【单片机原理与C51编程】课件 第二章 单片机硬件结构和原理.ppt

1、,第二章 MCS-51 单片机的硬件结构,2.1 MCS-51单片机的内部结构 2.2 MCS-51单片机的引脚功能、时钟电路、复位电路 2.3 MCS-51I/0端口结构 2.4 MCS-51单片机的存储器结构,2.1 MCS-51 单片机的硬件结构,8 位的 CPU， 片内有振荡器和时钟电路,工作频率为(Atmel 89Cxx为024MHz） 片内有 128/256字节 RAM 片内有 0K/4K/8K字节 程序存储器ROM 可寻址片外 64K字节 数据存储器RAM 可寻址片外 64K字节 程序存储器ROM 片内 21/26个 特殊功能寄存器（SFR） 4个8位 的并行I/O口（PIO）

2、1个 全双工串行口（SIO/UART） 2/3个16位 定时器/计数器（TIMER/COUNTER） 可处理 5/6个中断源，两级中断优先级 内置1个布尔处理器和1个布尔累加器（Cy） MCS-51指令集含 111条指令（指汇编语言）,2.1 MCS-51 单片机的硬件结构,2.1 MCS-51 单片机的硬件结构,内部结构框图,2.1 MCS-51 单片机的硬件结构,按功能可分成8个部件，通过片内单一总线连接起来. 控制方式：SFR对各功能部件集中控制,1.微处理器,2.数据存储器,3.程序存储器,4.I/O口,5.串行口,6.定时/计数器,7.中断系统,8.特殊功能寄存器,片内总线,2.1

3、MCS-51 单片机的硬件结构,各功能部件： 1.CPU（微处理器） 2.数据存储器（RAM） 片内为128个字节（52子系列的为256个字节） 3.程序存储器（ROM/EPROM） 8031:无此部件； 8051:4K字节ROM； 8751:4K字节EPROM ； 89C51/89C52/89C55:4K/8K/20K 字节闪存。,2.1 MCS-51 单片机的硬件结构,4. P1口、P2口、P3口、P0口：为4个并行8位I/O口。 5. 串行口 1个全双工的异步串行口 6. 定时器/计数器 7. 中断系统 8. 特殊功能寄存器（SFR） 共有21个，是一个具有特殊功能的RAM区。,2.2

4、MCS-51 单片机的引脚功能,MCS-51单片机 40脚 Vcc, GND 2 XTAL1, XTAL2 2 RESET 1 EA/Vpp 1 ALE/PROG 1 PSEN 1,P0.0P0.7 8 P1.0P1.7 8 P2.0P2.7 8 P3.0P3.7 8,2.2 MCS-51 单片机的引脚功能,控制引脚,并行I/O口引脚,电源及时钟引脚,引脚逻辑图 8051单片机为40条引脚双列直插式封装 引脚可分为三个部分,2.2 MCS-51 单片机的引脚功能,电源和地（Vcc, GND）: 正电源端与接地端（+5V/3.3V/2.7V)不同的单片机可以允许不同的工作电压，不同的单片机表现出

5、的功耗也不同。实验用5#电池4节串接供电。,晶振（XTAL1, XTAL2）: 片内振荡电路输入/输出端。,1、电源及时钟引脚,2.2 MCS-51 单片机的引脚功能,电容：1545pf 常取20pf或30pf,112MHz（MCS-51） 024MHz（Atmel89C） 实验取12MHz,XTAL1,XTAL2,也可以由 XTAL1端接入外部时钟，此时应将 XTAL2接地。,外部时钟,通常外接一个晶振两个电容,时钟电路,2.2 MCS-51 单片机的引脚功能,CPU总是按照一定的时钟节拍与时序工作：,振荡周期/时钟周期： Tc=晶振频率fosc（或外加频率）的倒数 状态周期：Ts=2个时钟

6、周期(Tc)（很少用到此概念） 机器周期：Tm=6个状态周期(Ts)=12个振荡周期(Tc) 指令周期: Ti:执行一条指令所需的机器周期(Tm)数,牢牢记住： 振荡周期 = 晶振频率fosc的倒数；,1个机器周期 = 12个振荡周期；,1个指令周期 = 1、2、4个机器周期,2.2 MCS-51 单片机的引脚功能,CPU总是按照一定的时钟节拍与时序工作：,振荡周期/时钟周期： Tc=晶振频率fosc（或外加频率）的倒数 状态周期：Ts=2个时钟周期(Tc)（很少用到此概念） 机器周期：Tm=6个状态周期(Ts)=12个振荡周期(Tc) 指令周期: Ti:执行一条指令所需的机器周期(Tm)数,

