单片机李衍丹ppt课件

1、8051单片机的构造和原理单片机的构造和原理MCS-51系列单片机概述系列单片机概述 MCS-51是指由美国是指由美国Intel公司消费的一系列单片公司消费的一系列单片机的总称，这一系列单片机包括了许多型号，如机的总称，这一系列单片机包括了许多型号，如8031，8051，8751，8032，8052，8752等。其中等。其中8051是最早消费、最典型的产品。是最早消费、最典型的产品。MCS-51系列的其系列的其他单片机，都是在以他单片机，都是在以8051为内核的根底上，进展了为内核的根底上，进展了功能的添加以及外围接口的改动。因此，人们习惯功能的添加以及外围接口的改动。因此，人们习惯于用于用8

2、051来称谓来称谓MCS-51系列单片机。系列单片机。 8051是最早消费、最典型的产品。是最早消费、最典型的产品。MCS-51系列的系列的Intel公司将公司将MCS-51的中心的中心技术授权给了很多其他公司，所以有很多技术授权给了很多其他公司，所以有很多公司在消费以公司在消费以8051为中心的单片机。在我为中心的单片机。在我国运用的，具代表性的芯片是国运用的，具代表性的芯片是Phillips的的80系列和系列和Atmel的的AT89系列单片机。系列单片机。MCS-51系列单片机简介系列单片机简介 MCS-51系列单片机共有十多种芯片，分为系列单片机共有十多种芯片，分为两大系列，即两大系列，

3、即51子系列与子系列与52子系列，并以芯片子系列，并以芯片型号的末位数字最为标志。它们的内部构造根型号的末位数字最为标志。它们的内部构造根本一样，其中本一样，其中51子系列是根本型，子系列是根本型，52子系列是子系列是加强型。加强型。MCS-51系列单片机各种芯片的技术系列单片机各种芯片的技术目的见表目的见表2-1带带C的是运用的是运用CMOS技术的低功技术的低功耗芯片。耗芯片。 MCS-51系列单片机简介系列单片机简介表表2-1 MCS-51系列单片机芯片技术目的系列单片机芯片技术目的子系子系列列片内片内ROM形式形式ROM容量容量RAM容量容量寻址范寻址范围围I/O特性特性中中断断源源无无

4、ROMEPROM定时定时器器并行并行口口串串行行口口51子子系列系列8031805187514KB128B264KB216481580C3180C5187C514KB128B264KB216481552子子系列系列8032805287528KB256B364KB316481680C3280C5287C528KB256B364KB31648162.1.1 MCS-51系列单片机简介系列单片机简介2.12.1MCS-51MCS-51单片机的内部构造单片机的内部构造一、组成一、组成 8051单片机构造框图如下图单片机构造框图如下图8051CPU振荡器和时序振荡器和时序OSC64KB 总线总线扩展控制

5、器扩展控制器数据存储器数据存储器256B RAM/SFR216位位定时器定时器/计数器计数器可编程可编程I/O程序存储器程序存储器4KBROM可编程全双工可编程全双工串行口串行口外中断外中断内中断内中断控制控制并行口并行口串行通讯串行通讯外部时钟源外部时钟源外部事件计数外部事件计数 由由 运算器运算器ALU、控制器定时控、控制器定时控制部件和公用存放器组三部分电路制部件和公用存放器组三部分电路构成。构成。2.1.2 MCS-51单片机单片机CPU构造构造公用存放器组公用存放器组 公用存放器组主要用来指示当前要执行指令公用存放器组主要用来指示当前要执行指令的内存地址、存放操作数和指示指令执行后的

