MCS-51系列单片机的结构和原理

《单片微机原理及应用》教学课件1第二章MCS-51系列单片机的结构和原理本讲重点：MCS-51的基本特性;单片机的时钟、复位电路;存储器、堆栈与特殊功能寄存器.本章主要介绍INTEL公司MCS-51系列单片机的系统结构。MCS-51系列单片机在结构上有许多特点。下面将详细叙述。《单片微机原理及应用》教学课件22.1MCS-51系列单片机的结构MCS－51是INTEL公司生产的一个单片机的名称。属于这一系列的单片机芯片有许多种，如8051，8031，8751，80C51BH等，它们的基本组成、基本性能和指令系统都是相同的。下面以8051为例，说明MCS－51单片机的结构。《单片微机原理及应用》教学课件32．1．1MCS-51系列单片机的基本组成图2－1所示为MCS－51系列8051单片机的基本结构框图。《单片微机原理及应用》教学课件4时钟电路SFR和RAMROMCPU定时/计数器并行端口中断系统串行端口系统总线时钟源T0T1P0P1P2P3TXDRXDINT0INT1内中断外中断图2.1MCS-51单片机基本结构示意图《单片微机原理及应用》教学课件58051单片机主要组成部分(1)一个8位中央处理单元（CPU）；(2)片内数据储存器RAM（128B/256B），用以存放可以读/写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及若显示的数据等；(3)片内程序储存器ROM/EPROM（4KB/8KB），用以存放程序、一些原始数据和表格。一些单片机内部不带ROM/EPROM，如8031，8032，80C31等；(4)4个8位并行I/O接口P0～P3，每个I/O口既可以用作输入，可以用作输出。《单片微机原理及应用》教学课件6（5）2个16位的定时器/计数器，每个定时器/计数器都可以设置成计数方式，用以对外部事件进行计数；也可以设置成定时方式，对内部脉冲进行计数，并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制；（6）5个中断源的中断控制系统，二级嵌套的中断结构；（7）一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I/O口，用以实现单片机之间或单片机与微机之间的串行通讯；（8）片内振荡器和时钟电路，但石英晶体和微调电容需要外接。最高允许振荡频率为12MHZ。以上各个部分通过内部数据总线相连接。《单片微机原理及应用》教学课件7MCS－51系列单片机的温度适用范围较宽，其温度范围为：民品（商业用）0℃～70℃工业品－40℃～85℃军用品－55℃～125℃稳定性和抗干扰性，军用品优于工业品，工业品优于民品。MCS－51系列单片机有十多个品种，其性能如表2－1所示《单片微机原理及应用》教学课件8《单片微机原理及应用》教学课件92.1.2MCS－51单片机内部结构《单片微机原理及应用》教学课件10图2-2MCS-51片内总体结构框图通道0驱动器通道2驱动器RAM地址锁存器RAM通道0锁存器通道2锁存器ROM/EPROMB寄存器程序地址寄存器缓冲器PC递增器程序计数器PC０驱动器DPTR指针VCCGNDP1.0～P1.7堆栈指针SPACCTMP2PSW通道3锁存器通道1锁存器通道1驱动器通道3驱动器TMP1SCONTMODPCONTCONTL0TH1TH0TL1IESBUF(TX/RX)IP中断、串行口和定时器逻辑振荡器P3.0～P3.7RSTEAALEPSENXTAL2XTAL1ALU(+5V)指令寄存器定时和控制逻辑指令译码器P2.0～P2.7P0.0～P0.7《单片微机原理及应用》教学课件11一、中央处理单元（CPU）1、运算器◆ALU（算术运算和逻辑运算单元）；◆暂存器1、暂存器2；◆累加器ACC；◆辅助寄存器B；◆程序状态寄存器PSW。《单片微机原理及应用》教学课件122、控制器◆程序计数器PC；◆指令寄存器IR；◆指令译码器ID；◆振荡器及定时电路。《单片微机原理及应用》教学课件13二、存储器8051片内有ROM和RAM，它们有各自独立的存储地址空间。1、程序存储器（ROM）片内程序存储器容量为4KB，地址：0000H～0FFFH。2、数据存储器（RAM）8031/8051/8751数据存储器均为128B，地址为：00H～7FH；其中32个单元指定为4组工作寄存器：R0～R7。特殊功能寄存器（SFR）编址在：80H～0FFH中。《单片微机原理及应用》教学课件14三、I/O接口8051由4个8位的并行接口：P0～P3。均为双向端口，可输入/输出。P0～P3口四个锁存器同RAM统一编址（80H，90H，0A0H，0B0H）,可以把I/O当作特殊功能寄存器来寻址。《单片微机原理及应用》教学课件152.2MCS－51单片机引脚及其功能MCS－51系列中各种单片机的引脚互相兼容，大多为40脚双列直插封装（DIP）方式。因受到引脚数目的限制，不少引脚具有第二功能，如图2－3所示。《单片微机原理及应用》教学课件16认识单片机的引脚MCS-51单片机40脚Vcc,GND2XTAL1,XTAL22RESET1EA/Vpp1ALE/PROG1PSEN1P0.0—P0.78P1.0—P1.78P2.0—P2.78P3.0—P3.78《单片微机原理及应用》教学课件17单片机的引脚1、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的功耗也不同。2、时钟电路引脚XTAL1和XTAL2用内部时钟电路：XTAL2振荡电路反相放大器的输出端；XTAL1振荡电路反相放大器的输入端；用外部时钟电路：XTAL2外部时钟脉冲输入端；XTAL1接地。《单片微机原理及应用》教学课件18单片机的引脚3、控制信号引脚RST、ALE、PSEN和EARST/Vpd复位/备用电源输入端；ALE/PROG地址锁存允许信号，输出正脉冲1/6fosc;编程写入时，编程脉冲输入端。PSEN读片外存储器的选通信号，输出负脉冲；EA/Vpp外部程序存储器地址允许输入端/固化编程电压输入端；固化电压12.5V,25V.