第二章 mcs-51单片机芯片硬件结构

1,第二章 MCS-51单片机芯片硬件结构,2.1 MCS-51系列单片机结构及组成2 .1 .1 MCS-51系列单片机结构框图,MCS-51系列单片机属于总线结构,2,3,2 .1 .2 MCS-51系列单片机组成,一个8位CPU,包括运算器、控制器以及若干寄存器等部件组成。,算术和逻辑运算，可对半字节（4位）和单字节数据进行操作；加、减、乘、除、加1、减1、比较等算术运算；与、或、异或、求补、循环等逻辑运算；布尔处理器。,（1）运算器,4,PC用来存放即将要执行的指令地址，共16位，可对64KROM直接寻址。PC低8位经P0口输出，高8位经P2口输出。,（2）程序计数器PC,指令寄存器存放指令代码。,CPU执行指令过程：由程序存储器（ROM）中读取指令代码送入指令寄存器，经译码器译码后由定时与控制电路发出相应的控制信号，完成指令功能。,（3）指令寄存器,5,时钟电路：MCS-51芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为XTAL1，输出端为XTAL2。有两种时钟生成电路，内部方式，外部方式。,（4）定时与控制部件,6,7,可寻址64k外部数据存储器（RAM）和64k外部程序存储器（ROM）,32条可编程I/O口线（4个8位并行I/O端口）,一个可编程全双工串行口；,五个中断源、两个优先级嵌套中断结构,8,2 .1 .3 MCS-51系列单片机芯片引脚,9,1）主电源引脚；,2）外接晶体或外部振荡器引脚；XTAL1、XTAL2,引脚分布（40脚双列直插封装（DIP）方式）,3）控制、选通或复用电源引脚：,10,非访问外部存储器期间，ALE以1/6振荡频率输出，访问外部存储器时以1/12振荡频率输出。,为编程脉冲输入端，对片内程序存储器进行编程时，此脚输入编程脉冲。,RST（9脚）：复位信号延续两个机器周期以上的高电平，复位有效。,11,（29脚）：访问外部程序存储器选通信号，低电平有效。,/Vpp（31脚）：访问内部或外部ROM选择信号。 高电平时( ) ，访问内部ROM（PC指针超过4K，0FFFH时，自动转向外部ROM），保持低电平，则访问外部ROM。（对于8031， 接低电平）,12,四个8位双向I/O端口（P0、P1、P2、P3）;每一条I/O线都能独立地作输入或输出。P0口（3239）低8位地址/数据线复用或I/O口。P1口（18）常用的I/O口。P2口（2128）常用I/O口或高8位地址线。P3口（1017）双功能口。,4）I/O口引脚（32个引脚）,13,信号引脚的第二功能,P3口第二功能,14,2-2 MCS-51存储器,数据存储器（RAM）-用来存放程序运行中所需要的常数和变量。当然，全局数据也可以放在RAM中。,特点：程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）分开，各有各的寻址系统、控制信号和功能。,程序存储器（ROM）-用来存放程序和始终要保留的数据。,15,从物理空间上看：MCS-51单片机有四个存储器地址空间。片内程序存储器片外程序存储器片内数据存储器片外数据存储器,16,8051存储器映象,17,2.2.1 程序存储器,程序存储器以PC（程序计数器）作地址指针，可寻址空间为64K（0000HFFFFH）字节。8051/8751单片机内部分别驻留4K（0000H0FFFH）字节ROM/EPROM。8031则没有片内程序存储器。,18,8031单片机 接低电平。,51系列单片机64K字节程序存储器统一编址。,程序从片内ROM开始执行，当PC值超过片内ROM容量时会自动转向外部存储器空间。,程序从外部存储器开始执行。,19,51系列单片机复位后PC=0000H，系统从0000H开始执行程序。安排一条跳转指令。0003H0032H单元被保留专用于中断服务程序（入口地址）。每个中断服务程序只有8个字节单元存放，显然不够，故此8个单元通常放一条跳转指令。指向被实际分配的中断服务程序段。,20,21,中断服务程序首地址：外部中断0（ ）0003H定时器0溢出中断000BH外部中断1（ ）0013H定时器1溢出中断001BH串行口中断0023H定时器2溢出/T2EX（负跳变）002BH,22,2-2-2 数据存储器,MCS-51系列单片机的数据存储器在物理和逻辑上都分为两个地址空间。,00H7FH（0127）128字节RAM区；80HFFH（128255）128字节专用寄存器区。,23,内部RAM低128字节（00H7FH）,四个通用寄存器区，每个区有8个工作寄存器R0R7,D4D3=000区； D4D3=011区；D4D3=102区； D4D3=113区,根据程序状态字PSW（特殊功能寄存器，地址D0H）中的D4D3位来指示的。