第2章_mcs-51单片机硬件结构和原理

单片机原理与接口技术 (第 2版 ).李晓林 .电子工业出版社 返回目录 1*单片机原理与接口技术单片机原理与接口技术第第 2章章 MCS-51单片机单片机硬件结构和原理硬件结构和原理单片机原理与接口技术 (第 2版 ).李晓林 .电子工业出版社 返回目录 2*(1) 熟悉熟悉 MCS-51单片机单片机 CPU内部组成结构和各功能部内部组成结构和各功能部件的作用。件的作用。(2) 掌握掌握 MCS-51单片机引脚功能，包括：单片机引脚功能，包括： P0 P3并并行行 I/O口的定义、控制信号、三总线组成。口的定义、控制信号、三总线组成。(3) 掌握存储器的组织结构和程序存储器、数据存储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（器、内部特殊功能寄存器（ SFR）的配置情况，）的配置情况，熟悉程序状态寄存器（熟悉程序状态寄存器（ PSW）各位的含义及变化）各位的含义及变化规律。规律。(4) 掌握掌握 P0 P3并行并行 I/O口结构及其特点，掌握时钟口结构及其特点，掌握时钟电路、电路、 CPU时序和复位电路。时序和复位电路。本章教学要求本章教学要求 单片机原理与接口技术 (第 2版 ).李晓林 .电子工业出版社 返回目录 3*本本 章章 目目 录录2.1 MCS-51系列单片机分类系列单片机分类2.2 单片机硬件结构单片机硬件结构 2.2.1 单片机的引脚功能单片机的引脚功能2.2.2 单片机的内部结构单片机的内部结构2.3 中央处理器（中央处理器（ CPU）2.3.1 运算器运算器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单片机原理与接口技术 (第 2版 ).李晓林 .电子工业出版社 返回目录 4*本本 章章 目目 录录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 时序时序单片机原理与接口技术 (第 2版 ).李晓林 .电子工业出版社 返回目录 5*2.1 MCS-51系列单片机的分类系列单片机的分类 自从自从 Intel公司于公司于 20世纪世纪 80年代初推出年代初推出 MCS-51系列单片机以后，所有的系列单片机以后，所有的 51系列单片机都是以系列单片机都是以 Intel公司最早的典型产品公司最早的典型产品 8051为核心，增加一定的功能为核心，增加一定的功能部件后构成的。本章以部件后构成的。本章以 8051为主阐述为主阐述 MCS-51系列系列单片机的系统结构、工作原理和应用中的一些技术单片机的系统结构、工作原理和应用中的一些技术问题。问题。MCS-51系列可分为两大系列：系列可分为两大系列： 51子系列子系列 和和 52子系列子系列 。 51子系列主要有子系列主要有 8031、 8051和和 8751三种机三种机型。型。 52子系列主要有子系列主要有 8032、 8052和和 8752三种机型。三种机型。 单片机原理与接口技术 (第 2版 ).李晓林 .电子工业出版社 返回目录 6*表表 2-1 MCS-51系列单片机的性能一览表系列单片机的性能一览表 2.1 MCS-51系列单片机的分类系列单片机的分类 单片机原理与接口技术 (第 2版 ).李晓林 .电子工业出版社 返回目录 7*2.2 单片机硬件结构单片机硬件结构2.2.1 单片机的引脚功能单片机的引脚功能MCS-51系列单片机是在一块芯片上集成了系列单片机是在一块芯片上集成了 CPU、RAM、 ROM、定时、定时 /计数器和多功能计数器和多功能 I/O口等基本功能部口等基本功能部件的一台计算机。单片机必须配备部分外围元件才能使件的一台计算机。单片机必须配备部分外围元件才能使用，其系统核心是单片机芯片，芯片引脚按功能分为用，其系统核心是单片机芯片，芯片引脚按功能分为 3类类，即数据总线、地址总线和控制总线。，即数据总线、地址总线和控制总线。MCS-51系列单片机的外形采用系列单片机的外形采用 40条引脚双列直插封条引脚双列直插封装（装（ DIP）或）或 LCC/QFP封装，每条引脚有规定的序号和封装，每条引脚有规定的序号和名称。名称。 DIP封装的引脚排列和逻辑符号如图封装的引脚排列和逻辑符号如图 2-1所示所示 。单片机原理与接口技术 (第 2版 ).李晓林 .电子工业出版社 返回目录 8*芯片引脚按功能分成芯片引脚按功能分成 3类，即：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 单片机的引脚功能单片机的引脚功能单片机原理与接口技术 (第 2版 ).李晓林 .电子工业出版社 返回目录 9*1. 主电源引脚主电源引脚 Vcc和和 VssVcc（ +5V）电源输入端电源输入端Vss（ GND）共用接地端共用接地端 2.2.1 单片机的引脚功能单片机的引脚功能 -51单片机电源引脚单片机电源引脚单片机原理与接口技术 (第 2版 ).