单片机原理 MCS51系列单片机的基本结构 课件

1、单片机原理第单片机原理第2 2章章 MCS-51 MCS-51系列系列单片机的根本结构单片机的根本结构以MCS-51系列单片机的典型型号80C51为例，来介绍其结构及功能。 图2-1 80C51系列单片机的内部结构框图单片机引脚结构图如下：图2-3 80C51单片机 40引脚配置图二、引脚二、引脚功能功能时钟信号的产生有两种方式：内部振荡器方式和外部引入方式。一、时钟一、时钟电路电路图2-4 80C51单片机时钟方式二、复位方式复位分为上电复位和按钮复位方式 图2-5 80C51复位电路 51系列单片机内部配有 ROM和RAM，单片机能够运行的最根本配置是：1配有为单片机提供时钟信号的振荡电路

2、2配有上电复位或按键复位电路3要对EA脚进行处理，选择外部或内部程序存储器4要为单片机提供一个稳定的、满足单片机工作电压条件的工作电源AT89C51系列单片机的最小应用系统的连接如以下图所示 单片机的工作过程实质上是在具备单片机运行的硬件条件下执行用户编制程序的过程，一般程序的机器码都已固化到存储器中，开机复位后，就可以执行指令。 一、指令一、指令与程序概述与程序概述 指令：规定计算机执行某种操作的命令。机器代码：用8位二进制数表示指令代码，机器代码也可用16进制数表示。汇编指令：用助记符、字符串和数字来表示机器代码。用汇编指令编写的程序称为汇编源程序，汇编指令与机器语言指令是一一对应的。 表

3、2-2机器语言指令与汇编语言指令的对应关系举例二、二、 CPU CPU的工作原理的工作原理 中央处理器中央处理器(CPU)(CPU)是单片机内部的核心部件，是单片机内部的核心部件， 它决定了单片机的主要功能特性。它决定了单片机的主要功能特性。 它由运算部件它由运算部件和控制部件两大局部组成。和控制部件两大局部组成。 1. 1.控制器控制器 1 1程序计数器程序计数器PCPC 程序存储器中指令的第一字节所在地址称为该程序存储器中指令的第一字节所在地址称为该指令的指令地址。指令地址是由程序计数器指令的指令地址。指令地址是由程序计数器PCPC产生产生的，用于存放的，用于存放CPUCPU下一条要执行指

4、令的地址，即程下一条要执行指令的地址，即程序存储器地址。序存储器地址。CPUCPU根据根据 PC PC中的地址到中的地址到ROMROM中去读中去读取程序指令码和数据，并送给指令存放器取程序指令码和数据，并送给指令存放器IRIR进行分进行分析。每取出现行指令的一个字节后，析。每取出现行指令的一个字节后，PC PC 就自动加就自动加1 1，即即(PC)+1PC(PC)+1PC，指向下一个要读取字节的地址。，指向下一个要读取字节的地址。 2指令存放器IR 指令存放器IR用于存放CPU根据PC地址从ROM中读出的指令操作码。3指令译码器ID 指令译码器ID是用于分析指令操作的部件，指令操作码经译码后产

5、生相应于某一特定操作的信号。4时序部件 单片机系统的各局部是在CPU的统一指挥下协调工作的，CPU微控制器根据不同指令，产生相应的定时信号和控制信号，各局部和各控制信号之间要满足一定的时间顺序。 1振荡周期: 为单片机提供时钟信号的振荡源的周期晶振周期或外加振荡源周期。振荡脉冲的周期也称为节拍，用P表示。 2状态周期: 即 CPU 从一个状态转换到另一状态所需的时间。在80C51中，一个状态周期由两个时钟周期组成。2个振荡周期为1个状态周期， 用S表示。 3机器周期: 是计算机完成一次完整的、根本的操作所需要的时间。80C51机器周期由六个状态周期组成，用S1、S2、S6表示，共12个振荡周期

6、。 1个机器周期=6个时钟周期=12个振荡周期。 51系列单片机各种周期的关系 4指令周期：执行一条指令所需的时间，指令周期往往由一个或一个以上的机器周期组成。 例如: 外接晶振为12 MHz时， MCS-51单片机的4个时间周期的具体值为: 振荡周期=1/12 s; 状态周期=1/6 s; 机器周期=1 s; 指令周期=14 s。2.运算器 运算部件是以算术逻辑单元ALU为核心， 加上累加器A、 存放器B、 暂存器TMP1和TMP2、 程序状态存放器PSW及专门用于位操作的布尔处理机组成的， 它能实现数据的算术逻辑运算， 位变量处理和数据传送操作。 1算术逻辑单元ALU 算术逻辑单元ALU不

