第2章 mcs-51单片机硬件结构和原理

返回目录单片机单片机 原理与接口技术原理与接口技术第 2章 MCS-51单片机硬件结构和原理Date 1返回目录n 熟悉 MCS-51单片机 CPU内部组成结构 、各功能部件的作用；n 掌握 MCS-51单片机引脚功能；n 掌握存储器的组织结构；n 掌握 P0 P3并行 I/O口结构；n 掌握时钟电路、 CPU时序和复位电路。本章教学要求 Date 2返回目录表 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 Date 3返回目录2.2 单片机硬件结构 芯片引脚按功能分成 3类，即： 2.2.1 单片机的引脚功能单片机的引脚功能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Date 4返回目录小知识如何数芯片的引脚？n 直插式：找缺口，左边第一个为引脚 1n 贴片式：找圆点，左边第一个为引脚 1Date 5返回目录1. 主电源引脚 Vcc和 VssVcc（+5V）电源输入端Vss（GND）共用接地端 2.2.1 单片机的引脚功能 51单片机电源引脚单片机电源引脚Date 6返回目录2. 时钟振荡电路引脚 XTAL1和XTAL2 n XTAL1（ 19脚） : 接外部石英晶体的一端。 在单片机内部 , 它是一个反相放大器的输入端 , 这个放大器构成了片内振荡器。n XTAL2（ 18脚） : 接外部晶体的另一端。 在单片机内部 , 接至片内振荡器的反相放大器的输出端。n TTL时见 P30 。2.2.1 单片机的引脚功能 51单片机时钟引脚单片机时钟引脚Date 7返回目录3. 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的备用电的备用电源输入端源输入端PSEN 外部程序存储器的外部程序存储器的读选通信号读选通信号ALE地址锁存允许信号（地址锁存允许信号（P178）EA为访问外部程序存储器为访问外部程序存储器控制信号控制信号 , 低电平有效。低电平有效。2.2.1 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Date 8返回目录P0端口n P0端口（ P0.0 P0.7）第一功能：是一个 8位漏极开路型的双向 I/O口 ，这时 P0口可看成用户数据总线；第二功能：是在访问外部存储器时，分时 提供低 8位地址和 8位双向数据总线，这时先用做地址总线再用做数据总线。4. P0、 P1、 P2、 P3端口端口2.2.1 单片机的引脚功能Date 9返回目录n P1口（ P1.0 P1.7）内部带上拉电阻的 8位准双向 I/O口。n P2口（ P2.0 P2.7）第一功能：一个内部带上拉电阻的 8位准双向 I/O口。第二功能：在访问外部存储器时，输出高 8位地址。n P3口（ P3.0 P3.7）第一功能：内部带上拉电阻的 8位准双 向 I/O口。在系统中，这 8个引脚都有各自的第二功能。2.2.1 单片机的引脚功能 P1、 P2和 P3 端口Date 10返回目录2.2.2 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Date 11返回目录2.3 中央处理器（ CPU） 单片机的核心部分是 CPU， 由运算器、控制器和布尔（位）处理器组成。 Date 12返回目录2.3.1 运算器 包括：算术逻辑单元（ ALU）累加器（ ACC）程序状态字（PSW）暂存器B寄存器等部件运算器的组成运算器的组成Date 13返回目录1. 累加器累加器 是一个 8位寄存器。在指令系统中，累加器用助记符 A表示。 2.3.1 运算器 累加器累加器Date 14返回目录算术 /逻辑部件算术 /逻辑部件 ALU是用于对数据进行算术运算和逻辑操作的执行部件。在控制信号的作用下，完成算术加、减、乘、除和逻辑与、或、异或等运算，以及循环移位操作、位操作等功能。2.3.1 运算器2. 算术 /逻辑部件Date 15返回目录程序状态字寄存器 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，用来存放运位寄存器，用来存放运算结果的一些特征。