第02章 MCS-51单片机的结构

null 第二章 MCS-51单片机的结构 第二章 MCS-51单片机的结构 并行I/O接口 null MCS-51单片机的组成和总体结构 中央处理单元 MCS-51单片机的存储器 MCS-51单片机的并行I/O接口 MCS-51单片机最小系统本章知识点 null 单片机和一般微型机比较： 共同点：均由CPU(包括运算器和控制器)、存储器、输入设备、输出设备组成 不同点：单片机是将CPU、RAM、ROM、定时计数器，以及输入输出（I/O）接口电路等计算机的主要部件集成在一小块硅片上的单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)。 单片机特点：体积小、可靠性高、性价比高等 应用领域：工业检测与控制、计算机外设、智能仪器仪表、通讯设备、家用电器、机电一体化产品等领域。nullCPU存储器并 行 I/O 口串 行 I/O 口定时器/计数器中断逻辑发送数据接收数据外部计数脉冲外部中断源 输 入 输 出 设 备 MCS-51系列单片机MCS-51系列单片机注意：今后将会经常提到ATMEL的AT89C2051/51/52等MCU！null2.1.1 MCS-51单片机内部结构框图8051单片机在一块芯片中集成了： ＊一个面向控制的8位CPU ＊ 一个片内振荡器及时钟电路 ＊ 256B片内RAM(低128B作数据存储器，高128位包含2l个特殊功能寄存器SFR) ＊ 4KB片内程序存储器ROM。 ＊ 4个8位并行I/O接口 ＊ l个全双工作串行I/O接口。 ＊ 2个16位定时器/计数器T0/Tl。 ＊ 为五个中断源配套的两级优先级嵌套的中断结构 ＊ 有位寻址功能、适于布尔处理的位处理机 2.1.2 MCS-51单片机引脚功能 40个引脚双排直插DIP封装,分为4类：电源、时钟、控制和I/O引脚。 2.1.2 MCS-51单片机引脚功能nullnullnull⒈ 电源: ⑴ VCC - 芯片电源，接+5V/3.3V/2.7V； ⑵ VSS - 接地端； 2.输入/输出引脚(32条) P.0-P0.7: 在不接片外存储器与不扩展I/O接口时，作准双向输入/输出接口。在接片外存储器或扩展I/O接口时，分时复用为低8位地址总线和双向数据总线。 P1.0-P1.7:作为准双向通用I/O接口使用。 P2.0-P2.7: 作为准双向I/O接口；当接有片外存储器或扩展I/O接口且寻址范围超过256个字节时，P2口用作高8位地址总线。 null P3.0-P3.7:有两种功能。 第一，做准双向通用I/O口使用； 第二，用于串行口、中断源输入、计数器、片外RAM选通等功能。 注意： 由于第二功能信号都是单片机的重要控制信号，因此在实际使用时，总是先按需要优先选用它的第二功能，剩下不用的才作为通用I/O接口线使用。null ⑶ RST/VPD:复位/备用电源。 ① RST（Reset）功能：复位信号输入端。 当该引脚上至少保持连续两个机器周期(24个振荡器周期)的高电平就可实现系统复位。复位期间不产生ALE及PSEN信号。 ② VPD功能：在Vcc掉电时，接备用电源。 VPD:对HMOS芯片为片内RAM掉电保护备用电源，Vcc掉电期间，该引脚如接备用电源VPD（＋5V＋0.5V）复位后单片机内寄存器的状态复位后单片机内寄存器的状态 PC： 0000H TMOD： 00H Acc： 00H TCON： 00H B： 00H TH0： 00H PSW： 00H TL0： 00H SP： 07H TH1： 00H DPTR：0000H TL1： 00H P0～P3：FFH SCON： 00H IP：×××00000B SBUF： 不定 IE：0××00000B PCON： 0×××0000B null图2-4(a) 加电自动复位电路 图2-4(b) 按键手动复位电路null⑷ EA/Vpp:内外ROM选择/片内EPROM编程电源。 ① EA功能：内外ROM选择端。 80C51单片机ROM寻址范围为64KB，其中4KB在片内，60KB在片外(80C31芯片无内ROM，全部在片外)。 当EA保持高电平时，先访问内ROM；当PC(程序计数器)值超过4KB(0FFFH)时，自动转向执行外ROM中的程序。 当EA保持低电平时，则只访问外ROM，不管芯片内有否内ROM。对80C31芯片，片内无ROM，EA接地。 ② Vpp功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。