MCS系列单片机的基本结构课件

1、MCS系列单片机的基本结构,单片机原理与接口技术,MCS系列单片机的基本结构,第2章 MCS-51系列单片机的基本结构,2.1 80C51单片机内部组成及引脚功能 2.2 时钟电路与复位 2.3 51系列单片机运行的硬件条件 2.4 单片机的工作原理 2.5 51系列单片机的存储结构 2.6 输入/输出端口,MCS系列单片机的基本结构,2.1 80C51单片机内部组成及引脚功能,2.1.1 80C51单片机内部结构 在MCS-51系列单片机中，有2个子系列：51子系列和52子系列。 51子系列有8051、8751和8031三个型号，后来经过改进产生了80C51、87C51和80C31三个型号；

2、 52子系列有8052、8752和8032三个型号，改进后的型号是80C52、87C52和80C32。,MCS系列单片机的基本结构,2.1 80C51单片机内部组成及引脚功能,以MCS-51系列单片机的典型型号80C51为例，来介绍其结构及功能。,图2-1 80C51系列单片机的内部结构框图,MCS系列单片机的基本结构,2.1 80C51单片机内部组成及引脚功能,分析图2-1， 并按其功能部件划分可以看出， 80C51系列单片机是由8大部分组成的。,MCS系列单片机的基本结构,2.1 80C51单片机内部组成及引脚功能,这8大部分是: 1一个8位中央处理机CPU（又称为微处理器）。 2128个

3、字节的片内数据存储器RAM。 34 KB的片内程序存储器EPROM或ROM。 418个特殊功能寄存器SFR。 54个8位并行输入输出I/O接口。 61个串行I/O接口，完成单片机与其他微机之间的串行通信 。 72个16位定时器/计数器T0、T1。 8具有5个（52子系列为6个或7个）中断源，2 个可编程优先级的中断系统。,MCS系列单片机的基本结构,2.1 80C51单片机内部组成及引脚功能,单片机引脚结构图如下：,图2-3 80C51单片机 40引脚配置图,MCS系列单片机的基本结构,2.1 80C51单片机内部组成及引脚功能,2.1.2 引脚功能,MCS系列单片机的基本结构,2.1 80C

4、51单片机内部组成及引脚功能,MCS系列单片机的基本结构,2.2 时钟电路与复位,时钟信号的产生有两种方式： 内部振荡器方式 外部引入方式,MCS系列单片机的基本结构,2.2 时钟电路与复位,2.2.1 时钟电路,图2-4 80C51单片机时钟方式图,MCS系列单片机的基本结构,2.2 时钟电路与复位,2.2.2 复位方式 复位分为上电复位和按钮复位方式。,图2-5 80C51复位电路,MCS系列单片机的基本结构,2.3 51系列单片机运行的硬件条件,51系列单片机内部配有 ROM和RAM，单片机能够运行的最基本配置是：,MCS系列单片机的基本结构,2.4 单片机的工作原理,单片机的工作过程实

5、质上是在具备单片机运行的硬件条件下执行用户编制程序的过程，一般程序的机器码都已固化到存储器中，开机复位后，就可以执行指令。,MCS系列单片机的基本结构,2.4 单片机的工作原理,2.4.1 指令与程序概述 指令：规定计算机执行某种操作的命令。 机器代码：用8位二进制数表示指令代码，机器代码也可用16进制数表示。 汇编指令：用助记符、字符串和数字来表示机器代码。 用汇编指令编写的程序称为汇编源程序 汇编指令与机器语言指令是一一对应的,MCS系列单片机的基本结构,2.4 单片机的工作原理,表2-2机器语言指令与汇编语言指令的对应关系举例,MCS系列单片机的基本结构,2.4 单片机的工作原理,2.4

