单片机 第二章 mcs-51单片机芯片的硬件结构!10

第二章单片机芯片的硬件结构第五节第五节单片的复位单片的复位第一节第一节MCS51系列单片机的结构系列单片机的结构第二节第二节存储器结构存储器结构第三节第三节输入输入/输出口（输出口（I/O口）口）第四节第四节时钟电路及时序时钟电路及时序第六节第六节单片机的低功耗操作方式单片机的低功耗操作方式第一节第一节MCS51系列单片机的结构系列单片机的结构一、MCS51单片机的内部结构二、MCS51单片机的引脚功能一、51单片机的基本结构内部总线时钟电路CPUINT0T1T0并行接口串行接口P0P1P2P3TXDRXD中断系统ROMRAM定时/计数器INT1MCS51单片机功能模块框图程序状态字PSW振荡电路MCS51芯片内部总体结构框图下图为MCS51单片机的引脚配置图1主电源引脚VCC和VSS（2根）2外接晶振引脚XTAL1和XTAL2（2根）3控制引脚RST、ALE、PSEN、和EA/VPP（4根）4输入/输出引脚P0、P1、P2、P3（共32根）二、MCS51单片机引脚功能P10P11P12P13P14P15P16P17VSSVCCP00/AD0P01/AD1P02/AD2P03/AD3P04/AD4P05/AD5P06/AD6P07/AD7EA/VPPALE/PROGPSENRST/VPDRXD/P30TXD/P31INT0/P32INT1/P33T0/P34T1/P35WR/P36RD/P37XTAL2XTAL112345678910111213141516171819208031805187514039383736353433323130292827262521222324P27/A15P26/A14P25/A13P24/A12P23/A11P22/A10P21/A9P20/A8MCS51系列单片机引脚图L控制引脚说明控制引脚说明1地址锁存控制信号地址锁存控制信号ALE访问片外访问片外ROM,RAM时，时，ALE用于控制把用于控制把P0口输口输出的低出的低8位地址送入锁存器锁存，实现低位地址和数据的分时传送。不访问片位地址送入锁存器锁存，实现低位地址和数据的分时传送。不访问片外存储器时，可做为外部时钟使用。外存储器时，可做为外部时钟使用。2外部程序存储器读选通信号外部程序存储器读选通信号PSENCPU访问片外访问片外ROM时，使时，使PSEN低电平有效，可实现片外低电平有效，可实现片外ROM的读操作，其他情况下此引脚为高电平封锁的读操作，其他情况下此引脚为高电平封锁状态。状态。3访问程序存储器控制信号访问程序存储器控制信号EA当当EA信号为低电平时，对信号为低电平时，对ROM的读操作的读操作是针对外部是针对外部ROM的，当的，当EA信号为高电平时，对信号为高电平时，对ROM的操作是从内部的操作是从内部ROM开始，并可延续至外部开始，并可延续至外部ROM。4复位信号复位信号RST复位即初始化，分自动上电复位和人工开关复位，复位即初始化，分自动上电复位和人工开关复位，复位时，当输入一个延续复位时，当输入一个延续2个机器周期以上的高电平时，实现单片机个机器周期以上的高电平时，实现单片机的复位操作。的复位操作。片外三总线ABP0口经地址锁存后提供低8位地址，P2口直接提供高8位地址DBP0口提供8位数据CB/EA，ALE，/PSEN，/RD，/WR，RST等DBABABCBCBP3口的第二功能表I/O口第二功能注释P30RXD串行口数据接收端P31TXD串行口数据发送端P32INT0外部中断请求0P33INT1外部中断请求1P34T0定时/计数器0P35T1定时/计数器1P36WR外部RAM写信号P37RD外部RAM读信号P3口线的第二功能都是单片机重要的控制信号。