7、牢牢记住： 振荡周期 = 晶振频率fosc的倒数；,1个机器周期 = 12个振荡周期；,1个指令周期 = 1、2、4个机器周期,2.2 MCS-51 单片机的引脚功能,一个机器周期又分为6个状态：S1S6。每个状态又分为两拍：P1和P2。因此，一个机器周期中的12个时钟周期表示为： S1P1、S1P2、S2P1、S2P2、S6P2。,2.2 MCS-51 单片机的引脚功能,指令周期 执行一条指令时，可分为取指令阶段和指令执行阶段 。 取指令阶段，PC中地址送到程序存储器，并从中取出需要执行指令的操作码和操作数。 指令执行阶段，对指令操作码进行译码，以产生一系列控制信号完成指令的执行。 ALE信

8、号是为地址锁存而定义的，以时钟脉冲1/6的频率出现，在一个机器周期中，ALE信号两次有效（注意，在执行访问外部数据存储器的指令时，将会丢失一个ALE脉冲）,2.2 MCS-51 单片机的引脚功能,RESET: 复位端（正脉冲有效，宽度8 mS），复位使单片机进入某种确定的初始状态：,PC值归零（0000H）； 各个SFR被赋予初始值；（如：P0P3=0FFH，Acc=0，B=0，TH0=0，TL0=0，TH1=0，TL0=0，SP=7，PSW=0 退出处于节电工作方式的停顿状态、退出一切程序进程、退出程序的死循环，从头开始。,2、控制引脚,2.2 MCS-51 单片机的引脚功能,单片机复位状态

9、表,2.2 MCS-51 单片机的引脚功能,+5V,10uF,10K,Vcc,RST,GND,上电复位电路,10uF,10K,Vcc,RST,GND,手动&上电复位,1K,+5V,单片机电路,2.2 MCS-51 单片机的引脚功能,EA/Vpp: EA为内外程序存储器选择控制， EA=1，访问片内程序存储器， EA=0，单片机则只访问外部程序存储器。 第二功能VPP，用于施加编程电压。 ALE/PROG: 地址锁存允许/编程脉冲输入端。 P0口寻址外部低8位地址时接外部锁存器（74HC373/74HC273)； ALE端平时会输出周期正脉冲：f fosc/6； 第二功能PROG:对片内ROM编

10、程时编程脉冲由此端加入。,2.2 MCS-51 单片机的引脚功能,PSEN：寻址外部程序存储器时选通外部EPROM的读控制端（OE）低有效。,单片机,锁存器74LS373,P0.0-P0.7,ALE,PSEN,P2.0-P2.4,8D,8Q,OE,A8-A12,A0-A7,D0-D7,G,EA,OE,CE,EPROM,2.2 MCS-51 单片机的引脚功能,P0口：双向8位三态I/O口，地址总线（低8位）及数据总线分时复用口，可驱动8个LS型TTL负载。 P1口：8位准双向I/O口，可驱动4个LS型TTL负载。 P2口：8位准双向I/O口，与地址总线（高8位）复用，可驱动4个LS型TTL负载。

11、 P3口：8位准双向I/O口，双功能复用口，可驱动4个LS型TTL负载。 注意:准双向口与双向三态口的差别。 当3个准双向I/O口作输入口使用时，要向该口先写“1”，另外准双向I/O口无高阻的“浮空”状态。,3、I/O口引脚,2.3 MCS-51 单片机I/O端口结构,单片机的引脚（P1口）,P1.0P1.7: 准双向I/O口（内置了上拉电阻）。输出时一切照常，仅在作输入口用时要先对其写“1”。,2,1,D,Q,CK,/Q,读引脚,读锁存器,写锁存器,内部总线,Vcc,引脚P1.X,内部上拉电阻,2.3 MCS-51 单片机I/O端口结构,单片机的引脚（P1口）,P1.0P1.7: 准双向I/

