第二章-MCS-51单片机的基本结构.ppt

2.1MCS-51系列单片机概述2.2MCS-51单片机结构及组成2.3存储器2.4特殊功能寄存器2.5时钟电路与复位电路,第2章MCS-51单片机结构,本章分为四节，主要介绍：,2.1MCS-51系列单片机概述,2.1.1MCS-51系列（1）MCS-51是Intel公司生产的一个单片机系列名称。属于这一系列的单片机有多种，如：,8051/8751/8031；8052/8752/8032；80C51/87C51/80C31;80C52/87C52/80C32;*89S51等。,（2）该系列生产工艺有两种：,CHMOS是CMOS和HMOS的结合，既保持了HMOS高速度和高集成度的特点，还具有CMOS的低功耗的特点。在产品型号中凡带有字母“C”的即为CHMOS芯片，CHMOS芯片的电平既与TTL电平兼容，又与CMOS电平兼容。,一是HMOS工艺（高密度短沟道MOS工艺）。二是CHMOS工艺（互补金属氧化物的HMOS工艺）。,（3）在功能上，该系列单片机有基本型和增强型两大类：,增强型：8052/8752/803280C52/87C52/80C32,基本型：8051/8751/803180C51/87C51/80C3189S51,（4）在片内程序存储器的配置上，该系列单片机有三种形式，即掩膜ROM、EPROM和ROMLess(无片内程序存储器)。如：,80C51有4K字节的掩膜ROM；87C51有4K字节的EPROM80C31在芯片内无程序存储器。,MCS-51系列单片机有多种型号的产品：普通型（51子系列）8051、8031、8751、89C51、89S51等。增强型（52子系列）8032、8052、8752、89C52、89S52等。它们的结构基本相同，其主要差别反映在存储器的配置上。8031片内没有程序存储器8051内部设有4KB的掩模ROM程序存储器8751是将8051片内的ROM换成EPROM89C51则换成4KB的闪速EEPROM89S51结构同89C51，4KB的闪速EEPROM可在线编程增强型的存储容量为普通型的2倍本课以8XX51代表这一系列的单片机。,2.1.280C51系列,Intel的：80C31、80C51、87C51，80C32、80C52、87C52等；ATMEL的：89C51、89C52、89C2051等；Philips、华邦、Dallas、Siemens(Infineon)等公司的许多产品。,80C51是MCS-51系列中CHMOS工艺的一个典型品种；其它厂商以8051为基核开发出的CMOS工艺单片机产品统称为80C51系列。当前常用的80C51系列单片机主要产品有：,2.2MCS-51系列单片机结构框图及外部引脚,单片机（Single-ChipMicrocomputer）是将微处理器、一定容量RAM和ROM以及I/O口、定时器等电路集成在一块芯片上，构成单片微型计算机，又称MCU。,MCS-51系列单片机结构框图,CPU,振荡器和时序OSC,64KB总线扩展控制器,数据存储器128/256B,2/316位定时器/计数器,可编程I/O,程序存储器4K/8K,可编程全双工串行口,外中断,内中断,控制,并行口,串行通信,外部时钟源,外部事件计数,返回,返回小结,PSENALEEARET,8XX51单片机内部结构图,80C51的内部结构,8051单片机的结构,8051的内部结构框图,2.2.1MCS-51系列单片机组成,CPU是单片机的核心部件。它由运算器和控制器等部件组成。运算器运算器的功能是完成算术运算：加、减、乘、除、加1、减1、比较、BCD码十进制调整等逻辑运算：与、或、异或、求反、循环等逻辑操作位操作：内部有布尔处理器，它以进位标志位C为位累加器，用来处理位操作。可对位置“1”、对位清零、位判断等。操作结果的状态信息送至状态寄存PSW。,运算器由算数/逻辑运算单元ALU、累加器ACC、寄存器B、暂存器1、暂存器2、程序状态寄存器PSW组成。累加器ACC：用于向ALU提供操作数和存放运算结果。将操作数分别经暂存器1与暂存器2送至ALU进行运算，结果送回ACC。MCS-51单片机的大部分指令都要通过ACC来完成。除此之外ACC也可作为通用寄存器使用。可按位操作，在指令中通常用助记符A表示。【寄存器A】寄存器B：乘法寄存器。乘除运算时用来存放其中一个操作数，也用来存放运算的后一部分结果。不进行乘除运算时可作为普通寄存器使用。