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1、第第2章章 MCS51系列单片机系列单片机 结构及原理结构及原理2.1微型计算机的组成微型计算机的组成2.2MCS-51系列单片机组成原理系列单片机组成原理2.3MCS-51单片机引脚单片机引脚2.4MCS51单片机单片机I/O接口接口2.5MCS-51寄存器和存储器寄存器和存储器2.6 单片机工作的基本时序单片机工作的基本时序 2.1 微型计算机的组成微型计算机的组成一、硬件结构一、硬件结构 1.中央处理器中央处理器CPUCPU（CentralProcessingUnit）是是计计算算机机的的核核心心部部件件,它它由由运运算算器器、控控制制器器和和寄寄存存器器组组成成,完完成成计计算算机机的
2、的运运算算和和控控制功能。制功能。运运算算器器，又又称称算算术术逻逻辑辑部部件件（ALU,ArithmeticalLogicUnit）,主要完成对数据的算术运算和逻辑运算。主要完成对数据的算术运算和逻辑运算。控制器（控制器（Controller），），RD,WR信号信号。寄寄存存器器（Register）,它它们们的的作作用用是是存存放放运运算算过过程程中中的的各各种种数数据据、地地址址或或其其它它信信息息。寄寄存存器器种种类类很很多多,主主要要有有:通通用用寄存器、累加器寄存器、累加器A、程序计数器程序计数器PC等等2. 2.存储器存储器存储器存储器MM 存存储储器器分分为为程程序序存存储储器
3、器和和数数据据存存储储器器，有有8位位和和16位位两两种种，以以8位为主。位为主。程程序序存存储储器器：用用来来存存放放程程序序和和常常数数的的，在在单单片片机机执执行行期期间间其其属属于于只只读读，不不可可写写。地地址址总总线线的的位位数数决决定定了了可可寻寻址址的的程程序序存存储器的空间的大小。储器的空间的大小。数数据据存存储储器器：用用来来存存放放程程序序在在运运行行期期间间的的变变量量的的数数据据，空空间间位位置置由由地地址址总总线线决决定定。其其可可读读可可写写，有有的的在在掉掉电电后后数数据据丢丢失失，有的采用后备电源和有的采用后备电源和FLASH技术可以实现数据的长期保存。技术可
4、以实现数据的长期保存。3. 3.输入输入输入输入/ /输出接口（输出接口（输出接口（输出接口（I/OI/O接口）接口）接口）接口） 输输入入/输输出出（I/O）接接口口由由大大规规模模集集成成电电路路组组成成的的I/O器器件件构构成成,用用来来连连接接主主机机和和相相应应的的I/O设设备备（如如:键键盘盘、鼠鼠标标、显显示示器器、打打印印机机等等）,使使得得这这些些设设备备和和主主机机之之间间传传送送的的数数据据、信信息息在在形形式式上上和和速速度度上上都都能能匹匹配配。不不同同的的I/O设设备备必必须须配配置置与其相适应的与其相适应的I/O接口。接口。4. 4.三总线三总线三总线三总线地址总
5、线地址总线数据总线数据总线控制总线控制总线地地址址总总线线（AddressBusAB）传传输输地地址址信信号号，用用来来选选择择存存储储器器的的地地址址和和I/O口口的的地地址址，具具有有单单向向性性，决决定定空空间间的的寻寻址址大小。大小。2nn为地址总线宽度。为地址总线宽度。数数据据总总线线（DataBusDB），用用来来传传输输数数据据信信号号，实实现现存存储储器器或或I/O口口与与CPU间间数数据据的的传传递递，具具有有双双向向性性，其其决决定定了了CPU的位。的位。控控制制总总线线（ControlBusCB），用用来来传传输输控控制制信信号号或或状状态态信信号号，实实现现外外围围器器
6、件件与与CPU间间数数据据的的传传递递，具具有有双双向向性性。控控制制总线的位数与总线的位数与CPU的位数无关，与外围的特性有关。的位数无关，与外围的特性有关。系统总线的特点：系统总线的特点：a)在某一时刻只能有一个总线主控设备，否则出现竞争。在某一时刻只能有一个总线主控设备，否则出现竞争。b)在在总总线线上上的的多多个个设设备备，可可以以同同时时从从总总线线上上下下载载数数据据，这这叫叫广播功能。广播功能。二、存储器的分类二、存储器的分类 1、RAM随随机机存存储储器器，通通常常是是指指任任何何快快速速可可写写的的易易失失存存储储器器,常常用用来来代表数据存储器。代表数据存储器。2、DRAM
