《单片机原理与应用 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 教学课件 PPT 作者 梁炳东 第2章__MCS-51单 片机的结构与原理-新》由会员分享，可在线阅读，更多相关《单片机原理与应用 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 教学课件 PPT 作者 梁炳东 第2章__MCS-51单 片机的结构与原理-新（99页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1,第 2 章 MCS-51单片机 的结构与原理,【本章内容】 本章主要介绍单片机的外部引脚、内部结构、CPU工作原理、存储器配置、特殊功能寄存器及I/O口的结构等。 【项目驱动的学习要点】 应用项目中的硬件电路原理。 应用项目中的单片机资源规划。,2,第 2 章 MCS-51单片机 的结构与原理,2.1 MCS-51单片机的外部引脚与内部结构 2.2 MCS-51单片机的CPU结构 2.3 MCS-51单片机的存储器结构 2.4 MCS-51单片机的并行口结构 练习题,END,3,2.1 MCS-51单片机 的外部引脚与内部结构,2.1.1 MCS-51的外部引脚 2.1.2 MCS-51的
2、内部结构,4,2.1.1 MCS-51的外部引脚,采用DIP封装的MCS-51系列单片机共有40条引脚，如图2-1所示。各条引脚的名称、功能如下。,图2-1 MCS-51的外部引脚,5,1电源引脚, VCC：+5V电源。 Vss：地线。,图2-1 MCS-51的外部引脚,6,2外接晶振引脚,XTAL1、XTAL2：用于连接晶体振荡器和微调电容，以便与单片机内部的振荡器构成内部时钟电路，当采用外部时钟时，作为外部振荡信号的输入端。,图2-1 MCS-51的外部引脚,7,3I/O口引脚, P0.7P0.0：P0口引脚，用于传送输入/输出数据或低8位地址。 P1.7P1.0：P1口引脚，用于传送输入
3、/输出数据。 P2.7P2.0：P2口引脚，用于传送输入/输出数据或高8位地址。 P3.7P3.0：P3口引脚，用于传送输入/输出数据，或作为第二功能引脚，各条引脚的第二功能如表2-1所列。,图2-1 MCS-51的外部引脚,8,表2-1 P3口各条引脚的第二功能,9,4控制引脚, RST：复位信号输入引脚。该引脚输入高电平时，可使单片机复位。 PSEN ：片外ROM读选通输出引脚。用于扩展外部ROM时，与外部ROM芯片的读选通引脚连接。 ALE/PROG：地址锁存允许信号输出引脚/编程脉冲输入引脚。它有3种功能： （1）在单片机访问片外存储器时，可用作低8位地址的锁存控制信号。 （2）不访问
4、片外RAM时，该脚输出的脉冲序列（频率为晶振频率的1/6）可作为脉冲信号源使用。 （3）在对片内EPROM进行编程（写EPROM）时，用于输入编程脉冲。,图2-1 MCS-51的外部引脚,10,图2-1 MCS-51的外部引脚, /VPP：片外ROM访问允许信号输出引脚/片内 EPROM编程电压输入引脚。它的功能是： （1）当 =0时，允许单片机访问片外ROM（不允许使用片内ROM）。所以，对于无片内ROM的单片机（如8031）此引脚应接地。 （2）当 =1时，允许单片机使用片内ROM。对于具有片内ROM的单片机，若该引脚为高电平，则CPU在访问片内ROM时，当访问地址超过所配置容量的最大值时
5、，会自动转向访问片外ROM。 （3）在对片内EPROM进行编程时，用于输入编程电压。,4控制引脚,11,【项目应用】,应用项目的硬件电路图，如图2-2所示，请读者根据上述介绍，逐个理解其中所使用的单片机引脚，指出其名称和功能。初步理解为何使用这些引脚，哪些引线用的是P3口的第二功能？,图2-2 应用项目的硬件电路图,12,解：,所用到的单片机引脚名称和功能如下： （外部中断0输入） （外部中断1输入） （片外RAM读选通） （片外RAM写选通） （片外ROM访问允许脚，由于所用的单片机为无片内ROM的8031，因此，将该引脚接地） ALE（地址锁存） RST（复位） P0.7P0.0（P0口引