6、形的内存地址、存放操作数和指示指令执行后的形状等。它是任何一台计算机的状等。它是任何一台计算机的CPU不可短少的部不可短少的部件，存放器的多寡因机器型号的不同而异。公用件，存放器的多寡因机器型号的不同而异。公用存放器组主要包括程序计数器存放器组主要包括程序计数器PC、累加器、累加器A、程、程序形状存放器序形状存放器PSW、堆栈指示器、堆栈指示器SP、数据指针、数据指针DPTR和通用存放器和通用存放器B等。等。程序计数器程序计数器PC16位位 由两个由两个8 8位计数器位计数器PCHPCH、PCLPCL组成。组成。 PCPC是程序的字节地址计数器，是程序的字节地址计数器，PCPC内内容为将要执行

7、的指令地址。容为将要执行的指令地址。 改动改动PCPC内容，改动执行的流向。内容，改动执行的流向。 PCPC可对可对64KB64KB的的ROMROM直接寻址，也可对直接寻址，也可对80518051片内片内RAMRAM寻址。寻址。其它存放器其它存放器累加器累加器A、程序形状存放器、程序形状存放器PSW、堆栈指、堆栈指示器示器SP、数据指针、数据指针DPTR和通用存放器和通用存放器B等等在存储器一节讲解。在存储器一节讲解。2.38051存储器构造存储器构造:2.3.12.3.180518051存储器分类存储器分类:2.3.22.3.2程序存储器地址空间程序存储器地址空间:2.3.32.3.3数据存

8、储器地址空间数据存储器地址空间2.3.12.3.1 8051 8051存储器分类存储器分类一、物理构造一、物理构造二、用户角度二、用户角度一、物理构造哈佛构造一、物理构造哈佛构造8051存储器存储器程序存储器程序存储器ROM数据存储器数据存储器RAM片内程序存储器片内程序存储器片外程序存储器片外程序存储器片内数据存储器片内数据存储器片外数据存储器片外数据存储器二、用户角度二、用户角度图图2-4 8051存储器配置存储器配置2.3.2 2.3.2 程序存储器地址空间程序存储器地址空间 一、用途：一、用途： 二、编址：二、编址： 三、寻址方式：三、寻址方式：一、用途：一、用途： 用于存放编好的程序

9、和表格常数。用于存放编好的程序和表格常数。二、编址：二、编址： 容量为容量为4KB。地址为。地址为0000H0FFFH。 片外最多可扩至片外最多可扩至64KB ROM/EPROM，地址为，地址为1000HFFFFH。 片内外一致编址。片内外一致编址。三、寻址方式：三、寻址方式： 1、当、当 EA=“1时：时： 在在00000FFFH范围内执行片内范围内执行片内ROM中的程中的程序，当指令地址超越序，当指令地址超越0FFFH 后就自动转向片后就自动转向片外外ROM中取指令。中取指令。 2、当、当 EA=0时：时： 片内片内ROM不起作用，不起作用，CPU只能从片只能从片ROM/EPROM中取指令

10、。可以从中取指令。可以从 0000H 开场开场寻址。寻址。2.3.3 数据存储器地址空间数据存储器地址空间 一、用途：一、用途： 二、片外二、片外RAM： 三、片内三、片内RAM： 一、用途：一、用途： 用于存放运算的中间结果、数据暂存和用于存放运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等。缓冲、标志位等。二、片外二、片外RAM： 地址：地址：0000HFFFFH 寻址：用寻址：用MOVX指令指令三、片内三、片内RAM： 片内数据存储器最大可寻址片内数据存储器最大可寻址256个单元，个单元，它们又分为两部分：它们又分为两部分： 低低128字节字节(00H7FH)是真正的是真正的RAM区；高区；高1

11、28字节字节(80HFFH)为特殊功能存放器为特殊功能存放器(SFR)区。区。 高高128字节和低字节和低128字节字节RAM中的配置及中的配置及含义如图含义如图28和图和图29所示。所示。图图28 低低128字节字节RAM区区图图29 高高128字节字节RAM区区(SFR区，特区，特殊功能存放器区殊功能存放器区)1) 低低128字节字节RAM8051的32个任务存放器与RAM安排在同一个队列空间里，一致编址并运用同样的寻址方式(直接寻址和间接寻址)。00H1FH地址安排为4组任务存放器区，每组有8个任务存放器(R0R7)，共占32个单元，见表2-4。经过对程序形状字PSW中RS1、RS0的设