乘积高八位存入B，低八位存入A。除法B中放除数，A中放被除数，除完之后余数存入B，商存入A。程序状态寄存器PSW：8位寄存器。保存ALU运算结果的特征标志。寄存指令之行的状态信息。,2.控制器：分析指令并发出相应的控制信号CPU的另外一个组成部分为控制器。由指令寄存器IR(指令寄存器存放将要执行的指令代码)，译码器，定时及控制逻辑电路（微处理器的核心部件），程序计数器PC，数据指针寄存器DPTR（唯一一个16位的寄存器，可作为两个8位的寄存器使用DPH/DPL,当单片机访问片外64kb程序存储器或数据存储器时用来存放16位地址）和堆栈指针SP寄存器（8位寄存器，暂时存放数据）组成。,由两个8位计数器PCH、PCL组成。(16位)PC是程序的字节地址计数器，PC内容为将要执行的指令地址。改变PC内容，改变程序执行的流向。(始终跟踪程序的执行)PC可对64KB的ROM直接寻址。直接寻址：低位P0口输出，高位P2口输出,程序计数器PC,时钟电路：MCS内部有一个高增益反相放大器（运放）。其输入端为XTAL1和XTAL2有两种时钟生成电路：内部方式和外部方式,定时与控制部件,芯片结构,CPU执行指令过程：由程序存储器中读取的指令代码送入指令寄存器，经指令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。,指令代码,控制信号,单片机内部的时序控制信号,4K/8K字节程序存储器（ROM）,128/256字节数据存储器（RAM）,2/3个16位定时/计数器,32条可编程I/O口线（4个8位并行I/O端口）,可寻址64K外部数据存储器（RAM）和64K外部程序存储器（ROM）,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,8XX51单片机有44引脚的方形封装形式和40个引脚的双列直插式封装形式，最常用的40个引脚封装，见图2-8.,2.2.2MCS-51系列单片机引脚,VCC,VSS,XTAL2XTAL1,RST,P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7,P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7,P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0,ALE,P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7,44引脚方形封装形式,MCS-51单片机引脚及总线结构,40引脚按其功能可以分为电源和时钟引脚，控制引脚，I/O口引脚。各个引脚的功能说明如下：1、电源和时钟引脚（1）电源引脚：Vcc，VssVss:接地端。Vcc:电源端，接+5V。（2）时钟引脚：XTAL1，XTAL2XTAL1（19脚），XTAL2（18脚）:接外部晶体或外部时钟。,2、控制引脚RST/VPD（9脚）：复位信号输入。接备用电源，当VCC掉电后，在低功耗条件下保持内部RAM中的数据。ALE/PROG（30脚）：ALE地址锁存允许。ALE输出脉冲的频率为振荡频率的1/6。外低8位地址锁存信号PROG对8751单片机片内EPROM编程时，编程脉冲由该引脚引入。PSEN（29脚）：程序存储器允许。输出读外部程序存储器的选通信号。EA/VPP（31脚）：EA决定初始程序在片内、外EA=0，单片机只访问外部程序存储器。EA=1，单片机访问内部程序存储器。在8751单片机片内EPROM编程期间，此引脚引入21V编程电源VPP。,3、I/O口引脚8xx51共有4个并行I/O口（P0-P3），每个I/O口都是8位的，用于传送数据和地址，但每组接口的结构各不相同，因此在功能和用途上有一定的差别。（1）P0口：P0.0P0.7（39-32脚）：准双向I/O口，数据/地址分时复用总线端口，传输片外存储器低8位地址。（2）P1口：P1.0P1.7（1-8脚）：准双向I/O口（3）P3口：P2.0P2.7（21-28脚）：准双向I/O口，与P0配合传输片外存储器高八位地址。（4）P3口：P3.0P3.7（10-17脚）：准双向I/O口，双功能静态端口。在增强型的52系列单片机中，P1.0、P1.1除为端口线外，还为定时/计数器2的外部引脚T2和T2EX。