mcs-51单片机的结构与原理

单片机单片机 原理与应用原理与应用第 2 章 MCS-51单片机的结构与原理 【本章内容】本章主要介绍单片机的外部引脚、内部结构、 CPU工作原理、存储器配置、特殊功能寄存器及 I/O口的结构等。【项目驱动的学习要点】 应用项目中的硬件电路原理。 应用项目中的单片机资源规划。1单片机单片机 原理与应用原理与应用第 2 章 MCS-51单片机的结构与原理2.1 MCS-51单片机的外部引脚与内部结构2.2 MCS-51单片机的 CPU结构2.3 MCS-51单片机的存储器结构2.4 MCS-51单片机的并行口结构练习题END 2单片机单片机 原理与应用原理与应用2.1 MCS-51单片机的外部引脚与内部结构2.1.1 MCS-51的外部引脚2.1.2 MCS-51的内部结构 3单片机单片机 原理与应用原理与应用2.1.1 MCS-51的外部引脚采用 DIP封装的 MCS-51系列单片机共有40条引脚，如图 2-1所示。各条引脚的名称、功能如下。图 2-1 MCS-51的外部引脚 4单片机单片机 原理与应用原理与应用1电源引脚 VCC： +5V电源。 Vss： 地线。图 2-1 MCS-51的外部引脚 5单片机单片机 原理与应用原理与应用2外接晶振引脚XTAL1、 XTAL2： 用于连接晶体振荡器和微调电容，以便与单片机内部的振荡器构成内部时钟电路，当采用外部时钟时，作为外部振荡信号的输入端。图 2-1 MCS-51的外部引脚 6单片机单片机 原理与应用原理与应用3 I/O口引脚 P0.7 P0.0： P0口引脚，用于传送输入 /输出数据或低 8位地址。 P1.7 P1.0： P1口引脚，用于传送输入 /输出数据。 P2.7 P2.0： P2口引脚，用于传送输入 /输出数据或高 8位地址。 P3.7 P3.0： P3口引脚，用于传送输入 /输出数据，或作为第二功能引脚，各条引脚的第二功能如表 2-1所列。图 2-1 MCS-51的外部引脚 7单片机单片机 原理与应用原理与应用表 2-1 P3口各条引脚的第二功能 片外 RAM读选通输出 P3.7 片外 RAM写选通输出 P3.6 定时器 /计数器 1外部计数输入 T1 P3.5 定时器 /计数器 0外部计数输入 T0 P3.4 外部中断 1输入 P3.3 外部中断 0输入 P3.2 串行口输出 TXD P3.1 串行口输入 RXD P3.0 功 能 名 称 P3口引脚8单片机单片机 原理与应用原理与应用4控制引脚控制引脚 RST： 复位信号输入引脚。该引脚输入高电平时，可使单片机复位。 PSEN ： 片外 ROM读选通输出引脚。用于扩展外部 ROM时，与外部 ROM芯片的读选通引脚连接。 ALE/PROG： 地址锁存允许信号输出引脚 /编程脉冲输入引脚。它有 3种功能：（ 1）在单片机访问片外存储器时，可用作低 8位地址的锁存控制信号。（ 2）不访问片外 RAM时，该脚输出的脉冲序列（频率为晶振频率的 1/6）可作为脉冲信号源使用。（ 3）在对片内 EPROM进行编程（写EPROM） 时，用于输入编程脉冲。图 2-1 MCS-51的外部引脚 9单片机单片机 原理与应用原理与应用图 2-1 MCS-51的外部引脚 /VPP： 片外 ROM访问允许信号输出引脚 /片内 EPROM编程电压输入引脚。它的功能是：（ 1）当 =0时，允许单片机访问片外ROM（ 不允许使用片内 ROM）。 所以，对于无片内 ROM的单片机（如 8031）此引脚应接地。（ 2）当 =1时，允许单片机使用片内ROM。 对于具有片内 ROM的单片机，若该引脚为高电平，则 CPU在访问片内ROM时，当访问地址超过所配置容量的最大值时，会自动转向访问片外 ROM。（ 3） 在对片内 EPROM进行编程时，用于输入编程电压。