第2章 MCS-51系列单片机的结构和时序.ppt

第2章MCS-51系列单片机的结构和时序本章重点：了解51系列单片机基本结构；了解51系列单片机的引脚名称及功能；掌握存储器（内RAM）结构；掌握PSW寄存器各位名称及功能；掌握复位后PC、PSW的状态。2.1MCS-51系列单片机的结构与引脚2.2MCS-51系列单片机的存储器结构2.3MCS-51系列单片机的时钟电路和时序2.4MCS-51系列单片机的复位与掉电处理本章小结,2.1MCS-51系列单片机的结构与引脚2.1.1MCS-51系列单片机的内部结构,8031无,2.1.2MCS-51系列单片机内部主要组成部分介绍1中央处理器（CPU）,（1）运算器运算器由ALU（算术及逻辑运算单元）、A（累加器）、B寄存器、PSW（程序状态字寄存器）和暂存器等组成，主要功能用于实现算术运算和逻辑运算。,（2）控制器控制器由程序计数器PC、指令寄存器、指令译码器、堆栈指针SP、数据指针DPTR、定时与控制逻辑电路等组成。单片机的执行指令是在控制下进行的。,程序计数器PC：是一个16位的专用寄存器，用来存放即将要执行的指令地址，可对64KB的程序存储器直接寻址。注：PC没有地址，是不可寻址的，因此用户无法对它进行直接读写。但可以通过转移、调用、返回等指令改变其内容，实现程序的转移。,指令寄存器：指令寄存器是一个8位的寄存器，用于暂存待执行的指令代码，等待译码。,（2）控制器,8051单片机中共有256个RAM单元，包括低128个单元（地址为00H7FH）的内部RAM区和高128B（地址为80HFFH）的特殊功能寄存器区。,8051单片机共有4KB的内部ROM，用于存放程序或表格，称为程序存储器。,2.内部数据存储器,3.内部程序存储器,四个双向的8位并行I/O口，每个端口可以按字节输入或输出，每一条I/O线也可以单独用作输入或输出。,8051片内有一个全双工的串行口，以实现单片机和其他设备之间的串行数据传送。,4I/O端口,5串行口,8051带有2个16位的计数器，既可以作为定时器用于对被控系统进行定时控制，也可以作为计数器用于产生各种不同频率的矩形波及用于测量脉冲宽度等。,8051单片机有5个中断源，2个中断优先级。,6定时/计数器,7中断控制系统,2.1.3MCS-51系列单片机的引脚,1.电源线：VCC(+5V)、VSS(地）2.振荡电路：XTAL1、XTAL23.复位引脚：RST4.并行口：P0、P1、P2、P35.EA：访问程序存储控制信号6.PSEN：外部ROM读选通信号7.ALE：地址锁存控制信号,注：P0、P2、P3口还具有第二功能,P0、P2、P3口的第二功能,2.2MCS-51系列单片机的存储器结构MCS-51单片机内部有程序存储器和数据存储器两大类。程序存储器：用于存放程序和常数。ROM类存储器（4KB，但8031片内无ROM）数据存储器：MCS-51系列单片机的数据存储器由片内数据存储器（采用8位二进制数寻址），用于存放中间结果或暂存数据，部分单元作为特殊功能寄存器。RAM类存储器,在物理结构上分为四个存储空间：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。,从逻辑上分为三个存储器地址空间：片内、片外统一编址的64KB程序存储器地址空间0000HFFFFH；64KB的外部数据存储器或扩展I/O口地址空间0000HFFFFH；256B的片内数据存储器地址空间00HFFH（包括低128B的内部RAM地址00H7FH和高128B的特殊功能寄存器地址空间）。,2.2.1程序存储器,外部ROM60KB,内部ROM4KBEA1,外部ROM4KBEA0,FFFFH1000H,0FFFH0000H,0FFFH0000H,注：程序存储器用MOVC指令访问,2.2.2数据存储器,特殊功能寄存器128B,内部RAM128B,外部RAM64KB,FFH80H,7FH00H,FFFFH0000H,注1：用MOV指令读写,注2：用MOVX指令读写,内部数据存储器,FFH80H,7FH30H2FH20H1FH00H,特殊功能寄存器SFR,用户RAM区,位寻址区,通用寄存器区,1.通用寄存器区通用寄存器区共分4个区，每个区有8个单元，每个区的8个单元从低地址到高地址分别命名为R0R7。复位后当前工作寄存器区为0区，可以通用对PSW中的RS1、RS0的设置改变当前工作寄存器区。RS1RS0被选寄存器组000区011区102区113区,R7R0R7R0R7R0R7R6R5R4R3R2R1R0,1FH|18H17H|10H0FH|08H07H06H05H04H03H02H01H00H,3区,2区,1区,0区,2.位寻址区字节地址为20H2FH，既可作RAM，也可位操作共有16个RAM单元，共128位，位地址为00H7FH。,注意：虽然位地址和字节地址的表现形式可以一样，但因为位操作与字节操作的指令不同，所以不会混淆。,2.位寻址区,3.通用RAM区：也称用户RAM区。