单片机原理 第二章、MCS-51单片机的硬件结构

2020年2月26日星期三9时26分6秒第2章MCS-51单片机的硬件结构2020年2月26日星期三9时26分6秒MCS-51单片机组成MCS-51单片机的组成：1.8位CPU2.片内ROM/EPROM、RAM3.片内并行I/O接口片内全双工串行I/O口4.片内16位定时器/计数器5.片内中断处理系统不同型号MCS-51单片机CPU处理能力和指令系统完全兼容，只是存储器和I/O接口的配置有所不同。2020年2月26日星期三9时26分7秒片内结构如图所示:2020年2月26日星期三9时26分6秒2020年2月26日星期三9时26分7秒CPU运算部件控制部件BRAMP0口P2口ROM(EPROM)串行口C/T中断系统SFRP1口8P3口888XTAL1XTAL2PSENALEEARESETVccVss按功能可分成8个部件，通过片内单一总线连接起来1.微处理器2.数据存储器3.程序存储器4.I/O口5.串行口6.定时/计数器7.中断系统8.特殊功能寄存器控制方式：SFR对各功能部件集中控制片内总线2020年2月26日星期三9时26分6秒介绍各功能部件：1.CPU（微处理器）2.数据存储器（RAM）片内为128个字节（52子系列的为256个字节）3.程序存储器（ROM/EPROM）8031:无此部件；8051:4K字节ROM；8751:4K字节EPROM；89C51/89C52/89C55:4K/8K/20K字节闪存。4.中断系统5.定时器/计数器2020年2月26日星期三9时26分6秒6.串行口1个全双工的异步串行口，具有四种工作方式。7.P1口、P2口、P3口、P0口为4个并行8位I/O口。8.特殊功能寄存器（SFR）共有21个，是一个具有特殊功能的RAM区。2020年2月26日星期三9时26分6秒MCS-51的CPU由运算器和控制器所构成运算器对操作数进行算术、逻辑运算和位操作。1．算术逻辑运算单元ALU2．累加器A使用最频繁的寄存器，可写为Acc。A的作用：（1）是ALU单元的输入之一，又是运算结果存放单元。（2）数据传送大多都通过累加器A。（3）A的进位标志Cy同时又是位处理机的位累加器。2020年2月26日星期三9时26分6秒3.寄存器B为执行乘法和除法操作设置的。在不执行乘、除的情况下，可当作一个普通寄存器来使用。2020年2月26日星期三9时26分6秒4．程序状态字寄存器PSW（1）Cy（PSW.7）进位标志位（2）Ac(PSW.6)辅助进位标志位（3）F0（PSW.5）标志位由用户使用的一个状态标志位。（4）RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）：4组工作寄存器区选择控制位1和位0。2020年2月26日星期三9时26分6秒工作寄存器区的选择18～1FH3区1110～17H2区1008～0FH1区0100～07H0区00R0～R7地址寄存器组RS1RS018～1FH3区1110～17H2区1008～0FH1区0100～07H0区00R0～R7地址寄存器组RS1RS02020年2月26日星期三9时26分6秒（5）OV（PSW.2）溢出标志位指示运算是否产生溢出。各种算术运算指令对该位的影响情况较复杂，将在第3章介绍。（6）PSW.1位:保留位，未用（7）P(PSW.0)奇偶标志位P=1，A中“1”的个数为奇数P=0，A中“1”的个数为偶数2020年2月26日星期三9时26分6秒5.堆栈指针SP指示出堆栈顶部在内部RAM块中的位置复位后，SP中的内容为07H。（1）保护断点（2）现场保护堆栈向上生长满堆栈2020年2月26日星期三9时26分6秒6.数据指针DPTR16位特殊功能寄存器，高位字节寄存器用DPH表示，低位字节寄存器用DPL表示。2020年2月26日星期三9时26分6秒控制器1．程序计数器PC（ProgramCounter）存放下一条要执行的指令在程序存储器中的地址。