第2章 MCS-51单片机的结构及原理

2.1MCS-51单片机结构2.2MCS-51的存储器结构2.3单片机的复位、时钟与时序2.4并行I/O口,第2章MCS-51单片机结构及原理,单片机的工作过程,单片机执行程序的过程，是一条条执行的指令的过程，所谓指令就是把要求单片机执行的各种操作用的命令的形式写下来，这是在设计人员赋予它的指令系统所决定的，一条指令对应着一种基本操作；单片机所能执行的全部指令，就是该单片机的指令系统，不同种类的单片机，其指令系统亦不同。为使单片机能自动完成某一特定任务，必须把要解决的问题编成一系列指令（这些指令必须是选定单片机能识别和执行的指令），这一系列指令的集合就成为程序，程序需要预先存放在具有存储功能的部件存储器中。存储器由许多存储单元（最小的存储单位）组成，就像大楼房有许多房间组成一样，指令就存放在这些单元里，单元里的指令取出并执行就像大楼房的每个房间的被分配到了唯一一个房间号一样，每一个存储单元也必须被分配到唯一的地址号，该地址号称为存储单元的地址，这样只要知道了存储单元的地址，就可以找到这个存储单元，其中存储的指令就可以被取出，然后再被执行。,程序通常是顺序执行的，所以程序中的指令也是一条条顺序存放的，单片机在执行程序时要能把这些指令一条条取出并加以执行，必须有一个部件能追踪指令所在的地址，这一部件就是程序计数器PC（包含在CPU中），在开始执行程序时，给PC赋以程序中第一条指令所在的地址，然后取得每一条要执行的命令，PC之中的内容就会自动增加，增加量由本条指令长度决定，可能是1、2或3，以指向下一条指令的起始地址，保证指令顺序执行。,SCM将通用微计算机基本功能部件集成在一块芯片上构成的一种专用微计算机系统,SCM=CPU+程序存储器+数据存储器+定时器/计数器+内外中断+可编程I/O+可编程全双工串行口+,第2章MCS-51单片机结构及原理,80C51=(8位)CPU+4KBROM+128BRAM+(216)T/C+(48)I/O+1个UART+5个中断源,87C52,INTELMCS-51系列单片机一览表,2.1.1MCS-51单片机的内部结构,第2章MCS-51单片机结构及原理,控制器的用途：统一指挥和控制各单元协调工作控制器的任务：从ROM中取出指令译码执行指令控制器的组成：程序计数器PC、数据指针寄存器DPTR、,第2章MCS-51单片机结构及原理,运算器的用途：对数据进行算术运算和逻辑操作运算器的任务：计算缓冲器内容暂存修改运行标志运算器的组成：累加器ACC、程序状态字寄存器PSW、,第2章MCS-51单片机结构及原理,（1）程序计数器（ProgramCounterPC）,指向ROM存储单元的地址指针,永远存放着下一条指令的地址具有16位字长可寻址范围216（=65536字节=64KB）具有自动加1功能顺序运行程序功能具有可被指令修改功能跳转运行程序功能复位时，PC值为0复位后程序从0开始运行,第2章MCS-51单片机结构及原理,计算机的工作是按照事先编制好的程序命令序列一条条顺序执行的，程序存储器就是用来存放这些已编好的程序和表格常数，它由只读存储器ROM或EPROM组成。计算机为了有序地工作，设置了一个专用寄存器-程序计数器PC，用以存放将要执行的指令地址。每取出指令的个字节后，其内容自动加，指向下一字节地址，使计算机依次从程序存储器取出指令予以执行，完成某种程序操作。由于MCS-51单片机的程序计数器为16位，因此，可寻址的地址空间为64KB。