单片机原理第二章

1、第二章 51单片机硬件结构和原理2.1 51单片机内部结构及特点2.1.1 51单片机的基本组成 MCS-51系列单片机的结构框图时钟电路CPUROMRAMT0 T1中断系统串行接口并行接口P0 P1 P2 P3TXD RXDINT0 INT1定时计数器结构框图结构框图中央处理器中央处理器CPU：8位，位，运算和控制运算和控制功能功能内部内部RAM：共共256个个RAM单单元，用户使用元，用户使用前前128个单元，个单元，用于存放可读用于存放可读写数据，后写数据，后128个单元被个单元被专用寄存器占专用寄存器占用。用。内部内部ROM：4KB掩膜掩膜ROM，用于存放程序、用于存放程序、原始数据和

2、表原始数据和表格。格。定时定时/计数器：计数器：两个两个16位的定位的定时时/计数器，实计数器，实现定时或计数现定时或计数功能。功能。并行并行I/O口：口：4个个8位的位的I/O口口P0、P1、P2、P3。串行口：串行口：一个全一个全双工串行口。双工串行口。中断控制系统：中断控制系统：5个中断源（外个中断源（外中断中断2个，定时个，定时/计数中断计数中断2 个，串行中断个，串行中断1个）个）时钟电路：时钟电路：可可产生时钟脉冲产生时钟脉冲序列，允许晶序列，允许晶振频率振频率6MHZ和和12MHZ中央处理器中央处理器CPUCPU：8 8位，运算和控制功能位，运算和控制功能内部内部RAMRAM：共

3、共256256个个RAMRAM单元，用户使用前单元，用户使用前128128个单元，用于个单元，用于存放可读写数据，后存放可读写数据，后128128个单元被专用寄存器占用。个单元被专用寄存器占用。内部内部ROMROM：4KB4KB掩膜掩膜ROMROM，用于存放程序、原始数据和表格。，用于存放程序、原始数据和表格。定时定时/ /计数器：计数器：两个两个1616位的定时位的定时/ /计数器，实现定时或计数计数器，实现定时或计数功能。功能。并行并行I/OI/O口：口：4 4个个8 8位的位的I/OI/O口口P0P0、P1P1、P2P2、P3P3。串行口：串行口：一个全双工串行口。一个全双工串行口。中断

4、控制系统：中断控制系统：5 5个中断源（外中断个中断源（外中断2 2个，定时个，定时/ /计数中断计数中断2 2 个，串行中断个，串行中断1 1个）个）时钟电路：时钟电路：可产生时钟脉冲序列，允许晶振频率可产生时钟脉冲序列，允许晶振频率1.2MH1.2MH至至12MHZ12MHZMCS-51系列单片机的子系列51子系列：8031、8051、8751。C51子系列：80C31、80C51、87C51。52子系列：8032、8052、8752。C52子系列：80C532、80C552、87C552。2.1.2 51系列单片机芯片内部结构内部结构图1、CPU： 运算器（8位）：能完成算术运算与逻辑运

5、算。ALU、A、B寄存器、程序状态寄存器PSWPSW的作用：反映指令执行后微处理器的状态。PSW的格式：每位的作用。 控制器：能完成取指、译码，时序控制等功能。PC：程序指针。SP：栈指针。DPTR：数据指针。时序控制电路：8051使用外部晶振的频率范围1.2MHZ-12MHZ2、存储器：程序存储器与数据存储器分离；片外存储器与片内存储器分离。3、I/O口：(略）2.2 51单片机的引脚及功能引脚图示意图：所有引脚分为三类： 口线 电源及时钟 控制实际引脚图引脚功能2.3 51单片机存储器配置2.3.1 存储器配置1、8051单片机可寻址的地址空间8051单片机的存储器分为： 程序存储器（地址