12、O口（内置了上拉电阻）。输出时一切照常，仅在作输入口用时要先对其写“1”。,2.3 MCS-51 单片机I/O端口结构,单片机的引脚（P1口）,P1.0P1.7: 准双向I/O口（内置了上拉电阻）。输出时一切照常，仅在作输入口用时要先对其写“1”。,2.3 MCS-51 单片机I/O端口结构,单片机的引脚（P1口）,P1.0P1.7: 准双向I/O口（内置了上拉电阻）。输出时一切照常，仅在作输入口用时要先对其写“1”。,输入数据时，要先对其写“1”,2.3 MCS-51 单片机I/O端口结构,单片机的引脚（P0口）,P0.0P0.7: 双向I/O （内置场效应管上拉），寻址外部程序存储器时分时

13、作为双向8位数据口和输出低8位地址复用口；不接外部程序存储器时可作为8位准双向I/O口使用。,2,1,D,Q,CK,/Q,读引脚,读锁存器,写锁存器,内部总线,地址/数据,控制,引脚P0.X,3,4,Vcc,2.3 MCS-51 单片机I/O端口结构,单片机的引脚（P0口）,P0.0P0.7: 双向I/O （内置场效应管上拉），寻址外部程序存储器时分时作为双向8位数据口和输出低8位地址复用口；不接外部程序存储器时可作为8位准双向I/O口使用。,2,1,D,Q,CK,/Q,读锁存器,写锁存器,内部总线,地址/数据,控制,引脚P0.X,3,4,Vcc,控制=0 时，此脚作I/O输入口（事先必须对它

14、写“1”）,读引脚 =1,控制,0,0,1,0,0,截止,截止,=0,2.3 MCS-51 单片机I/O端口结构,单片机的引脚（P0口）,P0.0P0.7: 双向I/O （内置场效应管上拉），寻址外部程序存储器时分时作为双向8位数据口和输出低8位地址复用口；不接外部程序存储器时可作为8位准双向I/O口使用。,2,1,D,Q,CK,/Q,读锁存器,写锁存器,内部总线,地址/数据,控制,引脚P0.X,3,4,Vcc,控制=1 时，此脚作地址/数据复用口:（1)输出地址/数据 =0 时,读引脚 =0,控制,0,截止,=1,1,1,1,=0,导通,=0,2.3 MCS-51 单片机I/O端口结构,单片

15、机的引脚（P0口）,P0.0P0.7: 双向I/O （内置场效应管上拉），寻址外部程序存储器时分时作为双向8位数据口和输出低8位地址复用口；不接外部程序存储器时可作为8位准双向I/O口使用。,2,1,D,Q,CK,/Q,读锁存器,写锁存器,内部总线,地址/数据,控制,引脚P0.X,3,4,Vcc,控制=1 时，此脚作地址/数据复用口:（2)输出地址/数据 =1 时,读引脚 =0,控制,1,导通,=1,1,0,0,=1,截止,=1,2.3 MCS-51 单片机I/O端口结构,单片机的引脚（P0口）,P0.0P0.7: 双向I/O （内置场效应管上拉），寻址外部程序存储器时分时作为双向8位数据口和

16、输出低8位地址复用口；不接外部程序存储器时可作为8位准双向I/O口使用。,2,1,D,Q,CK,/Q,读锁存器,写锁存器,内部总线,地址/数据,控制,引脚P0.X,3,4,Vcc,控制=1 时，此脚作地址/数据复用口: （3)输入数据时，输入指令将使引脚与内部总线直通,读引脚 =1,控制,=1,=1,单片机的引脚（P2口）,P2.0P2.7: 双向I/O （内置了上拉电阻）,寻址外部程序存储器时输出高8位地址；不接外部程序存储器时可作为8位准双向I/O口使用。,2.3 MCS-51 单片机I/O端口结构,单片机的引脚（P3口）,P3.0P3.7: 双功能口（内置了上拉电阻）,它具有特定的第二功

