mcs-51單片機結構和原理

1、第2章 MCS-51單片機結構和原理,學習重點和難點,單片機的結構特點。存儲器配置與空間的分布。程序狀態(tài)寄存器(PSW)。單片機的指令時序。,2.1 單片機內部組成及引腳功能2.2 布爾處理機2.3 單片機的存儲器組織 2.4 單片機的輸入/輸出端口 2.5 時鐘電路與CPU時序 2.6 MCS-51單片機工作方式 本章小結習題,第2章 MCS-51單片機結構和原理,2.1 單片機內部組成及引腳功

2、能,2.1.1 單片機的內部結構 2.1.2 單片機的引腳及功能,MCS-51是美國Intel公司的8位高檔單片機系列，也是我國目前應用最為廣泛的一種單片機系列。8051/80C51是整個MCS-51系列單片機的核心，該系列其他型號的單片機都是在這一內核的基礎上發(fā)展起來的。 MCS-51單片機系列分為51和52子系列，并以芯片型號的末位數(shù)字加以標識。其中，51子系列是基本型，而52子系列是增強型。 單片機型號帶有字母“C”的，

3、表示該單片機采用的是CHMOS工藝，具有低功耗的特點。 8051的功耗為630mW，而80C51的功耗只有120mW。,2.1.1 8051單片機的內部結構,8051單片機的結構框圖如下圖所示，可以看出，在一塊芯片上集成了一個微型計算機的主要部件，它包括以下幾部分：1個8位微處理器(CPU)。1個時鐘電路。4KB程序存儲器。256B數(shù)據(jù)存儲器。2個16位定時/計數(shù)器。64KB擴展總線控制電路。4個8位并行I/O接

4、口P0～P3。1個全雙工串行I/O接口。5個中斷源，其中包括2個優(yōu)先級嵌套中斷。,,CPU即中央處理器，是單片機的核心部件，是計算機的控制指揮中心。同微型計算機CPU類似，8051內部CPU由運算器和控制器兩部分組成。（1）運算器電路以算術邏輯單元(ALU，Arithmetic Logic Unit)為核心，由暫存器1、暫存器2、累加器(ACC，Accumulator)、寄存器B、程序狀態(tài)寄存器(PSW，Program Statu

5、s Word)及布爾處理機共同組成。它的主要任務是完成算術運算、邏輯運算、位運算和數(shù)據(jù)傳送等操作，運算結果的狀態(tài)由程序狀態(tài)寄存器(PSW)保存。（2）控制器電路包括程序計數(shù)器(PC)、PC增1寄存器、指令寄存器(IR)、指令譯碼器(ID)、數(shù)據(jù)指針(DPTR)、堆棧指針(SP)、緩沖器及定時控制電路等?？刂破麟娐吠瓿芍笓]控制工作，協(xié)調單片機各部分正常工作。,2.1.2 8051單片機的引腳及功能,MCS-51單片機的封裝形式有兩種，

6、一種是雙列直插式(DIP)封裝，另一種是方形封裝。8051的40個引腳可分為：電源引腳2根時鐘引腳2根控制引腳4根I/O引腳32根由于8051單片機是高性能的單片機，同時受到引腳數(shù)目的限制，所以有部分引腳具有第二功能。,8051單片機引腳圖,,DIP引腳圖 邏輯符號,8051引腳的功能描述,電源引腳(2根) VCC(40腳)：電源端，接+5V電源。VSS(20腳)：接地端

7、。時鐘引腳(2根) XTAL1(19腳)：接外部晶振和微調電容的一端。采用外部時鐘電路時，對HMOS型工藝的單片機，此引腳應接地；對CHMOS型而言，此引腳應接外部時鐘的輸入端。XTAL2(18腳)：接外部晶振和微調電容的另一端。使用外部時鐘時，對HMOS型工藝的單片機，此引腳應接外部時鐘的輸入端；對CHMOS型而言，此引腳懸空。,8051引腳的功能描述,控制引腳(4根) RST/VPD(9腳)：復位信號/備用電源輸入引腳。

8、 當RST引腳保持兩個機器周期的高電平后，就可以使8051完成復位操作。該引腳的第二功能是VPD，即備用電源的輸入端，具有掉電保護功能。若在該引腳接+5V備用電源，在使用中若主電源VCC掉電，可保護片內RAM中的信息不丟失。 ALE/PROG (30腳)：地址鎖存允許信號輸出/編程脈沖輸入引腳。當CPU訪問片外存儲器時，ALE輸出信號控制鎖存P0口輸出的低8位地址，從而實現(xiàn)P0口數(shù)據(jù)與低位地址的分時復用。當8051上電正常工

