MCS-51的基本结构及工作原理

《微机控制技术与应用》MCS-51的基本结构及工作原理MicroControllerUnit(微控制器件)，SingleChipComputer单片微型计算机Page2MCS-51的基本结构及工作原理51系列主要芯片MCS-51单片机内部结构及组成半导体存储器概念存储器结构可编程I/O简介CPU及时序工作方式Page3MCS-51的性能及结构一、MCS-51系列单片机主要芯片MCS-51是Intel生产品的一种单片机系列，它们引脚及指令相互兼容，区别在内容的结构和应用上。基本型：如8051/8751/8031加强型：如8052/8751/8032,ROM扩展到8KB，RAM增到256B，16位定时器增到3个，串行口通信速率提高5倍，ROM中固化BASIC低功耗型：如80C51BH/87C51/80C31BH，采用CHMOS工艺，低耗。专用型：如8044/8744，在基本型上多一个串行口部件，用于总线分布控制。超8位型：如83C252/87C252/80C252，介于MCS-51和MCS-96间。♦8751:有4KB的EPROM♦8031无内部ROM，必须外接EPROM♦8051内部有4KB掩膜ROMPage4MCS-51单片机内部结构及组成8051CPU存储器4个8位可编程I/O接口：P0，P1,P2,P3程序计数器PC指令寄存器指令译码器数据指针dptr控制器运算器累加器ACC程序状态寄存器PSW程序存储器EPROM4KB数据存储器RAM256B2个16位定时计数器：T0、T15个中断源1个全双工串行口Page58051的内部结构示意图OSC,外接XTAL1与XTAL2的时钟电路。为oscillator的缩写，意为振荡器，晶振。是一种能量转换装置——将直流电能转换为具有一定频率的交流电能。其构成的电路叫振荡电路.Page68051的引脚及功能Page7各引脚功能1、I/O口线（输入输出引脚）8051共有8个I/O口P0P1P2P3以实现数据的并行输出，输入。准双向口就是做输入用的时候要有向锁存器写1的这个准备动作，所以叫准双向口。双向口是可以直接输入和输出，不需要做什么准备工作的2、控制口线（1）电源引脚Vcc和VssVcc(40脚)：电源端，为＋5V；Vss(20脚)：接地端。（2）时钟电路引脚XTAL1和XTAL2XTAL2（18脚）：XTAL1(19脚)：用于内部时钟时，外接石英晶体和微调电容；用于外部时钟时，接外部时钟电源。（3）PSEN(29脚)：外部程序存储器读选通信号。访ROM时，PSEN信号定时输出脉冲，为外部ROM的选通信号。（4）ALE/PROG（30脚）地址锁存允许/编程信号。片外为锁存。（5）EA/VPP（31脚）:外部存储地址允许/固化编程电压输入端。（6）RST/VPP（9脚）复位信号，Vpp备用电源输入端Page8第二节MCS-51内部各部件的原理及功能半导体存储器的概念存储器的结构可编程I/O口简介中央处理器CPU及时序Page91、半导体存储器的概念记忆装置存储器外存内存容量大，存取速度较慢。如硬盘、软盘、光盘等有一定容量，存取速度快。CPU可对它访问两重要指标容量、存取速度Page10（1）半导体存储器的分类半导体存储器只读存储器ROM随机存取储器RAM掩膜ROM可编程ROMPROM电擦除PROMEEPROM光擦除PROMEPROM双极型RAMMOS型RAM非易失RAMNVRAM静态RAMSRAM动态RAMDRAM组合RAMiRAM读写速度高，但功耗大，集成度低，用少有掉电保护功能目前计算机内存条Page11（2）半导体存储器的指标衡量指标众多，如可靠性、功耗、电源种类、价格等，但最重要的是：芯片的容量的存取速度1、容量每个储存器芯片所能存储的二进制数的位数。如1024位/片存储器芯片容量=单元数x数据线位数如Intel2114芯片容量为1KBx4位/片2、存取速度是指从CPU给出有效的存储器地址到存储器输出有效数据所需的时间。