mcs-51系列单片机的硬件结构v

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1、第2章 51系列单片机的硬件结构,了解单片机内部结构 掌握单片机引脚定义与功能,重点掌握4根控制 线的作用 掌握存储器配置 掌握寄存器和SFR的作用 掌握P0P3口的结构及使用方法 掌握单片机的时钟和复位电路构成,掌握复位 后单片机工作状态 了解单片机工作方式,学习目标,主要内容,2.1 内部总体结构 2.2 引脚定义与功能 2.3 存储器配置 2.4 输入/输出接口 2.5 时钟电路与时序 2.6 复位和复位电路 2.7 工作方式,2.1 内部总体结构,51子系列单片机的主要特点为： 1个CPU，1个片内振荡器及时钟电路； 4KBROM，128BRAM； 21个特殊功能寄存器； 32条可编程

2、的I/O线（4个8位并行I/O接口）； 可寻址64KB外部数据存储器和64KB外部程序存 储器的控制电路； 2个16位定时/计数器； 5个中断源、2个优先级嵌套中断结构； 1个可编程全双工串行接口； 1个有位寻址功能、适于逻辑运算的位处理机。,51系列单片机的内部基本结构,按功能可分成8个部件，通过片内单一总线连接起来,1.微处理器,2.数据存储器,3.程序存储器,4.I/O口,5.串行口,6.定时/计数器,7.中断系统,8.特殊功能寄存器,控制方式：SFR对各功能部件集中控制,片内总线,1、中央处理器CPU 其主要由运算电路和控制电路两大部分组成。 1）运算电路:以算术逻辑单元ALU为核心，

3、包括累加器ACC、寄存器B、程序状态字PSW和两个暂存寄存器TMP等。运算电路的基本结构如图所示。,主要部件的主要部件的基本组成及功能,算术逻辑单元是一个8位的全加器，它以两个暂存寄存器的内容作为加数和被加数，实现数据的算术逻辑运算、数据传输和程序转移等功能。数据运算的结果一般保存在累加器ACC（简称A)，数据运算和操作结果的状态由程序状态字PSW保存。 寄存器B是为ALU进行乘除法运算而设置的，不作乘除运算时，寄存器B作为通用寄存器使用。 累加器A是一个8位的寄存器，它是CPU中使用最频繁的寄存器。,2)控制电路:是保证单片机各部分能在程序运行过程中自动而协调工作的指挥枢纽，其核心部分是指令

4、地址的计算、取指和指令译码。主要包括程序计数器PC、PC加1寄存器（PC增量）、指令译码器、定时与控制电路等。运算电路的基本结构如图。,指令执行时：单片机首先根据程序计数器PC和PC增量的指向从程序存储器中读取指令，并送入指令寄存器保存，经指令译码器译码后，送定时控制逻辑电路，由定时控制逻辑电路产生各种定时和控制信号，再送到系统的各个部件去进行相应的操作。这就是执行一条指令的全过程，执行程序就是不断重复这一过程。,2、位处理器 单片机中的可位寻址数据存储器和程序状态寄存器PSW中的进位标志位CY构成了位处理器。主要处理指令系统中的位处理指令集（17条位操作指令 )。 3、内部数据存储器RAM

5、51系列单片机中有128 字节RAM，用于存放可读写的数据。 4、内部程序存储器ROM 51系列单片机中有4K字节ROM（4K8）程序存储器，用于存放程序和原始数据。 5、定时/计数器 两个16位的定时器/计数器，主要实现输入脉冲信号的计数或通过对系统时钟脉冲的计数实现定时功能。,主要部件的主要部件的基本组成及功能,6、并行I/O口 有4个8位并行的输入/输出端口，是单片机芯片以并行方式实现外部设备扩展及与外部设备联络、通信、控制、数据传输的重要方式。 7、串行口 有一个全双工的串行口控制器，是单片机实现与其它外部设备之间串行数据传送的重要设备。 8、中断控制系统 51提供了5个中断源，为高级

