汽车电子技术与单片机--MSC-51单片机的结构和原理--课件

第二章第二章 MSC-51单片机的结构和原理单片机的结构和原理第一节第一节 MCS-51单片机的内部组成及信单片机的内部组成及信号引脚号引脚第二节第二节 MCS-51单片机的中央处理器单片机的中央处理器CPU第三节第三节 MCS-51的内部存储器的内部存储器第四节第四节 I/O端口、时钟电路与时序端口、时钟电路与时序第五节第五节 MCS-51单片机工作方式单片机工作方式第六节第六节 MCS-51单片机的存储器单片机的存储器1PPT课件第一节第一节 MCS-51单片机的内部组成单片机的内部组成及信号引脚及信号引脚MCS-51系列单片微型机计算机包括系列单片微型机计算机包括8031、8051、8751等型号，其代表型号是等型号，其代表型号是8051。8051内部组成方框图内部组成方框图如如图图2-1所示，本书也将主要以所示，本书也将主要以8051单片机的代表来介绍单片机的代表来介绍MCS-51系列单片机的工作原理。通常计算机须由三大基本系列单片机的工作原理。通常计算机须由三大基本单元，即中央处理器、存储器和输入单元，即中央处理器、存储器和输入/输出设备组成。输出设备组成。下一页返回2PPT课件第一节第一节 MCS-51单片机的内部组成单片机的内部组成及信号引脚及信号引脚一、一、MCS-51单片机的基本组成单片机的基本组成8051单片机的结构组成如单片机的结构组成如图图2-1所示，各部分情况介绍如下：所示，各部分情况介绍如下：1.中央处理器中央处理器顾名思义，这是单片机的核心部分。也有人将其称为顾名思义，这是单片机的核心部分。也有人将其称为MCU，在这些公司提供的器件使用手册上还有在这些公司提供的器件使用手册上还有P P的写法，都是同一的写法，都是同一个意思。个意思。80518051单片机的单片机的CPUCPU由算术逻辑部件（由算术逻辑部件（ALUALU）、累加器）、累加器（ACCACC）、寄存器）、寄存器B B、暂存器、暂存器TMP1TMP1和和TMP2TMP2、程序状态寄存器、程序状态寄存器（PSWPSW）等运算部件，以及指令寄存器（）等运算部件，以及指令寄存器（IRIR）、指令译码器）、指令译码器（IDID）、数据指针寄存器（）、数据指针寄存器（DPTRDPTR）、程序指针寄存器（）、程序指针寄存器（PCPC）、）、堆栈指针（堆栈指针（SPSP）等控制部件组成。）等控制部件组成。上一页 下一页返回3PPT课件第一节第一节 MCS-51单片机的内部组成单片机的内部组成及信号引脚及信号引脚2.内部数据寄存器（内部数据寄存器（内部内部RAM）MCS-51的的CPU能处理能处理8位二进制。位二进制。8051芯片中共有芯片中共有256个个RAM单元，但其中后单元，但其中后128单元被专用寄存器占用，能作为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寄存器供用户使用的只是前128个单元，用于存放可读写的个单元，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前数据。因此，通常所说的内部数据存储器就是指前128单元，单元，简称内部简称内部RAM。3.内部程序存储器（内部内部程序存储器（内部ROM）根据有无片内根据有无片内ROM，8051单片机有三个品种，即无单片机有三个品种，即无ROM版本为版本为8031、工厂掩膜只读、工厂掩膜只读ROM版本为版本为8051、EPROM版本为版本为8751.8051共有共有4KB掩膜掩膜ROM，用于存放程序、，用于存放程序、原始数据或表格，简称内部原始数据或表格，简称内部ROM。上一页 下一页返回4PPT课件第一节第一节 MCS-51单片机的内部组成单片机的内部组成及信号引脚及信号引脚4.定时器定时器/计数器计数器8051有两个有两个16位定时器位定时器/计数器（计数器（T0,T1），它们由特殊），它们由特殊功能寄存器功能寄存器TMOD和和TCON分别选择它们的工作方式和表示分别选择它们的工作方式和表示它们的状态。在定时器功能中，每个机器周期定时器加它们的状态。在定时器功能中，每个机器周期定时器加1，可，可以认为它是机器周期计数器，由于以认为它是机器周期计数器，由于1个机器周期包含个机器周期包含12个振个振荡周期，定时器计数到的脉冲为振荡频率的荡周期，定时器计数到的脉冲为振荡频率的1/12。5.并行并行I/O口口MCS-51共有四个共有四个8位的位的I/O口口(P0、P1、P2、P3)，以，以实现数据的并行输入输出。实现数据的并行输入输出。上一页 下一页返回5PPT课件第一节第一节 MCS-51单片机的内部组成单片机的内部组成及信号引脚及信号引脚6.串行口串行口MCS-51单片机有一个全双工的串行口，以实现单片机和其单片机有一个全双工的串行口，以实现单片机和其他设备之间的穿行数据传送。该串行口功能较强，既可作为他设备之间的穿行数据传送。该串行口功能较强，既可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为同步移位器使用。全双工异步通信收发器使用，也可作为同步移位器使用。7.中断控制系统中断控制系统MCS-51单片机的中断功能较强，以满足控制应用的需要。单片机的中断功能较强，以满足控制应用的需要。