MCS-51单片机结构及原理.ppt

1、1,作业,第47页 2、3、5、6、8、10、13、15,2,1、16位寄存器，低8位经P0 口输出，高8位经P2口输出 2、存放下一条将要执行的指令地址.程序中的指令是按照顺序存放在存储器中的某个连续区域.每条指令都有自己的地址,CPU根据PC中的指令地址从存储器中取出将要执行的指令. 3、具有自动加1功能,从而指向下一条将要执行的指令地址. 4、PC的值可以修改，一般程序是按顺序执行指令的.若改变了的PC的值,则程序将不再按顺序执行。,1、数据指针DPTR是一个 16 位的专用寄存器, 其高位字节寄存器用DPH表示,低位字节寄存器用DPL表示。 2、既可作为一个 16 位寄存器DPTR来处

2、理, 也可作为两个独立的 8 位寄存器DPH和DPL来处理。 3、 DPTR 主要用来存放 16位地址，当对 64 KB外部数据存储器空间寻址时, 作为间址寄存器用。在访问程序存储器时, 用作基址寄存器。,3,1、SP称为堆栈指针，8位寄存器 2、 SP用来存放堆栈栈顶的地址。,IR指令寄存器：用来存放当前正在执行的指令代码 。 ID指令译码器：用来对指令代码进行分析、译码，根据指令译码的结果，输出相应的控制信号。,PLA：产生出各种操作电位、不同节拍的信号、时序脉冲等执行此条命令所需的全部控制信号 。,4,2.1.3 MCS-51单片机的内部结构,（二）存储器 1.内部数据存储器 单片机的内

3、部数据存储器由RAM地址寄存器、地址译码器以及128个单元的RAM构成，用于存放可读写的数据。 2. 内部程序存储器 MCS-51系列单片机（8031除外）的内部程序存储器由程序地址寄存器、地址译码器以及4K（4096）个单元的ROM构成，用于存放程序的机器代码和常数。 3. 特殊功能寄存器（Special Function Register，SFR） MCS-51系列单片机有21个可以寻址的特殊功能寄存器，包括单片机内的I/O口、串行口、定时/计数器、中断系统等相关的数据寄存器（或缓冲器）以及控制寄存器和状态寄存器，用于存放相应功能部件的控制命令、状态和数据。,5,（三）并行口（Parall

4、el Port） 有4个并行的I/O口：P0、P1、P2、P3，每根口线都可独立地用作输入或输出。 （四）串行口（Serial Port） 有1个全双工的串行口，用于串行通信。串行口由发送缓冲器SBUF、接收缓冲器SBUF、移位寄存器和串行口控制逻辑等部分组成。 （五） 定时/计数器（Timer/Counter） 有2个16位的定时/计数器T0和T1，T0由TH0和TL0构成，T1由TH1和TL1构成，定时/计数器方式寄存器TMOD选择定时/计数器的工作模式和方式，定时/计数器控制寄存器TCON控制T0和T1的启动和停止，同时反映T0和T1的溢出状态。 （六）中断系统（Interrupt Sy

5、stem） 有5个中断源，分别为2个外部中断、2个定时/计数器溢出产生的中断、1个串行口接收/发送产生的中断，提供2个中断优先级。,6,2.2 MCS51单片机的存储器,MCS-51单片机的程序存储器和数据存储器分开设置，地址空间相互独立。MCS51存储器地址空间可分为以下5类： （1）程序存储器，最大空间64K； （2）片内数据存储器，128个单元； （3）特殊功能寄存器，共21个； （4）位寻址空间，211位； （5）外部数据寄存器，最大空间64K。 这些资源与单片机应用的关系密切，下面我们介绍上述5类存储空间的功能。,7,存储器,程序存储器,数据存储器,程序存储器和数据存储器的寻址空间是

6、分开的，属于哈佛存储结构。,片内存储器,片外存储器,片内存储器,片外存储器,四个物理上独立的空间,8,从物理结构上单片机系统的存储器结构图（四个部分）,MCS-51 单片机,片内 ROM 4K,片内 RAM 256B,片外 RAM 64K,片外 ROM 64K,9,00H,1FH,20H,80H,88H,90H,98H,A0H,A8H,B0H,B8H,D0H,E0H,F0H,特殊功能寄存器中位寻址,内部 ROM (EA=1),0000H,0000H,0FFFH,FFFFH,外 部 RAM (I/O口 地址),0000H,FFFFH,内部数据存储器 （a）,外部数据存储器 （b）,程序存储器 （

