第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构v1.0.0.ppt

第2章51系列单片机的硬件结构,了解单片机内部结构掌握单片机引脚定义与功能,重点掌握4根控制线的作用掌握存储器配置掌握寄存器和SFR的作用掌握P0P3口的结构及使用方法掌握单片机的时钟和复位电路构成,掌握复位后单片机工作状态了解单片机工作方式,学习目标,主要内容,2.1内部总体结构2.2引脚定义与功能2.3存储器配置2.4输入/输出接口2.5时钟电路与时序2.6复位和复位电路2.7工作方式,2.1内部总体结构,51子系列单片机的主要特点为：1个CPU，1个片内振荡器及时钟电路；4KBROM，128BRAM；21个特殊功能寄存器；32条可编程的I/O线（4个8位并行I/O接口）；可寻址64KB外部数据存储器和64KB外部程序存储器的控制电路；2个16位定时/计数器；5个中断源、2个优先级嵌套中断结构；1个可编程全双工串行接口；1个有位寻址功能、适于逻辑运算的位处理机。,51系列单片机的内部基本结构,按功能可分成8个部件，通过片内单一总线连接起来,1.微处理器,2.数据存储器,3.程序存储器,4.I/O口,5.串行口,6.定时/计数器,7.中断系统,8.特殊功能寄存器,控制方式：SFR对各功能部件集中控制,片内总线,1、中央处理器CPU其主要由运算电路和控制电路两大部分组成。1）运算电路:以算术逻辑单元ALU为核心，包括累加器ACC、寄存器B、程序状态字PSW和两个暂存寄存器TMP等。运算电路的基本结构如图所示。,主要部件的主要部件的基本组成及功能,算术逻辑单元是一个8位的全加器，它以两个暂存寄存器的内容作为加数和被加数，实现数据的算术逻辑运算、数据传输和程序转移等功能。数据运算的结果一般保存在累加器ACC（简称A)，数据运算和操作结果的状态由程序状态字PSW保存。寄存器B是为ALU进行乘除法运算而设置的，不作乘除运算时，寄存器B作为通用寄存器使用。累加器A是一个8位的寄存器，它是CPU中使用最频繁的寄存器。,2)控制电路:是保证单片机各部分能在程序运行过程中自动而协调工作的指挥枢纽，其核心部分是指令地址的计算、取指和指令译码。主要包括程序计数器PC、PC加1寄存器（PC增量）、指令译码器、定时与控制电路等。运算电路的基本结构如图。,指令执行时：单片机首先根据程序计数器PC和PC增量的指向从程序存储器中读取指令，并送入指令寄存器保存，经指令译码器译码后，送定时控制逻辑电路，由定时控制逻辑电路产生各种定时和控制信号，再送到系统的各个部件去进行相应的操作。这就是执行一条指令的全过程，执行程序就是不断重复这一过程。,2、位处理器单片机中的可位寻址数据存储器和程序状态寄存器PSW中的进位标志位CY构成了位处理器。主要处理指令系统中的位处理指令集（17条位操作指令)。3、内部数据存储器RAM51系列单片机中有128字节RAM，用于存放可读写的数据。4、内部程序存储器ROM51系列单片机中有4K字节ROM（4K8）程序存储器，用于存放程序和原始数据。5、定时/计数器两个16位的定时器/计数器，主要实现输入脉冲信号的计数或通过对系统时钟脉冲的计数实现定时功能。,主要部件的主要部件的基本组成及功能,6、并行I/O口有4个8位并行的输入/输出端口，是单片机芯片以并行方式实现外部设备扩展及与外部设备联络、通信、控制、数据传输的重要方式。7、串行口有一个全双工的串行口控制器，是单片机实现与其它外部设备之间串行数据传送的重要设备。8、中断控制系统51提供了5个中断源，为高级和低级两个优先级别。9、时钟电路时钟电路用于产生单片机工作所必需的时钟控制信号。