基本工作方式：（1）程序计数器自动加1（2）执行有条件或无条件转移指令时，程序计数器将被置入新的数值，从而使程序的流向发生变化。（3）执行子程序调用或中断调用时完成下列操作：①PC的当前值保护②将子程序入口地址或中断向量的地址送入PC。2020年2月26日星期三9时26分7秒2．指令寄存器IR、指令译码器及控制逻辑电路2020年2月26日星期三9时26分6秒MCS-51存储器的结构普林斯顿结构：程序和数据共用一个存储器逻辑空间，统一编址。哈佛结构：程序与数据分为两个独立存储器逻辑空间，分开编址。2020年2月26日星期三9时26分6秒哈佛（Har-vard）结构存储器空间可划分为5类：1.程序存储器空间8031无内部程序存储器。2.内部数据存储器空间3.特殊功能寄存器4.位地址空间211个可寻址位。5.外部数据寄存器空间片外可扩展64K字节RAM。2020年2月26日星期三9时26分7秒MCS-51单片机存储器空间分配2020年2月26日星期三9时26分6秒程序存储器存放应用程序和表格之类的固定常数。分为片内和片外两部分，由EA*引脚上所接电平确定程序存储器中的0000H地址是系统程序的启动地址2020年2月26日星期三9时26分6秒内部数据存储器共128个字节，字节地址为00H～7FH。00H～1FH：32个单元，是4组通用工作寄存器区20H～2FH：16个单元，可进行128位的位寻址30H～7FH：用户RAM区，只能进行字节寻址，用作数据缓冲区以及堆栈区。2020年2月26日星期三9时26分6秒位地址空间211个（128个+83个）寻址位。位地址范围为：00H～FFH。内部RAM的可寻址位128个(字节地址20H～2FH)见表2-3（P24）。特殊功能寄存器SFR为83个可寻址位，见表2-4（P24）。2020年2月26日星期三9时26分6秒表2-3内部的可寻址位及位地址2020年2月26日星期三9时26分6秒特殊功能寄存器（SFR）CPU对各种功能部件的控制采用特殊功能寄存器集中控制方式，共21个。有的SFR可进行位寻址，其字节地址的末位是0H或8H。表2-2SFR的名称及其分布2020年2月26日星期三9时26分6秒SFR中的某些寄存器1．堆栈指针SP指示出堆栈顶部在内部RAM块中的位置复位后，SP中的内容为07H。（1）保护断点（2）现场保护堆栈向上生长2.数据指针DPTR16位特殊功能寄存器，高位字节寄存器用DPH表示，低位字节寄存器用DPL表示。3.I/O端口P0～P3P0～P3分别为I/O端口P0～P3的锁存器。2020年2月26日星期三9时26分6秒4.寄存器B为执行乘法和除法操作设置的。在不执行乘、除的情况下，可当作一个普通寄存器来使用。5.串行数据缓冲器SBUF存放欲发送或已接收的数据，一个字节地址，物理上是由两个独立的寄存器组成，一个是发送缓冲器，另一个是接收缓冲器。6.定时器/计数器两个16位定时器/计数器T1和T0，各由两个独立的8位寄存器组成：TH1、TL1、TH0、TL0，只能字节寻址，但不能把T1或T0当作一个16位寄存器来寻址访问。2020年2月26日星期三9时26分6秒表2-4SFR中的位地址分布2020年2月26日星期三9时26分6秒外部数据存储器最多可外扩64K字节的RAM或I/O。几点注意：(1)地址的重叠性程序存储器与数据存储器全部64K字节地址空间重叠(2)程序存储器与数据存储器在使用上是严格区分的(3)位地址空间共有两个区域(4)片外与片内数据存储器由指令来区分(5)片外数据存储区中，RAM与I/O端口统一编址。所有外围I/O端口的地址均占用RAM地址单元，使用与访问外部数据存储器相同的传送指令。多路开关1)功能：用于控制选通I/O方式还是地址/数据输出方式2)方式控制：由内部控制信号产生输入锁存器两个输入缓冲器(BUF1和BUF2)推拉式I/O驱动器并行I/O端口共有4个8位双向I/O口，共32口线。每位均有自己的锁存器(SFR)，输出驱动器和输入缓冲器。