7、仅能完成8位二进制数的加带进位加、 减带借位减、 乘、 除、 加1、 减1及BCD加法的十进制调整等算术运算， 还能对8位变量进行逻辑“与、 “或、 “异或、求补、清0等逻辑运算， 并具有数据传送， 程序转移等功能。2暂存存放器TMP1、TMP2 用来存放参与算术运算和逻辑运算的 另一个操作数，对用户不开放。3累加器ACC累加器ACC简称累加器A， 为一个8位存放器， 它是CPU中使用最频繁的存放器。用来存放参与算术运算和逻辑运算的一个操作数或运算的结果。 4存放器B 存器B是为ALU进行乘除法设置的。5程序状态存放器PSW 程序状态字存放器PSW8位是一个标志存放器， 它保存指令执行结果的特

8、征信息， 以供程序查询和判别。6布尔处理器 单片机主要用于各种控制，80C51系列单片机既是 8 位机，同时也是一个功能完善的一位机。 三、单片机执行程序过程三、单片机执行程序过程 下面程序是控制下面程序是控制P1P1口以固定时间间隔周而复始上下口以固定时间间隔周而复始上下电平翻转。汇编程序经过汇编后生成十六进制文件，电平翻转。汇编程序经过汇编后生成十六进制文件，指令地址、指令代码及汇编程序见图指令地址、指令代码及汇编程序见图2-82-8。 单片机每执行一条指令都可分为3个阶段进行，即取指令、分析指令和执行指令 单片机在存储器的设计上，将程序存储器ROM和数据存储器RAM分开，80C51单片机

9、的存储器从物理上分四个存储空间：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。 从用户的角度考虑，80C51单片机的存储器又可分三个逻辑空间(如图2-10所示)：片内、片外统一编址的64KB0000H0FFFFH程序存储器地址空间；片内256B的数据存储器地址空间00H0FFH，其中80H0FFH内仅有二十几个字节单元供特殊功能存放器SFR专用；片外可扩展的64KB0000H0FFFFH数据存储器地址空间。 80518051单片机的存储器地址空间分布图单片机的存储器地址空间分布图 一、程序存储器一、程序存储器ROMROM 1 1片内片内ROMROM的配置形式的配置形式 无无R

10、OMROM型型(8031(8031、80328032等等) )，应用时要在片外扩展程，应用时要在片外扩展程序存储器。序存储器。 掩膜掩膜ROMROM型型(8051(8051、80528052等等) )，用户程序由芯片生产，用户程序由芯片生产厂写入。厂写入。 EPROM EPROM型型(8751(8751、87528752等等) )，用户程序通过写入装置，用户程序通过写入装置写入，通过紫外线照射擦除。写入，通过紫外线照射擦除。 FlashROM FlashROM型型(89C51(89C51、89C5289C52等等) )，用户程序可以电，用户程序可以电写入或擦除。写入或擦除。 OTPROM OT

11、PROM型一次性编程写入型一次性编程写入ROMROM，具有较高的环，具有较高的环境适应性和可靠性。境适应性和可靠性。 2程序存储器的编址 计算机的工作是按照事先编制好的程序指令一条条循序执行的， 程序存储器就是用来存放这些已编好的程序和表格常数。AT89C51单片机有64KB程序存储器空间，片内为4KB，地址为0000H0FFFH；片外最多可扩展至64KB，地址为0000H0FFFFH。 当引脚接高电平时， PC在0000H0FFFH范围内执行片内ROM中的程序；当指令地址超过0FFFH时，就自动转向片外ROM取指令。当接低电平时，片内ROM不起作用，CPU只能从片外ROM/EPROM中取指令

12、。对于8031芯片，因其片内无ROM，故应使接低电平，这样才能直接从外部扩展的EPROM中取指令。 3程序运行的入口地址 实际应用时，程序存储器的容量由用户根据需要扩展，而程序地址空间原那么上也可由用户任意安排，但程序最初运行的入口地址是固定的， 用户不能更改。 二、数据存储器RAM 数据存储器一般采用随机存取存储器RAM。这种存储器是一种在使用过程中利用程序随时可以写入信息，又可以随时读出信息的存储器。80C51单片机数据存储器有片内和片外之分。片内有 256个字节 RAM，地址范围为 00H0FFH(如图2-11所示)。片外数据存储器可扩展 64 KB存储空间，地址范围为0000H0FFF

