第1章-MCS-51单片机结构课件

嵌入式系统技术基础彭周华11.1 MCS-51单片机内部结构1.2 存 储 器1.3 特殊功能寄存器1.4 时钟电路与复位电路 1.5 引脚功能1.6 小 结 第1章 MCS-51单片机结构2nMCS-51系列单片机型号：普通型普通型（5151子系列）子系列）80318031、80518051、87518751、89C5189C51、89S5189S51等。等。增强型增强型（5252子系列）子系列）8032、8052、8752、89C52、89S52等。n它们的结构基本相同，其主要差别反映在存储器的配置上。增强型的存储容量为普通型的一倍。n本课以 8XX51 系列的单片机为代表讲授。1.1 MCS-51 单片机内部结构80318031：片内片内没有没有程序存储器程序存储器80518051：内部有内部有4KB4KB的掩模的掩模ROMROM程序存储器程序存储器87518751：内部有内部有4KB 4KB EPROMEPROM89C51:89C51:有有4KB4KB的的FLASHFLASH EEPROM EEPROM89S5189S51：有：有4KB4KB的的FLASH EEPROMFLASH EEPROM，可在线编程可在线编程31.1 MCS-51 单片机内部结构P3P1 P2 可编程可编程 串行串行I/O口口P0外部中断外部中断基准频率源基准频率源控制控制 128B数据存储器数据存储器CPU 4KB程序存储器程序存储器 2个个16位位定时定时/计数器计数器 64KB总线扩展控制总线扩展控制 可编程可编程并行并行I/O口口内部中断内部中断计数脉冲计数脉冲串行输出串行输出串行输入串行输入振荡器及振荡器及时钟时钟电路电路4nCPU是单片机的核心部件，由运算器和控制器等部件组成 1.1.1.1.运算器运算器运算器运算器 运算器的功能：算术运算：加、减、乘、除、加1、减1、比较、BCD码十进制调整等。逻辑运算：与、或、异或、求反、循环等逻辑操作。位操作：内部有布尔处理器，它以进位标志位C为位累加器，用来处理位操作。置 1、清0、取反、位判断等。1.1.2 CPU52.2.2.2.程序计数器程序计数器程序计数器程序计数器PCPCPCPCn程序计数器PC是16位的寄存器，用来存放即将要执行的指令地址，可对64KB程序存储器直接寻址。n执行指令时，PC内容的低8位经P0口输出，高8位经P2口输出。1.1.2 CPU3.3.指令寄存器指令寄存器指令寄存器指令寄存器n指令寄存器中存放指令代码。nCPU执行指令时，将程序存储器中读取的指令代码送入指令存储器，经指令译码器译码后，由时钟与控制电路发出相应的控制信号，完成指令功能。61.1.1.1.存储器结构存储器结构存储器结构存储器结构n用于存放程序和数据。n存储器由许多单元组成，每个单元有一个编号（地址）。n一个单元存放一个8位二进制数（内容），当一个数据多于8位时，就需要多个单元来存放。1.2 存 储 器FFH90H02H00H01H 3AH00H78H7n存储器分为两种类型ROM：用来存放程序、常数-程序存储器程序存储器；RAM：存放程序运行中所需的变量或运算结果-数据存储器数据存储器1.2 存 储 器82.2.2.2.存储器地址空间的两种结构形式存储器地址空间的两种结构形式存储器地址空间的两种结构形式存储器地址空间的两种结构形式n普林斯顿结构：只有一个地址空间，RAM和ROM安排在一个空间的不同区域，CPU访问RAM和访问ROM使用相同的指令。如8086、奔腾系列微机、ARM7。1.2 存 储 器FFFFHRAMROM0000H9冯-诺依曼(1903-1957)n哈佛结构：RAM和ROM有两个不同的地址空间，RAM和ROM可以有相同的地址，CPU访问RAM和访问ROM使用不同的指令、不同的控制信号。如51系列单片机,ARM9 1.2 存 储 器FFFFHRAM0000HFFFFHROM0000H10哈佛结构（Harvard）是哈佛大学物理学家AHoward于1930年提出来的。