8051共有共有5各中断源，即外部中断各中断源，即外部中断2个，定时个，定时/计数中断计数中断2个，个，串行中断串行中断1个。全部中断分为高级和低级两个优先级别。个。全部中断分为高级和低级两个优先级别。上一页 下一页返回6PPT课件第一节第一节 MCS-51单片机的内部组成单片机的内部组成及信号引脚及信号引脚8.时钟电路时钟电路MCS-51芯片的内部有时钟电路，但石英晶体和微调电容需芯片的内部有时钟电路，但石英晶体和微调电容需外接。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列。系统允许的最外接。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列。系统允许的最高晶振频率为高晶振频率为12MHZ。从上述内容可以看出，。从上述内容可以看出，MCS-51虽虽然是一个单片机芯片，但作为计算机应该具有的基本部件它然是一个单片机芯片，但作为计算机应该具有的基本部件它都包括，因此实际上它是一个简单的微型计算机系统。都包括，因此实际上它是一个简单的微型计算机系统。上一页 下一页返回7PPT课件第一节第一节 MCS-51单片机的内部组成单片机的内部组成及信号引脚及信号引脚二、二、MCS-51的信号引脚的信号引脚MCS-51微处理器采用微处理器采用40引脚的双列直插封装（引脚的双列直插封装（DIP）方）方式，如式，如图图2-2所示，仔所示，仔0条引脚中，有条引脚中，有2条专用于主电源的引条专用于主电源的引脚，脚，2条外接晶振引脚，条外接晶振引脚，4条控制引脚和条控制引脚和3条条I/O引脚。下面引脚。下面分别叙述各引脚的功能。分别叙述各引脚的功能。主电源引脚主电源引脚VSS和和VCC：VSS（20）接地，）接地，VCC（40）正常操）正常操作时接作时接+5V电源。电源。外接晶振引脚外接晶振引脚XTAL1和和XTAL2：当外接晶体振荡器时，：当外接晶体振荡器时，XTAL1和和XTAL2分别接在外接晶体两端；当采用外部时钟分别接在外接晶体两端；当采用外部时钟方式时，方式时，XTAL1接地，接地，XTAL2接外来振荡信号。接外来振荡信号。上一页 下一页返回8PPT课件第一节第一节 MCS-51单片机的内部组成单片机的内部组成及信号引脚及信号引脚控制引脚控制引脚RST/VPD,ALE/、。对于对于RST/VPD：当振荡器正常运行时，在此引脚上出现两：当振荡器正常运行时，在此引脚上出现两个机器周期以上的高电平使微处理器复位；个机器周期以上的高电平使微处理器复位；VCC掉电期间，掉电期间，此引脚可接备用电源，以保持内部此引脚可接备用电源，以保持内部RAM的数据。的数据。：当访问外部存储器时，由微处理器的：当访问外部存储器时，由微处理器的P2口送出地址的高口送出地址的高8为，为，P0口送出地址的低口送出地址的低8位，数据通过位，数据通过P0口传送。口传送。：是程序存储器读选通信号，低电平有效。：是程序存储器读选通信号，低电平有效。上一页 下一页返回9PPT课件第一节第一节 MCS-51单片机的内部组成单片机的内部组成及信号引脚及信号引脚EA/VPP(31)：当：当EA端保持高电平时，访问内部程序存取端保持高电平时，访问内部程序存取器（器（4KB），但当），但当PC（程序计数器）值超过（程序计数器）值超过0FFFH时，将时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序；当自动转向执行外部程序存储器内的程序；当EA保持低电平时，保持低电平时，则只访问外部程序存储器（从则只访问外部程序存储器（从0000H地址开始），而不管微地址开始），而不管微处理器内部是否有程序存储器。处理器内部是否有程序存储器。输入输出引脚输入输出引脚P0.0P0.7（3932）：）：P0口是一个漏口是一个漏极开路型准双向极开路型准双向I/O口。在访问外部存储器时，它是分时多口。在访问外部存储器时，它是分时多路转换的地址（低路转换的地址（低8位）和数据总线，在访问期间激活了内部位）和数据总线，在访问期间激活了内部的上拉电阻。在的上拉电阻。在EPROM编程时，它接收指令字节，而在验编程时，它接收指令字节，而在验证程序时，则输出指令字节。验证时，要求外接上拉电阻。证程序时，则输出指令字节。验证时，要求外接上拉电阻。上一页 下一页返回10PPT课件第一节第一节 MCS-51单片机的内部组成单片机的内部组成及信号引脚及信号引脚P1.0P1.7（18）：）：P1口是带内部上拉电阻的口是带内部上拉电阻的8位双向位双向I/O口。在口。在EPROM编程和程序验证时，它接收低编程和程序验证时，它接收低8位地址。位地址。P2.0P2.7（2128）：）：P2口是一个带内部上拉电阻的口是一个带内部上拉电阻的8位双向位双向I/O口。在访问外部存储器时，它送出高口。在访问外部存储器时，它送出高8位地址。位地址。在对在对EFROM编程和程序验证期间，它接收高编程和程序验证期间，它接收高8位地址。位地址。P3.0P3.7（1017）：）：P3口是一个带内部上拉电阻的口是一个带内部上拉电阻的8位双向位双向I/O口。在口。在MCS-51中，这中，这8个引脚还兼有专用功个引脚还兼有专用功能。能。