6、.2 CPU的工作原理 中央处理器(CPU)是单片机内部的核心部件， 它决定了单片机的主要功能特性。 它由运算部件和控制部件两大部分组成。,MCS系列单片机的基本结构,2.4 单片机的工作原理,1.控制器 1）程序计数器PC 程序存储器中指令的第一字节所在地址称为该指令的指令地址。指令地址是由程序计数器PC产生的，用于存放CPU下一条要执行指令的地址，即程序存储器地址。CPU根据 PC中的地址到ROM中去读取程序指令码和数据，并送给指令寄存器IR进行分析。每取出现行指令的一个字节后，PC 就自动加1，即(PC)+1PC，指向下一个要读取字节的地址。,MCS系列单片机的基本结构,2.4 单片机的

7、工作原理,2）指令寄存器IR 指令寄存器IR用于存放CPU根据PC地址从ROM中读出的指令操作码。 3）指令译码器ID 指令译码器ID是用于分析指令操作的部件，指令操作码经译码后产生相应于某一特定操作的信号。,MCS系列单片机的基本结构,2.4 单片机的工作原理,4）时序部件 单片机系统的各部分是在CPU的统一指挥下协调工作的，CPU微控制器根据不同指令，产生相应的定时信号和控制信号，各部分和各控制信号之间要满足一定的时间顺序。,MCS系列单片机的基本结构,2.4 单片机的工作原理,（1）振荡周期: 振荡周期为单片机提供时钟信号的振荡源的周期（晶振周期或外加振荡源周期）。振荡脉冲的周期也称为节

8、拍，用P表示。 （2）状态周期: 状态周期即 CPU 从一个状态转换到另一状态所需的时间。在80C51中，一个状态周期由两个时钟周期组成。2个振荡周期为1个状态周期， 用S表示。,MCS系列单片机的基本结构,2.4 单片机的工作原理,（3）机器周期: 机器周期是计算机完成一次完整的、基本的操作所需要的时间。80C51机器周期由六个状态周期组成，用S1、S2、S6表示，共12个振荡周期。 1个机器周期=6个时钟周期=12个振荡周期。,MCS系列单片机的基本结构,2.4 单片机的工作原理,51系列单片机各种周期的关系,MCS系列单片机的基本结构,2.4 单片机的工作原理,（4）指令周期： 执行一条

9、指令所需的时间，指令周期往往由一个或一个以上的机器周期组成。 例如: 外接晶振为12 MHz时， MCS-51单片机的4个时间周期的具体值为: 振荡周期=1/12 s; 状态周期=1/6 s; 机器周期=1 s; 指令周期=14 s。,MCS系列单片机的基本结构,2.4 单片机的工作原理,2.运算器 运算部件是以算术逻辑单元ALU为核心， 加上累加器A、 寄存器B、 暂存器TMP1和TMP2、 程序状态寄存器PSW及专门用于位操作的布尔处理机组成的， 它能实现数据的算术逻辑运算， 位变量处理和数据传送操作。,MCS系列单片机的基本结构,2.4 单片机的工作原理,1）算术逻辑单元ALU 算术逻辑

10、单元ALU不仅能完成8位二进制数的加（带进位加）、 减（带借位减）、 乘、 除、 加1、 减1及BCD加法的十进制调整等算术运算， 还能对8位变量进行逻辑“与”、 “或”、 “异或”、求补、清0等逻辑运算， 并具有数据传送， 程序转移等功能。,MCS系列单片机的基本结构,2.4 单片机的工作原理,2）暂存寄存器TMP1、TMP2 用来存放参与算术运算和逻辑运算的另一个操作数，对用户不开放。 3）累加器ACC 累加器ACC简称累加器A， 为一个8位寄存器， 它是CPU中使用最频繁的寄存器。用来存放参与算术运算和逻辑运算的一个操作数或运算的结果。,MCS系列单片机的基本结构,2.4 单片机的工作原

11、理,4）寄存器B 存器B是为ALU进行乘除法设置的。 5）程序状态寄存器PSW 程序状态字寄存器PSW（8位）是一个标志寄存器， 它保存指令执行结果的特征信息， 以供程序查询和判别。 6）布尔处理器 单片机主要用于各种控制，80C51系列单片机既是 8 位机，同时也是一个功能完善的一位机。,MCS系列单片机的基本结构,2.4 单片机的工作原理,2.4.3 单片机执行程序过程 下面程序是控制P1口以固定时间间隔周而复始高低电平翻转。汇编程序经过汇编后生成十六进制文件，指令地址、指令代码及汇编程序见图2-8。,MCS系列单片机的基本结构,2.4 单片机的工作原理,单片机每执行一条指令都可分为3个阶

