第2章MCS51系列单片机的结构和工作原理

第2章MCS51系列单片机结构及原理2.1微型计算机的组成2.2MCS-51系列单片机组成原理2.3MCS-51单片机引脚2.4MCS－51单片机I/O接口2.5MCS-51寄存器和存储器2.6单片机工作的基本时序2.1微型计算机的组成一、硬件结构1.中央处理器CPUCPU（CentralProcessingUnit）是计算机的核心部件,它由运算器、控制器和寄存器组成,完成计算机的运算和控制功能。运算器，又称算术逻辑部件（ALU,ArithmeticalLogicUnit）,主要完成对数据的算术运算和逻辑运算。控制器（Controller），RD,WR信号。寄存器（Register）,它们的作用是存放运算过程中的各种数据、地址或其它信息。寄存器种类很多,主要有:通用寄存器、累加器A、程序计数器PC等2.存储器M存储器分为程序存储器和数据存储器，有8位和16位两种，以8位为主。程序存储器：用来存放程序和常数的，在单片机执行期间其属于只读，不可写。地址总线的位数决定了可寻址的程序存储器的空间的大小。数据存储器：用来存放程序在运行期间的变量的数据，空间位置由地址总线决定。其可读可写，有的在掉电后数据丢失，有的采用后备电源和FLASH技术可以实现数据的长期保存。3.输入/输出接口（I/O接口）输入/输出（I/O）接口由大规模集成电路组成的I/O器件构成,用来连接主机和相应的I/O设备（如:键盘、鼠标、显示器、打印机等）,使得这些设备和主机之间传送的数据、信息在形式上和速度上都能匹配。不同的I/O设备必须配置与其相适应的I/O接口。4.三总线地址总线数据总线控制总线地址总线（AddressBusAB）传输地址信号，用来选择存储器的地址和I/O口的地址，具有单向性，决定空间的寻址大小。2nn为地址总线宽度。数据总线（DataBusDB），用来传输数据信号，实现存储器或I/O口与CPU间数据的传递，具有双向性，其决定了CPU的位。控制总线（ControlBusCB），用来传输控制信号或状态信号，实现外围器件与CPU间数据的传递，具有双向性。控制总线的位数与CPU的位数无关，与外围的特性有关。系统总线的特点：a)在某一时刻只能有一个总线主控设备，否则出现竞争。b)在总线上的多个设备，可以同时从总线上下载数据，这叫广播功能。二、存储器的分类1、RAM随机存储器，通常是指任何快速可写的易失存储器,常用来代表数据存储器。2、DRAM动态RAM，其需要周期性的动态数据刷新，负责存储数据。单元数据将因放电而丢失数据，特点是读写速度快。3、SRAM静态RAM，一旦数据被写入，只要保持供电，数据就可一直保存而不丢失，数据不需要刷新。4、SDRAM同步动态RAM，数据需要同步时钟信号来控制存取。5、NVRAM非易失性静态RAM，即使调电数据也不会丢失，一般是内置了电池的SRAM。6、FRAM铁电存储器，不用后备电池，在调电后数据永久保存，数据可擦写1亿次，速度快，功耗低（静态电流1μA，写操作150μA）.可代替SRAM、NVRAM、EEPROM、FLASH7、ROM只读存储器，一旦写入，存储内容便不能再更改，且可掉电保持，常用来代表程序存储器。8、EPROM电可编程ROM，可以采用特定的设备（烧录器）写入数据，并可用紫外线擦除，可重复使用。9、EEPROM电可擦除、可编程ROM，可以用电写入也可用电擦除，与EPROM的存储方式不同。10、FLASH闪速存储器，一种可用电写入和存储的存储器，但速度较慢。不用后备电池可实现数据保持。11、PROM可编程ROM，只可使用一次的ROM2.2MCS-51系列单片机组成原理目前51单片机的生产厂家有：Intel、Atmel、华邦、菲利普等；型号有：AT89C51,AT89C2051,AT89C52,AT89C55等，它们都有一个相同的C51内核，指令系统完全兼容，只是存储器和I/O接口的配置有所不同。