《单片机原理及接口技术案例教程 教学课件 ppt 作者 李法春 第2章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《单片机原理及接口技术案例教程 教学课件 ppt 作者 李法春 第2章（64页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第2章 MCS-51单片机的硬件结构,2.1 MCS-51单片机基本结构 2.2 中央处理器CPU 2.3 存储器 2.4 并行输入/输出接口 2.5 单片机的引脚及其功能,学习目标 1.了解MCS51系列单片机的基本结构、CPU的组成；掌握各CPU组件（尤其是专用寄存器）的作用；了解CPU时序特点，熟悉机器周期的概念以及机器周期与指令周期之间的关系。 2.掌握MCS51系列单片机的存储器结构，能够区分不同型号51系列单片机程序存储器的应用状态；掌握片内数据存储器的功能区划分和各自寻址特点，熟悉常用的SFR的功能和应用特点。 3.熟练掌握MCS51系列单片机4个8位并行I/O端口的各自功能和应
2、用特点。 4.了解MCS51系列单片机器件的外部引脚功能、封装形式，熟悉各控制引脚的功能和应用特点；了解51系列单片机的工作方式。 重点难点 1.MCS51系列单片机存储器的结构，片内存储器的应用特 2.MCS51系列单片机4个8位I/O端口的应用特点。,2.1 MCS-51单片机基本结构,MCS-51系列单片机都是以8051为核心电路发展起来的，包括51子系列（基本型）和52子系列（增强型）两大类，因此它们都具有MCS-51的基本结构与软件特征，具有很强的兼容性。,2.1.1 MCS-51系列单片机的内部结构,（1）面向控制的8位中央处理器（CPU） （2）具有布尔处理（即位处理）能力 （3
3、）64KB程序存储器空间 （4）64KB数据存储器空间 （5）4KB片内程序存储器（ROM） （6）128B内部数据存储器（RAM） （7）一组特殊功能寄存器（SFR） （8）32根双向并可按位寻址的I/O口线 （9）2个16位定时器/计数器 （10）5个中断源，具有两个优先级 （11）一个全双功异步串行口 （12）片内振荡器和时钟电路,ALU,EPROM,无ROM为8031,用EPROM,为8751,2.1.2 MCS-51系列单片机的结构,P0 P1 P2 P3 TXD RXD,并行接口,CPU,时钟电路,串行接口,中断系统,定时/计数器,T0 T1,2.2 中央处理器CPU,2.2.1
4、MCS-51系列单片机CPU的结构和功能部件 1. CPU 结构 MCS51内部有一个8位CPU（8位是CPU的字长，指CPU对数据的处理是按一个字节进行的），它象通常的微处理器一样，也是由算术逻辑运算单元ALU、定时控制部件（即控制器）和各种专用寄存器等组成的。,ALU,由定时和控制部件构成的控制器，包括定时控制逻辑、指令寄存器、指令译码器、数据地址指针DPTR、程序计数器PC、堆栈指针SP、RAM地址寄存器以及16位地址缓冲器等。,运算器（ALU、专用寄存器）,2.CPU的专用寄存器组,在应用系统设计尤其是软件编程时经常用到CPU的专用寄存器组。MCS-51的CPU专用寄存器组包括程序计数
5、器PC、累加器ACC、寄存器B、程序状态标志寄存器PSW、堆栈指针SP和数据指针DPTR等6个寄存器，除PC外，其余5个寄存器均为可编程可访问寄存器。而PC只能用在查表指令MOVC中，不可直接访问。另外，专用寄存器组中只有PC在物理上是独立的（即没有与其他器件共同编码的物理地址），其余5个寄存器都有相应的直接地址编码（称字节地址）。, 是CPU的最基本部件，它是一个独立的计数器，用于存放下一条待执行指令的地址。 PC的基本工作过程可以描述为：PC中的数作为指令地址输出给程序存储器，程序存储器按此地址输出指令字节，同时PC本身自动加1，指向下一条指令。 注意：在执行转移、调用类指令或响应中断等操
