单片机原理及应用第二章

第2章 MCS-51系列单片机 硬件结构,2.1 MCS-51系列单片机的总体结构 2.2 MCS-51系列单片机的微处理器 2.3 MCS-51系列单片机的存储器 2.4 辅助电路及时序,知识点：,内部结构和外部引脚存储器的结构字节地址和位地址辅助电路时序,2.1 MCS-51单片机的总体结构,两个概念：MCS-51单片机8051单片机,表 2-1 MCS - 51 系列单片机性能表,CHMOS：互补金属氧化物的HMOS工艺 HMOS：高密度短沟道MOS工艺,2.1.1 主要组成,图2-1 MCS-51单片机的内部结构,DIP（Dual In-Line Package） PLCC（Plastic Leaded Chip Carrier） PQFP（Plastic Quad Flat Package）,芯片的封装形式：,2.1.2 外部引脚说明,图2-2 MCS-51系列单片机的引脚,XTAL1,XTAL2,40条引脚的功能： 1 电源引脚VSS和VCC VSS（20脚）：接地； VCC（40脚）：正常操作及对EPROM编程和验证时接5伏电源。 2 外接晶体引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1（19脚）：接外部晶体的一端。在单片机内部，它是一个反向放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。 XTAL2（18脚）：接外部晶体的另一端。在单片机内部，接至上述反向放大器的输出端。,3 控制引脚RST/VPD（9脚）：上电复位或掉电保护端ALE/PROG（30脚）：地址锁存有效端PSEN（29脚）：片外程序存储器读选通信号输出端EA/VPP（31脚）：片外程序存储器选用端,4. 输入/输出引脚P0口、P1口、P2口、P3口 P0口（P0.0P0.7共8条引脚，即3932脚）：是双向8位三态I/O口。在访问外部存储器时，可分时用作低8位地址线和8位数据线；在EPROM编程时，它输入指令字节，而在验证程序时，则输出指令字节。P0口能驱动8个TTL输入。 P1口（P1.0P1.7共8条引脚，即18脚）：P1口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。它能驱动4个TTL输入。,P2口（P2.0P2.7共8条引脚，即2128脚）：P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。在访问外部存储器时，它送出高8位地址。它能驱动4个TTL输入。P3口（P3.0P3.7共8条引脚，即1017脚）：P3口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。在MCS-51单片机中，这8个引脚都有各自的第二功能，在实际工作中，大多数情况下都使用P3口的第二功能。表2-1表示出了P3口的第二功能。,表2-2 P3口的第二功能定义,P3.2,P3.3,单片机的引脚除了电源、复位、时钟接入、用户I/O口外，其余引脚都是为了实现系统扩展而设置的。这些引脚构成了三总线形式。 （1）地址总线（AB）：地址总线宽度为16位，由P0口经地址锁存器提供低8位地址（A0-A7）；P2口直接提供高8位地（A8A15）。地址信号是由CPU发出的，故地址总线是单方向的。 （2）数据总线（DB）：数据总线宽度为8位，用于传送数据和指令，由P0口提供。 （3）控制总线（CB）：控制总线随时掌握各种部件的状态，并根据需要向有关部件发出命令。,2.2 MCS-51系列单片机的微处理器,2.2.1 运算器,算术、逻辑运算部件ALU、 累加器ACC、寄存器B、 暂存器TMP1、TMP2、 程序状态寄存器PSW、 布尔处理器、 十进制调整电路,程序状态字寄存器PSW,这是一个8位的寄存器,用于存放程序运行的状态信息。其中有些位的状态是根据程序操作的结果,由硬件自动设置的;而有些位的状态则是由指令设定的PSW的位状态可以用专门的指令进行测试，也可以用指令读出。一些条件转移指令就是根据PSW有关位的状态进行程序转移的。,程序状态字寄存器PSW :,进位标志,辅助进位标志,标志位0,0 0,0 1,通用寄存器组0,通用寄存器组1,1 0,通用寄存器组2,1 1,通用寄存器组3,溢出标志,标志位1,奇偶标志,布尔处理机布尔处理机(即位处理)是MCS-51单片机ALU所具有的一种功能。