12、置，每组存放器均可选作CPU的当前任务存放器组。假设程序中并不需求4组，那么其他可用作普通RAM单元。CPU复位后，选中第0组存放器为当前的任务存放器。任务存放器区后的16字节单元(20H2FH)，可用位寻址方式访问其各位。在89系列单片机的指令系统中，还包括许多位操作指令，这些位操作指令可直接对这128位寻址。这128位的位地址为00H7FH，其位地址分布见图28。2) 高128字节RAM特殊功能存放器(SFR) 8051片内高片内高128字节字节RAM中，有中，有21个特个特殊功能存放器殊功能存放器(SFR)，它们离散地分布在，它们离散地分布在80HFFH的的RAM空间中。访问特殊功空间中

13、。访问特殊功能存放器只允许运用直接寻址方式。能存放器只允许运用直接寻址方式。 这些特殊功能存放器见图这些特殊功能存放器见图29。各。各SFR的称号及含义如表的称号及含义如表25所列。所列。(1) 累加器累加器ACC(E0H) 累加器ACC是8051最常用、最忙碌的8位特殊功能存放器。在CPU执行指令前，两个操作数中一个通常存放在ACC中，运算完成后结果也存放于ACC中。在指令系统中用A作为累加器ACC的助记符。(2) 存放器存放器B(F0H)在乘、除指令中，用到了在乘、除指令中，用到了8位存放器位存放器B。乘法指令。乘法指令的两个操作数分别取自的两个操作数分别取自A和和B，乘积存于，乘积存于B

14、和和A两两个个8位存放器中。除法指令中，位存放器中。除法指令中，A中存放被除数，中存放被除数，B中放除数，商存放于中放除数，商存放于A，B中存放余数。中存放余数。在其他指令中，在其他指令中，B可作为普统统用存放器或一个可作为普统统用存放器或一个RAM单元运用。单元运用。(3) 程序形状存放器程序形状存放器PSW(D0H)PSW是一个是一个8位特殊功能存放器，它的各位包位特殊功能存放器，它的各位包含了程序执行后的形状信息，供程序查询或判含了程序执行后的形状信息，供程序查询或判别之用。各位的含义及其格式如下表所列。别之用。各位的含义及其格式如下表所列。PSW除有确定的字节地址除有确定的字节地址(D

15、0H)外，每一位均外，每一位均有位地址，见下表有位地址，见下表D7D6D5D4D3D2D1D0CYACF0RS1RS0OV-P进、借辅进用户标定寄存器组选择溢出保留奇/偶(4) 栈指针栈指针SP(81H)堆栈指针堆栈指针SP为为8位特殊功能存放器，位特殊功能存放器，SP的的内容可指向内容可指向8051片内片内00H7FH RAM的任的任何单元。系统复位后，何单元。系统复位后，SP初始化为初始化为07H，即指向即指向07H的的RAM单元。单元。 在图210中，假假设有8个RAM单元，每个单元都在其右面编有地址，栈顶由堆栈指针SP自动管理。每次进展压入或弹出操作以后，堆栈指针便自动调整以坚持指示堆

16、栈顶部的位置。这些操作可用图210阐明。图210 堆栈的压入与弹出(5) 数据指针数据指针DPTR(83H，82H) DPTR是一个是一个16位的特殊功能存放器，其高位位的特殊功能存放器，其高位字节存放器用字节存放器用DPH表示表示(地址地址83H)，低位字节，低位字节存放器用存放器用DPL表示表示(地址地址82H)。DPTR既可以作既可以作为一个为一个16位存放器来处置，也可以作为两个独位存放器来处置，也可以作为两个独立的立的8位存放器位存放器DPH和和DPL运用。运用。 DPTR主要用于存放主要用于存放16位地址，以便对位地址，以便对64 KB片外片外RAM作间接寻址。作间接寻址。(6)

