mcs-51单片机的硬件结构

第 2章 MCS-51单片机的硬件结构 2.1 MCS-51单片机基本结构2.2 中央处理器 CPU 2.3 存储器 2.4 并行输入 /输出接口 2.5 单片机的引脚及其功能第 2章 MCS-51单片机的硬件结构 学习目标1.了解 MCS 51系列单片机的基本结构、 CPU的组成；掌握各 CPU组件（尤其是专用寄存器）的作用；了解 CPU时序特点，熟悉机器周期的概念以及机器周期与指令周期之间的关系。2.掌握 MCS 51系列单片机的存储器结构，能够区分不同型号 51系列单片机程序存储器的应用状态；掌握片内数据存储器的功能区划分和各自寻址特点，熟悉常用的 SFR的功能和应用特点。3.熟练掌握 MCS 51系列单片机 4个 8位并行 I/O端口的各自功能和应用特点。4.了解 MCS 51系列单片机器件的外部引脚功能、封装形式，熟悉各控制引脚的功能和应用特点；了解 51系列单片机的工作方式。重点难点1.MCS 51系列单片机存储器的结构，片内存储器的应用特 2.MCS 51系列单片机 4个 8位 I/O端口的应用特点。第 2章 MCS-51单片机的硬件结构 2.1 MCS-51单片机基本结构w MCS-51系列单片机都是以 8051为核心电路发展起来的，包括 51子系列（基本型）和 52子系列（增强型）两大类，因此它们都具有 MCS-51的基本结构与软件特征，具有很强的兼容性。 第 2章 MCS-51单片机的硬件结构 2.1.1 MCS-51系列单片机的内部结构ALUEPROM 无 ROM为 8031用EPROM,为 8751第 2章 MCS-51单片机的硬件结构 2.1.2 MCS-51系列 单 片机的 结 构 时钟电路CPUROM RAMT0 T1中断系统串行接口并行接口P0 P1 P2 P3 TXD RXD INT0 INT1定时计数器面向控制的 8位中央处理器（ CPU） 128B内部数据存储器（ RAM）一组特殊功能寄存器（ SFR）4KB片内程序存储器（ROM）， 用于存放程序、原始数据和表格 2个 16位定时器 /计数器。 实现定时或计数功能。 32根双向并可按位寻址的 I/O口线： 4个 8位的 I/O口 P0、 P1、 P2、 P3。 一个全双功异步串行口。 5个中断源，具有两个优先级。 时钟电路： 可产生时钟脉冲序列，允许晶振频率 6MHZ和12MHZ64KB程序存储器空间。64KB数据存储器空间。具有布尔处理（即位处理）能力 第 2章 MCS-51单片机的硬件结构 2 2 中央处理器 CPU2.2.1 MCS-51系列单片机 CPU的结构和功能部件1. CPU 结构MCS 51内部有一个 8位 CPU（ 8位是 CPU的字长，指 CPU对数据的处理是按一个字节进行的），它象通常的微处理器一样，也是由算术逻辑运算 单元 ALU、 定时控制部件（即控制器）和各种专用寄存器等组成的。第 2章 MCS-51单片机的硬件结构 ALU 由定时和控制部件构成的控制器，包括定时控制逻辑、指令寄存器、译码器地址指针 DPTR、 程序计数器 PC、 堆栈指针 SP、 RAM地址寄存器以及 16位地址缓冲器等。运算器（ ALU、 专用寄存器）第 2章 MCS-51单片机的硬件结构 2.CPU的专用寄存器组w 在应用系统设计尤其是软件编程时经常用到CPU的专用寄存器组。 MCS-51的 CPU专用寄存器组包括程序计算器 PC、 累加器 ACC、 寄存器 B、 程序状态标志寄存器 PSW、 堆栈指针 SP和数据地址指针 DPTR等 6个寄存器，除 PC外，其余 5个寄存器均为可编程可访问寄存器。而 PC只能用在查表指令 MOVC中，不可直接访问。另外，专用寄存器组中只有 PC在物理上是独立的（即没有与其他器件共同编码的物理地址）， 其余 5个寄存器都有相应的直接地址编码（称字节地址）。 第 2章 MCS-51单片机的硬件结构 是 CPU的最基本部件，它是一个独立的计数器，用于存放下一条待执行指令的地址。PC的基本工作过程可以描述为： PC中的数作为指令地址输出给程序存储器，程序存储器按此地址输出指令字节，同时 PC本身自动加 1，指向下一条指令。注意： 在执行转移、调用类指令或响应中断等操作时， PC的工作过程将有所不同。MCS-51的 PC是一个 16位寄存器，其寻址范围是 64KB（ 即 216Byte）。 