单片机原理及应用(李肃义)cha课件

2.1 MCS-51单 片 机 的 基 本 组 成 2.3 MCS-51单 片 机 的 引 脚 功 能 2.2 I/O端 口 结 构 2.4 时 钟 电 路 及 工 作 方 式 教学目的和要求 掌 握 MCS-51系 列 单 片 机 的 内 部 硬 件 结 构 、存 储 器 结 构 、 I/O口 结 构 、 主 要 引 脚 、 时 序 基本组成v51单 片 机 的 内 部 结 构 可 编 程 全双 工 串 行 口振 荡 器 和 时 序OSC外 时 钟 源 程 序 存 储 器4KB ROM 数 据 存 储 器256B RAM/SFR 2 16位定 时 器 /计 数 器8051CPU 64KB总 线扩 展 控 制 器内 中 断外 中 断 控 制 可 编 程 I/O并 行 口 串 行 通 信外 部 事 件 计 数图 2-1 8051单 片 机 功 能 框 图 基本组成v8051单 片 机 内 部 结 构 和 功 能 1 中 央 处 理 器 CPU 单 片 机 内 部 的 核 心 部 件 ， 由 运 算 器 和 控 制 器组 成 。 （ 1） 运 算 器 用 于 实 现 算 术 逻 辑 运 算 、 位 变 量 处 理 、 移 位和 数 据 传 送 等 操 作 。以 算 术 逻 辑 单 元 ALU为 核 心 ， 累 加 器 ACC、 寄存 器 B、 程 序 状 态 字 PSW以 及 十 进 制 调 整 电 路 和 位操 作 的 布 尔 处 理 器 等 组 成 的 。 基本组成 运 算 器 1) 算 术 逻 辑 单 元 ALU(Arithmetic Logic Unit) 算 术 逻 辑 单 元 ALU(8位 )用 来 完 成 二 进 制 数 的四 则 运 算 和 布 尔 数 的 逻 辑 运 算 。通 过 对 运 算 结 果 的 判 断 ,影 响 程 序 状 态 标 志寄 存 器 的 有 关 标 志 位 。 基本组成 运 算 器 2) 累 加 器 ACC (Accumulator) 累 加 器 ACC（ 8位 ） 是 CPU中 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 。 基本组成 运 算 器3) 寄 存 器 B 寄 存 器 B（ 8位 ） 是 为 ALU进 行 乘 除 运 算 设 置的 。 在 执 行 乘 法 运 算 时 , 用 于 存 放 其 中 一 个 乘 数和 乘 积 的 高 8位 数 ；在 执 行 除 法 运 算 时 ， 用 于 存 放 除 数 和 余 数 。B寄 存 器 也 可 作 为 一 般 的 数 据 寄 存 器 使 用 。 基本组成 4) 程 序 状 态 字 PSW(Program Status Word) 程 序 状 态 字 PSW是 一 个 8位 特 殊 功 能 寄 存 器 ， 格 式 和含 义 如 下 ： Cy(PSW.7) 进 位 标 志 位 。 AC(PSW.6) 辅 助 进 位 (或 称 半 进 位 )标 志 。 F0(PSW.5) 用 户 标 志 位 。 RSl和 RS0(PSW.4， PSW.3) 工 作 寄 存 器 组 选 择 位 。 OV(PSW.2) 溢 出 标 志 位 。 F1(PSW.1) 用 户 标 志 位 ， 同 F0(PSW.5） 。 P(PSW.0) 此 位 为 奇 偶 标 志 位 。D7H D6H D5H D4H D3H D2H D1H D0HCY AC F0 RS1 RS0 OV F1 PPSW位 地 址字 节 地 址D0H运 算 器 基本组成 5)布 尔 处 理 器布 尔 变 量 也 即 开 关 变 量 ， 以 位 （ bit） 为 单 位进 行 操 作 。