上一页返回11PPT课件第二节第二节 MCS-51单片机的中央处理单片机的中央处理器器CPU一、运算器一、运算器运算器包括算术逻辑部件运算器包括算术逻辑部件ALU、位处理器、累加器、位处理器、累加器A、寄存、寄存器器B、暂存器以及程序状态寄存器、暂存器以及程序状态寄存器PSW等。该模块的功能是等。该模块的功能是实现数据的算术、逻辑运算、位变量处理和数据传送等操作。实现数据的算术、逻辑运算、位变量处理和数据传送等操作。ALU的功能十分强，它不仅可对的功能十分强，它不仅可对8位变量进行逻辑位变量进行逻辑“与与”、“或或”、“异或异或”、循环、求补和清零等基本操作，还可以、循环、求补和清零等基本操作，还可以进行加、减、乘、除等基本运算。进行加、减、乘、除等基本运算。ALU还具有一般的微机还具有一般的微机ALU所不具备的功能，即位处理操作，它可以位（所不具备的功能，即位处理操作，它可以位（bit）变量）变量进行处理，如置位、清零、求补、测试转移及逻辑进行处理，如置位、清零、求补、测试转移及逻辑“与与”、“或或”等操作。等操作。下一页返回12PPT课件第二节第二节 MCS-51单片机的中央处理单片机的中央处理器器CPU由此可见，由此可见，ALU在算术运算及控制处理方面能力是很强的。在算术运算及控制处理方面能力是很强的。累加器累加器A是一个是一个8位的累加器，从功能上看，它与一般微机的位的累加器，从功能上看，它与一般微机的累加器相比没什么特别之处，但需要说明的是累加器相比没什么特别之处，但需要说明的是A的进位标志的进位标志Cy是特殊的，因为它同时又是位处理器的一位累加器。寄存是特殊的，因为它同时又是位处理器的一位累加器。寄存器器B是为执行乘法和除法操作设置的，在不执行乘、除法操是为执行乘法和除法操作设置的，在不执行乘、除法操作的一般情况下可把它当做一个普通寄存器使用。作的一般情况下可把它当做一个普通寄存器使用。MCS-51的程序状态寄存器的程序状态寄存器PSW是一个是一个8位可读写的寄存器，它的不位可读写的寄存器，它的不同位包含了程序状态的不同信息，掌握并牢记同位包含了程序状态的不同信息，掌握并牢记PSW各位的含各位的含义是十分重要的，因为在程序设计中，经常会与义是十分重要的，因为在程序设计中，经常会与PSW的各个的各个位打交道。位打交道。PSW各位的定义如各位的定义如表表2-1所示。所示。上一页 下一页返回13PPT课件第二节第二节 MCS-51单片机的中央处理单片机的中央处理器器CPU二、控制器二、控制器控制部件是微处理器的神经中枢，以主振频率位基准。控制控制部件是微处理器的神经中枢，以主振频率位基准。控制器控制器控制CPU的时序，对指令进行译码，然后发出各种控制信的时序，对指令进行译码，然后发出各种控制信号，将各个硬件环节组织在一起。号，将各个硬件环节组织在一起。CPU的时序为每个机器周的时序为每个机器周期（期（12个振荡周期）由个振荡周期）由6个状态周期组成，即个状态周期组成，即S1、S2、S6，而每个状态周期由两个时相，而每个状态周期由两个时相P1，P2组成。组成。上一页 下一页返回14PPT课件第二节第二节 MCS-51单片机的中央处理单片机的中央处理器器CPUCPU功能的强弱，主要可以用下几个指标来衡量：功能的强弱，主要可以用下几个指标来衡量：（1）内部总现宽度，也称字长、位数。位数越大运算精度越）内部总现宽度，也称字长、位数。位数越大运算精度越高，运算速度越快。高，运算速度越快。（2）指令数。指令越多、编程越灵活。）指令数。指令越多、编程越灵活。（3）执行每条指令所需时间或每秒钟平均执行指令条数，常）执行每条指令所需时间或每秒钟平均执行指令条数，常用的用的MIPS表示每秒钟执行指令的百万条数。表示每秒钟执行指令的百万条数。（4）寻址方式越多、对某一空间的寻址越灵活。）寻址方式越多、对某一空间的寻址越灵活。MCS-51有有5种寻址方式，种寻址方式，MCS-96有有6种寻址方式，种寻址方式，Z80有有6种寻址种寻址方式，方式，MC6805有有10种寻址方式。种寻址方式。上一页返回15PPT课件第三节第三节 MCS-51的内部存储器的内部存储器一、内部数据存储器的结构（一、内部数据存储器的结构（图图2-3）MCS-51数据存储器在物理上和逻辑上都分为两个地址空间：数据存储器在物理上和逻辑上都分为两个地址空间：一个内部和一个外部数据存储器空间。访问内部数据存储器，一个内部和一个外部数据存储器空间。访问内部数据存储器，用用MOV指令，访问外部数据存储器用指令，访问外部数据存储器用MOVX指令。指令。MCS-51内部数据存储器共有内部数据存储器共有128个字节单元。个字节单元。内部数据存储器的内部数据存储器的00H1FH（共（共32个单元）为个单元）为4个寄存器个寄存器工作区，每区工作区，每区8个寄存器，表示为个寄存器，表示为R0R7，如，如表表2-2所示。所示。由于每个寄存器区的由于每个寄存器区的8个寄存器都记为个寄存器都记为R0R7，因此每次只，因此每次只能选择一个寄存器区工作。寄存器工作区的选择是通过状态能选择一个寄存器区工作。寄存器工作区的选择是通过状态标志寄存器标志寄存器PSW的第的第3、4位，即位，即RS1、RS0进行。进行。下一页返回16PPT课件第三节第三节 MCS-51的内部存储器的内部存储器内部数据存储器内部数据存储器20H2FH（16个单元）既可按字节寻址，个单元）既可按字节寻址，作为一般工作单元，又可以按位作为一般工作单元，又可以按位CPU直接寻址，进行位操作。直接寻址，进行位操作。