,（2）数据指针寄存器（DataPointerDPTR）,具有16位字长，可寻址范围216（64KB）具有可被指令修改功能可变更数据地址可拆为2个8位的独立寄存器DPL和DPH,指向ROM或RAM存储单元的地址指针,第2章MCS-51单片机结构及原理,（3）累加器（ACCUMULATERA）,具有8位字长具有可被指令修改功能是利用率最高的寄存器,存放操作数或中间运算结果的寄存器,第2章MCS-51单片机结构及原理,（4）程序状态字寄存器（ProgramStateWordPSW）,具有8位字长各位都具有特殊含义状态信息通常自动形成，但也可用指令修改,存放程序运行过程中的各种状态信息的寄存器,第2章MCS-51单片机结构及原理,RS1和RS0（PSW.4和PSW.3）工作寄存器组指针用途：用于指定CPU的当前工作寄存器组,第2章MCS-51单片机结构及原理,OV（PSW.2）溢出标志在有符号数加减运算或无符号数乘除运算中若有异常结果，OV硬件置1，否则硬件清0。,用途：判断运算的结果是否正确，正确=0；出错=1,第2章MCS-51单片机结构及原理,P（PSW.0）奇偶标志位该位始终跟踪累加器A中含“1”个数的奇偶性如果A中有奇数个“1”，则P置“1”，否则置“0”,举例若A=10011111，则P=0若A=11000001，则P=1,用途：用于串行通讯中的数据校验，判断是否存在传输错误。,第2章MCS-51单片机结构及原理,51系列单片机一般采用40只引脚的双列直插式（DIPDualIn-linePackage）封装结构,2.1.2MCS-51引脚及功能,第2章MCS-51单片机结构及原理,除DIP封装外，51单片机还采用44只引脚的方形扁平(QFPQuadFlatPackage)封装方式（4只引脚无用）。,第2章MCS-51单片机结构及原理,DIP引脚分布,电源及晶振引脚（共4只）控制引脚（共4只）端口引脚（共32只）,三类,第2章MCS-51单片机结构及原理,图2-2DIP管脚图,（1）电源及晶振引脚,VCC(40脚)：+5V电源引脚VSS(20脚)：接地引脚,第2章MCS-51单片机结构及原理,（2）控制引脚,RST/VPD(9)：复位/备用电源引脚,用到时再介绍,第2章MCS-51单片机结构及原理,（3）端口引脚,共计8只/组4组=32只引脚：P0.0P0.7（3932脚）P0口；P1.0P1.7（18脚）P1口；P2.0P2.7（2128脚）P2口；P3.0P3.7（1017脚）P3口。,P0口P3口是单片机对外联络的重要通道,第2章MCS-51单片机结构及原理,2.1MCS-51单片机结构2.2MCS-51的存储器结构2.3单片机的复位、时钟与时序2.4并行I/O口,第2章MCS-51单片机结构及原理,2.2MCS-51的存储器结构,1.存储器划分方法,计算机存储器地址空间的两种结构形式：普林斯顿结构和哈佛结构。,RAM和ROM统一编址,RAM和ROM分别编址,第2章MCS-51单片机结构及原理,51系列单片机采用哈佛结构，共有四个物理存储空间，或三个逻辑存储空间。,第2章MCS-51单片机结构及原理,a）同时使用片内和片外ROMb）ROM地址分布,当EA引脚接高电平（开关接A点）时，4KB以内的地址在片内ROM，大于4KB的地址在片外ROM中（图中折线），两者共同构成64KB空间；当EA引脚接低电平（开关接B点）时，片内ROM被禁用，全部64KB地址都在片外ROM中（图中直线）。,第2章MCS-51单片机结构及原理,2.片内程序存储器(ROM),作用：存放程序、表格或常数，具有非易失性字长：8位数量：4KB（80C51）,1KB=1024字节（003FFH）4KB=4096字节（00FFFH）8KB=8192字节（01FFFH）,4KB片内ROM,第2章MCS-51单片机结构及原理,ROM的6个特殊存储器单元引导汇编程序跳转0000H：复位后程序自动运行的首地址0003H：外部中断0入口地址000BH：定时器0溢出中断入口地址0013H：外部中断1入口地址001BH：定时器0溢出中断入口地址0023H：串行口中断入口地址程序一般应安排在0030H地址以后,第2章MCS-51单片机结构及原理,3.