因此在使用时，总是按需要优先选用他的第二功能，剩下不用的才作为口线使用。一、数据存储器二、程序存储器三、单片机系统存储器结构特点第二节单片机的存储器结构一、数据存储器对51子系列，共256字节内部数据存储器，其中低128字节可以让用户使用，高128单元被专用寄存器（SFR）占用，不能让用户使用，所以常说的内部RAM区指的是低128单元；对52子系列，共有384字节内部数据存储器，低128字节RAM，高128字节RAM和128字节的专用寄存器区，常说的内部RAM为256字节。对内部数据存储器的访问使用MOV指令。内部数据存储器地址分配00H1FH20H2FH7FH30H位寻址区数据缓冲区第0组通用寄存器区第1组通用寄存器区第2组通用寄存器区第3组通用寄存器区寄存器区专用寄存器区SFR80HFFH高128字节RAM80HFFH仅52子系列有低128字节RAMNEXT数据缓冲区/堆栈区30H7FH位寻址区字节地址20H2FH位地址为00H7FH工作寄存器区字节地址00H1FH11内部数据存储器低128单元007FHL内部内部RAM的的001FH分为分为4个区，每个区有个区，每个区有8个单元，分别用个单元，分别用R0R7来表来表示示,选择哪个工作寄存器组是通过软件对程序状态字寄存器选择哪个工作寄存器组是通过软件对程序状态字寄存器PSW的第的第3、4位进行设置实现的位进行设置实现的111工作寄存器区RS1RS0寄存器组片内RAM地址通用寄存器名称000组00H07HR0R7011组08H0FHR0R7102组10H17HR0R7113组18H1FHR0R7112位寻址区位寻址区共16个字节,128位，同时还包括部分专用寄存器区中可位寻址的专用寄存器8051/8052内部RAM位地址区例位寻址空间的例位寻址空间的使用使用MOV20H,30H；MOV20H,C位地址符号单元地址名称符号地址ACCE0H累加器ACC7ACC0E7HE0HBF0H乘法寄存器B7B0F7HF0HPSWD0H程序状态字PSW7PSW0D7HD0HSP81H堆栈指针DPL82H数据存储器指针低8位DPH83H数据存储器指针高8位IEA8H中断允许控制器IE7IE0AFHA8HIPB8H中断优先控制器IP7IP0BFHB8HP080H通道0P07P0087H80HP190H通道1P17P1097H90HP2A0H通道2P27P20A7HA0HP3B0H通道3P37P30B7HB0HPCON87H电源控制及波特率选择SCON98H串行口控制SCON7SCON09FH98HSBUF99H串行数据缓冲器TCON88H定时控制CON7TCON08FH88HTMOD89H定时器方式选择TL08AH定时器0低8位TL18BH定时器1低8位TH08CH定时器0高8位TH18DH定时器1高8位可位寻址的特殊功能寄存器113数据缓冲区数据缓冲区内部RAM中30H7FH为80个单元的数据缓冲区，这些单元只能按字节寻址。特殊功能寄存器SFR1）占用字节地址80HFFH2）可位寻址寄存器其字节地址可被8整除12内部数据存储器高128单元80H0FFH80C51共有21个专用寄存器，离散分布在数据存储器高128字节的80HFFH中，因为这些存储器的功能已作专门规定，所以称作专用寄存器（SFR）。对没有被专用寄存器使用的空闲地址的操作是无意义的2）寄存器B8位与A累加器配合执行乘、除运算。也可用作通用寄存器。乘法时B为乘数并存放乘积的高八位；除法时B为除数并存放余数。MULABDIVAB1）累加器ACC8位A需要ALU处理的数据和计算结果多数要经过A累加器，相当于十字路口的警察。累加器在算术运算中存放操作数和运算结果；MOVA，03ADDA，05H3程序计数器PC16位PC的内容为将要执行的指令地址。