7、c）,MCS-51单片机存储器结构,mov,movx,movc,工作寄存器区,位寻址区,2FH,30H,通用RAM区,7FH,80H,特 殊 功 能 寄 存 器,FFH,(EA=0),外部 ROM,外部 ROM,FFFFH,1000H,10,2.2.1 程序存储器,程序存储器用来存放程序和常数，最大寻址空间64K单元。MCS51系列产品按程序存储器配置类型分为3类： 8051芯片含有4k个单元的ROM； 8751芯片含有4k个单元的EPROM； 8031中无程序存储器，需要扩展程序存储器。,在实际应用中，用户既可使用芯片内部的程序存储器，也可以使用芯片外部的程序存储器，但最大空间为64k，程序

8、存储器的地址空间构成与引脚的 接法有关。,11,（1）内部含有程序存储器的单片机 当 =1（接高电平）时：,12,（1）芯片内部含有程序存储器的单片机 当 =0（接低电平）时：,13,（1）芯片内部不含有程序存储器的单片机（ 8031 ） 必须接地，8031的程序存储器结构,程序存储器结构,不论哪一种MCS-51单片机，如果 接地，其内部的程序存储器将被CPU忽略,14,MCS-51单片机片内、外程序存储器的使用示意图,0FFFH 0000H,0FFFH 0000H,FFFFH 1000H,EA=1时，ROM的使用,EA=0时ROM的使用,片外程序存储器 （最大64K）,单片机内部 程序存储器

9、 （4K）,15,在单片机的程序存储器中，有5个特殊的单元地址：外部中断入口地址0003H，外部中断入口地址0013H，定时/计数器T0入口地址000BH，定时/计数器T1入口地址001BH，串行口中断入口地址0023H。,中断入口地址映射,16,2.2.2 片内数据存储器,MCS-51单片机的片内RAM按照功能可分为3个区域： 001FH：32个单元为工作寄存器区 202FH：16个单元为位寻址区 307FH：80个单元为数据缓冲区,17,MCS-51 单片机片内RAM的配置图,89C51内有256B的RAM单元，其地址范围为00HFFH，分为两大部分: 低 128 字节（00H7FH）为真

10、正的RAM区; 高 128 字节（80HFFH）为特殊功能寄存器区SFR。,（一） 工作寄存器,1、工作寄存器区 是指00H1FH区, 共分4个组, 每组有8个单元, 共32个内部RAM单元。 2、每次只能有1组作为工作寄存器使用, 其它各组可以作为一般的数据缓冲区使用。 3、作为工作寄存器使用的8个单元，又称为R0R7 4、程序状态字PSW中的PSW.3（RS0）和PSW.4（RS1）两位来选择哪一组作为工作寄存器使用。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工作。,19,RS1、 RS0与片内工作寄存器组的对应关系,20,工作寄存器和RAM地址对照表,（

11、二）位寻址区,20H,25H,21H,22H,23H,24H,27H,26H,28H,2DH,29H,2AH,2BH,2CH,2FH,2EH,1、位寻址区是指 20H2FH单元，共16个单元。 2、位寻址区的每1位都可当作软件触发器, 由程序直接进行位处理。 3、 位寻址区的 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00H1FH。 4、 同样, 位寻址的RAM单元也可以按字节操作作为一般的数据缓冲 区。,22,内部RAM中202FH的位地址映射,23,202FH单元的位地址区的使用： 在片内RAM中只有202FH单元的位能够进行位操作，我们经常表示为20H.0

12、，它与位地址00H是等价的。 位寻址区16个单元也可以按单元访问，所以，当位寻址区16个单元的128位未完全使用时，其剩余单元也可作为RAM单元使用。,24,（三）数据缓冲区,（1）数据缓冲区的作用 作为数据缓冲、数据暂存、作为堆栈区使用； 这些单元只能按单元访问。 （2）堆栈 堆栈是为了保护CPU执行程序的现场，在存储器中开辟了一个“先进后出”（后进先出）的区域,25,MCS-51 单片机片内RAM的配置图,（四）特殊功能寄存器,1、高128B的RAM单元中有21个单元可用，称为SFG。这21个SFG分散在高128B的地址空间内，分别是A，B，PSW，SP，DPH，DPL，P0，P1，P2，

13、P3，IP，IE，TCON，TMOD，TH0，TL0，TH1，TL1，SCON，SBUF，PCON。 2、有些可以按位寻址。 3、特殊功能寄存器名称、 标识符、 地址见表,26,MCS-51芯片内部有21个可寻址的SFR（具有地址），它们离散的分布在片内RAM 80HFFH范围内，并与内RAM统一编址。 MCS-51芯片内部还有1个不可寻址的SFR程序计数器PC。 对可寻址的SFR只能采用直接寻址方式，即按单元地址访问的模式； 可寻址的SFR中部分SFR （单元地址能够被8整除）具有位寻址功能。,27,SFR的位地址空间 凡是SFR的地址能被8整除的SFR都具有位寻址功能，MCS-51单片机共

