MCS-51单片机组成原理.ppt

第2章 MCS51单片机组成原理,1. 引脚描述与内部结构 2. 存储器配置 3. 时钟、复位、时序 4. 输入输出端口 5. 工作方式,1. MCS-51引脚描述与内部结构, HMOS工艺的51单片机，40引脚双列直插PDIP封装 ，如8051 CHMOS工艺的51单片机，44脚方型塑封结构PLCC封装 ，如80C51,一、封装形式 PDIP封装，引脚数40、24、20、8 PLCC封装，68脚、44脚,PDIP,PLCC,PDIP封装,HMOS工艺的51单片机,二、引脚定义,8051单片机的引脚定义： 2条电源线 2条外接晶体振荡器 4条控制和电源复用线 32条I/O引脚,详细引脚描述参见表211,电源：VCC、VSS 复位：RST，高电平复位 时钟：XTAL1、XTAL2 存储器接口信号 I/O接口,外部结构,/EA：低电平从外部程序存储器取指令 /PESN：取指令选通信号 ALE：外部地址锁存信号 /WR：外部数据写选通信号 /RD：外部数据读选通信号,P0口：外部数据总线和地址总线低8位或I/O口 P1口：I/O口 P2口：外部地址总线高8位或I/O口 P3口：I/O口或特殊端口,串行口：RXD、TXD 特殊端口 中断接口：INT0、INT1 计数器：T0、T1,三、单片机的内部结构,MCS-51单片机内部结构,中央处理器CPU 程序存储器ROM 数据存储器RAM 时序控制逻辑 接口控制电路,算术逻辑运算单元ALU 累加器ACC 寄存器阵列、栈区 状态标志PSW 程序指针PC、栈指针SP、数据指针DPTR 指令译码逻辑,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,内部时钟振荡器及时序控制逻辑,四、主要性能,CPU：8位； 存储器：片内128B RAM、4KB ROM，片外可扩展64KB RAM、64KB ROM； 4个8位I/O口，共32条I/O口线； 2个16位定时计数器； 1个全双工通用异步串行通信端口； 2个外部、3个内部共5个中断源，2个中断优先级； 内部RAM以及特殊寄存器SFR可以位寻址，即拥有布尔 操作区； 乘除指令、布尔操作指令。,小结,2. MCS-51存储器配置,一、地址空间,1、程序存储器空间 内部ROM+外部ROM的总空间=64 KB,4个物理存储器空间：内部ROM、外部ROM 内部RAM、外部RAM。,（c）内部+外部 内部4KB：0000H0FFFH 外部60KB：1000HFFFFH,三种程序存储器配置情况：,（a）内部ROM（或PROM、EPROM、EEPROM、FLASH ROM） 4KB：0000H0FFFH,（b）外部ROM（或PROM、EPROM、EEPROM、FLASH ROM） 64KB：0000HFFFFH,内部ROM （4KB）,0FFFH : : : 0000H,外部ROM （60KB） 内部or 外部ROM （4KB）,0FFFH : : : 0000H,FFFFH : : : 1000H,EA=1时，访问内部程序存储器， 超出内部地址范围时，自动指向外部； EA=0时，强行访问外部程序存储器, 不管内部是否有程序存储器。,EA管脚的作用?,2、数据存储器空间, MCS-51的程序寻址范围为：0000HFFFFH MCS-51的内部RAM寻址范围为：00H7FH 内部SFR寻址范围为：80HFFH MCS-51的外部RAM寻址范围为：0000HFFFFH,内部RAM空间=256B，低128B为数据存储器RAM， 另128B空间作为特殊寄存器SFR使用外部RAM空间=64KB,3、MCS51单片机的分类,MCS51单片机泛制8031、8051、8751等型号，其主要型号区 别在于其内部ROM的类型,MCS52系列单片机泛指8032、8052、8752等型号,它是对应MCS51系列单片机的加强型或称double型,主要是存储器加倍,一般MCS51单片机不加特别说明就指8031,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。