电子教案单片机原理及应用——基于proteus和keil c(第2版)[林立,张俊亮]第2章

1、第2章 MCS-51单片机结构及原理单片机结构及原理 2.1 MCS-51单片机结构 2.2 MCS-51的存储器结构 2.3单片机的复位、时钟与时序 2.4并行I/O口 2.1 MCS-51单片机结构单片机结构 2.2 MCS-51的存储器结构 2.3单片机的复位、时钟与时序 2.4并行I/O口 第2章 MCS-51单片机结构及原理 SCM将通用微计算机基本功能部件集成在一块芯片上构成的一种专用微计算机系统SCM = CPU+程序存储器+数据存储器+定时器/计数器+ 内外中断+可编程I/O+可编程全双工串行口+第2章 MCS-51单片机结构及原理 80C51=(8位)CPU + 4KBROM

2、 +128BRAM + (216)T/C + (48)I/O + 1个UART +5个INT87C52INTEL MCS-51系列单片机一览表单片机的内部结构单片机的内部结构 第2章 MCS-51单片机结构及原理 51单片机单片机主要内部资源主要内部资源的学习安排的学习安排 中央处理器CPU 第2章程序存储器ROM 第2章数据存储器RAM 第2章并行I/O口第2章中断源INT第5章定时器/计数器T/C第6章全双工串行口UART第7章第2章 MCS-51单片机结构及原理 1、CPU（Central Processing Unit ）CPU = 控制器控制器 + 运算器运算器第2章 MCS-51单

3、片机结构及原理 控制器的用途：控制器的用途：统一指挥和控制各单元协调工作控制器的任务：控制器的任务：从ROM中取出指令译码执行指令控制器的组成：控制器的组成：程序计数器PC、数据指针寄存器DPTR、第2章 MCS-51单片机结构及原理 运算器的用途：运算器的用途：对数据进行算术运算和逻辑操作运算器的任务：运算器的任务：计算缓冲器内容暂存修改运行标志运算器的组成：运算器的组成：累加器ACC、程序状态字寄存器PSW、第2章 MCS-51单片机结构及原理 （1）程序计数器（Program CounterPC） 指向ROM存储单元的地址指针（引导程序运行）（引导程序运行） 0000HPC指针Xxxx

4、xxxxXxxx xxxxXxxx xxxxXxxx xxxxXxxx xxxxROM0000H0001H0002H0003H0004HFFFFH永远存放着下一条指令的首地址首地址具有16位字长可寻址范围216（= 65536字节= 64KB）具有自动加“1” 功能顺序运行程序功能具有可被指令修改功能跳转运行程序功能复位时，PC初值=0 复位后程序从0开始运行第2章 MCS-51单片机结构及原理 （2）数据指针寄存器（Data Pointer DPTR）具有16位字长，可寻址范围216（64KB）具有可被指令修改功能可变更数据地址可拆为2个8位的独立寄存器DPL和DPH0000H0001H00

5、02H0003H0004HFFFFH 35H 77H F4H 94H 9EHDPTR指针 xxH xxHxxH xxH xxHROMRAMDPLDPH0000H0001H0002H0003H0004HFFFFH 指向ROM或RAM存储单元的地址指针（引导数据传送）（引导数据传送） 第2章 MCS-51单片机结构及原理 （3）累加器（ACCUMULATERA） 具有8位字长是利用率最高的寄存器具有可被指令修改功能 存放操作数或中间运算结果的寄存器第2章 MCS-51单片机结构及原理 （4）程序状态字寄存器（Program State WordPSW） 具有8位字长各位都具有特殊含义状态信息通常自

6、动形成，但也可用指令修改存放程序运行过程中的各种状态信息的寄存器第2章 MCS-51单片机结构及原理 ACCY（PSW.7）进位标志在进行加或减运算时，如果操作结果最高位有进位或借位时，CY由硬件硬件置“1”，否则清“0”。 1001 0011 + 1111 0000 CY= 1 1000 0011进位标志位CYCYACF0RS1RS0OVF1PCYACF0RS1RS0OVF1P位7位6位5位4位3位2位1位0CYACF0RS1RS0OVF1PCYCYACACF0F0RS1RS1RS0RS0OVOVF1F1P PPSW.7PSW.7PSW.6PSW.6PSW.5PSW.5PSW.4PSW.4P