nullnull8051的内部结构展开图128×8 RAMRAM地址寄存器P3口P1口P2口P0口锁存器锁存器锁存器锁存器中断控制 定时/计数器 串行I/O口SP寄存器B累加器A暂存器1暂存器2程序状态 字PSW指令寄存器IR指令译码器ID数据指针DPTR缓冲器程序计数器PC增1程序地址寄存器AR定时与控制4K×8 ROMALUCPUnull 中央处理器CPU 程序存储器ROM 数据存储器RAM 接口控制电路 算术逻辑运算单元ALU 运算器 累加器ACC、 寄存器阵列、PSW 栈指针SP栈区、数据指针DPTR 程序指针PC、、 控制器 指令寄存器和指令译码逻辑 内部时钟振荡器及时序控制逻辑并行输入输出接口：4个8位I/O接口 串行输入输出接口：1个UART 复位逻辑RST：高电平复位（＞10ms） 中断控制逻辑：2个外部和3个内部中断 内部中断：1个串行口中断、2个计数器中断 外部中断：2个外部中断INT0、INT1 内部组成 ——内部最多4KB ROM或EPROM ——内部128B RAM以及特殊寄存器SFR块 null CPU包括运算器和控制器二大部分。 2.2.1运算器 功能：进行算术运算和逻辑运算。可以对半字节（4位）、单字节（8位）等数据进行操作。 组成：由8位ALU、两个8位的暂存器TMP1和TMP2、8位累加器ACC、寄存器B和PSW组成。null1). ALU:可对4位、8位数据进行操作和处理。 如加、减、乘、除、增量、减量、十进制数调整、比较、逻辑与、或、异或、求补循环移位等操作。 2). 累加器A：累加器（Accumulator）是使用最频繁的寄存器，它既可用于存放操作数，也可用来存放运算的中间结果。 指令系统中字节操作指令一般用A作为累加器的助记符，当进行位操作时，一般用ACC表示。 null 3). 通用寄存器B：8位，主要用于乘除运算。乘法运算时，B是乘数。乘法操作后，乘积的高8位存于B中。除法运算时，B是除数;除法操作后，余数存于B中。不作乘除用时，可作为一般数据寄存器使用。 4). PSW：8位寄存器，用于反映程序执行的状态信息。在状态字中，有些位状态是根据指令执行结果，由硬件自动完成设置的，而有些状态位则必须通过软件方法设定。null表2-3 PSW的各位定义null CY：进位标志。用于表示Acc.7有否向更高位进位。 加减运算时，保存最高位进位、借位状态。 AC：半进位标志。用于表示Acc.3有否向Acc.4进位。 例：78H+97H 0111 1000 +1001 0111 1 0000 1111 有进位 CY=1没有半进位AY=0null RS1、RS0：工作寄存器组选择位。 P：奇偶校验位，它用来表示累加器A 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 中二进制数位“1”的个数的奇偶性。若为奇数，则P=1，否则为0。 例：某运算结果是78H（01111000），P=0。nullF0：用户标志位。作为软件标志，由编程人员决定何时使用。 F0 、F1 — 用户标志 OV：溢出标志位。 有符号数运算时，如果发生溢出，OV置“1”，否则清“0”。null ⑶ 执行调用子程序或发生中断时，CPU会自动将当前 PC值压入堆栈，将子程序入口地址或中断入口地址装入PC；子程序返回或中断返回时，恢复原有被压入堆栈的PC值，继续执行原顺序程序指令。1)．程序计数器PC※ PC不属于特殊功能寄存器，不可访问，在物理结构上是独立的。 ※ 16位的地址寄存器，用于存放将要从ROM中读出的下一字节指令码的地址，可寻址64KB的程序存储器空间。 ※ PC的基本工作方式有：⑴ 自动加1。CPU从ROM中每读一个字节，自动执行 PC+1→PC； ⑵ 执行转移指令时，PC会根据要求修改地址；null外部方式时钟电路如图 2-5(b)所示，主要用于多单片机系统。引入唯一的公用外部脉冲信号作为各单片机的振荡脉冲。这时外部的脉冲信号是经XTAL2引脚注入，而将XTAL1接地。 图 2-5(a) 内部方式时钟电路 图 2-5(b) 外部方式时钟电路null ② 时序 时序就是进行某种操作时，各种数据、控制信号先后出现的顺序。时序是用定时单位来描述的，MCS—51系列单片机的时序定时单位共有四个，从小到大依次是振荡周期，状态，机器周期，指令周期。null 80C51振荡器产生的时钟脉冲频率的倒数，是最基本最小的定时信号。时钟周期: 状态周期: 它是将时钟脉冲二分频后的脉冲信号。状态周期是时钟周期的两倍。状态周期又称S周期。