二、堆栈及堆栈指示器二、堆栈及堆栈指示器堆栈实际上是一种数据结构（如堆栈实际上是一种数据结构（如图图2-4所示），是只允许在所示），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。数据写入堆栈称为压入运算（栈称为压入运算（PUSH），也叫入栈。数据从堆栈中读出），也叫入栈。数据从堆栈中读出称之为弹出运算（称之为弹出运算（POP），也叫出栈。堆栈的最大特点就是），也叫出栈。堆栈的最大特点就是“后进先出后进先出”的数据操作规则，常把的数据操作规则，常把“后进先出后进先出”写为写为LIFO（Last-In.First-Out），即先入栈的数据存放在栈），即先入栈的数据存放在栈的底部。堆栈有两种类型的底部。堆栈有两种类型:向上生长型和向下生长型。向上生长型和向下生长型。上一页 下一页返回17PPT课件第三节第三节 MCS-51的内部存储器的内部存储器不论是数据进栈还是数据出栈，都是对堆栈的栈顶单元进行不论是数据进栈还是数据出栈，都是对堆栈的栈顶单元进行的，即对栈顶单元的写和读操作。为了指示栈顶地址，要设的，即对栈顶单元的写和读操作。为了指示栈顶地址，要设置堆栈指示器置堆栈指示器SP，其内容就是堆栈栈顶的存储单元地址。，其内容就是堆栈栈顶的存储单元地址。MCS-51系列微处理器的堆栈是以栈顶满的形式工作的。在系列微处理器的堆栈是以栈顶满的形式工作的。在执行执行PUSH期间，压入数据前，期间，压入数据前，SP加加1；反之，在执行；反之，在执行POP期间，弹出数据前，期间，弹出数据前，SP减减1.SP宽为宽为8位。由于堆栈指针可以位。由于堆栈指针可以由指令改变，因此堆栈可以设置在片内由指令改变，因此堆栈可以设置在片内RAM中任一连续空间中任一连续空间内。复位后，内。复位后，SP初始化值位初始化值位07H，所以，堆栈从，所以，堆栈从08H单元单元开始。开始。上一页 下一页返回18PPT课件第三节第三节 MCS-51的内部存储器的内部存储器三、程序存储器三、程序存储器程序存储器空间为程序存储器空间为0000HFFFFH，共，共64KB，其结构如，其结构如图图2-5所示。其中低所示。其中低4KB（0000H-0FFFH）可以在单片）可以在单片机外部（机外部（8031），也可以在内部（），也可以在内部（8051、8751）。对没）。对没有片内有片内ROM的的8031，只要在硬件设计时使，只要在硬件设计时使 ，就，就可以使程序执行始终在外部可以使程序执行始终在外部ROM中进行；对有片内中进行；对有片内ROM的的8051和和8751，只要在硬件设计时使，只要在硬件设计时使 ，程序开始执，程序开始执行的前行的前4KB总是在片内总是在片内ROM中，超过中，超过0FFFH（4KB）时，）时，在片外在片外ROM中。中。上一页 下一页返回19PPT课件第三节第三节 MCS-51的内部存储器的内部存储器无论无论 ，还是，还是 ，都由，都由16位程序计数器（位程序计数器（PC）作为寻址装置。在整个程序存储器的作为寻址装置。在整个程序存储器的64KB空间中，空间中，0000H0023H空间只能用于存放中断服务子程序的向量空间只能用于存放中断服务子程序的向量地址，还有一组特殊单元是地址，还有一组特殊单元是0003H002AH，共，共40个单元个单元。这。这40个单元被均匀地分为五段，作为五个中断源的中断地个单元被均匀地分为五段，作为五个中断源的中断地址，如址，如表表2-3所示。所示。上一页返回20PPT课件第四节第四节 I/O端口、时钟电路与时序端口、时钟电路与时序一、一、MCS-51的的I/O端口端口输入输入/输出口也称为输出口也称为I/O端口。端口。MCS-51单片机的四个单片机的四个I/O端口都是端口都是8位双向口，这些端口在结构和特性上是基本相同的，位双向口，这些端口在结构和特性上是基本相同的，但又各具特点。但又各具特点。I/O端口的作用在单片机中是一个集数据输端口的作用在单片机中是一个集数据输入缓冲、数据输出驱动及锁存等多项功能为一体的电路。入缓冲、数据输出驱动及锁存等多项功能为一体的电路。8051共有共有32根引脚全部为根引脚全部为I/O端口，分为端口，分为4个个8位口。位口。8051单片机的单片机的4个端口都是双向的，每个端口都包含锁存器个端口都是双向的，每个端口都包含锁存器（特殊功能寄存器中（特殊功能寄存器中P0P3，地址分别为，地址分别为80H、90H、0A0H、0B0H）、输出驱动器和输入缓冲器。）、输出驱动器和输入缓冲器。下一页返回21PPT课件第四节第四节 I/O端口、时钟电路与时序端口、时钟电路与时序每个端口的每一根引脚都可以独立地用作输入或输出引脚。每个端口的每一根引脚都可以独立地用作输入或输出引脚。P0端口是三态双向端口，称为数据总线端口，因为只有该端端口是三态双向端口，称为数据总线端口，因为只有该端口能直接用于对外部存储器的读口能直接用于对外部存储器的读/写数据操作。写数据操作。P0端口还用端口还用以输出外部存储器的低以输出外部存储器的低8位地址。位地址。P1端口是端口是8位准双向端口，位准双向端口，作通用作通用I/O端口使用，在输出驱动器部分，端口使用，在输出驱动器部分，P1端口有别于端口有别于P0端口，它接有内部上拉电阻。端口，它接有内部上拉电阻。