李晓林 .电子工业出版社 返回目录 10*2. 时钟振荡电路引脚时钟振荡电路引脚 XTAL1和和 XTAL2 XTAL1和和 XTAL2分别分别用做晶体振荡电路的反用做晶体振荡电路的反相器输入端和输出端。相器输入端和输出端。在使用内部振荡电路时在使用内部振荡电路时，这两个端子用来外接，这两个端子用来外接石英晶体，振荡频率为石英晶体，振荡频率为晶体振荡频率，振荡信晶体振荡频率，振荡信号送至内部时钟电路产号送至内部时钟电路产生时钟脉冲信号。生时钟脉冲信号。2.2.1 单片机的引脚功能单片机的引脚功能 -51单片机时钟引脚单片机时钟引脚单片机原理与接口技术 (第 2版 ).李晓林 .电子工业出版社 返回目录 11*3. 控制信号引脚控制信号引脚RST为复位信号输入端为复位信号输入端VPD为内部为内部 RAM的备的备用电源输入端用电源输入端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地址锁存允许信地址锁存允许信号号2.2.1 单片机的引脚功能单片机的引脚功能 -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单片机原理与接口技术 (第 2版 ).李晓林 .电子工业出版社 返回目录 12*n 复位信号输入端复位信号输入端 RST当当 RST（ RESET）端保持两个）端保持两个机器周期（机器周期（ 24个时钟周期）以个时钟周期）以上的高电平时，单片机完成复上的高电平时，单片机完成复位操作。位操作。 VPD为内部为内部 RAM的备的备用电源输入端。当主电源用电源输入端。当主电源 Vcc一一旦发生断电或电压降到一定值旦发生断电或电压降到一定值时，可通过时，可通过 VPD为单片机内部为单片机内部RAM提供电源，以保护片内提供电源，以保护片内RAM中的信息不丢失，使中的信息不丢失，使 Vcc上电后能继续正常运行。上电后能继续正常运行。 2.2.1 单片机的引脚功能单片机的引脚功能 -复位引脚复位引脚单片机原理与接口技术 (第 2版 ).李晓林 .电子工业出版社 返回目录 13*外部程序存储器的读选通信外部程序存储器的读选通信号。当访问外部号。当访问外部 ROM时，时，产生负脉冲作为外部产生负脉冲作为外部 ROM的选通信号。的选通信号。2.2.1 单片机的引脚功能单片机的引脚功能 -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 PSEN单片机原理与接口技术 (第 2版 ).李晓林 .电子工业出版社 返回目录 14*n 外部程序存储器外部程序存储器控制信号控制信号 EAEA=0：访问外部程序存储器。访问外部程序存储器。EA=1：访问片内与片外程序存访问片内与片外程序存储器。储器。VPP为为 8751 EPROM的的21V编程电源输入端。编程电源输入端。 2.2.1 单片机的引脚功能单片机的引脚功能 -内外程序存储器控制引脚内外程序存储器控制引脚单片机原理与接口技术 (第 2版 ).李晓林 .电子工业出版社 返回目录 15*-P0端口端口n P0端口（端口（ P0.0 P0.7）第一功能：是一个第一功能：是一个 8位位 漏极漏极开路型的双向开路型的双向 I/O口口 ，这时，这时P0口可看成用户数据总线；口可看成用户数据总线；第二功能：是在访问外部存第二功能：是在访问外部存储器时，分时储器时，分时 提供低提供低 8位地位地址和址和 8位双向数据总线位双向数据总线 ，这，这时先用做地址总线再用做数时先用做地址总线再用做数据总线。据总线。4. P0、 P1、 P2、 P3端口端口2.2.1 单片机的引脚功能单片机的引脚功能单片机原理与接口技术 (第 2版 ).李晓林 .电子工业出版社 返回目录 16*n P1口（口（ P1.0 P1.7）内部带上拉电阻的内部带上拉电阻的 8位准双向位准双向 I/O口。口。n P2口（口（ P2.0 P2.7）第一功能：一个内部带上拉电阻的第一功能：一个内部带上拉电阻的 8位准双向位准双向 I/O口。口。第二功能：在访问外部存储器时，输第二功能：在访问外部存储器时，输出高出高 8位地址。位地址。n P3口（口（ P3.0 P3.7）第一功能：内部带上拉电阻的第一功能：内部带上拉电阻的 8位准位准双向双向 I/O口。在系统中，这口。在系统中，这 8个引脚都个引脚都有各自的第二功能。有各自的第二功能。2.2.1 单片机的引脚功能单片机的引脚功能 -P1、 P2和和 P3 端口端口单片机原理与接口技术 (第 2版 ).李晓林 .电子工业出版社 返回目录 17*2.2.2 单片机的内部结构单片机的内部结构n 一个一个 8位位 CPU；n 4 KB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单片机内部主要器件单片机原理与接口技术 (第 2版 ).李晓林 .电子工业出版社 返回目录 18*2.2.2 单片机的内部结构单片机的内部结构 -51单片机内部主要部件单片机内部主要部件单片机原理与接口技术 (第 2版 ).