《单片机原理与应用》-2

2.1MCS一51单片机系统硬件结构一、结构框图MCS一51系列单片机的所有产品都含有8051除程序存储器外的基本硬件，都是在8051的基础上增减部分资源:程序存储器、数据存储器、I/O口、定时/计数器及一些其他特殊部件。MCS一51系列单片机的内部结构框图如图2一1所示。二、MCS-51单片机外部引脚及其功能MCS一51系列单片机引脚图如图2一2所示1.电源及时钟引脚下一页返回2.1MCS一51单片机系统硬件结构Vcc(40脚):接+SV电源;Vss(20脚):接地;XTALl(19脚):接外部晶体的一个引脚;XTAL2(18脚):接外部晶体的另一端;时钟引脚(18,19脚)外接晶体时与片内的反相放大器构成一个振荡器，它提供单片机的时钟控制信号。时钟引脚也可外接晶体振荡器。2.控制引脚RST/VPD(9脚):当振荡器运行时，在此引脚加上两个机器周期的高电平将使单片机复位(RST);上一页下一页返回2.1MCS一51单片机系统硬件结构ALE/PROG(30脚):当单片机访问外部存储器时，ALE(地址锁存允许)

输出脉冲的下降沿用于锁存16位地址的低8位。即使不访问外部存储器，ALE端仍有周期性正脉冲输出，其频率为振荡器频率的1/6;PSEN(29脚):此输出为访问外部程序存储器的读选通信号;EA/Vpp(31脚):当EA端保持高电平时，单片机访问的是内部程序存储器

(对8051,8751来说)，但当PC(程序计数器)值超过某值(如8751内部含有4KBEPROM，值为OFFFH)时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。当EA端保持低电平时，则不管是否有内部程序存储器而只访问外部程序存储器。上一页下一页返回2.1MCS一51单片机系统硬件结构PO口MCS-51单片机中有4个双向(8位)并行I/0端口(32线)，每线都配备独立的端口锁存器、输出驱动器和输入缓冲器，用于与外界设备之间交换信息。PO口除了作普通的I/)口，直接和外部设备打交道外;还用作片外总线的地址总线ABO一AB7的低八位和数据总线，注意，PO内部无上拉电阻。PO口一位结构图如图2一3所示

PO口在作输出输入口使用时，由于它无内部上拉电阻，为了在口线上输出高电平并具有一定的驱动能力，必须外接上拉电阻。注意:作输入口使用时，为了防止口锁存器对输入口线的输入信号造成影响，必须先往口锁存器写1。同理，P2口作输入时，也必须先往口锁存器写1}P2口除了作普通的I/O口，直接和外部设备打交道外;还用作片外总线的地址总线的高八位地址线AB8一AB15。P2口一位结构图如图2一4所示。上一页下一页返回2.1MCS一51单片机系统硬件结构P1口从单片机的使用角度来看，PO是一个真正的双向口，而其他三个端口都是准双向口。注意:和PO,P2口一样，为防止口锁存器对输入口线造成影响，P1口作输入时，也必须先往口锁存器写1}P1口一位结构图如图2-5所示P3口是一个多功能端口。单片机应用系统中通常使用P3口的第二功能。各位端口的功能如下(P3口一位结构图如图2-6所示):上一页返回2.2MCS一51单片机内部寄存器及其功能一、累加器A累加器A是一个最常用的专用寄存器，大部分单操作数指令的一个操作数取自累加器，很多双操作数指令中的一个操作数也取自累加器。加、减、乘、除法运算的指令，运算结果都存放于累加器A或寄存器B中。大部分的数据操作都会通过累加器A进行，它类似于一个数据运输中转站，在数据传送过程中，任何两个不能直接实现数据的传送单元之间，通过累加器A中转，都能送达目的地。下一页返回2.2MCS一51单片机内部寄存器及其功能二、寄存器B在乘除法指令中，乘法指令中的两个操作数分别取自累加器A和寄存器B,其结果存放于AB寄存器对中。除法指令中，被除数取自累加器A，除数取自寄存器B，结果商存放于累加器A，余数存放于寄存器B中。三、程序状态字PSW

