MCS-51单片机结构.ppt

第一章 MCS-51 单片机结构 华中科技大学 生命科学与技术学院 生物医学影像中心 张智 *1 概述 第一节 MCS-51单片机内部结构 第二节 存储器 第三节 特殊功能寄存器 第四节 时钟电路与复位电路 第五节 引脚功能 生物医学影像中心 *2 MC651系列单片机有多种型号的产品，如普通型 (51子系列)8051、8031、875l、89C51、89S51等， 增强型(52子系列)8032、8052、8752、89S52等。 它们的结构基本相同，其主要差别反映在存储器的 配置上。8031片内没有程序存储器，8051内部设有 4KB的掩模删程序存储器，8751是将8051片内的 ROM换成EPROM，89C51则换成4KB的闪速 EEPROM，MCS-51增强型的存储容量为普通型的 一倍。 生物医学影像中心 *3 1个8位CPU； 一个片内振荡器及时钟电路； 4KB ROM程序存储器； 128B RAM数据存储器； 两个16位定时器4数器; 寻址64KB外部数据存储器和64KB外部程序存储空 间的控制电路; 32条可编程的IO线(4个8位并行IO端口); 一个可编程全双工串行口; 5个中断源、两个优先级嵌套中断结构。 生物医学影像中心 1.1 MCS-51单片机内部结构 *4 1.1.1 概述 生物医学影像中心 51单片机内部结构 *5 生物医学影像中心 *6 主要包括 ： CPU 存储器 I/O口 定时器/ 计数器 串行口 内部总线 MCS-51内部结构 一.运算器 l进行算术运算：加、减、乘、除、加1、减 1、比较BCD码十进制调整等 l逻辑运算：与、或、异或、求反、循环等 逻辑操作 l位操作：内部有布尔处理器，它以进位标 志位C为位累加器，用来处理位操作。可对 位置 “1”、对位清零 、位判断等。 操作结果的状态信息送至状态寄存PSW。 生物医学影像中心 1.1.2 CPU *7 运算器：包括算术逻辑运算部件ALU 、累加器A、B寄存器、暂存器TMP1 和TMP2、程序状态字PSW、BCD码 调整电路。 生物医学影像中心 *8 生物医学影像中心 程序状态字PSW（字节地址：D0H） *9 1)四个状态标志位 C：进位标志位(1:有进位或借位) AC：半进位标志位(BCD码加减结果校正) P：奇偶标志位(1:奇数个1; 0:偶数个1) OV：溢出标志位(符号运算,溢出为1,同号加或异号 减可能发生,OV=D7C异或D6C) 2)其他标志位 F0、F1标志位：用户标志位 RS1、RS0：工作寄存器组指针 二.控制器 程序计数器PC 堆栈指针SP 数据指针DPTR 指令寄存器 指令译码器和CPU定时控制 生物医学影像中心 *10 程序地址指示器程序地址指示器, ,由由CPUCPU控制，正常情况下不能由控制，正常情况下不能由 程序随意更改。程序随意更改。是16位专用寄存器，其内容表示下 一条要执行的指令的16位地址。CPU总是把PC的 内容送往地址总线，作为选择存储单元的地址，以 便从指定的存储单元中取出指令、译码和执行。 系统复位后，PC=0000H。 PC具有自动加1的功能。 生物医学影像中心 程序计数器PC *11 堆栈：内存RAM中开辟的一个特定的存储区，专 门用来暂时存放数据或存放地址，可由程序设置， 一般在程序初始化时设置一次。设置范围为（ 07H7FH）。 栈底：初始设置栈底、栈顶重合。 栈顶：对堆栈的操作总在栈顶进行。 “后进先出”原则：进栈时，SP先自动加1，然后数 据入栈；出栈时，数据先出，然后SP自动减1。 堆栈指针SP(81H)：8位专用寄存器，用来存放栈 顶地址。 系统复位后，SP=07H。 生物医学影像中心 堆栈指针SP *12 数据指针DPTR：是一个16位地址寄存器，专门用 来存放16位地址指针，作间接寄存器使用。 DPTR可分为DPH(83H)和DPL(82H)两个独立寄存 器。 DPTR可指向64K字节范围内的任一存储单元（读 程序存储器和读写数据存储器）。 