MCS-51单 片 机 有 一 个 布 尔 处 理 机 ， 以 进 位标 志 (Cy)作 为 累 加 位 ， 以 内 部 RAM中 所 有 可 位 寻址 的 位 作 为 操 作 位 或 存 储 位 。具 有 相 应 的 位 操 作 指 令 系 统 。 运 算 器 基本组成 控 制 器 v控 制 器 是 CPU的 神 经 中 枢 ， 它 包 括 :程 序计 数 器 PC、 指 令 寄 存 器 IR、 指 令 译 码 器ID、 数 据 指 针 DPTR、 堆 栈 指 针 SP以 及 定时 控 制 与 条 件 转 移 逻 辑 电 路 等 。v对 来 自 PC指 定 的 ROM单 元 中 的 指 令 进 行译 码 ， 并 通 过 定 时 和 控 制 电 路 在 规 定 的 时刻 发 出 各 种 操 作 所 需 要 的 控 制 信 号 ， 使 各部 件 协 调 工 作 ， 完 成 指 令 所 规 定 的 操 作 。 v形 成 各 种 控 制 信 息vIRv指 令 1 vIDv译 码 指 令 1指 令 2ROMv能 找 出 单 元 地 址 的 电 路 PC 0000H0001HROM v数 据 传 输v运 算 基本组成 控 制 器 1) 程 序 计 数 器 PC PC是 一 个 16位 计 数 器 。 是 ROM的 字 节 地 址 计 数 器 ， 其 内 容 是 将 要执 行 的 下 一 条 指 令 的 地 址 ， 寻 址 范围 达 64KB。 基本组成 控 制 器 2) 数 据 指 针 DPTR 16位 寄 存 器 ， 可 存 放 16位 的 地 址 ， 作为 访 问 外 部 ROM和 外 部 RAM时 的 地 址 。编 程 时 ， DPTR既 可 按 16位 寄 存 器 使用 ， 也 可 以 按 两 个 8位 寄 存 器 分 开 使 用 ，即 DPH为 DPTR的 高 8位 ， DPL为 DPTR的低 8位 。 基本组成 2 定 时 器 /计 数 器 8051单 片 机 内 有 两 个 16位 的 定 时 器 /计数 器 ： 定 时 器 /计 数 器 0和 定 时 器 /计 数 器 1。分 别 由 两 个 8位 寄 存 器 组 成 ， 地 址 依 次是 8AH 8DH。功 能 ： 存 放 定 时 或 计 数 的 初 值 。 基本组成 3 串 行 口 单 片 机 内 部 有 一 个 串 行 数 据 缓 冲 寄 存器 SBUF， 串 行 口 控 制 寄 存 器 SCON和 电 源 控制 及 波 特 率 选 择 寄 存 器 PCON。SBUF在 机 器 内 部 实 际 是 由 两 个 8位 寄 存 器 组 成 ，一 个 作 发 送 缓 冲 寄 存 器 ， 另 一 个 作 接 收 缓 冲 寄 存 器 ，二 者 由 读 写 信 号 区 分 ， 但 都 是 使 用 同 一 个 地 址 99H。SCON： 串 行 数 据 通 信 中 控 制 和 监 视 串 行 口 工 作 状 态 。PCON： 串 行 口 波 特 率 的 倍 增 控 制 。 基本组成 4 中 断 系 统 8051单 片 机 共 有 5个 中 断 源 （ 3个 内 部 ，2个 外 部 ） ， 两 个 优 先 级 别 （ 高 级 和 低级 ） 。 基本组成v存 储 器 结 构哈 佛 结 构 ， 程 序 和 数 据 分 别 放 在 两 个存 储 器 内 。 程 序 存 储 器 (ROM)与 数 据 存 储器 (RAM)， 有 四 个 物 理 上 相 互 独 立 的 存 储空 间 ， 即 片 内 ROM和 片 外 ROM， 片 内 RAM和片 外 RAM。 片 内 ROM =1 EA EA 片 外 ROM 片 外 ROM =0FFFFH 1000H 0FFFH 0000H 片 外 RAM或I/O口 FFFFH 0000H 片 内 256B00FFH 基本组成vROM： 片 内 0000H 0FFFH； 片 外0000H FFFFH统 一 编 址 的 程 序 存 储 器 。