标志寄存器，保存指令执行结果的特征信息，以供程序查询和判断。如图2一7所示)。上一页下一页返回2.2MCS一51单片机内部寄存器及其功能四、程序计数器PC(programCounter)程序计数器在物理上是独立的，它不属于特殊内部数据存储器块。PC是一个16位的计数，由两个八位寄存器PCH和PCL组成，用于存放一条要执行的指令地址，寻址范围为64KB,PC有自动加1功能，即完成了一条指令的执行后，其内容自动加1}PC本身并没有地址，因而不可寻址，用户无法对它进行读写，但是可以通过转移、调用、返回等指令改变其内容，以控制程序的执行顺序。上一页下一页返回2.2MCS一51单片机内部寄存器及其功能

五、数据指针DPTR数据指针为16位寄存器，编程时，既可以按16位寄存器来使用，也可以按两个8位寄存器来使用，即高位字节寄存器DPH和低位字节DPL}DPTR主要是用来保存16位地址，当对64KB外部数据存储器寻址时，可作为间址寄存器使用六、堆栈指针SP(StackPointer)MCS-51单片机的堆栈操作遵循先人后出的原则。人栈时，堆栈指针SP的值先加1，然后再将数据存人到SP所指向的那个存储单元;出栈则是先将数据取出，然后SP指针减1。复位时，SP=07H。其他位于高128字节RAM单元中的特殊功能存储器地址见表2一1。上一页返回2.3MCS一51单片机存储器结构2.3.1程序存储器ROM单元结构用途:存放程序及程序运行时所需的常数和表格。寻址范围:0000HFFFFH;容量64KB，即地址长度16位控制引脚EA=1为高电平时，寻址内部程序存储器，当PC值超过片内ROM容量时，会自动转向外部ROM;EA-0，舍弃内部程序存储器，寻址外部ROM单片机复位后，PC=0000H，即程序从0000H地址单元开始执行。ROM中有几个特殊的单元地址需要了解。下一页返回2.3MCS一51单片机存储器结构0000H系统复位，PC指向处;0003H外部中断0入口;OOOBHTO溢出中断入口;0013H外中断1入口;001BHT1溢出中断入口;0023H串口中断入口。上一页下一页返回2.3MCS一51单片机存储器结构2.3.2数据存储器RAM单元结构MCS-51系列单片机的数据器存储器可分为内部RAM和外部RAM，内部RAM主要指低128字节，即地址为:00H一7FH。外部RAM可扩展的范围是64KB，地址为:0000H一FFFFH内部RAM数据存储器可划分为三个区域:工作寄存器区，OOH一1FH(R0-R7);位寻址区，20H一2FH;堆栈和数据缓冲区30H一7FH}上一页下一页返回2.3MCS一51单片机存储器结构工作寄存器区共有32个单元，分为4组，每组8个RAM，记为RO一R7}任意时刻只能使用其中的一组，由程序状态字中的RSO和RS1位状态来决定。单片机复位后，RSO和RS1都为0,CPU选择了第0组作为当前的工作寄存器组。位寻址区(20H一2FH)16个字节。16x8=128位，每一位都有一个位地址，范围为:OOH一7FH，位地址区也可作为一般的用户RAM使用。也可以使用20H.0的方式来表示20H单元的第0位地址上一页返回2.4MCS一51单片机工作原理2.4.1MCS一51单片机的时钟与时序单片机的工作过程是:取一条指令、译码、执行指令，再取一条指令、译码、执行指令，这样自动地、一步一步地由操作依序完成相应指令规定的功能。各指令的操作在时间上有严格的次序，这种操作的时间次序称作时序。单片机的时钟信号用来为单片机芯片内部的各种操作提供时间基准。MCS一51系列单片机的时钟信号通常有两种产生方式:一是内部时钟方式，二是外部时钟方式。两种信号方式如图2一8所示。下一页返回2.4MCS一51单片机工作原理CPU在执行指令过程中，控制器发出的一系列特定的定时信号和控制信号具有一定时间顺序，这种在时间上的相互关系称为时序。