6、0000H-FFFFH) 数据存储器 (地址0000H-FFFFH)2、8051单片机存储器的物理位置： 单片机片内 单片机片外2.3.2 片内存储器1、片内存程序储器8031无 4KROM(0000H-0FFFH)8751 4KEPROM(0000H-0FFFH)2、片内数据存储器8031256个单元8051、8751同80312.3.3 片外可扩展的存储器空间可扩展程序存储器 64K(0000H-FFFFH)可扩展数据存储器 64K(0000H-FFFFH)12345678910111213142827262524232221 201918171615EPROM27641234567891

7、0111213142827262524232221 201918171615EPROM27641234567891011121314151617181920403938373635343332313029282726252424222112345678910111213142827262524232221 201918171615RAM6264 12345678910111213142827262524232221 201918171615RAM6264 80318751805189C51256B（字节）4K64K64K程序程序存储器存储器内部外部0000H0FFFH(4K)0000HFFFF

8、H(64K)0000H0FFFH(4K)0000H0001H0002H(PC)0000H是程序执行的起始单元,在这三个单元存放一条无条件转移指令中断5中断4中断3中断2中断10003H000BH0013H001BH0023H002BH外部中断0定时器0中断外部中断1定时器1中断串行口中断8位位0FFFH0FFEHEA=1 EA=0EA=1 EA=0程序程序存储器资源分布存储器资源分布中断入口地址0000HFFFFH(64K)内部外部数据数据存储器存储器00HFFH7FH80H(高128B)(低128B)RAM专用寄存器0000H H07H07H0808H H0FH0FH1010H H17H17

9、H1818H H1FH1FH0区区R0R0R7R7R0R0R7R7R0R0R7R7R0R0R7R71区区2区区3区区工作寄存器区工作寄存器区可位寻址区可位寻址区20H2FH7F 7807 0030H7FH数据缓冲区数据缓冲区/堆栈区堆栈区内部内部RAMRAM存储器存储器 工作寄存器区工作寄存器区选择位选择位RS0RS0、RS1RS1 MCS51系列单片机存储器配置图 2.3.4 对各个存储空间的访问1、片内程序存储器的访问：EA*引脚为高电平。单片机从片内0000H单元执行程序到0FFFH后自动从片外继续执行程序。若 EA*引脚为低电平，单片机不使用片内程序存储器。 访问指令 MOVC类指令（

10、片内、片外）。2、片外程序存储器的访问：访问指令 MOVC类指令3、片内数据存储器的访问：访问指令 MOV类指令4、片外数据存储器的访问：访问指令 MOVX类指令 2.3.5 片内数据存储器的功能1、片内数据存储器的配置2、各区域的功能 工作寄存器区：有4组工作寄存器，每组8个符合R0-R7，每个8位。分别为第0组第3组。任一时刻只有一组投入工作。选择方法：由CPU中PSW寄存器的RS1、RS0决定功能是：用于指令的寻址。如MOV R0,#54H若此时RS10，RS00。则00H单元的内容为54H若此时RS10，RS01。则08H单元的内容为54H工作寄存器组中其它不投入工作的单元，可用其它寻

11、址方式访问。如：在 RS10，RS00时，MOV 08H,#54H 使08H单元的内容为54H。不投入工作的工作寄存器组对其中的数据有一定的保护作用。 位寻址区：这一区域有16个单元，每个单元都可以位寻址。位地址与单元地址的区别。MOV A,#00H MOV C,#00H MOV A,#00H 中A是8位是单元。MOV C,#00H 中C是1位是位地址。对照上表，分析下面指令；MOV A,20H与MOV C ,20H中20H分别代表什么含义。 用户RAM区（用户数据区)功能与普通RAM区相同，可作栈区及作数据存储区。 专用寄存器区（SFR) 共有23个专用寄存器(也称特殊功能寄存器)其中3个仅

