MCS-51单片机的结构和原理

第2章MCS-51单片机的结构和原理,教学目标2.1MCS-51单片机的内部结构2.2MCS-51单片机引脚及其功能2.3MCS-51单片机存储器2.4MCS-51单片机工作方式2.5MCS-51时钟电路与时序本章小结思考题与习题,本章主要介绍MCS-51单片机的内部结构、引脚功能、存储器结构、四个I/O口的基本工作原理和操作特点。单片机的各种工作方式、单片机的时序等。,教学目标,1.了解MCS-51单片机内部结构。2.熟悉MCS-51单片机40个引脚及其功能。3.熟悉MCS-51三个不同存储空间配置及地址范围，了解不同存储空间的操作指令和控制信号。4.熟悉MCS-51片内RAM低128B分区结构和作用。5.了解特殊功能寄存器地址分布范围，理解ACC、B、SP、DPTR的作用和功能，重点掌握PSW结构组成和各位作用。,通过本章教学，要求达到以下目标：,6.理解程序计数器PC的功能。7.了解MCS-514个I/O端口结构及工作原理。8.了解堆栈指针SP及堆栈的作用，掌握堆栈的设置及使用方式；9.熟悉MCS-51复位条件、复位电路和复位后常用的SFR的状态。10.理解时钟电路组成、时钟和机器周期的概念。,2.1MCS-51单片机的结构,51子系列的配置如下：,（1）8位CPU；（2）振荡频率1.212MHz（ATMEL51单片机可到24MHz）；（3）128个字节片内数据存储器（片内RAM，52型为256字节）；（4）21个专用寄存器(包含特殊功能寄存器组)；（5）4KB或4KB-32KB的片内程序存储器（8031无）；（6）8位并行I/O口P0，P1，P2，P3；（7）一个全双工串行I/O口；（8）2个16位定时器/计数器；（9）5个中断源，分为2个优先级,2.1MCS-51单片机的结构,图2.1MCS-51单片机内部结构框图,1)中央处理器（CPU）,单片机的核心，完成运算和控制功能。MCS-51的CPU能处理8位二进制数或代码。,2)内部数据存储器（内部RAM）,共有256个RAM单元，但其中高128单元被专用寄存器占用，能作为寄存器供用户使用的只是前128单元，用于存放可读写的数据。因此通常所说的内部数据存储器就是指低128单元，简称内部RAM。,3)内部程序存储器（内部ROM）,共有4KB的ROM，用于存放程序、原始数据或表格，因此，称之为程序存储器，简称内部ROM。,4)定时/计数器,共有两个16位的定时/计数器，以实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果对计算机进行控制。,5)并行I/O口,共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2、P3），以实现数据的并行输入/输出。,6)串行口,有一个全双工的串行口，以实现单片机和其它设备之间的串行数据传送。,7)中断控制系统,有5个中断源，即外中断两个，定时/计数中断两个，串行中断一个。全部中断分为高级和低级共两个优先级别。,8)时钟电路,内部有时钟电路，但晶振（频率一般为6MHz和12MHz）和微调电容（一般采用22p到33p）需外接。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列。,2.2MCS-51单片机引脚及其功能,MCS-51有40条引脚，与其他51系列单片机引脚是兼容的。这40条引脚可分为I/O端口线(32)、电源线(2)、控制线(6)、外接晶体线(2)四部分。封装形式有两种：双列直插封装(DIP)形式和方形封装形式，如图2.2所示。,图2.1MCS-51单片机内部结构框图,图2.2MCS-51封装和引脚分配图(a)双列直插式封装(b)方形封装,这40条引脚可分为：I/O端口线(32)控制线(6)电源线(2)(9-6号)外接晶体线(2),1主电源引脚（2）VCC(40脚)：接+5V电源。VSS(20脚)：接地端。,2外接晶体引脚（2）XTAL1(19脚)，XTAL2(18脚)：接外部石英晶体的二端。在单片机内部，它们是一个反相放大器的输入/输出端，与放大器构成了片内振荡器。时钟频率越高，单片机控制器的控制节拍就越快，运算速度也就越快。,P0,P1,P3,P2,3输入/输出引脚（32）,(1)P0口(3932脚)：P0.0P0.7统称为P0口。P0口是一个8位双向I/O口,可作为通用I/O接口,也可作为地址/数据分时复用口。输出级是漏极开路电路，必须外接上拉电阻。