vRAM： 片 内 00H FFH； 片 外 0000HFFFFH统 一 编 址 的 数 据 存 储 器 或 I/O口 地址 空 间 。vROM片 内 外 低 4KB地 址 重 叠 ， RAM片 内 外 低256B地 址 重 叠 ， RAM与 ROM64KB地 址 全 部重 叠 。v如 何 寻 址 ？ 采 用 不 同 的 操 作 指 令 及 控 制 信号 EA、 PSEN的 选 择 ， 因 此 不 会 发 生 混 乱 。 基本组成 1.程 序 存 储 器 v片 内 ROM和 片 外 ROM。 内 部 4KBROM， 地址 范 围 为 0000H 0FFFH， 片 外 64KB的 ROM，两 者 统 一 编 址 。v执 行 程 序 ： EA接 高 电 平 ， PC在 片 内 ROM取 指 ， 而 当 PC大 于0FFFH后 ， 则 自 动 转 向 片 外 ROM取 指 。 EA接 低 电 平 ， 片 内 ROM不 起 作 用 ， CPU只 能从 片 外 ROM取 指 ， 地 址 可 以 从 O000H开 始 编 址 。v对 于 片 内 无 ROM的 8031、 8032单 片 机 ， EA应 接 地 。 基本组成 2.片 内 数 据 存 储 器 v片 内 数 据 存 储 器 最 大 可 寻 址 256个 单 元 ，通 常 把 这 256个 单 元 按 功 能 划 分 为 低 128单元 (单 元 地 址 00H 7FH)和 高 128单 元 (单 元地 址 80H FFH) 基本组成 (1) 片 内 数 据 存 储 器 低 128单 元 低 128单 元 共 分 为 工 作 寄 存 器 、 位 寻 址 区 和数 据 缓 冲 区 三 个 区 域 。 工 作 寄 存 器 区 (00H 1FH) 32个 RAM单 元 共 分 四 组 ， 每 组 8个 寄 存 单 元(R0 R7)。 常 用 于 存 放 操 作 数 及 中 间 结 果 等 ， 称为 通 用 寄 存 器 ， 也 叫 工 作 寄 存 器 。 基本组成工 作 寄 存 器 区 在 任 一 时 刻 ， CPU只 能 使 用 其 中 的 一 组 寄 存 器 ，称 为 当 前 寄 存 器 组 。 当 前 寄 存 器 组 由 PSW中 RS1、RS0位 的 状 态 决 定 。 基本组成 位 寻 址 区 (20H 2FH) 16个 单 元 (共 计 128位 )的 每 一 位 都 有 一个 8位 表 示 的 位 地 址 ， 位 寻 址 范 围 为 00H7FH。 数 据 缓 冲 区 (30H 7FH) 也 可 供 用 户 使 用 ， 共 80个 单 元 。 对 用户 RAM区 的 使 用 没 有 任 何 规 定 或 限 制 ，一 般 用 于 存 放 用 户 数 据 及 作 堆 栈 区 使 用 。 基本组成 (2) 特 殊 功 能 寄 存 器 ( 80H 0FFH ) 8051片 内 高 128字 节 RAM中 ， 除程 序 计 数 器 PC外 ， 还 有 21个 特 殊 功能 寄 存 器 (SFR) ， 又 称 为 专 用 寄 存器 ,离 散 地 分 布 在 RAM空 间 中 。 基本组成寄 存 器 名 称 地 址 寄 存 器 名 称*ACC E0H 累 加 器*B F0H B寄 存 器*PSW D0H 程 序 状 态 字SP 81H 堆 栈 指 示 器DPL 82H 数 据 指 针 低 8位DPH 83H 数 据 指 针 高 8位*IE A8H 中 断 允 许 控 制 寄 存 器*IP B8H 中 断 优 先 控 制 寄 存 器*P0 80H I/O口 0*P1 90H I/O口 1*P2 A0H I/O口 2*P3 B0H I/O口 3PCON 87H 电 源 控 制 及 波 特 率 选 择 寄 存 器*SCON 98H 串 行 口 控 制 