6、作时，PC的工作过程将有所不同。 MCS-51的PC是一个16位寄存器，其寻址范围是64KB（即216Byte）。在MCS-51指令系统中有一类基址加变址寻址的指令，PC可用作该类指令的基本地址寄存器。,(4)程序计数器PC（Program Counter）,（2） 累加器ACC,（Accumulator）：累加器ACC（简称A寄存器或累加器A）是一个具有特殊用途的8位寄存器，主要用来存放一个操作数或存放运算的结果。累加器ACC是CPU中使用最频繁的寄存器，MCS-51指令系统中多数指令的执行都通过它进行。,(3)寄存器B,寄存器B也是一个8位寄存器，在乘法和除法运算中用作ALU的输入之一。乘
7、法运算时，ALU的两个输入分别为A、B，运算结果存放在AB寄存器中，其中A存放积的低8位，B则存放积的高8位。除法运算时，被除数取自A，除数取自B；运算结果商存于A，而余数存于B。其它情况下，B可作为一个工作寄存器使用。,(4)程序状态字PSW（Program State Word）,D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0,PSW,进位标志、“位累加器”,辅助进位标志,用户通用状态标志,溢出标志,奇偶标志位,保留位,工作寄存器组选择控制位,若A中有奇数个“1”，则P置位，否则清零,RS1、 RS0与片内工作寄存器组的对应关系, 堆栈是指用户在单片机内部RAM中开辟的、遵循“先进后出”原
8、则、只能从一端存取数据的一个存储区，我们把存取数据的一端称为栈顶。 凡是关系到堆栈操作的场合（无论是入栈还是出栈），都需要借助MCS-51的CPU中一个专用8位寄存器SP来间接指示堆栈中数据存取的位置，该寄存器被称为堆栈指针SP。 MCS-51的堆栈是向上（即向地址增加的方向）生成的,堆栈指针SP的初始值称为栈底。在堆栈操作过程中，SP始终指向堆栈的栈顶。,(5)堆栈指针SP（Stack Pointer）,堆栈中的数据压入和弹出过程,注意： 单片机复位后SP的值为07H，因此入栈数据将从08H存起。 08H1FH与工作寄存器区13，通过把栈底设计在片内RAM中地址值较高的地方，如60H等。,入
9、栈操作时首先将SP的内容记为（SP）自动增1，将SP间接指示的栈区片内RAM存储单元地址向上调整一次，再把数据压入由SP最新指示的片内RAM单元中；出栈操作时，首先将当前栈顶的内容弹出到相应位置，然后把SP的内容自动减1。可见，在堆栈操作过程中，SP的值将自动增1或减1。,89H,入栈过程 PUSH ACC,出栈过程 POP ACC,89H,6. 数据指针寄存器DPTR,数据指针DPTR是一个 16 位的专用寄存器, 其高位字节寄存器用DPH表示、低位字节寄存器用DPL表示。既可作为一个 16 位寄存器DPTR来处理, 也可作为两个独立的 8 位寄存器DPH和DPL来处理。 DPTR 主要用来
10、存放 16 位地址，可通过它访问 64 KB外部数据存储器或外部程序存储器空间。,2.2.2 MCS-51系列单片机的CPU时序,CPU以不同的方式，通过复杂的时序电路执行并完成各种不同指令功能。CPU的控制器按照指令的功能发出一系列在时间上有一定次序的信号去控制和启动一部分逻辑电路，完成某种操作。在一定时刻发出一定的控制信号去启动一定的逻辑部件动作，这就是CPU的时序。,1.系统时钟与时钟周期,系统时钟是一切微处理器、微控制器内部电路工作的基础。单片机内部有一个自激振荡电路，可以通过它或外部提供振荡源驱动内部时钟电路产生系统时钟信号。系统时钟信号的振荡周期简称时钟周期。系统时钟组成了单片机机