17、能。在不使用它的第二功能时它就是普通的通用准双向I/O口。,2.3 MCS-51 单片机I/O端口结构,51单片机的8个特殊引脚,Vcc, GND: 电源端 XTAL1, XTAL2: 片内振荡电路输入、输出端 RESET: 复位端 正脉冲有效（宽度8 mS） EA/Vpp: 寻址外部ROM控制端。低有效 片内有ROM时应当接高电平。 ALE/PROG: 地址锁存允许控制端。 PSEN：选通外部ROM的读(OE)控制端。 低有效,小结,2.3 MCS-51 单片机I/O端口结构,51单片机的4个8位的I/O口,P0.0P0.7:8位数据口和输出低8位地址复用口 (复用时是双向口；不复用时也是准

18、双向口) P1.0P1.7: 通用I/O口（准双向口）,P2.0P2.7: 输出高8位地址 （用于寻址时是输出口；不寻址时是准双向口） P3.0P3.7: 具有特定的第二功能（准双向口）,注意：在不外扩ROM/RAM时，P0P3均可作通用I/O口使用，而且都是准双向I/O口(例如:AT89C51)！,小结,2.3 MCS-51 单片机I/O端口结构,P3口第二功能表,小结,2.3 MCS-51 单片机I/O端口结构,数据存储器RAM（Random Access Memory） 程序存储器ROM（Read Only Memory） 闪速存储器Flash Memory EPROM（UV）Erazi

19、ble Programmable ROM E2PROMElectrical Erasable Programmable ROM 静态存储器 SRAMStatic RAM 动态存储器 DRAMDynamic RAM） 按字节寻址：每个字节(8个位)占一个地址 按位寻址：有的存储器每一个位就有一个地址,单片机的存储器几个有关的概念：,2.4 MCS-51单片机的存储器结构,2.4 MCS-51单片机存储器结构,1、89C51单片机存储器配置,片内RAM 128字节（00H7FH）； 片内RAM前32个单元是工作寄存器区(00H1FH) 片内RAM有128个可按位寻址的位，占16个单元。 位地址编号

20、为：00H7FH，分布在20H2FH单元 片内21个特殊功能寄存器(SFR)中：地址号能被8整除的SFR中的各位也可按位寻址 可寻址片外RAM 64K字节 （0000HFFFFH） 可寻址片外ROM 64K字节 （0000HFFFFH） 片内 Flash ROM 4K字节 （0000H0FFFH）,2、存储器配置（片内RAM）,片内RAM 128字节（00H7FH）,00H,20H,2FH,7FH,1FH,30H,80H,FFH,52子系列才有的RAM区,普通RAM区,位寻址区,工作寄存器区,SFR分布在80H-FFH，其中92个位可位寻址,80H,FFH,所有的RAM区(包括位寻址区、工作寄

21、存器区）都可以用于存放数据，故也称为数据缓存寄存器,89C51 128字节,2.4 MCS-51单片机存储器结构,片内RAM前32个单元是工作寄存器区(00H1FH),00H,20H,2FH,7FH,1FH,30H,80H,FFH,52子系列才有的RAM区,普通RAM区,位寻址区,工作寄存器区,2、存储器配置（片内RAM）,2.4 MCS-51单片机存储器结构,00H,20H,2FH,7FH,1FH,30H,80H,FFH,52子系列才有 的RAM区,普通RAM区,位寻址区,工作寄存器区,R0,R2,R1,R3,R4,R5,R6,R7,07H,02H,01H,00H,06H,04H,05H,0

22、3H,08H,1FH,工作寄存器区3,工作寄存器区2,工作寄存器区1,工作寄存器区0,0FH,10H,17H,18H,片内RAM前32个单元是工作寄存器区(00H1FH),2、存储器配置（片内RAM）,2.4 MCS-51单片机存储器结构,00H,20H,2FH,7FH,1FH,30H,80H,FFH,52子系列才有 的RAM区,普通RAM区,位寻址区,工作寄存器区,片内RAM中有128个可按位寻址的位。 位地址:00H7FH；分布在:20H2FH单元,2、存储器配置（片内RAM）,2.4 MCS-51单片机存储器结构,00H,20H,2FH,7FH,1FH,30H,80H,FFH,52子系列

