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1、第2章 单片机的结构原理与简单应用 教学目的 v了解单片机的内部结构与主要型号。了解单片机的内部结构与主要型号。v掌握单片机引脚信号功能定义。掌握单片机引脚信号功能定义。v掌握单片机的存储器空间分配及各掌握单片机的存储器空间分配及各I/OI/O口的特点。口的特点。v掌握单片机的复位电路、时钟电路及指令时序。掌握单片机的复位电路、时钟电路及指令时序。v利用单片机的利用单片机的I/OI/O口实现循环灯的控制。口实现循环灯的控制。 学习重点和难点 v单片机的结构特点。单片机的结构特点。v存储器配置与空间的分布。存储器配置与空间的分布。v程序状态寄存器程序状态寄存器(PSW)(PSW)。v单片机的指令
2、时序。单片机的指令时序。第2章 单片机的结构原理与简单应用v2.1 单片机的结构与原理 v2.2 单片机的存储器 v2.3 单片机的输入/输出端口 v2.4 时钟电路 v2.5 复位电路 v2.6 常用单片机功能简介v本章小结v习题 2.1 单片机的结构与原理 v2.1.1 8051单片机的基本组成 v2.1.2 8051单片机的内部结构 v2.1.3 8051单片机的引脚及功能 v2.1.4 单片机的工作原理 2.1.1 8051单片机的基本组成vMCS-51MCS-51是是美美国国IntelIntel公公司司的的8 8位位高高档档单单片片机机系系列列，也也是是我我国国目目前前应应用用最最为
3、为广广泛泛的的一一种种单单片片机机系系列列。8051/80C518051/80C51是是整整个个MCS-MCS-5151系系列列单单片片机机的的核核心心，该该系系列列其其他他型型号号的的单单片片机机都都是是在在这这一一内核的基础上发展起来的。内核的基础上发展起来的。 vMCS-51MCS-51单单片片机机系系列列分分为为5151和和5252子子系系列列，并并以以芯芯片片型型号号的的末末位位数数字字加加以以标标识识。其其中中，5151子子系系列列是是基基本本型型，而而5252子子系系列列是是增增强型。强型。 v单单片片机机型型号号带带有有字字母母“C”“C”的的，表表示示该该单单片片机机采采用用
4、的的是是CHMOSCHMOS工艺工艺，具有低功耗的特点。，具有低功耗的特点。 8051 8051的功耗为的功耗为630mW630mW，而，而80C5180C51的功耗只有的功耗只有120mW120mW。 MCS-51系列单片机技术参数表 子系列子系列片内片内ROM形式形式片内片内ROM片内片内RAM寻寻址址范范围围I/O特性特性中中断断源源无无ROMEPROM定定时时器器并行口并行口串行口串行口51 子子系列系列8031805187514KB128B264KB216481580C3180C5187C514KB128B264KB216481552 子子系列系列8032805287528KB256
5、B264KB316481680C3280C5287C528KB256B264KB31648162.1.1 8051单片机的基本组成v80518051单单片片机机的的结结构构框框图图如如下下图图所所示示，可可以以看看出出，在在一一块块芯芯片片上集成了一个微型计算机的主要部件，它包括以下几部分：上集成了一个微型计算机的主要部件，它包括以下几部分：l1 1个个8 8位微处理器位微处理器(CPU)(CPU)。l1 1个时钟电路。个时钟电路。l4KB4KB程序存储器。程序存储器。l256B256B数据存储器。数据存储器。l2 2个个1616位定时位定时/ /计数器。计数器。l64KB64KB扩展总线控制