4控制引脚控制引脚10单片机单片机 原理与应用原理与应用【项目应用 】应用项目的硬件电路图，如图 2-2所示，请读者根据上述介绍，逐个理解其中所使用的单片机引脚，指出其名称和功能。初步理解为何使用这些引脚，哪些引线用的是 P3口的第二功能？图 2-2 应用项目的硬件电路图 11单片机单片机 原理与应用原理与应用解： 所用到的单片机引脚名称和功能如下： （外部中断 0输入） （外部中断 1输入） （片外 RAM读选通） （片外 RAM写选通） （片外 ROM访问允许脚，由于所用的单片机为无片内 ROM的 8031，因此，将该引脚接地）ALE（ 地址锁存）RST（ 复位）P0.7 P0.0（ P0口引脚）P1.0和 P1.4（ P1口引脚）P2.7（ P2口引脚） 、 、 和 用的是 P3口的第二功能，分别对应 P3.2、 P3.3、 P3.6和 P3.7引脚。12单片机单片机 原理与应用原理与应用2.1.2 MCS-51的内部结构 图 2-3 MCS-51单片机内部结构框图13单片机单片机 原理与应用原理与应用MCS-51的内部结构说明 图 2-3是具有片内 ROM的 MCS-51单片机内部结构： 片内 ROM的类型为掩膜 ROM时，对应 8051；为 EPROM时，对应 8751；将片内 ROM去掉，便是 8031。图中带阴影的方框为用户可以通过指令进行访问的具有特殊功能的单元，称为特殊功能寄存器（ SFR）；ROM为程序存储器； RAM为数据存储器；P0 P3口锁存器与驱动器构成 I/O接口；OSC为振荡器，用于为 CPU提供时钟信号；其余各部件均属于 CPU的组成部件。14单片机单片机 原理与应用原理与应用2.2 MCS-51单片机的 CPU结构2.2.1 CPU的基本结构2.2.2 CPU的工作原理2.2.3 CPU的时钟和时序 15单片机单片机 原理与应用原理与应用2.2.1 CPU的基本结构图 2- 4 MCS-51单片机的 CPU基本结构框图 16单片机单片机 原理与应用原理与应用1算术算术 /逻辑运算单元逻辑运算单元 ALUALU是一个功能极强的运算器，它除了可以进行数据的加、减、乘、除算术运算和与、或、非、异或、循环、求补等逻辑运算外，还具有位处理功能。17单片机单片机 原理与应用原理与应用2程序计数器程序计数器 PCPC是一个 16位的计数器。它总是存放着下一个将要执行的指令码所在的地址。CPU执行指令时，先根据程序计数器 PC中的地址从存储器中取出当前需要执行的指令码，并把它送给指令译码器分析执行，随后程序计数器 PC中的地址自动加 1，以便为 CPU取下一个需要执行的指令码作好准备。当下一个指令码取出执行后，PC又自动加 l。 这样，程序计数器 PC一次次加 1，指令就被一条条执行。18单片机单片机 原理与应用原理与应用但在执行转移指令、子程序调用指令和中断响应时例外，那时 PC的内容不再加 1，而是由指令或中断系统自动给 PC置入新的地址。 PC的取值范围为 0000H FFFFH（ 后缀 “H”表示十六进制），这就是说，MCS-5l单片机对程序存储器的寻址范围为64KB。 单片机开机或复位时， PC自动清 0，即装入 PC中的初始地址为 0000H， 这就保证了单片机开机或复位后，程序总是从0000H地址开始执行。19单片机单片机 原理与应用原理与应用3定时与控制定时与控制定时与控制部件与程序计数器、指令寄存器、指令译码器等构成 CPU中的控制器。控制器是单片机的核心部件、指挥中心，相当于人脑的神经中枢。其中，定时与控制部件的功能是根据指令译码器的译码结果，产生实现指令功能所需的各种微操作控制信号，控制、协调各部件的工作，以完成相应指令的执行20单片机单片机 原理与应用原理与应用4累加器累加器 ACCACC的用途是向 ALU提供操作数和存放运算的结果。 