6、和低级两个优先级别。 9、时钟电路 时钟电路用于产生单片机工作所必需的时钟控制信号。,主要部件的主要部件的基本组成及功能,10、总线 ：就是连接单片机与系统中各部件的一组公共的信号线。, 地址总线（Address Bus,简写AB） 地址线A0A15 共16位，P2口提供高8位地址A8A15，P0口经地址锁存器提供低8位地址A0A7 。片外存储器可寻址范围达64KB（即=65536个字节）。 数据总线(Data Bus，简写DB) 地址线D0-D7共8位，由P0口提供，分时输送低8位地址（通过地址锁存器锁存）和8位数据信息。 控制总线(Control Bus，简写CB) 控制总线由P3口的第二

7、功能 P3.6、P3.7和3根独立的控制线 、和 组成。,运算器,控制器,51系列单片机内部整体结构原理图,主要内容,2.1 内部总体结构 2.2 引脚定义与功能 2.3 存储器配置 2.4 输入/输出接口 2.5 时钟电路与时序 2.6 复位和复位电路 2.7 工作方式,2.2 引脚定义与功能,MCS-51系列单片机引脚功能及总线结构,各引脚的定义和功能,主电源引脚 Vcc（40脚）：一般接+5V电源正端。 Vss（20脚）：一般接+5V电源地端。 外接晶体振荡器引脚 XTAL1（19脚） ：外接晶体振荡器的一端。 XLAT2（18脚）：外接晶体振荡器的另一端。,2.2 引脚定义与功能,2.

8、2 引脚定义与功能,控制线,RST/VPD （9脚） ：复位/备用电源线。,（30脚）：地址锁存允许/编程线,（29脚）：片外程序存储器读选通信 号输出端， 低电平有效。,（31脚）：片外程序存储器选用端， 低电平有效。,输入/输出口 P0口（3932脚） ：输入/输出线P0.0P0.7 统称为P0口。 P1口 （18脚） ：输入/输出线P1.0P1.7统称 为P1口。 P2口 （2128脚） ：输入/输出线P2.0P2.7 统称为P2口。 P3口 （1017脚） ：输入/输出线P3.0P3.7 统称为P3口。,2.2 引脚定义与功能,P3口的第二功能表,2.2 引脚定义与功能,主要内容,2.

9、1 内部总体结构 2.2 引脚定义与功能 2.3 存储器配置 2.4 输入/输出接口 2.5 时钟电路与时序 2.6 复位和复位电路 2.7 工作方式,2.3 存储器配置,微型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。 普林斯顿结构是将数据存储器和程序存储器空间合二为一，一个地址对应唯一的一个存储器单元，CPU访问ROM和RAM使用相同的指令；,2.3 存储器配置,哈佛结构是将ROM和RAM分别安排在两个不同的地址空间，ROM和RAM可以有相同的地址，CPU访问ROM和RAM使用的是不同的指令。,51系列单片机采用的结构是哈佛结构。,51系列单片机存储器结构,51系列单片机

10、存储器结构,51系列单片机存储器配置从物理地址空间上可分为片内、片外程序存储器与片内、片外数据存储器等4部分；由于片内、片外程序存储器统一编址，因此，从用户使用的角度，其寻址（逻辑地址）空间可划分为：片内外统一的64KB程序存储器、128B（对51子系列）或256B（对52子系列）内部数据存储器和64KB的外部数据存储器3个独立的地址空间。在访问这3个不同的逻辑空间时采用的是不同形式的指令。,物理上分为：4个空间，即片内ROM、片外ROM 片内RAM、片外RAM 逻辑上分为: 3个空间， 即程序内存（片内、外）统一编址 MOVC 数据存储器（片内)MOV 数据存储器（片外）MOVX,2.3.1

11、 程序存储器,程序存储器用于存放编好的程序和表格常数，它 由只读存储器ROM或EPROM或FLASH组成。程序存 储器以程序计数器PC作为地址指针，通过16位地址总 线，可寻址64KB的地址空间。 1、编址与访问 编址规律为：先片内，后片外，且片内和片外程序存储的地址不能重叠。 =1为高电平时，先执行片内程序存储器的程序，当PC的内容超过片内程序存储器地址的最大值（51子系列为0FFFH，52子系列为1FFFH）时，将自动转去执行片外程序存储器中的程序; =0为低电平时，CPU从片外程序存储器中取指令执行程序。,MCS-51单片机复位、中断入口地址,程序地址空间原则上可由用户任意安排，但复位和