通过对PSW的D4D3的修改，便能任意选择一个工作寄存器区。,寄存器区,24,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。,位寻址区,25,用户RAM区（数据缓冲区）,单元地址：30H7FH在此区域中，用户只能以存储单元（字节）形式使用。,通常将堆栈建立在此区域中。,26,内部RAM高128字节（80HFFH）,专用功能寄存器区（SFR）,2-2-3 外部数据存储器以后介绍,27,2-2-3 专用功能寄存器（SFR）,分布在RAM区域80HFFH中，具体执行功能：锁存器、定时器、串行口数据缓冲器、各种控制寄存器、状态寄存器等。,28,累加器ACC（最常用专用寄存器）暂存寄存器，用于提供操作数和存放运算结果。直接与内部总线相连。一般信息传递和交换都要通过ACC。,常用专用功能寄存器,29,寄存器B乘法指令两个操作数分别取自A、B，其结果放在A、B寄存器队中；除法指令，被除数取自A，除数取自B，商放A，余数放B。,30,程序状态控制字PSW,RS1，RS0-选择工作寄存器区；CY-高位进位标志，8位运算产生进位或借位；AC-辅助进位标志，半字节进位标志；OV-溢出标志位，用于带符号数运算的溢出。P奇偶校验标志位，A寄存器中奇偶性判别。“1”的个数为偶P=0“1”的个数位奇P=1,31,数据指针DPTR16位寄存器，DPH，DPL用来访问外部RAM的地址寄存器，地址范围64K。,端口P0P3专用寄存器P0P3端口名和寄存器名一一对应可采用直接寻址方式参与操作。MOV A，P0,32,串行数据缓冲器SBUF存放欲发送或已接收的数据。虽然用一个缓冲器99H，但却以两个独立的缓冲器出现。一个发送，一个接收。,定时器/计数器两个16为定时/计数器T0、T1。各有两个8为独立寄存器组成，TH0、TL0，TH1、TL1。,其他控制寄存器,33,34,35,2-3 并行I/O端口电路,36,锁存器：数据输出三态输入数据缓冲器多路转换器MUX，控制电路,数据输出时（写P0口）：由于锁存器的存在，故P0端口可以直接和外设相连。内部写脉冲加在D触发器CP端，数据写入锁存器，由端口引脚输出。,作为一般I/O口使用,37,数据输入时（读P0口），有两种情况：读引脚：读芯片引脚上的数据，“读引脚”缓冲器打开，通过内部数据总线读入；MOV指令的读口操作。读端口：通过打开读锁存器缓冲器读锁存器Q端的状态，例如语句：ANL P0，A 。,作为地址/数据复用口使用,打开控制与门，使得内部地址/数据线与驱动场效应管栅极反相接通状态。,38,根据端口特点，P0，P2口结构基本一致，内部有一个多路开关MUX，根据CPU控制可作为I/O口，也可作为外部存储器扩展时用作16位地址总线。P1，P3口结构基本一致，为双向口。注意，一般地说，P1口多用作I/O或位操作；而P3口多用于第二功能。,39,P0口：为三态双向口，扩展外部存储器时，它是地址总线和数据总线的复用（低8位）。低8位地址通过ALE信号负跳变将其锁存在外部锁存器中。单独作I/O口用时，由于输出电路是漏极开路，必须外接上拉电阻。能带8个LSTTL电路。,端口功能,40,P1口：常用I/O口，每一位都能作为可编程的输入或输出线。输出端无需上拉电阻。P2口：可以作为输入口或输出口使用；但一般作为扩展系统的地址总线，输出高8位地址。与P0口一起组成16位地址总线。P3口：双功能口。作为第一功能使用同P1口。第二功能如下表：,41,P3口第二功能,42,2-4 振荡器时钟及时序,振荡有两种方式：外部、内部时钟发生器：将震荡频率2分频，为芯片提供一个两相时钟信号。时序定时单位：（1）拍节P：振荡脉冲周期，用P表示；（2）状态S：时钟信号周期，用S表示；,43,（3）机器周期：MCS-51采用定时方式，因此有固定的机器周期，一个机器周期等于6个状态周期，12个振荡周期；（4）指令周期：执行一条指令所需要的时间。可包含一、二、三或四个机器周期。时钟周期是振荡周期2分频；机器周期是振荡周期12分频。,44,当振荡频率为12M时，一个机器周期是1微秒（s）频率=1/周期，周期=1/频率一个振荡周期=1/12（s），一个机器周期是1（s）。当振荡频率为6M时，一个机器周期是2微秒（s）,MCS-51共有111条指令。按其长度可分为：单字节指令、双字节指令、三字节指令。,45,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,46,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。,47,（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。,48,MOVX：先在ROM中读出指令，然后对外部RAM进行读/写操作。第一个机器周