片内数据存储器(RAM),作用：存放程序运行结果字长：8位数量：256B（80C51）,30H,低128B（00H7FH）为普通RAM区高128B（80HFFH）为特殊功能寄存器区,第2章MCS-51单片机结构及原理,(1)低128字节的区域工作寄存器区（00H-1FH）可位寻址区（20H-2FH）用户RAM区（30H-7FH）,第2章MCS-51单片机结构及原理,区共有32个字节单元（分4组每组8单元，工作寄存器R0R7）任一时刻CPU只能选用一组工作寄存器为当前工作寄存器组,通过PSW的RS1和RS0标志位（工作寄存器组指针）进行设置,CPU复位后RS1和RS0默认值为0，即默认第0组为当前工作寄存器组。,第2章MCS-51单片机结构及原理,区共有16个字节单元（字节地址20H2FH），又可分为128个位单元（位地址00H7FH）可以两种方式存取数据。,第2章MCS-51单片机结构及原理,低128字节（00H7FH）,其中真正用户能用到得只有20H7FH共96个字节；故一般需要扩展片外存储器。,其中20H2FH为位寻址（重点），故可设位变量。sbitp20=P20;sbitp21=P21;Ifp20=1thenp21=0,区共有80个字节单元（30H7FH），是用户RAM区。,此区可作为堆栈区和中间数据存储区使用。,【注意】：51单片机片内RAM中，区和区只能按字节进行数据存取操作，区则可按字节和位两种方式存取操作。,第2章MCS-51单片机结构及原理,（2）高128字节RAM区,在80HFFH的高128字节RAM区中，离散地分布有21个特殊功能寄存器SFR（SpecialFunctionRegister)，又称为特殊功能寄存器区。,30H,SFR是单片机内部资源的组织、管理单元,第2章MCS-51单片机结构及原理,字节地址末位是0或8的SFR，都具有位地址。,已讲过,2.1MCS-51单片机结构2.2MCS-51的存储器结构2.3单片机的复位、时钟与时序2.4并行I/O口,第2章MCS-51单片机结构及原理,复位使单片机恢复原始默认状态的操作。,1.复位与复位电路,除P0P3、SP、SBUF外，其余寄存器的复位初值均为0,第2章MCS-51单片机结构及原理,复位条件,在RST/VPD引脚端出现满足复位时间（10ms）要求的高电平（3V）状态。,复位方式,上电复位按键复位复合复位,第2章MCS-51单片机结构及原理,CPU微操作必须在统一的时钟控制下才能正确进行。,2.时钟电路,内部时钟方式,微调电容:C1、C230pF晶振：石英晶体封裝,80C51时钟振荡频率通常为612MHz,外部时钟方式,第2章MCS-51单片机结构及原理,时序是各种微操作动作在时间上的顺序关系,3.CPU时序,（1）时序的概念,时序关系：在时钟信号CL触发下，输出端Q电平具有跟随输入端D电平的功能，在没有CL触发时，D与Q端是信号隔离的数字锁存功能。,D触发器逻辑符号,第2章MCS-51单片机结构及原理,时序的定时单位共有4个参数：拍（或振荡周期）P、状态周期（或时钟周期）S、机器周期、指令周期,一个状态（S）包含2个拍（P）;一个机器周期由6个S或12个P组成；一个指令周期约为14个机器周期。