,MCS51,4、存储器结构,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。,二、7个入口地址,入口地址是硬件自动引导的程序跳转入口,何谓入口地址？,ORG0000H AJMPMAIN ORG0003H AJMPSUB-IT0 ORG000BH AJMPSUB-CT0 ORG0013H AJMPSUB-IT1 ORG001BH AJMPSUB-CT1 ORG0023H AJMPSUB-UT,ORG0050H；INT0中断 SUB-IT0： ；服务子程序 RETI ORG0100H；CTC0中断 SUB-CT0： ；服务子程序 RETI ORG0500H；RST复位入口 MAIN： ；主程序 END,例21：程序入口引导,三、内部128B RAM,128B RAM 00H1FH：分成4个快速定位寄存器区，每个区中有R0R7共8个寄存器 20H2FH：除正常作为RAM单元外，还可“位寻址”。共128位单元，位地址00H7FH 30H7FH: 一般RAM区/栈区。理论上说00H7FH均可作为一般RAM和堆栈使用,51系列单片机内部RAM总寻址空间为256B 其中，低128BRAM，内存 高128BSFR，内部特殊寄存器,内部128B RAM地址分配,寄存器区？,布尔区？,四、128B SFR 特殊功能寄存器, 51系列有20个专用寄存器属于SFR块，共占用21个字节 PC程序地址指针独立存在，不属于SFR区 SFR区中的专用寄存器在单片机编程中具有重要意义,五、位寻址单元,有12个单元可以位寻址 它们是 其字节地址可被8整除,哪些单元可以位寻址？,六、专用寄存器,程序计数器PC,存放下一条要执行的指令的地址,又称程序指针,共16位。PC实际上是程序地址计数器,PC中的内容是将要执行的下一条指令的地址。 改变PC的内容就可改变程序执行的方向。PC可对64KB程序存储器ROM直接寻址。,累加器A,累加器A是最常用的专用寄存器。进入ALU中进行算术运算和逻辑运算的操作数大多来自累加器A，其操作的结果也常送回累加器A。有许多单操作数指令都是直接通过累加器A完成的。,寄存器B,乘除运算时使用，其它情况可作为普通内部RAM单元使用,栈指针SP,表示堆栈的起始地址,可由用户自定义。例如设置SP=30H,则内部RAM的30H-7FH均被设置为栈区。,数据指针DPTR,16位专用寄存器，可表示对外部数据寄存器的操作地址。可分解为DPH、DPL两个部分分别使用。,端口P0-P3,端口P0P3的镜像寄存器，内部RAM单元的读/写操作就等效为进行（输入/输出）操作。,其它寄存器,1、与串行口、定时/计数器、中断相关的寄存器：SBUF、 TH0、TL0、TH1、TL1、IP、IE、TMOD、SCON、PCON等,七、程序状态字PSW, CY(PSW.7)：进位标志,许多算术、逻辑运算指令均影响CY CY还用作为布尔处理机的累加器。使用率高。, AC(PSW.6)：辅助进位(半进位）,用于十进制运算调整，参见DA指令。, F0(PSW.5)：用户自定义标志位, OV(PSW.2): 溢出标志,用于算术运算时指示结果是否溢出。, P(PSW.0): 奇偶标志,P=1表示累加器A中的“1”的位数为奇数,否则,为偶数。 主要用于数据传输时进行校验, RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）：寄存器区选择,PSW？,PSW是可以位寻址的，其作用是监测、控制程序状态,如何选择寄存器区？