7、动动态态RAM，其其需需要要周周期期性性的的动动态态数数据据刷刷新新，负负责责存存储储数数据据。单元数据将因放电而丢失数据，特点是读写速度快。单元数据将因放电而丢失数据，特点是读写速度快。3、SRAM静静态态RAM，一一旦旦数数据据被被写写入入，只只要要保保持持供供电电，数数据据就就可可一一直保存而不丢失，数据不需要刷新。直保存而不丢失，数据不需要刷新。4、SDRAM同步动态同步动态RAM，数据需要同步时钟信号来控制存取。数据需要同步时钟信号来控制存取。5、NVRAM非非易易失失性性静静态态RAM，即即使使调调电电数数据据也也不不会会丢丢失失，一一般般是是内内置置了电池的了电池的SRAM。6、
8、FRAM铁铁电电存存储储器器，不不用用后后备备电电池池，在在调调电电后后数数据据永永久久保保存存，数数据据可可擦擦写写1亿亿次次，速速度度快快，功功耗耗低低（静静态态电电流流1A，写写操操作作150A）.可代替可代替SRAM、NVRAM、EEPROM、FLASH7、ROM只只读读存存储储器器，一一旦旦写写入入，存存储储内内容容便便不不能能再再更更改改，且且可可掉掉电保持，常用来代表程序存储器。电保持，常用来代表程序存储器。8、EPROM电电可可编编程程ROM，可可以以采采用用特特定定的的设设备备（烧烧录录器器）写写入入数数据据，并可用紫外线擦除，可重复使用。并可用紫外线擦除，可重复使用。9、E
9、EPROM电电可可擦擦除除、可可编编程程ROM，可可以以用用电电写写入入也也可可用用电电擦擦除除，与与EPROM的存储方式不同。的存储方式不同。10、FLASH闪闪速速存存储储器器，一一种种可可用用电电写写入入和和存存储储的的存存储储器器，但但速速度度较较慢慢。不用后备电池可实现数据保持。不用后备电池可实现数据保持。11、PROM可编程可编程ROM，只可使用一次的只可使用一次的ROM2.2MCS-51系列单片机组成原理系列单片机组成原理 目目前前51单单片片机机的的生生产产厂厂家家有有：Intel、Atmel、华华邦邦、菲菲利利普普等等；型型号号有有：AT89C51,AT89C2051,AT8
10、9C52,AT89C55等等，它它们们都都有有一一个个相相同同的的C51内内核核，指指令令系系统统完完全全兼兼容容，只只是是存存储器和储器和I/O接口的配置有所不同接口的配置有所不同。AT89C51单片机的组成单片机的组成：8位位CPU片内片内4KbytesFLASH128bytesRAM片内并行片内并行I/O接口接口P0、P1、P2、P3片内片内2个个16位定时器位定时器/计数器计数器片内片内5个中断处理系统个中断处理系统片内全双工串行接口片内全双工串行接口MCS-51MCS-51单片机结构单片机结构CPU1、CPU（1）运算器电路 运算器电路包括ALU（算术逻辑单元）、ACC（累加器）、B
11、寄存器、状态寄存器、暂存器1和暂存器2等部件，运算器的功能是进行算术运算和逻辑运算。 （2）控制器电路 控制器电路包括程序计数器PC、PC加1寄存器、指令寄存器、指令译码器、数据指针DPTR、堆栈指针SP、缓冲器以及定时与控制电路等。控制电路完成指挥控制工作，协调单片机各部分正常工作。 2、定时器定时器/计数器计数器 MCS51单片机片内有两个16位的定时/计数器，即定时器0和定时器1。它们可以用于定时控制、延时以及对外部事件的计数和检测等。3、存储器、存储器 MCS51系列单片机的存储器包括数据存储器和程序存储器，程序存储器4K bytes Flash，数据存储器128 bytes RAM。