PC是唯一不可寻址的寄存器，不属于专用寄存器，用户不可对其进行读、写。在执行转移、调用、返回的指令时能自动改变其内容，以改变程序的执行顺序。复位时PC0000H，程序从此单元开始执行，访问范围0000FFFFH即64K。121相关专用寄存器介绍4）程序状态字PSW8位存放ALU运算过程的标志状态，用来存放程序状态信息，而且某些指令的执行结果会自动影响到PSW的有关标志位，有些标志位可用指令来设置。例设程序执行前,F00RS1,RS000,则执行下述后PSW的各位状态MOVA,0FHADDA,F8H执行后，执行后，PSW各位的状态为各位的状态为110000X1B用十六进制表示为用十六进制表示为0C1H或或0C3H00001111CY1A7有进位CS1A6有进位）OVCYCS11011111000AC1A3有进位，F00,RS1,RS000100000111P1数据位有3个1，不算进位位的1CYCS5）数据指针DPTR16位由高位字节DPH和低位字节DPL组成，主要用于存放片外存储器16位地址，作为片外存储器的指针。既可作为一个16位寄存器来使用，也可作为2个独立的8位寄存器DPH（DPTR高8位字节）和DPL（DPTR低8位字节）来使用。DPH8BIT0255DPL8BIT0255DPTR16BIT0655356）堆栈指针SP8位堆栈是一种数据结构,专门存放向上生长堆栈的栈顶位置。是遵循“后进先出”的原则进行数据存取的一种工作方式。主要用于子程序调用及返回和中断处理断点的保护及返回,通常初始化（SP07H时，修改堆栈指针的值，将堆栈区设置在内部RAM的高端区域建议在30H7FH，以规定栈区在RAM区的起始地址。当数据推入栈区后,SP的值也自动随之变化。例例MOVB,35HMOVSP,30HPUSHBSP1SP35HSP指令执行后（指令执行后（31H）35H，SP31HPOPBSPB,SP1SP指令执行后指令执行后B35H，SP30H30HSP栈底31H353AH10H栈顶入栈操作先SP加1，后写入数据出栈操作先读出数据，后SP减1入栈操作示意图122堆栈操作SPSP1、堆栈的功能保护断点，存储16位的PC值，自动执行。保护现场，存储寄存器的值，人工（手动）执行。2、堆栈的开辟只开辟在芯片内部的数据存储器中，速度快。3、堆栈的指示器8BIT的SP堆栈是按“先进后出”原则存取数据的存储区。数据入栈/出栈时，SP自动加1/减1，其内容始终为栈顶地址。复位时SP07H123专用寄存器的字节寻址和位寻址如下图所示51系列单片机，共有21个专用寄存器，可位寻址的有11个。无的只能字节寻址，有的可字节寻址也可位寻址。位地址符号单元地址名称符号地址ACCE0H累加器ACC7ACC0E7HE0HBF0H乘法寄存器B7B0F7HF0HPSWD0H程序状态字PSW7PSW0D7HD0HSP81H堆栈指针DPL82H数据存储器指针低8位DPH83H数据存储器指针高8位IEA8H中断允许控制器IE7IE0AFHA8HIPB8H中断优先控制器IP7IP0BFHB8HP080H通道0P07P0087H80HP190H通道1P17P1097H90HP2A0H通道2P27P20A7HA0HP3B0H通道3P37P30B7HB0HPCON87H电源控制及波特率选择SCON98H串行口控制SCON7SCON09FH98HSBUF99H串行数据缓冲器TCON88H定时控制CON7TCON08FH88HTMOD89H定时器方式选择TL08AH定时器0低8位TL18BH定时器1低8位TH08CH定时器0高8位TH18DH定时器1高8位可位寻址的特殊功能寄存器13外部数据存储器外部数据存储器一般由静态RAM构成，其容量大小由用户根据需要而定,最大可扩展到64KBRAM,地址是0000HFFFFH。