,系统复位时，自动指向0区,例22,解释以下程序执行完后,内部RAM中00H1FH各单元的数值为多少? CLRA MOVR0,#31 MOVR1,#16 LOOP:MOVR0,A DECR0 DJNZR1,LOOP SETBPSW.4 SETBPSW.3 MOV R7,#45 CLRPSW.3 MOV R7,#33,；A清0,；(00H)=1FH (01H)=16,；(1FH)(10H)=0 (00H)=0FH (01H)=0,；选择寄存器区为3区,；(1FH) =45,；选择寄存器区为2区,；(17H) =33,1.MCS51存储结构分配是怎样的？ 2.SFR中各寄存器的名称？ 3.程序状态寄存器PSW中各位的含义?,1.8051单片机内部RAM可划分为几个区域?各个区域的特点? 2.MCS51单片机内部的特殊功能寄存器有哪些?它们的功能? 寻址方式有何特点？ 3.怎样进行工作寄存器区的选择?,3. 时钟、复位、时序,晶体振荡电路为计算机提供基准时序，MCS-51单片机的基准时钟可采用2种方法：,一、时钟,2）、外接时钟。通过OC门外接,1）、石英晶体振荡电路。C1、C2起抗扰动作用， 取值一般为530pF；,3）、时钟范围：1.2MHz12MHz,二、复位,RST/VPD：复位信号端和后备电源输入端。 输入10ms的高电平脉冲，单片机复位。VPD使用后备电源，可实现掉电保护。,复位电路： 1）上电复位 2）外部同步复位,三、时序,思考题：设应用单片机晶振频率分别为6MHz、 8MHz、 12MHz，问机器周期分别为多少？指令周期分别为多少？,1、机器周期、机器状态、时钟节拍,1个时钟节拍周期=1/（假定晶体振荡器MHz）,1个机器周期TCY包含6个机器状态：S1、S2、S3、S4、S5、S6,1个机器状态包含2个时钟节拍：P1、P2,1个机器周期TCY包含12个时钟节拍：S1P1S6P2,机器周期 TCY 12/，是指令执行的最小时间,指令周期: 一条指令的执行时间，以机器周期为单位，则指令可分为：单周期、双周期和四周期指令,外部RAM读写MOVX指令时序,例1-3：如图所示MCS-51单片机系统。要求检测到X为高电平时，继电器吸合2秒后断开。试编制程序。,注意：尽量使用内部定时器而不要采用纯粹的软件延时程序。 思考题：假定12MHz时钟改成6MHz，如何设计？,解：,4. 输入输出端口,一、P0口,P0口结构图,功能：DB07、I/O、AB07,1、当控制信号=“0”时， I/O,开关位置如图示与门输出“0” FET1截止输出级为开漏输出, CPU向端口写数据,写脉冲加到CL端,内部总线上数据由D端锁存到D触发器,经反相端输出,再经输出级FET2反相，送到引脚。引脚上出现的数据恰好是内部总线上的数据。, CPU从端口引脚读数据,读脉冲读引脚 缓冲器B1通P0.X引脚信号到达内部总线, CPU从端口寄存器读数据,读脉冲“读锁存器” 缓冲器B2通寄存器Q端数据内部总线,2、当控制信号=“1”时， AB07、DB07,这时，与门开通，FET2接到反相器输出端。CPU输出的地址/数据同时经FET1和FET2实现“推拉”输出。 另一种情况，数据总线输入数据时，仍经由缓冲器B1进入内部总线。,说明1：作为普通I/O口使用时,P0口为输出开漏电路,内部无上拉电阻,必须外接上拉电阻。作为地址/数据总线使用时,内部由上下2个FET推拉驱动,不得外接上拉电阻,说明2：在一个系统中P0口只能被定义为一种模式，要么作为普通I/O口，要么作为总线，一旦系统设计完成，则不能互换。,说明3：作为普通I/O口使用时,若要从引脚读取数据,应先向该端口写入“1”,然后再读取。写入“1”后,端口2个FET均截止,处于高阻悬浮状态,便于数据的可靠采集,说明4：端口引脚和端口寄存器不一定一致，直接从端口引脚取数据则其结果则是无法预料的。“读修改写”指令实际读的是端口寄存器,二、P1口I/O,P1口的内部寄存器与P0相似。耗尽型FET1提供固定上拉电阻,但是这个上拉电阻阻值较大。当Q从“1” “0”时, FET2由导通截止,但是由于FET1的阻值较大,动态特性差。,P1、P2、P3口的输出级结构相同。,改善端口动态特性的方法是引入附加上拉电阻。当Q从“1” “0”时,或门输出产生“ ”过程,高电平持续时间2个振荡周期,此间,FET3导通,FET3的导通电阻远小于FET1,可很好地改善端口的动态特性。