MCS-51单片机硬件系统

绪论,计算机由运算器、控制器、存储器和输入输出接口四个基本部分组成。PC机将运算器和控制器集成为一个超大规模集成电路芯片，称为CPU。将组成计算机的四个基本部分集成在一块芯片上，并加入中断控制器、定时/计数器、串行I/O接口等功能器件，就构成了单片微型计算机，又称单片机。近年来推出的一些新型单片机还包含有许多特殊功能单元，如A/D、D/A、浮点运算单元、数字信号处理单元、现场总线控制器、USB接口、DMA等。,单片机的开发目的是将计算机的应用推广到智能仪表、数据采集、自动测试、工业自动化领域中，让非计算机专业的工程技术人员能容易地掌握计算机应用系统的设计、组装和调试。与通用计算机如PC机相比，单片机结构简单，只要外加一些扩展电路及必要的通道接口，就可以构成各种计算机应用系统。有两种结构的单片机体系。一种是单总线结构，如Intel公司、Motorola公司和Zilog公司的系列产品。另一种是双总线哈佛结构，如Microchip公司的PIC系列产品和Atmel公司的AVR系列产品。在国内，主流产品是Intel公司的MCS51系列单片机。PIC单片机和AVR单片机由于速度快、功耗低、采用精简指令集，受到许多开发者的重视。,目前，单片机已成为高科技领域中的有力工具，中、高档单片机及具有特殊功能(数字信号处理、通信控制等)的单片机在计算机外围设备、工业过程控制系统、网络通信系统、医疗设备、航天航空设备中成为不可缺少的重要组成部分。用单片机构成计算机应用系统有如下特点：可靠性高，芯片具有高可靠性，系统可方便地采用软、硬件冗余。系统扩展、配置规范，容易构成各种规模的应用系统。所构成的计算机应用系统的测控功能大多由软件实现，系统功能的改变较容易。有优异的性价比。,单片机原理与应用,MCS-51单片机的组成及结构分析MCS-51单片机程序设计MCS-51单片机内部功能部件MCS-51系统扩展MCS-51功能扩展,MCS-51单片机的组成及结构分析,MCS-51单片机的内部结构CPU结构存储器空间I/O口及相应的特殊功能寄存器MCS-51单片机的引脚和CPU时序,8051单片机的内部总体结构框图如图11所示。其基本特性如下：8位CPU，片内振荡器。4K字节ROM，128字节RAM；21个特殊功能寄存器。32根IO线；可寻址各64K的外部数据、程序存贮器空间；2个16位的定时器计数器；中断结构：五个中断源，两个优先级；一个全双工串行口；有位寻址功能，适于布尔处理的位处理机。由芯片内程序存储器的类型和数量的不同，8051单片机分成三个系列：8031没有片内程序存储器80514k片内ROM87514k片内EPROM,CPU结构,运算器布尔处理机控制器,运算器,运算器的组成：八位的算术逻辑运算部件ALU累加器ACC、寄存器B、暂存器TEMP1、TEMP2和程序状态标志寄存器PSW。运算器的功能：算术运算加、带进位加、带借位减、乘、除、加1、减1及BCD加法的十进制调整。逻辑运算与、或、异或、求反、清0。移位功能对累加器ACC或带进位位C进行逐位的循环左、右移位。累加器ACC是使用最频繁的寄存器。,状态标志寄存器PSW有时，运算的状态比运算的结果更重要，PSW中保存运算的状态。PSW是一个8位寄存器。,进(借)位标志CY：它表示了运算是否有进位（或借位）。如果操作结果在最高位有进位（在加法时）或有借位（在减法时），则该位为1状态，否到清0。辅助进(借)位标志AC：低半字节进(借)位标志。即低4位相加（或减）有否进位（或借位）如有，则AC为1状态，否则AC清0。,AC的使用：紧凑型BCD加法。一字节两位BCD码进行加法运算时，若AC=0，且低4位数值小于等于9，不须作调整；当低4位数值大于9时，必须加上6，产生应有的进位；若AC=1，必须在低4位上加上6。