第2章 mcs-51单片机硬件结构和原理1

u 熟悉熟悉 MCS-51单片机单片机 CPU内部组成结构、各内部组成结构、各功能部件的作用；功能部件的作用；u 掌握掌握 MCS-51单片机单片机 引脚功能引脚功能 ；u 掌握掌握 存储器的组织结构存储器的组织结构 ；u 掌握掌握 P0 P3并行并行 I/O口结构口结构 ；u 掌握掌握 时钟电路、时钟电路、 CPU时序和复位电路时序和复位电路 。本章教学要求 第第 2章章 MCS-51单片机硬件结构和原理单片机硬件结构和原理 课本 P12Date 12.1 MCS-51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，系列单片机以后， 所有的所有的 51系列单片机都系列单片机都是以是以 Intel公司最早的典型产品公司最早的典型产品 8051为核心，增加为核心，增加一定的功能部件后构成的。一定的功能部件后构成的。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： 主要有主要有 8031、 8051、 8751和和 8951四种四种机型。机型。52子系列：子系列： 主要有主要有 8032、 8052、 8752和和 8952四种四种机型。机型。 课本 P12Date 2表 2-1 MCS-51系列单片机的性能一览表 2.1 MCS-51系列单片机的分类 课本 P128951： EEPROM； AT89S51： Flash ROMDate 32.2 单片机硬件结构 芯片引脚按功能分成芯片引脚按功能分成 3类，类，即：即： 2.2.1 单片机的引脚功能单片机的引脚功能课本 P12-13图图 2-1 MCS-51系列单片机的引脚排列和逻辑符号系列单片机的引脚排列和逻辑符号数据总线数据总线地址总线地址总线控制总线控制总线Date 4单片机的封装P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/VPDRXD/P3.0TXD/P3.1INT0/P3.2INT1/P3.3T0/P3.4T1/P3.5WR/P3.6RD/P3.7XTAL2XTAL1VSS12345678910111213141516171819208031805187514039383736353433323130292827262521222324VCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VppALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.044引脚封装引脚封装DIP封装：封装： Dual In-line Package 双列直插式封装双列直插式封装PLCC封装PLCC封装：封装： Plastic Leaded Chip Carrier塑料式引线芯片承载封装塑料式引线芯片承载封装40引脚封装引脚封装Date 51. 主电源引脚 Vcc和 VssVcc（+5V）电源输入端2.2.1 单片机的引脚功能 课本 P13有些单片机可采用 3.3V、 1.8V等注意工作电压允注意工作电压允许的波动范围！许的波动范围！Vss（ GND）共用接地端Date 62. 时钟振荡电路引脚 XTAL1和 XTAL2 XTAL1和和 XTAL2分别用做分别用做 晶体振荡电路晶体振荡电路的反相器输入端和输出的反相器输入端和输出端端 。在使用内部振荡电。在使用内部振荡电路时，这两个端子用来路时，这两个端子用来外接石英晶体，振荡频外接石英晶体，振荡频率为晶体振荡频率，振率为晶体振荡频率，振荡信号送至内部时钟电荡信号送至内部时钟电路产生时钟脉冲信号。路产生时钟脉冲信号。2.2.1 单片机的引脚功能 课本课本 P13Extern CrystalDate 73. 控制信号引脚（ 1） RST为复位信号输入端， VPD为内部 RAM的备用电源输入端（ 2） /PSEN外部程序存储器的读选通信号 【 了解 】（ 3） ALE地址锁存允许信号2.2.1 单片机的引脚功能 课本 P13n 手机开启备用电池： *3370#Date 8n 复位信号输入端 RST当当 RST（ RESET） 端端 保持保持两个机器周期（两个机器周期（ 24个时钟周期个时钟周期）以上的高电平时，单片机完）以上的高电平时，单片机完成复位操作成复位操作 。 VPD为内部为内部 RAM的备用电源输入端。的备用电源输入端。 当主电源当主电源Vcc一旦发生断电或电压降到一一旦发生断电或电压降到一定值时，可通过定值时，可通过 VPD为单片机内为单片机内部部 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 课本 P13ResetDate 9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。 