第MCS系列单片机的结构及原理学习教案

1、会计学1第第 MCS系列系列(xli)单片机的结构及原理单片机的结构及原理第一页，共61页。第1页/共60页第二页，共61页。图图2-1 MCS-512-1 MCS-51单片机的基本单片机的基本(jbn)(jbn)结构结构88微处理器微处理器（ 运 算 部（ 运 算 部件）件）控制部件控制部件B 数 据 存 储数 据 存 储器器RAMP0口口P2口口程 序 存 储程 序 存 储器器P1口口P3口口串串行行口口定 时定 时 /计数器计数器中断中断系统系统特殊功特殊功能寄存能寄存器（器（SFR）88ROM/EPROMV VCCCCV VSSSSXTAL1XTAL2 PSENALEEARESET第2

2、页/共60页第三页，共61页。图图2-2 MCS-512-2 MCS-51片内总体结构片内总体结构(jigu)(jigu)框图框图RST端口端口0驱动器驱动器端口端口2驱动器驱动器RAM地地址锁存址锁存器器RAM128*8端口端口0锁锁存器存器端 口端 口 2 锁锁存器存器ROM4K*8B 寄 存寄 存器器程序地址寄存器程序地址寄存器缓冲器缓冲器PC+1寄存器寄存器PCDPTR指针指针VCCVSSP1.0P1.7堆栈指针堆栈指针SPA CCTMP2PSW端口端口3锁存器锁存器端口端口1锁存器锁存器端口端口1驱动器驱动器端口端口3驱动器驱动器TMP1SCONTMODPCONTCONTL0TH1T

3、H0TL1IESBUF(TX/RX)IP中断、串行口和定时器逻辑中断、串行口和定时器逻辑OSCP3.0P3.7A LEPSENEAXTAL2XTAL1ALU(+5V)指指令令寄寄存存器器定定时时与与控控制制指指令令译译码码器器P0.0P0.7P2.0P2.7返回返回(fnhu)本本节节第3页/共60页第四页，共61页。第4页/共60页第五页，共61页。P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7VSSP1.0RST/VPDRXD/P3.0TXD/P3.1INT0/P3.2INT1/P3.3T0/P3.4T1/P3.5WR/P3.6RD/P3.7XTAL2XTAL1123456789

4、10111213141516171819208031805187514039383736353433323130292827262521222324VCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VppALE/PROG PSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0 第5页/共60页第六页，共61页。40条引脚的功能： 1 电源(dinyun)引脚VSS和VCCVSS（20脚）：接地；VCC（40脚）：正常操作及对EPROM编程和验证时接5伏电源(dinyun)。2 外接晶体引脚XTAL1和XTAL2XTAL1（19脚）：接外部晶体的一端。

5、在单片机内部，它是一个反向放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。XTAL2（18脚）：接外部晶体的另一端。在单片机内部，接至上述反向放大器的输出端。第6页/共60页第七页，共61页。 3 控制或与其它电源复用引脚RST/VPD，ALE/PROG，PSEN和EA/VPPRST/VPD（9脚）：当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期以上的高电平，将使单片机复位；VCC掉电期间，此引脚可接备用电源，以保持内部RAM的数据不丢失；当VCC掉到低于规定水平，而VPD在其规定的电压范(50.5V）内，VPD向内部RAM提供备用电源。ALE/PSEN（30脚）：当访问外部存储器时，MCS-51系列

6、单片机即用P0口作为低8位地址输出口，又作为数据输入(shr)/输出口。为了使地址与数据不致于混淆，通常先送地址再传送数据。ALE（允许地址锁存）将P0口输出的低8位地址锁存，从而实现低位地址与数据的分离。第7页/共60页第八页，共61页。 在ALE端会周期性地出现正脉冲信号，此信号频率(pnl)为振荡器频率(pnl)的1/6。因此，它可以用作对外输出的时钟。要注意的是：每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。ALE端可以驱动（吸收或输出电流）8个LSTTL输入。在对8751片内EPROM编程（固化）时，此引脚用于输入编程脉冲。PSEN（29脚）：是外部程序存储器的读选通信号。在外部程

7、序存储器取指令（或常数）期间，每一个机器周期两次有效。每当访问外部数据存储器时，这两次有效的信号将不出现。同样可以驱动8个LSTTL输入。第8页/共60页第九页，共61页。EA/VPP（31脚）：当EA端保持高电平时，访问内部程序(chngx)存储器，但在PC（程序(chngx)计数器）值超过0FFFH（对于8051/8751/80C51）或1FFFH（对于8052）时，将自动转向访问外部存储器。当EA端保持低电平时，不管是否有内部程序(chngx)存储器，只访问外部程序(chngx)存储器。在对8751片内EPROM编程时，此引脚用于施加21V的编程电源（VPP）。 4. 输入/输出引脚P0