在 MCS-51指令系统中有一类基址加变址寻址的指令， PC可用作该类指令的基本地址寄存器。 (4)程序计数器 PC（ Program Counter）第 2章 MCS-51单片机的硬件结构 （ 2） 累加器 ACCw （ Accumulator）： 累加器 ACC（ 简称 A寄存器或累加器 A） 是一个具有特殊用途的8位寄存器，主要用字来存放一个操作数或存放运算的结果。累加器 ACC是 CPU中使用最频繁的寄存器， MCS-51指令系统中多数指令的执行都通过它进行。第 2章 MCS-51单片机的硬件结构 (3)寄存器 Bw 寄存器 B也是一个 8位寄存器，在乘法和除法运算中用作 ALU的输入之一。乘法运算时， ALU的两个输入分别为 A、 B， 运算结果存放在 AB寄存器中 ，其中 A存放积的低 8位， B则存放的积的高 8位。除法运算时，被除数取自 A， 除数取自 B； 运算结果商数存于 A， 而余数存于 B。 其它情况下， B可作为一个工作寄存器使用。 第 2章 MCS-51单片机的硬件结构 (4)程序状态字 PSW （ Program State Word ）Cy AC F0 RS1 RS0 OV PD7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0PSW进位标志、“位累加器” 辅助进位标志用户通用状态标志 溢出标志奇偶标志位保留位 工作寄存器组选择控制位 若 A中有奇数个 “ 1” ，则 P置位，否则清零 第 2章 MCS-51单片机的硬件结构 RS1、 RS0与片内工作寄存器组的对应关系RS1 RS0 寄存器 组 片内 PAM地址 通用寄存器名称0 0 0组 00H07H R0R70 1 1组 08H0FH R0R71 0 2组 10H17H R0R70 1 3组 18H1FH R0R7第 2章 MCS-51单片机的硬件结构 堆栈是指用户在单片机内部 RAM中开辟的、遵循 “ 先进后出” 原则、 只能从一端存取数据的一个存储区。并把存取数据的一端称为栈顶， SP就是指向栈顶的指针。 凡是关系到堆栈操作的场合（无论是入栈还是出栈），都需要借助 MCS-51的 CPU中一个专用 8位寄存器 SP来间接指示堆栈中数据存取的位置，该寄存器被称为堆栈指针。 MCS-51的堆栈是向上生成的（即向地址增加的方向），堆栈指针 SP的初始值称为栈底。在堆栈操作过程中， SP始终指向堆栈的栈顶。 需要注意的是，单片机复位后SP的值为 07H， 因此入栈数据将从 08H存起。 (5)堆栈指针 SP（ Stack Pointer）第 2章 MCS-51单片机的硬件结构 入栈操作时首先将 SP的内容 记为（ SP） 自动增 1，将 SP间接指示的栈区片内 RAM存储单元地址向上调整一次，再把数据压入由 SP最新指示的片内RAM单元中；出栈操作时，首先将当前栈顶的内容弹出到相应位置，然后把 SP的内容自动减 1。可见，在堆栈操作过程中， SP的值将自动增 1或减 1。 89H栈底SPSP 入栈过程PUSH ACC栈底出栈过程POP ACCSP89HSP89HAA 89H第 2章 MCS-51单片机的硬件结构 数据指针 DPTR是一个 16 位的专用寄存器 , 其高位字节寄存器用 DPH表示、低位字节寄存器用 DPL表示。既可作为一个 16 位寄存器 DPTR来处理 , 也可作为两个独立的 8 位寄存器 DPH和 DPL来处理。 DPTR 主要用来存放 16 位地址，可通过它访问 64 KB外部数据存储器或外部程序存储器空间6. 数据指针寄存器 DPTR第 2章 MCS-51单片机的硬件结构 2.2.2 MCS-51系列单片机 的 CPU时序CPU的功能就是以不同的方式，通过复杂的时序电路执行并完成各种不同指令功能的。 CPU的控制器按照指令的功能发出一系列在时间上有一定次序的信号去控制和启动一部分逻辑电路，完成某种操作。 在一定时刻发出一定的控制信号去启动一定的逻辑部件动作， 这就是 CPU的时序 。 第 2章 MCS-51单片机的硬件结构 1.系统时钟与时钟周期系统时钟是一切微处理器、微控制器内部电路工作的基础。单片机内部有一个自激振荡电路，可以通过它或外部提供振荡源驱动内部时钟电路产生系统时钟信号。 系统时钟信号的振荡周期简称时钟周期 。系统时钟组成了单片机机器周期的状态序列。 