,主要部件的主要部件的基本组成及功能,10、总线：就是连接单片机与系统中各部件的一组公共的信号线。,地址总线（AddressBus,简写AB）地址线A0A15共16位，P2口提供高8位地址A8A15，P0口经地址锁存器提供低8位地址A0A7。片外存储器可寻址范围达64KB（即=65536个字节）。数据总线(DataBus，简写DB)地址线D0-D7共8位，由P0口提供，分时输送低8位地址（通过地址锁存器锁存）和8位数据信息。控制总线(ControlBus，简写CB)控制总线由P3口的第二功能P3.6、P3.7和3根独立的控制线、和组成。,运算器,控制器,51系列单片机内部整体结构原理图,主要内容,2.1内部总体结构2.2引脚定义与功能2.3存储器配置2.4输入/输出接口2.5时钟电路与时序2.6复位和复位电路2.7工作方式,2.2引脚定义与功能,MCS-51系列单片机引脚功能及总线结构,各引脚的定义和功能,主电源引脚Vcc（40脚）：一般接+5V电源正端。Vss（20脚）：一般接+5V电源地端。外接晶体振荡器引脚XTAL1（19脚）：外接晶体振荡器的一端。XLAT2（18脚）：外接晶体振荡器的另一端。,2.2引脚定义与功能,2.2引脚定义与功能,控制线,RST/VPD（9脚）：复位/备用电源线。,（30脚）：地址锁存允许/编程线,（29脚）：片外程序存储器读选通信号输出端，低电平有效。,（31脚）：片外程序存储器选用端，低电平有效。,输入/输出口P0口（3932脚）：输入/输出线P0.0P0.7统称为P0口。P1口（18脚）：输入/输出线P1.0P1.7统称为P1口。P2口（2128脚）：输入/输出线P2.0P2.7统称为P2口。P3口（1017脚）：输入/输出线P3.0P3.7统称为P3口。,2.2引脚定义与功能,P3口的第二功能表,2.2引脚定义与功能,主要内容,2.1内部总体结构2.2引脚定义与功能2.3存储器配置2.4输入/输出接口2.5时钟电路与时序2.6复位和复位电路2.7工作方式,2.3存储器配置,微型计算机的存储器地址空间有两种结构形式：普林斯顿结构和哈佛结构。普林斯顿结构是将数据存储器和程序存储器空间合二为一，一个地址对应唯一的一个存储器单元，CPU访问ROM和RAM使用相同的指令；,2.3存储器配置,哈佛结构是将ROM和RAM分别安排在两个不同的地址空间，ROM和RAM可以有相同的地址，CPU访问ROM和RAM使用的是不同的指令。,51系列单片机采用的结构是哈佛结构。,51系列单片机存储器结构,51系列单片机存储器结构,51系列单片机存储器配置从物理地址空间上可分为片内、片外程序存储器与片内、片外数据存储器等4部分；由于片内、片外程序存储器统一编址，因此，从用户使用的角度，其寻址（逻辑地址）空间可划分为：片内外统一的64KB程序存储器、128B（对51子系列）或256B（对52子系列）内部数据存储器和64KB的外部数据存储器3个独立的地址空间。在访问这3个不同的逻辑空间时采用的是不同形式的指令。,物理上分为：4个空间，即片内ROM、片外ROM片内RAM、片外RAM逻辑上分为:3个空间，即程序内存（片内、外）统一编址MOVC数据存储器（片内)MOV数据存储器（片外）MOVX,2.3.1程序存储器,程序存储器用于存放编好的程序和表格常数，它由只读存储器ROM或EPROM或FLASH组成。程序存储器以程序计数器PC作为地址指针，通过16位地址总线，可寻址64KB的地址空间。1、编址与访问编址规律为：先片内，后片外，且片内和片外程序存储的地址不能重叠。