8、口、P1口、P2口、P3口P0口（P0.0P0.7共8条引脚，即3932脚）：是双向8位三态I/O口。在访问外部存储器时，可分时用作低8位地址线和8位数据线；在EPROM编程时，它输入指令字节，而在验证程序(chngx)时，则输出指令字节。P0口能驱动8个LSTTL输入。第9页/共60页第十页，共61页。P1口（P1.0P1.7共8条引脚，即18脚）：P1口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。在EPROM编程和程序验证时，它接收低8位地址。它能驱动4个LSTTL输入。P2口（P2.0P2.7共8条引脚，即2128脚）：P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。在访问外部(wib)存

9、储器时，它送出高8位地址。在对EPROM编程和程序验证时，它接收高8位地址。它能驱动4个LSTTL输入。P3口（P3.0P3.7共8条引脚，即1017脚）：P3口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。在MCS-51单片机中，这8个引脚都有各自的第二功能，在实际工作中，大多数情况下都使用P3口的第二功能。表2-1表示出了P3口的第二功能。第10页/共60页第十一页，共61页。位线引脚第二功能P3.010RXD（串行输入口）P3.111TXD（串行输出口）12INT0（外部中断0）13INT1（外部中断1）P3.414T0（定时器0的计数输入）P3.515T1（定时器1的计数输入）16WR（外

10、部数据存储器写脉冲）17RD（外部数据存储器读脉冲）P3.6 P3.7 表表2-1 P32-1 P3口的第二口的第二(d r)(d r)功能表功能表第11页/共60页第十二页，共61页。图图2-32-3（b b）MCS-51MCS-51系列单片机功能系列单片机功能(gngnng)(gngnng)引脚分类引脚分类( (总线结构图）总线结构图）地址锁存器地址锁存器CBI/OA15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0D7D6D5D4D3D2D1D0DBABP1 .0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7R ES ETP3.0P3.1P3.3P3.4

11、P3.5P3.6P3.7VSSVCC P0.0P0.1P0.2P0.3P0.5P0.6P0.7A LEP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0EAP SENP3.2P0.4第12页/共60页第十三页，共61页。返回返回(fnhu)本节本节 单片机的引脚除了电源、复位、时钟接入、用户单片机的引脚除了电源、复位、时钟接入、用户I/OI/O口外，其余引脚都是为了实现系统扩展而设置的。口外，其余引脚都是为了实现系统扩展而设置的。这些引脚构成了三总线形式。这些引脚构成了三总线形式。 （1 1）地址总线（）地址总线（ABAB）：）：地址总线宽度为地址总线宽度为1616位，由位，由P

12、0P0口经地址锁存器提供低口经地址锁存器提供低8 8位地址（位地址（A0-A7A0-A7）；）；P2P2口直接提供高口直接提供高8 8位地（位地（A8A8A15A15）。地址信号）。地址信号(xnho)(xnho)是由是由CPUCPU发出的，故地址总发出的，故地址总线是单方向的。线是单方向的。（2 2）数据总线（）数据总线（DBDB）：数据总线宽度为）：数据总线宽度为8 8位，用于传位，用于传送数据和指令，由送数据和指令，由P0P0口提供。口提供。（3 3）控制总线（）控制总线（CBCB）：控制总线随时掌握各种部件）：控制总线随时掌握各种部件的状态，并根据需要向有关部件发出命令。的状态，并根据

13、需要向有关部件发出命令。 第13页/共60页第十四页，共61页。2.4.1 CPU CPU2.4.2 存储器存储器2.4.3 并行并行(bngxng)I/O口口 第14页/共60页第十五页，共61页。作用：读入和分析每条指令，根据每条指令的功作用：读入和分析每条指令，根据每条指令的功 能要求，控制能要求，控制(kngzh)(kngzh)各个部件执行相应的操作。各个部件执行相应的操作。组成组成(z chn)：运算器和控制器。：运算器和控制器。算术、逻辑运算部件算术、逻辑运算部件ALUALU、累加器累加器ACCACC、寄存器、寄存器B B、暂存器暂存器TMP1TMP1、TMP2TMP2、程序程序(