,在51系列单片机的2051/1051型号中因无P0口和P2口总线引脚，因此只有20个引脚（见图2.7），由于不能进行外部扩展，因此无PSEN引脚，它们内部有一个模拟比较器，相比较的模拟信号由P1.0（AIN0）和P1.1（AIN1）输入，而模拟比较器的输出接P3.6，在内部已连接，因此外部无P3.6引脚。,图2-7,小结,重点掌握单片机内部结构熟悉单片机的引脚功能,电源端接+5V,返回,接地端,晶振通常选用6MHz、12MHz或24HzC1、C2电容值一般为530pf,返回,上电复位电阻R=101K电C=1030uf,返回,MCS-51系列单片机的结构基本相同，其主要差别反映在存储器的配置上。8031片内没有程序存储器8051内部设有4KB的掩模ROM程序存储器8751是将8051片内的ROM换成EPROM89C51则换成4KB的闪速EEPROM89S51结构同89C51，4KB的闪速EEPROM可在线编程程序运行中所需要的常数和变量。增强型的存储容量为普通型的一倍,2.1MCS-51系列单片机概述2.2MCS-51单片机结构及组成2.3存储器2.4特殊功能寄存器2.5时钟电路与复位电路,第2章MCS-51单片机结构,本章分为四节，主要介绍：,2.3存储器,存储器用来存放程序和数据，半导体存储器由一个一个的单元组成，每个单元有一个编号（称为地址），一个单元存放一个8位数据，当一个数据多于8位就需要两个单元存放。计算机的存储器地址结构形式有两种普林斯顿结构（RAM和ROM连续编址在同一地址空间）和哈佛结构（RAM和ROM分别编址在不同的地址空间。RAM与ROM可以有相同的地址，CPU靠不同的指令区别）见下图。,MCS-51的存储器结构与常见的微型计算机的配置方法不同,MCS-51单片机的存储器采用哈佛结构，它将ROM和RAM分开编址，各有自己的寻址方式、控制信号和指令。程序存储器（ROM）：用来存放程序、表格和始终要保留的数据。数据存储器（RAM）：存放程序运行中所需要的数据（常数和变量）或运算的结果。当然，全局数据也可以存放在RAM中。,物理结构（哈佛结构）,C51存储器,程序存储器ROM,数据存储器RAM,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,从物理空间看,MCS-51有四个存储器地址空间：,MCS-51存储器物理结构,从逻辑上看,MCS-51有三个存储器空间：,MCS51的存储器逻辑结构如图所示。,C51存储器,片内外统一编址的程序存储器ROM,片内数据存储器,片外数据存储器,思考：为什么是三个存储器空间？,1、片内、外统一编址的64K程序存储器地址空间。CPU访问片内、片外ROM指令用MOVC。2、64K的片外数据存储器地址空间。访问片外RAM指令用MOVX。3、256字节的片内数据存储器地址空间。访问片内RAM指令用MOV。,从逻辑上看,MCS-51有三个存储器空间：,2.3.1程序存储器,程序存储器用来存放编制好的始终保留的固定程序和表格常数。程序储存器以程序计数器PC作为地址指针，通过16位地址总线，可寻址的地址空间为64KB。在8051/8751/89C51/89S51片内，分别内置最低地址空间的4KBROM/EPROM/EEPROM程序储存器（内部程序储存器），而在8031/8032片内，则无内部程序储存器，必须外部扩展EPROM。MCS-51单片机中64KB内、外程序储存器的地址是统一编排的。,程序存储器,内部,外部,0000H,0FFFH,4K,0000H,FFFFH,64K,4K,EA=1,自动转外部,EA=0,8031单片机无内部程序存储器，地址从0000HFFFFH都是外部程序存储空间。应始终接地。对于内部有ROM的单片机（51、52系列），引脚接高电平，使程序从内部ROM开始执行。当PC值超出内部ROM的容量时，会自动转向外部程序存储器空间。外部程序存储器地址空间为1000HFFFFH。访问程序存储器使用MOVC指令。,程序存储器中几个特殊地址的使用,程序存储器中的几个特殊地址的使用：地址用途0000H复位操作后的程序入口0003H外部中断0服务程序入口000BH定时器0中断服务程序入口0013H外部中断1服务程序入口001BH定时器1中断服务程序入口0023H串行口中断服务程序入口,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。