第2章节结构和工作原理

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1、单片机原理及应用,电气与电子工程学院 张永贤 R,第2章 MCS-51单片机的硬件结构和工作原理,21 MCS-51单片机的基本组成,2-1 -1MCS-51单片机的基本组成（8部分）,1、微处理器（CPU）：为8位的CPU，内含一个1位的位处理器(Boolean处理器)。 2、特殊功能寄存器（SFR）和数据存储器(RAM) ： SFR（Special Function Register)是一个特殊功能的RAM区共有21个，用于对片内各功能模块进行管理。 RAM为128个字节，用来存放数据。 3、程序存储器（ROM/EPROM）： 8031无此部件；8051为4K ROM； 8751为4K E

2、PROM。而片外最多可外扩至64K字节。,4、中断系统： 具有5个中断源，2级中断优先级。 5、定时/计数器： 2个16位的定时/计数器，具有四种工作方式。 6、串行口： 1个全双工的串行口，具有四种工作方式。 7、P0、P1、P2、P3口： 为4个并行8位I/O口。 8、内部时钟电路。,2-1-1 MCS-51单片机的基本组成,表1 常用的51系列单片机型号,2-1-2 MCS-51单片机系列分类,51子系列（基本型）和52子系列（增强型）,52子系列功能增强的具体方面： 片内ROM从4KB增加到8KB 片内RAM从128字节增加到256字节 定时器从2个增加到3个 中断源从5个增加到6个,

3、2-1-3单片机芯片的半导体工艺,HMOS：高速度，高密度短沟道MOS工艺。 CHMOS：是CMOS和HMOS的结合，保持了HMOS的高速度和高密度，还具有CMOS的低功耗。（芯片型号中凡带有字母“C”） 例如：8051的功耗为630mW， 而80C51的功耗为120mW。 对于便携式和手提式或野外作业仪器低功耗非常有意义。,2-1-4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） EPROM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 单片机是面

4、向现场的具有很强的抗干扰能力，这是其它任何计算机所不及的。在使用中应注意根据现场温度选择芯片。 环境温度范围，划分为三个等级 民用级(Commercial) 070 工业级(Industrial) 4085 军用级(Military) 65125,22 单片机的内部结构和功能,221 中央处理器CPU,221 中央处理器CPU,1、程序状态字PSW各标志位的含义,PSW.7 PSW.6 PSW.5 PSW.4 PSW.3 PSW.2 PSW.1 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.

5、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,1、程序状态字PSW各标志位的含义,1、程序状态字PSW各标志位的含义,221 中央处理器CPU,2 、程序计数器（PC） PC是程序的字节地址计数器（ 16位）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。,221 中央处理器CPU,3. 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。 4寄存器B 8位 乘法时用于存乘数/积的

6、高8位 除法时用于存除数/余数。 5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,222 存储器结构,其存储器分程序存储器（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,128B SFR,一、片内数据存储器（片内RAM）,8

7、051片内数据存储器共有256个单元,1、低128字节RAM,用户RAM区 （堆栈、数据缓冲） （30H-7FH）,位寻址区 （位地址00H-7FH） （20H-2FH）,第3组通用寄存器 （18H-1FH）,第2组通用寄存器 （10H-17H）,第1组通用寄存器 （08H-0FH）,第0组通用寄存器 （00H-07H）,用于存放操作数及中间结果。由于它们的功能预先不作规定，因此称为通用寄存器，也叫工作寄存器（R0R7）。 任一时刻，CPU只能使用一组工作寄存器。（由PSW的RS0和RS1决定）,可以直接对位进行寻址。（共16个单元，128个位）,用于存放用户数据和及做堆栈用。,00H,7FH

8、,（1）工作寄存器区（00H1FH),RS1 RS0 寄存器组 片内RAM地址 0 0 第0组 00H07H 0 1 第1组 08H0FH 1 0 第2组 10H17H 1 1 第3组 18H1FH,R0R7,（2）可位寻址区（20H2FH),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2-3所示P42。 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。,47H,46H,45H,44H,43H,42H,41H,40H,D0,D1,D2,D3,D4,D5,D6,D7,28H 字节地址,位地址,内部数据

9、存储器中的位地址,28H 字节地址,MOV 28H,#56H,SETB 43H,CLR 42H,1,0,字节操作,位操作,01010110B,（3）用户RAM区（30H7FH）,30H7FH是供用户使用的一般RAM区，也是数据缓冲区，共80个单元。对用户RAM区的使用没有任何规定或限制，一般用于存放用户数据及作堆栈区使用,2、高128字节特殊功能寄存器SFR,8051片内高128字节RAM中，有21个特殊功能寄存器，又称为专用寄存器（SFR）。它们离散地分布在80H0FFH RAM空间中。 特殊功能寄存器的字节寻址 8051片内21个特殊功能寄存器的名称、符号及单元地址如表2-3所示(P48)

