《MCS-51单片机结构及原理》由会员分享，可在线阅读，更多相关《MCS-51单片机结构及原理（76页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1,第2章 MCS-51单片机结构及原理,本章内容： （1）MCS-51系列的8051的基本结构； （2）存储器结构及其配置； （3）P0、P1、P2、P3四个I/O口的基本工作原理 和操作特点； （4）单片机的时序 （5）复位,2,2.1.1 MCS-51的基本组成 MCS-51单片机（以8051为例，Intel产品） 1个8位CPU； 1个片内振荡器及时钟电路； 128字节RAM（数据存储器）； 4K字节ROM（程序存储器）； 2个16位定时器/计数器； 32条可编程的I/O线（四个8位并行I/O端口）； 1个全双工串行口； 5个中断源；,2.1 MCS-51单片机组成及结构,3,2.1
2、MCS-51单片机组成及结构,4,2.1.2 MCS-51单片机的引脚与功能,逻辑符号,2.1 MCS-51单片机组成及结构,引脚分配,5,（1）电源线 5V供电 VCC （40）5V GND （20） 地,2.1.2 MCS-51单片机的引脚与功能,引脚分配,P0,（2）晶体振荡器信号输入输出 XTAL1（18）晶体振荡器信号输入 XTAL1（19）晶体振荡器信号输出,（3）输入/输出线 P0.0P0.7 P0口 P1.0P1.7 P1口 P2.0P2.7 P2口 P3.0P3.7 P3口,P1,P2,P3,6,（4）控制信号线 ALE（30）地址锁存控制信号 （Address Latch
3、Enable）， ALE用于将地址总线的低八位锁存。该信号频率为晶振频率 的1/6，可作为外部定时或时钟使用。,2.1.2 MCS-51单片机的引脚与功能,引脚分配,（29）外部程序存储器读选通信号（ Program Store Enable） 该信号为低电平时，CPU从外部程序存储器单元读取指令。,7,（31）内外程序存储器选择控制 （External Access Enable） 0，CPU对程序存储器的操作仅限于单片机外部程序存储器。 1， CPU对程序存储器的操作从单片机内部程序存储器开始，并可延伸到单片机的外部程序存储器。,2.1.2 MCS-51单片机的引脚与功能,（4）控制信号线
4、（续）,引脚分配,RESET（9） 复位信号。 RESET持续2个机器周期以上的高电平，单片机复位。,8,（5）部分引脚的第二功能(复用，同一个引脚被双重定义),2.1.2 MCS-51单片机的引脚与功能,9,（5）部分引脚的第二功能 程序存储器固化所需的信号 编程脉冲 ALE/PROG 编程电压 /VPP 备用电源引入 RESET/VPD: 当电源电压下降到某个给定下限时，备用电源由该引脚向单片机芯片内部RAM供电，以保护内部RAM的内容不丢失。,2.1.2 MCS-51单片机的引脚与功能,10,2.1.3 MCS-51单片机的内部结构,11,（一） 中央处理器（CPU） CPU由运算器和控
5、制器组成，它是单片机的核心，完成运算和控制操作。,2.1.3 MCS-51单片机的内部结构,1. 运算器 组成： 算术逻辑运算器ALU，算术累加器ACC，寄存器B，暂存器TMP1，暂存器TMP2，布尔累加器Cy等 功能：进行移位、算术运算和逻辑运算；MCS-51运算器还包含有一个布尔（位）处理器,用来处理位操作。,12,（1）累加器A（8位） 功能：暂存操作数及保存运算结果； A是MCS-51单片机中最繁忙的寄存器； （2）寄存器B（8位） 功能：用于乘法、除法运算，对于其它指令可作为一个寄存器使用； （3 ）程序状态字寄存器PSW（8位） 功能：存放累加器A在运算过程标志位（P，OV，AC，