溢出标志位OV：反映运算结果是否溢出，溢出时OV为1状态，否则为0。溢出和进位标志CY是两种不同性质的标志。溢出是指在两个有符号正数相加时，得到负的结果，或两个有符号负数相加时，得到正的结果。而进位位是指两个无符号数作加减运算时有否进位（或借位）。用此两个标志位时应注意场合。奇偶标志P：反映累加器ACC的内容的奇偶性。由A累加器中运算结果1的个数为偶数还是奇数来决定。此标志在数据通信中有用。,用户标志F0：用户编程时可以自定义的标志。寄存器区选择RS0、RS1：8051工作寄存器组选择控制位。它们与8051内部数据存储器有关，后面讲解它们的用法。,布尔处理器,布尔处理机是MCS-51单片机CPU中运算器的一个重要组成部分。它有相应的指令系统，可提供17条位操作指令，硬件有自己的“累加器”（进位位CY和自己的位寻址RAM和IO空间，所以是一个独立的位处理机。和八位操作指令相同，大部分位操作均围绕着位累加器进位位C完成。位操作指令允许直接寻址内部数据RAM里的128个位和特殊功能寄存器里的位地址空间。对任何可直接寻址的位，布尔处理机可执行置位，取反，等于1转移，等于0转移，等于1转移并清0和送入取自进位位的位操作。在任何可寻址的位（或该位内容取反）和进位位标志之间，可执行逻辑与、逻辑或操作，其结果送回到进位标志C。由于布尔处理机给用户提供了丰富的位操作功能，用户在编程时可以利用指令完成原来单凭复杂的硬件逻辑所完成的功能以及可方便地设置标志等。,控制器,控制器是CPU的大脑中枢，它包括定时控制逻辑，指令寄存器，译码器，数据地址指针DPTR，程序计数器PC，堆栈指针SP，以及RAM地址寄存器，16位地址缓冲器等。CPU使用程序计数器PC确定当前指令字节地址；使用数据地址指针DPTR访问外部数据存储器。这就决定了MCS-51单片机存储器空间的结构。MCS-51的堆栈指针SP是8位寄存器，堆栈只能设在内部数据存储器空间。定时控制逻辑是控制器产生各种控制信息、协调各部件运转的核心，它需要一个时钟基准。MCS-51内部集成了一个时钟发生器，通过它产生CPU的操作时序。,8051的时钟可以由两种方式产生，一种是内部方式，另一种是外部时钟方式。,XTAL1为芯片内部振荡电路（单级反相放大器）输入端，XTAL2为芯片内部振荡电路输出端。若采用内部方式，则利用芯片内反相器和电阻组成的振荡电路，在XTAL1，XTAL2引脚上外接定时元件，如晶振和电容组成的并联谐振回路，则在内部可产生与外加晶体同频率的振荡时钟。,一般晶体可以在1.2MHz12MHz之间任选，电容C01，C02在5pf30pf之间选择，对时钟频率有微调作用。若采用外部时钟方式，此时把XTAL1接地，振荡频率由XTAL2引脚提供。现在的一些新型芯片的时钟频率可以达到40MHz。当CPU对外部程序存储器或数据存储器交互时，控制器在适当时刻产生所需的控制脉冲信号：外部发出地址锁存ALE，外部程序存贮器选通（PSEN）以及外部数据存贮器的读（RD）、写（WR）等控制信号。,存储器空间,MCS-51存储器结构程序存储器外部数据存储器内部数据存储器,MCS-51存储器结构,MCS-51系列单片机的8031、8032没有片内程序存储器；8051、8052分别有4k、8k片内ROM；8751、8752则分别有4k、8k片内EPROM。因此，对于8031和8032，必须要扩展片外程序存储器；对其余芯片，只有在片内程序存储器容量不足时，才扩展外部程序存储器。8031、8051和8751有128字节的用户RAM单元和128字节的特殊功能寄存器区；8032、8052和8752则多了128字节的用户RAM单元。当片内RAM单元不够用时，可以扩展外部数据存储器。MCS-51的存储器空间分为4个部分：内部程序存储器、外部程序存储器、内部数据存储器和外部数据存储器。