单片机原理与应用MCS51的基本结构及工作原理

1、主要掌握根本组成内部资源存储器的配置I/O口的应用功能时序及电路工作方式第二讲 MCS-51系列单片机系统结构第一节 MCS-51系列单片机的结构/8KB8052/803252子系列4KB/8751/4KB8051/803151子系列MCS-51 EPROM 掩膜MOS 存储器类型单片机系列MCS-51系列单片机是因特公司1980推出的高档8位机分为二个子系列：一 、根本组成框图(内部结构框图)单片机结构框图 频率基准源 计数器 内部总线 中断 中断 控制 并行I/O口 串行输入/输出 8051振荡器及定时电路4K/8K字节程序存储器ROM128/256字节数据存储器RAM2个16位定时器/计

2、数器8051CPU64K字节总线扩展控制可编程I/O口48位可编程串行口内部各单元介绍11、中央处理单元CPU8位 用于数据处理、位操作位测试、置位、复位2、只读存储器ROM4KB或8KB 用于永久性存储应用程序，掩膜ROM、EPROM、 EEPROM、Flash Memory(闪存)3、随机存取存取器RAM128B/256B 用于程序运行中存储工作变量和数据4、并行输入/输出口 I / O32线 用作系统总线、扩展外存、I / O接口芯片5、串行输入/输出口 UART 二线 串行通信、扩展I / O接口芯片内部各单元介绍26、定时/计数器 T16位增量可编程 它与CPU之间各自独立工作，当它

3、计数满时向 CPU中断7、时钟电路 fosc 分为内部振荡器、外接振荡电路8、中断系统 五源中断、两级优先，可编程进行控制。二 、8051单片机对外引脚引脚分布如右图芯片封装(Footprint)样式PLCC44(CHMOS系列)DIP(HMOS系列)(1)电源引脚2个:Vcc+5V,VssGND(2)时钟和控制引脚(6个): XTAL1,XTAL2 RST/Vpd(3)端口引脚(32个)： P0.0P0.7(P0口8个) P1.0P1.7(P1口8个) P2.0P2.7(P2口8个) P3.0P3.7(P3口8个)引脚分类和功能时序电路及时序 时钟的产生： XTAL119、XTAL18。 1

4、、内部方式 与作为反响元件的片外晶体或陶瓷谐振器一起组成 一个自激振荡器。 2、外部方式 CMOS工艺的8031，其XTAL1接外信号；XTAL2 可悬空。HMOS工艺的8031，其XTAL2接外信号； XTAL1接地。 采用外接晶振的时钟电路复位引脚和复位电路RST / VPD 当出现两个机器周期高电平时，单片机复位 。 复位后，P0 P3 输出高电平；SP存放器为07H；其它存放器全部清0；不影响RAM状态。其它控制引脚ALE / PROG 地址锁存控制端 提供1/6 fosc振荡频率；为其内的EPROM输入编程脉冲PSEN 外部程序存储器的读选通信号端= 1 时，访问内部程序存储器,即内

5、ROMEAEAEA / Vpp 内外ROM选择端 = 0 时，只访问外部程序存储器,即外ROM对于8751单片机编程时，该端施加编程电压输入/输出引脚四个8位的I / O口，还兼作地址/数据线。三总线的概念地址总线 AB，P0口提供A7 A0； P2口提供A15 A8，共16位。数据总线 DB，P0口提供D7 D0，共8位。控制总线 CB，ALE 、 、 、 、 等。MCS-51单片机系统三总线的构成三、MCS-51单片机的存储器5个独立的存储空间片内/片外程序存储器64KB00000FFFFH128B的片内数据存储器007FH128B特殊功能存放器SFR800FFH离散分布位寻址空间256位

6、位地址00H0FFH片外数据存储器64KB00000FFFFH存储器图示 程序存储器）（外部K64RAM 数据存储器一程序存储器空间寻址范围：0000H - FFFFH 容量64KB，即地址长度：16位 ，寻址内部ROM； ，寻址外部ROM。 当PC值超过片内ROM容量时会自动转向外部存储器空间。8031单片机接低电平。作 用： 存放程序及程序运行时所需的常数。复位入口地址和中断入口地址 0000H 系统复位，PC指向此处； 0003H 外部中断0入口 000BH T0溢出中断入口 0013H 外中断1入口 001BH T1溢出中断入口 0023H 串口中断入口 002BH T2溢出中断入口