P0口位图内部结构BUF2BUF15、P0R2为读引脚信号，执行“MOVA,P0”时该信号有效6、读引脚（端口）时，输出锁存器应为“1”说明：1、当控制信号为0时，P0口做双向I/O口，为漏极开路（三态）2、控制信号为1时，P0口为地址/数据复用总线（用于口扩展）3、P0W为端口输出写信号，用于锁存输出状态4、P0R1为读锁存器信号，执行“ANLP0,#0FH”时该信号有效QQDCVcc控制AD0P0R1P0R2D0P0W图1、P0口内部结构读锁存器读引脚锁存器内部总线写锁存器地址/数据P00多路开关102020年2月26日星期三9时26分7秒P1口内部结构VccP10QQDCP1R1P1R2D0P1WR*图2、P1口内部结构•P1口内部结构如图2所示•输出部分有内部上拉电阻R*约为20K。•其他部分与P0端口使用相类似（读引脚时先写入1）。写数据读端口P10VccP118051K1D1R1图2.1、P1口应用2020年2月26日星期三9时26分7秒P2口内部结构2、当控制信号为1时P2口输出地址信息，此时单片机完成外部的取指操作或对外部数据存储器16位地址的读写操作。3、当P2口作为普通I/O口使用时用法和P1口类似。说明：1、P2可以作为通用的I/O，也可以作为高8位地址输出。QQDCVcc控制地址P2R1P2R2D0P2WP20图3、P2口内部结构R*2020年2月26日星期三9时26分7秒2.5.4P3口内部结构说明：1、做普通端口使用时，第二功能应为“1”。QQDCVcc变异输出P3R1P3R2D0P3WP30图3、P3口内部结构R*变异输入2、使用第二功能时，输出端口锁存器应为“1”。3、变异功能（）P3.0TXDP3.4T0P3.1RXDP3.5T1P3.2INT0P3.6WRP3.3INT1P3.7RD1输出I/O口1读I/O口112020年2月26日星期三9时26分6秒2.5.5P0～P3端口功能总结使用中应注意的问题：P0～P3口都是并行I/O口，但P0口和P2口还可用来构建数据总线和地址总线，所以电路中有一个MUX，进行转换。而P1口和P3口无构建系统的数据总线和地址总线的功能，因此，无需转接开关MUX。只有P0口是一个真正的双向口，P1～P3口都是准双向口。原因:P0口作数据总线使用时，为保证数据正确传送，需解决芯片内外的隔离问题，即只有在数据传送时芯片内外才接通；否则应处于隔离状态。为此，P0口的输出缓冲器应为三态门。P3口具有第二功能。因此在P3口电路增加了第二功能控制逻辑。这是P3口与其它各口的不同之处。2020年2月26日星期三9时26分6秒MCS-51的引脚40只引脚双列直插封装（DIP）。2020年2月26日星期三9时26分6秒2020年2月26日星期三9时26分6秒44只引脚方形封装方式（4只无用）2020年2月26日星期三9时26分6秒40只引脚按功能分为3类：（1）电源及时钟引脚:Vcc、Vss；XTAL1、XTAL2。（2）控制引脚：PSEN*、EA*、ALE、RESET（即RST）。（3）I/O口引脚：P0、P1、P2、P3，为4个8位I/O口的外部引脚。2.2.1电源及时钟引脚1．电源引脚（1）Vcc（40脚）：+5V电源；（2）Vss（20脚）：接地。2020年2月26日星期三9时26分6秒2．时钟引脚（1）XTAL1（19脚）：如果采用外接晶体振荡器时，此引脚应接地。（2）XTAL2（18脚）：接外部晶体的另一端。2.2.2控制引脚提供控制信号，有的引脚还具有复用功能。(1)RST/VPD(9脚)：复位与备用电源。(2)ALE/PROG*（30脚）：第一功能ALE为地址锁存允许，可驱动8个LS型TTL负载。PROG*为本引脚的第二功能。为编程脉冲输入端。2020年2月26日星期三9时26分6秒(3)PSEN*（29脚）：外部程序存储器的读选通信号。可以驱动8个LS型TTL负载。(4)EA*/VPP(EnableAddress/VoltagePu