《单片微机原理及应用》教学课件19单片机的引脚4、输入/输出端口P0,P1,P2和P3准双向I/O端口：作输入口时必须先写入1，然后读入。负载和上拉电阻。《单片微机原理及应用》教学课件202.38051存储器配置存储器两种结构：★一般微机采用普林斯顿结构：只有一个地址空间，ROM和RAM可以随意安排在这一地址空间，ROM和RAM的地址在同一个队列分配不同的地址空间。★8051单片机采用哈佛结构：物理结构上程序存储器空间和数据存储器空间分开。《单片微机原理及应用》教学课件21从结构上分：●片内程序存储器空间；●片外程序存储器空间；●片内数据存储器空间；●片外数据存储器空间。《单片微机原理及应用》教学课件22从用户角度分：●片内、片外统一编址的程序存储器地址空间（0000H～0FFFFH）；●64KB片外数据存储器地址空间（0000H～0FFFFH）；●256B片内数据存储器地址空间（00H～0FFH）。《单片微机原理及应用》教学课件23CPU访问存储器方法：▲访问片内、片外ROM用MOVC指令；▲访问片外RAM或I/O口用MOVX指令；▲访问片内RAM用MOV指令。8051存储器空间配置如图所示：《单片微机原理及应用》教学课件24可寻址片外RAM64K字节（0000H—FFFFH）；可寻址片外ROM64K字节（0000H—FFFFH）；片内FlashROM4K字节（000H—FFFH）；FFFFH0000H可寻址片外RAM64K字节FFFFH0000H可寻址片外ROM64K字节FFFH000H可寻址片内FlashROM4K字节89C517FH00H片内RAM128字节FFH80H存储器配置《单片微机原理及应用》教学课件25数据存储器——RAM（RandomAccessMemory）程序存储器——ROM（ReadOnlyMemory）闪速存储器——FlashMemoryEPROM——（UV）ErazibleProgrammableROMEEPROM/E2PROM——ElectricalErasableProgrammableROM静态存储器SRAM——StaticRAM（动态存储器DRAM——DynamicRAM）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：《单片微机原理及应用》教学课件2689C51单片机存储器配置片内RAM128字节（00H—7FH）；片内RAM前32个单元是工作寄存器区(00H—1FH)片内RAM有128个可按位寻址的位，占16个单元。位地址编号为：00H—7FH，分布在20H—2FH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（P.33-34）可寻址片外RAM64K字节（0000H—FFFFH）可寻址片外ROM64K字节（0000H—FFFFH）片内FlashROM4K字节（000H—FFFH）《单片微机原理及应用》教学课件272.3.1程序存储器地址空间程序存储器:用于存放程序和常数。PC为16位，寻址能力为64KB。8051/8751片内ROM/EPROM的容量为4KB，地址为：0000H～0FFFH；片外最多可扩至64KEPROM，地址为：1000H～0FFFFH；《单片微机原理及应用》教学课件28程序存储器外部ROM内部ROM(EA=1)外部ROM(EA=0)0000H0000H0FFFH0FFFH1000HFFFFH8051从片内程序存储器和片外程序存储器取指时执行速度相同。《单片微机原理及应用》教学课件29保留的存储单元存储单元保留目的0000H～0002H复位后初始化引导程序0003H～000AH外部中断0000BH～0012H定时器0溢出中断0013H～001AH外部中断1001BH～0022H定时器1溢出中断0023H～002AH串行口中断002BH～0032H定时器2溢出中断（仅8052有）《单片微机原理及应用》教学课件30中断矢量（向量）：中断服务程序的入口地址中断源中断服务程序人口地址外部中断00003H定时器0溢出中断000BH外部中断10013H定时器1溢出中断001BH串行口中断0023H中断矢量（向量）地址表《单片微机原理及应用》教学课件312.3.3数据存储器地址空间数据存储器RAM：用于存放运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等。◆片内RAM：256B，地址为：00H～0FFH；◆片外RAM：64KB（包括外部I/O口），地址为：0000H～0FFFFH。《单片微机原理及应用》教学课件32一、片外RAM片外64KRAM空间专门用MOVX指令访问，包括外部I/O口；二、片内RAM片内数据存储器最大可寻址256个单元：★低128B（00H～7FH）：真正RAM区；★高128B（80H～0FFH）：特殊功能寄存器（SFR）区。如下图所示：《单片微机原理及应用》教学课件33存储器配置（片内RAM）1、低RAM128字节（00H—7FH）00H20H2FH7FH1FH30H80HFFH52子系列才有的RAM区用户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80HFFH所有的RAM区(包括位寻址区、工作寄存器区）都可以用于存放数据，故也称为数据缓存寄存器89C51128字节《单片微机原理及应用》教学课件3400H20H2FH7FH1FH30H80HFFH52子系列才有的RAM区普通RAM区位寻址区工作寄存器区R0R2R1R3R4R5R6R707H02H01H00H06H04H05H03H08H1FH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00FH10H17H18H片内RAM前32个单元是工作寄存器区(00H—1FH)存储器配置（片内RAM）《单片微机原理及应用》教学课件35工作寄存器地址表组RS1RS0R0R1R2R3R4R5R6R700000H01H02H03H04H05H06H07H10