0003H-0032H单元被保留专用于中断服务程序的入口地址。每个中断服务程序只有8个字节单元存放，显然不够，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。,思考当EA引脚接到高电平时，51单片机程序存储器空间是怎样分配的?2.8031EA引脚必须怎样连接?3.ROM中有哪些特殊地址,说出它们的地址及作用？,2.3.2外部数据存储器,用于存放随机读写的数据。MCS-51单片机的外部数据存储器和外部I/O口实行统一编址，并使用相同的作选通控制信号，均使用MOVX指令访问。MCS-51单片机最多可扩展64KB外部数据存储器地址：0000HFFFFH寻址：用MOVX指令,2.3.3内部数据存储器,内部数据存储器是使用最多的地址空间，所有指令（算术运算，逻辑运算，位操作运算等）的操作数只能在此地址空间或特殊功能寄存器地址空间。1、片内数据存储器最大可寻址128个单元，字节地址为00H7FH；2、00H1FH：32个单元是4组通用工作寄存器区；3、20H2FH：16个单元可进行共128位的位寻址；4、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。,0000H,FFFFH,内部,外部,数据存储器,00H,FFH,7FH,80H,(高128B),(低128B),内RAM,SFR,1FH18H17H10H0FH08H07H00H,3区2区1区0区,工作寄存器区R0R7,位寻址区,20H,2FH,7F780700,30H,7FH,数据缓冲区,内部RAM007FH,64K,1、四组工作寄存器区选择,用途：作通用寄存器R0R7。（寄存器寻址）R0与R1可作间址寄存器使用。（寄存器间接寻址）选择：可通过PSW的RS1、RS0的状态设置,来选择哪一组工作寄存器作为当前工作寄存器组。其他三组只能做数据存储器。单片机复位时，默认为0组，其他三组作为数据存储器使用，不能作为寄存器使用。,注意:一个单元地址对应有8个位地址MSBMostSignificantBit（最高有效位）LSBLeastSignificantBit（最低有效位）,2、位地址区,20H2FH为位地址区：单片机片内RAM中20H2FH地址范围中共16个字节单元称为位寻址区。该区的16个字节单元，既可作为一般的RAM使用，进行字节操作，也可以对单元中的每一位进行位操作。16个字节单元共128位，每位有位地址，地址范围是00H07H。位寻址区中的每一位地址有两种表示形式：一是表中位地址形式，另一种是单元地址.位序形式。,注：位地址和字节地址位寻址是对20H到2FH这16个字节的每一位直接进行操作把每个字节的每一位编上号码（00H到7FH），就是位地址，通过对这个地址的调用可以把对应的位变成1或者0。我们知道内存都是1个字节也就是8位一个单元，操作时，最小也得对1个字节进行操作，而单片机的位操作则是更细，这是单片机的一个重要特点。,位地址区位地址24H在哪个字节的第几位？,问题位地址和字节地址可以用相同的十六进制数表示，应怎样区分?例如：MOVC，24H（因为C是进位标志，所是这里的24H是位地址）MOVA，24H,提示：是位地址还是字节地址要看另一个操作数,3、片内RAM数据通用RAM区,单片机片内RAM中,30H-7FH的80个单元只能以存储单元的形式来使用没有其它任何规定或限制，用户可以根据需要自由安排所以称它为通用RAM区。该区域中的单元只能用直接寻址、寄存器间接寻址等方式按字节访问。堆栈就是设在单片机内部RAM中。深度不大于128字节，初始化时堆栈指针寄存器SP指向07H。,注：对51基本型单片机只有00H-7FH单元128字节的RAM区。对52增强型的单片机还有80H-FFH组成的高128字节RAM区（共256字节RAM）。,2.4特殊功能寄存器,MCS-51单片机的特殊功能寄存器用英文缩写SFR(SpecialFuctionRegister）表示。又称专用寄存器。功能：记录电路的运行状态，标明有关标志。,1.4特殊功能寄存器,1.基本型51单片机中设置了21个特殊功能寄存器,它们不连续地分布在地址为80H-FFH的128个字节的存储空间中。2.在这21个SFR中，凡是字节地址能被8整除（即16进制的地址码尾数为0或8）的11个单元均具有位寻址能力,有效的位地址共有82个。3.82个有效位地址可用位地址、位符号、单元地址.位序和寄存器名.