对外部数据存储器的访问使用MOVX指令二、程序存储器外部内部内部用户程序区程序引导区片内加片外共有64K的ROM寻址空间，内部ROM地址0000H0FFFH中有一块特殊区间0000H002AHL0000H0002H系统的启动单元，单片机复位后，（PC）0000H，程序从0000H单元开始取指令。L0003H000AH外部中断0中断地址区。L000BH0012H定时/计数器0中断地址区。L0013H001AH外部中断1中断地址区。L001BH0022H定时/计数器1中断地址区。L0023H002AH串行中断地址区。0000H002AHFFFFHEA高电平，从片内程序存储单元读起并可一直延伸到片外,EA低电平，从片外程序存储单元读0FFFH对程序存储器的访问都是用MOVC指令三、MCS51存储结构特点补充普林斯顿结构程序和数据共用一个存储器逻辑空间，统一编址。哈佛结构程序数据分为两个独立存储器逻辑空间，分开编址。MCS51在物理上有四个存储空间1、片内程序存储器2、片外程序存储器、3、片内数据存储器4、片外数据存储器。从逻辑上划分有三个存储器地址空间1、片内外统一编址的64K字节程序存储器（0000H0FFFFH）2、内部256字节数据存储器地址空间（包括包括128字节片内字节片内RAM和和128字节的字节的SFR）3、外部64K字节数据存储器地址空间（0000H0FFFFH）MCS51采用哈佛结构51子系列内部ROM外部ROM/EA1/EA0外部ROM外部51子系列第三节并行输入/输出端口结构（I/O口）L四个准双向四个准双向8位位I/O口，共口，共32根根I/O口线，每个口线，每个I/O线线均由锁存器，输出驱动电路和输入缓冲器组成。每均由锁存器，输出驱动电路和输入缓冲器组成。每个个I/O既可作输入又可作输出，每一条口线可独立用既可作输入又可作输出，每一条口线可独立用作输入又可用作输出，作输出时可锁存数据，作输作输入又可用作输出，作输出时可锁存数据，作输入时可缓冲数据。入时可缓冲数据。11P0口作为一般I/O口输出要外加上拉电阻P0N锁存器P0NQQD读锁存器写锁存器内部总线读引脚T2MUX地址/数据控制T1VCC0VCC100200P0口位的结构一、P0口结构P0口的位结构12P0口作为输入（先把P0口置1，使T1,T2截止）P0NT2地址/数据控制T1VCCP0N锁存器QQD读锁存器写锁存器内部总线读引脚MUX1000ORLP0,0FFHMOVA,P0P0口的位结构13P0口作为A/D总线输出接外部扩展存储器P0NT2地址/数据控制T1VCC1P0N锁存器QQD读锁存器写锁存器内部总线读引脚MUX1、注意读引脚和读锁存器的区别。2、输出时接上拉电阻。3、P0口作输入时，应使输出两个驱动场效应管截止而呈现悬浮的高阻态，所以需先向锁存器写“1”,才能正确输入数据，称为准双向口。4、作A/D总线时，分时输出A0A7和D0D7,MUX当程序中出现MOVX语句时自动切向上方，扩展使用作为D0D7/A0A7；不出现MOVX语句则作为普通IO口。P0口口总结总结二、P1口结构P1N锁存器P1NQQD读锁存器写锁存器内部总线读引脚内部上拉电阻TVCCP1口的位结构1、注意读引脚和读锁存器的区别。2、普通IO输入时，必须把P1相应位置1，使FET关断，使引脚悬浮成为高阻，才能正确输入数据，称为准双向口。P1口总结口总结三、P2口结构P2N锁存器P2NQQD读锁存器写锁存器内部总线读引脚TVCC地址控制内部上拉电阻MUXP2口的结构图P2口总结口总结1、注意读引脚和读锁存器的区别。2、普通IO输入时，必须把P2相应位置1，使FET关断，使引脚悬浮成为高阻，才能正确输入数据，称为准双向口。