12、4、并行、并行I/O口口 MCS51单片机共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2和P3），每一条I/O线都能独立地用作输入或输出。P0口为三态准双向口，能带8个TTL门电路，P1、P2和P3口为准双向口，负载能力为4个TTL门电路。 5、串行、串行I/O口口 MCS51单片机具有一个采用通用异步工作方式的全双工串行通信接口，可以同时发送和接收数据。6、中断控制系统、中断控制系统 8051共有5个中断源，即外中断2个，定时/计数中断2个，串行中断1个。7、时钟电路时钟电路 MCS51芯片内部有时钟电路，但晶体振荡器和微调电容必须外接。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列，振荡器的频率范围为1.2M
13、Hz24MHz，典型取值为12MHz。8、总线总线 系统的地址信号、数据信号和控制信号都是通过总线传送的，总线结构减少了单片机的连线和引脚，提高了集成度和可靠性。 2.3MCS-51单片机引脚单片机引脚1 1、I/OI/O口线功能口线功能口线功能口线功能4个8位并行 I/O 接口引脚P0.0 P0.7 、P1.0P1.7 、P2.0P2.7 和 P3.0P3.7 为多功能引脚，可自 动切换用 作数据总线、地址总线、控制总线 和或I/O 接口外部引脚2 2、控制线、控制线、控制线、控制线ALE： 地址锁存允许信号端PSEN： 外部程序存储器读选通信 号端EA/VPP：程序存储器选择信号端 和编程
14、电源输入端3 3、复位、复位、复位、复位RST：复位信号端和后备电源输入端。复位信号端和后备电源输入端。输入输入10ms以上以上高高电平电平脉冲，单片机复位。脉冲，单片机复位。VPD使用后备电源，可实现掉电使用后备电源，可实现掉电保护保护。4、电源、电源工作电源：工作电源：VCC=5V、VSS单片机RSTK+5V2001K30F复位后各个寄存器和I/O的状态：PC=0000H，PSW=00H, SP=07TH0=TL0=TH1=TL1=00H，P0=P1=P2=P3=0XFFH，IE=00H，A=B=00H5 5、时钟、时钟、时钟、时钟时钟频率时钟频率:范围要求在范围要求在1.2MHz24MH
15、z之间。之间。一般从外部振荡器输入时钟信号。一般从外部振荡器输入时钟信号。机器周期机器周期:完成一个基本操作所需要的时间。完成一个基本操作所需要的时间。一个机器周期由一个机器周期由12个振荡周期组成。个振荡周期组成。指令周期指令周期:一条指令的执行时间。一条指令的执行时间。以机器周期为单位：以机器周期为单位：单周期单周期、双周期双周期和和四周期四周期指令。指令。思考题：思考题：设应用单片机晶振频率为设应用单片机晶振频率为12MHz，问机器周期为多少？单指令周期为多少问机器周期为多少？单指令周期为多少？XTAL1 单片机 XTAL2 2.4MCS51单片机输入单片机输入/输出（输出（I/O）口口
16、2.4.1 P0口 下图给出了P0口的逻辑结构，它由一个锁存器、两个三态输入缓冲器、一个多路复用开关以及控制电路和驱动电路等组成。 图 P0口的逻辑结构 01 P0口可以作为输入输出口，在实际应用中它通常作为地址/数据复用总线。（1）I/O口使用： 外部要加上拉电阻。 输出输入 准双向I/O口： 先置1 ，再读。（2）地址/数据总线复用 P0口可以作为输入输出口，在实际应用中它通常作为地址/数据复用总线。作为通用I/O口使用时，P0口为 准双向口。 2.4.2 P1口 P1口是一个准双向口，通常作为I/O口使用，其位结构如图。由于在其输出端接有上拉电阻，故可以直接输出而无需外接上拉电阻。图 P
17、1口位结构图2.4.3 P2口 P2口位结构图如图。P2通用为一个准双向口，其位结构与P0口相似。对于8031单片机来说，P2口通常用作高8位地址信号输出。 图 P2口位结构图2.4.4 P3口 P3口的位结构图如图。P3口为双功能口，当P3口作为通用I/O口使用时，它为准双向口，且每位都可定义为输入或输出口，其工作原理同P1口类似。 图 P3口的位结构图 P3口还具有第二功能，其引脚描述如表。表表P3口特殊功能口特殊功能口线特殊功能信号名称P3.0RXD串行输入口P3.1TXD串行输出口P3.2外部中断0输入口P3.3外部中断1输入口P3.4T0定时器0外部输入口P3.5T1定时器1外部输入