在S周期内有两个时钟周期，即分为两拍，分别称为P1和P2 null 指令周期: 指CPU执行一条指令占用的时间(用机器周期表示)。80C51指令可分为三类：单机周指令、双机周指令和四机周指令。 MCS-51典型的指令周期为一个机器周期，少数是单字节双周期、双字节双周期指令，只有乘法和除法指令占用4个机器周期。 null单周期指令：当操作码被送入指令寄存器时，便从S1P2开始执行指令。 A.双字节单机器周期指令，在同一机器周期的S4期间读入第二个字节 B.单字节单机器周期指令，在S4期间仍进行读，但所读的这个字节操作码被忽略，程序计数器也不加1，在S6P2结束时完成指令操作。 C.双字节单机器周期指令，在一个机器周期内从程序存储器中读入两个字节，唯有MOVX指令例外。在执行MOVX指令期间，外部数据存储器被访问且被选通时跳过两次取指操作 null 80C51的存储器配置方式属哈佛结构 哈佛结构：程序存储器和数据存储器分开，各有自己的寻址系统、控制信号和功能。 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。 80C51的存储器配置 片内程序存储器4KB（ROM 0000H~0FFFH） 片内数据存储器128B（RAM 00H~7FH）null8051在物理结构上有四个存储空间： 片内程序存储器、片外程序存储器、 片内数据存储器、片外数据存储器。null片外片外程序存储器数据存储器null 8051在逻辑(组织结构)上，即从用户角度上8051有三个存储空间：⑴ 64KB程序存储器(ROM),包括片内ROM和片外ROM；⑶ 256B内部数据存储器(内RAM) (包括特殊功能寄存器）。⑵ 64KB外部数据存储器（外RAM）；null2.3.1 程序存储器※作用:用于存放编好的程序和表格、常数。 ※容量：8051片内有4K字节ROM.片外用16位地址线最多可扩展64K字节ROM，两者是统一编址的。 ※地址范围：0000H～FFFFH，共64KB。其中: 低段4KB：0000H～0FFFH ,80C51和87C51在片内， 80C31在片外。 高段60KB：1000H～FFFFH。在片外。 ※访问：用MOVC指令 ※空间指针：以PC作为16位地址指针，每读一个字节，PC+1→PC，这是CPU自动形成的。 null※控制信号:PSEN和EA。 ※ 选择方法: 　★如果EA端保持高电平，8051执行片内前4KB ROM地址(0000H～0FFFH) 中的程序。当寻址范围超过4KB（1000H～FFFFH）时，则从片外存储器取指令。 　★当EA端保持低电平时，8051的所有取指令操作均在片外程序存储器中进行，这时片外存储器可以从 0000H开始编址。 null※特殊单元:是5个中断源中断服务程序入口地址0003H：外部中断0入口。 000BH：定时器0溢出中断入口。 0013H：外部中断1入口。 001BH：定时器1溢出中断入口。 0023H：串行口中断入口。 使用时，通常在这些入口地址处存放一条绝对跳转指令，使程序跳转到用户安排的中断程序起始地址，或者从0000H起始地址跳转到用户设计的初始程序上。null※地址范围：00H～FFH 共128B。 ※访问:MOV指令 ※空间分配: 工作寄存器区 位寻址区 数据缓冲区1. 内部数据存储器 80C51内RAM的三个物理空间：工作寄存器区、位寻址区和数据缓冲区。 80C51内RAM的三个物理空间：工作寄存器区、位寻址区和数据缓冲区。 内部128B RAM地址分配内部128B RAM地址分配寄存器区布尔区null片内数据存储器空间分布图通用RAM区 (80B) 位地址区 (16B)7FH寄存器3组 寄存器2组 寄存器1组 寄存器0组位地址区. . . . . . . . .00H30H 2FH 20H 1FH. . .null 3).数据缓冲区(字节寻址区) 范围：内RAM中30H～7FH 功能：存放各种数据和中间结果，起到数据缓冲的作用。 堆栈也建立在其中 4).内部数据存储器高128单元 范围 ：80H～FFH 功能：供给专用寄存器使用， null ※地址范围：80H～FFH。不连续地分散在内部RAM高128单元之中 ※数目：21个。 ※使用：对特殊功能寄存器只能使用直接寻址方式，书写时既可使用寄存器符号，也可使用寄存器单元地址。2.3.3 特殊功能寄存器（SFR）1、数据指针寄存器DPTR1、数据指针寄存器DPTR　 宽度：16位 功能：通常在访问外部数据存储器时作地址指针使用 使用：既可作一个16位寄存器用，也可作两个8位寄存器来用，即： DPH： DPTR高位字节，地址为83H DPL： DPTR低位字节，地址为82H 与程序计数器PC的对比：PC虽为16位，但在物理上是独立的，不属SFR的范畴，没有对应的RAM地址，不可寻址。