,MCS-51的存储器看见结构如图：,程序存储器空间,MCS-51的程序存储器空间在物理结构上分为两个区域：片内程序存储器区和片外程序存储器区。但在逻辑结构上，只有一个程序存储器区片内、片外程序存储器统一编址，都使用程序计数器PC进行寻址。程序存储器的地址从0000HFFFFH，共64k。8031和8032没有片内ROM，其外部程序存储器必须从0000H开始编址。其它型号单片机有内部ROM，对8051和8751，其内部ROM有4k，地址为0000H0FFFH；外部程序存储器地址可以从1000H开始，也可以从0000H开始。若从0000H开始编址，内部程序存储器与外部程序存储器有部分单元重合，对这部分重合的存储单元的选择，依赖于单片机一根引脚(EA)的定义。,当EA引脚接Vcc时，8051和8751的PC值小于0FFFH时，CPU从内部ROM中取指令，当PC的值大于4k-1时，CPU自动转到外部ROM单元取指。外部程序存储器地址值低于4k的单元等于不存在。当EA引脚接GND时，单片机CPU直接到外部程序存储器取指，8051和8751的内部程序存储器被屏蔽掉。外部程序存储器的地址必须从0000H开始编址。8031和8032没有内部程序存储器，因而，其EA引脚必须接GND。,外部数据存储器空间,MCS-51的内部数据存储器与外部数据存储器空间在物理和逻辑结构上都是独立的。MCS-51用寄存器DPTR管理外部数据存储器空间。MCS-51使用不同的指令操作内部和外部数据存储器。外部数据存储器地址有16位，其最大容量为64k字节。在后面讲解系统扩展和功能扩展时可以看到，除了程序存储器扩展外，其它扩展都使用外部数据存储器空间。即，当扩展了其它功能芯片时，就不能扩展64k字节的数据存储器了。外部数据存储器使用随机读写半导体存储器(RAM)。,内部数据存储器,MCS-51的内部数据存储器是使用最频繁的部件之一。8031、8051和8751有256字节的内部数据存储器，分为低128字节和高128字节两部分。低128字节是供用户使用存储可读写数据的，高128字节由系统用于存放系统和内部功能部件的状态、工作方式等数据的。称为特殊功能寄存器区。用户不能用作一般RAM。8032系列单片机除了上述内部数据存储器外，还有128字节的用户RAM单元，这些单元与特殊功能寄存器区单元地址相同。,低128字节用户数据区按用途分为三个区域：工作寄存器区(00H1FH)32个单元，分成4组，每组8个单元。各组都以R0R7作单元编号。这4组寄存器称为工作寄存器。工作寄存器的功能类似于微机系统的通用寄存器。由于各组工作寄存器使用相同的地址编号，因此在任意时刻，CPU只能使用其中的一组寄存器，并把正在使用的那组寄存器称为当前寄存器组。由程序状态寄存器PSW中的RS1、RS0位的状态组和确定当前工作寄存器组。,在汇编程序设计中工作寄存器组的使用率最高，灵活使用它们可以提高程序的效率。,可位寻址区(20H2FH)这组RAM单元共16个字节，既可以按字节操作又可以对单元中的每一位进行位操作。16个字节共128位，位地址为00H7FH。MCS-51的布尔处理器的位存储空间就是指这个位寻址区。在单片机程序设计中，特别是工业自动化应用系统，位状态变量的使用非常多，开辟出可位寻址的存储空间对编程者是非常方便的。用户RAM区(30H7FH)在这个区间，存放程序需用的堆栈，存放用户的变量，按字节存取。,MCS-51的堆栈结构与一般微机系统的堆栈结构不同，MCS-51的堆栈是向上生成的。堆栈指针SP指向栈顶，当执行PUSH(压栈)命令时，首先将堆栈指针SP加1，然后将入栈数据送入SP指向的单元；当执行POP(出栈)命令时，先将堆栈指针SP指向的单元的内容赋给指定变量，然后将SP的值减1。