第2章 MCS-51单片机硬件结构和原理

单片机原理与接口技术.中北大学电子科学技术专业返回目录102:04单片机原理与接口技术第2章MCS-51单片机硬件结构和原理单片机原理与接口技术.中北大学电子科学技术专业返回目录202:04熟悉MCS-51单片机CPU内部组成结构和各功能部件的作用。掌握MCS-51单片机引脚功能。掌握存储器的组织结构。程序存储器、数据存储器、内部特殊功能寄存器（SFR）的配置情况，熟悉程序状态寄存器（PSW）各位的含义。掌握P0～P3并行I/O口结构及其特点，掌握时钟电路、CPU时序和复位电路。本章教学要求单片机原理与接口技术.中北大学电子科学技术专业返回目录302:04本章目录2.1MCS-51系列单片机分类2.2MCS-51单片机引脚及硬件结构2.3MCS-51单片机CPU2.4存储器2.5并行输入/输出端口2.6时钟电路和时序2.7单片机的工作方式单片机原理与接口技术.中北大学电子科学技术专业返回目录402:042.1MCS-51系列单片机的分类自Intel公司推出MCS-51系列单片机以后，所有的51系列单片机都是以Intel公司最早的典型产品8051为核心，增加一定的功能部件后构成的。本课程以8051为主阐述MCS-51系列单片机的系统结构、工作原理和应用中的一些技术问题。MCS-51系列可分为两大系列：51子系列和52子系列。单片机原理与接口技术.中北大学电子科学技术专业返回目录502:04表2-1MCS-51系列单片机的性能一览表2.1MCS-51系列单片机的分类52系列51系列单片机原理与接口技术.中北大学电子科学技术专业返回目录602:042.2MCS-51单片机引脚及硬件结构2.2.1单片机的引脚功能不同型号MCS-51单片机CPU处理能力和指令系统是完全兼容的，只是存储器和I/O接口的配置有所不同。基本配置如下：1.8位CPU2.片内ROM、RAM3.片内并行I/O接口4.片内16位定时器/计数器5.片内中断处理系统6.片内全双工串行I/O口。MCS-51系列单片机有40个引脚，外形尺寸有双列直插封装（DIP）或LCC/QFP封装，每个引脚有规定的序号和名称。DIP封装的引脚排列和逻辑符号如图2-1所示。单片机原理与接口技术.中北大学电子科学技术专业返回目录702:04芯片引脚按功能分为3类，即：----51单片机的引脚功能数据总线地址总线控制总线2.2.1单片机的引脚功能单片机原理与接口技术.中北大学电子科学技术专业返回目录802:041.电源引脚Vcc和VssVcc（+5V）电源输入端Vss（GND）共用接地端2.2.1单片机的引脚功能----51单片机电源引脚单片机原理与接口技术.中北大学电子科学技术专业返回目录902:042.时钟振荡电路引脚XTAL1和XTAL2XTAL1和XTAL2分别用做晶体振荡电路的反相器输入端和输出端。在使用内部振荡电路时，这两个引脚用来外接石英晶体；当使用外部振荡器时，XTAL2接收振荡器信号，XTAL1接地。2.2.1单片机的引脚功能----51单片机时钟引脚时钟周期单片机原理与接口技术.中北大学电子科学技术专业返回目录1002:04复位信号输入端RSTRST端出现两个机器周期以上的高电平时，完成复位操作。VPD为内部RAM的备用电源输入端。当Vcc发生断电或电压降到一定值时，可通过VPD为单片机内部RAM提供电源，以保护片内RAM中的信息不丢失。2.2.1单片机的引脚功能----复位引脚3.控制信号引脚单片机原理与接口技术.中北大学电子科学技术专业返回目录1102:04当访问外部ROM时，产生负脉冲作为外部ROM的选通信号。2.2.1单片机的引脚功能----ALE与PSEN引脚地址锁存允许信号ALE在访问外部存储器时，ALE用来锁存P0送出的低8位地址信号。PROG是对8751内部EPROM编程时的编程脉冲输入端。外部程序存储器读选通信号PSEN单片机原理与接口技术.