单片机指令系统中的位处理指令集(17条位操作指令)，存储器中的位地址空间，以及借用程序状态寄存器PSW中的进位标志CY作为位操作“累加器“，构成了MCS-51单片机内的布尔处理机。它可对直接寻址的位(bit)变量进行位处理，如置位、清零、取反、测试转移以及逻辑“与“、“或“等位操作，使用户在编程时可以利用指令完成原来单凭复杂的硬件逻辑所完成的功能，并可方便地设置标志等。,2.2 MCS-51系列单片机的微处理器,2.2.2 控制器,时钟发生器、定时控制逻辑、 指令寄存器、指令译码器 、 程序计数器PC、 数据指针寄存器DPTR、 堆栈指针SP,三种寄存器都是用来存放地址的。,程序计数器PC,PC是一个16位的计数器,其内容是下一条要执行的指令的地址。它的寻址范围可达到64K。计算机在执行程序时,由CPU从存储器中取出指令,并加以译码和执行.在CPU中有一个跟踪指令地址的电路,就是程序计数器PC。在开始执行时,给PC赋以第一条指令的地址,每取一条指令PC自动形成下一条指令的地址。PC没有地址,是不可寻址的,无法对它进行直接读写操作.但可通过转移、调用和返回等指令改变其内容，实现程序的转移。单片机复位后PC=0000H。执行指令时，PC内容的低8位经P0口输出，高8位经P2口输出。,数据指示器DPTR,DPTR是MCS-51中惟一出现在符号指令中的一个16位专用地址寄存器。它既可按16位寄存器使用,又可分为两个8位的寄存器使用（DPL和DPH）。DPTR通常用做访问外部数据存储器或扩展I/O的间址寄存器,还可以和累加器A一起用做程序存储器的变址寄存器。,MOV DPTR , #2000H MOVX A,DPTR MOVC A,A+DPTR,MCS-51系列单片机存储器的分类： 从物理结构上可分为片内、片外程序存储器（8031和8032无片内程序存储器）与片内、片外数据存储器等4部分； 从功能上可分为64KB字节程序存储器空间、256B字节片内数据存储器空间、128B内部特殊功能寄存器空间、位地址空间和64KB片外数据存储器等5部分； 其寻址空间可划分为：程序存储器、片内数据存储器和片外数据存储器3个独立的地址空间。,2.2 MCS-51系列单片机的存储器,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：程序与数据分为两个独立存储器逻辑空间，分开编址,2.3.1 程序存储器,2.2 MCS-51系列单片机的存储器,程序存储器通常存放程序指令、常数及表格等，系统在运行过程中不能修改其中的数据 。,ROM-less Mask-ROM(掩膜) OTP-EPROM Flsah-E2PROM,图2-4 程序存储器编址图 (a) 51子系列；(b) 52子系列,1,0FFFFH,0FFFFH,1.编址与访问,编制规律：先片内、后片外，片内、外连续，二者一般不重叠。,2. 程序的6个特殊入口地址存储器,0000H：是所有执行程序的入口地址。 0003H：外部中断0入口。 000BH：定时器/计数器0溢出中断入口。 0013H：外部中断1入口。 001BH：定时器、计数器1溢出中断入口。 0023H：串行口中断入口。,2.3.1 程序存储器,小技巧： 在每个地址里面一般存放一条无条件转移指令。,图2-5 数据存储器编址图 (a) 51子系列；(b) 52子系列,2.3.2 数据存储器,相同地址的空间可以通过不同的指令来访问。,1.编址与访问,内、外存储器是两个独立的地址空间，分别单独编址。,8051片内有256个单元的RAM，片外有64KB的RAM：访问片内RAM用“MOV”指令，访问片外RAM用“MOVX”指令。 对片外RAM常采用间接寻址方式，R0，R1和DPTR都可以作为间址寄存器。R0，R1是8位地址指针，寻址范围256个字节；DPTR是16位地址指针，寻址范围64KB。 可寻址256个单元，片内低128字节（即00H7FH）的地址区域为片内RAM，对其访问可采用直接或间接寻址方式；高128字节（即80H0FFH）为专用寄存器区，只能用直接寻址方式。,小技巧：,内 部 (EA=1),外 部 (EA=0),外 部,0000H,0FFFH,1000H,FFFFH,内部RAM,外部RAM 或I/O扩展,SFR,00H,7FH,80H,FFH,0000H,FFFFH,数据存储器,MCS-51存储器的配置,程序存储器,（1）,（2）,（3）,2. 