第二章(上册)MCS-51单片机的硬件结构_单片微型计算机原理与接口技术

1、第二章第二章 MCS-51单片机的硬件结构单片机的硬件结构2.1 MCS-51单片机的组成及工作原理单片机的组成及工作原理2.2 存存 储储 器器2.1.2 MCS-51单片机的引脚功能单片机的引脚功能2.1.1 MCS-51单片机的结构与特点单片机的结构与特点2.1.3 振荡器、时钟电路和振荡器、时钟电路和CPU时序时序 2.1.5 复位和低功耗操作复位和低功耗操作2.1.4 并并 行行 I/O 端口端口2.1.1 MCS-51单片机的结构与特点单片机的结构与特点 1、MCS-51单片机的基本组成单片机内部包含了下列几个部件：一个8位CPU一个片内振荡器及时钟电路4K字节程序存储器128字节

2、数据存储器两个16位定时器/计数器一个可编程全双工串行口四个8位可编程并行I/O端口64K字节外部数据存储器和64K字节程序存储器扩展控制电路五个中断源；两个优先级嵌套中断结构2、MCS-51单片机处理器及内部结构 1.运算器 2.程序计数器PC 3.指令寄存器 4.工作寄存器区 5.专用寄存器区 6.堆栈 7标志寄存 3、MCS-51单片机系列2.1.2 MCS-51单片机的引脚功能单片机的引脚功能1、主电源引脚：Vcc和Vss2、外接晶体引脚XTAL1 和XTAL23、控制或其它电源复用引脚RST/VPD 、ALE/ PROG、PSEN、EA/VPP 4、输入/输出引脚 P0.0P0.7、

3、 P1.0 P1.7、 P2.0 P2.7、 P3.0P3.7（1）P0.0 P0.7 P0P0是一个是一个8 8位漏极开路型双向位漏极开路型双向I/OI/O口。口。在访问外部存储器时可作为地址（低地址（低8 8位）位）/ /数据分时复用总线使用数据分时复用总线使用。作为地址/数据分时复用总线时，在访问存储器期间它能激活内部的上拉电阻，此时P0成为一个双向口。在EPROM型单片机编程时，P0接收指令，而在验证程序时，则输出指令。验证时，要求外接上拉电阻。P0能以吸收电流的方式驱动8个LSTTL电路。（2）P1.0 P1.7（18）P1P1是一个内部是一个内部带上拉电阻的带上拉电阻的8 8位准双

4、向位准双向I/OI/O口。口。在对EPROM型单片机编程和验证程序时，它接收低8位地址。P1能驱动（吸收或输出电流）4个LSTTL电路。（3）P2.0 P2.7（2128）P2P2是一个内是一个内部带上拉电阻的部带上拉电阻的8 8位准双向位准双向I/OI/O口。口。在访问外部存储器时，它送出高高8 8位地址位地址。在对EPROM型单片机编程和程序验证期间，它接收高8位地址。P2可以驱动（吸收或输出电流）4个LSTTL电路。（4）P3.0 P3.7（1017）P3P3内部带上内部带上拉电阻的拉电阻的8 8位准双向位准双向I/OI/O口。口。P3能驱动（吸收或输出电流）4个LSTTL电路，P3P3

5、每个引每个引脚分别具有第二功能。脚分别具有第二功能。 P3各口线的第二功能 口线 第二功能 P3.0 RXD（串行口输入） P3.1 TXD（串行口输出） P3.2 INT0（外部中断0外部输入） P3.3 INT1（外部中断1外部输入） P3.4 T0（定时器/计数器0 外部输入） P3.5 T1（定时器/计数器1 外部输入） P3.6 WR（外部数据存储器写选通） P3.7 RD （外部数据存储器读选通）2.1.3 振荡器、时钟电路和振荡器、时钟电路和CPU时序时序1、振荡器、时钟电路XTAL1XTAL28051Vss至内部时钟电路 外接石英晶振石英晶体可以在1.2至12之间选择，外接电容