,第2章MCS-51单片机结构及原理,2.1MCS-51单片机结构2.2MCS-51的存储器结构2.3单片机的复位、时钟与时序2.4并行I/O口,第2章MCS-51单片机结构及原理,2.4并行I/O口,MCS-51单片机有4个8位的并行I/O端口，记作P0P3。每个端口都包含一个同名的特殊功能寄存器，P0P3。对并行IO口的控制是通过对同名特殊功能寄存器的控制实现的。,1.P1口,P1.n=1个锁存器+1个场效应管驱动器V+2个三态门缓冲器,P1口包含P1.0P1.7共八个相同结构的电路,P1.0P1.7中的8个锁存器组合成1个SFRP1（90H）,第2章MCS-51单片机结构及原理,P1口具有输出、读引脚、读锁存器三种通用IO口工作方式,输出时：D端=1/Q=0V截止P1.n=1D端=0/Q=1V导通P1.n=0,V,2,1,读引脚时：P1.n读引脚三态门1内部总线,读锁存器时：Q端读锁存器三态门2内部总线,第2章MCS-51单片机结构及原理,场效应管V的状态会影响P1.n的状态：如V导通P1.n电平0（钳位）读引脚可能出错,可见，P1口作为输入口时是有条件的（应先写1），而输出时无条件，因此，称P1口为准双向口。,V,为正确读出P1.n引脚电平，需设法在读引脚前先使V截止令D=1/Q=0V截止读P1.n不会出错,第2章MCS-51单片机结构及原理,2.P3口,P3.n=1个锁存器+2个三态缓冲器+1个第二功能控制单元+1个输出驱动单元,第2章MCS-51单片机结构及原理,P3口具有通用IO口工作方式+第二功能方式,输出时：D端=1Q=1V截止P3.n=1D端=0Q=0V导通P3.n=0读引脚时：P3.n读引脚三态门1内部总线（需先写1）读锁存器时：Q端读锁存器三态门2内部总线,3,4,1,2,第二输入功能,V,第二输出功能=“1”(与非门开锁),第2章MCS-51单片机结构及原理,P3口的第二功能方式：,输出时：第二输出功能=1与非门输出0V截止P3.n=1第二输出功能=0与非门输出1V导通P3.n=0输入时：P3.n驱动门4第二输入功能（也需先使V截止）,D端写“1”(与非门开锁),3,4,1,2,第二输入功能,V,第2章MCS-51单片机结构及原理,P3口第二功能定义,第2章MCS-51单片机结构及原理,3.P0口,P0.n=1个锁存器+2个三态缓冲器+1个输出控制电路（非门X+与门A+电子开关MUX）+1个输出驱动电路（场效应管V2+V1）,P0口可作为通用I/O口实现输入/输出功能，也可作为单片机地址/数据线实现外设扩展功能。,第2章MCS-51单片机结构及原理,漏极开路与上拉电阻的概念,封锁与门A0地址/数据端与A输出无关,控制端=0MUX下通/Q与V1栅极直通,V2截止V1漏极开路,第2章MCS-51单片机结构及原理,为使漏极开路的V1有效，必须通过外接上拉电阻与电源连通，上拉电阻的阻值一般为10k。,注意：P1、P2、P3口无需外接上拉电阻（已有内部上拉电阻）,第2章MCS-51单片机结构及原理,P0口的通用IO口工作方式（控制端=0）,输出时：D端=1/Q=0V1截止P0.n=1D端=0/Q/=1V1导通P0.n=0读引脚时：P0.n读引脚三态门1内部总线（需要先写“1”）读锁存器：Q端读锁存器三态门2内部总线,第2章MCS-51单片机结构及原理,P0口的地址/数据分时复用方式（控制端=1）,“地址/数据”端无条件输入/输出，是严格意义上的双向口“地址/数据”方式下没有漏极开路问题，无需外接上拉电阻,第2章MCS-51单片机结构及原理,4.P2口,P2.n=1个锁存器+2个三态缓冲器+1个输出控制单元+1个输出驱动单元,V,第2章MCS-51单片机结构及原理,P2口可以实现通用I/O口和地址输出口两种功能,输出时：D端=1Q端=1V截止P2.n=1D端=0Q端=