MCS51单片机的硬件结构.doc

于复生：单片机教案 第二讲 第二章 MCS51单片机的硬件结构本章将以8031为例，重点介绍MCS-51单片机的内部结构、性能特点、引脚功能、存储器配置、MCS-51的CPU时序和IO端口。硬件结构是掌握单片机的基础。第一节 MCS-51的内部结构MCS-51系列单片机由美国Intel公司开发，其最大的特点是性能价格比较好，是我国目前广泛使用的单片机。 MCS-51系列单片机又分为51和52两个子系列（其细微差异后详）。51子系列主要包括3种型号：8051、8751、8031。 8051：8位CPU 128BRAM、4KBROM、21个特殊功能寄存器、4个8位并行口、1个全双工串行口、2个16位定时计数器。 8751：与8051的区别仅在于4KBROM变为4KB的EPROM。 8031：片内没有ROM或EPROM，严格说来8031不是完整的单片机，但可通过扩展ROM构成单片机系统。本章及本课程主要以应用最广的8031为例进行学习。 80C51、80C52简介。 8031为40脚双列直插式芯片（教材图1-1），各引脚功能后详。按功能划分的结构框图如下图所示（参照教材图2-1）。按组成部件划分的结构框图如教材图2-2所示。组成：1. 8位中央处理单元CPU 2. 只读存储器ROM/EPROM（4KB，8031无！）3. 随机存取存储器RAM（256B，相当于内存）4. 4个8位并行输入输出口（32条I/O口线） 5. 一个全双工串行通讯接口（RXD、TXD） 6. 2个16位定时/计数器（52子系列有3个） 7. 时钟电路：内部振荡器+外接晶振电路 8. 中断系统：5个中断源、2个优先级。第二节 MCS-5l的主要性能特点计算机有两种基本结构：哈佛结构：程序存储器和数据存储器分开，独立编址。普林斯顿结构：程序存储铅和数据存储器合二为一，统一编址。 各种单片机大多都为哈佛结构。MCS-51单片机的主要性能特点： 内部程序存储器：4KB（8031无） 内部数据存储器：256B（教材上为128B，说明） 外部程序存储器：可扩展到64KB。 外部数据存储器：可扩展到64KB。可扩展的存储器空间取决于地址总线的宽度（216=64KB）。 输入输出口线：32根（4个端口，每个端口8根）。 2个16位可编程的定时计数器。 一个全双工串行口，包括二根口线TXD、RXD。 片内工作寄存器区：在内部数据存储器的低128B中划出一部分作为工作寄存器区，分为四个区每个区8个寄存器共32个字节单元（简要说明其特点）。 5个中断源，2个优先级别。 堆栈：设置在片内RAM的低128B中，堆栈深度理论上可达128B，但实际上没有这么深（后详）。 一个布尔处理机（位处理机），可以对某些单元以及某些单元的特定位进行逻辑操作。 专门的指令系统：111条指令，当系统时钟为12MHz时，大部分指令执行时间为1us；少部分指令执行时间为2us；只有乘、除指令的执行时间为4us。第三节 CPU结构 CPU由运算器和控制器两部分组成。一、运算器 组成：算术/逻辑运算部件ALU（核心）、暂存器1（Temp1）、暂存器2（Temp2）、累加器A（ACC）、寄存器B、程序状态寄存器PSW（程序状态字、标志寄存器，Program Status Word）、布尔处理机。 1. 算术/逻辑运算部件ALU用来完成二进制加减乘除算术运算及布尔的逻辑运算，几乎所有的操作都要经过ALU的算术/逻辑运算。2. 累加器A（ACC）一个非常特殊的8位特殊功能寄存器，单片机主要的操作都要在A中进行，但不仅仅限于累加运算。它是CPU中工作最繁忙的寄存器。 使用时，往往先将一个操作数存放在A中，运算后的结果通常也暂存于A中。 瓶颈效应：除上述特点外，需注意：与片外数据存储器、端口之间的数据传送必须要经过A过渡（举例），因此造成A是CPU中工作最繁忙的寄存器。 一般按字节操作时称为A，按位操作时称为ACC。 3. B寄存器8位，主要用于乘除法操作时。 乘法：运算前A、B中各存放一个乘数，运算后A中存放结果的低8位，B中存放结果的高8位。 除法：运算前A中存放被除数，B中存放除数；运算后A中存放商，B中存放余数。 4. 暂存器Temp1、Temp2 均为8位，供运算时内部使用，用户不能直接使用。 5. 程序状态寄存器PSW（程序状态字、标志寄存器，Program Status Word） 8位SFR，因其中大部分位的内容反映了当前单片机的工作状态而得名。 PSW.7 PSW.6 PSW.5 PSW.4 PSW.3 PSW.2 PSW.1 PSW.0各位的功能是： CY、C（PSW.7）（Carry）：进位借位标志。