2.2.2.2.MCS-51 MCS-51 MCS-51 MCS-51的存储器结构的存储器结构的存储器结构的存储器结构n从物理空间看，MCS-51单片机有四个存储器地址空间 片内数据存储器、片内程序存储器片外数据存储器、片外程序存储器1.2 存 储 器 8XX51内部数据存储器内部数据存储器内部程序存储器内部程序存储器外部程序存储器外部程序存储器 (ROM)(ROM)外部数据存储器外部数据存储器(RAM)(RAM)MCS-51存储器物理结构11n从逻辑上看,MCS-51有三个存储器空间：片内数据存储器片外数据存储器片内、片外的程序存储器（统一编址）1.2 存 储 器内部程序内部程序内部程序内部程序 存储器存储器存储器存储器内部数据内部数据存储器存储器8XX5100H7FH0FFFH0000H1000H外部程序外部程序外部程序外部程序 存储器存储器存储器存储器 (ROM)(ROM)FFFFH0000H外部数据外部数据 存储器存储器 (RAM)(RAM)FFFFH(EA=1)内部数据内部数据 存储器存储器8XX5100H7FH0000H外部程序外部程序外部程序外部程序 存储器存储器存储器存储器 (ROM)(ROM)(ROM)(ROM)FFFFH0000H外部数据外部数据外部数据外部数据存储器存储器存储器存储器 (RAM)(RAM)FFFFH(EA=0)图1.3 MCS-51单片机的存储器逻辑结构12程序存储器程序存储器程序存储器程序存储器n用来存放编制好的始终保留的固定程序、表格、常数。程序存储器以程序计数器PC作为地址指针，通过16位地址总线，可寻址的地址空间为64KB。n在8051/8751/89C51片内，分别内置最低地址空间的4KB ROM/EPROM程序存储器。n在8031片内，则无内部程序存储器，必须外部扩展EPROM（外部程序存储器）。1.2.1程序存储器13n8031单片机无内部程序存储器，地址从0000HFFFFH都是外部程序存储空间。EA引脚应始终接地。n访问外部程序存储器使用MOVC指令。n对于内部有ROM的单片机,EA引脚接高电平，使程序从内部ROM开始执行。当PC值超出内部ROM的容量时，会自动转向外部程序存储器空间。外部程序存储器地址空间为1000HFFFFH。1.2.1程序存储器14n51系列单片机执行程序时，由程序计数器PC指示指令地址，单片机复位后，PC=0000H，因此系统从0000H单元开始取指令，并执行程序。地址 用途 0000H 复位操作后的程序入口 0003H 外部中断0服务程序入口 000BH 定时器0中断服务程序入口 0013H 外部中断1服务程序入口 001BH 定时器1中断服务程序入口 0023H 串行口中断服务程序入口1.2.1 程序存储器15nMCS-51单片机最多可扩展64KB外部数据存储器(RAM)和外部I/O端口地址。nMCS-51单片机的外部数据存储器和外部I/O端口实行统一编址，并使用相同的RD,WR作选通控制信号，均使用MOVX指令访问。1.2.2 外部数据存储器16n内部数据存储器是使用最多的地址空间，所有操作指令（算术运算、逻辑运算、位操作运算等）的操作数只能存储在此地址空间或特殊功能寄存器地址空间中。n51系列单片机，只有128BRAM，地址00H7FH，80HFFH 为SFR（特殊功能寄存器）地址空间。1.2.2 内部数据存储器8XX51基本型00H7FH80HFFH内部内部内部内部 RAMRAM特殊功特殊功特殊功特殊功能寄存能寄存能寄存能寄存器器器器SFRSFR17n52 系列单片机（增强型），有256BRAM，地址00HFFH，高128字节RAM和SFR的地址重合。1.2.2 内部数据存储器8XX528XX52增强型增强型80HFFH特殊功特殊功能寄存能寄存器器SFRSFR地址重合00H7FH80HFFH内部内部内部内部 RAMRAM内部内部内部内部RAMRAM18n靠寻址方式来区分访问的区域：高128B RAM采用寄存器间接寻址方式；SFR只能采用直接寻址方式；低128B RAM两种方式均可。n地址范围为007FH的低128BRAM使用分配如表1.1。1.2.3 内部数据存储器191.地址01FH为寄存器区n分四组（03组），每组有8个寄存器R0R7。用途：作通用寄存器R0R7。R0与R1可作间址寄存器使用。1.2.3 内部RAM-寄存器区注意：32个单元的寄存器区分为四组，使用时只能选其中一组寄存器。一旦选中一组，其它三组只能作为通用RAM使用，而不能作为寄存器使用。21n寄存器的选组由程序状态字PSW的RS1和RS0位定。