AT89C51单片机的组成：8位CPU片内4KbytesFLASH128bytesRAM片内并行I/O接口P0、P1、P2、P3片内2个16位定时器/计数器片内5个中断处理系统片内全双工串行接口MCS-51单片机结构CPU1、CPU（1）运算器电路运算器电路包括ALU（算术逻辑单元）、ACC（累加器）、B寄存器、状态寄存器、暂存器1和暂存器2等部件，运算器的功能是进行算术运算和逻辑运算。（2）控制器电路控制器电路包括程序计数器PC、PC加1寄存器、指令寄存器、指令译码器、数据指针DPTR、堆栈指针SP、缓冲器以及定时与控制电路等。控制电路完成指挥控制工作，协调单片机各部分正常工作。2、定时器/计数器MCS－51单片机片内有两个16位的定时/计数器，即定时器0和定时器1。它们可以用于定时控制、延时以及对外部事件的计数和检测等。3、存储器MCS－51系列单片机的存储器包括数据存储器和程序存储器，程序存储器4KbytesFlash，数据存储器128bytesRAM。4、并行I/O口MCS－51单片机共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2和P3），每一条I/O线都能独立地用作输入或输出。P0口为三态准双向口，能带8个TTL门电路，P1、P2和P3口为准双向口，负载能力为4个TTL门电路。5、串行I/O口MCS－51单片机具有一个采用通用异步工作方式的全双工串行通信接口，可以同时发送和接收数据。6、中断控制系统8051共有5个中断源，即外中断2个，定时/计数中断2个，串行中断1个。7、时钟电路MCS－51芯片内部有时钟电路，但晶体振荡器和微调电容必须外接。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列，振荡器的频率范围为1.2MHz～24MHz，典型取值为12MHz。8、总线系统的地址信号、数据信号和控制信号都是通过总线传送的，总线结构减少了单片机的连线和引脚，提高了集成度和可靠性。2.3MCS-51单片机引脚1、I/O口线功能4个8位并行I/O接口引脚P0.0～P0.7、P1.0～P1.7、P2.0～P2.7和P3.0～P3.7为多功能引脚，可自动切换用作数据总线、地址总线、控制总线和或I/O接口外部引脚2、控制线ALE：地址锁存允许信号端PSEN：外部程序存储器读选通信号端EA/VPP：程序存储器选择信号端和编程电源输入端3、复位RST：复位信号端和后备电源输入端。输入10ms以上高电平脉冲，单片机复位。VPD使用后备电源，可实现掉电保护。4、电源工作电源：VCC=5V、VSS单片机RSTK+5V200Ω1K30μF复位后各个寄存器和I/O的状态：PC=0000H，PSW=00H,SP=07TH0=TL0=TH1=TL1=00H，P0=P1=P2=P3=0XFFH，IE=00H，A=B=00H5、时钟时钟频率:范围要求在1.2MHz～24MHz之间。一般从外部振荡器输入时钟信号。机器周期:完成一个基本操作所需要的时间。一个机器周期由12个振荡周期组成。指令周期:一条指令的执行时间。以机器周期为单位：单周期、双周期和四周期指令。思考题：设应用单片机晶振频率为12MHz，问机器周期为多少？单指令周期为多少？XTAL1单片机XTAL22.4MCS－51单片机输入/输出（I/O）口2.4.1P0口下图给出了P0口的逻辑结构，它由一个锁存器、两个三态输入缓冲器、一个多路复用开关以及控制电路和驱动电路等组成。DCLQP0.X锁存器MUXP0.X引脚读锁存器内部总线写锁存器读引脚地址/数据控制VccT1T2图P0口的逻辑结构01P0口可以作为输入输出口，在实际应用中它通常作为地址/数据复用总线。（1）I/O口使用：外部要加上拉电阻。输出输入准双向I/O口：先置1，再读。（2）地址/数据总线复用P0口可以作为输入输出口，在实际应用中它通常作为地址/数据复用总线。作为通用I/O口使用时，P0口为准双向口。2.4.2P1口P1口是一个准双向口，通常作为I/O口使用，其位结构如图。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。