6、Cy）的状态；指出CPU所使用的当前工作寄存器组。,2.1.3 MCS-51单片机的内部结构,13,CY,AC,F0,RS0,OV,P,RS1,PSW.7,PSW.0,CY (PSW.7) 进位/借位标志位。 若ACC在运算过程中发生了进位或借位，则CY=1；否则=0。它也是布尔处理器的位累加器，可用于布尔操作。,AC(PSW.6)半进位/借位标志位。 若ACC在运算过程中，D3位向D4位发生了进位或借位，则CY=1,否则=0。机器在执行“DA A”指令时自动要判断这一位，我们可以暂时不关心它。,F0 (PSW.5) 用户标志位。,PSW.6,PSW.5,2.1.3 MCS-51单片机的内部结
7、构,PSW,14,2.1.3 MCS-51单片机的内部结构,PSW.7,PSW.0,RS1(PSW.4)、RS0(PSW.3)工作寄存器组选择位。,RS1，RS0 = 0 1 则选择了工作寄存器组 1 区R0R7分别代表08H 0FH单元。,RS1，RS0 = 1 0 则选择了工作寄存器组 2 区 R0R7分别代表10H 17H单元。,RS1，RS0 = 1 1 则选择了工作寄存器组 3 区R0R7分别代表18H 1FH单元。,PSW.4 PSW.3,RS1，RS0 = 0 0 则选择了工作寄存器组 0 区R0R7分别代表08H 0FH单元。,PSW,15,CY,AC,F0,RS0,OV,P,
8、RS1,PSW.7,PSW.0,OV (PSW.2)溢出标志位。 OV=1时特指累加器在进行带符号数(-128+127)运算时出错（超出范围）；OV=0时未出错。,PSW.1 未定义。,P (PSW.0)奇偶标志位。 P=1表示累加器中“1”的个数为奇数 P=0表示累加器中“1”的个数为偶数 CPU随时监视着ACC中的“1”的个数,并反映在PSW中,PSW.2,PSW.1,2.1.3 MCS-51单片机的内部结构,PSW,16,（4）布尔处理器Cy 实现各种位逻辑运算和传送；MCS-51具有一个位寻址空间。 （5） TMP1和TMP2为8位暂存寄存器 存放参与预算的操作数。,2.1.3 MCS
9、-51单片机的内部结构,MCS-51仅能实现两个8位 二进制数的算术逻辑运算！,17,2. 控制器 组成： 定时与控制部件，复位电路，程序计数器（PC），指令寄存器、指令译码器，数据指针（DPTR）,堆栈指针（SP）等 作用：产生计算机所需的时序，控制程序自动执行。,2.1.3 MCS-51单片机的内部结构,18,程序计数器PC（16位） 程序计数器PC用来存放即要执行的指令地址，共16位，低8位经P0 口输出，高8位经P2口输出。 CPU每取一次机器码，PC内容自动加一， CPU执行一条指令，PC内容自动增加该指令的长度。CPU复位后，PC内容为0000H，它标志着程序从头开始执行。 PC的
10、内容变化决定程序的流向。 指令寄存器（8位） 指令寄存器中存放将要执行的指令代码，通过指令译码器，将指令代码转化为电信号控制信号ALE等。,2.1.3 MCS-51单片机的内部结构,19,2.1.3 MCS-51单片机的内部结构,数据指针DPTR（16位） 用于访问外部RAM或外部I/O口，提供十六位地址。用于程序存储器的查表和程序散转指令，作为基地址寄存器，提供十六位基地址。,堆栈指针寄存器SP（8位） 用于管理对栈，指出栈顶位置。 MCS-51单片机复位后, (SP)=07H,20,2.1.3 MCS-51单片机的内部结构,（二）存储器 1.内部数据存储器 单片机的内部数据存储器由RAM地
11、址寄存器、地址译码器以及128个单元的RAM构成，用于存放可读写的数据。 2. 内部程序存储器 MCS-51系列单片机（8031除外）的内部程序存储器由程序地址寄存器、地址译码器以及4K（4096）个单元的ROM构成，用于存放程序的机器代码和常数。 2 . 特殊功能寄存器（Special Function Register，SFR） MCS-51系列单片机有21个可以寻址的特殊功能寄存器，包括单片机内的I/O口、串行口、定时/计数器、中断系统等相关的数据寄存器（或缓冲器）以及控制寄存器和状态寄存器，用于存放相应功能部件的控制命令、状态和数据。,21,2.1.3 MCS-51单片机的内部结构,（