11、器周期的状态序列。,2.机器周期与指令周期,CPU完成一种基本操作所需要的时间称为机器周期Tcy。 基本的机器周期有取指周期、存储器读周期和存储器写周期等，各种指令功能都是由这几种基本机器周期实现的。 CPU执行一条指令所需要的时间称为指令周期，它以机器周期为单位。MCS-51的指令可以分为单周期指令、双周期指令和四周期指令三种，它们的执行时间依次是1个、2个和4个机器周期。,机器周期与时钟周期的关系,MCS51系列单片机的的1个机器周期包括12个时钟周期。为了叙述方便，可将1个机器周期分为6个状态S1S6，每个状态又分为两节拍P1、P2，则1个机器周期的12 个节拍依次为S1P1、S1P2、
12、S2P1S6P2。,如果系统时钟的晶振频率为fosc=12MHz，则 1Tcy = 12Tosc = 12/fosc = 12/(12106) =1s 即：1个机器周期的时间为1s。,单字节单周期指令 例：INC A,双字节单周期指令 例：ADD A，DATA,单字节双周期指令例：INC DPTR,CPU取指/执行时序,P1 P2,P1 P2,读操作码（丢弃）,MOVX类指令(单字节双周期指令）,无取指（无ALE）,地址,数据,访问外部存储器,双字节双周期指令 例：MOV Rn,direct,读第二字节操作码,当CPU对外部RAM读写时，ALE不是周期信号,2.3 存储器,普林斯顿（Princ
13、eton）结构：将程序和数据合用一个存储器空间的结构。 哈佛（Harvard）结构： 为绝大多数单片机所采用。程序存储器和数据存储器截然分开，ROM和RAM独立编址并分别寻址的结构，相互间不会冲突。 在MCS-51系列单片机中，不仅在片内预留了一定容量的程序存储器、数据存储器以及众多的特殊功能寄存器（SFR），而且还具有很强的外部存储器扩展能力，程序存储器和数据存储器的寻址能力均可达64KB，寻址和操作简单方便。,8031 8751 8051 89C51,256B（字节）,4KB,64K,64K,MCS51存储器结构,三大逻辑存储空间,特殊功 能寄存器,数据存储器,2.3.1 程序存储器,程序
14、存储器（Program memory）主要用于存放经调试正确的应用程序和常数表格。由于MCS-51系列单片机采用16位的程序计数器PC和16位的地址总线，因而程序存储器可扩展的地址空间为64KB，并且这64KB地址在空间分布范围上是连续和统一的。,1.程序存储器的分类,单片机应用系统中的程序存储器一般用半导体只读存储器即ROM（Read Only Memory）。这种存储器在计算机运行时只能对其执行读操作，即使整机掉电后存于其中的信息也不会丢失，显然适于存放用户程序、常数和表格等。 (1)Mask ROM 型：掩膜ROM。其编程只能由制造商通过半导体掩膜技术完成，用户无法改写，所以对用户而言，
15、它是严格意义上的只读存储器，适用于有固定程序且大批量生产的产品中。如8051中的4KB程序存储器就是这一种。,（2）OTPROM型,一次可编程ROM（One Time Programmable ROM）。用户可通过专门设备对其一次性写入程序，此后便不能改写。这种程序存储器可靠性很高，适合于存放已调试成功的用户程序，投入规模生产，但调试阶段不宜用。目前，国内外有很多单片机制选商提供片内集有OTRROM的单片机产品，可供用户选择。,(3)EPROM型,可擦除可编程ROM（Erasable Programmable Rom）,其典型外观标志是芯片上有一个紫外线擦除窗口。这种存储器编程使用一定的直流电源（如+21V电压），而擦除则用紫外线灯光照射芯片窗口（一般需1530分钟），重新编程后用不透明标签将窗口贴覆遮盖住即可。目前仍有许多用户在单片机产品开发中使用此类器件，但由于这种器件不是本质非易失器件（阳光或日光灯照射时间足够长也会擦除程序）、编程电压要求高、编程时间长等原因，应用范围正在萎缩，相信不久即会被新型器件替代。MCS-51系列单片机8751的片内ROM以及27系列存储器芯片都属于此类产品。,（4）E2PROM型,电可擦除可编程ROM（Electrically Erasable Programmable ROM）。较新型只读存储器，编程速度较快且可在线改写