14、有11个SFR具有位寻址功能，这些寄存器（单元）的每一位都有一个位地址。 特殊功能寄存器（SFR）的位地址空间的特点： （1）SFR对应的单元地址为该SFR最低位的位地址。 （2）SFR的位寻址区地址是不连续的。,SFR位寻址空间地址映射,29,2.2.3 特殊功能寄存器,MCS-51单片机SFR的使用： （1）对于SFR以单元形式访问时，只能采用直接寻址方式。 如： MOV SBUF, A MOV 99H, A 二者是等价的。 （2）对于80FFH区间未定义的单元，用户不得使用。同样，对于未定义位地址所对应的位操作也是无效的。 （3）在编程时，最好不要采用SFR作为中间寄存器暂存中间结果。因

15、为复位时，多数SFR被清0.,30,2.2.4 MCS-51单片机的位寻址空间,MCS-51单片机的位寻址空间由两部分组成，位地址范围为00 FFH。,31,2.2.5 外部数据存储器,MCS51系列单片机的外部数据存储器是一个独立的物理空间，外部数据存储器和外部I/O口共同占用这个空间，最大可以扩展到64k，地址范围为：0000HFFFFH,32,一、单片机I/O的作用 单片机芯片上的输入输出口有4个，P0，P1，P2和P3。它们的作用与单片机是否扩展有关： （1）不进行存储器和I/O口扩展时 P0：I/O口； P1：I/O口； P2：I/O口； P3：I/O口，也可以作为第二功能使用；当P

16、3口某些引脚作为第二功能使用时，不可再作为I/O口线使用。如 P3.0和P3.1作为RXD和TXD时，不可再作为I/O口线使用。,2.3 MCS-51单片机的I/O口,33,（2） 进行存储器和I/O口扩展时 P0：低八位地址总线/数据总线 P2：高八位地址总线 P1：I/O口 P3：I/O口或第二功能，当P3口某些引脚作为第二功能使用时，不可再作为I/O口线使用。,34,2.3.1 P0口,P0口某一位的结构图如下图所示，它由一个输出锁存器、两个三态输入缓冲器、一个转换开关MUX、一个输出驱动电路(V1和V2)和一个与门及一个非门组成。,1,0,35,读引脚：P0.x G1 D 内部总线。,

17、2.作地址/数据总线口(控制=1) 控制MUX 写：地址/数据为1，P0.x 高 地址/数据为0，P0.x 低 读：经缓冲器G1读入,在输入数据时应先把口置1，使V1、V2管截止，引脚处于悬浮状态，可作高阻抗输入,读锁存器 Q G2 D 内部总线, 适于“读修改写” 作为通用I / O使用， 是一个准双向口：,(1) P0口用作通用I/O口,MUX与锁存器的Q端接通，与门输出为0，T1截止，输出驱动级就工作在需外接上拉电阻的漏极开路方式。 P0口用作输出口 CPU在执行输出指令时，内部数据总线的数据在“写锁存器”信号的作用下，由D端进入锁存器，取反后出现在Q端，再经过T2反向，则P0.X引脚上

18、的数据就是内部总线的数据。由于T2为漏极开路输出，故此时必须外接上拉电阻。 P0口用作输入口 数据可以读自端口的锁存器，也可以读自端口的引脚，这要看输入操作执行的是“读锁存器”指令还是“读引脚”指令。 方式1：读引脚。CPU在执行“MOV”类输入指令时(如：MOV A , P0)，内部产生的操作信号是“读引脚”。P0.X引脚上的数据经过缓冲器2读入到内部总线。注意，在读引脚时，必须先向电路中的锁存器写入1，使T2截止，P0.X引脚处于悬浮状态，可作为高阻抗输入。 方式2：读锁存器。CPU在执行“读-改-写”类输入指令时(如：ANL P0, A )，内部产生的操作信号是“读锁存器”，锁存器中的数

19、据经过缓冲器1送到内部总线，然后与A的内容进行逻辑“与”，结果送回P0的端口锁存器并出现在引脚。除了MOV类指令外，其他的读口操作指令都属于这种情况。,37,(2) P0口用作地址/数据总线,MUX将地址/数据线与T2接通，同时与门输出有效。 若地址/数据线为1，则T1导通，T2截止，P0口输出为1；反之T1截止，T2导通，P0口输出为0。 当数据从P0口输入时，读引脚使三态缓冲器2打开，端口上的数据经缓冲器2送到内部总线。,38,P0口小结, P0口既可作地址/数据总线使用，也可作通用I/O口使用。当P0口作地址/数据总线使用时，就不能再作通用I/O口使用了。 P0口作输出口使用时，输出级属