9、作后，自動在ALE端輸出頻率為fosc/6的脈沖序列(fosc代表振蕩器的頻率)。 該引腳的第二功能PROG是對8751內部4KB EPROM編程寫入時，作為編程脈沖的輸入端。,EA/VPP(31腳)：外部程序存儲器地址允許輸入端/編程電壓輸入端。 當EA接高電平時，CPU執(zhí)行片內ROM指令，但當PC值超過0FFFH時，將自動轉去執(zhí)行片外ROM指令；當EA接低電平時，CPU只執(zhí)行片外ROM指令。對于8031，

10、由于其無片內ROM，故其EA必須接低電平。 該引腳的第二功能VPP是對8751片內EPROM編程寫入時，作為21V編程電壓的輸入端。PSEN(29腳)：片外ROM讀選通信號端。 在讀片外ROM時，PSEN有效，為低電平，以實現(xiàn)對片外ROM的讀操作。,8051引腳的功能描述,8051引腳的功能描述,I/O引腳(4×8=32根) P0.0～P0.7(39～32腳)：P0口的8位雙向I/O口線。

11、 P0口即可作地址/數(shù)據(jù)總線使用，又可作通用的I/O口使用。當CPU訪問片外存儲器時，P0口分時先作低8位地址總線，后作雙向數(shù)據(jù)總線，此時，P0口就不能再作I/O口使用了。P1.0～P1.7(1～8腳)：P1口的8位準雙向I/O口線。 P1口作為通用的I/O口使用。P2.0～P2.7(21～28腳)：P2口的8位準雙向I/O口線。 P2口即可作為通用的I/O口使用，也可作為片外存儲器的高8位地址總線，與P0口配合

12、，組成16位片外存儲器單元地址。P3.0～P3.7(10～17腳)：P3口的8位準雙向I/O口線。 P3口除了作為通用的I/O口使用之外，每個引腳還具有第二功能。,2.2 布爾處理機,MCS-51單片機不僅能按字節(jié)進行操作，還能按位進行操作。也就是說MCS-51單片機實際上又是一個完整而獨立的1位單片機，即布爾處理機。,2.3 存儲器組織,2.3.1MCS-51存儲器特點 2.3.2數(shù)據(jù)存儲器RAM 2.3.3程序存儲

13、器ROM,2.3.1 MCS-51存儲器特點,8051的存儲器結構與常見的微型計算機的配置方式不同，它把程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開，有各自的尋址系統(tǒng)、控制信號和功能。 8051的存儲器在物理結構上分為片內數(shù)據(jù)存儲器、片內程序存儲器、片外數(shù)據(jù)存儲器和片外程序存儲器4個存儲空間。但從用戶使用的角度看，8051的存儲器分為3個邏輯空間。,片內外統(tǒng)一尋址的64KB程序存儲器空間，地址范圍為0000H～FFFFH。64KB的片外數(shù)據(jù)存儲器

14、空間，地址范圍也為0000H～FFFFH。256B的片內數(shù)據(jù)存儲器空間，地址范圍為00H～FFH。,2.3.2 數(shù)據(jù)存儲器RAM,數(shù)據(jù)存儲器RAM主要用來存放運算的中間結果和數(shù)據(jù)等。在8051中，其存儲空間分布如下：片外RAM最多可擴至64KB存儲單元，地址范圍為0000H～FFFFH。片內RAM為256B存儲單元，地址范圍為00H～FFH。片內RAM地址空間共有256B，又分為兩個部分：低128B(00H～7FH)為真正

15、的RAM區(qū)，如下圖所示 。高128B(80H～FFH)為特殊功能寄存器(SFR)區(qū)，如下表所示 。,片內RAM地址空間,SFR中位地址分布表,程序狀態(tài)字PSW,數(shù)據(jù)指針DPTR,數(shù)據(jù)指針DPTR是一個16位的特殊功能寄存器，編程時DPTR可以作為一個16位寄存器使用，也可以作為兩個獨立的8位寄存器分開使用，此時DPH表示高字節(jié)，DPL表示低字節(jié)。一般編程時常用DPTR來存放外RAM單元的16位地址，作間接寄