SP的初始值为07，使用汇编语言指令编程时，要修改SP的值，因为它指向第二组工作寄存器。使用C51高级语言编程时，由系统安排堆栈。,特殊功能寄存器区(SFR)(80HFFH)这个区域存放MCS-51单片机的专用寄存器，前面已经讲述了5个特殊功能寄存器：ACC、B、PSW、SP、DPL、DPH(DPL是DPTR的低字节、DPH是DPTR的高字节)，其余的特殊功能寄存器与单片机的I/O口和内部功能部件有关，在后面有关章节中陆续介绍。特殊功能寄存器的字节寻址8031系列单片机有21个特殊功能寄存器，8032系列有26个，在80H到FFH128个字节区间中分散分布，有自己的名称、符号和地址单元。其它未用的单元对用户来讲是不存在的。,2.特殊功能寄存器的位寻址特殊功能寄存器中，单元地址能被8整除的寄存器是可以位寻址的。可位寻址的特殊功能寄存器的字节地址与该字节最低位的位地址相同。大多数可位寻址的位都有符号，如PSW中的工作寄存器组标志位RS1、RS0等，在编写程序时可以直接使用它们对指定的位进行操作。特殊功能寄存器中可位寻址的位都有专门的定义和用途。与低128字节用户RAM区中的128个可位寻址的位一起构成了MCS-51的全部位空间。,8032系列单片机除了8031系列单片机具有的内部数据存储器之外，还有128字节的用户可使用的RAM单元，其地址为80HFFH。这块RAM的地址与特殊功能寄存器空间的地址相同，要用不同的寻址方式以区别要操作的对象，详细情况在第二章介绍寻址方式时再讲述。,经过前面的讨论，给出MCS-51内部数据存储器空间的结构图。,I/O口及相应的特殊功能寄存器,P0口P2口P3口P1口MCS-51最小系统组成,MCS-51系列单片机有四组8位并行I/O口，记作P0、P1、P2和P3。每组I/O口内部都有8位数据输入缓冲器、8位数据输出锁存器及数据输出驱动等电路，有时称为端口。MCS-51输入输出端口的核心是输出锁存器，并以P0、P1、P2和P3的名称当作特殊功能寄存器。四组并行I/O端口即可以按字节操作，又可以按位操作，是布尔处理器的位I/O空间。当系统没有扩展外部器件时，I/O端口用作双向输入输出口；当系统作外部扩展时，使用P0、P2口作系统地址和数据总线、P3口的部分口线作控制总线。同时，P3口的其它口线都有第二功能，与MCS-51的内部功能器件配合使用。,P0口,P0口有两种用途：普通I/O端口当单片机系统没有扩展外部芯片时，P0口用作双向输入输出端口。这时图中多路开关的控制信号为低电平，输出与锁存器的反向输出端相连，同时上面的场效应管由于与门输出为低电平而截止，下面的场效应管成开漏输出。作输出时：输出0时，将0输出到内部总线上，在写锁存器信号控制下写入锁存器，锁存器的反向输出端输出1，下面的场效应管导通，输出引脚成低电平。输出1时，下面的场效应管截止，上面的场效应管也是截止状态，输出引脚成高阻态，不是希望的1状态，这时，必须外加上拉电阻。,作输入时：P0端口引脚信号通过一个输入三态缓冲器接入内部总线，再读引脚信号控制下，引脚电平出现在内部总线上。为了能读到真实的引脚信号，下面的场效应管必须截止，即锁存器的内容必须是1。为了能正确读取引脚信号锁存器必须些1，因而P0口是一个准双向口。在图的左上方有一个三态缓冲器，是为了读取输出锁存器内容而设。在输出引脚外接发光二极管或三极管基极时，输出引脚电平与锁存器内容可能会不一致，为了得到正确的输出状态，必须读锁存器而不是读引脚。如指令P0=P0|0XF0；将P0口的输出状态与0XF0按位或后再输出到P0口，这里读的数据是P0口锁存器的内容，运算结果又写入到P0口锁存器。,地址/数据复用总线当单片机系统进行存储器、I/O口或其它功能扩展时，P0口要用作系统总线。在P0口上分时输出目标地址的低8位和要交换的字节数据。