高速5ns中速50~200ns低速300ns以上Page122、存储器结构MCS-51存储器：程序存储器ROM数据存储器RAM片、内外统一编址的程序存储器ROM（64KB）片内数据存储器RAM（128B）片外数据存储器RAM（64KB）地址空间分类程序与数据分开存放Page13（1）程序存储器8051存储器结构图内部4KBROM，片外可扩展64KB，片内外统一编址，地址指针为16位程序计数器PC，范围为0000H~FFFFHEA为高电平时，片内外ROM统一编址，为低电平时，只在片外寻址系统保留单元：0000H~002BH单片机复位后PC=0000HPage14（2）数据存储器该存储器用于存放数据或程序运行时的中间结果。80H~FFH,128B特殊功能寄存器SFR，21个00H~7FH,128B片内RAM片外RAM0000H~FFFFH,64KB数据存储器RAM片内低128BRAM：工作寄存器、位寻址区和堆栈区位寻址区工作寄存器区堆栈区:Page15内部数据存储器地址空间(片内低128B)7FH30H用户RAM区（堆栈，数据缓冲区）2FH20H位寻址区（位地址：00H~7FH）1FH18HR7第3组工作寄存器区R017H10HR7第2组工作寄存器区R00FH08HR7第1组工作寄存器区R007H00HR7第0组工作寄存器区R0RS1RS000110101工作寄存器组0123地址00H08H10H18H-07H-0FH-17H-1FH寄存器R0R0R0R0-R7-R7-R7-R7工作寄存器组选择RS1,RS0为PSW的两个位Page16特殊功能寄存器(片内高128B80H~FFH)21个专用寄存器SFR这21个中，凡是字节能被8整除的SFR还可以进行位寻址。部分SFR（6个，其它的在具体应用时介绍）累加器：ACC，助记词A寄存器B：为乘除法使用程序状态字PSW：用以存放指令执行后累加器A的状态信息，供程序查询或判断之用。堆栈指针SP：指示堆栈顶部在内部RAM的位置。“先进后出，后进先出”---像“无交后批改的作业”一样。当数据进入，SP自动+1，出来-1，复位后指向07H（顶）数据指针DPTR:由2个8位的DPH和DPL拼装而成。用以地址指针，用来存放片内外的地址（ROM，RAM）可寻64KB地址空间。程序计数器PC，16位加1计数器，用于存放将要执行的指令地址，0000H~FFFFH共64KBPage173、可编程I/O简介1锁存器1输出驱动器1输入缓冲器双向输入输出P0:用于数据存贮，或是用于DB/AB的低8位用，扩展外部时用P1:用于输入输出，如控制灯的亮灭P2:与P0口相同处，仅用于外部程序与数据存储器和I/O的扩展。访外部时，用于高8位的AB线。P3:也是一多功能口,P3.0~P3.7都有第二功能。准双向输入输出并行I/O口四个双向8位P0~P3引脚转义引脚功能说明P3.0RXD串行数据接收端P3.1TXD串行数据发送端P3.2INT0外部中断0请求P3.3INT1外部中断1请求P3.4T0计数器0外部输入P3.5T1计数器1外部输入P3.6WR外部数据存储器写P3.7RD外部数据存储器读Page184、中央处理器及时序CPUCPU时序时钟电路Page19中央处理器CPU运算器控制器组成：算术逻辑运算部件ALU、累加器、寄存器B、暂存器TMP1和TMP2、程序状态字寄存器PSW、十进制调整电路、布尔处理器作用：算逻运算、数据传送、位变量处理作用：控制单片机完成各种操作。组成：时钟、复位电路、定时控制逻辑、指令寄存器、指令译码器、信息传送控制部件等CPUPage20时钟电路作用：产生单片机工作所需的时钟信号时钟信号控制着计算机的工作节奏内部时钟电路：晶体振荡器+微调电容12MHZ~11.0592MHZ外部时钟电路：由外部时钟信号提供Page21CPU时序执行指令的动作都是在时序电路控制下一拍一拍进行的。为同步协调，各操作信号在时间上有严格的先后次序，此为CPU时序CPU时序信号用于片内部——控制片内各功能部件用于片外部——通过控制总线送到片外1、机器周期是单片机的基本周期。一个机器周期6个状态，每个周期（振荡周期）由两个脉冲组成1个机器周期=6个状态周期期=12个振荡周期若为12MHZ的晶体振荡器，则一机器周期为1us，若用6MHZ的，则为2us.2、指令周期是执行一条指令所需要的时间。种类单周期指令双周期指令四周期指令Page224、单片机的工作方式1、复位方式系统开机时的正常初始化；死机状态复位方式上电复位按键复位电平复位脉冲复位充电电路休息，吃个苹果吧……