18、口P3.6WR写选通输出口P3.7RD读选通输出口2.5 MCS-51寄存器和存储器寄存器和存储器 MCS51的存储器结构如图所示。存储器分为：程序存储器，数据存储器。另外它们分别又分为内部和外部。可寻址能力都为64K bytes。内部一、一、 内部数据存储器内部数据存储器 2.5.1 2.5.1 数据存储器数据存储器 MCS51数据存储器的寻址空间能够达到64K，它们内部数据存储器（RAM）空间一般为128，外部可扩展为64K。1.内部数据存储器低内部数据存储器低128单元（单元（00H7FH）工作寄存器区工作寄存器区： 00H1FH位寻址区：位寻址区： 20H2FH用户用户RAMRAM区：
19、区： 30H7FH2.内部数据存储器高内部数据存储器高128单元（单元（80HFFH）专用寄存器区,也称作特殊功能寄存器区（SFR）,其它预留区。 表表 专用寄存器区专用寄存器区v累加器累加器ACC 累加器为8位寄存器，助记符为A。加、减乘和除等算术运算指令的运算结果都存放在累加器A或AB寄存器中，在变址寻址方式中累加器被作为变址寄存器使用。vB寄存器寄存器 B寄存器为8位寄存器，主要用于乘除指令中。乘法指令的两个操作数分别取自累加器A和寄存器B，其中B为乘数，乘法结果的高8位存放于寄存器B中。除法指令中，被除数取自A，除数取自B，除法的结果商数存放于A，余数存放于B中。在其它指令中，B寄存器
20、也可作为一般的数据单元来使用。v程序状态字程序状态字PSW 程序状态字是一个8位寄存器，它包含程序的状态信息。PSW的各位定义如表。 表 PSW的各状态位定义 (1) CY：进位标志位 在执行某些算术和逻辑指令时，可以被硬件或软件置位或清零。在算术运算中它可作为进位标志，在位运算中，它作累加器使用，在位传送、位与和位或等位操作中，都要使用进位标志位。(2) AC：辅助进位标志 进行加法或减法操作时，当发生低四位向高四位进位或借位时，AC由硬件置位，否则AC位被置“0”。在进行十进制调整指令时，将借助AC状态进行判断。 位 序PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1
21、PSW.0位标志CYACF0 RS1RS0 OV/P(3)用户标志位F0 该位为用户定义的状态标记，用户根据需要用软件对其置位或清零，也可以用软件测试F0来控制程序的跳转。(4)RS1和RS0：寄存器区选择控制位 该两位通过软件置“0”或“1”来选择R0R7所在的当前工作寄存器区。 RS1 RS0 寄存器区 地 址 0 0 0 0007H 0 1 1 080FH 1 0 2 1017H 1 1 3 181FH(5)OV：溢出标志位OV1表示运算结果超出了累加器A所能表示的符号数有效范围（0255），即运算结果是错误的，反之，OV0表示运算正确，即无溢出产生。OV=CY7 CY6(6) P：奇偶
22、标志位 每个指令周期由硬件来置位或清零用以表示累加器A中1的个数的奇偶性，若累加器中1的个数为奇数则P1，否则P0。v数据指针数据指针DPTR 数据指针DPTR为一个16位的专用寄存器，其高位用DPH表示，其低位用DPL表示，它即既可以作为一个16位的寄存器来使用，也可作为两个8位的的寄存器DPH和DPL使用。DPTR在访问外部数据存储器时既可用来存放16位地址，也可作地址指针使用。如MOVX DPTR，A。vI/O端口端口P0P3 P0P3为四个8位的特殊功能寄存器，分别是四个并行I/O端口的锁存器，当I/O端口的某一位用作输入时，对应的锁存器必须先置“1”。v 定时器定时器/计数器计数器