7、SW.3PSW.3PSW.2PSW.2PSW.1PSW.1PSW.0PSW.0位7位6位5位4位3位2位1位0用途用途：1、根据CY判断有无判断有无进位或借位进位或借位；2、在位操作中CY可作为位累加器用。举例举例第2章 MCS-51单片机结构及原理 AC（PSW.6）辅助进位标志在进行加加或或减运算减运算时，如果操作结果的低四位数向高四位产生进位或借位时，将由硬件置“1”，否则清“0”。 0100 1111 + 1010 0001 AC=1 1111 0000半进位CYACF0RS1RS0OVF1PCYACF0RS1RS0OVF1P位7位6位5位4位3位2位1位0CYACF0RS1RS0OV

8、F1PCYCYACACF0F0RS1RS1RS0RS0OVOVF1F1P PPSW.7PSW.7PSW.6PSW.6PSW.5PSW.5PSW.4PSW.4PSW.3PSW.3PSW.2PSW.2PSW.1PSW.1PSW.0PSW.0位7位6位5位4位3位2位1位0举例举例用途用途：1、根据AC判断加减运算时有无半进位或半借位；2、在BCD码调整运算码调整运算中要用到AC标志第2章 MCS-51单片机结构及原理 F0（PSW.5）和F1（PSW.1） 用户标志位 可作为用户自行定义的一个状态标记用户自行定义的一个状态标记 举例举例 定义F0为安全门的状态， F0 = 0开；F0 = 1闭 定

9、义F1为指示灯的状态， F1 = 0开；F1 = 1闭CYACF0RS1RS0OVF1PCYACF0RS1RS0OVF1P位7位6位5位4位3位2位1位0CYACF0RS1RS0OVF1PCYCYACACF0F0RS1RS1RS0RS0OVOVF1F1P PPSW.7PSW.7PSW.6PSW.6PSW.5PSW.5PSW.4PSW.4PSW.3PSW.3PSW.2PSW.2PSW.1PSW.1PSW.0PSW.0位7位6位5位4位3位2位1位0用途用途：在程序运行中判断门或灯的工作状态第2章 MCS-51单片机结构及原理 RS1和 RS0（PSW.4和 PSW.3） 工作寄存器组指针用途用途

10、：用于指定指定CPU的当前工作寄存器组的当前工作寄存器组CYACF0RS1RS0OVF1PCYACF0RS1RS0OVF1P位7位6位5位4位3位2位1位0CYACF0RS1RS0OVF1PCYCYACACF0F0RS1RS1RS0RS0OVOVF1F1P PPSW.7PSW.7PSW.6PSW.6PSW.5PSW.5PSW.4PSW.4PSW.3PSW.3PSW.2PSW.2PSW.1PSW.1PSW.0PSW.0位7位6位5位4位3位2位1位0第2章 MCS-51单片机结构及原理 OV（PSW.2） 溢出标志在有符号数加减运算或无符号数乘除运算中若有异常结果，OV硬件置1，否则硬件清0。C

11、YACF0RS1RS0OVF1PCYACF0RS1RS0OVF1P位7位6位5位4位3位2位1位0CYACF0RS1RS0OVF1PCYCYACACF0F0RS1RS1RS0RS0OVOVF1F1P PPSW.7PSW.7PSW.6PSW.6PSW.5PSW.5PSW.4PSW.4PSW.3PSW.3PSW.2PSW.2PSW.1PSW.1PSW.0PSW.0位7位6位5位4位3位2位1位0用途用途：判断运算的结果是否正确判断运算的结果是否正确，正确 = 0；出错 = 1第2章 MCS-51单片机结构及原理 OV=C6Y C7Y=1 0=1 01010100 （+84） + 01101001