=1为高电平时，先执行片内程序存储器的程序，当PC的内容超过片内程序存储器地址的最大值（51子系列为0FFFH，52子系列为1FFFH）时，将自动转去执行片外程序存储器中的程序;=0为低电平时，CPU从片外程序存储器中取指令执行程序。,MCS-51单片机复位、中断入口地址,程序地址空间原则上可由用户任意安排，但复位和中断服务程序的入口地址是固定的，用户不能更改。,2、程序的7个特殊入口地址,2.3.2外部数据存储器,MCS-51单片机具有扩展64KB外部数据存储器RAM和I/O端口的能力，外部数据存储器和I/O端口实行统一编址，并使用相同的控制信号、相同的访问指令MOVX和相同的寻址方式。,片外数据存储器按16位编址时，其地址空间与程序存储器重叠，但不会引起混乱，访问程序存储器是用信号选通，而访问片外数据存储器时，由信号（读）和信号（写）选通。访问程序存储器使用的是MOVC指令，访问片外数据存储器使用的是MOVX指令和寄存器间接寻址指令。,2.3.3内部数据存储器,片内通用RAM区分为工作寄存器区、位寻址区、数据缓冲区3个区域。,共128个字节，字节地址为00H7FH。00H1FH：32个单元，是4组通用工作寄存器区20H2FH：16个单元，可进行128位的位寻址30H7FH：用户RAM区，只能进行字节寻址，用作数据缓冲区以及堆栈区。,2.3.3内部数据存储器,1、工作寄存器区（00H1FH）工作寄存器分成4组，每组8个寄存器，用R0R7来表示。程序中每次只用1组，其它各组不工作。工作寄存器组的选择表如下图所示。,2、位寻址区20H2FH单元是位寻址区。这16个单元共128位的每一位都有对应的位地址，位地址范围00H7FH。,2FH,20H,字节地址,位地址,3、通用RAM区,30H7FH是通用RAM区，共80个单元一般用于存储用户数据,也称用户RAM区。由于工作寄存器区、位寻址区、用户RAM区统一编址，使用同样的指令访问。因此，前两个区未使用的单元也可作为用户RAM单元使用，使容量较小的片内RAM得以充分利用。52子系列片内RAM有256个单元，前两个区的单元数与地址都和51子系列的一致，用户RAM区却为0HFFH，有208个单元。,4、堆栈和堆栈指针,数据08H入栈示意图。,堆栈是一个特殊的RAM区，用来暂存数据和地址，它是按“先进后出”或“后进先出”的原则存取数据的，堆栈有入栈和出栈两种操作。堆栈指针（StackPointer，SP）是一个8位的特殊寄存器，用于指示堆栈在内部RAM中的位置。,数据08H出栈示意图,4、堆栈和堆栈指针（续）,堆栈指针SP的值随着入栈数据的增加而增大（向上生长型），随着出栈数据的增加而减小。,2.3.4特殊功能寄存器,特殊功能寄存器（简称SFR），也称为专用寄存器，共21个。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、中断系统等特殊功能模块的工作。12个SFR可进行位寻址，其字节地址的末位是0H或8H。引用这些位地址时，可用“寄存器.位”来表示。,特殊功能寄存器名称、表示符、地址、复位状态一览表,特殊功能寄存器名称、表示符、地址、复位状态一览表,特殊功能寄存器名称、表示符、地址、复位状态一览表,CY(PSW.7)进位标志:在加减法运算中,累加器A的最高位A7有进位,则CY=1,否则CY=0.同理,在减法运算中,如果A7有借位,则CY=1.因此CY往往作为无符号数运算是否有溢出的标志。AC(PSW.6):辅助进位位:用来判断加减法运算时,低四位是否向高四位进位或借位(既A3的进位或借位).往往用来判断压缩的BCD码的运算处理.F0(PSW.5)用户标志位:完全由用户来定义和使用。