12、中断服务程序的入口地址是固定的，用户不能更改。,2、程序的7个特殊入口地址,2.3.2 外部数据存储器,MCS-51单片机具有扩展64KB外部数据存储器RAM和I/O端口的能力，外部数据存储器和I/O端口实行统一编址，并使用相同的控制信号、相同的访问指令MOVX和相同的寻址方式。,片外数据存储器按16位编址时，其地址空间与程序存储器重叠，但不会引起混乱，访问程序存储器是用 信号选通，而访问片外数据存储器时，由 信号（读）和 信号（写）选通。访问程序存储器使用的是MOVC指令，访问片外数据存储器使用的是MOVX指令和寄存器间接寻址指令。,2.3.3 内部数据存储器,片内通用RAM区分为工作寄存器

13、区、位寻址区、数据缓冲区3个区域。,共128个字节， 字节地址为00H7FH。 00H1FH：32个单元，是4组通用工作寄存器区 20H2FH：16个单元，可进行128位的位寻址 30H7FH：用户RAM区，只能进行字节寻址，用作数据缓冲区以及堆栈区。,2.3.3 内部数据存储器,1、工作寄存器区（00H1FH ） 工作寄存器分成4组，每组8个寄存器，用R0R7来表示。程序中每次只用1组，其它各组不工作。工作寄存器组的选择表 如下图所示。,2、位寻址区 20H2FH单元是位寻址区。这16个单元共 128位的每一位都有对应的位地址，位地址范围00H7FH。,2FH,20H,字节地址,位地址,3、

14、通用RAM区,30H7FH是通用RAM区，共80个单元一般用于存储用户数据, 也称用户RAM区。由于工作寄存器区、位寻址区、用户RAM区统一编址，使用同样的指令访问。因此，前两个区未使用的单元也可作为用户RAM单元使用，使容量较小的片内RAM得以充分利用。52子系列片内RAM有256个单元，前两个区的单元数与地址都和51子系列的一致，用户RAM区却为0HFFH，有208个单元。,4、堆栈和堆栈指针,数据08H入栈示意图。,堆栈是一个特殊的RAM区，用来暂存数据和地址，它是按“先进后出”或“后进先出”的原则存取数据的，堆栈有入栈和出栈两种操作。 堆栈指针（Stack Pointer，SP）是一个

15、8位的特殊寄存器，用于指示堆栈在内部RAM中的位置。,数据08H出栈示意图,4、堆栈和堆栈指针（续）,堆栈指针SP的值随着入栈数据的增加而增大（向上生长型），随着出栈数据的增加而减小。,2.3.4 特殊功能寄存器,特殊功能寄存器（简称SFR），也称为专用寄存器，共21个。用于控制、管理片内算术逻辑部件、并行I/O口、串行I/O口、定时器/计数器、中断系统等特殊功能模块的工作。 12个SFR可进行位寻址，其字节地址的末位是0H或8H。引用这些位地址时，可用“寄存器.位”来表示 。,特殊功能寄存器名称、表示符、地址、复位状态一览表,特殊功能寄存器名称、表示符、地址、复位状态一览表,特殊功能寄存器名

16、称、表示符、地址、复位状态一览表,CY (PSW.7)进位标志: 在加减法运算中,累加器A的最高位A7有进位,则CY=1,否则CY=0.同理,在减法运算中,如果A7有借位,则CY=1.因此CY往往作为无符号数运算是否有溢出的标志。 AC(PSW.6):辅助进位位: 用来判断加减法运算时,低四位是否向高四位进位或借位(既A3的进位或借位).往往用来判断压缩的BCD码的运算处理. F0(PSW.5) 用户标志位: 完全由用户来定义和使用。 RS1,RS0工作寄存器区选择位:确定工作寄存器R0-R7在哪个区中. 单片机在上电或复位后RS1、RS0=00。,程序状态字（PSW）说明： 8位寄存器. 表征程序执行的状态信息。,OV(PSW.2) 溢出标志位: 判断符号数加减法运算时是否有溢出. OV的结果可以用一个算法来表示: OV=CP异或CS 其中:CP为A7的进位,CS为A6的进位O