6、脚） P1.0和P1.4（P1口引脚） P2.7（P2口引脚） 、 、 和 用的是P3口的第二功能，分别对应P3.2、 P3.3、P3.6和 P3.7引脚。,13,2.1.2 MCS-51的内部结构,图2-3 MCS-51单片机内部结构框图,14,MCS-51的内部结构说明,图2-3是具有片内ROM的MCS-51单片机内部结构： 片内ROM的类型为掩膜ROM时，对应8051； 为EPROM时，对应8751； 将片内ROM去掉，便是8031。 图中带阴影的方框为用户可以通过指令进行访问的具有特殊功能的单元，称为特殊功能寄存器（SFR）； ROM为程序存储器；RAM为数据存储器； P0P3口锁存器
7、与驱动器构成I/O接口； OSC为振荡器，用于为CPU提供时钟信号； 其余各部件均属于CPU的组成部件。,15,2.2 MCS-51单片机 的CPU结构,2.2.1 CPU的基本结构 2.2.2 CPU的工作原理 2.2.3 CPU的时钟和时序,16,2.2.1 CPU的基本结构,图2- 4 MCS-51单片机的CPU基本结构框图,17,1算术/逻辑运算单元ALU,ALU是一个功能极强的运算器，它除了可以进行数据的加、减、乘、除算术运算和与、或、非、异或、循环、求补等逻辑运算外，还具有位处理功能。,18,2程序计数器PC,PC是一个16位的计数器。它总是存放着下一个将要执行的指令码所在的地址。
8、CPU执行指令时，先根据程序计数器PC中的地址从存储器中取出当前需要执行的指令码，并把它送给指令译码器分析执行，随后程序计数器PC中的地址自动加1，以便为CPU取下一个需要执行的指令码作好准备。当下一个指令码取出执行后，PC又自动加l。这样，程序计数器PC一次次加1，指令就被一条条执行。,19,但在执行转移指令、子程序调用指令和中断响应时例外，那时PC的内容不再加1，而是由指令或中断系统自动给PC置入新的地址。PC的取值范围为0000HFFFFH（后缀“H”表示十六进制），这就是说，MCS-5l单片机对程序存储器的寻址范围为64KB。单片机开机或复位时，PC自动清0，即装入PC中的初始地址为0
9、000H，这就保证了单片机开机或复位后，程序总是从0000H地址开始执行。,20,3定时与控制,定时与控制部件与程序计数器、指令寄存器、指令译码器等构成CPU中的控制器。控制器是单片机的核心部件、指挥中心，相当于人脑的神经中枢。其中，定时与控制部件的功能是根据指令译码器的译码结果，产生实现指令功能所需的各种微操作控制信号，控制、协调各部件的工作，以完成相应指令的执行,21,4累加器 ACC,ACC的用途是向ALU提供操作数和存放运算的结果。CPU执行某种运算前，通常先将一个操作数存放在累加器中，再与另一个来自暂存器的操作数在ALU中进行运算，运算后的结果又送回累加器。如果进行的是连续加法，AC
10、C便起到累加的作用，因此而得名。书写指令时，ACC通常记作A（特例除外）。,22,5寄存器B,寄存器B用于在乘法或除法运算前，存放乘数或除数，在乘法或除法完成后用于存放乘积的高8位或除法的余数。在不进行乘、除运算时，可以作为通用的寄存器使用。,23,6程序状态字寄存器PSW,PSW用来存放指令执行后的有关状态，如计算结果有无进位/借位、溢出等，是一个标志寄存器，其中的各个状态位通常是在指令执行过程中自动形成的，但也可以由用户根据需要采用传送指令加以改变，它们的具体定义和功能在2.3.2中再予以详细介绍。,24,7其他主要部件, 暂存寄存器TMP1、TMP2：用于暂时存放从数据总线或ACC送来的
11、操作数。 程序地址寄存器：用于存放当前指令的地址，具体数据由程序计数器送入。 指令寄存器：用于存放当前正在执行的指令操作码（指令的构成在下一章中介绍）。 指令译码器：用于对指令寄存器中的指令操作码进行分析，并把译码结果送给定时与控制部件，作为产生微操作控制信号的依据。 内部总线：包括地址总线、数据总线和控制总线，分别用于传递与它们的名称相对应的信号，内部总线是各部件间进行信息传递的公共通道，信号传递过程由CPU全盘控制，分时操作，不会发生冲突。,25,2.2.2 CPU的工作原理,表2-2 MCS-51单片机的几条指令,26,指令说明：,由于CPU是采用二进制来工作的，所以CPU能直接识别和执