RS1,RS0工作寄存器区选择位:确定工作寄存器R0-R7在哪个区中.单片机在上电或复位后RS1、RS0=00。,程序状态字（PSW）说明：8位寄存器.表征程序执行的状态信息。,OV(PSW.2)溢出标志位:判断符号数加减法运算时是否有溢出.OV的结果可以用一个算法来表示:OV=CP异或CS其中:CP为A7的进位,CS为A6的进位OV=1表明有溢出。P(PSW.0)奇偶标志位:用来标志累加器A中运算后1的个数。当P=1时,表明A中1的个数为奇数个,反之为偶数个。,主要内容,2.1内部总体结构2.2引脚定义与功能2.3存储器配置2.4输入/输出接口2.5时钟电路与时序2.6复位和复位电路2.7工作方式,2.4输入输出接口,单片机内部有P0、P1、P2和P3共4个8位双向I/O口。P0P3的每个端口可按字节输入或输出，也可按位进行输入或输出，共32根口线，对于需要位控制的场合使用十分方便。P0为三态双向口，能驱动8个TTL电路；P1P3为准双向口，负载能力为4个TTL电路。如果外设需要的驱动电流大，可加接驱动器。,多路开关功能：用于控制选通I/O方式还是地址/数据输出方式方式控制：由内部控制信号产生,输入锁存器,两个输入缓冲器(BUF1和BUF2),推拉式I/O驱动器,2.4.1P0口,5）、P0R2为读引脚信号，执行“MOVA,P0”时该信号有效6）、读引脚（端口）时，输出锁存器应为“1”,说明：1）、当控制信号为0时，P0口做双向I/O口，为漏极开路（三态）2）、控制信号为1时，P0口为地址/数据复用总线（用于口扩展）3）、P0W为端口输出写信号，用于锁存输出状态4）、P0R1为读锁存器信号，执行“ANLP0,#0FH”时该信号有效,1,0,1、P0口的结构,2.P0口的总线方式（系统使用外存储器时）,控制电路的“控制”=1,此时与门打开,MUX接向“地址/数据”信号.在这种情况下,输出极的两个FET都处于正常的工作状态。访问外部存储器的指令movx、movc，就是使用P0口来输出外部存储器的低八位地址和输入、输出存储器的数据。如果单片机使用了外部存储器（或使用movx指令来访问外部接口电路）时，P0口成为整个系统的地址/数据复用总线。换句话，P0口不能再作为通用的I/O端口的形式直接与外部连接。,P0口作为地址/数据分时复用,上拉电阻,P0口作为通用数据I/O端口,1.P0口的I/O操作（通用I/O接口功能）,在P0口作为通用I/O端口时,控制电路中的“控制”为“0”电平,多路开关MUX接入下方的锁存器的/Q端。由于与门的一个输入端为“0”,所以它使上端的FET截止.这就是P0口在做I/O口时输出为“漏极开路”的结构原因.,P0口作为通用I/O口,输出操作:在执行以口为目标的指令时,数据送到锁存器的“D”端,经“/Q”端送场效管应输出极.如:送“1”时,/Q=“0”,使下端的FET截止.这样出现输出极的两个FET全部截止.在这种情况下必须在端口线上外加上拉电阻.这样在上拉电阻的作用下,使端口为高电平.同理,若总线向口送“0”时,锁存器的/Q=1,使下端的FET导通(上面的FET仍然截止),这样端口呈现“0”电平。,输入操作（读引脚，读锁存，输入前写1）a.读引脚:读外部送到端口引脚的电平,即通常所说的输入操作（如：MOVA,P0）.此时,单片机控制“读引脚”的三态门,使引脚处的外部电平经三态门送入内部总线.,b.读锁存器:将进行读锁存器并进行处理，最后再写回锁存器的操作称之为：“读修改写”操作，如“ANLP0,#0FH”。在这种情况下,读入的数据不是来自引脚，而是端口内部锁存器的内容。