6、的值虽然没有严格的要求。 采用外部振荡器来产生时钟。 Vcc 外 部 振 荡 器 信 号 XTAL2 TTL 门 XTAL1 Vss P1 P2 S1 P1 P2 S2 P1 P2 S3 P1 P2 S4 P1 P2 S5 P1 P2 S6 1 个机器周期 P1 P2 S1 P1 P2 S2 P1 P2 S3 P1 P2 S4 P1 P2 S5 P1 P2 S6 1 个机器周期 OSC (XTAL2) ALE S1 S2 S3 S4 S5 S6 读操作码 读下一个 操作码(丢掉) （b）双字节单周期指令，如 ADD A,#DATA （a）单字节单周期指令，如 INC A （c）单字节双周期指令

7、，如 INC DPTR 再读下一个操作码 S1 S2 S3 S4 S5 S6 读操作码 读下一个操作码 S1 S2 S3 S4 S5 S6 读操作码 读下一个 操作码(丢掉) 读下一个 操作码(丢掉) 读下一个 操作码(丢掉) S1 S2 S3 S4 S5 S6 再读下一个 操作码 读第二个字节 2、CPU时序 2.1.4 并并 行行 I/O 端口端口1、P0口P0.X 引脚 P0.X 锁存器 地址/数据 控制 Vcc 读锁存器 T1 内部总线 D Q T2 CL Q 写锁存器 MUX 读引脚 2、P1口 P1.X 锁存器 P2.X 引脚 读锁存器 Vcc 内部上拉电阻 内部总线 D Q 写锁

8、存器 T CL Q 读引脚 3、P2口 地址 P2.X 引脚 Vcc D CL Q Q P2.X 锁存器 读锁存器 写锁存器 读引脚 内部总线 控制 MUX T R 内部上拉电阻 4、P3口 第二功能输出 P3.X 引脚 Vcc D CL Q Q P3.X 锁存器 读锁存器 写锁存器 读引脚 内部总线 T R 内部上拉电阻 第二功能输入 2.1.5 复位和低功耗操作复位和低功耗操作 1、复位硬件复位电路VccRSTVss8051VccRSTVss8.2K10uFVccVccRSTVss8051VccRSTVss8.2K10uFVcc寄存器 内容 寄存器 内容 PC 0000H TH0 00HA

9、CC 00H TL0 00HB 00H TH1 00HPSW 00H TL1 00HSP 07H TH2 00HDPTR 0000H TL2 00HP0P3 0FFH RLDH 00HIP 000000B RLDL 00HIE 0000000B SCON 00HTMOD 00H SBUF 不确定TCON 00H PCON 00000B 2、低功耗操作 （1）待机方式 （2） 掉电方式2.2 存存 储储 器器2.2.1 半导体存储器半导体存储器一、 只读存储器ROM掩膜编程的ROM现场编程ROM（PROM）可改写的现场编程ROM（EPROM）EPROM又可分为两种，即用紫外线擦除的EPROM，简

10、称UVEPROM（Ultraviolet-Erasable Programmable ROM）。另一种为电擦除的EPROM，简称EEPROM（Electrically Erasable Programmable Rom）。二、随机存取存储器RAM静态RAM动态RAM2.2.2 MCS-51单片机存储器的配置和组织 从物理地址空间分析，MCS51有4个存储器空间：片内程序存储器和片外程序存储器以及片内数据存储器和片外数据存储器。 从逻辑地址空间分析，MCS51有3个存储器空间：片内外统一的64KB的程序存储器地址空间，256B（对51子系列）或384B（对52子系列）的内部数据存储器地址空间（其

11、中128B的专用寄存器地址空间），以及64KB的外部数据存储器地址空间。 1、程序存储器 64KB程序存储器中有7个单元具有特殊功能。0000H单元，MCS-51系统复位后程序计数器PC的内容为0000H， 中中 断断 源源入入 口口 地地 址址外部中断外部中断0 0定时器定时器/ /计数器计数器0 0溢出中断溢出中断外部中断外部中断1 1定时器定时器/ /计数器计数器1 1溢出中断溢出中断串行口串行口* *定时器定时器/ /计数器计数器2 2溢出或溢出或T2EXT2EX（P1.1P1.1）端负）端负跳变时跳变时0003H0003H000BH000BH0013H0013H001BH001BH0

12、023H0023H002BH002BH2、内部数据存储器 内部数据存储器在物理上又可以分为3个不同的块：00H7FH（0127）单元组成的低128字节的RAM块；80H0FFH（128255）单元组成的高128字节的RAM块（仅为52子系列所有）；以及80H0FFH（128255）高128字节的专用寄存器块（SFR）。 在51子系列中，只有低128字节的RAM块和高128字节的专用寄存器块。 52子系列中，高128字节的RAM块与专用寄存器块的地址是重合的。究竟访问哪一块是通过不同的寻址方式加以区分。访问高128字节RAM时采用寄存器间接寻址方式，访问SFR块时则只能采用直接寻址方式。访问低1