12、段进行，即取指令、分析指令和执行指令,MCS系列单片机的基本结构,2.5 51系列单片机的存储结构,单片机在存储器的设计上，将程序存储器ROM和数据存储器RAM分开，80C51单片机的存储器从物理上分四个存储空间： 片内程序存储器 片外程序存储器 片内数据存储器 片外数据存储器,MCS系列单片机的基本结构,2.5 51系列单片机的存储结构,从用户的角度考虑，80C51单片机的存储器又可分三个逻辑空间(如图2-10所示)： 片内、片外统一编址的64KB（0000H0FFFFH）程序存储器地址空间； 片内256B的数据存储器地址空间（00H0FFH，其中80H0FFH内仅有二十几个字节单元供特殊功

13、能寄存器SFR专用）； 片外可扩展的64KB（0000H0FFFFH）数据存储器地址空间。,MCS系列单片机的基本结构,2.5 51系列单片机的存储结构,8051单片机的存储器地址空间分布图,MCS系列单片机的基本结构,2.5 51系列单片机的存储结构,2.5.1 程序存储器ROM 1片内ROM的配置形式 无ROM型(8031、8032等)，应用时要在片外扩展程序存储器。 掩膜ROM型(8051、8052等)，用户程序由芯片生产厂写入。,MCS系列单片机的基本结构,2.5 51系列单片机的存储结构,EPROM型(8751、8752等)，用户程序通过写入装置写入，通过紫外线照射擦除。 Flash

14、ROM型(89C51、89C52等)，用户程序可以电写入或擦除。 OTPROM型（一次性编程写入ROM），具有较高的环境适应性和可靠性。,MCS系列单片机的基本结构,2.5 51系列单片机的存储结构,2程序存储器的编址 计算机的工作是按照事先编制好的程序指令一条条循序执行的，程序存储器就是用来存放这些已编好的程序和表格常数。AT89C51单片机有64KB程序存储器空间，片内为4KB，地址为0000H0FFFH；片外最多可扩展至64KB，地址为0000H0FFFFH。,MCS系列单片机的基本结构,2.5 51系列单片机的存储结构,当引脚接高电平时， PC在0000H0FFFH范围内执行片内ROM

15、中的程序；当指令地址超过0FFFH时，就自动转向片外ROM取指令。 当接低电平时，片内ROM不起作用，CPU只能从片外ROM/EPROM中取指令。 对于8031芯片，因其片内无ROM，故应使接低电平，这样才能直接从外部扩展的EPROM中取指令。,MCS系列单片机的基本结构,2.5 51系列单片机的存储结构,3程序运行的入口地址 实际应用时，程序存储器的容量由用户根据需要扩展，而程序地址空间原则上也可由用户任意安排，但程序最初运行的入口地址是固定的， 用户不能更改。,MCS系列单片机的基本结构,2.5 51系列单片机的存储结构,2.5.2 数据存储器RAM 数据存储器一般采用随机存取存储器（RA

16、M）。 这种存储器是一种在使用过程中利用程序随时可以写入信息，又可以随时读出信息的存储器。,MCS系列单片机的基本结构,2.5 51系列单片机的存储结构,80C51单片机数据存储器有片内和片外之分。 片内有 256个字节 RAM，地址范围为 00H0FFH(如图2-11所示)。 片外数据存储器可扩展 64 KB存储空间，地址范围为0000H0FFFFH。 但两者的地址空间是分开的，各自独立的。,MCS系列单片机的基本结构,2.5 51系列单片机的存储结构,1片内数据存储器（低128BRAM）,MCS系列单片机的基本结构,2.5 51系列单片机的存储结构,1）通用寄存器区 内部RAM块的00H1