16、存器使用。,程序技術器PC,程序技術器PC是16位專用寄存器，其內容為下一條要執(zhí)行指令的首地址。PC具有自動加1的功能。改變PC的內容就可以改變指令執(zhí)行的次序。系統(tǒng)復位后PC的地址是0000H。一般編程時常用DPTR來存放外RAM單元的16位地址，作間接寄存器使用。,2.3.3 程序存儲器ROM,程序存儲器ROM用來存放程序、常數(shù)或表格等。在8051中，其存儲空間分布如下：片內有4KB的ROM存儲單元，地址為0000H～0FF

17、FH。片外最多可擴至64KB的ROM，地址為1000H～FFFFH。片內外ROM統(tǒng)一編址。 當EA引腳接高電平時，CPU將首先訪問片內ROM，當指令地址超過0FFFH時，自動轉向片外ROM取指令。當EA引腳接低電平時，CPU只訪問片外ROM。片外ROM的地址從0000H開始編址。對于8031，由于其片內無ROM，所以使用時必須使EA接低電平，以便能夠從片外擴展的EPROM中取指令。,,,程序存儲器ROM,在程序存儲器中，以下6個

18、單元具有特殊含義。0000H：單片機復位后的程序入口地址。 0003H：外部中斷0的中斷服務程序入口地址。 000BH：定時器0的中斷服務程序入口地址。 0013H：外部中斷1的中斷服務程序入口地址。 001BH：定時器1的中斷服務程序入口地址。 0023H：串行口的中斷服務程序入口地址。,2.4 單片機的輸入/輸出端口,2.4.1 P0口2.4.2 P1口2.4.3 P2口2.4.4 P3口,8051單片機

19、有4個8位并行I/O端口，稱為P0、P1、P2和P3口，每個端口都各有8條I/O口線，每條I/O口線都能獨立地用作輸入或輸出。在無片外擴展存儲器的系統(tǒng)中，這四個I/O口都可以作為通用I/O口使用。在有片外擴展存儲器的系統(tǒng)中，P2口送出高8位地址，P0口分時送出低8位地址和8位數(shù)據(jù)。,P0口某一位的結構圖如下圖所示，它由一個輸出鎖存器、兩個三態(tài)輸入緩沖器、一個轉換開關MUX、一個輸出驅動電路(T1和T2)和一個與門及一個非門組成。

20、,2.4.1 P0口,(1) P0口用作通用I/O口,MUX與鎖存器的Q端接通，與門輸出為0，T1截止，輸出驅動級就工作在需外接上拉電阻的漏極開路方式。 ① P0口用作輸出口 CPU在執(zhí)行輸出指令時，內部數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)在“寫鎖存器”信號的作用下，由D端進入鎖存器，取反后出現(xiàn)在Q端，再經(jīng)過T2反向，則P0.X引腳上的數(shù)據(jù)就是內部總線的數(shù)據(jù)。由于T2為漏極開路輸出，故此時必須外接上拉電阻。② P0口用作輸入口

21、 數(shù)據(jù)可以讀自端口的鎖存器，也可以讀自端口的引腳，這要看輸入操作執(zhí)行的是“讀鎖存器”指令還是“讀引腳”指令。方式1：讀引腳。CPU在執(zhí)行“MOV”類輸入指令時(如：MOV A , P0)，內部產(chǎn)生的操作信號是“讀引腳”。P0.X引腳上的數(shù)據(jù)經(jīng)過緩沖器2讀入到內部總線。注意，在讀引腳時，必須先向電路中的鎖存器寫入1，使T2截止，P0.X引腳處于懸浮狀態(tài)，可作為高阻抗輸入。方式2：讀鎖存器。CPU在執(zhí)行“讀-改-寫”類輸入指

22、令時(如：ANL P0, A )，內部產(chǎn)生的操作信號是“讀鎖存器”，鎖存器中的數(shù)據(jù)經(jīng)過緩沖器1送到內部總線，然后與A的內容進行邏輯“與”，結果送回P0的端口鎖存器并出現(xiàn)在引腳。除了MOV類指令外，其他的讀口操作指令都屬于這種情況。,(2) P0口用作地址/數(shù)據(jù)總線,MUX將地址/數(shù)據(jù)線與T2接通，同時與門輸出有效。若地址/數(shù)據(jù)線為1，則T1導通，T2截止，P0口輸出為1；反之T1截止，T2導通，P0口輸出為0。當數(shù)據(jù)從P0口輸