当访问外部当访问外部ROM时，产生负脉冲作为时，产生负脉冲作为外部外部 ROM的选通信号。的选通信号。2.2.1 单片机的引脚功能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位地址信号。位地址信号。n 读选通信号读选通信号 /PSEN课本课本 P13Address Latch EnableProgram Store EnableDate 10n 外部程序存储器控制信号 EAEA=0：访问外部程序存储访问外部程序存储器。器。EA=1：访问片内与片外程访问片内与片外程序存储器。序存储器。 【 先内后外先内后外】2.2.1 单片机的引脚功能 课本课本 P14Enable AddressDate 11第一功能：是一个第一功能：是一个 8位位 漏极开路型的双向漏极开路型的双向 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：是在访问第二功能：是在访问外部存储器时，分时外部存储器时，分时 提供低提供低 8位地址和位地址和 8位双向数据总线位双向数据总线 ，这时先用做地址总线再用做数这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 课本 P14n P0口（口（ P0.0 P0.7）Date 12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。第一功能：一个内部带上拉第一功能：一个内部带上拉电阻的电阻的 8位准双向位准双向 I/O口。口。第二功能：在访问外部存储第二功能：在访问外部存储器时，输出高器时，输出高 8位地址。位地址。第一功能：内部带上拉电阻第一功能：内部带上拉电阻的的 8位准双位准双 向向 I/O口。在系统中，这口。在系统中，这 8个引脚都有各自的第二功能。个引脚都有各自的第二功能。2.2.1 单片机的引脚功能 课本 P14n P1口（口（ P1.0 P1.7）n P2口（口（ P2.0 P2.7）n P3口（口（ P3.0 P3.7）Date 132.2.2 单片机的内部结构 课本 P14图图 2-2 MCS-51系列单片机内部结构框图系列单片机内部结构框图DB ABCBDate 142.2.2 单片机的内部结构u 一个一个 8位位 CPU；u 4KB程序存储器程序存储器 ，采用，采用 ROM或或 EPROM（ 8031无无 ROM）；u 128 B通用数据存储器通用数据存储器 ；u 21个特殊功能寄存器（个特殊功能寄存器（ SFR） ；u 4个个 8位并行口位并行口 ，其中，其中 P0、 P2、 P3是复用口（是复用口（ P0和和 P2为地为地址址 /数据线，可寻址数据线，可寻址 64 KB ROM和和 64 KB RAM）；）；u 1个可编程全双工串行口个可编程全双工串行口 ；u 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 ；u 2个个 16位定时位定时 /计数器计数器 ；u 1个片内振荡器与时钟电路个片内振荡器与时钟电路 。256B RAM8KB ROM6个中断源个中断源3个定时个定时 /计数器计数器52子系列的不同点子系列的不同点 课本课本 P1526个个 SFRDate 152.3.1 运算器 运算器运算器 算术逻算术逻辑单元（辑单元（ ALU），它包），它包括：括：u 累加器（累加器（ ACC）u 程序状态字（程序状态字（ PSW）u 暂存器（暂存器（TMP1,TMP2）u B寄存器等部件寄存器等部件2.3 中央处理器（ CPU） 单片机的核单片机的核心部分是心部分是 CPU， 由由 运算器运算器、控制器、控制器 和和 布尔（位）处布尔（位）处理器理器 组成。组成。 Central Processing Unit 课本课本 P15Date 161. 累加器累加器累加器 是一个是一个 8位寄存器。在指令系位寄存器。在指令系统中，累加器在直接统中，累加器在直接寻址时的助记符为寻址时的助记符为ACC。除此之外全部。除此之外全部用助记符用助记符 A表示。表示。2.3.1 运算器 课本课本 P15AccumulatorDate 17算术算术 /逻辑部件逻辑部件ALU是用于对数据进行是用于对数据进行 算术算术运算和逻辑操作运算和逻辑操作 的执行部件的执行部件，由加法器和其他逻辑电路，由加法器和其他逻辑电路（移位电路和判断电路等）（移位电路和判断电路等）组成。组成。