23、在MCS51中，除8032/8052外都只有两个16位定时器/计数器T0和T1，它们由两个相互独立的8位寄存器组成TH和TL，共有四个独立的寄存器TH0、TL0、TH1和TL1，只可对这四个寄存器独立寻址，而不能作为一个16位寄存器来寻址。 v串行数据缓冲寄存器串行数据缓冲寄存器 串行数据缓冲器SBUF用于存放将要发送或已接收的数据，它由发送缓冲器和接收缓冲器组成，将要发送的数据被送入SBUF时进入发送缓冲器，反之进入接收缓冲器。二、二、 外部数据存储器外部数据存储器在MCS51中，其片外数据存储器和I/O口与片内数据存储器空间0000FHFFFFH是重叠的。在8051单片机中采用MOV和MO
24、VX两种指令来区分片内外RAM空间，其中片内RAM使用MOV指令，片外RAM和I/O口使用MOVX指令。 在MCS51系列中，程序存储器被用来存放程序、常数或表格等。在8051中，其片内有4K字节的ROM存储单元，地址为0000H0FFFH。8751有4K字节的EPROM，而8052和8752则有8K字节的片内存储器。8031和8032无片内程序存储器，所以片内程序存储器的有无是区分芯片的主要标志。 在程序存储器中，以下6个中断向量： 0000H：单片机复位后，PC0000H，程序从0000H开始执行指令。 0003H：外部中断0入口地址。 000BH：定时器0中断入口地址。 0013H：外部
25、中断1入口地址。 001BH：定时器1中断入口地址。 0023H：串行口中断入口地址。 2.5.2 2.5.2 程序存储器程序存储器 在在系系统统中中断断相相应应之之后后，将将自自动动跳跳转转各各中中断断入入口口地地址址处处执执行行程程序序，而而中中断断服服务务程程序序一一般般无无法法存存放放于于几几个个单单元元之之内内，因因此此在在中中断断入入口口地地址址处处往往往往存存放放一一条条无无条条件件转转移移指指令令进进行行跳跳转转，以以便便执执行行中中断断服务程序。服务程序。一、程序存储器空间的分配一、程序存储器空间的分配EA （External Access）是用来选择片内还是片外程序存储器中
26、执行程序。 1）EA1， 单片机复位后首先从片内执行，当PC执行到0XFFFH(4K)时，开始选择从外部执行程序。即从1000H 开始都是从外部程序存储器中执行。如图EA1 程序执行 2）EA=0, 此时将不访问片内程序存储器，而只访问片外程序存储器。即0000FFFFH都在片外。如图EA0 程序执行2.6 单片机工作的基本时序单片机工作的基本时序所谓时序就是所谓时序就是CPU总线信号在时间上的顺序关系。总线信号在时间上的顺序关系。CPU控控制制器器实实际际上上是是复复杂杂的的同同步步时时序序电电路路，所所有有的的工工作作都都是是在在时时钟钟信信号号的的控控制制下下进进行行的的。每每执执行行一
27、一条条指指令令，CPU控控制制器器都都要要发发出出一一系系列列特特定定的的控控制制信信号号，这这些控制信号在时间上的相互关系就是些控制信号在时间上的相互关系就是CPU的时序。的时序。一一个个单单片片机机系系统统要要想想正正常常工工作作，除除了了要要做做到到电电平平匹匹配配、功功率率匹匹配配外外，还还必必须须做做到到时时序序匹匹配配。电电路路在在硬硬件件调调试试过过程程中中大大部部分分时时间间都都是是用用在在了了时时序序调调试试上上。1、振荡周期、振荡周期 振荡周期指为单片机提供定时信号的振荡源的周期或外部输入时钟的周期。2、时钟周期、时钟周期 时钟周期又称作状态周期或状态时间S，它是振荡周期的
28、两倍，它分为P1节拍和P2节拍，通常在P1节拍完成算术逻辑操作，在P2节拍完成内部寄存器之间的传送操作。3、机器周期、机器周期 一个机器周期由6个状态组成，如果把一条指令的执行过程分作几个基本操作，则将完成一个基本操作所需的时间称作机器周期。一个机器周期等于12个振荡周期，单片机的单周期指令执行时间就为一个机器周期。4、指令周期、指令周期 指令周期即执行一条指令所占用的全部时间，通常为14个机器周期5、读写时序、读写时序（1）访问外部）访问外部ROM的时序的时序图图2.8读外部程序读外部程序ROM时序时序（2）读外部数据存储器）读外部数据存储器RAM时序时序图图读外部数据读外部数据RAM时序时序（3）写外部数据存储器）写外部数据存储器RAM时序时序图图写外部数据写外部数据RAM时序时序