14、chngx)(chngx)状态寄存器状态寄存器PSWPSW、布尔处理器、布尔处理器、十进制调整电路十进制调整电路时钟发生器、定时控制逻辑、时钟发生器、定时控制逻辑、指令寄存器、指令译码器指令寄存器、指令译码器 、程序计数器程序计数器PCPC、程序地址寄存器、程序地址寄存器、数据指针寄存器数据指针寄存器DPTRDPTR、堆栈指针堆栈指针SPSP运算器运算器控制器控制器算术、逻辑运算部件算术、逻辑运算部件ALUALU指令寄存器指令寄存器指令译码器指令译码器第15页/共60页第十六页，共61页。第16页/共60页第十七页，共61页。5151系列系列(xli)(xli)单片机在物理上有单片机在物理上有

15、4 4个存储空间：个存储空间：SFRRAM位寻址区位寻址区工作工作寄存器寄存器0-3组组外部外部RAMRAM0000FFFF00203080FF外部外部ROM内部内部ROMEA=1外部外部ROMEA=000000FFF1000FFFF第17页/共60页第十八页，共61页。在程序存储器中有在程序存储器中有6 6个单元具有个单元具有(jyu)(jyu)特殊功能：特殊功能：第18页/共60页第十九页，共61页。第19页/共60页第二十页，共61页。1 1、内部数据、内部数据(shj)(shj)存储器低存储器低128128单元单元2 2、内部、内部(nib)(nib)数据存储器高数据存储器高12812

16、8单元单元第20页/共60页第二十一页，共61页。分为分为(fn wi)3(fn wi)3个区域：个区域：第21页/共60页第二十二页，共61页。（特殊（特殊(tsh)功能寄存器区）功能寄存器区）演示演示第22页/共60页第二十三页，共61页。第23页/共60页第二十四页，共61页。ROM地址地址ROM单元单元75HHHHHHH207410F046260006H0005H0004H0003H0002H0001H0000H程序计数器程序计数器PCH指令寄存器指令寄存器HCPU0000第24页/共60页第二十五页，共61页。PSWPSW：程序状态字寄存：程序状态字寄存(jcn)(jcn)器。定义格

17、式如右上器。定义格式如右上边。其中，边。其中，CYCY：进借：进借位标志；位标志；ACAC：辅助进：辅助进借位标志；借位标志；F0F0：用户：用户标志；标志；RS1RS1、RS2RS2：工作：工作寄存寄存(jcn)(jcn)器组选择位（如表器组选择位（如表2-42-4）。）。OVOV：溢出标志：溢出标志位；位；P P：奇偶标志位，：奇偶标志位，有奇数个有奇数个1 1、P P置置1 1，否，否则置则置0 0。D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0CY AC F0 RS1RS2 OV P 表2-4 RS1、RS2与工作(gngzu)寄存器组关系RS1 RS0选择工作寄存器组选择工作寄存器组

18、0 00组（组（00H07H）0 11组（组（08H0FH）1 02组（组（10H17H）1 13组（组（18H1FH）第25页/共60页第二十六页，共61页。数据入数据入数据出数据出栈底栈底SPSP SP-1（a a ）向下生长型）向下生长型栈底栈底SPSP SP+1数据出数据出数据入数据入（b b）向上生长型）向上生长型第26页/共60页第二十七页，共61页。SP:07H01H02H03H04H11H10H压栈压栈00H0BH0AH09H08H07H第27页/共60页第二十八页，共61页。SP:08H00H0BH0AH09H08H07H01H02H03H04H11H10H01H压栈压栈第2

19、8页/共60页第二十九页，共61页。SP:09H00H0BH0AH09H08H07H01H02H03H04H11H10H02H弹栈弹栈第29页/共60页第三十页，共61页。00H0BH0AH09H08H07HSP:08H01H02H03H04H11H10H02H弹栈弹栈第30页/共60页第三十一页，共61页。00H0BH0AH09H08H07H01H02H03H04H11H10HSP:07H01H第31页/共60页第三十二页，共61页。P0口的结构口的结构(jigu)P1口的结构口的结构(jigu)P2口的结构口的结构P3口的结构口的结构第32页/共60页第三十三页，共61页。图图2-6 P0

20、2-6 P0口线逻辑电路口线逻辑电路(lu j (lu j din l)din l)图图VCC锁存器锁存器读锁存器读锁存器地址地址/数据数据控制控制CD读引脚读引脚写入写入内部总线内部总线QQMUXVT2P0.XVT1CP211&第33页/共60页第三十四页，共61页。 VCC锁存器锁存器读锁存器读锁存器D读引脚读引脚写入写入内部总线内部总线QQP1.X内部上拉电阻内部上拉电阻 CP图图2-7 P12-7 P1口线逻辑电路口线逻辑电路(lu (lu j din l)j din l)图图第34页/共60页第三十五页，共61页。VCC锁存器锁存器读锁存器读锁存器地址地址控制控制D读引脚读引脚 写入