片内数据存储器,（1）工作寄存器区(00H 1FH单元),寄存器区共有4组寄存器,每组8个寄存器,4组寄存器都以R0-R7编号.这些寄存器常用于存放操作数及中间结果等.由于它们的功能及使用不作预先规定,因此称之为通用寄存器,有时也称之为工作寄存器。4组占据内部RAM的00H1FH单元地址,因此也可以通过内部RAM的地址单元访问通用寄存器。任一时刻,CPU只能使用寄存区中的一组寄存器,称为当前寄存器.当前寄存器到底上是哪一组,由PSW中RS1,RS0这两位的状态来决定。,（2）位寻址区(20H 7FH),内部RAM中的20H2FH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,因此把该区称作位寻址区。位寻址区共有16个RAM单元,计128位,位地址为00H7FH。位地址用于位操作指令。MCS-51单片机具有布尔处理机功能,布尔处理机的存储空间就是指这个位寻址区。位寻址的规律:以20H存储单元的最低位作为位地址的第一个位单元,对应位地址为00H,直到2FH单元的最高位,其对应地址为7FH。,（3）数据缓冲区(30H 7FH),通常使用30H 7FH，共80个单元。普通的字节寄存器,常用来存放临时数据。,提问： 52子系列的片内RAM中，数据缓冲区有多少个单元？ 用户RAM区为30HFFH，有208个单元。 对于片内RAM区中字节地址为80H0FFH的区域，只能采用间接寻址方式进行访问。,问题： 1）什么是堆栈？ 在地址为00H-7FH的片内RAM中开辟的特殊存储区； 一端固定,另一端活动,且只许数据从活动端出 入； 活动端称为栈顶,固定端称为栈底。,（4）堆栈及堆栈指针SP（State Pointer）,问题： 2）什么是堆栈指针SP？ 因为栈顶是活动的,因此需要一个指示栈顶位置的指示器,即为堆栈指针SP。它总是指向堆栈的栈顶，往堆栈中存入或从堆栈中取出数据,一般是通过SP从栈顶存取。MCS-51单片机的堆栈设置在内部RAM中,因此SP是一个8位的寄存器。,（4）堆栈及堆栈指针SP（State Pointer）,问题： 3）为什么要设置堆栈？ 堆栈的设置主要用来解决多级中断,子程序嵌套和递归等程序设计中难以处理的实际问题。,（4）堆栈及堆栈指针SP（State Pointer）,问题： 4）堆栈是怎样确定的? 存储器的任何可用部分均可用来作为堆栈。系统复位后SP的内容是07H。 SP的值需要在用户程序的开头部分用软件进行一次并且仅一次初始化、,（4）堆栈及堆栈指针SP（State Pointer）,问题： 5）数据进栈、出栈有什么规律？进栈、出栈时指针有什么变化？,（4）堆栈及堆栈指针SP（State Pointer）,MCS-51的堆栈操作是字节操作。,80X86,MCS-51,“先进后出” “后进先出”,压栈,压栈,00H,0BH,0AH,09H,08H,07H,01H,02H,03H,04H,11H,10H,02H,弹栈,00H,0BH,0AH,09H,08H,07H,01H,02H,03H,04H,11H,10H,02H,弹栈,01H,02H,03H,04H,11H,10H,01H,6）堆栈操作可以分为几种？ 硬件自动控制完成； 用专门的指令完成。分为进栈指令PUSH和出栈指令POP。,数量：MCS-51单片机有18个（52有21个）特殊功能寄存器，它们分布在内部80HFFH单元中。 特点： 除了SFR占用的21个字节外的极大部分空余单元，MCS-51单片机不能对它们进行读/写操作。 单元地址可被8整除的特殊功能寄存器可进行位寻址。,3.特殊功能寄存器(Special Function Register),表2-5 特殊功能寄存器名称、表示符、地址一览表,表2-5 特殊功能寄存器名称、表示符、地址一览表,注意：,（1）累加器在CPU内部叫A，在SFR空间中叫ACC。 （2）A和ACC虽是一个寄存器,但在指令中它们是有区别的。ACC在汇编后机器指令中有一个字节的操作数是ACC的字节地址E0H,A则隐含在指令操作码中。所以符号指令中的A不能用ACC代替,特殊功能寄存器直接寻址和位名称寻址要用ACC,而不能用A代替。 （3）MCS-51单片机中大部分单操作数就取自累加器A(注意不能是ACC)。,MCS-51单片机的存储器具有的特点： 1、程序存储器和数据存储器截然分开，各有自己的寻址系统、控制信号和特定的