在该区域内，只能进行字节寻址。A、堆栈（Stack）是按照“先进后出，后进先出”的原则来存取数据的一个内部RAM区域，这个存储器区域的一端是固定的，另一端是活动的，每个存储单元是不能按字节任意访问的。B、在使用堆栈之前，应规定堆栈的起始位置（固定端），称为栈底。堆栈最后压入或即将弹出数据的单元（活动端），称栈顶。,PUSH指令,POP指令,SP,堆栈指针,4.特殊功能寄存器21个SFR的地址离散地分部在内部数据存储器的80HFFH地址空间。SFR占用21个单元，其余的大部分是空余单元，它们没有定义不能作内部RAM使用。有11个SFR具有位地址，可以进行位寻址，对应的位也有位名称，它们的字节地址正好能被8整除。,4.特殊功能寄存器1）累加器ACC：最常用的8位特殊功能寄存器，大部分指令的操作数取自于ACC，许多运算结果也存放在ACC中。A是累加器ACC的助记符。2）B寄存器：一个8位寄存器，主要用于乘法和除法操作。在其他指令中，作为一般的内部RAM使用。3）程序状态字寄存器PSW：一个8位的寄存器，用于存放程序运行中的各种状态信息。,PSW,Cy:进位标志位。在进行加（或减）法运算时，若操作结果的最高位（D7位）有进位（或借位）时，Cy=1;否则Cy=0。AC:辅助进位标志位。在进行加（或减）运算时，若操作结果的低半字节（D3位）向高半字节产生进位（或借位）时，AC=1;否则AC=0。F0：用户标志位。RS1、RS0：当前工作寄存器区选择位。,OV：溢出标志位。当进行补码运算时，运算结果超出-128127范围时，即溢出，则OV=1；没有溢出，则OV=0。出现下列情况即为溢出（运算后OV1）：正数加正数为负数；负数加负数为正数；正数减负数为负数；负数减正数为正数；乘法时结果B0；除法运算时除数为0。P：奇偶校验标志位。每条指令执行完后，该位始终跟踪累加器A中1的数目的奇偶性。如果A中有奇数个1，则P1；否则P0。,【例】若A96H，执行ADDA,#84H后，判断Cy、AC、OV、P的状态。解：执行该指令A96H+84HA1AH00011010BCy=1,AC=0,OV=1,P=1【例】若A36H，执行ADDA,#3BH后，则：A71H，Cy=0,AC=1,OV=0,P=0,负数,负数,正数,Why？,4）堆栈指针SP：用于存放当前堆栈操作的单元地址，并根据入栈指令（PUSH）或出栈指令（POP）修改其内容，SP始终指向栈顶。系统复位后，SP初始化为07H。5）数据指针DPTR：DPTR可以作为一个16位SFR使用，也可以作为两个独立的8位寄存器DPH和DPL来使用，其中DPH为8位，DPL为低8位。如：DPH34H，DPLA6H,则DPTR34A6H。6）I/O端口锁存器P0P3：P0P3为四个8位的特殊功能寄存器，它们有字节地址和位地址。当I/O端口某一位用于输入时，必须在相应口锁存器的对应位先写入1。7）其它的SFR有：TMOD、TCON、T0（TH0和TL0组成）、T1（由TH1和TL1组成）、IE、IP、SCON、SBUF、PCON等。,2.3MCS-51单片机的时钟电路和时序2.3.1振荡器和时钟电路时钟频率范围要求在1.2MHz12MHz之间。内部振荡器方式外部引入方式,2.3.2时序单位时钟周期（又称为振荡周期）：是指振荡器产生一个振荡脉冲信号所用的时间，是振荡频率的倒数，称为拍节。状态周期：振荡脉冲信号经过内部时钟电路二分频之后产生的单片机时钟信号的周期（用S表示）称为状态周期。机器周期：是指CPU完成某一个规定操作所需的时间。MCS-51单片机的一个机器周期包含6个状态，并依次表示为S1S6，每个状态分为2个节拍。依次表示为：S1P1、S1P2、S2P1、S6P1、S6P2。指令周期：CPU执行一条指令所需要的时间称为指令周期。MCS-51单片机指令周期根据指令的不同，可包含有1或2或4个机器周期。,不同晶振频率下的各周期情况,2.4MCS-51单片机的复位与掉电处理2.4.1复位与复位电路复位1.复位条件：RST引脚是复位信号的输入端，复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡脉冲周期（即二个机器周期）以上。【例】若使用频率为6MHz的晶振，则复位信号持续时间至少为多少s？解：fosc=6MHzMC=12/fosc=12/6MHz=2st=4s所以复位信号至少持续4s。,复位后寄存器的状态,复位电路,上电复位,手动电平复位,手动脉冲复位,2.4.2掉电处理掉电保护方式当遇到单片机掉电时,可以把HMOS型的8051单片机的RST/VPD引脚作为备用电源端，只要Vcc上的电压低于VPD上的电压时，备用电源通过VPD端给内部RAM供电，以低功耗保持内部RAM中的数据。,掉电保护电路,2.4.2掉电处理节电工作方式,由片内SFR中的电源控制寄存器PCON的低4位来控制待机和掉电两种方式，其格式如下：,IDL：待机方式位。若IDL1，进入待机方式；PD：掉电方式位。若PD