13、FH，但两者的地址空间是分开的，各自独立的。 1片内数据存储器低128BRAM 1通用存放器区 内部RAM块的00H1FH区， 共分4个组， 每组有8个工作存放器R0R7， 共32个内部RAM单元。 工作存放器共有4组， 但程序每次只用1组， 其它各组不工作。 哪1组存放器工作由程序状态字PSW中的RS0和RS1两位来选择， 其对应关系如表2-4所示。CPU通过软件修改PSW中RS0和RS1两位的状态， 就可任选一个工作存放器组工作。 表表2-4工作寄存器与内部工作寄存器与内部RAM单元关系单元关系 2位寻址区 20H2FH单元为位寻址区， 这16个单元共计128位的每1位都有一个8位表示的位

14、地址， 位地址范围为00H7FH， 如表2-5所示。表表2-5位寻址区与位地址位寻址区与位地址 3用户RAM区 30H7FH是数据缓冲区， 也即用户RAM区， 共80个单元。 4堆栈区 在片内RAM中，常常要指定一个专门的区域来存放某些特别的数据，它遵循顺序存取和后进先出(LIFO/FILO的原那么，这个RAM区叫堆栈。功用： (1)子程序调用和中断效劳时CPU自动将当前PC值压栈保存，返回时自动将PC值弹栈。 (2)保护现场/恢复现场。 (3)数据传输。2.片内数据存储器的操作 1直接寻址与间接寻址的数据传送 1直接寻址操作将片内数据存储器的00H7FH作为直接地址，对其直接进行传送操作。例

15、如 将55数据送入片内数据存储器的50H单元。直接寻址指令操作如下： MOV 50H，#55 ;将立即数55送入片内数据存储 ;器50H单元中 2间接寻址操作 将片内数据存储器作为间接地址空间，将工作存放器R0、R1作为间接寻址存放器，通过Rii=0，1实现间接的数据传送。例如同样将55数据送入片内数据存储器的50H单元，采用R1存放器间接寻址时，操作指令如下： MOV R1，#50H;将存放器地址50H给R1赋值 MOVR1，#55;把立即数55送入R1存放器指定 ;的50H单元中 2) 位地址空间操作 在20H2FH的位地址空间可实现位操作。如置位、清0、“或逻辑操作、位条件转移等，一般使

16、用位操作指令。 SETB 00H ;对00H位置，20H单元 ;的D0位的位地址为00H MOV C，20H.1;将00H位的值传送到进位位Cy中 CLR 00H;将00H位清03特殊功能存放器(片内高128B的RAM) 1特殊功能存放器SFR 80C51单片机内高128字节的RAM中，集合了一些特殊用途的存放器SFR，专用于控制、选择、管理、存放单片机内部各局部的工作方式、条件、状态、结果的 注带* 号的SFR 可位寻址“-表示保存位(1)程序计数器PC 程序计数器PC是一个16位专用计数器，用于存放CPU下一条要执行指令的地址，即程序存储器地址。(2)数据指针DPTR 数据指针DPTR是一

17、个16位的专用存放器，由DPH(数据指针高8位)和DPL(数据指针低8位)组成，既可以作为一个16位存放器使用，也可作为两个独立的8位存放器DPH和DPL使用，DPTR通常用于存放外部数据存储器的存储单元地址。(3)堆栈指针SP 堆栈指针SP是一个8位的特殊功能存放器，用于指出堆栈栈顶的地址。数据被压入堆栈，SP自动加1，数据从堆栈中弹出，SP自动减1。(4)程序状态存放器PSW 程序状态字存放器PSW8位是一个标志存放器， 它保存指令执行结果的特征信息， 以供程序查询和判别，比方作为程序转移的条件，其中有些位是在指令执行中由硬件自动设置的，而有些位那么由用户设定。其程序状态字格式及含义如下:

18、 Cy进位标志位。在执行加、减法指令时，如果运算结果的最高位D7位有进位或借位，Cy位被置“1，否那么清“0。AC辅助进位或称半进位标志。在执行加、减法指令时，其低半字节向高半字节有进位或借位时D3位向D4位，AC位被置“1，否那么清“0。AC位主要被用于BCD码加法调整， F0由用户定义的标志位。是用户定义的一个状态标志位，根据需要可以用软件来使它置位去除。RS1、 RS0工作存放器组选择位。 80C51单片机共有四组工作存放器组，每组八个工作存放器 R0R7。即可用于存放数据或地址，也可用于位操作指令或数据传送指令。用指令设定 RS1、RS0 的值，确定所选的工作存放器组。RS1、RS0