P1端口的每一位可以独立端口的每一位可以独立地定义为输入或者输出，因此，地定义为输入或者输出，因此，P1端口既可以作为端口既可以作为8位并行位并行I/O端口，又可作为端口，又可作为8位位I/O端口。端口。上一页 下一页返回22PPT课件第四节第四节 I/O端口、时钟电路与时序端口、时钟电路与时序P2端口是端口是8位准双向位准双向I/O端口，端口，P2端口可作通用端口可作通用I/O端口使端口使用。用。P2端口电路中比端口电路中比P1端口多了一个多路转换电路端口多了一个多路转换电路MUX，这又正好与这又正好与P0端口一样。但通常应用情况下，端口一样。但通常应用情况下，P2端口是作端口是作为高位地址线使用，此时多路转换开关应倒向相反方向。当为高位地址线使用，此时多路转换开关应倒向相反方向。当外接程序存储数据时，外接程序存储数据时，P3端口给出地址的高端口给出地址的高8位，此时不能位，此时不能用作通用用作通用I/O端口。端口。P3端口是一个端口是一个8位的准双向位的准双向I/O端口。端口。它具有多种功能：可以作为一般准双向它具有多种功能：可以作为一般准双向I/O端口，具有字节端口，具有字节操作和位操作两种工作方式；也可以用操作和位操作两种工作方式；也可以用8条条I/O线独立地作线独立地作为串行为串行I/O端口和其他控制信号。端口和其他控制信号。上一页 下一页返回23PPT课件第四节第四节 I/O端口、时钟电路与时序端口、时钟电路与时序P1、P2、P3口的输出缓冲器可驱动口的输出缓冲器可驱动4个个TTL电路。对于电路。对于HMOS芯片单片机的芯片单片机的I/O口，在正常情况下，可任意由口，在正常情况下，可任意由TTL或或NMOS电路驱动。电路驱动。HMOS及及CMOS型单片机的型单片机的I/O由集由集电极开路或漏极开路的输出来驱动时，不必外加上拉电阻。电极开路或漏极开路的输出来驱动时，不必外加上拉电阻。P0端口输出缓冲器能驱动端口输出缓冲器能驱动8个个TTL电路，驱动电路，驱动MOS电路须外电路须外接上拉电阻，但接上拉电阻，但P0端口用作地址端口用作地址/数据总线时，可直接驱动数据总线时，可直接驱动MOS的输入而不必外加上拉电阻。如果的输入而不必外加上拉电阻。如果MCS-51本书的本书的I/O端口不能满足用户需要时，可以扩展端口不能满足用户需要时，可以扩展I/O端口，端口，MCS-51单片机外部单片机外部RAM存储器和外部扩展的存储器和外部扩展的I/O端口是同一编端口是同一编址的，址的，CPU对它们的操作指令也相同，在外部对它们的操作指令也相同，在外部64KB的的RAM空间内，可以划出一个区域作为扩展空间内，可以划出一个区域作为扩展I/O端口的地址空端口的地址空间，因此间，因此I/O端口的扩展几乎是不受限制的。端口的扩展几乎是不受限制的。上一页 下一页返回24PPT课件第四节第四节 I/O端口、时钟电路与时序端口、时钟电路与时序二、时钟电路二、时钟电路MCS-51单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡方式和外部振荡方式。在引脚振荡方式和外部振荡方式。在引脚XTAL1和和XTAL2外接晶外接晶体振荡器或陶瓷谐振器，就构成了内部振荡方式。由于单片体振荡器或陶瓷谐振器，就构成了内部振荡方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。两种不同的时钟电路如自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。两种不同的时钟电路如图图2-6所示。所示。上一页 下一页返回25PPT课件第四节第四节 I/O端口、时钟电路与时序端口、时钟电路与时序对于内部振荡方式的外部电路，电容器对于内部振荡方式的外部电路，电容器C1、C2起稳定振荡起稳定振荡频率、快速起振的作用，其电容值一般在频率、快速起振的作用，其电容值一般在530pF。晶振频。晶振频率的典型值位率的典型值位12MHz，采用，采用6MHz的情况也比较多。内部的情况也比较多。内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定，实用电路中使用较多。振荡方式所得的时钟信号比较稳定，实用电路中使用较多。外部振荡方式是把外部已有的时钟信号引入单片机内。这种外部振荡方式是把外部已有的时钟信号引入单片机内。这种方式适宜来使单片机的时钟与外部信号保持同步。外部振荡方式适宜来使单片机的时钟与外部信号保持同步。外部振荡信号由信号由XTAL2引入，引入，XTAL1接地。为了提高输入电路的驱接地。为了提高输入电路的驱动能力，通常使外部信号经过一个带有上拉电阻的动能力，通常使外部信号经过一个带有上拉电阻的TTL反相反相门后介入门后介入XTAL2。上一页 下一页返回26PPT课件第四节第四节 I/O端口、时钟电路与时序端口、时钟电路与时序三、基本时序单位三、基本时序单位时序是用定是单位来说明的。时序是用定是单位来说明的。MCS-51的时序定时单位共有的时序定时单位共有4个，从小到大依次是：拍节、状态、机器周期和指令周期。个，从小到大依次是：拍节、状态、机器周期和指令周期。把振荡脉冲的周期定义为拍节（用把振荡脉冲的周期定义为拍节（用P表示）。振荡脉冲经过二表示）。振荡脉冲经过二分频后，就是单片机的时钟信号，把时钟信号的周期定义为分频后，就是单片机的时钟信号，把时钟信号的周期定义为状态状态s。一个状态包含两个拍节，其前半周期对应的拍节叫拍。