（PSW.2） 溢出标志位 PSW.1 未定义位 P（PSW.0） 奇偶标志位,CY是PSW中最常用的标志位。由硬件或软件置位和清零。 字节运算中(ALU)：它表示运算结果是否有进位（或借位）。Cy=SUBC8 加法时(SUB=0)：有进位 Cy由硬件置“1” 即Cy=1； 无进位 CY被硬件清“0” 即Cy=0。 减法时(SUB=1)：有借位 Cy由硬件置“1” 即Cy=1；无借位 CY被硬件清“0” 即
8、Cy=0。 位操作（布尔操作）时，CY作为累加器使用，其作用相当于字节操作的累加器ACC。,Cy,在指令中可作为转移的条件JC rel ； cy=1转移JNC rel ； cy=0 转移 位操作指令中做累加器ANL C, bit ANL C, / bitORL C, bit ORL C, / bitSETB C CLR CCPL C MOV C,bitMOV bit,c,Cy,C,AC（PSW.6） 辅助进位（或称半进位）标志。当执行加减运算时，其运算结果产生低四位向高四位进位或借位时, AC由硬件置“1”；否则AC位被自动清“0”。 AC=SUB C4 一般在BCD码运算时，系统用于进行十进
9、制调整。,Ac,OV,OV（PSW.2） 溢出标志位它反映运算结果是否溢出，溢出时则由硬件将OV 位置“1”；否则置“0”。只有在补码运算时起作用。双进位位法判溢出：OV=C8 C7,溢出和进位是两种不同性质的概念。溢出是指有正负号的两个数运算时，运算结果超出了累加器以补码所能表示一个有符号数的范围。补码运算是闭运算。而进位则表示两数运算最高位（D7）相加（或相减）有无进位（或借位）。无符号运算是开运算。因此使用时应加以注意。,OV 与 Cy,F0（PSW.5） 用户标志位。用户可根据自己的需要对F0位赋予一定的含义，由用户置位或复位，作为软件标志。SETB F0 ; 置位CLR F0 ; 复
10、位相当于高级语言中的逻辑变量,F0,P（PSW.0） 奇偶标志位P标志表明累加器ACC中1的个数的奇偶性。在每条指令执行完后，单片机根据ACC的内容对P 位自动置位或复位。若累加器ACC中有奇数个“1”，则P=1；若累加器ACC中有偶数个“1”，则P=0。,P,1程序计数器（PC）16位计数器（重要）PC是程序的字节地址计数器，其内容是将要执行的下一条指令的地址，寻址范围达64KB。PC 有自动加1功能，从而实现程序的顺序执行。可以通过转移、调用、返回等指令改变其内容，以实现程序的转移。,二、控制器,2指令译码器ID 当指令取出经指令寄存器IR送至指令译码器ID时 ，ID对该指令进行译码，即把
11、指令转变成所需的电平信号，CPU 根据ID输出的电平信号使定时控制电路定时地产生执行该指令所需的各种控制信号，以使计算机能正确执行程序所要求的各种操作。,程序 存储器,PC,取出 指令码,指令 寄存器IR,指令 译码器ID,把指令转变 成所需要得 电平信号,CPU 产生执行该指令所需的各种控制信号,取指令,分析指令,执行指令,3数据指针（DPTR）16bit数据指针DPTR为16位寄存器。它的功能是存放16位的地址，作为访问外部程序存储器和外部数据存储器时的地址。编程时，DPTR既可按16位寄存器使用，也可以按两个8位寄存器分开使用。即： DPH DPTR的高8位 DPL DPTR的低8位4.
12、 堆栈指针(SP)8 bitSP的内容就是堆栈栈顶的存储单元地址。不论是数据进栈还是数据出栈，都是对堆栈的栈顶单元进行的，即对栈顶单元的写和读操作。,2.2.2 存储器结构,2.2.2.1 程序存储器,2.2.2.2.片内数据存储器（RAM),2.2.2.3 片外数据存储器（RAM/I/O),总结,2.2.2 存储器结构,8051单片机在系统结构上采用了哈佛型，其存储器在物理结构上分程序存储器（ROM） 和数据存储器（RAM）。有四个物理上相互独立的存储空间 ：其配置如图2-3所示。,片内ROM,片外ROM,片内RAM,片外RAM/I/O口,60KB,4KB,64KB,128B RAM,128
13、B SFR,特殊单元：0000H-0002H（开机复位单元） 3个0003H-000AH（INT0中断地址区） 8个000BH-0012H（T/C0中断地址区） 8个0013H-001AH（INT1中断地址区） 8个001BH-0022H（T/C0中断地址区） 8个0023H-002AH（串行口中断地址区） 8个,2.2.2.1 程序存储器,当CPU的引脚EA接高电平时，PC在0000H0FFFH范围内，CPU从片内ROM取指令； 而当PC0FFFH后，则自动转向片外ROM去取指令。当引脚EA接低电平时，8051片内ROM不起作用，CPU只能从片外ROM取指令，地址可以从0000H开始编址对于
14、片内无ROM的 8031、8032单片机，EA应接地。以便从外部扩展EPROM中取指令。8051从片内ROM和片外ROM取指时执行速度相同。,数据存储器用来存放运算的中间结果、标志位，及数据的暂存和缓冲等。分为片内RAM和片外RAM。8051系列单片机内数据存储器最大可寻址256个单元，片外可寻址16位（64kB）的地址空间。片内数据存储器和片外数据存储器是单独编址的。,数据存储器,2.2.2.2.片内数据存储器（RAM),00H,7FH,1、低128字节RAM,1、工作寄存器（00H1FH)RS1 RS0 寄存器组 片内RAM地址0 0 第0组 00H07H0 1 第1组 08H0FH1 0 第2组 10H17H1 1 第3组 18H1FH,R0R7,4个,这16个单元（共计128位）的每一位都有一个8位表示的位地址，位寻址范围为00H7FH，如表2-4所示P23。位寻址区的每一个单元既可作为一般RAM单元使用，进行字节操作，也可以对单元中的每一位进行位操作。MCS-51布尔处理器的存储空间就是指这个位寻址空间。,47H,46H,45H,44H,43H,42H,41H,40H,D0,D1,D2,D3,D4,D5,D6,D7,28H 字节地址,位地址,2、可位寻址区（20H2FH),28H 字节地址,MOV 28H,#56H,