12、80328052有，5个是双字节寄存器，11个。具有位寻址能力、这些专用寄存器离散地分布在片内RAM的高l28字节地址中。专用寄存器并未占满80HFFH整个地址空间，对空闲地址的操作是无意义的。若访问到空闲地址，则读人的是随机数，这些专用寄存器是： ACC、B、PC、SP、PSW、DPTR 并行端口P0-P3、串口数据寄存器SBUF及控制寄存 器。 定时器计数器数据寄存器及控制寄存器。专用寄存器表离散分布有离散分布有2121个个特殊功能寄存器特殊功能寄存器SFRSFR。 1111个可以进行个可以进行位寻址。位寻址。特别提示：对特别提示：对SFRSFR只能使用直接只能使用直接寻址方式，书写时寻址

13、方式，书写时可使用寄存器符号，可使用寄存器符号，也可用寄存器单元也可用寄存器单元地址。地址。2、片外数据存储器的功能片外数据存储器的寻址空间64KB作用一般RAM区。2.3.6 程序存储器的功能单片微型计算机程序存储器应用的一般规则：只单独使用片内或片外程序存储器，不混合使用。1、程序存储器的作用存放程序代码和表格等。2、MCS51单片机中特殊的程序存储器单元MCS51单片机中特殊的程序存储器单元有7个，分别是： 0000H； MCS51复位后PC0000H，即程序从0000H 开始执行指令。 0003H： 外部中断0入口地址。 000BH： 定时器0溢出中断人口地址。 0013H： 外部中断

14、1入口地址。 001BH： 定时器1溢出中断人口地址。 0023H： 串行口中断入口地址。 002BH： 定时器2溢出或T2Ex(P11)端负跳变时的入口 地址(仅80328052所持有)。 使用时通常在这些入口处都安放一条绝对跳转指令，使程序跳转到用户安排的中断程序起始地址，或者从0000H启动地址跳转到用户设计的初始程序入口处。2.4 输入输出端口结构2.4.1 P0口结构及功能1、 P0口的结构P0口内有8个相同的结构。称为位。每位由1个输出锁存器、2个三态输人缓冲器、1个输出驱动电路和1个输出控制电路组成。输出驱动电路由一对FET(场效应管）组成，其工作状态受输出控制电路的控制；输出控

15、制电路由个与门电路，1个反相器和1路多路开关MUX组成。2、 P0口的功能 作一般I/O口使用时：多路开关MUX的位置由CPU发出的控制信号决定。当P0口作一般IO端口使用时、CPU内部发出控制电平”0”信号封锁与门，使输出上拉场效管Tl截止，同时多路开关把输出锁存器Q*端与输出场效应管T 2的栅极接通，此时P0即作一般的IO口使用。读写过程：作输出口时（写过程）： 内部数据总线上的信息由写脉冲锁存至输出锁存器；如：输入D0时，Q0而Q*1，T2导通，P0口引脚输出“0”。由此可见内部数据总线与P0端口是同相位的。输出驱动级是漏极开路电路(称开漏电路)，若要驱动NMOS或其它拉电流负载时，需外

16、接上拉电阻。P0口中的输出可以驱动8个LSTTL负载。 作输入口时（读过程）：端口中有2个三态输入缓冲器用于读操作。 两种读方式 （1）读锁存器的过程 例如ANL P0，A指令。此指令先把P0口的数据读入CPU，再与累加器A的内容进行逻辑与操作，然后再把与的结果送回P0口。（2）读口线的过程 读操作发生前口内锁存器的状态 准双向准双向I/OI/O口的概念口的概念 MCS51MCS51的的P0P3P0P3都是准双向都是准双向I IO O口。口。 作地址/数据总线使用在扩展系统中，P0端口作为地址数据总线使用，此时可分为两种情况： 一种是以P0口引脚输出地址数据信息。这时CPU内部发出高电平的控制