在控制信号的作在控制信号的作用下，完成算术加、减、乘用下，完成算术加、减、乘、除和逻辑与、或、异或等、除和逻辑与、或、异或等运算，以及循环移位操作、运算，以及循环移位操作、位操作等功能。位操作等功能。2.3.1 运算器2. 算术 /逻辑部件Arithmetic Logical Unit 课本课本 P15Date 18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。2.3.1 运算器3. 程序状态字寄存器 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Program Status Word课本课本 P15-16Date 19表 2-2 RS1、 RS0与片内工作寄存器组的对应关系 2.3.1 运算器 课本课本 P16Date 204. B寄存器在进行乘法在进行乘法、除法运算时，、除法运算时， B寄寄存器作为存器作为 ALU的输的输入之一，与入之一，与 ACC配配合完成运算，并存合完成运算，并存放运算结果。放运算结果。 在无在无乘除运算时，它可乘除运算时，它可作为内部作为内部 RAM的一的一个单元。个单元。 2.3.1 运算器 课本课本 P16Date 212.3.2 控制器定时控制逻辑定时控制逻辑指令寄存器指令寄存器数据指针（数据指针（DPTR）程序计数器（程序计数器（PC）堆栈指针堆栈指针 （ SP）地址寄存器地址寄存器地址缓冲器地址缓冲器控制器控制器 是是 CPU的大脑中的大脑中枢枢 ，它包括：，它包括：课本课本 P16Date 221. 程序计数器程序计数器（程序计数器（ PC） 用来存放下一条要执用来存放下一条要执行的指令的地址行的指令的地址 。当按。当按照照 PC所指的地址从存储所指的地址从存储器中取出一条指令后，器中取出一条指令后，PC会自动加会自动加 l， 即指向即指向下一条指令。下一条指令。 2.3.2 控制器 课本课本 P16切记切记！Program CounterDate 232. 堆栈指针堆栈指针（堆栈指针（ SP） 是是指在片内指在片内 RAM的的 l28B（ 52子子系列为系列为 256B） 空间中开辟的空间中开辟的堆栈区的堆栈区的 栈顶地址栈顶地址 ，并随时跟，并随时跟踪栈顶地址变化。踪栈顶地址变化。堆栈是按堆栈是按 先进后出先进后出 的的原则存取数据的，原则存取数据的， 开机复位后开机复位后，单片机栈底地址为，单片机栈底地址为 07H。 2.3.2 控制器 课本课本 P17Stack PointerDate 243. 指令寄存器和指令译码器指令寄存器和指令译码器（指令寄存器和指令译码器（ IR）的功能是）的功能是对将要执行的指令进行存储和译码对将要执行的指令进行存储和译码 。当指令送入指。当指令送入指令寄存器后，对该指令进行译码，即令寄存器后，对该指令进行译码，即 把指令转变成把指令转变成所需的电平信号所需的电平信号 ， CPU根据译码输出的电平信号，根据译码输出的电平信号，使定时控制电路产生执行该指令所需的各种控制信使定时控制电路产生执行该指令所需的各种控制信号号 ，以便计算机能正确地执行指令所要求的操作。，以便计算机能正确地执行指令所要求的操作。2.3.2 控制器 课本课本 P17Instruction Register【 了解了解 】Date 254. 数据指针由于由于 8051系列单片机可以外接系列单片机可以外接 64KB的数据的数据存储器和存储器和 I/O接口电路，故在单片机内设置了接口电路，故在单片机内设置了 l6位位 的的数据指针寄存器（数据指针寄存器（ DPTR）。）。 它可以对它可以对 64KB的外部的外部数据存储器和数据存储器和 I/O进行寻址，进行寻址， DPTR可分为高可分为高 8位数位数据指针寄存器（据指针寄存器（ DPH） 和低和低 8位数据指针寄存器（位数据指针寄存器（DPL） ， 地址分别为地址分别为 83H和和 82H。 2.3.2 控制器 课本课本 P17Data PointerDate 265. 布尔（位）处理器在在 8051单片机系统中，与字节处理器单片机系统中，与字节处理器相对应，还特别设置相对应，还特别设置 布尔（位）处理器布尔（位）处理器 。Cy： 进位标志位进位标志位位寻址寄存器位寻址寄存器位寻址的并行位寻址的并行I/O口口位操作指令系统位操作指令系统2.3.2 控制器 课本课本 P17Date 27Read-Only MemoryProgrammable ROMErasable PROMElectrically EPROMRandom Access MemoryStatic RAMDynamic RAMSTC单片机单片机存储器简介存储器简介 【 补充补充 】见光见光死死Date 28存储器的