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,2019/11/19,1,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,2019/11/19,2,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,2019/11/19,3,1个8位CPU；一个片内振荡器及时钟电路；4KBROM程序存储器；128BRAM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,1.1MCS-51单片机内部结构,2019/11/19,4,1.1.1概述,生物医学影像中心,51单片机内部结构,2019/11/19,5,生物医学影像中心,2019/11/19,6,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.运算器进行算术运算：加、减、乘、除、加1、减1、比较BCD码十进制调整等逻辑运算：与、或、异或、求反、循环等逻辑操作位操作：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,1.1.2CPU,2019/11/19,7,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,2019/11/19,8,生物医学影像中心,程序状态字PSW（字节地址：D0H）,2019/11/19,9,1)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,2019/11/19,10,程序地址指示器,由CPU控制，正常情况下不能由程序随意更改。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,2019/11/19,11,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,2019/11/19,12,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,2019/11/19,13,指令寄存器（IR）：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,2019/11/19,14,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,2019/11/19,15,生物医学影像中心,存储器结构,2019/11/19,16,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：,2019/11/19,17,生物医学影像中心,MCS-51单片机的存储器逻辑结构,2019/11/19,18,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,2019/11/19,19,51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,2019/11/19,20,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：,2019/11/19,21,851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,2019/11/19,22,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,2019/11/19,23,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,2019/11/19,24,生物医学影像中心,2019/11/19,25,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,2019/11/19,26,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,2019/11/19,27,生物医学影像中心,2019/11/19,28,A累加器，A=0则Z=1；A0，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，AC0。,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,2019/11/19,29,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,2019/11/19,30,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,2019/11/19,31,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MOVPl，A；实现A累加器中的内容从P1端口输出的操作MOVA，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,2019/11/19,32,生物医学影像中心,2019/11/19,33,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,2019/11/19,34,1.4.1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,2019/11/19,35,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,2019/11/19,36,生物医学影像中心,2019/11/19,37,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,2019/11/19,38,生物医学影像中心,2019/11/19,39,生物医学影像中心,1.5引脚功能,2019/11/19,40,单片机的引脚,电源