寄 存 器SBUF 99H 串 行 口 缓 冲 寄 存 器*TCON 88H 定 时 器 控 制 寄 存 器TMOD 89H 定 时 器 方 式 选 择 寄 存 器TL0 8AH 定 时 器 0低 8位 TL1 8BH 定 时 器 1低 8位TH0 8CH 定 时 器 0高 8位TH1 8DH 定 时 器 1高 8位 表 2-3 MCS-51专 用 寄 存 器 一 览 表 基本组成v21个 可 字 节 寻 址 的 特 殊 功 能 寄 存 器是 不 连 续 地 分 布 在 内 部 RAM高 128单元 之 中 ， 空 闲 地 址 无 意 义 。v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 。v有 11个 寄 存 器 可 位 寻 址 。 基本组成 3.片 外 数 据 存 储 器即 片 外 RAM， 一 般 由 静 态 RAM芯 片 组 成 。访 问 片 外 RAM可 用 DPTR,寻 址 范 围 为 064KB。 片 外 RAM地 址 范 围 :0000H FFFFH，片 内 数 据 存 储 器 空 间 :0000H 00FFH。重 叠 ？CPU使 用 MOV指 令 和 MOVX指 令 加 以区 分 。 基本组成 4.堆 栈 及 堆 栈 指 针 堆 栈 是 一 种 数 据 结 构 ， 所 谓 堆 栈 就 是 只 允许 在 其 一 端 进 行 数 据 插 入 和 数 据 删 除 操 作的 线 性 表 。 数 据 写 入 堆 栈 称 为 插 入 运 算 (PUSH)， 也 叫入 栈 。 数 据 从 堆 栈 中 读 出 称 为 删 除 运 算 (POP)，也 叫 出 栈 。 堆 栈 的 最 大 特 点 就 是 “ 后 进 先 出 ” 。 常 把后 进 先 出 写 为 LIFO(Last-In-First-Out)。 基本组成 (1)堆 栈 的 功 能 堆 栈 是 为 程 序 调 用 和 中 断 操 作 而 设 立的 ， 具 体 功 能 是 保 护 断 点 和 保 护 现 场 。 基本组成 (2)堆 栈 指 针 SP 8位 ， 有 栈 顶 和 栈 底 之 分 ， 栈 底 地 址 一经 设 定 后 固 定 不 变 ， 它 决 定 了 堆 栈 在 RAM中 的 物 理 位 置 。为 了 指 示 栈 顶 地 址 ， 要 设 置 堆 栈 指 针SP。 SP的 内 容 就 是 堆 栈 栈 顶 的 存 储 单 元 地址 ， 最 好 在 内 部 RAM的 30 7FH单 元 中 开 辟 。 基本组成 (3)堆 栈 使 用 方 式 堆 栈 的 使 用 有 两 种 方 式 。 一 种 是 自 动方 式 ， 在 调 用 子 程 序 时 ， 断 点 地 址 自 动 进栈 。 另 一 种 是 指 令 方 式 ， 使 用 专 用 的 堆 栈操 作 指 令 ， 执 行 进 出 栈 操 作 。 I/O端口结构I/O端 口 结 构 四 个 8位 并 行 接 口 P0 P3， 共 有 32根 I/O线 。 它 们 都 具 有 双 向 I/O功 能 ， 均 可 以 作为 数 据 输 入 /输 出 使 用 。 每 个 接 口 内 部 都 有 一 个 8位 数 据 输 出 锁 存器 、 一 个 输 出 驱 动 器 和 一 个 数 据 输 入 缓冲 器 ， 因 此 ， CPU数 据 从 并 行 I/O接 口 输出 时 可 以 得 到 锁 存 ， 输 入 时 可 以 得 到 缓冲 。 I/O端口结构vP0口 结 构 及 应 用 1.