读锁存器内部总线读引脚DCLQP1.X锁存器P1.X引脚写锁存器VccT图P1口位结构图2.4.3P2口P2口位结构图如图。P2通用为一个准双向口，其位结构与P0口相似。对于8031单片机来说，P2口通常用作高8位地址信号输出。DCLQP0.X锁存器MUXP2.X引脚写锁存器地址控制VccT内部上拉电阻图P2口位结构图2.4.4P3口P3口的位结构图如图。P3口为双功能口，当P3口作为通用I/O口使用时，它为准双向口，且每位都可定义为输入或输出口，其工作原理同P1口类似。读锁存器内部总线读引脚DCLQP1.X锁存器写锁存器P3.X引脚VccT第二输出功能内部上拉电阻第二输入功能图P3口的位结构图P3口还具有第二功能，其引脚描述如表。表P3口特殊功能口线特殊功能信号名称P3.0RXD串行输入口P3.1TXD串行输出口P3.2外部中断0输入口P3.3外部中断1输入口P3.4T0定时器0外部输入口P3.5T1定时器1外部输入口P3.6WR写选通输出口P3.7RD读选通输出口1INT0INT2.5MCS-51寄存器和存储器MCS－51的存储器结构如图所示。存储器分为：程序存储器，数据存储器。另外它们分别又分为内部和外部。可寻址能力都为64Kbytes。外部FFFF1000内部（＝1）外部（＝0）0FFF00000FFF0000专用寄存器内部RAMFF807F00FFFF0000程序存储器内部数据存储器外部数据存储器内部一、内部数据存储器用户区位寻址区（位地址00～7F）工作寄存器区3（R0～R7）工作寄存器区2（R0～R7）工作寄存器区1（R0～R7）工作寄存器区0（R0～R7）7FH30H2FH20H1FH00H.........图2.5MCS-51片内RAM的空间分配2.5.1数据存储器MCS－51数据存储器的寻址空间能够达到64K，它们内部数据存储器（RAM）空间一般为128，外部可扩展为64K。1.内部数据存储器低128单元（00H~7FH）工作寄存器区：00H～1FH位寻址区：20H～2FH用户RAM区：30H～7FH2.内部数据存储器高128单元（80H~FFH）专用寄存器区,也称作特殊功能寄存器区（SFR）,其它预留区。表专用寄存器区累加器ACC累加器为8位寄存器，助记符为A。加、减乘和除等算术运算指令的运算结果都存放在累加器A或AB寄存器中，在变址寻址方式中累加器被作为变址寄存器使用。B寄存器B寄存器为8位寄存器，主要用于乘除指令中。乘法指令的两个操作数分别取自累加器A和寄存器B，其中B为乘数，乘法结果的高8位存放于寄存器B中。除法指令中，被除数取自A，除数取自B，除法的结果商数存放于A，余数存放于B中。在其它指令中，B寄存器也可作为一般的数据单元来使用。程序状态字PSW程序状态字是一个8位寄存器，它包含程序的状态信息。PSW的各位定义如表。表PSW的各状态位定义(1)CY：进位标志位在执行某些算术和逻辑指令时，可以被硬件或软件置位或清零。在算术运算中它可作为进位标志，在位运算中，它作累加器使用，在位传送、位与和位或等位操作中，都要使用进位标志位。(2)AC：辅助进位标志进行加法或减法操作时，当发生低四位向高四位进位或借位时，AC由硬件置位，否则AC位被置“0”。在进行十进制调整指令时，将借助AC状态进行判断。位序PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0位标志CYACF0RS1RS0OV/P(3)用户标志位F0该位为用户定义的状态标记，用户根据需要用软件对其置位或清零，也可以用软件测试F0来控制程序的跳转。(4)RS1和RS0：寄存器区选择控制位该两位通过软件置“0”或“1”来选择R0~R7所在的当前工作寄存器区。RS1RS0寄存器区地址00000～07H01108～0FH10210～17H11318～1FH(5)OV：溢出标志位OV＝1表示运算结果超出了累加器A所能表示的符号数有效范围（0～255），即运算结果是错误的，反之，OV＝0表示