,在端口电路中,可以发现一个问题:端口在输入（读引脚）时,原来锁存器的状态可能要影响引脚电平的输入.例如:原来锁存器的状态为“0”态,既输出极的下端FET是饱和状态,这样如果外电路向引脚输入高电平时,电路将不能正确读入.要解决的方法就是让下端的FET截止,既事先向端口写一个“1”。,向端口写一个“1”,c.输入（读引脚）时应先写“1”：,1）“通用数据I/O端口”和“地址、数据复用总线”a.在作为通用数据I/O端口时,具有较强的驱动能力(8个TTL负载),与MOS负载连接时,需要外接一个上拉电阻。b.作为“地址、数据复用总线”使用时,P0口首先输出外部存储器的低八位地址,然后再变为数据总线进行数据的输入或输出.此时，P0口不能再作为通用I/O口。,返回,返回前一次,P0口作为地址/数据分时复用,P0口特点小结:,2）做通用数据I/O端口时,输出级上端的FET处于截止状态,所以与MOS器件连接时,必须接“上拉电阻”,否则不能正确的输出高电平;3）在输入操作前,为了保证输入正确，必须先向端口“写1”;4）“读引脚”与“读锁存器”是不同的两个数据通道。凡是“读修改写”的操作,CPU读的都是端口锁存器中的数据。5）为了提高电路的可靠性,端口引脚不要直接与三极管一类的器件直接连接,应加隔离电路或与三极管之间加一个电阻.,P0口特点小结:,特点：单纯的通用I/O端口,负载能力为3个TTL输入。,2.4.2P1口,上拉电阻,三态门,2.4.3P2口特点：“通用数据I/O端口”和“高八位地址总线”端口。,高8位地址总线使用时，控制信号使转换开关接向上侧,P2口在系统使用外部存储器时，做高八位的地址总线。应当注意的是：仅使用外部数据存储器时，P2口分两种情况：1、仅仅使用256B的外部RAM时，既使用movxa,r0指令访问外部RAM，此时用8位的寄存器R0或R1作间址寄存器，这时P2口无用，所以在这种情况下，P2口仍然可以做通用I/O端口。2、如果访问外部ROM或使用大于256B（多于8位地址）RAM时，P2口必须作为外存储器的高八位地址总线。如：movxa，dptr；访问外部数据存储器movca，a+dptr；访问外部程序存储器这里使用了16位的寄存器DPTR,2.4.4P3口特点：通用I/O端口、多用途端口,上拉电阻,第二功能输入,2.4.4P3口,说明：1、做普通端口使用时，第二功能应为“1”。,2、使用第二功能时，输出端口锁存器应为“1”。3、第二功能（）P3.0TXDP3.4T0P3.1RXDP3.5T1P3.2INT0P3.6WRP3.3INT1P3.7RD,P3口内部结构,2.4.5P0P3端口功能总结使用中应注意的问题：P0P3口都是并行I/O口，但P0口和P2口还可用来构建数据总线和地址总线，所以电路中有一个MUX，进行转换。而P1口和P3口无构建系统的数据总线和地址总线的功能，因此，无需转接开关MUX。只有P0口是一个真正的双向口，P1P3口都是准双向口。原因:P0口作数据总线使用时，为保证数据正确传送，需解决芯片内外的隔离问题，即只有在数据传送时芯片内外才接通；否则应处于隔离状态。为此，P0口的输出缓冲器应为三态门。P3口具有第二功能。因此在P3口电路增加了第二功能控制逻辑。这是P3口与其它各口的不同之处。,主要内容,2.1内部总体结构2.2引脚定义与功能2.3存储器配置2.4输入/输出接口2.5时钟电路与时序2.6复位和复位电路2.7工作方式,2.5时钟电路与时序,51系列单片机本身是一个复杂的同步时序电路，为保证同步工作方式的实现，MCS-51单片机在唯一的时钟信号控制下，严格地按时序执行指令。