23、入時，讀引腳使三態(tài)緩沖器2打開，端口上的數(shù)據(jù)經(jīng)緩沖器2送到內部總線。,（3）P0口小結,① P0口既可作地址/數(shù)據(jù)總線使用，也可作通用I/O口使用。當P0口作地址/數(shù)據(jù)總線使用時，就不能再作通用I/O口使用了。 ② P0口作輸出口使用時，輸出級屬漏極開路，必須外接上拉電阻，才有高電平輸出。 ③ P0口作輸入口讀引腳時，應先向鎖存器寫1，使T2截止，不影響輸入電平。,P1口是唯一的單功能口，僅能作為通用I/O口使用。由于

24、在其輸出端接有上拉電阻，故可以直接輸出而無需外接上拉電阻。同P0口一樣，當作輸入口時，必須先向鎖存器寫“1”，使場效應管T截止。,,,2.4.2 P1口,圖中的控制信號C決定轉換開關MUX的位置：當C=0時，MUX撥向下方，P0口為通用I/O口；當控制信號C=1時，MUX撥向上方，P0口作為地址總線使用。在實際應用中，P2口通常作為高8位地址總線使用。,,2.4.3 P2口,P3口用作通用I/O口時，第二輸出功能信號W=1，P3

25、口的每一位都可定義為輸入或輸出，其工作原理同P1口類似。在真正的應用電路中，P3口的第二功能顯得更為重要 。,,2.4.4 P3口,P3口的第二功能,,,,輸入/輸出端口負載能力,P0口的輸出級與P1～P3口的輸出級在結構上不同，其輸出級無上拉電阻，因此它們的負載能力和接口要求也不相同。P0口的每一位能驅動8個LSTTL負載。在作為通用I/O口使用時，輸出驅動電路是開漏的，所以，驅動集電極開路(OC門)電路或漏級開路電路需外接上拉

26、電阻。當作為地址/數(shù)據(jù)總線使用時(T1可以提供上拉電平)，口線不是開漏的，無需外接上拉電阻。P1～P3口的每一位能驅動4個LSTTL負載。它們的輸出驅動電路有上拉電阻，所以可以方便地由集電極開路(OC門)電路或漏級開路電路所驅動，而無需外接上拉電阻。對于80C51單片機(CHMOS)，端口只能提供幾毫安的輸出電流，故當作輸出口去驅動一個普通晶體管的基極時，應在端口與晶體管基極間串聯(lián)一個電阻，以限制高電平輸出時的電流。,2.5 時鐘

27、電路與CPU時序,2.5.1 時鐘電路2.5.2 CPU時序,,2.5.1 時鐘電路,8051單片機的時鐘信號通常由兩種方式產(chǎn)生：一是內部振蕩方式，二是外部時鐘方式。 (a) 內部方式時鐘電路 (b) 外部方式時鐘電路,,2.5.1 時鐘電路,1. 內部振蕩方式 在8051單片機內部有一個高增益的反相放大器，用于構成振蕩器，反相放大器的輸入端為XTAL1，輸出端為XT

28、AL2。內部振蕩方式是在XTAL1和XTAL2引腳兩端跨接石英晶體振蕩器和兩個電容構成穩(wěn)定的自激振蕩電路。電容C1和C2通常取30pF，對振蕩頻率有微調作用。晶振頻率范圍是1.2MHz～12MHz。2. 外部時鐘方式 外部時鐘方式是把外部已有的時鐘信號引入到單片機內。8051：外部時鐘由XTAL2輸入，直接送入內部時鐘電路，XTAL1接地；80C51：外部時鐘由XTAL1輸入，XTAL2懸空。外部時鐘信號為高電平持續(xù)

29、時間要大于20ns，且頻率低于12MHz的方波。,2.5.2 CPU時序,CPU時序就是CPU在執(zhí)行指令時所需控制信號的時間順序。單片機的時序定時單位從小到大依次為：振蕩周期、狀態(tài)周期、機器周期和指令周期。 MCS-51單片機共有111條指令，按照指令字節(jié)數(shù)和機器周期數(shù)可分為六類，即單字節(jié)單周期指令、單字節(jié)雙周期指令、單字節(jié)四周期指令、雙字節(jié)單周期指令、雙字節(jié)雙周期指令和三字節(jié)雙周期指令。,典型指令的取指、執(zhí)行時序,,,振蕩周

30、期為單片機提供定時信號的振蕩源的周期或外部輸入時鐘信號的周期。時鐘周期又成為狀態(tài)周期(或狀態(tài)S)是振蕩周期的兩倍，它分為P1節(jié)拍和P2節(jié)拍。一條指令的執(zhí)行過程分作幾個基本操作，完成一個基本操作所需的時間稱作機器周期。執(zhí)行一條指令所需的時間稱為指令周期。,2.6 MCS-51單片機工作方式,2.6.1 復位方式與復位電路 2.6.2 程序執(zhí)行方式2.6.3 單步執(zhí)行方式2.6.4 低功耗操作方式2.6.5 EPR