[振荡周期]:单片机外接石英晶体振荡器的周期(时钟周期)，也称为节拍，用P表示。如外接石英晶体的频率为2MHz，其振荡周期就是0.5us。

[状态周期]:单片机完成一个最基本的动作所需的时间周期，用S表示。个状态周期=2个振荡周期，因此，一个状态周期S就包含两个节拍P，前一振荡周期称为P1拍，后一振荡周期称为P2

拍。上一页下一页返回2.4MCS一51单片机工作原理[机器周期]:单片机完成一次完整的具有一定功能的动作所需的时间周期。如一次完整的读操作或写操作对应的时间。一个机器周期=6

个状态周期=12个振荡周期，依次表示为:S1P1,S1P2,S2P1、S2P2、……、S6P1、S6P2。[指令周期]:执行完某条指令所需要的时间周期。一般需要1一4个机器周期。上一页下一页返回2.4MCS一51单片机工作原理2.4.2MCS一51单片机工作方式一、复位电路单片机复位电路如图2一9所示Ping;RESET复位信号脚，当8051通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位单片机工作时，除了需要时钟支持外，还必须有一个初始状态，即单片机的复位状态。复位不改变RAM(包括工作寄存器RO一R7)的状态。上一页下一页返回2.4MCS一51单片机工作原理二、复位状态各寄存器复位后的状态见表2-2。三、MCS-51单片机最小应用系统指能够满足单片机工作的最简要条件。对于MCS一51系列单片机来说最主要的是引入时钟信号和扩展存储器上一页下一页返回思考与练习题1.填空题(1)51单片机的RST端持续_个机器周期以上的高电平可保证可靠复位。(2)AT89S51单片机内部共有字节的ROM，最大可扩展字节的外部ROM;其内部有字节的RAM，最大可扩展字节的外部RAM(3)在MCS-51单片机中，如果采用6MHz晶振，一个机器周期为_(4)若A中的内容为63H，那么P标志位的值为(5)单片机复位后，(pa)_，(Sp)_，(PO}P3)=(6)MCS-51单片机的复位电路包括_电路和—复位电路(7)MCS-51单片机的RAM通常分为__区.__区.__区三区域、上一页下一页返回思考与练习题2.选择题(1)下列说法正确的是()。(A)程序计数器PC不能为用户编程时直接使用，因为它没有地址(B)内部RAM的位寻址区，只能供位寻址使用，，币不能供字节寻址使用(C)8031共有21个特殊功能寄存器，它们的位都是可用软件设置的因此，是可以进行位寻址的(D)单片机复位后，所有寄存器的内容都被清零上一页下一页返回思考与练习题(2)PC的值是()。

(A)当前正在执行指令的前一条指令的地址

(B)当前正在执行指令的地址

(C)当前正在执行指令的下一条指令的地址

(D)控制器中指令寄存器的地址(3)下列说法错误的是()。

(A)PC是一个不可寻址的特殊功能寄存器

(B)单片机的主频越高，其运算速度越快上一页下一页返回思考与练习题(C)在MCS-51单片机中，一个机器周期等于1us(D)特殊功能寄存器SP内装的是栈顶首地址单元的内容(4)有关PC和DPTR说法错误的是()。

(A)DPTR是可以访问的，r}PC不能访问(B)它们都是16位的寄存器(C)它们都具有加“1”的功能(D)他们都可以分为2个8位的寄存器使用上一页下一页返回思考与练习题3.简答题(1)8051单片机包含哪些主要逻辑功能部件?(2)8051的EA端、ALE端、PSEN端各有什么用途?(3)8051的P3口具有哪些第二功能?(4)程序状态字PSI}%的作用是什么?常用的状态标志有哪几位?作用是什么?(5)8051单片机引脚ALE的作用是什么?当8051不外接RAM和ROM时，ALE上输出的脉冲频率是多少?其作用是什么?(6)在程序存储器中，0000H,0003H,000BH,0013H,001BH,0023H这6个单元有什么特定的含义?(7)为什么说单片机具有较强的位处理能力?上一页下一页返回谢谢观赏图2一1MCS-51系列单片机结构框图返回图2-2