13、28字节RAM时，两种寻址方式都可以采用。 1.内部RAM 80B 00H 0区 R0R7 07H 08H 1区 R0R7 0FH 10H 2区 R0R7 17H 18H 3区 R0R7 1FH 20H 位地址 00H7FH 2FH 30H 7FH 位寻址区 16B 工作寄存器区 32B 低128B RAM 高128B RAM 52子系列 所特有的 内部RAM 0FF 80H SFR块 0FF 80H 128B 2.专用寄存器部份专用寄存器的功能部份专用寄存器的功能 （1）程序计数器PC（2）累加器ACC（3）B寄存器（4）程序状态字PSW CY（PSW7）进位标志 AC（PSW6）辅助进位标

14、志 F0（PSW5）标志0 RS1、RS0（PSW4 、PSW3）寄存器区选择控制位 OV（PSW2）溢出标志 PSW1是保留位，未用 P（PSW0）奇偶标志 （5）堆栈指针SP （6）数据指针DPTR （7）端口 P0P3专用寄存器P0、P1、P2、P3分别是I/O端口P0P3的锁存器。 （8）串行数据缓冲器SBUF （9）定时器/计数器 TH0，TL0，TH1，TL1，TH2，TL2 （10）其它控制寄存器IP、IE、TMOD、TCON、T2CON、SCON和PCON 2.2.3 程序存储器的扩展程序存储器的扩展 MCS51系统中，除了8051/8751内部驻留4KB的ROM/EPROM，

15、8052/8752内部驻留8KB的ROM/EPROM外，其余型号的芯片内部均无程序存储器。即使内部具有程序存储器的芯片其容量也很小，因此实际应用中就可以利用其能对外部64KB的程序存储器寻址的能力进行外部扩展程序存储器。一、外扩一、外扩8KB8KB的的EPROMEPROM12MHz20P20P8.2K10uF+5VEA/Vpp31XTAL119XTAL218RST9RD17WR16INT012INT113T014T115P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P0.039P0.138P0.237P0.336P0.435P0.534P0.633P0.732

16、P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728PSEN29ALE/PROG30TXD11RXD10Vcc40Vss208031A010A19A28A37A46A55A64A73A825A924A1021A1123A122CE20OE22PGM27Vpp1D011D112D213D315D416D517D618D719Vdd28GND142764+5VD03Q02D14Q15D27Q26D38Q39D413Q412D514Q515D617Q616D718Q719OE1G11VCC20GND1074LS373+5V外扩8KB程序存储器2764（EP

17、ROM）硬件连接图 EPROM型号及容量型 号容 量2716273227642712827256275122KB4KB8KB16KB32KB64KB12MHz20P20P8.2K10uF+5VEA/Vpp31XTAL119XTAL218RST9RD17WR16INT012INT113T014T115P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P0.039P0.138P0.237P0.336P0.435P0.534P0.633P0.732P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728PSEN29ALE/PROG

18、30TXD11RXD10Vcc40Vss208031+5VA010A19A28A37A46A55A64A73A825A924A1021A1123A122CS120CS226WE27OE22D011D112D213D315D416D517D618D719Vdd28GND146264D03Q02D14Q15D27Q26D38Q39D413Q412D514Q515D617Q616D718Q719OE1G11VCC20GND1074LS373+5V 8031与6264的硬件连接图 2.2.4 数据存储器的扩展数据存储器的扩展外部程序存储器的操作时序 P2 1 个机器周期 ALE S1 S2 S3 S4 S5 S6 S1 S2 S3 S4 S5 S6 1 个机器周期 PSEN RD PCH 输出 PCH 输出 PCH 输出 PCH 输出 PCL 输出 指令 输入 PCL 输出 指令 输入 PCL 输出 指令 输入 PCL 输出 指令 输入 指令 输入 P0 PCL 输出有效 PCL 输出有效 PCL 输出有效 PCL 输出有效 （a）不执行 MOVX 类指令的情况 P2 1 个机器周期 ALE S1 S2 S3 S4 S5 S6 S1 S2 S3 S4 S5 S