在执行指令时，CPU以时钟电路的主振频率为基准发出CPU的时序，对指令进行译码，并由时序电路产生一系列控制信号去完成指令所规定的操作。这些控制信号在时间上的相互关系就是CPU时序。CPU产生的时序信号有两类：一类用于片内各功能部件的控制；另一类用于片外存储器或I/O端口的控制。,51系列单片机内部有一个用于构成震荡器的高增益反相放大器.在单片机引脚的XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入和输出端.与作为反馈元件的晶体或陶瓷谐振器一起构成了一个自激震荡器(见右上图).如果使用外部震荡器信号,其外来的信号加在XTAL1的引脚上(见右下图).,XTAL1,XTAL2,XTAL2XTAL1,NC,外时钟,使用外时钟时的电路连接,20P,20P,2.5.1时钟电路,51系列单片机的时钟信号产生通常有两种方式：内部时钟方式和外部时钟方式。,使用内时钟时的电路连接,2.5.2单片机的时序单位,时钟周(震荡)期,T:时序中最小的时间单位。其值由外接晶体或外输入时钟来决定，其值为石英振荡器频率的倒数。机器周期:在51单片机中机器周期由12个时钟周期构成,并分为6个状态(S1-S6),每个状态又分为P1和P2两拍.这样一个机器周期的12个震荡周期可以表示为:S1P1,S1P2,S2P1,S2P2,S3P1,S3P2S6P1,S6P2将12个震荡周期用6个状态和2拍来替代。,指令周期:这是时序图中最大的时间单位，既执行一条指令所需要的时间。在51系统中,不同的指令它所包含的机器周期数不同.它们分别是:1：单机器周期指令;2：双机器周期指令;3：四机器周期指令一个机器周期包含了12个震荡周期.如果我们使用一个12M的晶体震荡器,那么:一个机器周期为1us,两个机器周期为2us,四个机器周期为4us.可见一条指令的运算速度与它所包含的机器周期数有关.机器周期数越少,执行的速度就越快.在51系列单片机的指令系统中,除了乘、除法指令为四个机器周期外,其余都是单周期和双周期指令.,主要内容,2.1内部总体结构2.2引脚定义与功能2.3存储器配置2.4输入/输出接口2.5时钟电路与时序2.6复位和复位电路2.7工作方式,2.6复位和复位电路,1、复位操作复位操作完成单片机内部电路的初始化，除系统上电及系统出错处于死锁状态时执行复位操作。特殊功能寄存器和程序计数器PC复位后的状态如表所示。,2、复位电路与其它计算机一样，51系列单片机系统通常有上电复位和按键复位两种方式。,最简单的一种上电复位及按键复位电路如图。,2.6复位和复位电路,只要单片机的复位引脚RST上出现2个机器周期以上的高电平，单片机就进行复位操作。,主要内容,2.1内部总体结构2.2引脚定义与功能2.3存储器配置2.4输入/输出接口2.5时钟电路与时序2.6复位和复位电路2.7工作方式,2.7工作方式,51系列单片机中，8051及80C51的工作方式有：复位方式、程序执行方式、掉电方式、低功耗方式以及EPROM编程和校验方式。单片机不同的工作方式，代表单片机处于不同的状态。单片机工作方式的多少，是衡量单片机性能的一项重要指标。,2.7.1程序执行方式,程序执行方式可分为连续执行和单步执行两种。连续执行方式连续执行方式是从指定地址开始连续执行程序存储器ROM中存放的程序，每读一次程序，PC自动加1。单步运行方式程序的单步运行方式是在单步运行键的控制下实现的，每按一次单步运行键，程序顺序执行一条指令。,2.7.2掉电保护方式,当CPU执行一条置PCON.1位（PD）为1的指令后，系统即进入掉电工作方式。掉电是指电源故障或工作电压低于正常要求的范围值。掉电将使单片机系统不能运行，一般需采