21、写入内部总线内部总线QMUXP2.X内 部 上 拉 电内 部 上 拉 电阻阻CP1图图2-8 P22-8 P2口线逻辑电路口线逻辑电路(lu j (lu j din l)din l)图图第35页/共60页第三十六页，共61页。VCC锁存器锁存器读锁存器读锁存器第二输出功能第二输出功能D读引脚读引脚 写入写入内部总线内部总线QQP3.X内部上拉电阻内部上拉电阻第二输入功能第二输入功能CPW321图图2-9 P32-9 P3口线逻辑电路口线逻辑电路(lu (lu j din l)j din l)图图第36页/共60页第三十七页，共61页。2.5.1 振荡器振荡器和时钟和时钟(shzhng)电路电路

22、2.5.2 CPU的时的时序及有关序及有关(yugun)概念概念2.5.3 CPU的取指的取指令和执行指令时序令和执行指令时序 2.5.4 访问外部访问外部ROM的操作时序的操作时序2.5.5 访问外部访问外部RAM的操作时序的操作时序第37页/共60页第三十八页，共61页。时钟信号时钟信号(xnho)的产生由两种方式：的产生由两种方式：进入进入进入进入继续继续第38页/共60页第三十九页，共61页。XTAL2XTAL18051C1C2CYS1至内部时钟电至内部时钟电路路外部外部(wib)时信时信号源号源XTAL2XTAL18051VCCVSSTTL1图图2-10 2-10 振荡电路振荡电路(

23、zhn dn din l)(zhn dn din l)图图2-11 2-11 外部时钟外部时钟(shzhng)(shzhng)脉冲源接法脉冲源接法返回返回第39页/共60页第四十页，共61页。第40页/共60页第四十一页，共61页。P1P2S1振荡周期振荡周期时钟周期时钟周期机器周期机器周期机器周期机器周期指令周期指令周期XTAL2(OSC)S2S3S4S5S6S1S2S4S5S3S6P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P2P2P2P2P2P2P2P2P2P2P2图图2-12 MCS-51单片机各种单片机各种( zhn)周期的相互关系周期的相互关系第41页/共60页第四十二页，共61页

24、。指令周期指令周期(zhuq)(zhuq)1 14s4s举例举例(j l)：第42页/共60页第四十三页，共61页。再 读 下 一个操作码再 读 下 一个操作码XTAL2(OSC)P2S1ALE读操作码读下一个操作码（丢弃）读第二字节（a） 单字节，单周期指令 例：MOV A R1（d）单字节，双周期指令，如MOVXP1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P2S5P2S6P2S1P1P1P1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P2S6P2S1S2P1P1P1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S1读操作码P1P2S2P1P2S3P

25、1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1读下一个操作码（丢弃）（b） 双字节，单周期指令 例：ADD A #data（c）单字节，双周期指令 例：INC DPTR读 操 作 码 （MOVX）读下一个操作码（丢弃）无取指无ALE无取指地址数据（DATA）访问外部存储器P2S1读操作码P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S2P1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2

26、S1P1P2S2P1再读下一个操作码读下一个操作码图图2-13 MCS-512-13 MCS-51单片机的单片机的取指令取指令(zhlng)(zhlng)和执行指和执行指令令(zhlng)(zhlng)时序时序 第43页/共60页第四十四页，共61页。ALEP1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P2S5P2S6P2S1P1P1P1PSENP2A8A15A8A15P0振荡脉冲振荡脉冲A0A7A0A7指令指令指令指令图图2-14 2-14 外部外部(wib)ROM(wib)ROM读时序读时序第44页/共60页第四十五页，共61页。RD/WRALEP1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P

27、2S4P2S5P2S6P2S1P1P1P1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P2S6P1丢失一个脉冲PSENP2A8A15A8A15A8A15P0A0A7A0A7A0A7读指令数据输入/输出图图2-15 2-15 外部外部(wib)RAM(wib)RAM读写时序读写时序返回返回(fnhu)本节本节第45页/共60页第四十六页，共61页。返回返回(fnhu)本章本章第46页/共60页第四十七页，共61页。专用寄存器专用寄存器初始状态初始状态专用寄存器专用寄存器初始状态初始状态PC0000HTMOD00HACC00HTCON00HB00HTH000HPSW00HTL000HSP07H