12、（+105） CY=0 10111101（-67）D6有进位D7无进位101111011100001011000011正数的补码是它本身，负数的补码是除符号位外每位求反，然后末尾加1 11111011 （-5） + 11110000 （-16） CY= 1 11101011 （-21）D7有进位 D6有进位OV=C6Y C7Y=1 1=0111010111001010010010101运算出错运算正确举例举例第2章 MCS-51单片机结构及原理 P（PSW.0） 奇偶标志位该位始终跟踪累加器A中含“1”个数的奇偶性如果A中有奇数个“1”，则P置“1”，否则置“0”举例举例 若A =1001 1

13、111，则P=0 若A =1100 0001，则P=1CYACF0RS1RS0OVF1PCYACF0RS1RS0OVF1P位7位6位5位4位3位2位1位0CYACF0RS1RS0OVF1PCYCYACACF0F0RS1RS1RS0RS0OVOVF1F1P PPSW.7PSW.7PSW.6PSW.6PSW.5PSW.5PSW.4PSW.4PSW.3PSW.3PSW.2PSW.2PSW.1PSW.1PSW.0PSW.0位7位6位5位4位3位2位1位0用途用途：用于串行通讯中的数据校验，判断是否存在传输错误判断是否存在传输错误。第2章 MCS-51单片机结构及原理 51系列单片机一般采用40只引脚的

14、双列直插式（DIPDual In-line Package）封装结构2. 1.2 MCS-51引脚及功能引脚及功能 第2章 MCS-51单片机结构及原理 除DIP封装外， 51单片机还采用44只引脚的方形扁平(QFP Quad Flat Package) 封装方式（4只引脚无用）。 第2章 MCS-51单片机结构及原理 DIP引脚分布 电源及晶振引脚（共4只）控制引脚（共4只）端口引脚 （共32只） 三类第2章 MCS-51单片机结构及原理 （1）电源及晶振引脚VCC (40脚)：+5V电源引脚VSS (20脚)： 接地引脚XTAL1 (19脚)；外接晶振引脚（内置放大器输入端）XTAL2 (

15、18脚)：外接晶振引脚（内置放大器输出端）80C51Vcc80C512040Vss+5V80C51第2章 MCS-51单片机结构及原理 （2）控制引脚 RST/VPD (9)：复位/ 备用电源引脚 ALE/PROG (30)：地址锁存使能输出/ 编程脉冲输入 PSEN (29)：输出访问片外程序存储器读选通信号 EA/ VPP (31)：外部ROM允许访问/ 编程电源输入 20F8K10k80C51第2章 MCS-51单片机结构及原理 （3）端口引脚 P0.0P0.7（3932脚）P0口P1.0P1.7（18脚）P1口P2.0P2.7（2128脚）P2口P3.0P3.7（1017脚）P3口8只

16、/组4 组= 32 只引脚P0口P3口是单片机对外联络的重要通道第2章 MCS-51单片机结构及原理 最简单的单片机电路图MCU的电源引脚被隐藏（ISIS仿真与Vcc和Vss无关）2.1 MCS-51单片机结构 2.2 MCS-51的存储器结构的存储器结构 2.3单片机的复位、时钟与时序 2.4并行I/O口 第2章 MCS-51单片机结构及原理 2.2 MCS-51的存储器结构的存储器结构 1. 存储器划分方法存储器划分方法计算机存储器地址空间存储器地址空间的两种结构形式：普林斯顿结构普林斯顿结构和哈佛结构哈佛结构。RAM和和ROM统一编址统一编址 RAM和和ROM分别编址分别编址 第2章 M

