单片机原理与应用 第二章 mcs51的基本结构及工作原理

主要掌握,基本组成（内部资源）存储器的配置I/O口的应用功能时序及电路工作方式,第二讲 MCS-51系列单片机系统结构,第一节 MCS-51系列单片机的结构,/,8KB,8052,/,/,8032,52子系列,4KB,/,8751,/,4KB,8051,/,/,8031,51子系列,MCS-51,EPROM,掩膜MOS,存储器类型单片机系列,MCS-51系列单片机是因特公司1980推出的高档8位机分为二个子系列：,一 、基本组成框图(内部结构框图),内部各单元介绍（1）,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、Flash Memory(闪存)3、随机存取存取器RAM（128B/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 UART （二线） 串行通信、扩展I / O接口芯片,内部各单元介绍（2）,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。,二 、8051单片机对外引脚,引脚分布如右图,芯片封装(Footprint)样式,PLCC44(CHMOS系列),DIP(HMOS系列),(1)电源引脚（2个）:Vcc+5V,VssGND(2)时钟和控制引脚(6个): XTAL1,XTAL2 RST/Vpd(3)端口引脚(32个)： P0.0P0.7(P0口8个) P1.0P1.7(P1口8个) P2.0P2.7(P2口8个) P3.0P3.7(P3口8个),引脚分类和功能,时序电路及时序,时钟的产生： XTAL1（19）、XTAL（18）。 1、内部方式 与作为反馈元件的片外晶体或陶瓷谐振器一起组成 一个自激振荡器。 2、外部方式 CMOS工艺的8031，其XTAL1接外信号；XTAL2 可悬空。HMOS工艺的8031，其XTAL2接外信号； XTAL1接地。,采用外接晶振的时钟电路,复位引脚和复位电路,RST / VPD 当出现两个机器周期高电平时，单片机复位 。 复位后，P0 P3 输出高电平；SP寄存器为07H；其它寄存器全部清0；不影响RAM状态。,其它控制引脚,ALE / PROG 地址锁存控制端 提供1/6 fosc振荡频率；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,= 1 时，访问内部程序存储器,即内ROM,EA,/ Vpp 内外ROM选择端,= 0 时，只访问外部程序存储器,即外ROM,对于8751单片机编程时，该端施加编程电压,输入/输出引脚,四个8位的I / O口，还兼作地址/数据线。,三总线的概念,地址总线 AB，P0口提供（A7 A0）； P2口提供（A15 A8），共16位。数据总线 DB，P0口提供（D7 D0），共8位。控制总线 CB，ALE 、 、 、 、 等。,MCS-51单片机系统三总线的构成,三、MCS-51单片机的存储器,5个独立的存储空间片内/片外程序存储器64KB（00000FFFFH）128B的片内数据存储器（007FH）128B特殊功能寄存器SFR（800FFH离散分布）位寻址空间256位（位地址00H0FFH）片外数据存储器64KB（00000FFFFH）,存储器图示,数据存储器,（一）程序存储器空间,寻址范围：0000H - FFFFH 容量64KB，即地址长度：16位,，寻址内部ROM；,，寻址外部ROM。,当PC值超过片内ROM容量时会自动转向外部存储器空间。,作 用： 存放程序及程序运行时所需的常数。,复位入口地址和中断入口地址,0000H 系统复位，PC指向此处； 0003H 外部中断0入口 000BH T0溢出中断入口 0013H 外中断1入口 001BH T1溢出中断入口 0023H 串口中断入口 002BH T2溢出中断入口,（二）内部数据存储器存储器空间,物理上分为两大区域：00H 7FH即128B内RAM区 80H FFH即SFR区。,位寻址区,位寻址区（20H2FH）16个字节。16*8=128位，每一位都有一个位地址，范围为：00H7FH，位地址区也可作为一般RAM使用。,（三）特殊功能寄存器SFR(Special Function Register),MCS-51单片机内共有22个特殊功能寄存器，包括PC等。PC为程序计数器。它是一个双字节寄存器,寻址范围为: 0000H FFFFH，即0 64KB。特殊功能寄存器。其寻址空间：80H FFH 其中，51子系列有18个寄存器，占有21个字节； 52子系列有21个寄存器，占有26个字节。,51子系列SFR地址分配和位地址（1）,51子系列SFR地址分配和位地址（2）,+,+,说明,注意：1、表中共有5个双字节寄存器。2、PC也为双字节寄存器，但是不在80H FFH 范围内。 3、表中，凡地址能被8整除的寄存器都是可位 寻址的寄存器。,1算术运算寄存器,1、算术运算寄存器（1）A累加器。（2）BB寄存器，乘、除法运算用。（3）PSW程序状态字寄存器：包含程序运 行状态、信息。,2 程序状态字PSW(Program State Word),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。 