[工学]mcs-51单片机硬件结构和原理

单片机原理与接口技术 . 中北大学电子科学技术专业 返回目录单片机单片机 原理与接口技术原理与接口技术第 2章 MCS-51单片机硬件结构和原理Date 1单片机原理与接口技术 . 中北大学电子科学技术专业 返回目录n 熟悉 MCS-51单片机 CPU内部组成结构和各功能部件的作用。n 掌握 MCS-51单片机引脚功能，包括： P0P3并行 I/O口的定义、控制信号、三总线组成。n 掌握存储器的组织结构和程序存储器、数据存储器、内部特殊功能寄存器（ SFR）的配置情况，熟悉程序状态寄存器（ PSW）各位的含义及变化规律。n 掌握 P0 P3并行 I/O口结构及其特点，掌握时钟电路、 CPU时序和复位电路。本章教学要求 Date 2单片机原理与接口技术 . 中北大学电子科学技术专业 返回目录本 章 目 录2.1 MCS-51系列单片机分类2.2 单片机硬件结构2.2.1 单片机的引脚功能2.2.2 单片机的内部结构 2.3 中央处理器（CPU）2.3.1 运算器2.3.2 控制器控制器 2.3.3 布尔（位）处理器布尔（位）处理器2.4 存储器存储器 2.4.1 程序存储器程序存储器 2.4.2 数据存储器数据存储器Date 3单片机原理与接口技术 . 中北大学电子科学技术专业 返回目录本 章 目 录2.7 单片机的工作方式单片机的工作方式2.7.1 复位方式复位方式2.7.2 程序执行方式程序执行方式2.7.3 低功耗运行方式低功耗运行方式习题与思考题习题与思考题2.5 并行输入并行输入 /输出端口输出端口2.5.1 P1口口2.5.2 P2口口2.5.3 P3口口2.5.4 P0口口2.5.5 并行口的应用并行口的应用2.6 时钟电路和时序时钟电路和时序2.6.1 时钟电路时钟电路2.6.2 时序时序Date 4单片机原理与接口技术 . 中北大学电子科学技术专业 返回目录2.1 MCS-51系列单片机的分类 自从 Intel公司于 20世纪 80年代初推出MCS-51系列单片机以后，所有的 51系列单片机都是以 Intel公司最早的典型产品 8051为核心，增加一定的功能部件后构成的。本课程以8051为主阐述 MCS-51系列单片机的系统结构、工作原理和应用中的一些技术问题。MCS-51系列可分为两大系列： 51子系列 和 52子系列 。 51子系列主要有 8031、 8051和 8751三种机型。 52子系列主要有 8032、 8052和 8752三种机型。 Date 5单片机原理与接口技术 . 中北大学电子科学技术专业 返回目录表 2-1 MCS-51系列单片机的性能一览表 2.1 MCS-51系列单片机的分类 52系列系列51系列系列Date 6单片机原理与接口技术 . 中北大学电子科学技术专业 返回目录2.2 MCS-51单片机硬件结构2.2.1 单片机的引脚功能不同型号 MCS-51单片机 CPU处理能力和指令系统是完全兼容的，只是存储器和 I/O接口的 配置 有所不同。基本配置如下：1. 8位 CPU 2. 片内 ROM/EPROM、 RAM3. 片内并行 I/O接口 4. 片内 16位定时器 /计数器5. 片内中断处理系统 6. 片内全双工串行 I/O口MCS-51系列单片机有 40个引脚，外形尺寸有双列直插封装（ DIP）或 LCC/QFP封装，每个引脚有规定的序号和名称。 DIP封装的引脚排列和逻辑符号如图 2-1所示。Date 7单片机原理与接口技术 . 中北大学电子科学技术专业 返回目录芯片引脚按功能分成 3类，即： -51单片机的引脚功能单片机的引脚功能数据总线数据总线地址总线地址总线控制总线控制总线2.2.1 单片机的引脚功能Date 8单片机原理与接口技术 . 中北大学电子科学技术专业 返回目录1. 主电源引脚 Vcc和 VssVcc（ +5V）电源输入端Vss（ GND）共用接地端 2.2.1 单片机的引脚功能 -51单片机电源引脚单片机电源引脚Date 9单片机原理与接口技术 . 中北大学电子科学技术专业 返回目录2. 时钟振荡电路引脚 XTAL1和XTAL2 XTAL1和XTAL2分别用做晶体振荡电路的反相器输入端和输出端。在使用内部振荡电路时，这两个引脚用来外接石英晶体；当使用外部振荡器时， CHMOS型单片机 XTAL2不用， XTAL1接收振荡器信号。