在进行加法运算时，若最高位有进位，CY=1，否则CY=0。在进行减法运算时，若被减数小于减数，CY=1，否则CY=0。在布尔处理机中，CY被用作位累加器使用。 AC（PSW.6）（Auxiliary Carry）：辅助进位借位标志。当低半字节向高半字节有进/借位时，AC=1，否则AC=0。该标志主要用于十进制调整。 F0（PSW.5）（Flag0）：用户标志位，其含义由用户定义，可由软件置位或清除。 RSl、RS0（PSW.4，PSW.3）（Register Bank Select）：寄存器区选择控制位。RSl、RS0= 0 0 Bank0（R0R7对应于00H07H）RSl、RS0= 0 1 Bank1（R0R7对应于08H0FH）RSl、RS0= 1 0 Bank2（R0R7对应于10H17H）RSl、RS0= 1 1 Bank3（R0R7对应于18H1FH）（画示意图说明，后面在存储器空间配置中详述） OV（PSW.2）（Overflow）：溢出标志位，由硬件置位或清除。 P（PSW.0）（Parity）：奇偶标志位。若A的8位中1的位数为奇数，P=1，否则P=0。 PSW.1位没有定义，用户不能使用。6. 布尔处理机是CPU中的重要组成部分，拥有相应的布尔指令子集。硬件有自已的处理单元（进位标志位CY）和自己的位寻址空间，是一个独立的位处理机。大部分的逻辑操作、位操作均围绕CY来进行。二、控制器 组成：程序计数器PC、数据地址指针DPTR、指令寄存器IR、堆栈指针SP、RAM地址寄存器、16位地址缓冲器、定时控制逻辑PLA等。 主要部件的功用： 程序计数器PC：（16位，不属于特殊功能寄存器）存放下一条将要执行的指令在程序存储器中的存放地址。用户一般不可改变其内容。 数据地址指针DPTR：（16位SFR，可分为DPH、DPL两个8位使用）存放间接访问片外RAM的地址，有时也可通过DPTR访问片外EPROM。 堆栈指针SP：8位SFR，存放堆栈栈顶的地址。 指令寄存器IR：暂存取出的指令代码直到本条指令执行完毕。 指令译码器ID：用来对IR中的指令进行分析、译码， 转换成相应的控制电平信号。第三节 8031的最小系统与引脚功能描述一、最小系统（参照教材P21上的图2-16）（更正图中的连线错误！）说明最小系统的组成，注意片外EPROM不仅仅限于2716。二、引脚功能（对照上图说明） 40个引脚按功能可分为以下几类： 1. 电源引脚（2个） Vss（20脚）：接地。 Vcc（40脚）：正常操作、对EPROM编程和验证时接+5V电源。 2. 外接晶振引脚（2个） MCS-51片内有振荡电路，但需外接晶振电路才能产生正常的振荡信号。晶振电路通过XTALl（19脚）和XTAL2（18脚）接入。 常用晶振频率：6MHz、12MHz。 3. I/O引脚（32个） 4个8位双向并行I/O口P0P3： P0：地址低8位/数据分时共用口。在访问外部程序/数据存储器时，送出地址的低8位，访问后将8位数据送入片内。P0口可以带动8个TTL负载。 P2：访问外部程序/数据存储器时，送出地址的高8位。当地址少于16位时，余下的口线可做普通I/O线。P2口可带动4个TTL负载。 P1：真正的8位双向IO口。P1口能带动4个TTL负载。 P3：8位双向IO口，但更多地还是用其第二功能：P3.0(RXD)串行输人口P3.1(TXD)串行输出口P3.2(1NT0)外部中断0输入P3.3(1NTl)外部中断1输入P3.4(T0)定时器0的外部输入P3.5(T1)定时器1的外部输入P3.6(WR)外部数据存储器的写选通信号（控制信号，低电平有效）P3.7(RD)外部数据存储器的读选通信号（控制信号，低电平有效） 4. 其他控制引脚 RSTVPD（9脚）：复位引脚，高电平有效。当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。 复位后，P0P3口全部置为高电平，SP指针赋值为07H，其它特殊功能寄存器和程序计数器PC被清0（参见表2-1）。 为实现复位，需要在RST引脚上加上能产生两个机器周期以上高电平的复位电路。常见的复位电路及其工作原理参见教材P8。 ALEPROG(30脚)：地址锁存允许信号输出脚，高电平有效。当访问外部数据存储器时，ALE的输出用于锁存地址低8位，即使不访问外部存储器，ALE仍以不变的频率周期性地出现正脉冲信号，为振荡器频率的16，因此可用作对外输出的时钟。只是当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。ALE端可以带动8个TFL负载。