位序四种方法来表示，但一般是用位符号或寄存器名.位序来表示的。,表1.2中还标注了各SFR的名称、字节地址、可寻址位的位地址和位名称。21个特殊功能寄存器的名称及主要功能介绍如下。,A累加器，8位。自带有全零标志Z，A=0则Z=1；A0则Z=0。该标志常用于程序分支转移的判断条件；（用于向ALU提供操作数，许多运算的结果也存放在累加器中。）B寄存器，8位。常用于乘除法运算；（存放乘积的高8位，除法运算后的余数。）PSW程序状态字。主要起着标志寄存器的作用。,其中：CY：进/借位标志反映最高位的进位借位情况，加法为进位、减法为借位。CY=1，有进/借位；CY=0，无进/借位。AC：辅助进/借位标志反映高半字节与低半字节之间的进/借位，AC=1有进/借位；AC=0无进/借位。FO：用户标志位。可由用户设定其含义。RS1，RS0：工作寄存器组选择位。,位地址,位名称,D7D6D5D4D3D2D1D0,OV：溢出标志反映补码运算的运算结果有无溢出有溢出OV=1，无溢出OV=0。-：无效位。P：奇偶标志。始终跟踪A累加器内容的奇偶性。运算结果有奇数个“1”，P=1；运算结果有偶数个“1”，P=0。,SP堆栈指针。8XX51单片机的堆栈设在片内RAM，对堆栈的操作包括压入（PUSH）和弹出（POP）两种方式，并且遵循后进先出的原则，但在堆栈生成的方向上，与8086正好相反,8XX51单片机的堆栈操作遵循先加后压，先弹后减的顺序，按字节进行操作。,DPTR数据指针寄存器用来存放16位地址值，以便对外部数据存储器RAM进行读写。DPTR可分成DPL和DPH两个8位寄存器分别使用。DPTR的值通过指令设置和改变。P0P1P2P3I/O端口寄存器是四个并行I/O端口映射入SFR中的寄存器。通过对该寄存器的读/写，可实现从相应I/O端口的输入/输出，称他们为双向I/O口。例如：指令MOVP1，A实现了把A累加器中的内容从P1端口输出的操作。指令MOVA，P3实现了把P3端口线上的信息输入到A中的操作。,此外还有如下寄存器，它们将在后面章节介绍：IP中断优先级控制寄存器。IE中断允许控制寄存器。TMOD定时器/计数器方式控制寄存器。TCON定时器/计数器控制寄存器。TH0，TL0定时器/计数器0。TH1，TL1定时器/计数器1。SCON串行端口控制寄存器。SBUF串行数据缓冲器。PCON电源控制寄存器。,注：在52子系列中，高128字节RAM和SFR的地址是重叠的，究竟访问哪一块可通过不同的寻址方式加以区分，访问高128字节RAM采用寄存器间址，访问SFR则只能采用直接寻址，访问低128字节RAM时，两种寻址均可采用。,存储器回顾小结,程序存储器1、片内程序存储器（=1）2、片外程序存储器（=0）MOVC指令，由值决定片内片外。数据存储器1、片内数据存储器2、片外数据存储器片内MOV指令片外MOVX指令。,引脚EA的接法决定了程序储存器的00000FFFH4KB地址范围是在单片机片内还是片外。,H0000,0FFFH,2.5时钟电路与复位电路,2.5.1时钟电路时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，时钟信号有两种方式产生：内部振荡方式和外部振荡方式。,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（a）所示。,电容器C1、C2起稳定振荡频率、快速起振的作用。电容值一般为530PF。,由于单片机内部有一个高增益运算放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。,外部振荡方式：,外部震荡方式是把已有的时钟信号引入单片机。这种方式适宜用于使单片机的时钟与外部信号保持一致，适用于多块芯片同时工作。外部振荡方式如图所示。,对HMOS的单片机（8031、8031AH等）外部时钟信号由XTAL2引入，对于CHMOS的单片机（8XCXX），外部时钟由XTAL1引入，因为时钟电路的信号取自反向放大器的输入端，此时，XTAL2悬空。,2.5.2基本时序单位振荡周期P(拍)：晶振的振荡周期，又称时钟周期，为最小的时序单位。状态（时钟）周期S：振荡频率经单片机内的二分频器分频后提供给片内CPU的时钟周期。因此，一个状态周期包含2个振荡周期。机器周期（MC）：1个机器周期由6个状态周期或12个振荡周期组成。是计算机执行一种基本操作的时间单