10、。,在21个特殊功能寄存器中，有11个寄存器具有位寻址，即表2-3中带者，其地址分布见表2-4(P49)。表中11个可位寻址的寄存器，它们的字节地址正好能被8整除，而且字节地址与该字节最低位的位地址相同。, 特殊功能寄存器的位寻址,二、片外数据存储器（RAM/ I/O),2、片外RAM地址范围为0000HFFFFH，其中在0000H00FFH这段区间与片内数据存储器空间是重叠的，CPU使用MOV指令和MOVX指令加以区分。 3、若用户应用系统有扩展的I/O接口时，数据区与扩展的I/O口统一编址，所有的外围接口地址均占用片外RAM的地址单元，因此要合理地分配地址空间，保证译码的唯一性。,1、片外

11、数据存储器，即片外RAM一般由静态RAM组成。MCS-51系列单片机访问外部数据存储器通过一个特殊寄存器DPTR寻址。由于DPTR是16位，则外部数据存储器可寻址的范围是64kB。,三、 程序存储器（ROM/EPROM）,1、包括片内和片外程序存储器两部分。 2、主要用来存放编好的用户程序和表格常数。 3、它以16位的程序计数器PC作为地址指针，故寻址空间为64KB。 复位后，PC的内容为0000H，是系统程序的启动地址。 4、对于8031无内部程序存储器，只能外扩，最大可外扩为64K字节。,程序存储器的结构,说明：,1） 对于8051、8751片内有4K字节的ROM/EPROM，片外用16位

12、地址线，故可扩充64K字节的ROM，两者统一编址。 若单片机的EA=1，则8051和8751的片内程序存储器占用0000H0FFFH的最低4K字节，故当寻址范围在1000FFFFH时，则从片外程序存储器取指令。 若单片机的EA=0，则MCS-51系列所有的单片机均在片外程序存储器中取指令，这时片外程序存储器可以从0000H开始编址。 2） 对8031和8032，因无片内程序存储器，故EA必须接地。,复习:,1、单片机内部的基本组成（8部分）。,2、87C51 程序存储器容量： 片内RAM容量： 定时器数量 中断源数量,4KB EPROM ；128字节；2个16位；5个,程序状态字PSW各标志位

13、的含义,PSW.7 PSW.6 PSW.5 PSW.4 PSW.3 PSW.2 PSW.1 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 3、当累加器A=55H时，PSW.0位=？,存储器结构,存储器分程序存储器（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,4

14、KB,64KB,128B RAM,128B SFR,4、片内RAM的23H存储单元D6位的位地址为多少？ 5、特殊功能寄存器共有多少个？P1的字节地址是多少？,1FH,1EH,1DH,1CH,1BH,1AH,19H,18H,D0,D1,D2,D3,D4,D5,D6,D7,23 H 字节地址,位地址,97H,96H,95H,94H,93H,92H,91H,90H,D0,D1,D2,D3,D4,D5,D6,D7,P0字节地址 90H,位地址,223 输入/输出（I/O）端口结构,MCS-51单片机有4个双向并行的8位I/O口P0P3，每一个口都有一个8位的锁存器，复位后它们的初态为全“1”。 P0

15、口为三态双向口，P1、P2、P3口为准双向口（作为输入时，口线被拉成高电平，故称为准双向口）。,一、P0口,1、 P0口的结构 P0口是一个三态双向口, 可作为地址/数据分时复用口, 也可作为通用I/O接口。 其1位的结构原理如图26所示。 P0口由8个这样的电路组成: 锁存器起输出锁存作用, 8个锁存器构成了特殊功能寄存器P0; 场效应管（FET）V1、 V2组成输出驱动器, 以增大带负载能力; 三态门1是引脚输入缓冲器; 三态门2是用于读锁存器端口; 与门3、 倒相器4及模拟转换开关构成输出控制电路。,1P0口的结构,图26 P0口1位结构原理图,2、地址/数据分时复用功能,当P0口作为地址/数据分时复用总线时, 可分为两种情况： 一种是从P0口输出地址或数据,另一种是从P0口输入数据。 在访问片外存储器需从P0输出地址或数据信号时, 控制信号应为高电平1, 使转换开关MUX把反向器4的输出端与V1接通, 同时把与门3打开。,3. 通用I/O接口功能,当P0口作为通用I/O接口使用, 在CPU向端口输出数据时, 对应的控制信号为0, 转换开关把输出级与锁存器 端接通, 同时因与门3输出为0使V2截止, 此时, 输出级是漏极开路电路。 当P0口作为通用I/O接口时, 要注意两点: 第一, 在输出数据时, 由于V2截止, 输出级是漏极