系列单片机的结构及原理课件

第2章 MCS-51系列单片机的结构及原理,2.1 MCS-51单片机的主要特性,1. 8位CPU 2. 片内ROM/EPROM、RAM 3. 片内并行 I/O接口 4. 片内16位定时器/计数器 5. 片内中断处理系统 6. 片内全双工串行I/O口,不同型号MCS-51单片机CPU处理能力和指令系统完全 兼容，只是存储器和I/O接口的配置有所不同。,2.2 MCS-51单片机的内部总体结构,单片机系统,硬件部分,软件部分,单片机芯片,外围器件,CPU,内存,中断控制逻辑,通用接口,运算器,寄存器组,控制器,并行I / O口,串行口,定时/计数器,ADC0809、DAC0832,8253,8251,8255A、8155,2764、6264,指令系统,应用程序,1、中央处理单元CPU（8位） 用于数据处理、位操作（位测试、置位、复位） 2、只读存储器ROM（4KB或8KB） 用于永久性存储应用程序，掩膜ROM、EPROM、EEPROM 3、随机存取存取器RAM（256B） 用于程序运行中存储工作变量和数据 4、并行输入/输出口 I/O（32线） 用作系统总线、扩展外存、I / O接口芯片 5、串行输入/输出口（2线） 串行通信、扩展I / O接口芯片,6、定时/计数器 T（16位增量可编程） 它与CPU之间各自独立工作，当它计数满时向CPU中断 7、时钟电路 fosc 分为内部振荡器、外接振荡电路 8、中断系统 五源中断、两级优先，可编程进行控制。, 2.3 MCS-51的引脚功能,1、主电源引脚 Vss、Vcc,2、外接晶振引脚 XTAL1、XTAL2,3、复位引脚 RST/VPD,VSS,VDD,4、控制引脚 ALE / PROG 地址锁存控制端；为其内的EPROM输入编程脉冲； PSEN 外部程序存储器的读选通信号端； EA/VPP 内外ROM选择端 = 1 时，访问内部 程序存储器,即内ROM = 0 时，只访问外部程序存 储器,即外ROM,VSS,VDD,XTAL1,XTAL2,5、输入/输出引脚 P0.0P0.7 、P1.0P1.7 P2.0P2.7 、P3.0P3.7,程序存储器：存储指令代码 数据存储器: 存储临时数据,哈佛结构,程序存储区,数据存储区,普林斯顿结构, 2.4 MCS-51的主要组成部分, 2.4.1 MCS-51的存储器分配,一、物理空间与地址,物理上分为： 4个空间，即片内ROM、片外ROM 片内RAM、片外RAM 逻辑上分为: 3个空间，即程序存储器（片内、外）统一编址 数据存储器（片内） 数据存储器（片外）,8031 8751 8051 89C51,256B（字节）,4K,64K,64K,二、程序存储器,地址范围：0000 H FFFF H 地址长度：16位 空间大小：216=64K,程序存储器,内部,外部,(PC),程序存储器资源分布,中断入口地址,0000H ：系统的启动单元（系统复位后，单片机从此处开始取指令开始执行） 0003H ：外部中断0入口地址 000BH ：定时器/计数器0中断入口地址 0013H ：外部中断1入口地址 001BH ：定时器/计数器1中断入口地址 0023H ：串行中断入口地址,程序存储器空间的6个特殊功能区域,三、内部数据寄存器,MCS-51的寄存器在片内RAM都有地址。使用时，既可用寄存器名，也可用对应单元地址。,007F H,0080 H,00FF H,0000 H,内部RAM,特殊功能寄存器,00 H,08 H 07 H,10 H 0F H,18 H 17 H,20 H 1F H,30 H 2F H,- 7F H,内部,外部,数据存储器,RAM,专用 寄存器,内部RAM存储器,工作寄存器区选择位RS0、RS1,四、特殊功能寄存器,MCS-51单片机内共有一个程序计数器（PC）和21个特殊功能寄存器（SFR）,007F H,0080 H,00FF H,0000 H,内部RAM,特殊功能寄存器,地址可被8整除的SFR可以位寻址。,1、程序计数器（PC）,指明即将执行的下一条指令的地址(程序存储器地址)，在物理上独立，复位时PC = 0000H。,2、累加器（A）,3、B寄存器,算术运算的操作数、结果存放。,乘除法算术运算时，与累加器A共同作用。,4、程序状态字（PSW）,CY 进位/借位标志；位累加器。 AC 辅助进/借位标志；用于十进制调整。 F0 用户定义标志位；软件置位/清零。 OV 溢出标志； 硬件置位/清零。 P 奇偶标志；A中1的个数为奇数 P = 1；否则 P = 0。 RS1、RS0 寄存器区选择控制位。,5、栈指针（SP）,指明栈顶元素的地址，8位，复位时 SP = 07H。,00 H,08 H 07 H,10 H 0F H,18 H 17 H,20 H 1F H,30 H 2F H,- 7F H,可软件直接修改： MOV SP ，#1FH 自动修改： 执行指令 PUSH，POP，RET，RETI时，SP值将自动 +1，或-1,6、数据指针（DPTR） 指明访问的数据存储器的单元地址，16位，寻址范围64KB。