MCS-51单片机的结构和原理

第2章MCS-51单片机的结构和原理教学目标2.1MCS-51单片机的内部结构2.2MCS-51单片机引脚及其功能2.3MCS-51单片机存储器2.4MCS-51单片机工作方式2.5MCS-51时钟电路与时序本章小结思考题与习题单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束本章主要介绍MCS-51单片机的内部结构、引脚功能、存储器结构、四个I/O口的基本工作原理和操作特点。单片机的各种工作方式、单片机的时序等。单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束教学目标1.了解MCS-51单片机内部结构。2.熟悉MCS-51单片机40个引脚及其功能。3.熟悉MCS-51三个不同存储空间配置及地址范围，了解不同存储空间的操作指令和控制信号。4.熟悉MCS-51片内RAM低128B分区结构和作用。5.了解特殊功能寄存器地址分布范围，理解ACC、B、SP、DPTR的作用和功能，重点掌握PSW结构组成和各位作用。通过本章教学，要求达到以下目标：单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束6.理解程序计数器PC的功能。7.了解MCS-514个I/O端口结构及工作原理。8.了解堆栈指针SP及堆栈的作用，掌握堆栈的设置及使用方式；9.熟悉MCS-51复位条件、复位电路和复位后常用的SFR的状态。10.理解时钟电路组成、时钟和机器周期的概念。单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束2.1MCS-51单片机的结构51子系列的配置如下：（1）8位CPU；（2）振荡频率1.2～12MHz（ATMEL51单片机可到24MHz）；（3）128个字节片内数据存储器（片内RAM，52型为256字节）；（4）21个专用寄存器(包含特殊功能寄存器组)；（5）4KB或4KB-32KB的片内程序存储器（8031无）；（6）8位并行I/O口P0，P1，P2，P3；（7）一个全双工串行I/O口；（8）2个16位定时器/计数器；（9）5个中断源，分为2个优先级单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束2.1MCS-51单片机的结构时序和振荡电路程序存储器ROM数据存储器RAM2个16位定时/计数器CPU内部8位数据总线中断系统并行I/O口串行I/O口内部中断外部中断P0P1P2P3RXDTXD时钟源外部事件图2.1MCS-51单片机内部结构框图单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束时序和振荡电路程序存储器ROM数据存储器RAM2个16位定时/计数器CPU内部8位数据总线中断系统并行I/O口串行I/O口内部中断外部中断P0P1P2P3RXDTXD时钟源外部事件1)中央处理器（CPU）单片机的核心，完成运算和控制功能。MCS-51的CPU能处理8位二进制数或代码。单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束时序和振荡电路程序存储器ROM数据存储器RAM2个16位定时/计数器CPU内部8位数据总线中断系统并行I/O口串行I/O口内部中断外部中断P0P1P2P3RXDTXD时钟源外部事件2)内部数据存储器（内部RAM）共有256个RAM单元，但其中高128单元被专用寄存器占用，能作为寄存器供用户使用的只是前128单元，用于存放可读写的数据。因此通常所说的内部数据存储器就是指低128单元，简称内部RAM。单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束时序和振荡电路程序存储器ROM数据存储器RAM2个16位定时/计数器CPU内部8位数据总线中断系统并行I/O口串行I/O口内部中断外部中断P0P1P2P3RXDTXD时钟源外部事件3)内部程序存储器（内部ROM）共有4KB的ROM，用于存放程序、原始数据或表格，因此，称之为程序存储器，简称内部ROM。单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束时序和振荡电路程序存储器ROM数据存储器RAM2个16位定时/计数器CPU内部8位数据总线中断系统并行I/O口串行I/O口内部中断外部中断P0P1P2P3RXDTXD时钟源外部事件4)定时/计数器共有两个16位的定时/计数器，以实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果对计算机进行控制。单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束时序和振荡电路程序存储器ROM数据存储器RAM2个16位定时/计数器CPU内部8位数据总线中断系统并行I/O口串行I/O口内部中断外部中断P0P1P2P3RXDTXD时钟源外部事件5)并行I/O口共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2、P3），以实现数据的并行输入/输出。单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束时序和振荡电路程序存储器ROM数据存储器RAM2个16位定时/计数器CPU内部8位数据总线中断系统并行I/O口串行I/O口内部中断外部中断P0P1P2P3RXDTXD时钟源外部事件6)串行口有一个全双工的串行口，以实现单片机和其它设备之间的串行数据传送。单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束时序和振荡电路程序存储器ROM数据存储器RAM2个16位定时/计数器CPU内部8位数据总线中断系统并行I/O口串行I/O口内部中断外部中断P0P1P2P3RXDTXD时钟源外部事件7)中断控制系统有5个中断源，即外中断两个，定时/计数中断两个，串行中断一个。全部中断分为高级和低级共两个优先级别。单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束时序和振荡电路程序存储器ROM数据存储器RAM2个16位定时/计数器CPU内部8位数据总线中断系统并行I/O口串行I/O口内部中断外部中断P0P1P2P3RXDTXD时钟源外部事件8)时钟电路内部有时钟电路，但晶振（频率一般为6MHz和12MHz）和微调电容（一般采用22p到33p）需外接。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列。单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束2.2MCS-51单片机引脚及其功能MCS-51有40条引脚，与其他51系列单片机引脚是兼容的。这40条引脚可分为I/O端口线(32)、电源线(2)、控制线(6)、外接晶体线(2)四部分。