31、OM編程和校驗方式,2.6.1 復位方式與復位電路,復位是單片機的初始化操作。復位功能是把PC初始化為0000H，使CPU從0000H單元開始執(zhí)行程序；復位操作同時還對其他一些寄存器有影響，但內部RAM的數(shù)據(jù)是不變的。 除了進入系統(tǒng)的正常初始化之外，當由于程序運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為擺脫困境，也需要按復位鍵重新啟動。,部分特殊功能寄存器的復位狀態(tài),說明：表中符號×狀為隨機態(tài)。,復位電路,單片機的復位

32、引腳RST出現(xiàn)2個機器周期以上的高電平時，單片機就執(zhí)行復位操作。 常見的復位操作有上電自動復位和按鍵手動復位兩種方式 。上電自動復位是通過外部復位電路的電容充電來實現(xiàn)的。按鍵手動復位是通過復位端經(jīng)電阻與電源VCC接通而實現(xiàn)的，它兼?zhèn)渖想姀臀还δ堋?(a) 上電自動復位 (b) 按鍵手動復位,,2.6.2 程序執(zhí)行方式,單片機執(zhí)行程序的過程，就是逐條執(zhí)行指令的過程。單片機每

33、執(zhí)行一條指令都可分為三個階段，即取指令——分析指令——執(zhí)行指令。 單片機中的程序一般事先都已通過寫入器(編程器)固化在片內或片外程序存儲器中，因而一開機即可執(zhí)行指令。,本章小結,Intel公司MCS-51系列單片機是我國目前應用最為廣泛的單片機。8051/80C51是整個MCS-51系列單片機的核心，該系列其他型號的單片機都是在這一內核的基礎上發(fā)展起來的。8051單片機內部結構包括中央處理器、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、并行I/O接口

34、、定時器/計數(shù)器、時鐘電路、中斷系統(tǒng)、串行口。中央處理器是單片機的核心部件，是計算機的控制指揮中心。8051的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是各自獨立的，各有各的尋址系統(tǒng)、控制信號和功能。在物理結構上可分為片內數(shù)據(jù)存儲器、片內程序存儲器、片外數(shù)據(jù)存儲器和片外程序存儲器4個存儲空間。片內RAM共256B，分為兩大功能區(qū)，低128B為真正的RAM區(qū)；高128B為特殊功能寄存器(SFR)區(qū)。低128B RAM又分為工作寄存器區(qū)、位尋址區(qū)和用戶RA

35、M區(qū)。,本章小結,8051單片機有P0、P1、P2和P3 4個8位并行I/O端口，每個端口各有8條I/O口線，每條I/O口線都能獨立地用作輸入或輸出。各端口的功能不同，且結構上也有差異，通常P2口作為高8位地址線，P0口分時復用作為低8位地址線和8位數(shù)據(jù)線，P3口使用第二功能，P1口只能作為通用I/O口使用。P0口的輸出級與P1～P3口的輸出級在結構上不同，其輸出級無上拉電阻，因此它們的負載能力和接口要求也不相同。時序就是CPU在執(zhí)行

36、指令時所需控制信號的時間順序，其單位有振蕩周期、時鐘周期、機器周期和指令周期。時鐘信號產(chǎn)生方式有內部振蕩方式和外部時鐘方式兩種。復位是單片機的初始化操作，復位操作對PC和部分特殊功能寄存器有影響，但對內部RAM沒有影響。,,習 題,1. 請結合MCS-51系列單片機的結構框圖，闡明其組成。2. 綜述MCS-51系列單片機各引腳的作用，并試分類。3. 程序計數(shù)器的符號是什么？MCS-51系列單片機的程序計數(shù)器有幾位?4.

37、何謂程序狀態(tài)字？它的符號是什么？它各位的含義是什么？5. 何謂振蕩周期、時鐘周期、機器周期和指令周期？針對MCS-5l系列單片機，如采用12MHz晶振，它們的周期各是什么值？6. 引腳的作用是什么？在下列三種情況下，引腳各應接何種電平? (1) 只有片內ROM； (2) 有片內ROM和片外ROM； (3) 有片內ROM和片外ROM，片外ROM所存為調試程序。7. MCS-51系列單片機存儲器的地址空間是如何