6、电路。扩展总线控制电路。l4 4个个8 8位并行位并行I/OI/O接口接口P0P0P3P3。l1 1个全双工串行个全双工串行I/OI/O接口。接口。l5 5个中断源，其中包括个中断源，其中包括2 2个优先级嵌套中断。个优先级嵌套中断。 8051单片机结构框图 2.1.2 8051单片机的内部结构 CPUCPU即即中中央央处处理理器器，是是单单片片机机的的核核心心部部件件，是是计计算算机机的的控控制制指指挥挥中中心心。同同微微型型计计算算机机CPUCPU类类似似，80518051内内部部CPUCPU由由运运算算器器和控制器两部分组成。和控制器两部分组成。 v运运算算器器电电路路以以算算术术逻逻辑
7、辑单单元元(ALU(ALU，Arithmetic Arithmetic Logic Logic Unit)Unit)为为核核心心，由由暂暂存存器器1 1、暂暂存存器器2 2、累累加加器器(ACC(ACC，Accumulator)Accumulator)、寄寄存存器器B B、程程序序状状态态寄寄存存器器(PSW(PSW，Program Program Status Status Word)Word)及及布布尔尔处处理理机机共共同同组组成成。它它的的主主要要任任务务是是完完成成算算术术运运算算、逻逻辑辑运运算算、位位运运算算和和数数据据传传送送等等操操作作，运运算算结结果果的的状状态态由由程程序序
8、状状态寄存器态寄存器(PSW)(PSW)保存。保存。 v控控制制器器电电路路包包括括程程序序计计数数器器(PC)(PC)、PCPC增增1 1寄寄存存器器、指指令令寄寄存存器器(IR)(IR)、指指令令译译码码器器(ID)(ID)、数数据据指指针针(DPTR)(DPTR)、堆堆栈栈指指针针(SP)(SP)、缓缓冲冲器器及及定定时时控控制制电电路路等等。控控制制器器电电路路完完成成指指挥挥控控制制工工作作，协调单片机各部分正常工作。协调单片机各部分正常工作。 8051单片机内部结构图2.1.3 8051单片机的引脚及功能 vMCS-51MCS-51单单片片机机的的封封装装形形式式有有两两种种，一一
9、种种是是双双列列直直插插式式(DIP)(DIP)封装，另一种是方形封装。封装，另一种是方形封装。v80518051的的4040个引脚可分为：个引脚可分为：l电源电源引脚引脚2 2根根l时钟时钟引脚引脚2 2根根l控制控制引脚引脚4 4根根lI/OI/O引脚引脚3232根根v由由于于80518051单单片片机机是是高高性性能能的的单单片片机机，同同时时受受到到引引脚脚数数目目的的限制，所以有部分引脚具有限制，所以有部分引脚具有第二功能第二功能。 8051单片机引脚图 DIP引脚图 逻辑符号 8051引脚的功能描述（一） v电源引脚电源引脚(2(2根根) ) lV VCCCC(40(40脚脚) )
10、：电源端，接：电源端，接+5V+5V电源。电源。lV VSSSS(20(20脚脚) )：接地端。：接地端。v时钟引脚时钟引脚(2(2根根) ) lXTAL1XTAL1(19(19脚脚) )：接外部晶振和微调电容的一端。采用外部时：接外部晶振和微调电容的一端。采用外部时钟电路时，对钟电路时，对HMOSHMOS型工艺的单片机，此引脚应接地；对型工艺的单片机，此引脚应接地；对CHMOSCHMOS型而言，此引脚应接外部时钟的输入端。型而言，此引脚应接外部时钟的输入端。lXTAL2XTAL2(18(18脚脚) )：接外部晶振和微调电容的另一端。使用外部：接外部晶振和微调电容的另一端。使用外部时钟时，对时
11、钟时，对HMOSHMOS型工艺的单片机，此引脚应接外部时钟的输型工艺的单片机，此引脚应接外部时钟的输入端；对入端；对CHMOSCHMOS型而言，此引脚悬空。型而言，此引脚悬空。 8051引脚的功能描述 （二）v控制引脚控制引脚(4根根)l RST/VPD(9脚脚)：复位信号：复位信号/备用电源输入引脚。备用电源输入引脚。 当当RST引脚保持两个机器周期的高电平后，就可以使引脚保持两个机器周期的高电平后，就可以使8051完成复位操作。该引完成复位操作。该引脚的第二功能是脚的第二功能是VPD，即备用电源的输入端，具有掉电保护功能。若在该引脚接，即备用电源的输入端，具有掉电保护功能。若在该引脚接+5