17、FH区， 共分4个组， 每组有8个工作寄存器R0R7， 共32个内部RAM单元。 工作寄存器共有4组， 但程序每次只用1组， 其它各组不工作。 哪1组寄存器工作由程序状态字PSW中的PSW.3（RS0）和PSW.4（RS1）两位来选择， 其对应关系如表2-4所示。CPU通过软件修改PSW中RS0和RS1两位的状态， 就可任选一个工作寄存器组工作。,MCS系列单片机的基本结构,2.5 51系列单片机的存储结构,MCS系列单片机的基本结构,2.5 51系列单片机的存储结构,2）位寻址区 20H2FH单元为位寻址区， 这16个单元（共计128位）的每1位都有一个8位表示的位地址， 位地址范围为00H

18、7FH， 如表2-5所示。,MCS系列单片机的基本结构,2.5 51系列单片机的存储结构,MCS系列单片机的基本结构,2.5 51系列单片机的存储结构,3）用户RAM区 30H7FH是数据缓冲区， 也即用户RAM区， 共80个单元。 4）堆栈区 在片内RAM中，常常要指定一个专门的区域来存放某些特别的数据，它遵循顺序存取和后进先出(LIFO/FILO）的原则，这个RAM区叫堆栈。,MCS系列单片机的基本结构,2.5 51系列单片机的存储结构,功用： (1)子程序调用和中断服务时CPU自动将当前PC值压栈保存，返回时自动将PC值弹栈。 (2)保护现场/恢复现场。 (3)数据传输。,MCS系列单片

19、机的基本结构,2.5 51系列单片机的存储结构,2.片内数据存储器的操作 1）直接寻址与间接寻址的数据传送 （1）直接寻址操作 将片内数据存储器的00H7FH作为直接地址，对其直接进行传送操作。例如 将55数据送入片内数据存储器的50H单元。直接寻址指令操作如下： MOV 50H，#55 ;将立即数55送入片内数据存储 ;器50H单元中,MCS系列单片机的基本结构,2.5 51系列单片机的存储结构,（2）间接寻址操作 将片内数据存储器作为间接地址空间，将工作寄存器R0、R1作为间接寻址寄存器，通过Ri（i=0，1）实现间接的数据传送。例如同样将55数据送入片内数据存储器的50H单元，采用R1寄

20、存器间接寻址时，操作指令如下： MOV R1，#50H ;将寄存器地址50H给R1赋值 MOV R1，#55 ;把立即数55送入R1寄存器指定 ;的50H单元中,MCS系列单片机的基本结构,2.5 51系列单片机的存储结构,2) 位地址空间操作 在20H2FH的位地址空间可实现位操作。如置位、清0、“或”逻辑操作、位条件转移等，一般使用位操作指令。 SETB 00H ;对00H位置，20H单元 ;的D0位的位地址为00H MOV C，20H.1 ;将00H位的值传送到进位位Cy中 CLR 00H ;将00H位清0,MCS系列单片机的基本结构,2.5 51系列单片机的存储结构,3特殊功能寄存器(

21、片内高128B的RAM) 1）特殊功能寄存器SFR 80C51单片机内高128字节的RAM中，集合了一些特殊用途的寄存器SFR，专用于控制、选择、管理、存放单片机内部各部分的工作方式、条件、状态、结果的。,MCS系列单片机的基本结构,2.5 51系列单片机的存储结构,MCS系列单片机的基本结构,2.5 51系列单片机的存储结构,注带* 号的SFR 可位寻址“-”表示保留位,MCS系列单片机的基本结构,2.5 51系列单片机的存储结构,(1)程序计数器PC 程序计数器PC是一个16位专用计数器，用于存放CPU下一条要执行指令的地址，即程序存储器地址。 (2)数据指针DPTR 数据指针DPTR是一