HMOS型单片机，XTAL1接地， XTAL2接收振荡器信号。2.2.1 单片机的引脚功能 -51单片机时钟引脚单片机时钟引脚时钟周期时钟周期Date 10单片机原理与接口技术 . 中北大学电子科学技术专业 返回目录3. 控制信号引脚RST/VPD为复位信号输为复位信号输入端，入端， VPD为内部为内部 RAM的备用电源输入端的备用电源输入端PSEN 外部程序存储器外部程序存储器的读选通信号的读选通信号ALE地址锁存允许信号地址锁存允许信号EA外部程序存储器控制外部程序存储器控制信号信号2.2.1 单片机的引脚功能 -复位复位 /外部存储器外部存储器 /地址锁存引脚地址锁存引脚Date 11单片机原理与接口技术 . 中北大学电子科学技术专业 返回目录n 复位信号输入端 RST当 RST（ RESET） 端保持两个机器周期（ 24个时钟周期）以上的高电平时，单片机完成复位操作。 VPD为内部 RAM的备用电源输入端。当主电源 Vcc一旦发生断电或电压降到一定值时，可通过 VPD为单片机内部 RAM提供电源，以保护片内 RAM中的信息不丢失，使 Vcc上电后能继续正常运行。 2.2.1 单片机的引脚功能 -复位引脚复位引脚Date 12单片机原理与接口技术 . 中北大学电子科学技术专业 返回目录外部程序存储器的读选通信号。当访问外部 ROM时，产生负脉冲作为外部 ROM的选通信号。2.2.1 单片机的引脚功能 -ALE 与与 PSEN引脚引脚n 地址锁存允许信号地址锁存允许信号 ALE在访问外部存储器时，在访问外部存储器时， ALE用来锁存用来锁存 P0送出的低送出的低 8位地位地址信号。址信号。 PROG是对是对 8751内内部部 EPROM编程时的编程脉编程时的编程脉冲输入端。冲输入端。n 读选通信号读选通信号 PSENDate 13单片机原理与接口技术 . 中北大学电子科学技术专业 返回目录n 外部程序存储器控制信号 EAEA=0：访问外部程序存储器。EA=1：访问片内与片外程序存储器。VPP为 8751 EPROM的 21V编程电源输入端。 2.2.1 单片机的引脚功能 -内外程序存储器控制引脚内外程序存储器控制引脚Date 14单片机原理与接口技术 . 中北大学电子科学技术专业 返回目录-P0端口n P0端口（ P0.0 P0.7）第一功能：是一个 8位 漏极开路型的准双向 I/O口 。访问外部存储器时，分时 作为低 8位地址和 8位双向数据总线，这时先送出地址再送出数据。4. P0、 P1、 P2、 P3端口端口2.2.1 单片机的引脚功能Date 15单片机原理与接口技术 . 中北大学电子科学技术专业 返回目录n P1口（ P1.0 P1.7）内部带上拉电阻的 8位准双向 I/O口。n P2口（ P2.0 P2.7）第一功能：一个内部带上拉电阻的 8位准双向 I/O口。第二功能：在访问外部存储器时，输出高 8位地址。n P3口（ P3.0 P3.7）第一功能：内部带上拉电阻的 8位准双 向 I/O口。在系统中，这 8个引脚都有各自的第二功能。2.2.1 单片机的引脚功能 -P1、 P2和 P3 端口Date 16单片机原理与接口技术 . 中北大学电子科学技术专业 返回目录2.2.2 单片机的内部结构n 一个一个 8位位 CPU；n 4KB程序存储器，采用程序存储器，采用 ROM或或 EPROM（ 8031无无 ROM）；）；n 128 B通用数据存储器；通用数据存储器；n 21个特殊功能寄存器（个特殊功能寄存器（ SFR）；）；n 4个个 8位并行口，其中位并行口，其中 P0、 P2、 P3是复用口（是复用口（ P0和和 P2为为地址地址 /数据线，可寻址数据线，可寻址 64 KB ROM和和 64 KB RAM）；）；n 一个可编程全双工串行口；一个可编程全双工串行口；n 具有具有 5个中断源，两个优先级嵌套结构；个中断源，两个优先级嵌套结构；n 两个两个 16位定时位定时 /计数器；计数器；n 一个片内振荡器与时钟电路。一个片内振荡器与时钟电路。-51单片机内部主要器件Date 17单片机原理与接口技术 . 中北大学电子科学技术专业 返回目录2.2.2 单片机的内部结构 -51单片机内部主要部件Date 18单片机原理与接口技术 . 