17、/端口端口P0P3(80H，90H，A0H，B0H) P0P3为为4个个8位特殊功能存放器，分别是位特殊功能存放器，分别是4个并行个并行/端口的锁存器。它们都有字节地址，每一个口锁存端口的锁存器。它们都有字节地址，每一个口锁存器还有位地址，每一条器还有位地址，每一条/线均可独立用作输入或输线均可独立用作输入或输出。出。 用作输出时，可以锁存数据；用作输入时，数据可以用作输出时，可以锁存数据；用作输入时，数据可以缓冲。缓冲。 图图2-11所示为各个所示为各个SFR所在的字节地址位置。空格部分所在的字节地址位置。空格部分为未来设计新型芯片可定义的为未来设计新型芯片可定义的SFR位置。位置。图图2-

18、11 特殊功能存放器特殊功能存放器SFR的位置的位置2.2 MCS-51单片机引脚及其功能单片机引脚及其功能2.2.1MCS-51单片机引脚2.2.2 MCS-51单片机引脚功能单片机引脚功能2.2.1 8051单片机引脚单片机引脚2.2.2 8051单片机引脚功能单片机引脚功能 一、一、I/O端口端口P0、P1、P2和和P3 二、电源引脚：二、电源引脚：Vcc和和Vss 三、时钟电路引脚：三、时钟电路引脚：XTAL1和和XTAL2 四、控制信号引脚四、控制信号引脚RST、ALE、PSEN和和EA四、四、I/OI/O端口端口P0P0、P1P1、P2P2和和P3P3 1 1、准双向、准双向 2

19、2、P0P0口口 3 3、P1P1口口 4 4、P2P2口口 5 5、P3P3口口1、准双向、准双向当当I/OI/O口作为输入时，应先向此口锁口作为输入时，应先向此口锁存器写入全存器写入全1 1， 此时该口引脚浮空，此时该口引脚浮空，可作高阻抗输入。可作高阻抗输入。MOV P1MOV P1， #0FFH #0FFHMOV A, P1MOV A, P12、P0口：口：P0P0口可作为一个数据输入口可作为一个数据输入/ /输出口；输出口；P0P0口无上拉电阻，输出时需接上拉口无上拉电阻，输出时需接上拉电阻。电阻。3、P1口：口：P1口也是一个准双向口。口也是一个准双向口。P1口内部有上拉电阻。当口

20、内部有上拉电阻。当P1口输出口输出高电平常，能向外提供拉电流负载，高电平常，能向外提供拉电流负载，所以不用再接上拉电阻。所以不用再接上拉电阻。4、P2口：口：带内部上拉电阻的带内部上拉电阻的8位准双向位准双向I/O端端口口在在CPU访问片外存储器时，它输出访问片外存储器时，它输出高高8位地址。位地址。5、P3口：口：带内部上拉电阻的带内部上拉电阻的8 8位准双向位准双向I/OI/O端端口口P3P3口除作为普通口除作为普通I/OI/O口外，每个引脚口外，每个引脚都有第二功能。都有第二功能。表表2-10 P3口线与第二功能表口线与第二功能表口口线线替替代代的的第第二二功功能能P3.0RXD（串串行

21、行口口输输入入）P3.1TXD（串串行行口口输输出出）P3.2INT0（外外部部中中断断 0 输输入入）P3.3INT1（外外部部中中断断 1 输输入入）P3.4T0（定定时时器器 0 的的外外部部输输入入）P3.5T1（定定时时器器 1 的的外外部部输输入入）P3.6WR（写写选选通通控控制制输输出出）P3.7RD（读读选选通通控控制制输输出出）二、电源引脚：二、电源引脚：Vcc和和Vss 1Vcc(40脚)：电源端，为+5V。 2Vss(20脚)：接地端。图图2-32-3三、时钟电路引脚：三、时钟电路引脚：XTAL1和和XTAL2 XTAL2XTAL21818脚：接外部晶体和微调电容的一端