20、漏极开路，必须外接上拉电阻，才有高电平输出。 P0口作输入口读引脚时，应先向锁存器写1，使T2截止，不影响输入电平。,39,2.5.2 P1口,P1口是唯一的单功能口，仅能作为通用I/O口使用。由于在其输出端接有上拉电阻，故可以直接输出而无需外接上拉电阻。 同P0口一样，当作输入口时，必须先向锁存器写“1”，使场效应管V截止。,1,1,0,截止,40,2.5.3 P2口,图中的控制信号C决定转换开关MUX的位置：当C=0时，MUX拨向下方，P0口为通用I/O口；当控制信号C=1时，MUX拨向上方，P0口作为地址总线使用。 在实际应用中，P2口通常作为高8位地址总线使用。,41,2.5.4 P3

21、口,P3口用作通用I/O口时，第二输出功能信号W=1，P3口的每一位都可定义为输入或输出，其工作原理同P1口类似。 在真正的应用电路中，P3口的第二功能显得更为重要 。,P3.0串行数据输入 P3.2外部中断0输入 P3.3外部中断1输入 P3.4计数器0输入 P3.5计数器1输入,P3.1串行数据输出 P3.6写RAM信号输出 P3.7读RAM信号输出,42,端口小结：,（1）系统总线： 地址总线（16位）：P0（地址低8位）、P2口（地址高8位） 数据总线（8位）：P0口（地址/数据分时复用，借助ALE）； 控制总线（6根）：P3口的第二功能和9、29、30、31脚； （2）供用户使用的端

22、口：P1口、部分未作第二功能的P3口； （3）P0口作地址/数据时，是真正的双向口，三态，负载能力 为8个LSTTL电路； P1P3是准双向口，负载能力为4个LSTTL电路。 （4）P0P3在用作输入之前必须先写“1”，即： （P0）=FFH （P3）=FFH 。,2.4.1 时钟电路 时钟频率范围要求在1.2MHz12MHz之间。 1内部时钟方式：内部一个高增益反相放大器与片外石英 晶体或陶瓷谐振器构成了一个自激振荡器。 晶体振荡器的振荡频率决定单片机的时钟频率。,2外部时钟方式：外部振荡器输入时钟信号。,振荡源（OSCillation）,2.4 MCS-51单片机的时钟电路与时序,44,1

23、 机器周期和指令周期,机器周期：机器周期是单片机的基本操作周期，每个机器周期包含S1、S2、S66个状态，每个状态包含2拍P1和P2，每一拍为一个时钟周期（振荡周期）。因此，一个机器周期包含12个时钟周期。依次可表示为S1P1、S1P2、S2P1、S2P2、S6P1、S6P2。 指令周期： 计算机工作时不断的取指令和执行指令。计算机取一条指令至执行完该指令需要的时间称为指令周期，不同的指令，指令周期不同。单片机的指令周期以机器周期为单位。MCS-51系列单片机中，大多数指令的指令周期由一个机器周期或两个机器周期组成，只有乘法、除法指令须要4机器周期指令。,45,指令周期： 执行一条指令所需的时

24、间称为指令周期。,一条指令的执行过程分作几个基本操作，完成一个基本操作所需的时间称作机器周期。,46,2 单机器周期指令的时序,单字节单机器周期指令,双字节单机器周期指令,47,3 双机器周期指令的时序,单字节、双机器周期指令的时序,48,典型指令的取指、执行时序,49,读外部数据RAM时序,50,写外部数据RAM的时序,51,2.5.1 单片机复位后的状态,PC=0000H，所以程序从0000H地址单元开始执行； 启动后，片内RAM为随机值，运行中的复位操作不改变片内RAM的内容 ；,特殊功能寄存器复位后的状态是确定的 ： P0P3=FFH，各口可用于输出，也可用于输入； SP=07H，第一

25、个入栈内容将写入08H单元； IP、IE和PCON的有效位为0，各中断源处于低优先级且均被关断、串行通讯的波特率不加倍； PSW=00H，当前工作寄存器为0组。,2.5 单片机复位电路,部分特殊功能寄存器的复位状态,PC=0000H 表示复位后程序的入口地址为0000H。即主程序应该从0000H单元存放。,SP=07H 表示复位后堆栈在片内RAM的08H单元处建立,PSW=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。,53,2.5.2 复位电路 复位目的是使单片机或系统中的其它部件处于某种确定的初始状态。,单片机的复位引脚RST出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。 常见的复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式 。 上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。 手动复位是通过复位端经电阻与电源VCC接通而实现的，它兼备上电复位功能。,通过某种方式, 使单片机内各寄存器的值变为初始状态的操作称为复位。 MCS