组 成 结 构 DCP QQ-锁 存 器 T2T1 P0.X VCC MUX 读 锁 存 器 内 部 总 线 写 锁 存 器 读 引 脚 地 址 /数 据 控 制图 2-4 P0口 某 位 结 构 输出锁存器 三态输入缓冲器 输出驱动电路输出控制电路 I/O端口结构v 应 用（ 1） P0口 作 为 一 般 I/O口 使 用 P0.X 图 2-4 P0口 某 位 结 构 DCP QQ-锁 存 器 T2T1VCC MUX 读 锁 存 器 内 部 总 线 写 锁 存 器 读 引 脚 地 址 /数 据 控 制 I/O端口结构v 应 用（ 2） P0口 作 为 地 址 /数 据 总 线 使 用 P0.X 图 2-4 P0口 某 位 结 构 DCP QQ-锁 存 器 T2T1VCC MUX 读 锁 存 器 内 部 总 线 写 锁 存 器 读 引 脚 地 址 /数 据 控 制 I/O端口结构 2.应 用 (1)P0口 作 为 一 般 I/O口 使 用 作 为 输 入 /输 出 口 (2)P0口 作 为 地 址 /数 据 总 线 使 用 I/O端口结构vP1口 结 构 及 应 用DCP QQ-锁 存 器读 锁 存 器 内 部 总 线 写 锁 存 器 读 引 脚 VCC 内 部 上 拉 电阻 P1 TP1口 通 常 作 为 通 用 I/O口 使 用 ， 所 以 在 电路 结 构 上 不 再 需 要 多 路 转 换 开 关 MUX。 I/O端口结构 vP2口 结 构 及 应 用 P2口 可 以 作 为 通 用 I/O口 使 用 ， 但 通 常 作 为高 位 地 址 线 使 用 。 vP3口 结 构 及 应 用 P3口 增 加 了 第 二 功 能 控 制 逻 辑 。 引脚功能v 引 脚 信 号 功 能 介 绍 1 电 源 引 脚 VSS和 VCC 2 XTAL1和 XTAL2是 外 接 晶 体 引 线 端 3 控 制 信 号 引 脚 ALE、 PSEN 、 EA和 RST 4 I/O端 口 P0、 P1、 P2和 P3 图 2-8 MCS-51单 片 机 芯 片 引 脚 图 引脚功能v引 脚 信 号 的 第 二 功 能受 到 工 艺 及 标 准 化 等 因 素 的 限 制 ，如 MCS-51系 列 的 芯 片 引 脚 数 目 为 40条 。 所 以 ， 些 信 号 引 脚 赋 以 了 双 重功 能 。 引脚功能 1 P3口 线 的 第 二 功 能 口 线 第 二 功 能 信 号 名 称 P3.0 RXD 串 行 数 据 接 收 P3.1 TXD 串 行 数 据 发 送 P3.2 INT0 外 部 中 断 0申 请 P3.3 INT1 外 部 中 断 1申 请 P3.4 T0 定 时 器 /计 数 器 0计 数 输 入 P3.5 T1 定 时 器 /计 数 器 1计 数 输 入 P3.6 WR 外 部 RAM写 选 通 P3.7 RD 外 部 RAM读 选 通 表 2-5 P3口 线 的 第 二 功 能 引脚功能 2 EPROM存 储 器 程 序 固 化 所 需 要 的 信 号 有 内 部 EPROM的 单 片 机 芯 片 (例 如 8751)， 为写 入 程 序 需 要 提 供 专 门 的 编 程 脉 冲 和 编 程 电 压 。这 些 信 号 是 由 信 号 引 脚 第 二 功 能 提 供 的 ， 即 编 程 脉 冲 30脚 (ALE/PROG) 编 程 电 压 (21V) 31脚 (EA VPP) 引脚功能 3 备 用 电 源 MCS-51单 片 机 的 备 用 电 源 是 以 第 二 功 能 的方 式 由 9脚 (RST VPD)引 入 的 。 当 主 电 源 VCC发 生 故障 或 电 压 降 低 到 下 限 时 ， 备 用 电 源 经 此 端 向 内 部RAM提 供 电 压 ， 以 保 护 内 部 RAM中 的 信 息 不 丢 失 。 时钟电路及工作方式v 时 钟 电 路用 于 产 生 工 作 所 需 要 的 时 钟 信 号 ， 而 时 序 所研 究 的 是 指 令 执 行 中 各 个 信 号 的 相 互 关 系 。