第二部分——MCS-51系列单片机的结构和原理1.ppt

,单片机原理与应用,第二章 mcs-51系列单片机的结构和原理,single-chip micro- computer theory and application,1 mcs-51单片机系统硬件结构(2课时),1.1 mcs-51单片机结构框图,1.2 mcs-51单片机外部引脚及其功能,1.4 mcs-51单片机存储器结构,2 mcs-51单片机工作原理（2课时）,2.1 mcs-51单片机的时钟与时序,2.2 mcs-51单片机工作过程,2.3 mcs-51单片机工作方式,单片机的结构和原理部分,2.4 mcs-51单片机最小应用系统,1.3 mcs-51单片机内部寄存器及其功能,1、熟练掌握mcs=51系列单片机基本结构，存储器结构，pc、psw、sp、dptr的组成及作用； 2、掌握堆栈的操作，8051的引脚功能，复位和程序工作方式，复位电路和时钟电路的组成，时钟和时序的基本概念； 3、 了解mcs-51系列单片机各代表型号的区别。,mcs-51单片机系统硬件结构,单片机的结构和原理部分,教学目的要求：,重点： mcs-51系列单片机基本结构、存储器结构、pc、psw、sp、dptr的组成及作用、堆栈的操作和8051的引脚功能。,难点：psw的定义和含义及应用价值,2.1 mcs-51单片机系统硬件结构,1.1 mcs-51单片机结构框图,1.1.1 内部资源,8位cpu； 4kb字节掩膜rom程序存贮器； 128字节内部ram数据存贮器； 2个16位的定时器/计数器； 1个全双工的异步串行口,4个8位并行i/o口； 5个中断源、2级中断优先级的中断控制器； 时钟电路，外接晶振和电容可产生 1.2mhz24mhz的时钟频率。,1.1.2 结构框图,mcs51系列单片机的所有产品都含有8051除程序存贮器外的基本硬件，都是在8051的基础上增减部分资源（程序存贮器、数据存贮器、i/o口、定时/计数器及一些其它特殊部件）。,1.2 mcs-51单片机中央处理单元-cpu,字 长：2进制8位 数据处理：按字节为单位进行 组 成：（1）运算器 （2）控制器 （3）专用寄存器组,（一）运算器（alu）,（1）逻辑图,（2）功能, 四则运算 逻辑运算 数据传送, 数据移位 逻辑判断 程序转移,（3）指令,共111条指令。,（二）控制器,（1）功能, 取得指令 解释指令 产生控制逻辑时序,（2）组成, 指令寄存器ir-存放来自rom的指令 指令译码器-解释ir中的指令 时序发生器-产生一系列控制时序 时钟振荡器-产生振荡时钟,（3）osc原理,单片机的心脏，为控制器提供时钟脉冲。,osc时钟振荡原理电路：,时钟振荡频率f 决定于sys晶体振荡器的固有频率。,（三）专用寄存器组,作用：存放当前执行指令或指令执行后的： （1）内存地址 （2）操作数 （3）操作结果状态,包括：（1）程序计数器pc （2）累加器a （3）程序状态寄存器psw （4）堆栈指针sp （5）地址指针dptr （6）通用寄存器b,1、程序计数器pc(program counter),作用：存放下一条要执行的指令地址，,组成：pc是一个16位的计数，由两个八位寄存器 pch和pcl组成，,地址：0000hffffh，寻址范围为64kb，,操作：每执行一次取指操作，pc就自动加1。,特点： 程序计数器pc在物理上是独立的，它不属于特殊 内部数据存储器块中。 因此，pc本身没有地址，因而不可寻址，用户无 法对它进行读写操作。 但是可以通过转移、调用、返回等指令改变其内 容，以控制程序的执行顺序（即控制指令跳转）。,2、累加器accumulator( acc ),组成: 8位二进制寄存器,功能: 累加器a是一个最常用的专用寄存器，大部分单操 作指令的一个操作数取自累加器，很多双操作数指 令中的一个操作数也取自累加器。,加、减、乘、除法运算的指令，运算结果都存放于累加器a或寄存器b中。,大部分的数据操作都会通过累加器a进行，它形象于一个数据运输中转站，在数据传送过程中，任何两个不能直接实现数据的传送单元之间，通过累加器a中转，都能送达目的地。,3、程序状态字（psw）,表1-1 psw格式及含义,组成：8 位二进制寄存器，各位定义如表所示：,功能：标志寄存器，保存指令执行结果的特征信息，以供程 序查询和判断。