17、CS-51单片机结构及原理 51系列单片机采用哈佛结构哈佛结构，共有4个物理存储空间个物理存储空间程序存储器ROM数据存储器RAM第2章 MCS-51单片机结构及原理 片内RAM、片内ROM、片外RAM、片外ROM2. 程序存储器程序存储器(ROM)作用：存放程序、表格或常数，具有非易失性特点：片内ROM与片外ROM统一编址（4KB时用片外ROM)第2章 MCS-51单片机结构及原理 EA/ VPP (31引脚)：外部ROM允许访问/ 编程电源输入a） 同时使用片内和片外ROM b）ROM地址分布 当EA引脚接高电平引脚接高电平（开关接A点）时，4 KB以内的地址在片内ROM，大于4KB的地址

18、在片外ROM中（图中折线），两者共同构成64KB空间；当EA引脚接低电平引脚接低电平（开关接B点）时，片内ROM被禁用，全部64KB地址都在片外ROM中（图中直线）。由于片内外ROM是统一编址的，只能算1个逻辑存储空间。第2章 MCS-51单片机结构及原理 片内RAM和片外RAM是独立的，而片内ROM可与片外ROM统一编址第2章 MCS-51单片机结构及原理 51单片机的4个物理存储空间物理存储空间相当于3个逻辑存储空间逻辑存储空间片 内RAM片 外RAMROM的6个特殊存储器单元引导程序跳转 0000H：复位后程序自动运行的首地址 0003H：外部中断0入口地址 000BH：定时器0溢出中断

19、入口地址 0013H：外部中断1入口地址 001BH：定时器0溢出中断入口地址 0023H：串行口中断入口地址程序一般应安排在0030H地址以后 跳转指令 跳转指令 跳转指令 跳转指令 跳转指令0000H0001H0002H0003H0004H0030H主程序首指令主程序首指令第2章 MCS-51单片机结构及原理 3. 片内数据存储器片内数据存储器(RAM)作用：存放程序运行结果字长：8位数量：128B+128B（80C51）30H低128B（ 00H7FH ）为普通RAM区高128B （80HFFH）为特殊功能寄存器区第2章 MCS-51单片机结构及原理 (1) 低128字节的区域 工作寄存

20、器区（00H1FH）可位寻址区（20H2FH） 用户RAM区（30H7FH）30H第2章 MCS-51单片机结构及原理 区共有32个存储单元； 每个单元都有1个8位地址（字节地址字节地址） 每个单元都有1个寄存器名称（R0R7） 32个单元分为4组（第第0 第第3组组） CPU只能选一组为当前工作寄存器组当前工作寄存器组当前工作寄存器组当前工作寄存器组取决于PSW的设置 30HCPU复位后RS1和 RS0默认值为0，即默认第0组为当前工作寄存器组。 第2章 MCS-51单片机结构及原理 30H区共有16个存储单元； 每个单元都有一个字节地址字节地址 每个单元都有8个不同的位地址位地址 区共有1

21、28个位地址 区可以字节地址和位地址两种方式存取数据。第2章 MCS-51单片机结构及原理 区共有80个存储单元；每个单元都有一个字节地址，但没有位地址，也没有寄存器名。30H此区可作为堆栈区和中间数据存储区使用用户RAM区【注意注意】：区和区只能按字节进行数据存取操作，区则可按字节和位两种方式存取操作。第2章 MCS-51单片机结构及原理 （2）高高128字节字节RAM区区 30HSFR承担着51单片机内部资源的管理工作每个存储单元都有一个字节地址，字节地址，但只有其中21个单元个单元可以使用，并有相应寄存器名称。51单片机共有21个特殊功能寄存器（Spetial Function Regi

22、ster）第2章 MCS-51单片机结构及原理 字节地址末位是0或8的SFR，都具有位地址。88H89H8AH8BH8CH8DH8EH8FH2.1 MCS-51单片机结构 2.2 MCS-51的存储器结构 2.3单片机的复位、时钟与时序单片机的复位、时钟与时序 2.4并行I/O口 第2章 MCS-51单片机结构及原理 复位使单片机恢复原始默认状态原始默认状态的操作。1.复位与复位电路复位与复位电路 第2章 MCS-51单片机结构及原理 复位条件复位条件在RST/VPD引脚端出现10ms 要求的高电平（要求的高电平（3V）状态）状态。 复位方式复位方式 上电复位 按键复位第2章 MCS-51单片