单 片 机 如 同 一 个 复 杂 的 同 步 时 序 电 路 ， 为 了保 证 同 步 工 作 方 式 的 实 现 ， 使 用 唯 一 的 时 钟 信 号 ，严 格 地 按 时 序 进 行 工 作 。 时钟电路及工作方式v时 钟 电 路 1.时 钟 信 号 的 产 生 2.引 入 外 部 脉 冲 信 号 图 2-9 时 钟 振 荡 电 路 图 2-10 外 部 脉 冲 源 接 法 时钟电路及工作方式v时 序 定 时 单 位 MCS-51的 时 序 定 时 单 位 从 小 到 大 依 次为 ： 拍 节 （ 或 节 拍 ） 、 状 态 、 机 器 周 期 和指 令 周 期 。 1.拍 节 与 状 态 把 振 荡 脉 冲 的 周 期 定 义 为 拍 节 (用 P表 示 )。每 二 个 拍 节 定 义 为 一 个 状 态 (用 S表 示 )。一 个 状 态 包 含 拍 节 1(P1)和 拍 节 2(P2)。 时钟电路及工作方式 2.机 器 周 期 MCS-51规 定 一 个 机 器 周 期 的 宽 度 为 6个 状 态 （ S1 S6） ， 12个 拍 节 （ 振 荡 脉 冲周 期 ） ， 因 此 机 器 周 期 就 是 振 荡 脉 冲 的 十二 分 频 。例 如 ： 当 振 荡 脉 冲 频 率 为 12MHz时 ，一 个 机 器 周 期 为 1 s； 当 振 荡 脉 冲 频 率 为6MHz时 ， 一 个 机 器 周 期 为 2 s。 时钟电路及工作方式 3.指 令 周 期 指 令 周 期 是 最 大 的 时 序 定 时 单 位 ，执 行 一 条 指 令 所 需 的 时 间 称 为 指 令周 期 。 时钟电路及工作方式v MCS-51指 令 时 序 图 2-11 MCS-51 指 令 的 取 指 /执 行 时 序 (a)单 字 节 单 周 期 指 令 ， 如 INC A； (b)双 字 节 单 周 期 指 令 ， 如 ADD A， #data; (c)单 字 节 双 周 期 指 令 ， 如 INC DPTR (d)单 字 节 双 周 期 指 令 ， 如 MOVX类 指 令 时钟电路及工作方式vMCS-51单 片 机 的 工 作 方 式 1 复 位 方 式 (1)单 片 机 的 初 始 化 操 作 复 位 复 位 后 内 部 寄 存 器 的 状 态 ： 大 部 分 为零 。 堆 栈 指 针 SP为 07H； 四 个 口 为 FFH；个 别 随 机 （ P22） 。 时钟电路及工作方式vMCS-51单 片 机 的 工 作 方 式 (2)复 位 信 号 RST引 脚 是 复 位 信 号 的 输 入 端 ，复 位 信 号 为 高 电 平 有 效 ， 且 持 续 时间 必 须 保 持 两 个 机 器 周 期 （ 24个 时 钟周 期 ） ， 以 确 保 复 位 完 成 。 时钟电路及工作方式vMCS-51单 片 机 的 工 作 方 式 1 复 位 方 式 (3)复 位 方 式 上 电 复 位 按 键 电 平 复 位 按 键 脉 冲 复 位 时钟电路及工作方式 2 单 步 执 行 方 式 通 过 外 来 脉 冲 控 制 程 序 的 执 行 ， 一 个脉 冲 就 执 行 一 条 指 令 。 单 步 执 行 实 际 上 就是 按 一 次 键 执 行 一 条 指 令 。单 步 执 行 是 借 助 单 片 机 的 外 部 中 断 功能 实 现 的 。 时钟电路及工作方式 3 程 序 执 行 方 式 程 序 执 行 方 式 是 单 片 机 的 基 本 工 作方 式 。复 位 后 PC=0000H， 因 此 程 序 执 行 总是 从 地 址 0000H开 始 ， 所 以 ， 在 0000H开 始 的 存 储 单 元 中 通 常 存 放 一 条 无 条 件转 移 指 令 ， 以 便 跳 转 到 实 际 程 序 的 入 口地 址 。 v作 业 ：总 结 本 章 所 学 主 要 内 容 ！