李晓林 .电子工业出版社 返回目录 19*2.3 中央处理器（中央处理器（ CPU） 单片机核心部分是单片机核心部分是 CPU由下面三部分组成由下面三部分组成 :n 运算器运算器n 控制器控制器n 布尔（位）处理器布尔（位）处理器单片机原理与接口技术 (第 2版 ).李晓林 .电子工业出版社 返回目录 20*2.3.1 运算器运算器 运算器运算器 算术逻算术逻辑单元（辑单元（ ALU）包括：包括：累加器（累加器（ ACC）程序状态字（程序状态字（ PSW）暂存器暂存器B寄存器等部件寄存器等部件-运算器的组成运算器的组成单片机原理与接口技术 (第 2版 ).李晓林 .电子工业出版社 返回目录 21*1. 累加器累加器累加器 是一个 8位寄存器。在指令系统中，累加器在直接寻址时的助记符为ACC。除此之外全部用助记符 A表示。 2.3.1 运算器运算器 -累加器累加器单片机原理与接口技术 (第 2版 ).李晓林 .电子工业出版社 返回目录 22*-算术算术 /逻辑部件逻辑部件算术算术 /逻辑部件逻辑部件 ALU是用是用于对数据进行算术运算和逻于对数据进行算术运算和逻辑操作的执行部件，由加法辑操作的执行部件，由加法器和其他逻辑电路（移位电器和其他逻辑电路（移位电路和判断电路等）组成。路和判断电路等）组成。在控制信号的作用下，完在控制信号的作用下，完成算术加、减、乘、除和逻成算术加、减、乘、除和逻辑与、或、异或等运算，以辑与、或、异或等运算，以及循环移位操作、位操作等及循环移位操作、位操作等功能。功能。2.3.1 运算器运算器2. 算术算术 /逻辑部件逻辑部件单片机原理与接口技术 (第 2版 ).李晓林 .电子工业出版社 返回目录 23*-程序状态字寄存器程序状态字寄存器 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 运算器运算器3. 程序状态字寄存器程序状态字寄存器 单片机原理与接口技术 (第 2版 ).李晓林 .电子工业出版社 返回目录 24*n Cy（ PSW.7）：进位标志位。在执行加、减法指）：进位标志位。在执行加、减法指令时，若运算结果的最高位（令时，若运算结果的最高位（ D7位）有进位或借位）有进位或借位，则位，则 Cy位被置位被置 1，否则清零。，否则清零。 Cy既可以作为条既可以作为条件转移指令中的条件，也可用于十进制调整。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）：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指令时，如果其低半字节向高半字节有进位或借位（位（ D3位向位向 D4位），则位），则 AC位被置位被置 1，否则清零。，否则清零。AC也可用于十进制调整。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）：用户自定义标志位。用户可用软件对件对 F0赋以一定的含义，决定程序的执行转向。赋以一定的含义，决定程序的执行转向。n RS1（ PSW.4）和）和 RS0（ PSW.3）：工作寄存器组）：工作寄存器组选择位。表选择位。表 2-2所示为所示为 RS1和和 RS0与片内工作寄存器与片内工作寄存器组的对应关系。组的对应关系。-程序状态字寄存器程序状态字寄存器2.3.1 运算器运算器单片机原理与接口技术 (第 2版 ).李晓林 .电子工业出版社 返回目录 25*n OV（ PSW.2）：溢出标志位。当补码运算的结）：溢出标志位。当补码运算的结果超出果超出 -128 +127的范围（溢出）时，的范围（溢出）时， OV位被置位被置 1，若无溢出，则，若无溢出，则 OV位为位为 0。 OV也可以作为条件转也可以作为条件转移指令中的条件。移指令中的条件。n PSW.1：未定义位。：未定义位。n P（ PSW.0）：奇偶校验标志位。单片机在指令）：奇偶校验标志位。单片机在指令执行后，根据执行后，根据 ACC中中 1的个数的奇偶性，自动将该的个数的奇偶性，自动将该标志位置标志位置 1或清零。若或清零。若 1的个数为奇数，则的个数为奇数，则 P=1，否，否则则 P=0。 P也可以作为条件转移指令中的条件。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 运算器运算器单片机原理与接口技术 (第 2版 ).李晓林 .电子工业出版社 返回目录 26*RS1、 RS0与片内工作寄存器组的对应关系与片内工作寄存器组的对应关系 2.3.1 运算器运算器 -片内四组工作寄存器的选择片内四组工作寄存器的选择单片机原理与接口技术 (第 2版 ).李晓林 .电子工业出版社 返回目录 27*4. B寄存器寄存器在进行乘法、除在进行乘法、除法运算时，法运算时， B寄存器寄存器作为作为 ALU的输入之的输入之一，与一，与 ACC配合完配