,分类：（1）由指令执行后自行置位的标志位-状态标志 （2）由用户用指令加以置位的标志位-控制标志,cy 进位/借位标志位； 表示无符号数运算时有无进（借）位状态； 加法： 有进位 cy = 1 ； 减法： 有借位 cy = 1 无进位 cy =； 无借位 cy = 在位指令操作时，cy用作位累加器。,ac 辅助进/借位标志； 用于十进制调整。在进行加（减）法运算时， d3位向d4位有进（借）位时 ac = d3位向d4位无进（借）位时 ac =,（1）状态标志位定义与作用：,p 奇偶校验标志位; 常用于校验串行通信中数据传送是否正确。 该位始终跟踪累加器a中1的数目的奇偶性： 当 a中8位二进制位有奇数个“1” 则 p=1 当 a中8位二进制位有偶数个“1” 则 p=0,ov 溢出标志位； 反映有符号数运算时有无溢出，由硬件置位/清零。,在进行补码运算时，运算结果超出128 +127范围时，称之产生溢出，则ov自动置，否则ov清零,溢出标志置位操作：,溢出标志由逻辑式计算得到： ov=cpcs,计算结果： ov=1 已产生溢出 ov=0 未产生溢出,rs1、rs0 工作寄存器组选择位；用于选择工作寄存器物理地址,表1-2 工作寄存器选择,psw.1 保留位（未定义）。,f0 由用户根据需要自行定义标志位；软件置位/清零。,（2）控制标志位定义与作用：,4、堆栈指针sp（stack pointer）,堆栈示意图,组成：8位二进制寄存器,作用：存放指明栈顶元素的地址， 可软件设置初值，复位时 sp = 07h。,构成：如堆栈示意图所示。,操作：mcs-51单片机的堆栈操作 遵循先入后出的原则。入栈 时，堆栈指针sp的值先加 1，然后再将数据存入到sp 所指向的哪个存储单元；出 栈则是先将数据取出，然后 sp指针减1。,5、数据指针（dptr）,组成：16位二进制寄存器。可以按两个8位寄存器来使用, 即高位字节寄存器dph和低位字节dpl。,作用：（1）用于存放片内rom地址 指令 movc a，a+dptr （2）用于存放片外ram和rom地址 指令 movx a， dptr movx dptr，a 指令 movc a，a+dptr,6、通用寄存器（b）,功能: 在乘除法指令中， （1）乘法指令中的两个操作数分别取自累加器 a和寄存器b，其结果存放于ab寄存器对中。 （2）除法指令中，被除数取自累加器a，除数 取自寄存器b，结果商存放于累加器a，余数存放于 寄存器b中。,组成：8位二进制寄存器,1.3 mcs-51单片机存储器结构,mcs-51单片机存储器采用哈佛结构：,即程序存储器与数据存储器采用分别编址方式。,存储器,rom (64kb) ram (64kb),片内 4kb 片外 60kb,片内 128b 片外 64kb,0000h0fffh,1000hffffh,00h7fh,0000hffffh,movc movc,mov movx,1.3.1 程序存储器rom单元结构,用 途：存放程序及程序运行时所需的常数和表格。,说明： 当pc值超过片内rom容量时会自动转向外部存储器空间。,地址长度：16位,寻址范围：0000h ffffh 即 总容量64kb,程序存储器中6个具有特殊含义的单元,（1） 0000h 系统复位，pc指向处； （2） 0003h 外部中断0入口 （3） 000bh t0溢出中断入口 （4） 0013h 外中断1入口 （5） 001bh t1溢出中断入口 （6） 0023h 串口中断入口,1.3.2 数据存储器ram单元结构,内部ram数据存储器可划分为三个区域： 工作寄存区 00h1fh(r0r7) 位寻址区 20h2fh 堆栈和数据缓冲区 30h7fh 特殊功能寄存器区 80hffh,1、 cpu当前使用的工作寄存器区,cpu当前使用的工作寄存器区由程序状态字psw的3、4位（rs1、rs0）决定。,表1-2 工作寄存器选择,位寻址区（20h2fh）16个字节。 16*8=128位，每一位都有一个位地址， 范围为：00h 7fh， 位地址区也可作为一般的用户ram使用。,2、位寻址区,3、便笺区（堆栈区）,在实际应用中，往往需要一个后进先出(lifo)的ram缓冲器用于保护cpu的现场，这种后进先出的缓冲器称之为堆栈。