生物医学影像中心 数据指针DPTR *13 指令寄存器（IR）：存放取指后的指令代码存放取指后的指令代码 指令译码器（ID）：指令经译码器译码后由定时指令经译码器译码后由定时 与控制电路发出相应的控制信号，完成指令功能。与控制电路发出相应的控制信号，完成指令功能。 生物医学影像中心 指令寄存器、指令译码器和CPU定时控 制 *14 M051的存储器结构与常见的微型计算机的配置方 法不同，它将程序存储器和数据存储器分开，各有 自己的寻址方式、控制信号和功能。程序存储器用 来存放程序和始终要保留的常数。数据存储器通常 用来存放程序运行中所需要的常数或变量。 从物理地址空间看，MC551有四个存储器地址 空间，即片内程序存储器、片外程序存储器、片内 数据存储器和片外数据存储器。从逻辑地址空间看 ，它有三个存储器地址空间即片内、外统一编址的 程序存储器，片内数据存储器和片外数据存储器。 生物医学影像中心 1.2 存储器 *15 生物医学影像中心 存储器结构 *16 程序存储器：用来存放程序和始终要保 留的常数； 数据存储器：存放程序运行中所需要的 常数和变量； 程序存储器和数据存储器是分开的,各 有自己的寻址方式和控制信号。 生物医学影像中心 分类： *17 生物医学影像中心 MCS-51单片机的存储器逻辑结构 *18 内部数据存储器程序存储器 FFFFH 0000H 外部 RAM 外部 R OM 1000H FFFFH 内部数据 RAM 7FH 00H 0FFFH 内部 ROM (EA=1) H00008051H00008031 外部 ROM (EA=0） 0FFFH 地址重叠 特殊功能 寄存器 80H FFH 增强型 RAM 80H FFH 程序存储器用来存放编制好的始终保 留的固定程序和表格、常数。程序存 储器以程序计数器PC作为地址指针， 通过16位地址总线，可寻址的地址空 间为64KB。 生物医学影像中心 1.2.1 程序存储器 *19 51单片机复位后程序计数器PC的内容 为0000H，因此系统从0000H单元开 始取值，并执行程序，它是系统执行 程序的起始地址。当系统中有中断程 序时，通常在该单元中存放一条跳转 指令绕过中断服务程序入口地址，用 户程序从跳转地址开始存放。 生物医学影像中心 *20 地址 用途 0000H 复位操作后的程序入口 0003H 外部中断0服务程序入口 (INT0) 000BH 定时/计数器0中断服务程序入口 (TO) 0013H 外部中断1服务程序入口 (INT1) 001BH 定时/计数器1中断服务程序入口 (T1) 0023H 串行I/O口中断服务程序入口 002BH 定时/计数器2中断服务程序入口 生物医学影像中心 中断程序入口地址： *21 851单片机具有扩展64KB外部数据存储器 RAM和IO端口的能力,外部数据存储器和 外部I/O口实行统一编址，并使用相同的选 通控制信号、使用相同的指令MOVX访问 ，均使用相同的寄存器间接寻址。 生物医学影像中心 1.2.2 外部数据存储器 *22 内部数据存储器是使用最多的地址空 间，所有的操作指令(算术运算、逻辑 运算、位操作等)的操作数只能在此地 址空间或特殊功能寄存器地址空间。 生物医学影像中心 1.2.3内部数据存储器 *23 特殊功能 寄存器 SFR 内部 RAM 851（基本型） . FFH 80H 7FH 00H . . FFH 7FH 80H . 00H 内部 RAM 内部 RAM 特殊功能 寄存器 SFR . FFH 80H . 