22、；在脚：接外部晶体和微调电容的一端；在8051 8051 片内它是振荡电路反向放大器的输出端，振荡电片内它是振荡电路反向放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体固有频率。假设需采用外部时钟电路的频率就是晶体固有频率。假设需采用外部时钟电路时，该引脚输入外部时钟脉冲。路时，该引脚输入外部时钟脉冲。 XTAL1XTAL11919脚：接外部晶体和微调电容的另一端；在脚：接外部晶体和微调电容的另一端；在片内它是振荡电路反向放大器的输入端，在采用外部片内它是振荡电路反向放大器的输入端，在采用外部时钟时，该引脚接地。时钟时，该引脚接地。8051的片内振荡器及时钟发生器的片内振荡器及时钟发生器外部脉冲输入外部

23、脉冲输入 四、控制信号引脚：四、控制信号引脚：RST、ALE、PSEN和和EA RSTRST9 9脚：脚： RSTRST：复位信号输入端，高电平有效。当此输：复位信号输入端，高电平有效。当此输入端坚持两个机器周期的高电平常，就可以完入端坚持两个机器周期的高电平常，就可以完成复位操作。成复位操作。复位操作的主要功能复位操作的主要功能主要功能是把主要功能是把PC初始化为初始化为0000H，使单片，使单片机从机从0000H单元开场执行程序。单元开场执行程序。复位操作还对其他一些存放器有影响，它复位操作还对其他一些存放器有影响，它们的复位形状如表们的复位形状如表28所列。所列。表表28中的符号意义如下

24、：中的符号意义如下：各特殊功能存放器的复位值各特殊功能存放器的复位值一、上电自动复位：一、上电自动复位：是经过外部复位电路的电容充电实现。是经过外部复位电路的电容充电实现。如图如图 (a)所示。所示。二、按键手动复位：二、按键手动复位：按键电平复位方式：如图按键电平复位方式：如图 (b)所示。所示。复位的两种方式复位的两种方式四、控制信号引脚：四、控制信号引脚：RST、ALE、PSEN和和EA用于程序运转或者写入时的控制。后面陆续用于程序运转或者写入时的控制。后面陆续讲解讲解2.4CPU时序时序2.4.1片内振荡器及时钟信号的产生片内振荡器及时钟信号的产生2.4.2机器周期和指令周期机器周期和

25、指令周期2.4.3CPU取指、执行周期时序取指、执行周期时序2.4.1 片内时钟信号的产生片内时钟信号的产生8051芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。反相芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。反相放大器的输入端为放大器的输入端为XTAL1，输出端为，输出端为XTAL2，两端跨接石英晶体，两端跨接石英晶体及两个电容就可以构成稳定的自激振荡器。电容器和通及两个电容就可以构成稳定的自激振荡器。电容器和通常取常取30 pF左右，可稳定频率并对振荡频率有微调作用。振荡脉左右，可稳定频率并对振荡频率有微调作用。振荡脉冲频率范围为冲频率范围为fOSC=024 MHz。晶体振荡器的频率

26、为晶体振荡器的频率为fOSC，振荡信号从，振荡信号从XTAL2端输入到片内的端输入到片内的时钟发生器上。时钟发生器上。4 一个机器周期是指一个机器周期是指CPU访问存储器一次访问存储器一次所需的时间。例如，取指令、读存储器、所需的时间。例如，取指令、读存储器、写存储器等等。写存储器等等。4 一个机器周期包括一个机器周期包括12个振荡周期，分为个振荡周期，分为6个个S形状：形状：S1S6。4 每个形状又分为两拍，称为每个形状又分为两拍，称为P1和和P2。4 因此，一个机器周期中的因此，一个机器周期中的12个振荡周期个振荡周期表示为表示为S1P1，S1P2，S2P1，S6P1，S6P2。4 假设采