,3输入/输出引脚（32）,(2)P1口(18脚)：P1.0P1.7称为P1口P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,可作为通用I/O接口。,3输入/输出引脚（32）,(3)P2口(2128脚)：P2.0P2.7统称为P2口P2口也是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,可作为通用I/O接口，还用于提供高8位地址。,3输入/输出引脚（32）,(4)P3口(1017脚)：P3.0P3.7统称为P3口。P3口也是一个带上拉电阻的8位双向I/O口，可作为通用I/O接口，还具有第2功能。,3输入/输出引脚（32）,表2.3P3口各位的第二功能,在单片机中，口是一个集数据输入缓冲、数据输出驱动及锁存等多项功能于一体的I/O电路。MCS-51的4个口在电路结构上基本相同，P0P3口都可作为普通I/O口来使用。但又各具特点，因此在功能和使用上各口之间有一定的差异。用作输入时，均须先写入“1”；P0口用作输出时，应外接上拉电阻。,I/O口的读写,(1)ALE/PROG(30脚)：地址锁存有效信号输出端。当访问外部存储器时，ALE信号负跳变将P0口上低8位地址送入锁存器非访问外部存储器期间，ALE以1/6振荡频率输出,4控制线（6）,(2)PSEN(29脚)：访问外部程序存储器（ROM）选通信号，低电平有效。在访问片外数据存储器期间，PSEN信号将不出现。,4控制线（6）,(3)RST/VPD(9脚)：复位端。持续两个机器周期的高电平，就可实现复位操作，使单片机回复到初始状态。上电时，考虑到振荡器有一定的起振时间，该引脚上高电平必须持续10ms以上才能保证有效复位。,第二章单片机结构和时序,4控制线（6）,(4)EA/VPP(31脚)：EA为片外程序存储器选用端。,4控制线（6）,为高电平时，默认使用内部ROM，超过4K则使用片外ROM为低电平，则使用外部ROM。,2.3MCS-51单片机存储器,MCS-51单片机存储器结构采用哈佛型结构，即将程序存储器(ROM)和数据存储器(RAM)分开，它们有各自独立的存储空间、寻址机构和寻址方式。其典型结构如图2.7所示。,内部数据存储器（内部RAM）,共有256个RAM单元，但其中高128单元被专用寄存器占用，能作为寄存器供用户使用的只是前128单元，用于存放可读写的数据。因此通常所说的内部数据存储器就是指低128单元，简称内部RAM。,内部程序存储器（内部ROM）,共有4KB或以上的ROM，用于存放程序、原始数据或表格，因此，称之为程序存储器，简称内部ROM。,图2.7MCS-51存储器结构图(a)程序存储器地址分配；(b)数据存储器地址分配,FFH,1FH,2.3.1程序存储器（以片内4KB为例）,1、MCS-51程序存储器有片内和片外之分。,2、控制引脚/EA决定使用片内外存储器。,3、片内4KB字节的程序存储器，地址范围为0000H0FFFH。,4、片外程序存储器扩展的最大空间是64KB，地址范围为0000HFFFFH。,5、片内外的ROM是统一编址。,2.3.2数据存储器,1、MCS-51数据存储器也有片内和片外之分。,2、片内有256个字节RAM，地址范围为:00HFFH。,3、低128字节为一般RAM区（地址为00H7FH），高128字节（地址为80HFFH）为特殊功能寄存器(SFR)区。,4、片外数据存储器可扩展64KB存储空间，地址范围为0000HFFFFH。,MCS-51单片机片内数据存储器256字节可分为两部分：00H7FH单元空间的128字节为RAM区；7FHFFH单元空间的128字节为专用寄存器(SFR)区。,1.片内数据存储器,MCS-51单片机可扩展片外64KB空间的数据存储器，地址范围为0000HFFFFH。,2片外数据存储器,1.片内数据存储器,(1)片内RAM区：低128单元共128字节，它又可划分为通用寄存器区、位寻址区、普通RAM区。,表2.4MCS-51片内数据存储器,位寻址区,工作寄存器区,数据缓冲区,通用寄存器区：寄存器常用于存放操作数中间结果等。00H1FH这32个单元为通用寄存器区，共有4组寄存器，每组8个寄存单元（各为8），各组都以R0R7作寄存单元编号。程序中每次只用1组，到底是哪一组，由程序状态字寄存器PSW中RS1、RS0位的状态组合来决定。,工作寄存器区,工作寄存器区,每次只用1组！,工作寄存器组的选择表,表2.4MCS-51片内数据存储器,位寻址区,数据缓冲区,工作寄存器区,位寻址区：20H2FH这16个单元为位寻址区。