23、机结构及原理 复合复位CPU的微操作必须在统一的时钟控制下才能正确进行, 2.时钟电路时钟电路 微调电容: C1、C2 30pF 晶振：石英晶体封裝 MCS-51的时钟频率为612MHz可调ALE时钟S1S4S6S5S3S2读操作码读操作码(无效)(a) 1字节1周期指令读下一指令S1S4S6S5S3S2读操作码读第二字节(b) 2字节1周期指令读下一指令S1S4S6S5S3S2读操作码读操作码(无效)(c) 1字节2周期指令读下一指令S1S4S6S5S3S2外部时钟方式需要通过单片机引脚接入晶振元件晶振元件或外部时钟外部时钟第2章 MCS-51单片机结构及原理 内部时钟方式3. 单片机时序单

24、片机时序 （1）时序的概念）时序的概念第2章 MCS-51单片机结构及原理 时序是指按照时间顺序显示的对象（或引脚、事件、信息）序列关系。 时序可以用状态方程、状态图、状态表和时序图4种方法表示，其中时序图时序图最为常用。 时序图亦称为波形图波形图或序列图序列图，纵坐标表示不同对象的电平，横坐标表示时间（从左往右为时间正向轴），通常坐标轴都省略。第2章 MCS-51单片机结构及原理 (1) 最左边是引脚的标识，表示该图反映了RS、R/W、E、D0D7四类引脚的时序关系。 (2) 交叉线部分表示电平的变化，如高电平和低电平。 (3) 封闭菱形部分表示数据有效范围（偶尔使用的Valid Data也

25、能说明了这点）。(4) 水平方向的尺寸线表示持续时间的长度。某芯片时序图第2章 MCS-51单片机结构及原理 nRS和R/W端首先变为低电平；n随后D0D7端出现有效数据；nR/W低电平tsp1之后，E端出现宽度为tpm的正脉冲；nE脉冲结束并延时tHD1后，RS和R/W端恢复高电平；nE脉冲结束并延时tHD2后，D0D7端的本次数据结束；随后D0D7端出现新的数据，但下次E脉冲应在tc时间后才能出现。根据这些信息便可以进行相应的软件编程了。时序关系：时序的定时单位：时钟周期（或节拍）P、状态周期S、机器周期、指令周期 1个状态周期（S）= 2个节拍（P） 1个机器周期 = 6个状态（S） =

26、12个节拍（P） 1个指令周期约为14个机器周期第2章 MCS-51单片机结构及原理 第2章 MCS-51单片机结构及原理 单片机时序单片机时序CPU在执行指令时所需控制信号的时间顺序。 1、用于片内各功能部件的控制（不作介绍） 2、用于片外存储器或I/O端口的控制（第节介绍） 51单片机访问外部RAM时序 第2章 MCS-51单片机结构及原理 单片机时序逻辑电路D触发器又称边沿D触发器（或维持-阻塞边沿D触发器）正边沿D触发器特性只在时钟脉冲CLK上升沿到来的时刻，才采样D端的输入信号，并据此立即改变Q和/Q端的输出状态。而在其它时刻，D与Q是信号隔离的。 正边沿D触发器 D（输入），Q（输

27、出）CLK（时钟脉冲）第2章 MCS-51单片机结构及原理 负边沿D触发器负边沿D触发器工作特性只在时钟脉冲CLK下降沿到来的时刻，才采样D端的输入信号，并据此立即改变Q和/Q端的输出状态。而在其它时刻，D与Q是信号隔离的。D触发器的这一特性被广泛用于数字信号的触发锁存输出触发锁存输出。2.1 MCS-51单片机结构 2.2 MCS-51的存储器结构 2.3 单片机的复位、时钟与时序 2.4 并行并行I/O口口 第2章 MCS-51单片机结构及原理 2.4 并行并行I/O口口 51单片机有32只I/O引脚，分属于4个端口（P0P3）。由于工作任务不同， 4个端口的内部结构也不同。了解4类端口的