地址重合 852（增强型） 生物医学影像中心 *24 特 殊 功 能 寄 存 器 通用 RAM区 位寻址 区 00H 1FH 20H 2FH 30H 7FH 80H FFH 80H 88H 90H 98H A0H A8H B0H B8H D0H E0H F0H 特殊功能寄存器中位寻址 外部 ROM 内部 ROM (EA=1 ) 外部 ROM (EA=0 )0000H 0000H 0FFFH0FFFH 1000H FFFFH 外 部 RAM (I/O口 地址) 0000H FFFFH 内部数据存储 器 （a） 外部数据存储 器 （b） 程序存储器 （c） 工作寄 存器区 RS1RS0选寄存器组 000组 011组 102组 113组 生物医学影像中心 *25 寄存器的选组由程序状态字PSW的RS1和RS0位 决定： 生物医学影像中心 *26 内部 RAM 51单片机共有21个字节的特殊功能奇存器SFR，起 着专用寄存器的作用，用来设置片内电路的运行方 式，记录电路的运行状态，并表明有关标志等。 21个特殊功能寄存器不连续地分布在128个字节的 SFR存储空间中，地址空间为80H-FFH。如下表： 生物医学影像中心 1.3 特殊功能寄存器 *27 生物医学影像中心 *28 A累加器，A=0则Z=1；A 0，则Z=0。 B寄存器。 PSW程序状态字。 CY：加法为进位、减法为借位。有进、借位时， CY1；无进、借位时，CY0。 AC：辅助进、借位(高半字节与低半字节间的进、 借位)。有进、借位，AC1；无进、借位，AC 0。 生物医学影像中心 主要特殊功能寄存器的名称和主要功能 *29 F0：用户标志位。可由用户没定其含义。 RS1、RS0：工作寄存器组选择位。 OV：溢出标志位。补码运算的运算结果有溢出 0V=1，无溢出0V=0。 ：无效位。 P：奇/偶标志位。运算结果有奇数个“1”，P=1； 运算结果有偶数个“1”，P=0。 生物医学影像中心 *30 SP-堆栈指针，851单片机的堆栈设在片内RAM 中，对堆栈的操作包括压入(PUSH)和弹出POP)两 种方式，并且遵循后进先出原则，但在堆栈生成的 方式上，8XX51单片机的堆栈操作遵循先加后压， 先弹后减的顺序，按字节进行操作。 DPTR-16位寄存器，可分成DPL(低8位)和DPH(高 8位)两个寄存器。用来存放16位地址值，以便用间 接寻址或变址寻址的方式对片外数据RAM或程序 存储器进行64KB范围内的数据操作。 生物医学影像中心 *31 P0-P3-IO端口寄存器，是4个并行IO端口映 射入SFR中的寄存器。通过对该寄存器的读/写， 可实现从相应IO端口的输入/输出。例如 MOV Pl，A；实现A累加器中的内容从P1端口输出 的操作 MOV A，P3；实现P3端口线上的信息输入到A中 的操作。 生物医学影像中心 *32 生物医学影像中心 *33 IP中断优先级控制寄存器。 IE中断允许控制寄存器。 TMOD定时/计数器方式控制寄存器。 TCON定时/计数器控制寄存器。 TH0，TL0定时/计数器0。 TH1，TL1定时/计数器0。 SCON串行端口控制寄存器。 SBUF串行数据缓冲器。 PCON电源控制寄存器。 内部振荡方式和外部振荡方式。 生物医学影像中心 1.4 时钟电路与复位电路 *34 1.4.1 时钟电路 振荡周期 状态周期 机器周期 指令周期 生物医学影像中心 1.4.2 单片机的时序单位 *35 单片机外接晶振频率12MHz时的 各种时序单位的大小 复位引脚RST出现5ms以上的高电平时单片机就完 成了复位操作。 如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状 态，而无法执行程序。 复位操作：上电复位、开关复位。 生物医学影像中心 1.4.3 复位电路 *36 生物医学影像中心 *37 22F C1 RST R1 1K +5V 22F C1 RST +5V R2 200 RST R1 +5V C2 22F 8031 8051 8751 8031 8051 8751 8031 8051 8751 （a）上电复位电路 （c）按键脉冲复位电路 （b）按键电平复位电路 R1 1K 上电后，由于电容充电， 使RST持续一段高电平 时间。当单片机已在运行之中时，按下复位键也能 使RST持续一段时间的高电平。 生物医学影像中心 *38 生物医学影像中心 *39 生物医学影像中心 1.5 引脚功能 *40 单片机的引脚