它有双重寻址功能，既可以按位寻址操作，也可以普通RAM单元那样按字节寻址操作。位寻址区共有16个RAM单元，计128位，地址为00H7FH。,47,片内RAM位寻址区的位地址,位操作：SETB7FHSETB2FH.7,表2.4MCS-51片内数据存储器,位寻址区,数据缓冲区,工作寄存器区,普通RAM区：30H7FH这80个单元为普通RAM区。用于存放用户数据，只能按字节存取。对用户RAM区的使用没有任何规定或限制，但在一般应用中常把堆栈开辟在此区中。,数据缓冲区,堆栈区：堆栈是片内RAM中的特殊群体。用来暂时存放诸如子程序端口地址、中断端口地址以及其它需要保护的数据。,(2)专用寄存器区：高128单元,片内80HFFH区间，MCS-51集合了一些特殊用途的寄存器，专用于控制、管理片内算术逻辑部件、并行I/O口、串行I/O口、定时器/计数器、中断系统等功能模块的工作。一般称之为特殊功能寄存器SFR（SpecialFunctionRegister）。,表2.5MCS-51特殊功能寄存器一览表,表2.5MCS-51特殊功能寄存器一览表（续）,54,(1)程序计数器（PCProgramCounter）PC是一个16位的计数器，它的作用是控制程序的执行顺序。其内容为将要执行指令的地址，寻址范围达64KB。PC有自动加1功能，从而实现程序的顺序执行。PC没有地址，是不可寻址的，因此用户无法对它进行读写。因地址不在SFR（专用寄存器）之内，一般不计作专用寄存器。,MCS-51单片机共有21个SFR，每个SFR占一个RAM单元。它们离散地分布在80HFFH地址范围内。现把其中部分寄存器简单介绍如下：,55,(2)累加器（ACCAccumulator）。累加器为8位寄存器，是最常用的专用寄存器。它既可用于存放操作数，也可用来存放运算的中间结果。MOVA,#03H;A3ADDA,#05H;AA+5,56,(3)通用寄存器B（GeneralPurposeRegister）。B寄存器是一个8位寄存器，主要用于乘除运算。乘法运算时，B存乘数。乘法操作后，乘积的高8位存于B中。除法运算时，B存除数。除法操作后，余数存于B中。此外,B寄存器也可作为一般数据寄存器使用。MOVA,#03H;A3MOVB,#05H;B5MULAB;BAA*B=3X5,程序状态字PSW是一个8位的标志寄存器，它用来存放指令执行结果的特征信息，以供程序查询和判别。其各位的定义如下：,进位标志位Cy,(4)程序状态字（PSWProgramStatusWord）。,辅助进位(或称半进位)标志位,用户自定义标志位F0,工作寄存器组选择位RS1、RS0,溢出标志位OV,奇偶标志位P,预留,进位标志位Cy(PSW.7)：在执行某些算术操作类、逻辑操作类指令时，它表示运算结果是否有进位或借位。如果在最高位有进位(加法时)或有借位(减法时)，则Cy=1，否则Cy=0。可被硬件或软件置位或清零。,辅助进位(或称半进位)标志位AC(PSW.6)：它表示两个8位数运算，低4位有无进(借)位的状况。当低4位相加(或相减)时，若D3位向D4位有进位(或借位)，则AC=1，否则AC=0。在BCD码运算的十进制调整中要用到该标志。,用户自定义标志位F0(PSW.5)：用户可根据自己的需要对F0赋予一定的含义，通过软件置位或清零，并根据F0=1或0来决定程序的执行方式，或反映系统某一种工作状态。,工作寄存器组选择位RS1、RS0(PSW.4、PSW.3)：可用软件置位或清零，用于选定当前使用的4个工作寄存器组中的某一组,溢出标志位OV(PSW.2)：OV是带符号数运算的溢出标志，当运算结果超出机器所能表示的范围（-128+127）时称溢出。如发生溢出，则OV=1；否则OV=0。执行加/减运算时，OV的值为最高位进位和次高位进位的异或，即OVC7C6,(C7第7位的进位，C6第6位的进位)执行乘法指令MULAB时，积255时OV=1，否则OV=0。执行除法指令DIVAB也会影响OV标志，如B中所放除数为0，OV=1,否则OV=0。,奇偶标志位P(PSW.0)：在执行指令后，单片机根据累加器A中1的个数的奇偶自动给该标志置位或清零。若A中1的个数为奇数，则P=1，否则P=0。该标志对串行通信的数据传输非常有用，通过奇偶校验可检验传输的可靠性。,程序状态字可反映运算结果的状态，下面以加法指令为例进行说明。例：分析执行下列指令序列后，A、Cy、AC、OV、P的内容是什么？MOVA，#79HADDA，#58H,答：该指令序列的功能是将79H+58HA。