,堆栈区安排在便笺区30h7fh范围内，堆栈的栈顶位置由堆栈指针sp确定，一般在初始化编程时加以设置。,便笺区不做堆栈用时可作为一般数据存储器用。,4、特殊功能寄存器区,地址范围：30h7fh,地址范围： 80hffh,寄存器数： mcs-51 21个 mcs-52 26个,说明：凡是寄存器地址能被8整除的均可位寻址,1.4 mcs-51单片机外部引脚及其功能,制造工艺为hmos的系列单片机大都采用40条引脚的双列直插式封装（dip)。,一、电源及时钟引脚,vcc(40脚)：接+5v电源； vss(20脚)：接地 ; xtal1(19脚)：接外部晶体的一个引脚; xtal2(18脚)：接外部晶体的 另一端;时钟引脚(18、19脚)外接晶体时与片内的反相放大器构成一个振荡器，它提供单片机的时钟控制信号。时钟引脚也可外接晶体振荡器。,二、控制引脚,三、输入输出引脚, p0口 mcs51单片机中有个双向（位）并行i/o 端口（线），每线都配备独立的端口锁存器、输出驱动器和输入缓冲器，用于与外界设备之间交换信息。,图1-3 p0口一位结构图,p0口除了作普通的i/o口，直接和外部设备打交道外;还用作片外总线的地址总线ab0-ab7的低八位和数据总线。 注：单片机复位后4个端口对外均呈现高电平,图1-4 p2口一位结构图,p2口除了作普通的i/o口，直接和外部设备打交道外;还用作片外总线的地址总线的高八位地址线ab8-ab15, p2口 p0口在作输出入口使用时，由于它无内部上拉电阻，为了在口线上输出高电平并具有一定的驱动能力，必须外接上拉电阻。注意：作输入口使用时，为了防止口锁存器对输入口线的输入信号造成影响，必须先往口锁存器写1。同理，p2口作输入时，也必须先往口锁存器写1。,图1-5 p1口一位结构图,p1口只用作普通输入输出口, p1口 从单片机的使用角度来看，p0是一个真正的双向口，而其他三个端口都是准双向口。 注意：和p0、p2口一样，为防止口锁存器对输入口线造成影响，p1口作输入时，也必须先往口锁存器写1。,图1-6 p3口一位结构图,p3口除了作普通的i/o口（功能和p1口一样）直接和外部设备打交道外;还具有第二功能。,p3.0 串行输入口(rxd) p3.1 串行输出口(txd) p3.2 外中断0(int0) p3.3 外中断1(int1) p3.5 定时/计数器1的外部输入口(t1) p3.6 外部数据存储器写选通(wr) p3.4 定时/计数器0的外部输入口(t0) p3.7 外部数据存储器读选通(rd), p3口,作 业：,1、psw寄存器各位标志的意义如何？ 2、当前工作寄存器组如何选择？,2 mcs-51单片机工作原理,2.1 mcs-51单片机的时钟与时序,一、时钟电路,图2-1 时钟电路图,pin19: 时钟xtal1脚，片内振荡电路的输入端。 pin18: 时钟xtal2脚，片内振荡电路的输出端。,二、时序,cpu在执行指令过程中，控制器发出的一系列特定的定时信号和控制信号具有一定时间顺序，这种在时间上的相互关系称为时序。,【振荡周期】：单片机外接石英晶体振荡器的周期（时钟周期），也称为节拍，用p表示如外接石英晶体 的频率若为2mhz，其振荡周期就是1/2=0.5us。 【状态周期】：单片机完成一个最基本的动作所需的时间 周期。用s表示，一个状态周期2个振荡周期，因此，一个状态周期s就包含两个节拍p，前一振荡周期称为p1拍，后一振荡周期称为p拍。 【机器周期】：单片机完成一次完整的具有一定功能的动作所需的时间周期。如一次完整的读操作或写操作对应的时间。一个机器周期6个状态周期12个振荡周期，依次表示为：s1p1、s1p2、s2p1、s2p2、s6p1、s6p2。 【指令周期】： 执行完某条指令所需要的时间周期.一 般需要14个机器周期。,图2-2 单片机时序图,三、单片机指令时序,2.2 mcs-51单片机工作过程,取指令,执行,分析,第一，就是从程序存储器中取出指令，指令的地址由pc指针提供。,第二，就是执行指令过程，取出的指令代码首先被送到cpu中控制器中的指令寄存器，再通过指令译码器译码变成各种电信号，从而实现指令的各种功能。,cpu执行程序一般包括两个主要过程：,图2- 2 复位电路,2.3 mcs-51单片机工作方式,单片机工作时，除了需