用作地址/数据复用总线时，多路开关的控制信号为1，输出与上方的地址/数据线反向器的输出相连，由于控制信号为1，上面的场效应管受地址/数据小信号控制，与下面的场效应管成为推挽输出形态。外部不再需要上拉电阻，P0口为真正的双向I/O口。操作过程：假如要读外部程序存储器中0 x1245单元的指令，首先从P0口输出45H，P2口输出12H，控制器输出ALE地址锁存信号，再发出指令输出允许信号PSEN，外部程序存储器0 x1245单元的内容出现在总线上，由CPU读入程序指令寄存器，译码执行。,P2口,P2口也有两种使用方式做普通I/O口这时，控制信号将驱动场效应管的反向器的输入与P2口输出锁存器的Q端相连。当输出使用时与P0口类似，但P2口内部有上拉电阻，不需外接。当输入使用时，输出锁存器也必须写1。所以，P2口也是一个准双向I/O口。作地址总线当单片机系统进行存储器、I/O口或其它功能扩展时，P2口要用作系统总线。输出目标地址的高8位。这时控制信号将驱动场效应管的反向器的输入与地址线相连。P2口没有复用要求，所以外部不需地址锁存器。,P3口,P3口是一个双功能I/O口普通I/O口作普通I/O口时，选择输出功能端为高电平，场效应管受输出锁存器的控制，是一个准双向I/O口。第二功能口P3口的每一位都具有第二功能。,P3口的第二功能大多与其内部功能部件有关，RD、WR是外部数据存储器的写、读控制信号。由P3口结构图可以看出，要使用P3口的第二功能，输出锁存器必须写1。,P1口,8031系列单片机的P1口是唯一的单一功能准双向口，8032系列单片机的P1口有两根口线有第二功能：P1.0T2(定时器T2脉冲输入端)，P1.1T2EX(定时器T2的捕捉/常数重装触发)。单片机I/O口的使用除了要知道它的功能外，还要知道一点，即I/O口的负载能力。现在常用的51芯片AT89C51、AT89C52等，I/O的电流输入输出最大值为20mA。,MCS-51单片机的引脚和CPU时序,8051单片机引脚功能说明CPU时序,8051单片机的引脚和CPU时序,8051系列单片机是40引脚双列直插封装芯片。,8051芯片引脚按功能分成如下几组：I/O引脚P0、P1、P2和P3四组I/O口引线。控制信号ALE：地址锁存允许。以时钟振荡频率16的固定频率激发ALE。因此它可以用于外部时钟和定时（然而，在每一次存取片外数据存贮器时，会丢失一个ALE脉冲）。PSEN：程序存贮器输出允许。从内部程序存贮器读取指令时，不激发PSEN。EA：片内、片外程序存器选择。对8051、8751，EA接Vcc时，低4k程序取自片内ROM；EA接GND时，低4k程序取自片外ROM。对8031，EA必须接GND。,XTAL1：作为振荡器倒相放大器的输入。使用外振荡器时，须接地电位。XTAL2：作为振荡器的倒相放大器的输出和内部时钟发生器的输入。当使用外振荡器时，接收外振荡器信号。RST：复位输入。当振荡器工作时，在此端线持续给出两个机器周期的高电平可以完成复位。复位后，程序计数器PC的值成为0，堆栈指针SP成为7，P0、P1、P2和P3均为FFH，其它大多数特殊功能寄存器的值都成为0。电源线：Vcc和GND。,关于复位电路复位信号是系统内部初始化所需的，当系统加电开始工作时，或工作过程中出现故障无法正常工作时，都需要复位信号使系统能重新开始工作。因此，系统需要上电复位、手动复位和遇故障自动复位电路。,上电复位电路,利用电容充电过程在电阻上产生持续一定时间的高电平，得到复位信号。,上电加手动复位电路,监控电路为了可靠实现复位信号，并且能在计算机受到干扰使程序不能正常运行时自动产生复位信号，各集成电路厂家研制出微机监控电路WDT（看门狗）。以DALLAS产品DS1232为例说明其功能和使用。,