一个状态包含两个拍节，其前半周期对应的拍节叫拍节节1（P1），后半周期对应的拍节叫拍节），后半周期对应的拍节叫拍节2（P2）。）。上一页 下一页返回27PPT课件第四节第四节 I/O端口、时钟电路与时序端口、时钟电路与时序MCS-51采用定时控制方式，因此它有固定的机器周期。一采用定时控制方式，因此它有固定的机器周期。一个机器周期总共有个机器周期总共有12个拍节，分别记作个拍节，分别记作s1p1，s1p2，s16p2。由于一个机器周期共有。由于一个机器周期共有12个振荡脉冲周期，个振荡脉冲周期，因此机器周期就是振荡脉冲的因此机器周期就是振荡脉冲的12分频，当振荡脉冲频率为分频，当振荡脉冲频率为12MHz时，一个机器周期为时，一个机器周期为1s s当振荡脉冲频率为当振荡脉冲频率为6MHz时，一个机器周期为时，一个机器周期为2s.s.指令周期是最大的时序定时单位，指令周期是最大的时序定时单位，执行一条指令所需要的时间称之为指令周期。执行一条指令所需要的时间称之为指令周期。MCS-51MCS-51的指令的指令周期根据指令的不同，可包含有一至四个机器周期。周期根据指令的不同，可包含有一至四个机器周期。上一页返回28PPT课件第五节第五节 MCS-51单片机工作方式单片机工作方式一、复位方式一、复位方式当当MCS-51系列单片机的复位引脚系列单片机的复位引脚RST（全称（全称RESET）出）出现现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。根据应持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：上电复位和上电用的要求，复位操作通常有两种基本形式：上电复位和上电或开关复位。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。或开关复位。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。上电或开关复位要求电源接通后，单片机自动复位，并且在上电或开关复位要求电源接通后，单片机自动复位，并且在单片机运行期间，用开关操作也能使单片机复位。单片机运行期间，用开关操作也能使单片机复位。下一页返回29PPT课件第五节第五节 MCS-51单片机工作方式单片机工作方式上电后，由于电容的充电和反相门的作用，使上电后，由于电容的充电和反相门的作用，使RST持续一段持续一段时间的高电平。当单片机已在运行当中时，按下复位键时间的高电平。当单片机已在运行当中时，按下复位键K后后松开，也能使松开，也能使RST为一段时间的高电平，从而实现上电或开为一段时间的高电平，从而实现上电或开关复位的操作。关复位的操作。根据时间操作的经验，可以依据实际情况给出这两种复位电根据时间操作的经验，可以依据实际情况给出这两种复位电路的电容、电阻参考值。通常的复位逻辑电路如路的电容、电阻参考值。通常的复位逻辑电路如图图2-7所示。所示。上一页 下一页返回30PPT课件第五节第五节 MCS-51单片机工作方式单片机工作方式二、程序执行方式二、程序执行方式单片机上电复位和上电或开关复位后，单片机便可进入连续单片机上电复位和上电或开关复位后，单片机便可进入连续执行程序的状态。由于复位时已把执行程序的状态。由于复位时已把PC值清零。所以，程序将值清零。所以，程序将从从0000H单元开始执行。如果用户需要从别的起始地址开始单元开始执行。如果用户需要从别的起始地址开始执行程序，则必须先把该起始地址输入单片机，然后才能从执行程序，则必须先把该起始地址输入单片机，然后才能从该起始地址开始执行。单片机从执行程序开始除非遇到设定该起始地址开始执行。单片机从执行程序开始除非遇到设定断点或软件出现故障，否则中途不会停止，一直至程序执行断点或软件出现故障，否则中途不会停止，一直至程序执行完为止。完为止。上一页 下一页返回31PPT课件第五节第五节 MCS-51单片机工作方式单片机工作方式三、低功耗方式三、低功耗方式8051在掉电保护情况下，由备用电源给单片机低功耗供电，在掉电保护情况下，由备用电源给单片机低功耗供电，因此掉电保护方式实际上就进入了低功耗方式。但与因此掉电保护方式实际上就进入了低功耗方式。但与HMOS的的8051不同，不同，CHMOS的的80C51却有两种低功耗方式，即却有两种低功耗方式，即待机方式和进入掉电保护方式。待机方式和进入掉电保护方式。要想使单片机进入待机或掉电保护方式，只要执行一条能使要想使单片机进入待机或掉电保护方式，只要执行一条能使IDL或或PD位为位为1的指令就可以完成。如果使用指令使的指令就可以完成。如果使用指令使PCON寄存器寄存器IDL位置位置1，则，则80C51即进入待机方式。这是振荡器即进入待机方式。这是振荡器仍然运行，并向中断逻辑、串行口和定时器仍然运行，并向中断逻辑、串行口和定时器/计数器电路提供计数器电路提供时钟，但向时钟，但向CPU提供时钟的电路被阻断，因此提供时钟的电路被阻断，因此CPU不能工作，不能工作，与与CPU有关的如有关的如SP、PC、PWS、ACC以及全部通用寄存以及全部通用寄存器也都被器也都被“冻结冻结”在原状态。在待机方式下，中断功能继续在原状态。在待机方式下，中断功能继续存在。存在。