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3. 程序状态字寄存器 Date 16返回目录4. B寄存器 在进行乘法、除法运算时， B寄存器作为 ALU的输入之一，与 ACC配合完成运算，并存放运算结果。在无乘除运算时，它可作为内部 RAM的一个单元。 2.3.1 运算器 寄存器寄存器Date 17返回目录2.3.2 控制器定时控制逻辑指令寄存器数据指针（DPTR）程序计数器（PC）堆栈指针 （ SP）地址寄存器地址缓冲器控制器的组成控制器的组成控制器控制器 是是 CPU的大脑中枢，的大脑中枢，它包括：它包括：Date 18返回目录在 8051单片机系统中，与字节处理器相对应，还特别设置 布尔（位）处理器 。为什么说有了布尔处理机给控制带来了极大的方便？Cy： 进位标志位位寻址寄存器位寻址的并行I/O口位操作指令系统2.3.3 布尔处理器 位处理器位处理器Date 19返回目录2.4 存储器MCS51 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没有片内程序存储器）与片内、 片外数据存储器4个部分 ; 从寻址空间分布可分为 : 程序存储器 、 内部数据存储器和外部数据存储器 3大部分。51单片机存储器布局单片机存储器布局Date 20返回目录图 25 MCS51 单片机存储器空间结构图（ a） 程序存储器 ; （ b） 内部数据存储器 ; （ c） 外部数据存储器 Date 21返回目录2.4.1 程序存储器程序存储器用于存放编好的程序或表格常数。51子系列片内有 4KB ROM， 52子系列片内有 8KB ROM， 二者片外地址线均为 16位，最多可扩展 64KB ROM，片内片外统一编址。计算机的工作是按照事先编制好的程序命令一条条循序执行的 , 程序存储器就是用来存放这些已编好的程序和表格常数 , 它由只读存储器 ROM或 EPROM组成。 在具体工作时，由程序计数器 PC管理下一条指令的地址。程序存储器的用途程序存储器的用途Date 22返回目录程序存储器这里只做入口，存放跳转语句，转去真正的程序区。程序区一般放置在较后的存储单元。2.4.1 程序存储器 程序入口地址程序入口地址Date 23返回目录2.4.2 数据存储器数据存储器用于存放中间运算结果、数据暂存和缓冲、标志位等。MCS51 系列单片机的内部数据存储器由读写存储器 RAM组成 , 用于存储数据。 它由 RAM块和 特殊功能寄存器（ SFR）块组成。 数据存储器的用途数据存储器的用途Date 24返回目录2.4.2 数据存储器片内通用数据存储器有：工作寄存器区位寻址区数据缓冲区片内数据存储器片内数据存储器RAM1. 片内通用数据存储器Date 25返回目录（ 1）工作寄存器区工作寄存器也称为 通用寄存器 ，供用户编程时使用，用于临时存储 8位数据信息。为什么要分成四组？2.4.2 数据存储器 工作寄存器区工作寄存器区每个工作寄存器组都可被选为 CPU的当前工作寄存器，通过改变程序状态字寄存器（ PSW ） 中的 RS1、 RS0两位来实现。Date 26返回目录（ 2）位寻址区n RAM中的 20H-2FH，共 128位n SFR中字节地址能够被 8整除的，共 93位。（ P22）n 这些位寻址单元与布尔指令集就构成了布尔处理机系统。2.4.2 数据存储器 位寻址区位寻址区Date 27返回目录（ 3）数据缓冲区30H 7FH是 数据缓冲区 ，即用户 RAM区，共 80个单元。 52子系列片内 RAM有 256个单元，工作寄存器区和位寻址区的单元数与地址都和 51子系列的一致，而数据缓冲区有 208个单元，地址范围是 30H FFH。 P40 直接寻址对应 sfr，间接寻址对应高 128字节。2.4.2 数据存储器 数据缓冲区数据缓冲区Date 28返回目录（ 4）堆栈与堆栈指针n 堆栈 后进先出的缓冲区 。 n MCS51 单片机堆栈区不是固定的 , 原则上可设在内部 RAM的任意区域内 , 但为了避开工作寄存器区和位寻址区 , 一般设在 30H以后的范围内 , 栈顶的位置由专门设置的堆栈指针寄存器 SP（ 8位）指出。 n MCS51 单片机 的堆栈属向上生长型。 2.4.2 数据存储器 堆栈指针