封装形式有两种：双列直插封装(DIP)形式和方形封装形式，如图2.2所示。单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束时序和振荡电路程序存储器ROM数据存储器RAM2个16位定时/计数器CPU内部8位数据总线中断系统并行I/O口串行I/O口内部中断外部中断P0P1P2P3RXDTXD时钟源外部事件图2.1MCS-51单片机内部结构框图单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束12345678910111213141516171819204039383736353433323130292827262524232221(T2)P1.0(T2EX)P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST(RXD)P3.0(TXD)P3.1(T0)P3.4(T1)P3.5XTAL2XTAL1GND(TNT0)P3.2(TNT1)P3.3(WR)P3.6(RD)P3.7VCCP0.0(AD0)P0.1(AD1)P0.2(AD2)P0.3(AD3)P0.4(AD4)P0.5(AD5)P0.6(AD6)P0.7(AD7)P2.7(A15)P2.6(A14)P2.5(A13)P2.4(A12)P2.3(A11)P2.2(A10)P2.1(A9)P2.0(A8)EA/VPPALE/PROGPSENP1.5P1.6P1.7RST(RXD)P3.0NC(TXD)P3.1(INT0)P3.2(INT1)P3.3(T0)P3.4(T1)P3.5P0.4(AD4)P0.5(AD5)P0.6(AD6)P0.7(AD7)EA/VPPNCALE/PROGPSENP2.7(A15)P2.6(A14)P2.5(A13)789101112131415161739383736353433323130291819202122232425262728P1.4P1.3P1.2P1.1(T2EX)P1.0(T2)NCVCCP0.0(AD0)P0.1(AD1)P0.2(AD2)P0.3(AD3)(WR)P3.6(RD)P3.7XTAL2XTAL1GNDNC(A8)P2.0(A9)P2.1(A10)P2.2(A11)P2.3(A12)P2.46543214443424140(a)(b)图2.2MCS-51封装和引脚分配图(a)双列直插式封装(b)方形封装单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束这40条引脚可分为：I/O端口线(32)控制线(6)电源线(2)(9-6号)外接晶体线(2)单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束1．主电源引脚（2）VCC(40脚)：接+5V电源。VSS(20脚)：接地端。单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束2．外接晶体引脚（2）XTAL1(19脚)，XTAL2(18脚)：接外部石英晶体的二端。在单片机内部，它们是一个反相放大器的输入/输出端，与放大器构成了片内振荡器。时钟频率越高，单片机控制器的控制节拍就越快，运算速度也就越快。单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束P0P1P3P2地址总线(AB)805187518031P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7PSENEAALERST用户I/O控制总线(CB)锁存器P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0ALEA15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0D7D6D5D4D3D2D1D0VCCVSS数据总线(DB)(a)(b)P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/VPDRXD、P3.0TXD、P3.1INT0、P3.2INT1、P3.3T0、P3.4T1、P3.5WR、P3.6RD、P3.7XTAL2XTAL1VSSVCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VPPALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.080518751803112345678910111213141516171819204039383736353433323130292827262524232221VCCVSS3．输入/输出引脚（32）单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束(1)P0口(39~32脚)：P0.0~P0.7统称为P0口。P0口是一个8位双向I/O口,可作为通用I/O接口,也可作为地址/数据分时复用口。输出级是漏极开路电路，必须外接上拉电阻。3．输入/输出引脚（32）单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束(2)P1口(1~8脚)：P1.0~P1.7称为P1口P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,可作为通用I/O接口。3．输入/输出引脚（32）单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束(3)P2口(21~28脚)：P2.0~P2.7统称为P2口P2口也是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,可作为通用I/O接口，还用于提供高8位地址。3．输入/输出引脚（32）单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束(4)P3口(10~17脚)：P3.0~P3.7统称为P3口。P3口也是一个带上拉电阻的8位双向I/O口，可作为通用I/O接口，还具有第2功能。3．输入/输出引脚（32）单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束表2.3P3口各位的第二功能引脚第二功能功能说明P3.0RXD串行数据输入端P3.1TXD串行数据输出端P3.2INT0外部中断0中断请求信号输入端P3.3INT1外部中断1中断请求信号输入端P3.4T0定时/计数器0外部计数脉冲输入端P3.5T1定时/计数器1外部计数脉冲输入端P3.6WR片外RAM写选通信号输出端P3.7RD片外RAM读选通信号输出端单片机原理及其接口技术回目录上一页下一页结束在单片机中，口是一个集数据输入缓冲、数据输出驱动及锁存等多项功能于一体的I/O电路。MCS-51的4