,三、P2、P3口,P2功能：I/O、AB07 ；P3功能：I/O、特殊端口,当控制信号为低电平时,多路开关接到左端,P2口作为通用I/O口使用,其功能和使用方法与P1口相同。 当控制端输出高电平时,多路开关接到右端,地址信号经反相器从引脚输出。这时P2口输出地址总线高8位,供系统扩展使用。 对8051、8751单片机,P2口能作为I/O口或地址总线。对于8031单片机，P2口只能用作地址总线。,P3口有一套替代功能转换逻辑电路，可实现普通I/O或特殊端口,四、P0、P1、P2、P3口的负载能力, P0口的输出能驱动8个LSTTL负载,输出电流不小于800A（通常把100A输入电流定义为一个TTL负载输人电流）,P1P3口的输出能驱动4个LSTTL负载。, 对于MOS型负载,P1、P2、P3无须外加电阻就可以直接驱动。P0口作I/O口使用时需外加上拉电阻,P0口用作地址/数据线时,它可以直接驱动MOS型负载,而不必加上拉电阻。, 不同厂家的单片机的驱动能力可能不同,特别是一些MCS51兼容型单片机,在负载能力、速度、功耗等方面均比标准51单片机有很大改进 。,1、P0口：地址低8位与数据线分时使用端口或通用I / O 2、P1口：按位可编址的通用I / O端口 3、P2口：地址高8位输出口或按位可编址的通用I / O 口 4、P3口：双功能口。若不用第二功能，也可作按位可编址 的通用I / O 口 5、按三总线划分：,地址线AB：P0低八位地址，P2高八地址 数据线DB：P0输入输出8位数据 控制线CB：P3口的8位加上/PSEN、ALE共同完成控制总线,1.简述80C51单片机的4个I/O口在使用上有哪些分工和特点？ 2. P0口作普通I/O口使用时，应注意什么？ 3.设单片机的晶振频率为6MHz时，试求机器周期和ALE引脚的信号 周期。 4.单片机复位的作用是什么？复位操作对内部寄存器有哪些影响?,5. 工作方式,MCS51单片机的工作方式有四种：, 复位。复位脉冲自动引导系统进入复位入口，即使程序指针PC=0000H,取指令,进入程序执行方式, 程序执行。正常工作方式，运行编制好的程序, 低功耗。这是MCS51单片机在系统休闲时为降低功耗采取的工作方式。电池供电系统经常采用。 低功耗方式又分：休眠、掉电保护两种工作方式。, 单步执行。系统调试时采用的工作方式。按一次按钮就执行一条用户指令。,1、低功耗方式,掉电保护方式,单片机运行过程中如果断电，CPU内部数据RAM、SFR以及PC、SP等中的数据将丢失。这时如将备用电源加到RST/VPD引脚上，只要VCC上的电压低于VPD上的电压，备用电源就通过VPD端给内部RAM供电，系统以低功耗的工作方式保持内部RAM中的数据，以便再加电时能继续原来工作。能实现掉电保护的电路称为掉电保护电路，现场应用系统必备。,对于CHMOS型工艺的MCS51单片机来说,PCON.0（IDL）=“1”,进入待机方式。只由中断和系统复位才能解脱这种状态。 IDL置“1”时,单片机进人待机方式。这时振荡器仍然运行。并向中断逻辑、串行口和定时器/计数器电路提供时钟,CPU停止工作,中断功能继续有效。但CPU中PC、SP、ACC等停止在原状态。,待机方式,HMOS型51单片机只有掉电保护方式。 CHMOS型51单片机的低功耗方式则有待机方式和掉电保护两种方式。,在待机方式下,若中断请求有效,单片机响应中断,同时PCON.0被硬件自动清“0”,单片机退出待机方式进人正常工作方式。这种方式主要用来设计一些平时只走时钟不工作的应用系统，对用电池作电源的系统是很有意义的。,注意,本章小结,本章主要介绍单片机的内外部结构，包括引脚描述、内部结构与基本工作原理、程序存储器ROM、数据存储器RAM及其使用区域划分、特殊功能寄存器SFR、端口功能与结构、时序、复位、单片机工作方式等内容。 通过对本章的学习，读者应对单片机的内部结构、内部资源的功能与使用方法有一个较为具体的认识和了解。,