17、信号，打开与门，同时使多路开关MUX把CPU内部地址数据总线反相后与输出驱动场效应管T2栅极接通。TI和T2两个FET管处于反相，构成了推拉式的输出电路，其负载能力大大增加。 另一种情况由P0口输人数据，此时输入的数据是从引脚通过输入缓冲器进入内部总线。2.4.2 P1口结构及功能1、 P1口的结构 P1口也是一个准双向口，其结构图如下：2、P1口的功能 P1口可作通用双向口用，当P1口输出高电平时，能向外部提供拉电流负载，因此不必再外接上拉电阻。当端口用作输入时，和P0口一样，为了避免误读，必须先向对应的输出锁存器写入“1”使FET截止。然后再读端口引脚。由于片内负载电阻较大，约20一40k

18、欧姆，所以不会对输入的数据产生影响。P1口是“真正意义”的I/O口2.4.3 P2口结构及功能1、 P2口的结构 下图是P2口的位结构图。P2口的位结构中上拉电阻的结构与P1口同，但比P1口多了一个输出转换多路控制部分。2、 P2口的功能P2口的功能有两个： 作一般I/O口使用。 作地址总线使用（地址高8位）2.4.4 P3口结构及功能1、 P3口的结构 下图为P3口的位结构图。同样P3口与Pl口的输出驱动部分及内部上拉电阻相同，比P1口多了一个第二功能控制部分的逻辑电路（由一个与非门和一个输入缓冲器组成)。2、 P3口的功能 P3口是一个多功能的端口。当第二输出功能保持高电平时，打开与非门，

19、锁存器输出可以通过与非门送FET管输出到引脚端，这是作通用I/O口的输出使用情况。 P3口除了作通用IO使用外，它的各位还具有第二功能，各功能见下表。P3P30 RXD0 RXD，串行输入口。，串行输入口。P3P3lTXDlTXD，串行输出口。，串行输出口。P3P32INT02INT0，外部中断，外部中断0 0的请求。的请求。P3P33INT13INT1，外部中断，外部中断1 1的请求。的请求。P3P34T04T0，T0T0外部计数脉冲输入。外部计数脉冲输入。P3P35T15T1，T1T1外部计数脉冲输入。外部计数脉冲输入。 P3P36WR6WR外部数据存储器写选通，输出，低电平有效。外部数据

20、存储器写选通，输出，低电平有效。P3P37RD 7RD 外部数据存储器读选通，输出，低电平有效。外部数据存储器读选通，输出，低电平有效。ALEWR RDP1. 0P1. 1P1. 2P1. 3P1. 4P1. 5P1. 6P1. 7指令指令1 1：MOV P1,#00H指令指令2 2：MOV P1,#0FFH指令指令3 3：MOV P1,#0AAH000000001111111101010101指令指令4 4：CLR P1.0指令指令5 5：SETB P1.0111111110+5V1111111111111111ALEWR RDP3. 0P3. 1P3. 2P3. 3P3. 4P3. 5P3

21、. 6P3. 7读端口：读端口： MOV P3, #11111111BMOV A, P3 89C51P3.41 1 1 1 1 1 1 10 1 2.5 时钟电路及51单片机CPU时序2.5.1 片内时钟电路外部时钟及晶振的接法 外接时钟 这时外部振荡器的信号接至XTAL2端，XTALl端应接地。 外接晶振2.5.2 CPU的时序 CPU的时序包括时钟周期、机器周期和指令周期。三种定时单元。1、时钟周期 时钟周期也称为状态周期或振荡周期，用S来表示。它是计算机中最基本的时间单位，在一个时钟周期内，CPU仅完成一个最基本的动作。时钟周期为振荡器频率的倒数。如单片机采用6MHz的时钟频率，则时钟周期为1667ns。2、机器周期 计算机把执行一条指令过程划分为若干个阶段。每一阶段完成一项规定操作。例如：取指令、存储器读、存储器写等。完成某一个规定操作所需的时间称为一个机器周期，般情况下，一个机器周期由若干个时钟周期S组成。3、指令周期 指令周期是执行一条指令所需要的时间。一般由若干个机器周期组成。不同的指令，所需要的