0 0 ： 0区 R0-R7 0 1 ： 1区 R0-R7 1 0 ： 2区 R0-R7 1 1 ： 3区 R0-R7,3 指针寄存器,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。堆栈指针SP 指明栈顶元素的地址，8位，可软件设置初值，复位时SP = 07H。数据指针DPTR DPTR；指明访问的数据存储器的单元地址，16位，寻址范围64KB。 DPTR = DPH + DPL，也可单独使用。,4 输入/输出端口的寄存器,并行输入/输出端口 寄存器P0、P1、P2、P3实为相应端口锁存器。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，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。,5 中断系统和定时器的SFR,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。,（1）内部RAM 20H-2FH共16个单元可按位寻 址128位。（2）SFR 80H-FFH 51子系列，有11个寄存 器，83位；52子系列，有12个寄存器，93位。,（四）位寻址空间,（五）外部数据存储器空间,（1）容量最大扩展到64KB （2）寻址范围：0000H-FFFFH （3）寻址方式：间接寻址可用R0，R1,DPTR,三、 CPU时序,时钟的基本概念 启动单片机后，指令执行顺序：,时序图,机器周期和时钟周期（1）,以上是单周期单字节指令在执行过程中ALE脉冲、取指 操作、执行操作等在时间上的先后关系。时序的定义： 单片机内的各种操作都是在一系列脉冲控制下进行的，而各脉冲在时间上是有先后顺序的，这种顺序就称为时序。 执令周期：即从取指到执行完，所需时间。 不同机器指令周期不一样；即使相同机器，不同的 指令其指令周期也不一样。 机器周期：机器的基本操作周期。一个指令周期含若干机器周 期（单、双、四周期）,机器周期和时钟周期（2）,每个状态周期含两个振荡周期，即相位P1、P2。 振荡周期：由振荡时钟产生。 振荡周期Tosc = 1/fosc 一个机器周期 = 12个振荡周期 = 121/fosc 。 例如，若fosc = 12MHz，则一个机器周期 = 1s。,状态周期：一个机器周期分6个状态周期Si,单字节单周期指令例：INC A,双字节单周期指令例：ADD A，DATA,单字节双周期指令例：INC DPTR,指令时序分析,当ALE（ALE信号为振荡频率6分频）正跳变时，对应单片机进行一次读指令操作。一个机器周期二次出现，在S1P2和S2P1及S4P2和S5P1期间。有效宽度为一个状态。,（1）单字节单周期指令：INC A只需进行一次读指令操作（指令只有一个字节），当第二个ALE有效时，由于PC没有加1，读出的还是原指令。属于一次无效操作。,指令时序分析,（2）双字节单周期指令：ADD A，#dataALE两次读操作都有效，第一次读操作码（指令第一字节），第二次读立即数（指令第二字节）。,（3）单字节双周期指令：INC DPTR两个机器周期共进行四次读指令操作，但其后三次的读操作都是无效的。,CHMOS型单片机的节电工作方式,CHMOS型单片机提供两种省电工作方式：空闲方式(等待方式)和掉电方式(停机方式),由PCON控制。,空闲方式,特点:CPU不工作，中断、串行口、定时器继续工作, 耗电1.75mA;(2) CPU现场(SP,PC,PSW,ACC)、RAM和其他SFR保持不变，引脚保持进入空闲方式时状态，ALE和PSEN*保持高电平。进入方法：CPU执行置“1”PCON.0(IDL)指令 如：MOV PCON,#01H; IDL1退出方法：(1) 发生被允许的中断:内部硬件清除IDL,响应中断执行服务程序。(2) 硬件复位。RST引脚,掉电方式,特点： (1) 内部所有功能部件停止工作,内部RAM和寄存器维持不变,耗电在550uA,Vcc可以降至2V; (2) IO引脚状态和相关的SFR内容对应,ALE和PSEN*为低电平。进入方法:CPU执行置“1”PCON.1(PD)指令 如：MOV PCON,#02H; PD1退出方法:硬件复位,复位后SFR内容被初始化,RAM内容保持不变。,空闲方式的应用,假设有一个80C31数据采集系统在交流供电正常时完成所规定的全部功能，停电时只有80C31和外部RAM依靠备用电池供电，要求系统的实时时钟继续工作，外部RAM中的数据维持不变。 该系统的实时时钟由软件计时，T0产生1ms的定时中断，T0中断服务程序完成实时时钟计数及其它的定时操作，同时检测P10上的输入状态，若P10为低电平，则交流供电正常；若P10为高电平，则交流电将要停电或已经停电，这时置位GF0后返回。通常主程序是一个无限循环的程序，当查询到GF0为“1” 时激活空闲方式，该指令下面的程序为循环查询GF0的状态，以确定是否需要再次激活空闲方式。,空闲方式的应用,掉电方式的应用,若有一个80C31应用系统，停电时只需保持外部RAM中的数据不变。硬件电路框图加一个交流上电的复位电路。在交流电恢复供电时产生个复位信号，使器件退出掉电方式。 系统软件定时查询P10的状态，当查询到停电时，置“1”PCON.1(PD)使器件进入掉电工作方式，直至