中北大学电子科学技术专业返回目录1202:04外部程序存储器控制信号EAEA=0：访问外部程序存储器。EA=1：访问片内与片外程序存储器。VPP为8751EPROM的21V编程电源输入端。2.2.1单片机的引脚功能----内外程序存储器控制引脚单片机原理与接口技术.中北大学电子科学技术专业返回目录1302:04----P0端口P0端口（P0.0～P0.7）第一功能：是一个8位漏极开路型准双向I/O口。访问外部存储器时，分时作为低8位地址和8位双向数据总线。先送出地址再送出数据。4.P0、P1、P2、P3端口2.2.1单片机的引脚功能单片机原理与接口技术.中北大学电子科学技术专业返回目录1402:04P1口（P1.0～P1.7）内部带上拉电阻的8位准双向I/O口。P2口（P2.0～P2.7）第一功能：内部带上拉电阻的8位准双向I/O口。第二功能：在访问外部存储器时，输出高8位地址。P3口（P3.0～P3.7）第一功能：内部带上拉电阻的8位准双向I/O口。8个引脚都有各自的第二功能。2.2.1单片机的引脚功能----P1、P2和P3端口单片机原理与接口技术.中北大学电子科学技术专业返回目录1502:042.2.2单片机的内部结构----51单片机内部主要部件控制器单片机原理与接口技术.中北大学电子科学技术专业返回目录1602:042.3MCS-51单片机CPU运算器——包括算术逻辑单元ALU、累加器ACC、寄存器B、暂存器TMP1和TMP2、程序状态字PSW寄存器。----运算器的组成单片机原理与接口技术.中北大学电子科学技术专业返回目录1702:041.累加器累加器：8位寄存器。是最常用、最繁忙的特殊功能寄存器，多用来存放操作数、运算结果。在指令系统中采用A作为累加器ACC的助记符。----累加器2.3MCS-51单片机CPU单片机原理与接口技术.中北大学电子科学技术专业返回目录1802:04----算术/逻辑部件作用:在控制器的控制下进行算术运算和逻辑运算。进行运算的两个数据存入暂存器1和暂存器2等待ALU接收。2.算术/逻辑部件ALU2.3MCS-51单片机CPU单片机原理与接口技术.中北大学电子科学技术专业返回目录1902:04----程序状态字寄存器程序状态字寄存器PSW是一个8位寄存器，用来存放运算结果的一些特征。进位标志位半进位标志位用户自定义标志位工作寄存器组选择位溢出标志位奇偶校验标志位3.程序状态字寄存器2.3MCS-51单片机CPU单片机原理与接口技术.中北大学电子科学技术专业返回目录2002:04Cy（PSW.7）：进位标志位。在执行加、减法指令时，若运算结果的最高位（D7位）有进位或借位，则Cy位被置1，否则清零。AC（PSW.6）：半进位标志位。在执行加、减法指令时，如果其低半字节向高半字节有进位或借位（D3位向D4位），则AC位被置1，否则清零。F0（PSW.5）：用户自定义标志位。用户可用软件对F0赋以一定的含义，决定程序的执行转向。----程序状态字寄存器2.3MCS-51单片机CPU单片机原理与接口技术.中北大学电子科学技术专业返回目录2102:04OV（PSW.2）：溢出标志位。当运算的结果超出范围（-128～＋127）时，产生溢出OV=1，否则无溢出OV=0。PSW.1：未定义位。P（PSW.0）：奇偶校验标志位。单片机在指令执行后，根据ACC中1的个数的奇偶性，自动将该标志位置1或清零。若1的个数为奇数，则P=1，否则P=0。----程序状态字寄存器2.3MCS-51单片机CPU单片机原理与接口技术.中北大学电子科学技术专业返回目录2202:04RS1、RS0与片内工作寄存器组的对应关系----片内四组工作寄存器的选择RS1（PSW.4）和RS0（PSW.3）：工作寄存器组选择位。表2-2所示为RS1和RS0与片内工作寄存器组的对应关系。2.3MCS-51单片机CPU单片机原理与接口技术.