计算过程如下：（79H）01111001+（58H）01011000（D1H）11010001指令执行后，A=D1H，最高位无进位，故y=0；低半字节有进位，AC=1；OV=C7C601=1，发生溢出；A中1的个数为偶数，故P=0。,64,(5)数据指针（DPTR）数据指针为16位寄存器。DPTR通常在访问外部存储器时作地址指针使用，存放要访问的片外RAM/ROM的地址。DPTR既可以按16位寄存器使用，也可以按两个8位寄存器分开使用，即：DPHDPTR高位字节DPLDPTR低位字节,65,堆栈是按“先进后出”的原则存取数据的RAM区域。堆栈共有两种操作：进栈和出栈。,图2.8堆栈结构图,栈顶,栈底（可用软件设置）,35H34H33H32H31H30H,66,(6)堆栈指针（SPStackPointer）：用来存放堆栈的栈顶地址的寄存器。,图2.8堆栈结构图,栈顶,栈底（可用软件设置）,35H34H33H32H31H30H,XXH,XXH,XXH,XXH,XXH,栈顶,PUSH,POP,栈顶,XXH,67,SP是一个8位寄存器。系统复位后，SP的内容为07H，复位后堆栈实际上是从08H单元开始。08H1FH单元分别属于工作寄存器13区，如程序要用到这些区，最好把SP值改为1FH或更大的值。,68,一般在内部RAM的30H7FH单元中开辟堆栈。SP可初始化为不同值，因此堆栈位置是浮动的。例：MOVSP,#70HMOVA,#XPUSHACCSP=70HA=XSP=SP+1=71H(71H)=X,69,此处，只集中讲述了6个专用寄存器，其余的专用寄存器（如TCON、TMOD、IE、IP、SCON、PCON、SBUF等）将在以后章节中陆续介绍。,表2.5MCS-51特殊功能寄存器一览表,表2.5MCS-51特殊功能寄存器一览表（续）,1、没有被SFR占据的地址在片内并不存在。2、特殊功能寄存器通常用寄存器寻址，但也可以用直接寻址方式进行字节访问。3、其中11个寄存器还可进行位寻址（表2.5中带*号的寄存器）操作。,说明：,表2.6SFR中的位地址分配,MCS-51单片机可扩展片外64KB空间的数据存储器，地址范围为0000HFFFFH，它与程序存储器的地址空间是重合的，但两者的寻址指令和控制线不同。如表2.7所示。,2片外数据存储器,表2.7存储器的访问指令及控制线,ROM、RAM扩展示意电路图,2.4MCS-51单片机的工作方式,2.4.1复位方式2.4.2程序执行方式单步执行连续执行2.4.3节电工作方式掉电方式空闲方式2.4.4编程和校验方式,MCS-51系列单片机的复位引脚RST上只要出现10ms以上的高电平，单片机就实现复位。,2.4.1复位方式,一、复位状态,与其它计算机一样，MCS-51单片机系统常常有上电复位和按钮复位两种方法。所谓上电复位，是指计算机加电瞬间，要在RST引脚上出现大于10ms的正脉冲，使单片机进入复位状态。按钮复位是指用户按下复位按钮，使单片机进入复位状态。,二、复位电路,79,程序执行方式是单片机基本工作方式，可分为连续执行工作方式和单步执行工作方式。1连续执行工作方式单片机复位后，PC值为0000H，因此单片机复位后立即转到0000H处执行程序，自动连续地执行下去。2单步执行工作方式这是用户调试程序的一种工作方式，在单片机开发系统上有一专用的单步按键（或软件调试环境）。,2.4.2程序执行方式,节电工作方式是减少单片机功耗的工作方式，通常分为空闲（等待）方式和掉电（停机）方式两种。只有CHMOS型器件才有这种工作方式。,正常工作电流：1120mA空闲状态电流：1.75mA掉电状态电流：550A,节电工作方式由SFR中的PCON寄存器进行控制：,2.4.3节电工作方式,节电工作方式由SFR中的PCON寄存器进行控制：,PD掉电控制位IDL空闲控制位,Idle（空闲）,PowerDown,一、掉电方式,执行指令：MOVPCON，02H进入掉电方式：,PD1/PD=0M11,时钟发生器停止工作，片内所有功能部件停止工作，但RAM和SFR中的内容保持不变。ALE和/PSEN信号为低电平。在掉电期间，VCC可以降为2V（允许用电池供电），但必须待VCC恢复为5V后一段时间，才允许退出掉电模式。,退出掉电方式：硬件复位。,二、空闲方式,执行指令：MOVPCON，01H进入空闲方式：,IDL1/IDL=0M20,CPU停止工作，但中断、串行口和定时模块等可以继续工作。此时、RAM和SFR中的内容保持不变。ALE和/PSEN信号为高电平。CPU进入空闲状态后是不工作的，但各功能部件保持了进入空闲状态前的内容，且功耗很少。