22、个16位的专用寄存器，由DPH(数据指针高8位)和DPL(数据指针低8位)组成，既可以作为一个16位寄存器使用，也可作为两个独立的8位寄存器DPH和DPL使用，DPTR通常用于存放外部数据存储器的存储单元地址。,MCS系列单片机的基本结构,2.5 51系列单片机的存储结构,(3)堆栈指针SP 堆栈指针SP是一个8位的特殊功能寄存器，用于指出堆栈栈顶的地址。数据被压入堆栈，SP自动加1，数据从堆栈中弹出，SP自动减1,MCS系列单片机的基本结构,2.5 51系列单片机的存储结构,(4)程序状态寄存器PSW 程序状态字寄存器PSW（8位）是一个标志寄存器， 它保存指令执行结果的特征信息， 以供程序

23、查询和判别，比如作为程序转移的条件，其中有些位是在指令执行中由硬件自动设置的，而有些位则由用户设定。其程序状态字格式及含义如下:,MCS系列单片机的基本结构,2.5 51系列单片机的存储结构,Cy（PSW.7）进位标志位。在执行加、减法指令时，如果运算结果的最高位（D7位）有进位或借位，Cy位被置“1”，否则清“0”。 AC（PSW.6）辅助进位（或称半进位）标志。在执行加、减法指令时，其低半字节向高半字节有进位或借位时（D3位向D4位），AC位被置“1”，否则清“0”。AC位主要被用于BCD码加法调整。,MCS系列单片机的基本结构,2.5 51系列单片机的存储结构,F0（PSW.5）由用户定

24、义的标志位。是用户定义的一个状态标志位，根据需要可以用软件来使它置位清除。 RS1（PSW.4）、 RS0（PSW.3）工作寄存器组选择位。,MCS系列单片机的基本结构,2.5 51系列单片机的存储结构,80C51单片机共有四组工作寄存器组，每组八个工作寄存器 R0R7。即可用于存放数据或地址，也可用于位操作指令或数据传送指令。用指令设定 RS1、RS0 的值，确定所选的工作寄存器组。RS1、RS0 状态与工作存器 R0R7 的物理地址关系如表2-7所示。,MCS系列单片机的基本结构,2.5 51系列单片机的存储结构,OV（PSW.2）溢出标志位。在计算机内，带符号数一律用补码表示。在 8 位

25、二进制中，补码所能表示的范围是-128+127，而当运算结果超出这一范围时，OV标志为1，即溢出；反之为0。 PSW.1未定义位。,MCS系列单片机的基本结构,2.5 51系列单片机的存储结构,P（PSW.0）奇偶标志位。用于指示运算结果中 1 的个数的奇偶性，若累加器 A中1的个数为奇数，则 P=1；若1的个数为偶数，则P=0。该标志位用在串行通信中，常用奇偶校验的方法检验数据传输的可靠性。,MCS系列单片机的基本结构,2.5 51系列单片机的存储结构,2）SFR的寻址方式 （1）SFR的直接寻址方式 特殊功能寄存器只能使用直接寻址方式访问，但使用直接寻址方式不够直观，因此在指令中最好直接引

26、用特殊功能寄存器名取代对应的特殊功能寄存器地址，例如访问程序状态字寄存器。 MOV PSW,#18H MOV D0H,#18H,MCS系列单片机的基本结构,2.5 51系列单片机的存储结构,（2）SFR的位寻址与字节寻址 对SFR编程操作时，必须了解该资源的位定义、位地址、字节地址。应用时应区分控制位与标志位。标志位是系统运行时自动形成的标志；控制位是编程写入的控制操作。要了解标志位的清除特性。在具体操作时，有些标志位可以自动清除，有些标志位则必须通过指令清除。,MCS系列单片机的基本结构,2.5 51系列单片机的存储结构,3)SFR复位状态 (1)（PC）=0000H ； (2)（PSW）=

27、00H， 其中RS1(PSW.4)=0， RS0(PSW.3)=0， 表示复位后单片机选择工作寄存器0组； (3)（SP）=07H 表示复位后堆栈在片内RAM的08H单元处建立； (4) P0口P3口锁存器为全1状态， 说明复位后这些并行接口可以直接作输入口， 无须向端口写1 。,MCS系列单片机的基本结构,2.5 51系列单片机的存储结构,MCS系列单片机的基本结构,2.5 51系列单片机的存储结构,2.5.3 外部数据存储器 外部数据存储器一般由静态RAM芯片组成。 扩展存储器容量的大小，由用户根据需要而定，但80C51单片机访问外部数据存储器可用1个特殊功能寄存器数据指针寄存器DPTR进