12、三）并行口（Parallel Port） 有4个并行的I/O口：P0、P1、P2、P3，每根口线都可独立地用作输入或输出。 （四）串行口（Serial Port） 有1个全双工的串行口，用于串行通信。串行口由发送缓冲器SBUF、接收缓冲器SBUF、移位寄存器和串行口控制逻辑等部分组成。 （五） 定时/计数器（Timer/Counter） 有2个16位的定时/计数器T0和T1，T0由TH0和TL0构成，T1由TH1和TL1构成，定时/计数器方式寄存器TMOD选择定时/计数器的工作模式和方式，定时/计数器控制寄存器TCON控制T0和T1的启动和停止，同时反映T0和T1的溢出状态。 （六）中断系统（
13、Interrupt System） 有5个中断源，分别为2个外部中断、2个定时/计数器溢出产生的中断、1个串行口接收/发送产生的中断，提供2个中断优先级。,22,2.2 MCS51单片机的存储器,MCS-51单片机的程序存储器和数据存储器分开设置，地址空间相互独立。MCS51存储器地址空间可分为以下5类： （1）程序存储器，最大空间64K； （2）片内数据存储器，128个单元； （3）特殊功能寄存器，共21个； （4）位寻址空间，211位； （5）外部数据寄存器，最大空间64K。 这些资源与单片机应用的关系密切，下面我们介绍上述5类存储空间的功能。,23,2.2.1 程序存储器,程序存储器用来
14、存放程序和常数，最大寻址空间64K单元。MCS51系列产品按程序存储器配置类型分为3类： 8051芯片含有4k个单元的ROM； 8751芯片含有4k个单元的EPROM； 8031中无程序存储器，需要扩展程序存储器。,在实际应用中，用户既可使用芯片内部的程序存储器，也可以使用芯片外部的程序存储器，但最大空间为64k，程序存储器的地址空间构成与引脚的 接法有关。,24,2.2.1 程序存储器,（1）芯片内部含有程序存储器的单片机（ 8051/8751 ） 当 =1（接高电平）时，8051/8751的程序存储器结构如图：,程序存储器结构,程序存储器连接电路,25,2.2.1 程序存储器,（1）芯片内
15、部含有程序存储器的单片机（8051/8751） 当 =0（接低电平）时，8051/8751的程序存储器结构如图：,程序存储器结构,程序存储器连接电路,26,2.2.1 程序存储器,（1）芯片内部不含有程序存储器的单片机（ 8031 ） 必须接地，8031的程序存储器结构如图：,程序存储器结构,不论哪一种MCS-51单片机，如果 接地，其内部的程序存储器将被CPU忽略。,27,2.2.1 程序存储器,在单片机的程序存储器中，有5个特殊的单元地址被定义为中断入口地址，分别为：外部中断入口地址0003H，外部中断入口地址0013H，定时/计数器T0入口地址000BH，定时/计数器T1入口地址001B
16、H，串行口中断入口地址0023H。,中断入口地址映射,28,2.2.2 片内数据存储器,MCS-51单片机的片内RAM按照功能可分为3个区域： 001FH：32个单元为工作寄存器区 202FH：16个单元为位寻址区 307FH：80个单元为数据缓冲区,片内RAM分区示意图,29,（一）工作寄存器区（Register Bank）（00-1FH）,工作寄存器组分区,工作寄存器区也称为通用寄存器区。工作寄存器区包含4个工作寄存器组，每个工作寄存器组中包含8个工作寄存器R0R7： BANK0（0007H） BANK1（080FH） BANK2（1017H） BANK3（181FH）,2.2.2 片内数据存储器,30,表工作寄存器组的工作寄存器R0R7与内RAM单元的对应关系,2.2.2 片内数据存储器,31,2.2.2 片内数据存储器,（二）位寻址区（Bit Addressable Area）（202FH） MCS-51单片机的片内RAM中， 202FH单元被开辟为位寻址区； 这些单元的每一位都具有一个自己的位地址，共168128位。 位寻址区位地址范围为007FH，CPU可以对每一位直接操作。,