上一页 下一页返回32PPT课件第五节第五节 MCS-51单片机工作方式单片机工作方式四、掉电保护方式四、掉电保护方式单片机系统在运行过程中，如发生掉电故障，将会丢失单片机系统在运行过程中，如发生掉电故障，将会丢失RAM和寄存器中的程序和数据，其后果有时是很严重的。为此和寄存器中的程序和数据，其后果有时是很严重的。为此MCS-51单片机设置有掉电保护措施，进行掉电保护处理，单片机设置有掉电保护措施，进行掉电保护处理，具体做法是，先把有用信息转存，然后再启用备用电源维持具体做法是，先把有用信息转存，然后再启用备用电源维持供电。供电。所谓信息转存是指当电源出现故障时，应立即将系统的有用所谓信息转存是指当电源出现故障时，应立即将系统的有用信息转存到内部信息转存到内部RAM中。信息转存是通过中断服务程序完成中。信息转存是通过中断服务程序完成的。的。信息转存后还应维持内部信息转存后还应维持内部RAM的供电，才能保护转存信息不的供电，才能保护转存信息不被破坏。为此，系统应装有备用电源，并在掉电后立即接通被破坏。为此，系统应装有备用电源，并在掉电后立即接通备用电源。备用电源由单片机的备用电源。备用电源由单片机的RST/VPD引脚引入。引脚引入。上一页返回33PPT课件第六节第六节 MCS-51单片机的存储器单片机的存储器一、存储器的分类一、存储器的分类程序存储器一般采用只读存储器，因为这种存储器在电源关程序存储器一般采用只读存储器，因为这种存储器在电源关断后，仍能保存程序，在系统上电后，断后，仍能保存程序，在系统上电后，CPU可取出这些指令可取出这些指令予以重新执行。予以重新执行。数据存储器一般采用数据存储器一般采用RAM芯片，这种存储器在电源关断后，芯片，这种存储器在电源关断后，存储的数据将全部丢失。存储的数据将全部丢失。RAM器件有两类，即静态器件有两类，即静态RAM(SRAM)和动态和动态RAM(DRAM)。另外，随着时代的发展还出现了许多新的或特殊的存储器。另外，随着时代的发展还出现了许多新的或特殊的存储器。下一页返回34PPT课件第六节第六节 MCS-51单片机的存储器单片机的存储器二、扩展存储器的编址二、扩展存储器的编址所谓存储器编址，就是使用系统提供的地址线，通过适当连所谓存储器编址，就是使用系统提供的地址线，通过适当连接，最终达到一个编址唯一对应存储器中一个存储单元的目接，最终达到一个编址唯一对应存储器中一个存储单元的目的。由于存储器通常都是由多片存储芯片组成的，为此存储的。由于存储器通常都是由多片存储芯片组成的，为此存储器编址分为两个层次，即存储芯片的选择和芯片内部存储单器编址分为两个层次，即存储芯片的选择和芯片内部存储单元的选择。芯片的选择比较复杂，所谓的存储器编址，实际元的选择。芯片的选择比较复杂，所谓的存储器编址，实际上主要是研究芯片的选择问题。总的来说，芯片的选择共有上主要是研究芯片的选择问题。总的来说，芯片的选择共有两种方法：译码法和线选法。两种方法：译码法和线选法。上一页 下一页返回35PPT课件第六节第六节 MCS-51单片机的存储器单片机的存储器所谓译码法就是使用译码器对系统的高位地址进行译码，以所谓译码法就是使用译码器对系统的高位地址进行译码，以其译码输出作为存储芯片的片选信号。这是一种常用的存储其译码输出作为存储芯片的片选信号。这是一种常用的存储器编址方法，能有效地利用存储空间，适用于大容量多芯片器编址方法，能有效地利用存储空间，适用于大容量多芯片存储器扩展。译码电路可以使用现有的译码器芯片，存储器扩展。译码电路可以使用现有的译码器芯片，图图2-8位译码器芯片，位译码器芯片，表表2-4为真值表。常用的译码形式有为真值表。常用的译码形式有2-4译译码，码，3-8译码以及译码以及4-16译码等。译码等。上一页 下一页返回36PPT课件第六节第六节 MCS-51单片机的存储器单片机的存储器三、程序存储器的扩展三、程序存储器的扩展程序存储器扩展使用只读存储器芯片，只读存储器简称为程序存储器扩展使用只读存储器芯片，只读存储器简称为ROM。MCS-51单片机程序存储器的寻址空间为单片机程序存储器的寻址空间为64KB，对于对于8051/8751片内程序存储器为片内程序存储器为4KB的的ROM或或EPROM，在单片机的应用系统中，片内的存储容量往往不，在单片机的应用系统中，片内的存储容量往往不够，特别是够，特别是8031，片内没有程序存储器，必须外扩程序存，片内没有程序存储器，必须外扩程序存储器。储器。图图2-9为程序存储器的扩展图。为程序存储器的扩展图。上一页 下一页返回37PPT课件第六节第六节 MCS-51单片机的存储器单片机的存储器CPU在由外部程序存储器取指令时，在由外部程序存储器取指令时，16位地址的低位地址的低8位位（PCL）由）由P0口输出，高口输出，高8位（位（PCH）由）由P2口输出，而指令口输出，而指令的的8位指令码而通过位指令码而通过P0口输入。口输入。CPU读取的指令有两种情况：读取的指令有两种情况：一是不访问数据存储器的指令；二是访问数据存储器的指令。一是不访问数据存储器的指令；二是访问数据存储器的指令。在不执行在不执行MOVEX指令时，指令时，P2口专门用于输出口专门用于输出PCH中的内容，中的内容，因有锁存功能，可直接与外部存储器的地址线相连。因有锁存功能，可直接与外部存储器的地址线相连。P0口除口除了输出了输出PCL中的内容外，还要输入指令，所以，必须用中的内容外，还要输入指令，所以，必须用ALE信信号锁存号锁存PCL。