28、内部结构对于正确使用这些I/O端口非常重要。第2章 MCS-51单片机结构及原理 1. P1口口 P1.n = 1个锁存器 + 1个场效应管驱动器V + 2个三态门缓冲器V21P1口包含P1.0P1.7共8个相同结构的电路P1.0P1.7中的8个锁存器组成P1 SFR（90H）第2章 MCS-51单片机结构及原理 P1.n的通用I/O口工作方式：输出输出、读引脚读引脚、读锁存器读锁存器输出时输出时： D端=1/Q=0V截止P1.n=1 D端=0/Q=1V导通P1.n=0V21读引脚时读引脚时：P1.n读引脚三态门1内部总线读锁存器时读锁存器时：Q端读锁存器三态门2内部总线第2章 MCS-51单

29、片机结构及原理 场效应管V的状态会影响P1.n的状态： 如V导通P1.n电平0（钳位） 读引脚可能出错可见，P1口作为输入口时是有条件的（应先写1），而输出时无条件，因此，称P1口为准双向口准双向口。V为正确读出P1.n引脚电平，需设法在读引脚前先使在读引脚前先使V截止截止 令令D=1/Q=0V截止读P1.n不会出错第2章 MCS-51单片机结构及原理 2. P3口口 与P1.n 差别：第二功能控制单元第二功能控制单元双功能 3412第二输入功能VP3.0P3.7中的8个锁存器组成P3 SFR（B0H）第2章 MCS-51单片机结构及原理 输出时输出时： D端=1Q=1V截止P1.n=1 D端

30、=0Q=0V导通P1.n=0读引脚时读引脚时：P1.n读引脚三态门1内部总线（需先写1）读锁存器时读锁存器时： Q端读锁存器三态门2内部总线3412第二输入功能V第二输出第二输出功能口功能口 = “1”(与非门开锁)P3.n的通用的通用I/O口工作方式：口工作方式：第2章 MCS-51单片机结构及原理 P3口的第二功能方式：口的第二功能方式： 输出时输出时：第二输出功能 = 1与非门输出0V截止P3.n=1 第二输出功能 = 0与非门输出1V导通P3.n=0输入时输入时：P3.n驱动门4第二输入功能（也需先使V截至）D端端 写写 “1”(与非门开锁)3412第二输入功能V第2章 MCS-51单

31、片机结构及原理 P3口第二功能定义 引脚名称第二功能定义P3.0RXD串行通信数据接收端输入P3.1TXD串行通信数据发送端输出输出P3.2外部中断0请求端口输入P3.3外部中断1请求端口输入P3.4T0定时器/计数器0外部计数输入端口输入P3.5T1定时器/计数器1外部计数输入端口输入P3.6片外数据存储器写选通输出输出P3.7片外数据存储器读选通输入INT0WRINT1RD（第5章）（第5章）（第8章）（第8章）（第7章）（第7章）（第6章）（第6章）第2章 MCS-51单片机结构及原理 3. P0口口 与P1.n 差别：输出控制电路输出控制电路、 输出驱动电路输出驱动电路总线功能 P0.

32、0P0.7中的8个锁存器组成P0 SFR（80H）第2章 MCS-51单片机结构及原理 漏极开路与上拉电阻的概念 封锁封锁与门A0 地址/数据端与A输出无关控制端=0MUX下通/Q与V1栅极直通V2截止V1漏极开路漏极开路第2章 MCS-51单片机结构及原理 为使漏极开路的V1有效，必须通过外接上拉电阻与电源连通，上拉电阻的阻值一般为10k。 注意：P1、P2、P3口无需外接上拉电阻（已有内部上拉电阻） 3412第二输入功能V第2章 MCS-51单片机结构及原理 P0.n的通用I/O口工作方式（控制端控制端 = 0）输出时输出时： D端=1/Q=0V1截止P0.n=1 D端=0/Q/=1V1导通