7、二内部数据存储器存储器空间物理上分为两大区域：00H 7FH即128B内RAM区 80H FFH即SFR区。R0、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7即可位寻址，又可字节寻址数据缓冲区、堆栈区、工作单元位寻址区位寻址区20H2FH16个字节。16*8=128位，每一位都有一个位地址，范围为：00H7FH，位地址区也可作为一般RAM使用。三特殊功能存放器SFR(Special Function Register)MCS-51单片机内共有22个特殊功能存放器，包括PC等。PC为程序计数器。它是一个双字节存放器,寻址范围为: 0000H FFFFH，即0 64KB。特殊功能存放器。其寻址空间：8

8、0H FFH 其中，51子系列有18个存放器，占有21个字节； 52子系列有21个存放器，占有26个字节。51子系列SFR地址分配和位地址1 寄存器 位地址/位定义 地址 F7 F6 F5 F4 F3 F2 F1 F0 B F0H E7 E6 E5 E4 E3 E2 E1 E0 ACC E0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 PSW CY AC F0 RS1 RS0 OV / P D0H BF BE BD BC BB BA B9 B8 IP B8H B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 P3 P3.7 P3.6 P3.5 P3.4 P3.3 P3.2 P3.1 P3.0

9、 B0H IE A8H A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 P2 P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0 A0H SBUF 99H 51子系列SFR地址分配和位地址2+说明注意：1、表中共有5个双字节存放器。2、PC也为双字节存放器，但是不在80H FFH 范围内。 3、表中，凡地址能被8整除的存放器都是可位 寻址的存放器。1算术运算存放器1、算术运算存放器1A累加器。2BB存放器，乘、除法运算用。3PSW程序状态字存放器：包含程序运 行状态、信息。2 程序状态字PSW(Program State Word)CY 进位/借位标志；位累加器。A

10、C 辅助进/借位标志；用于十进制调整。F0 用户定义标志位；软件置位/清零。OV 溢出标志； 硬件置位/清零。P 奇偶标志；A中1的个数为奇数 P = 1；否那么 P = 0。RS1、RS0 存放器区选择控制位。 0 0 ： 0区 R0-R7 0 1 ： 1区 R0-R7 1 0 ： 2区 R0-R7 1 1 ： 3区 R0-R7 P RS0RS1OV F0 AC CY PSW3 指针存放器程序计数器PC 指明即将执行的下一条指令的地址(程序存储器地址)，在物理上独立，复位时PC = 0000H。堆栈指针SP 指明栈顶元素的地址，8位，可软件设置初值，复位时SP = 07H。数据指针DPTR

11、DPTR；指明访问的数据存储器的单元地址，16位，寻址范围64KB。 DPTR = DPH + DPL，也可单独使用。 4 输入/输出端口的存放器并行输入/输出端口 存放器P0、P1、P2、P3实为相应端口锁存器。串行输入/输出端口1串行数据缓冲器 SBUF 是物理上独立的两个存放器，共同使用一个地址 99H。2串行控制/状态存放器SCON 控制监视串行口的工作状态3电源控制存放器PCON 控制单片机的低功耗工作方式及波特率选择。5 中断系统和定时器的SFR中断系统1中断优先级存放器IP：2级优先，可软件设定2中断允许存放器IE定时/计数器1定时器方式存放器：TMOD2定时器控制存放器：TCO

12、N3计数存放器：TH0、TL0；TH1、TL1。可用于设定计数初值。1内部RAM 20H-2FH共16个单元可按位寻 址128位。2SFR 80H-FFH 51子系列，有11个存放 器，83位；52子系列，有12个存放器，93位。四位寻址空间五外部数据存储器空间 1容量最大扩展到64KB 2寻址范围：0000H-FFFFH 3寻址方式：间接寻址可用R0，R1,DPTR三、 CPU时序 时钟的根本概念 启动单片机后，指令执行顺序： 取指令 分析 执行 时序图一个机器周期P1 P2P1 P2单字节单周期指令例：INC A机器周期和时钟周期1 以上是单周期单字节指令在执行过程中ALE脉冲、取指 操作