在每个机器周期中，允许地址锁存信号。在每个机器周期中，允许地址锁存信号ALE两次两次有效，且在下降沿时锁存有效，且在下降沿时锁存PCL。ALE信号的频率是振荡频率的信号的频率是振荡频率的1/6，可用来做外部时钟和定时时钟。对，可用来做外部时钟和定时时钟。对 而言，也是每而言，也是每个机器中期两次有效，适用于选通外部程序存储器，使指令由个机器中期两次有效，适用于选通外部程序存储器，使指令由P0口进入片内。口进入片内。上一页 下一页返回38PPT课件第六节第六节 MCS-51单片机的存储器单片机的存储器MCS-51单片机应用系统中使用得最多的单片机应用系统中使用得最多的EPROM程序存储程序存储器时器时Intel公司典型的公司典型的27系列芯片，如系列芯片，如2764、27128和和27512等芯片。等芯片。EPROM一般都有五种工作方式：一般都有五种工作方式：（1）读方式：一般系统工作在这种方式。进入这种方式的条）读方式：一般系统工作在这种方式。进入这种方式的条件是使片选控制线为低，同时让输出允许控制线件是使片选控制线为低，同时让输出允许控制线 为低，为低，就可将指定地址单元的内容从数据总线上读出。就可将指定地址单元的内容从数据总线上读出。（2）维持方式：当片选控制）维持方式：当片选控制 为高电平时，芯片进入维为高电平时，芯片进入维持方式，这时输出高阻抗悬浮状态，不占用数据总线。持方式，这时输出高阻抗悬浮状态，不占用数据总线。上一页 下一页返回39PPT课件第六节第六节 MCS-51单片机的存储器单片机的存储器（3）编程方式：在）编程方式：在Vpp端加上规定好的高压，端加上规定好的高压，和和 端端加上合适的电平，就能将数据线上的数据固化到指定的地址加上合适的电平，就能将数据线上的数据固化到指定的地址单元。单元。（4）编程校核方式：在）编程校核方式：在Vpp端保持相应的高压，再按读出端保持相应的高压，再按读出方式操作，读出编程固化好的内容，以校核写入的内容是否方式操作，读出编程固化好的内容，以校核写入的内容是否正确。正确。（5）编程禁止方式：当片选信号面无效时，输出呈高阻状态。）编程禁止方式：当片选信号面无效时，输出呈高阻状态。上一页 下一页返回40PPT课件第六节第六节 MCS-51单片机的存储器单片机的存储器四、数据存取器的扩展四、数据存取器的扩展MCS-51芯片内部具有芯片内部具有128B空间的空间的RAM存储器，它们可以存储器，它们可以作为寄存器、堆栈、数据缓冲器。作为寄存器、堆栈、数据缓冲器。CPU对其内部对其内部RAM有丰有丰富的操作指令，因此这个富的操作指令，因此这个RAM是十分珍贵的资源。在许多系是十分珍贵的资源。在许多系统中，仅仅片内的统中，仅仅片内的RAM存储器往往不够，在这种情况下，可存储器往往不够，在这种情况下，可以扩展外部数据存储器。以扩展外部数据存储器。图图2-11给出了单片机扩展给出了单片机扩展RAM的电路结构。图中的电路结构。图中P0口分时口分时传动传动RAM的低的低8位地址和数据，位地址和数据，P2口为高口为高8位地址线，用于位地址线，用于对对RAM进行页寻址。在外部进行页寻址。在外部RAM读读/写周期，写周期，CPU产生读产生读写选通信号。写选通信号。上一页 下一页返回41PPT课件第六节第六节 MCS-51单片机的存储器单片机的存储器外部数据存储器读写的时序通常是，在其读周期中，外部数据存储器读写的时序通常是，在其读周期中，P2口输口输出外部出外部RAM单元的高单元的高8位地址，位地址，P0口分时传送低口分时传送低8位地址及位地址及数据。当地址锁存允许信号数据。当地址锁存允许信号ALE为高电平时，为高电平时，P0口输出的地口输出的地址信息有效，址信息有效，ALE的下降沿将此地址打入外部地址锁存器，的下降沿将此地址打入外部地址锁存器，接着接着P0口变为输入方式，读信号有效，选通外部口变为输入方式，读信号有效，选通外部RAM，相，相应存储单元的内容出现在应存储单元的内容出现在P0口，由口，由CPU读入累加器。外部数读入累加器。外部数据存储器写周期波形，其操作过程与读周期类似。写操作时，据存储器写周期波形，其操作过程与读周期类似。写操作时，在在ALE下降为低电平以后，写信号才有效，下降为低电平以后，写信号才有效，P0口上出现的数口上出现的数据写入相应的据写入相应的RAM单元。单元。上一页返回42PPT课件图图2-1 8051单片机的组成结构图单片机的组成结构图返回43PPT课件图图2-2 8051单片机的引脚信号单片机的引脚信号返回44PPT课件表表2-1 PSW状态字的组成状态字的组成返回45PPT课件图图2-3 MCS-51内部数据区内部数据区返回46PPT课件表表2-2 寄存器工作区的分配寄存器工作区的分配返回47PPT课件图图2-4 堆栈的结构堆栈的结构返回48PPT课件图图2-5 程序存储器的结构程序存储器的结构返回49PPT课件表表2-3 中断向量的入口地址中断向量的入口地址返回50PPT课件图图2-6 内部和外部时钟电路内部和外部时钟电路返回51PPT课件图图2-7 复位电路逻辑图复位电路逻辑图返回52PPT课件图图2-8 译码器芯片译码器芯片返回53PPT课件表表2-4 真值表真值表返回54PPT课件图图2-9 程序存储器的扩展图程序存储器的扩展图返回55PPT课件图图2-11 外部数据存储器的扩展外部数据存储器的扩展返回56PPT课件