,退出空闲的方法：1、让被允许中断的中断源发出中断请求，当CPU响应中断后会自动使IDL0。2、硬件复位，在RST引脚上送一个脉宽大于24个时钟周期的脉冲。,空闲状态的应用：自学。,编程是指利用特殊手段对单片机片内ROM进行写操作的过程。校验则是对写入的程序代码进行读出验证的过程。,2.4.4编程和校验方式,86,内部振荡方式：在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器（简称晶振）如图所示。,内部振荡方式,2.5.1时钟电路单片机的时钟信号用来提供单片机内各种微操作时间基准，8051单片机的时钟信号通常有两种电路形式：内部振荡方式和外部振荡方式。,2.5单片机的时钟电路和时序,87,8XX51,外部振荡方式是把已有的时钟信号引入单片机。外部振荡方式如图所示。,对HMOS的单片机外部时钟信号由XTAL2引入，对于CHMOS的单片机，外部时钟由XTAL1引入。,88,时序：CPU在执行指令时所需控制信号的时间顺序称为时序。时序是用定时单位来描述的，MCS-51的时序单位有四个，分别是时钟周期（节拍）、状态、机器周期和指令周期。,2.5.2MCS-51的时序,89,时钟周期：又称为振荡周期、节拍（用P表示），定义为单片机提供时钟信号的振荡源（OSC）的周期。它是时序中的最小单位。2.状态（用S表示）：每个状态周期为时钟周期的2倍,是振荡源经二分频后得到。一个状态有两个节拍，前半周期对应的节拍定义为P1，后半周期对应的节拍定义为P2。,90,3.机器周期：通常将完成一个基本操作所需的时间称为机器周期。MCS-51中规定一个机器周期包含12个时钟周期，即有6个状态，分别表示为S1S6。若晶振为6MHz，则机器周期为2s，若晶振为12MHz，则机器周期为1s。4.指令周期：执行一条指令所需要的时间称为指令周期。它是时序中的最大单位。一机器周期数越少的指令，其执行速度越快。以机器周期为单位，指令可分为单周期、双周期和四周期指令。,91,例：单片机外接晶振频率12MHZ时的各种时序单位：振荡周期=1/fosc=1/12MHZ=0.0833us状态周期=2/fosc=2/12MHZ=0.167us机器周期=12/fosc=12/12MHZ=1us指令周期=(14)机器周期=14us,MCS51系列单片机的一个机器周期包含6个状态周期。我们用S1、S2、S6表示，每个状态周期的2个振荡节拍用P1、P2表示，则一个机器周期包括12个时钟周期，不同周期、不同字节数的指令时序不同。,一个机器周期包括12个时钟周期,93,2.5.3MCS-51指令的取指/执行时序,单片机执行任何一条指令时都可以分为取指阶段和执行阶段，ALE信号每出现一次该信号，单片机即进行一次读指令操作。MCS-51共有111条指令。按其字节长度可分为：单字节指令、双字节指令、三字节指令。按其执行指令时间可分为：单周期指令、双周期指令、四周期指令。,94,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。一个机器周期包含12个振荡频率，ALE二次出现，有效宽度为一个状态。,计算出一个机器周期ALE出现几次？,95,（1）单字节单周期指令：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。,单字节单周期指令例：INCA,96,（2）双字节单周期指令：ALE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）。,双字节单周期指令例：ADDA，#data,97,（3）单字节双周期指令：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。,97,单字节双周期指令例：INCDPTR,存储器的访问指令及控制线,访问外部ROM的时序,MOVCA,A+DPTR;A（ADPTR）,作业,2.22.32.42.62.72.82.112.13,2.152.162.22,本章小结,1单片机是将微处理器、存储器和I/O接口等电路集成在一块芯片上所形成的微型计算机。因此，它比微机体积更小，价格更低，因而在某些场合使用得更加广泛。,289C51单片机有40个引脚，采用双列直插的封装形式，每个引脚都有其特定功能。这40个引脚按功能可分为四大类：电源线、I/O线、时钟输入线和控制线。,3中央处理器CPU是单片机的核心部件，它主要由运算器、控制器和专用寄存器组构成。运算器完成各种算术和逻辑运算，控制器对单片机内部各部件进行管理和控制，使它们统一、协调地