中北大学电子科学技术专业 返回目录2.3 中央处理器（ CPU） 单片机核心部分是 CPU由下面三部分组成 :n 运算器n 控制器n 布尔（位）处理器Date 19单片机原理与接口技术 . 中北大学电子科学技术专业 返回目录2.3.1 运算器 运算器 包括算术逻辑单元 ALU、累加器ACC、寄存器 B、暂存器 TMP1和TMP2、程序状态字 PSW寄存器。-运算器的组成运算器的组成Date 20单片机原理与接口技术 . 中北大学电子科学技术专业 返回目录1. 累加器累加器 是一个 8位寄存器。 是 8051最常用、最繁忙的特殊功能寄存器，多用来存放操作数、运算结果。在指令系统中采用 A作为累加器 ACC的助记符。2.3.1 运算器 -累加器累加器Date 21单片机原理与接口技术 . 中北大学电子科学技术专业 返回目录-算术 /逻辑部件算术 /逻辑部件 ALU的作用是把送到微处理器的数据进行算术运算和逻辑运算。运算的主要数据来源是累加器和数据寄存器，进行运算时，这些数据存入暂存器 1和暂存器 2等待 ALU接收。2.3.1 运算器2. 算术 /逻辑部件Date 22单片机原理与接口技术 . 中北大学电子科学技术专业 返回目录-程序状态字寄存器 程序状态字寄存器程序状态字寄存器 PSW 是一个是一个 8位寄存器，用来存位寄存器，用来存放运算结果的一些特征。放运算结果的一些特征。进位标志位进位标志位 半进位标志位半进位标志位 用户自定义用户自定义标志位标志位 工作寄存器工作寄存器组选择位组选择位 溢出标志位溢出标志位 奇偶校验标志位奇偶校验标志位2.3.1 运算器3. 程序状态字寄存器 Date 23单片机原理与接口技术 . 中北大学电子科学技术专业 返回目录n Cy（ PSW.7）：进位标志位。在执行加、减法指令时，若运算结果的最高位（ D7位）有进位或借位，则 Cy位被置 1，否则清零。 Cy既可以作为条件转移指令中的条件，也可用于十进制调整。n AC（ PSW.6）：半进位标志位。在执行加、减法指令时，如果其低半字节向高半字节有进位或借位（ D3位向 D4位），则 AC位被置 1，否则清零。 AC也可用于十进制调整。n F0（ PSW.5）：用户自定义标志位。用户可用软件对 F0赋以一定的含义，决定程序的执行转向。 -程序状态字寄存器程序状态字寄存器2.3.1 运算器Date 24单片机原理与接口技术 . 中北大学电子科学技术专业 返回目录n OV（ PSW.2）：溢出标志位。 OV= 1表示带符号数加减运算的结果超出了目的寄存器 A所能表示的带符号数（ 2的补码）的范围（ -128 127），若无溢出，则 OV位为 0。 OV也可以作为条件转移指令中的条件。n PSW.1：未定义位。n P（ PSW.0）：奇偶校验标志位。单片机在指令执行后，根据 ACC中 1的个数的奇偶性，自动将该标志位置 1或清零。若 1的个数为奇数，则 P=1，否则 P=0。 P也可以作为条件转移指令中的条件。-程序状态字寄存器程序状态字寄存器2.3.1 运算器Date 25单片机原理与接口技术 . 中北大学电子科学技术专业 返回目录RS1、 RS0与片内工作寄存器组的对应关系 2.3.1 运算器 -片内四组工作寄存器的选择片内四组工作寄存器的选择nRS1（ PSW.4 ）和）和 RS0（ PSW.3 ）：工作寄存器组选）：工作寄存器组选择位。表择位。表 2-2所示为所示为 RS1和和 RS0与片内工作寄存器组的与片内工作寄存器组的对应关系。对应关系。Date 26单片机原理与接口技术 . 中北大学电子科学技术专业 返回目录4. B寄存器 在进行乘法、除法运算时， B寄存器作为 ALU的输入之一，与ACC配合完成运算，并存放运算结果。在无乘除运算时，它可作为内部 RAM的一个单元。 2.3.1 运算器 -寄存器寄存器Date 27单片机原理与接口技术 . 中北大学电子科学技术专业 返回目录2.3.2 控制器定时控制逻辑指令寄存器数据指针（ DPTR）程序计数器（ PC）堆栈指针（ SP）地址寄存器地址缓冲器-控制器的组成控制器的组成控制器控制器 是是 CPU的大脑中枢，的大脑中枢，它包括：它包括：Date 28单片机原理与接口技术 . 中北大学电子科学技术专业 返回目录1. 程序计数器程序计数器（P