第 2章 MCS-51单片机的硬件结构 2.机器周期与指令周期w CPU完成一种基本操作所需要的时间 称为 机器周期 Tcy。w 基本的机器周期有取指周期、存储器读周期和存储器写周期等，各种指令功能都是由这几种基本机器周期实现的。w CPU执行一条指令所需要的时间称为指令周期，它以机器周期为单位。 MCS-51的指令可以分为单周期指令、双周期指令和四周期指令三种，它们的执行时间依次是 1个、 2个和 4个机器周期。 第 2章 MCS-51单片机的硬件结构 机器周期与时钟周期的关系MCS 51系列单片机的的 1个机器周期包括 12个时钟周期。为了叙述方便，可将 1个机器周期分为 6个状态 S1 S6， 每个状态又分为两相 P1、 P2， 则 1个机器周期的 12 个状态依次为 S1P1、 S1P2、 S2P1S6P2 。如果系统时钟的晶振频率为 fosc=12MHz， 则1Tcy = 12Tosc= 12/fosc= 12/(12106)=1s 即： 1个机器周期的时间为 1s。 单字节单周期指令例： INC A双字节单周期指令例： ADD A， DATA单字节双周期指令例： INC DPTRCPU取指 /执行时序第 2章 MCS-51单片机的硬件结构 一个机器周期P1 P2 P1 P2读操作码（丢弃）MOVX类指令 (单字节双周期指令）无取指（无 ALE）地址 数据访问外部存储器双字节双周期指令 例： MOV Rn,direct读第二字节操作码当 CPU对外部 RAM读写时， ALE不是周期信号第 2章 MCS-51单片机的硬件结构 2.3 存储器w 普林斯顿（ Princeton） 结构。w 哈佛（ Harvard） 结构：而绝大多数单片机，采用的是将程序存储器和数据存储器截然分开， ROM和 RAM独立编址并分别寻址的结构，相互间不会冲突。这种结构对于单片机 “ 面向控制 ” 的应用特点十分有利。w 在 MCS-51系列单片机中，不仅在片内预留了一定容量的程序存储器、数据存储器以及众多的特殊功能寄存器（ SFR）， 而且还具有很强的外部存储器扩展能力，程序存储器和数据存储器的寻址能力均可达 64KB， 寻址和操作简单方便。 第 2章 MCS-51单片机的硬件结构 12345678910111213142827262524232221 201918171615EPROM276412345678910111213142827262524232221 201918171615EPROM27641234567891011121314151617181920403938373635343332313029282726252424222112345678910111213142827262524232221 201918171615RAM6264 12345678910111213142827262524232221 201918171615RAM6264 80318751805189C51片内片内RAM片内片内ROM256B（ 字节）4KB64K64K第 2章 MCS-51单片机的硬件结构 MCS 51存储器结构 三大逻辑存储空间特殊功能寄存器 ）（外部K64RAM数据存储器 程序存储器1EA内部 ROM=外部ROM0EA外部 ROM=第 2章 MCS-51单片机的硬件结构 2.3.1 程序存储器程序存储器w 程序存储器（ Program memory） 主要用于存放经调试正确的应用程序和常数表格。由于 MCS-51系列单片机采用 16位的程序计数器 PC和 16位的地址总线，因而程序存储器可扩展的地址空间为 64KB， 并且这64KB地址在空间分布范围上是连续和统一的。第 2章 MCS-51单片机的硬件结构 1.程序存储器的分类 w 单片机应用系统中的程序存储器一般用半导体只读存储器即 ROM（ Read Only Memory）。 这种存储器在计算机运行时只能对其执行读操作，即使整机掉电后存于其中的信息也不会丢失，显然适合于存放用户程序、常数和表格等。w (1)Mask ROM 型 ：掩膜 ROM。 其编程只能由制造商通过半导体掩膜技术完成，用户无法改写，所以对用户而言，它是严格意义的只读存储器。如 8051中的 4KB程序存储器就是这一种，这种 ROM适用于有固定程序且大批量生产的产品中。第 2章 MCS-51单片机的硬件结构 （ 2） OTPROM型