3、MUX当程序中出现MOVXA，DPTR（16BIT）语句时自动切向上方，输出高8位地址AB815；而执行MOVXA，RI（8BIT），时不切换，仍作为普通IO口使用。四、P3口结构P3N锁存器P3NQQD读锁存器写锁存器内部总线读引脚TVCC第二输入功能第二输出功能内部上拉电阻P3口的结构图P3口总结口总结1、注意读引脚和读锁存器的区别。2、普通IO输入时，必须把P3相应位置1，使FET关断，使引脚悬浮成为高阻，才能正确输入数据，称为准双向口。3、启动第二功能口，应将锁存器置1，控制端为1，FET截止I/O口电路小结1P0口通用双向并行I/O口或低8位地址/数据传送分时复用。2P1口最简单的I/O通用双向并行接口。3P2口通用双向并行I/O接口或高8位地址总线AB8154P3口通用双向并行接口和第二功能口串行接口引脚TXD、RXD中断输入引脚INT0、INT1定时器输入引脚T0、T1读写控制线RD、WRL每个每个I/O口均有两种读入方式（用命令区分）口均有两种读入方式（用命令区分）L读锁存器（读读锁存器（读修改修改写）写）L读引脚读引脚ORLP1，0FH；读锁存器读锁存器（目的操作数必须是一个（目的操作数必须是一个I/O口或口或I/O口的某一位）口的某一位）MOVA，P1；读引脚读引脚（源操作数是一个（源操作数是一个I/O口或口或I/O口的某一位）口的某一位）L注意注意读引脚时，需先向锁存器写读引脚时，需先向锁存器写“1”。系统。系统复位时，所有口锁存器均置复位时，所有口锁存器均置“1”。第四节时钟电路及时序一、时钟电路单片机时钟电路通常有两种形式1内部振荡方式引脚XTAL1和XTAL2分别接放大器的输入端和输出端。把放大器与作为反馈元件的晶体振荡器或陶瓷谐振器，以及两个电容连接，就构成了内部自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。晶体振荡器频率即为系统的振荡频率。通常为12MHZ12MHZ，晶振频率越高，单片机运行速度就越快。2外部振荡方式外部振荡方式就是把外部已有的时钟信号引入单片机内。外部振荡方式常用于多块芯片同时工作，以便于同步。内部振荡方式外部振荡方式XTAL2XTAL1MCS51C1C2CYSXTAL2XTAL1MCS515VVSSTTL外部时钟源至内部时钟HMOS型时序研究的是指令执行中各信号之间的相互时间关系。下面是有关CPU时序的几个概念。二、时序1振荡周期为单片机提供时钟信号的振荡源的周期。也称拍节，用P表示。如果为内部时钟方式，振荡周期即为石英晶体的振荡周期。2时钟周期是振荡源信号经二分频后形成的时钟脉冲信号。也称状态周期用S表示。也就是一个时钟周期是振荡周期的2倍。3机器周期通常将完成一个基本操作所需的时间称为机器周期。MCS51一个机器周期含6个时钟周期。4指令周期是指CPU执行一条指令所需要的时间。一个指令周期通常含有14个机器周期。P1P2S1P2振荡周期也称节拍P时钟周期也称状态S机器周期机器周期指令周期XTAL2OSCS2S3S4S5S6S1S2S4S5S3S6P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P2P2P2P2P2P2P2P2P2P2MCS51单片机各种周期的相互关系振荡周期、时钟周期、机器周期、指令周期若MCS51单片机外接晶振为12MHZ时，则单片机的四个周期的具体值为振荡周期1/12MHZ1/12S00833S时钟周期振荡周期21/6S0167S机器周期振荡周期121S指令周期14SALEOSCXTAL2S1S4S6S5S3S2读操作码读下一个操作码无效A1字节1周期指令读下一指令S1S4S6S5S3S2读操作码读第二