中北大学电子科学技术专业返回目录2302:044.B寄存器在进行乘法、除法运算时，B寄存器作为ALU的输入之一，与ACC配合完成运算，并存放运算结果。在无乘除运算时，它可作为内部RAM的一个单元。----寄存器2.3MCS-51单片机CPU单片机原理与接口技术.中北大学电子科学技术专业返回目录2402:04定时控制逻辑指令寄存器数据指针（DPTR）程序计数器（PC）堆栈指针（SP）地址寄存器地址缓冲器----控制器的组成控制器-CPU的大脑中枢，它包括：2.3MCS-51单片机CPU单片机原理与接口技术.中北大学电子科学技术专业返回目录2502:041.程序计数器ProgramCounter，PCPC用来存放下一条要执行指令的地址;当按照PC所指的地址从存储器中取出一条指令后，PC会自动加l，即指向下一条指令。PC的数值是随程序运行而改变的，用户不能修改。PC没有地址，是不可寻址的，不属于专用寄存器。----程序计数器2.3MCS-51单片机CPU单片机原理与接口技术.中北大学电子科学技术专业返回目录2602:042.堆栈指针（StackPointer，SP）是8位特殊功能寄存器,可指向片内RAM空间中开辟的堆栈区的栈顶地址，并随时跟踪栈顶地址而变化。----堆栈指针2.3MCS-51单片机CPU单片机原理与接口技术.中北大学电子科学技术专业返回目录2702:043.数据指针（DPTR）由于8051系列单片机可以外接64KB的数据存储器，故在单片机内设置了l6位的数据指针寄存器（DataPointer）。它可以对64KB的外部数据存储器进行寻址，DPTR可分为高8位数据指针寄存器（DPH）和低8位数据指针寄存器（DPL）。----数据指针2.3MCS-51单片机CPUMOVXA，@DPTR；读外存储器MOVX@DPTR，A；写外存储器单片机原理与接口技术.中北大学电子科学技术专业返回目录2802:04在8051单片机系统中，与字节处理器相对应，还特别设置布尔（位）处理器。Cy：进位标志位位寻址区位操作指令系统2.3MCS-51单片机CPU单片机原理与接口技术.中北大学电子科学技术专业返回目录2902:042.4存储器存储器是计算机的记忆部件，CPU要执行的程序、处理的数据、处理的中间结果都存在存储器中。存储器的容量和存取时间是存储器的两项重要指标，反映存储器记忆信息的多少和工作速度的快慢。分为只读存储器（ROM)和可读写存储器(RAM)，闪存（Flash）存储器。RAM又叫数据存储器，能在存储器中任意给定的地方随时写入和读出信息，当电源掉电后RAM中的内容就会消失。ROM只读存储器，用以存放不变的信息。当电源掉电后，仍能保持内容不变，不能修改其内容。一般存放程序和一些固定的数据。又掩膜ROM、PROM、EPROM、E2PROM。闪存则是一种不挥发性内存，在没有电流供应的条件下能够长久保持数据，任何flash器件的写入操作只能在空或已擦除的单元内进行,所以大多数情况下,在进行写入操作之前必须先执行擦除。单片机原理与接口技术.中北大学电子科学技术专业返回目录3002:042.4存储器8051在物理结构上有4个存储空间：片内程序存储器(ROM)片外程序存储器片内数据存储器(RAM)片外数据存储器从用户使用的角度上，MSC-51有3个存储空间：片内外统一编址的64KB程序存储器空间（用16位地址）256B片内数据存储器空间（用8位地址）64KB片外数据存储器地址空间三个存储空间地址是重叠的，8051指令系统设计了不同的数据传送指令的符号：访问片内、外ROM用MOVC,访问片外RAM用MOVX，访问片内RAM用MOV.----51单片机存储器布局单片机原理与接口技术.中北大学电子科学技术专业返回目录3102:04----存储器结构2.4存储器单片机原理与接口技术.中北大学电子科学技术专业返回目录3202:042.4.1程序存储器程序存储器用于存放编好的程序或表格常数。51子系列片内有4KBROM（8031没有），52子系列片