CPU执行某种运算前，通常先将一个操作数存放在累加器中，再与另一个来自暂存器的操作数在ALU中进行运算，运算后的结果又送回累加器。如果进行的是连续加法， ACC便起到累加的作用，因此而得名。书写指令时， ACC通常记作 A（ 特例除外）。21单片机单片机 原理与应用原理与应用5寄存器寄存器 B寄存器 B用于在乘法或除法运算前，存放乘数或除数，在乘法或除法完成后用于存放乘积的高 8位或除法的余数。在不进行乘、除运算时，可以作为通用的寄存器使用。22单片机单片机 原理与应用原理与应用6程序状态字寄存器程序状态字寄存器 PSWPSW 用来存放指令执行后的有关状态，如计算结果有无进位 /借位、溢出等，是一个标志寄存器，其中的各个状态位通常是在指令执行过程中自动形成的，但也可以由用户根据需要采用传送指令加以改变，它们的具体定义和功能在 2.3.2中再予以详细介绍。23单片机单片机 原理与应用原理与应用7其他主要部件其他主要部件 暂存寄存器 TMP1、 TMP2： 用于暂时存放从数据总线或 ACC送来的操作数。 程序地址寄存器：用于存放当前指令的地址，具体数据由程序计数器送入。 指令寄存器：用于存放当前正在执行的指令操作码（指令的构成在下一章中介绍）。 指令译码器：用于对指令寄存器中的指令操作码进行分析，并把译码结果送给定时与控制部件，作为产生微操作控制信号的依据。 内部总线：包括地址总线、数据总线和控制总线，分别用于传递与它们的名称相对应的信号，内部总线是各部件间进行信息传递的公共通道，信号传递过程由 CPU全盘控制，分时操作，不会发生冲突。24单片机单片机 原理与应用原理与应用2.2.2 CPU的工作原理指 令 功 能 指令的二 进 制形式 指令的十六 进 制形式 指令的汇编 形式把 1送入 ACC 0111010000000001 74H 01H MOV A, #01H将 ACC中的数据与 2相加，和送入 ACC001001000000001024H02H ADD A, #02H把 3送入 B 01110101111100000000001175HF0H03HMOV B, #03H将 ACC中的数据与 B中的数据相乘， 积 的高 8位送入 B， 低 8位送入 ACC10100100 A4H MUL AB停机 1000000011111110 80HFEH SJMP $表 2-2 MCS-51单片机的几条指令25单片机单片机 原理与应用原理与应用指令说明：由于 CPU是采用二进制来工作的，所以CPU能直接识别和执行的指令都是用二进制编写的，这些指令称为机器指令或机器码。通常每条指令的首字节为必不可少的指令操作码，其余字节为操作数或操作地址，指令长度通常为 1 3个字节，单字节指令只有操作码。表中指令的十六进制形式和汇编形式，是人们为了便于书写和记忆而采用的形式。26单片机单片机 原理与应用原理与应用例： CPU计算 “（ 1+2） 3”为了更好地理解 CPU的工作原理，下面以要求 CPU计算 “（ 1+2） 3”为例说明 CPU的工作过程。利用上述指令编写的程序如下。指令 功能注释MOV A, #01H ; A 01H ADD A， #02H ; A 01+02HMOV B, #03H ; B 03HMUL AB ;BA (A) (B)SJMP $ ; 停机27单片机单片机 原理与应用原理与应用CPU的工作原理示意图 假定以上程序已装入了单片机内部 ROM中，起始地址为0050H， 并假定程序计数器的当前值也是 0050H， 则单片机 CPU的工作原理如图 2-5所示。 图 2-5 MCS-51单片机 CPU的工作原理示意图 28单片机单片机 原理与应用原理与应用CPU执