12、V备用电源，在使用中若主电源备用电源，在使用中若主电源VCC掉电，可保护片内掉电，可保护片内RAM中的信息不丢失。中的信息不丢失。 lALE/PROG (30脚脚)：地址锁存允许信号输出：地址锁存允许信号输出/编程脉冲输入引脚。当编程脉冲输入引脚。当CPU访问访问片外存储器时，片外存储器时，ALE输出信号控制锁存输出信号控制锁存P0口输出的低口输出的低8位地址，从而实现位地址，从而实现P0口口数据与低位地址的分时复用。当数据与低位地址的分时复用。当8051上电正常工作后，自动在上电正常工作后，自动在ALE端输出频率端输出频率为为fosc/6的脉冲序列的脉冲序列(fosc代表振荡器的频率代表振荡
13、器的频率)。 该引脚的第二功能该引脚的第二功能PROG是对是对8751内部内部4KB EPROM编程写入时，作为编程脉编程写入时，作为编程脉冲的输入端。冲的输入端。l EA/VPP(31脚脚)：外部程序存储器地址允许输入端：外部程序存储器地址允许输入端/编程电压输入端。编程电压输入端。 当当EA接高电平时，接高电平时，CPU执行片内执行片内ROM指令，但当指令，但当PC值超过值超过0FFFH时，将自动时，将自动转去执行片外转去执行片外ROM指令；当指令；当EA接低电平时，接低电平时，CPU只执行片外只执行片外ROM指令。对于指令。对于8031，由于其无片内，由于其无片内ROM，故其，故其EA必
14、须接低电平。必须接低电平。 该引脚的第二功能该引脚的第二功能VPP是对是对8751片内片内EPROM编程写入时，作为编程写入时，作为21V编程电压的编程电压的输入端。输入端。lPSEN(29脚脚)：片外：片外ROM读选通信号端。读选通信号端。 在读片外在读片外ROM时，时，PSEN有效，为低电平，以实现对片外有效，为低电平，以实现对片外ROM的读操作。的读操作。 8051引脚的功能描述 （三）vI/OI/O引脚引脚(48=32(48=32根根) ) l(39(393232脚脚) )：P0P0口的口的8 8位双向位双向I/OI/O口线。口线。 P0 P0口即可作地址口即可作地址/ /数据总线使用
15、，又可作通用的数据总线使用，又可作通用的I/OI/O口使用。口使用。当当CPUCPU访问片外存储器时，访问片外存储器时，P0P0口分时先作低口分时先作低8 8位地址总线，位地址总线，后作双向数据总线，此时，后作双向数据总线，此时，P0P0口就不能再作口就不能再作I/OI/O口使用了。口使用了。l(1(18 8脚脚) )：P1P1口的口的8 8位准双向位准双向I/OI/O口线。口线。 P1 P1口作为通用的口作为通用的I/OI/O口使用。口使用。l(21(212828脚脚) )：P2P2口的口的8 8位准双向位准双向I/OI/O口线。口线。 P2 P2口即可作为通用的口即可作为通用的I/OI/O
16、口使用，也可作为片外存储器的高口使用，也可作为片外存储器的高8 8位地址总线，与位地址总线，与P0P0口配合，组成口配合，组成1616位片外存储器单元地址。位片外存储器单元地址。l(10(101717脚脚) )：P3P3口的口的8 8位准双向位准双向I/OI/O口线。口线。 P3 P3口除了作为通用的口除了作为通用的I/OI/O口使用之外，每个引脚还具有第二口使用之外，每个引脚还具有第二功能。功能。 2.1.4 单片机的工作原理 v单单片片机机执执行行程程序序的的过过程程，就就是是逐逐条条执执行行指指令令的的过过程程。单单片片机机每每执执行行一一条条指指令令都都可可分分为为三三个个阶阶段段，即即取取指指令令分分析析指令指令执行指令执行指令。 v取取指指令令的的任任务务是是根根据据程程序序计计数数器器PCPC中中的的值值从从程程序序存存储储器器读读出出下下一一条条要要执执行行的的指指令令，送送到到指指令令寄寄存存器器。分分析析指指令令的的任任务务是是将将指指令令寄寄存存器器中中的的指指令令操操作作码码取取出出后后进进行行译译码码，分分析析其其指指令令性性质质。如如指指令令要要求求操操作作