12、行的指令都是用二进制编写的，这些指令称为机器指令或机器码。通常每条指令的首字节为必不可少的指令操作码，其余字节为操作数或操作地址，指令长度通常为13个字节，单字节指令只有操作码。表中指令的十六进制形式和汇编形式，是人们为了便于书写和记忆而采用的形式。,27,例：CPU计算“（1+2）3”,为了更好地理解CPU的工作原理，下面以要求CPU计算“（1+2）3”为例说明CPU的工作过程。 利用上述指令编写的程序如下。 指令 功能注释 MOV A, #01H ; A 01H ADD A，#02H ; A 01+02H MOV B, #03H ; B 03H MUL AB ;BA (A) (B) SJM
13、P $ ; 停机,28,CPU的工作原理示意图,假定以上程序已装入了单片机内部ROM中，起始地址为0050H，并假定程序计数器的当前值也是0050H，则单片机CPU的工作原理如图2-5所示。,图2-5 MCS-51单片机CPU的工作原理示意图,29,CPU执行指令过程,（1）定时与控制器通过控制总线中的读指令控制线，送出读ROM中指令的控制信号，将片内ROM中0050H单元中的操作码74H读出，并送至指令寄存器，同时控制PC加1器，将程序计数器PC中的地址加1，变成0051H，为取指令的第二字节作好预先准备。,30,（2）指令译码器对指令寄存器中的操作码进行译码，并把译码结果送至定时与控制器。
14、就本例而言，译码的结果为“把一个在指令中给出的数据送入ACC，这个数据来自于当前指令的第二字节。”,31,（3）定时与控制器根据指令译码器的译码结果，发出相应的微操作控制信号。对应上述译码结果，由于已经知道需要送入ACC的数据就存放当前指令的第二字节，而且，PC已经指向该字节的地址（0051H），所以只要发出读ROM控制信号，就可以将0051H中的数据01H读出到数据总线上，并通过写ACC控制信号将这个操作数送入ACC，从而完成第一条指令的执行过程。对于需要生成程序状态字的指令，还需通过微操作将相应的状态字写入PSW中。,32,（4）执行完第一条指令后，定时与控制器又控制PC加1器，将程序计数
15、器PC中的地址加1，变成0052H，从而指向下一条指令的首字节，为执行下一条指令做准备。,33,（5）重复上述类似的过程，并通过使用暂存寄存器TMP1、TMP2，寄存器B和运算器ALU，便可以完成第2第4条指令的执行，最终实现将ACC中的数据（01H+02H=03H）与B中的数据（03H）相乘，所得乘积的高8位（00H）送入B，低8位（09H）送入ACC，从而完成程序要求的(1+2) 3运算。乘法指令之所以用到B、ACC两个寄存器存放乘积，是考虑到两个8位数的乘积有可能会超过8位。,34,（6）程序的最后一条指令是停机指令，执行到这条指令时，定时与控制器将不再控制PC加1，而是将PC的值置换为
16、0058H，使之又指向该指令本身的首字节，使得接下来再执行的还是该指令，循环往复，从而实现“动态停机”。 读者只要理解了上述的CPU工作过程，就不难理解单片机CPU的工作原理或MCS-51单片机的工作原理。,35,2.2.3 CPU的时钟和时序,单片机CPU的时钟信号，可以采用内部时钟，也可以采用外部时钟。 （1）内部时钟 内部时钟信号的产生方法，是通过在单片机的XTAL1、XTAL2引脚外接石英晶体振荡器和微调电容，以使MCS-51单片机内部的振荡器OSC按晶振频率自激振荡而获得。具体的接线方法如图2-6所示。电容C1和C2的典型值为30pF，石英晶振X1的典型值为12MHz或6MHz。,1CPU的时钟,36,（2）外部时钟,外部时钟信号由外部振荡器产生，它的波形应为方波，频率应符合所用的MCS-51单片机的具体