高字节（DPH）、低字节（DPL）可单独使用。 7、输入输出端口（P0、P1、P2、P3） 寄存器P0、P1、P2、P3实为相应端口锁存器。 8、串行输入 / 输出端口 （1）串行数据缓冲器 SBUF 是物理上独立的两个寄存器，一个是发送缓冲器，一个是接收缓冲器，共同使用一个地址（99H）。,（2）串行控制 / 状态寄存器 SCON 控制监视串行口的工作状态。 （3）电源控制寄存器 PCON 控制单片机的低功耗工作方式及波特率选择。 9、中断系统 （1）中断优先级寄存器IP：2级优先，可软件设定 （2）中断允许寄存器IE 10、定时/计数器 （1）定时器方式寄存器：TMOD （2）定时器控制寄存器：TCON （3）计数寄存器：TH0、TL0；TH1、TL1。可用于设定计数初值。,XTAL1,XTAL2, 2.4.2 并行I/O口,8051有4组8位I/O口：P0、P1、P2和P3口，其中 P1、P2和P3为准双向口，P0口则为双向三态输入输出口。,双向三态输入输出端口。 P0口身兼两职，既可作为地址总线（AB0-AB7），也可作为数据总线（DB0-DB7）。 作为通用I/O时，是一个漏极开路电路。需外接上拉电阻。 作为地址/数据总线使用时，不需外接上拉电阻。 P0可驱动8个LSTTL，其它P口可以驱动4个LSTLL。,并行输入和输出端口P0,P0口电路中包含有一个数据输出锁存器、两个三态数据输入缓冲器、 一个数据输出的驱动电路和一个输出控制电路。 P0口可以作为通用的I/O口； P0口可以作为单片机系统的地址/数据线使用； P0可以驱动8个标准的TTL负载电路。 注意在P0口作为通用的I/O口时，必须外接上拉电阻(如下图）。,P0口的功能与驱动能力,并行输入和输出端口P1,P1口为8位准双向输入输出端口。 作为输入口使用时，有两种情况。 其一是：首先是读锁存器的内容，进行处理后再写到锁存器中，这种操作即读修改写操作，象JBC(逻辑判断)、CPL(取反)、INC(递增)、DEC(递减)、ANL(与逻辑)和ORL(逻辑或)指令均属于这类操作。 其二是：读P1口线状态时，打开三态门G，将外部状态读入CPU。,P1口电路中包含有一个数据输出锁存器、一个三态数据输入缓冲器、 一个数据输出的驱动电路。 P1口的功能与驱动能力 P1口只可以作为通用的I/O口； P1可以驱动4个标准的TTL负载电路。 注意在P1口作为通用的I/O口时，在从I/O端口读入数据时，应该首先向相应的I/O内部锁存器写”1”。,举例：从P1口的低四位输入数据 MOV P1,#00001111b ;先给P1口底四位写1 MOV A,P1 ;再读P1口的底四位,并行输入和输出端口P2,P2口作为通用I/O时，准双向输入输出端口。 P2口作为高8位地址总线，AB8-AB15。 P2口与P0一起构成单片机与外电路相连接的扩展端口。通常可以用来扩展存储器、及与其它总线型连接方式的外设。 P2可以驱动4个标准的TTL负载电路。,利用P0、P2端口扩展SRAM、EPROM存储器,并行输入和输出端口P3,P3口作为通用I/O时，为准双向输入输出端口。 P3口的第二功能。 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) P3.4定时/计数器0的外部输入口(T0) 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) P3.7外部数据存储器读选通(RD),P3口电路中包含有一个数据输出锁存器、两个三态数据输入缓冲器、 一个数据输出的驱动电路和一个输出控制电路。 P3口的功能和驱动能力 P3口可以作为通用的I/O口使用； 可以作为单片机系统的第二功能的输入和输出。 P3口可以驱动4个标准的TTL负载电路。 注意在P3口的使用时，首先要考虑第二功能的要求。,MCS-51单片机P3口的第二功能,举例1：P1口作为输出口，原本无需接上来电阻，这里是为了增强P1口的驱动能力。,ORG 0000H START：MOV P1,#00H ACALL DELAY MOV P1,#0FFH ACALL DELAY SJMP START DELAY: MOV R3,#0FFH DEL2: MOV R4,#0FFH DEL1: NOP DJNZ R4,DEL1 DJNZ R3,DEL2 RET END,ALE,+5V,时钟频率: 范围要求在1.2MHz12MHz之间。,机器周期: 完成一个基本操作所需要的时间。 一个机器周期由12个时钟周期组成。 指令周期: 一条指令的执行时间。以机器周期为单位：单周期、双周期和四周期指令。, 2.5 时钟电路与CPU的时序,启动单片机后，指令执行顺序：,一、复位后单片机各单元的初始状态, 2.6 单片机的复位状态与复位电路,（1）阻容上电自动复位电路,单片机复位条件: 必须使RST引脚持续10 ms以上高电平(外部时钟12MHz),Va,这种电路利用电容上电压不能突变而是按指数