13、、执行操作等在时间上的先后关系。时序的定义： 单片机内的各种操作都是在一系列脉冲控制下进行的，而各脉冲在时间上是有先后顺序的，这种顺序就称为时序。 执令周期：即从取指到执行完，所需时间。 不同机器指令周期不一样；即使相同机器，不同的 指令其指令周期也不一样。 机器周期：机器的根本操作周期。一个指令周期含假设干机器周 期单、双、四周期机器周期和时钟周期2 每个状态周期含两个振荡周期，即相位P1、P2。 振荡周期：由振荡时钟产生。 振荡周期Tosc = 1/fosc 一个机器周期 = 12个振荡周期 = 121/fosc 。 例如，假设fosc = 12MHz，那么一个机器周期 = 1s。状态周期

14、：一个机器周期分6个状态周期Si单字节单周期指令例：INC A双字节单周期指令例：ADD A，DATA单字节双周期指令例：INC DPTR指令时序分析当ALEALE信号为振荡频率6分频正跳变时，对应单片机进行一次读指令操作。一个机器周期二次出现，在S1P2和S2P1及S4P2和S5P1期间。有效宽度为一个状态。1单字节单周期指令：INC A只需进行一次读指令操作指令只有一个字节，当第二个ALE有效时，由于PC没有加1，读出的还是原指令。属于一次无效操作。指令时序分析2双字节单周期指令：ADD A，#dataALE两次读操作都有效，第一次读操作码指令第一字节，第二次读立即数指令第二字节。3单字节

15、双周期指令：INC DPTR两个机器周期共进行四次读指令操作，但其后三次的读操作都是无效的。CHMOS型单片机的节电工作方式 CHMOS型单片机提供两种省电工作方式：空闲方式(等待方式)和掉电方式(停机方式),由PCON控制。空闲方式特点:CPU不工作，中断、串行口、定时器继续工作, 耗电1.75mA;(2) CPU现场(SP,PC,PSW,ACC)、RAM和其他SFR保持不变，引脚保持进入空闲方式时状态，ALE和PSEN*保持高电平。进入方法：CPU执行置“1PCON.0(IDL)指令 如：MOV PCON,#01H; IDL1退出方法：(1) 发生被允许的中断:内部硬件去除IDL,响应中断

16、执行效劳程序。(2) 硬件复位。RST引脚掉电方式特点： (1) 内部所有功能部件停止工作,内部RAM和存放器维持不变,耗电在550uA,Vcc可以降至2V; (2) IO引脚状态和相关的SFR内容对应,ALE和PSEN*为低电平。进入方法:CPU执行置“1PCON.1(PD)指令 如：MOV PCON,#02H; PD1退出方法:硬件复位,复位后SFR内容被初始化,RAM内容保持不变。空闲方式的应用假设有一个80C31数据采集系统在交流供电正常时完成所规定的全部功能，停电时只有80C31和外部RAM依靠备用电池供电，要求系统的实时时钟继续工作，外部RAM中的数据维持不变。 该系统的实时时钟由

17、软件计时，T0产生1ms的定时中断，T0中断效劳程序完成实时时钟计数及其它的定时操作，同时检测P10上的输入状态，假设P10为低电平，那么交流供电正常；假设P10为高电平，那么交流电将要停电或已经停电，这时置位GF0后返回。通常主程序是一个无限循环的程序，当查询到GF0为“1 时激活空闲方式，该指令下面的程序为循环查询GF0的状态，以确定是否需要再次激活空闲方式。 空闲方式的应用掉电方式的应用 假设有一个80C31应用系统，停电时只需保持外部RAM中的数据不变。硬件电路框图加一个交流上电的复位电路。在交流电恢复供电时产生个复位信号，使器件退出掉电方式。 系统软件定时查询P10的状态，当查询到停电时，置“1PCON.