28、TH100HDPTR0000HTL100HP0P3FFHSBUF BIP0 0000BSCON00HIE00 0000BPCON0 0000B表2-5 单片机复位(f wi)状态返回(fnhu)本节第47页/共60页第四十八页，共61页。n2 2、单片机的复位电路：、单片机的复位电路：n （1 1）简单的复位电路：）简单的复位电路：n简单复位电路有上电复位和手动复位两种。不管是哪简单复位电路有上电复位和手动复位两种。不管是哪一种复位电路都要保证在一种复位电路都要保证在RSTRST引脚上提供引脚上提供10ms10ms以上稳定以上稳定的高电平。见图的高电平。见图2-172-17。n图图2-172-

29、17（a a）是常用）是常用(chn yn)(chn yn)的上电复位电路。这的上电复位电路。这种上电复位利用电容器充电来实现。当加电时，电容器种上电复位利用电容器充电来实现。当加电时，电容器C C充电，电路有电流流过，构成回路，在电阻充电，电路有电流流过，构成回路，在电阻R R上产生压上产生压降，降，RSTRST引脚为高电平；当电容引脚为高电平；当电容C C充满电后，电路相当于充满电后，电路相当于断开，断开，RSTRST的电位与地相同，复位结束。可见复位的时的电位与地相同，复位结束。可见复位的时间与充电的时间有关，充电时间越长复位时间越长。增间与充电的时间有关，充电时间越长复位时间越长。增大

30、电容或增大电阻都可以增加复位时间。大电容或增大电阻都可以增加复位时间。 第48页/共60页第四十九页，共61页。200K22F RST/VPD R1K（a）上电复位）上电复位VCCVSSVCCC805122F RST/VPD R21K（b）按键电平复位）按键电平复位VCCVSSVCCC8051R1RESET22F RST/VPD R11K（c）按键脉冲复位）按键脉冲复位VCCVSSVCCC180511KR2RESET22F C2图图2-17 各种各种( zhn)复位电路复位电路返回返回(fnhu)第49页/共60页第五十页，共61页。 图图2-172-17（b b）是按键式复位电路。它的上电复

31、位）是按键式复位电路。它的上电复位功能与（功能与（a a）相同，但它还可以通过按键实现复位）相同，但它还可以通过按键实现复位，按下键后，通过，按下键后，通过R1R1和和R2R2形成回路，使形成回路，使RSTRST端产生端产生高电平。按键的时间决定了复位时间。高电平。按键的时间决定了复位时间。 （2 2）采用专用复位电路芯片构成复位电路：）采用专用复位电路芯片构成复位电路： 为了保证复位电路可靠地工作，也可以采用专用为了保证复位电路可靠地工作，也可以采用专用的复位电路芯片。的复位电路芯片。MAX813LMAX813L是是MAXINMAXIN公司生产的一种公司生产的一种(y zhn)(y zhn)

32、体积小、功耗低、性价比高的带看门狗体积小、功耗低、性价比高的带看门狗和电源监控功能的复位芯片。和电源监控功能的复位芯片。 第50页/共60页第五十一页，共61页。图图2-18 MAX813L引脚图引脚图RESETMAX813L18756324MRVCCGNDPFIPFOWDIWDO第51页/共60页第五十二页，共61页。MR51K +5VRESETPFIVCCGNDKWDOP1.7RESET87C51WDIPFOMAX813L774HC08183422156图图2-19 带手动复位带手动复位(f wi)的看门狗复位的看门狗复位(f wi)电路电路MAX813L与单片机的连接(linji)电路如

33、图2-19所示 第52页/共60页第五十三页，共61页。该电路可以实现上电复位、程序运行出现“死机”时的自动复位和随时的手动复位。为实现单片机死机时自动复位功能，需要在软件设计中，由P1.7不断输出脉冲信号(xnho)（时间间隔小于1.6 s），如果因某种原因单片机进入死循环，则P1.7无脉冲输出。于是1.6 s后在AX813L的WDO端输出低电平，该电平加到MR端，使MAX813L产生一个200 ms的复位脉冲输出，使单片机有效复位，系统重新开始工作。 第53页/共60页第五十四页，共61页。 在单片机工作时，供电在单片机工作时，供电(n din)电源如果发生停电或电源如果发生停电或瞬间停电，将会使单片机停止工作。待电源恢复瞬间停电，将会使单片机停止工作。待电源恢复时，