28、行寻址。由于DPTR为16位，可寻址的范围可达64 KB，所以扩展外部数据存储器的最大容量是64 KB。 片外数据存储器寻址空间的数据传送使用专门的MOVX指令。 MOVX A，DPTR MOVX DPTR，A,MCS系列单片机的基本结构,2.6 输入/输出端口,在80C51单片机中有四个双向并行I/O端口 P0P3。每个端口都有八条端口线，共32条线。 2.6.1 P0端口 1 端口结构,MCS系列单片机的基本结构,2.6 输入/输出端口,2通用I/O接口功能 当系统不进行片外的ROM扩展，也不进行片外RAM扩展时，P0用作通用I/O口。 在这种情况下，单片机硬件自动使多路开关“控制”信号为

29、“0”(低电平)，MUX开关接向锁存器的反相输出端。另外，与门输出的“0”使输出驱动器的上拉场效应管T1处于截止状态。此时， 输出级是漏极开路电路。,MCS系列单片机的基本结构,2.6 输入/输出端口,3地址/数据分时复用功能 当系统进行片外的ROM扩展或进行片外RAM扩展时，P0用作地址/数据总线，在这种情况下，单片机内硬件自动使多路开关“控制”信号为“1”(高电平)，MUX开关接向反相器的输出端，这时与门的输出由地址/数据线的状态决定。,MCS系列单片机的基本结构,2.6 输入/输出端口,4端口操作 在MCS-51单片机中，没有专门的输入输出指令，而是将I/O接口与存储器一样看待，使用和读

30、写RAM的一样的指令实现输入输出功能，端口在RAM中的字节地址和位地址见表2-6，当向I/O端口写入数据时，即通过相应引脚向外输出；而当从I/O读入数据时，则将通过引脚将外设状态信号输入到单片机内。 使用数据传送类MOV指令输入/输出字节数据，例如： MOV A ，P0 MOV P0 ，A,MCS系列单片机的基本结构,2.6 输入/输出端口,2.6.2 P1端口,P1口的位结构见图2-13。,MCS系列单片机的基本结构,2.6 输入/输出端口,在结构上，与P0相比，主要有两个不同。 一是:不需要多路开关； 二是:本身具备上拉电阻。 在应用上，P1口只能作一般I/O口使用，除了作输出口使用时不必

31、外接上拉电阻外，其他应用特点及注意事项与P0口完全一样。,MCS系列单片机的基本结构,2.6 输入/输出端口,2.6.3 P2端口,P2口的位结构见图2-14。,MCS系列单片机的基本结构,2.6 输入/输出端口,在结构上，与P0口相比有两个注意不同： 一是多路开关MUX的一个输入端只是“地址”，而不是“地址/数据”； 二是P2口自身具备上拉电阻。 在应用上分两种情况： 一是作一般I/O口使用，与P1口相同； 二是用于为外部扩展存储器或I/O口提供高8位地址。,MCS系列单片机的基本结构,2.6 输入/输出端口,2.6.4 P3端口,P3口的位结构见图2-15。,MCS系列单片机的基本结构,2.6 输入/输出端口,与P1口结构相比，多了一个与非门3和一个输入缓冲器4，当CPU不对P3口进行字节或位寻址时，内部硬件自动将口锁存器的Q端置1。这时，P3口作为第二功能使用，引脚的第二功能见表2-7。,MCS系列单片机的基本结构,2.6 输入/输出端口,1P3口用作第二功能使用 （1）输入第二功能信号时 此时锁存器输出端及“第二输出功能”信号端均应保持高电平。第二功能输入信号通过P3.X引脚通过缓冲器4的输出端输入到单片机内部。 （2）输出第二功能信号时 此时锁存器应预先置“1”，以保持与非门对第二功能信号的输出能顺利进行。