23、才有 的RAM区,普通RAM区,位寻址区,工作寄存器区,片内RAM中有128个可按位寻址的位。 位地址:00H7FH； 分布在:20H2FH单元,2、存储器配置（片内RAM）,2.4 MCS-51单片机存储器结构,27H,22H,21H,20H,26H,24H,25H,23H,28H,2FH,单元地址,07 06 05 04 03 02 01 00,0F 0E 0D 0C 0B 0A 09 08,17 16 15 14 13 12 11 10,1F 1E 1D 1C 1B 1A 19 18,27 26 25 24 23 22 21 20,2F 2E 2D 2C 2B 2A 29 28,37 3

24、6 35 34 33 32 31 30,3F 3E 3D 3C 3B 3A 39 38,47 46 45 44 43 42 41 40,7F 7E 7D 7C 7B 7A 79 78,位地址,总共128个可按位寻址的位,可寻址片外RAM 64K字节 （0000HFFFFH）； 可寻址片外ROM 64K字节 （0000HFFFFH）； 片内 Flash ROM 4K字节 （ 000H FFFH）；,FFFFH,0000H,可寻址片外RAM,64K字节,FFFFH,0000H,可寻址 片外ROM,64K字节,0FFFH,0000H,可寻址 片内 Flash ROM,4K 字节,89C51,7FH,

25、00H,片内 RAM,128字节,FFH,80H,2.4 MCS-51单片机存储器结构,堆栈：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。,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,2.4 MCS-51单片机存储器结构,00H,20H,2FH,7FH,1FH,30H,80H,FFH,52子系列才有 的RAM区,普通RAM区,位寻址区,工作寄存器区,SP栈顶,下一个进栈的数据将存在此,数据进栈,已经进栈的数据存放在此

26、,初始 SP,复位后 SP=07H，数据进栈时：首先SP+1指向08H单元，第一个放进堆栈的数据将放进08H单元，然后SP再自动增 1，仍指着栈顶,堆栈区由特殊功能寄存器堆栈指针SP管理 。堆栈区可以安排在 RAM区任意位置，一般不安排在工作寄存器区和可按位寻址的RAM区，通常放在RAM区的靠后的位置。,2.4 MCS-51单片机存储器结构,00H,20H,2FH,7FH,1FH,30H,80H,FFH,52子系列才有 的RAM区,普通RAM区,位寻址区,工作寄存器区,SP栈顶,初始 SP,从堆栈取出数据时：取出的数据是最近放进去的一个数据，也就是当前栈顶的数据。然后SP再自动减1，仍指着栈顶

27、,堆栈区由特殊功能寄存器堆栈指针SP管理 。堆栈区可以安排在 RAM区任意位置，一般不安排在工作寄存器区和可按位寻址的RAM区，通常放在RAM区的靠后的位置。,2.4 MCS-51单片机存储器结构,数据出栈,当前要出栈的数据,SP-1指向下一个将要出栈的数据,程序计数器PC（Program Counter） PC 不是一个特殊功能寄存器SFR，但其作用又十分重要和特殊!,特点： 它是16位的按机器周期自动增1计数器； 总指向下一条指令所在首地址(当前PC值)； 一切分支/跳转/调用/中断/复位 等操作的本质就是:改变 PC 值,2.4 MCS-51单片机存储器结构,3、89C51特殊功能寄存器

28、(SFR),特殊功能寄存器SFR（专用寄存器） 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、结果的寄存器。,不同的SFR管理不同的硬件模块，负责不同的功能各司其职。 换言之：要让单片机实现预订的功能，必须有相应的硬件和软件，而软件中最重要的一项工作就是对SFR写命令（要求）。,2.4 MCS-51单片机存储器结构,已知的P0、P1、P2、P3等四个8位I/O口分别由名为P0、P1、P2、P3四个SFR代表。 堆栈指针寄存器 SP（Stack Pointer): 总是指向栈顶,压栈时先 (SP)+1 然后数据进栈；弹栈时数据先出栈 然后(SP)-1。 累加器 ACC:一个被众多指令用得最频繁的特殊功能寄存器(如：运算、数据传输) 副累加器 B:一个经常与 ACC 配合在一起使用的特殊功能寄存器(如：乘法、除法)，此外，它也经常当作普通寄存器使用。,特殊功能寄存器(P0P3,SP,A,B)：89C51有21个SFR(89C52有26个),2.4 MCS-51单片机存储器结构,CY(PSW.7)进位/借位标志位。若ACC在