19、状态与工作存器 R0R7 的物理地址关系如表2-7所示。OV溢出标志位。在计算机内，带符号数一律用补码表示。在 8 位二进制中，补码所能表示的范围是-128+127，而当运算结果超出这一范围时，OV标志为1，即溢出；反之为0。 PSW.1未定义位。 P奇偶标志位。用于指示运算结果中 1 的个数的奇偶性，假设累加器 A中1的个数为奇数，那么 P=1；假设1的个数为偶数，那么P=0。该标志位用在串行通信中，常用奇偶校验的方法检验数据传输的可靠性。2SFR的寻址方式1SFR的直接寻址方式 特殊功能存放器只能使用直接寻址方式访问，但使用直接寻址方式不够直观，因此在指令中最好直接引用特殊功能存放器名取代

20、对应的特殊功能存放器地址，例如访问程序状态字存放器。 MOV PSW,#18H MOV D0H,#18H2SFR的位寻址与字节寻址 对SFR编程操作时，必须了解该资源的位定义、位地址、字节地址。应用时应区分控制位与标志位。标志位是系统运行时自动形成的标志；控制位是编程写入的控制操作。要了解标志位的去除特性。在具体操作时，有些标志位可以自动去除，有些标志位那么必须通过指令去除。 3)SFR复位状态 (1)PC=0000H (2)PSW=00H， 其中RS1(PSW.4)=0， RS0(PSW.3)=0， 表示复位后单片机选择工作存放器0组; (3)SP=07H 表示复位后堆栈在片内RAM的08H

21、单元处建立; (4) P0口P3口锁存器为全1状态， 说明复位后这些并行接口可以直接作输入口， 无须向端口写1 三、外部数据存储器 外部数据存储器一般由静态RAM芯片组成。 扩展存储器容量的大小， 由用户根据需要而定， 但80C51单片机访问外部数据存储器可用1个特殊功能存放器数据指针存放器DPTR进行寻址。由于DPTR为16位， 可寻址的范围可达64 KB， 所以扩展外部数据存储器的最大容量是64 KB。 片外数据存储器寻址空间的数据传送使用专门的MOVX指令。 MOVXA，DPTR MOVXDPTR，A 在80C51单片机中有四个双向并行I/O端口 P0P3。每个端口都有八条端口线，共32

22、条线。一、P0端口 1 端口结构21DQCK/Q读读引引脚脚读读锁锁存存器器写写锁锁存存器器内内部部总总线线地地址址/数数据据控控制制引引脚脚P0.X34VccT1T2MUX图2-12P0口位结构图2通用I/O接口功能 当系统不进行片外的ROM扩展，也不进行片外RAM扩展时，P0用作通用I/O口。 在这种情况下，单片机硬件自动使多路开关“控制信号为“0(低电平)，MUX开关接向锁存器的反相输出端。另外，与门输出的“0使输出驱动器的上拉场效应管T1处于截止状态。此时， 输出级是漏极开路电路。3地址/数据分时复用功能 当系统进行片外的ROM扩展或进行片外RAM扩展时，P0用作地址/数据总线，在这种

23、情况下，单片机内硬件自动使多路开关“控制信号为“1(高电平)，MUX开关接向反相器的输出端，这时与门的输出由地址/数据线的状态决定。 4端口操作 在MCS-51单片机中，没有专门的输入输出指令，而是将I/O接口与存储器一样看待，使用和读写RAM的一样的指令实现输入输出功能，端口在RAM中的字节地址和位地址见表2-6，当向I/O端口写入数据时，即通过相应引脚向外输出；而当从I/O读入数据时，那么将通过引脚将外设状态信号输入到单片机内。 使用数据传送类MOV指令输入/输出字节数据，例如： MOV A ，P0 MOV P0 ，A二、P1端口 P1口位结构见图2-13。 21DQCK/Q读读引引脚脚读读锁锁存存器器写写锁锁存存器器内内部部总总线线Vcc引引脚脚P1.X内内部部上上拉拉电电T2图2-13 P1口位结构图 在结构上，与P0相比，主要有两个不同。一是：不需要多路开关；二是本身具备上拉电阻。 在应用上，P1口只能作一般I/O口使用，除了作输出口使用时不必外接上拉电阻外，其他应用特点及本卷须知与P0口完全一样。 三、P2端口 P2口的位结构见图2-14。 读读引引脚脚写写锁锁存存器器内内部部总总线线21DQCK/Q读读锁锁存存器