null 2.堆栈指针SP 宽度：8位 功能：用来指定堆栈的栈顶位置，初值为07H。它是加1计数.（向上生长） 堆栈中数据存取按先进后出、后进先出的原则。用PUSH和POP指令操作 MCS-51单片机堆栈最大深度为80个字节（30—7FH)null 堆栈的功能主要有以下三点： ① 保护断点。 ② 保护现场。 ③ 用于数据的临时存放。 null 基本情况：MCS-51单片机有4个8位并行I/O口 P0、P1、P2和P3口,共32条端线： 每一个I/O口都能用作输入或输出。2.4.1 并行输入/输出口电路结构 共同点：4个8位并行I/O口中，每个口的每一位口线都包含一个锁存器，一个输出驱动器和输入缓冲器。null引脚P0.XP0口的某位P0.n(n=0~7)结构图1、P0口 1)、组成结构：它由一个输出锁存器、两个三态输入缓冲器和输出驱动电路及控制电路组成null2. P1口 P1口的一位由一个输出锁存器、两个三态输入缓冲器和输出驱动电路组成----准双向口。3、P2口3、P2口 8位准双向I/O口，具有两种功能。一是作通用I/O口用，与P1口相同。二是作扩展系统的高8位地址总线。输出高8位地址，与P0口一起组成16位地址总线。null 2).P2口作为地址总线 在系统扩展片外程序存储器扩展数据存储器且容量超过256B (用MOVX @DPTR指令)时，CPU发出控制电平“1”，使多路开关MUX倒内部地址线。此时，P2输出高8位地址。4、P3口4、P3口1)、作为通用I/O口与P1口类似----准双向口(W=1)null 四个接口工作在一般I/O方式时，具有以下基本相同的特性： 1．作为输出口用时，内部带锁存器，故可以直接和外设相连，不必加锁存器。 2．作为输入口用时，有读锁存器和读引脚两种读方式。读锁存器的指令称为读—修改—写指令。而读引脚时才真正地把外部的数据读入到内部总线。 2.4.2 并行I/O口的特点总结null 3．当端口做输入口使用时，要先将端口锁存器置1。 4.当扩展有外部存储器时，P0口作为低8位地址和8位数据分时使用口，是真正的双向口，三态，负载能力为8个LSTTL电路；P1口仍作为准双向口，连接一般的I/O设备。P2口则根据需要全部或部分作为高8位地址输出口。P3口优先使用其第二功能。 null2.5.1 单片机最小系统概念 概念： 指能满足单片机基本应用的最简单而又是必不可少的基本电路。 组成： 由三片集成块组成，它们是CPU(8031)、8位3态D锁存器、ROM或RAM。还要加上一个时钟电路和复位电路nullnull 2.5.2 单片机最小系统分析 1. 8位3态D锁存器74LS373的使用 单片机为了减少引脚，P0口既提供低8位地址信号，也提供数据信号，为了把二者分开，在系统中采用了D锁存器。null图2-12 8031 单片机最小系统null 2、2764的使用 2764是一块8K×8的EPROM程序存储器，28脚，分成地址线、数据线、控制线 2.5.3 AT89系列单片机最小系统 与MCS-51系列单片机完全兼容，内含flash存储器，不须外接存储器，最小应用系统如图2-13所示。null 图2-13 89C51最小系统null2.5.3 单片机最小系统的不足 缺少人机对话用的输入、输出部件及作控制时的执行部件。 常见的输入部件有开关、按钮、键盘、鼠标等，输出部件有指示灯、数码管、显示器等，执行部件有继电器、电磁阀等null图2-14 单片机控制的电烤箱控制系统结构框图null本 章 小 结 1.单片机和一般微处理器相比，既有共性又有特点。单片机的结构特点就是除了运算器和控制器外，还集成了存储器、定时/计数器、并行口、串行口中断逻辑等众多功能模块。在外部引脚上，I/O线、地址线、数据线一线多能。 2.运算器和控制器是单片机的心脏和指挥中心。 null 3.8051在物理结构上共有4个存储空间：片内程序存储器和片外程序存储器统一编址；片内数据存储器和片外数据存储独立编址。程序存储器用来存放指令代码和常数;而数据存储器则用作数据缓冲区。 4.MCS—51单片机的四个并行I/O口，在结构和特性上具有一定的共性，在无片外扩展存储器的系统中，这4个口的每一位均可作为双向的I/O端口使用。但又各具特点，当有外扩存储器时，P0口作地址/数据复用线时，是真正的双向口，而P1～P3是准双向口，P3口每一位还具有第二功能。