RS1 RS0 选寄存器组 0 0 0组 0 1 1组 1 0 2组 1 1 3组 n初始化时或复位时，自动选中0组。n设置多组寄存器可以方便保护现场1.2.3内部RAM-寄存器区222.地址20H2FH为位地址区n 共16个单元，每单元有八个位，共128位，每位有一个位地址，位地址范围为00H7FH，该区既可位寻址，又可字节寻址。如 MOV 20H，C(这里C是Cy进位标志位），该指令是将Cy内容送20H位,如果Cy1，位20H值为“1”。而MOV A，20H是将地址为20H单元的内容送至累加器A。1.2.3内部RAM-位地址区233.除选中的寄存器组以外的存储器还可以作为通用RAM区（30H-7FH）注意：n未选中的寄存器区与位地址区可以作为通用RAM.n在通用RAM区开辟堆栈区8XX51单片机的设在内部RAM区，深度不大于128字节初始化时堆栈指针SP指向07H。1.2.3内部RAM-通用RAM区24P2,P5,P7,P8n51单片机共有21个字节的特殊功能寄存器(SFR Special Function Register）(80H-FFH)1.1.用途：用途：n设置电路运行方式，记录电路运行状态，并表明相关标志，并行和串行I/O端口映射到特殊功能寄存器。2.2.地址空间：地址空间：n21个SFR不连续地分布在80HFFH128个字节地址空间。1.3特殊功能寄存器251-261.3特殊功能寄存器2721个特殊功能寄存器的名称及主要功能:1.A-Accumulator-累加器:带有全零标志Z，A=0则Z=1；A0则Z=0。该标志常用于程序分支转移的判断条件。2.B-寄存器:常用于乘除法运算。3.PSW-Program Status Word-程序状态字:主要起着标志寄存器的作用，其8位定义见表1-2。1.3特殊功能寄存器 D7 D7 D6 D6 D5 D5 D4 D4 D3 D3 D2 D2 D1 D1 D0 D0 CY CY AC AC F0 F0RS1RS1RS0RS0OVOV P P位名称位名称位地址位地址281.3特殊功能寄存器 D7 D7 D6 D6 D5 D5 D4 D4 D3 D3 D2 D2 D1 D1 D0 D0 CY CY AC AC F0 F0RS1RS1RS0RS0OVOV P P位名称位名称位地址位地址3.7.CY-Carry-进/借位标志。反映最高位的进位/借位情况，加法为进位；减法为借位。CY=1：有进/借位；CY=0：无进/借位。3.6.AC-Acid Carry-辅助进/借位标志。反映高半字节与低半字节之间的进/借位，AC=1：有进/借位；AC=0：无进/借位。3.5.F0-Flag 0-用户标志位。可由用户设定其含义。3.4,3.RS1，RS0-Register Selection 1,0-工作寄存器组选择位。291.3特殊功能寄存器 D7 D7 D6 D6 D5 D5 D4 D4 D3 D3 D2 D2 D1 D1 D0 D0 CY CY AC AC F0 F0RS1RS1RS0RS0OVOV P P位名称位名称位地址位地址3.2.OV-OVER-溢出标志。反映补码运算的运算结果有无溢出n有溢出 OV=1；无溢出OV=0。3.1.-：无效位。3.0.P-Parity-奇偶标志。反映A累加器中1个数的奇偶。n有奇数个1：P=1；有偶数个1：P=0。304.SP-Stack Pointer-堆栈指针。8XX51单片机的堆栈设在片内RAM，对堆栈的操作包括压入（PUSH）和弹出（POP）两种方式，并且遵循后进先出的原则，按字节进行操作。复位后SP=07H指示堆栈栈顶向上生长先加后压，先弹后减1.3特殊功能寄存器31RAM07HSP堆栈区07H5.DPTR-Data Pointer-数据指针寄存器。用来存放16位地址值，以便用间接寻址或变址寻址片外存储器。DPTR可分成DPL和DPH两个8位寄存器分别使用。6.P0-P3-Port0-Port3-I/O端口寄存器。称为四个并行I/O端口的映射寄存器。通过对该寄存器的读/写，可实现从相应I/O端口的输入/输出。实际为P0-P3口的锁存器。1.3特殊功能寄存器32例：指令 MOV P1，A n 实现了把A累加器中的内容从P1端口输出。例：指令 MOV A，P3n 实现了把P3端口上的信息输入到A中。1.3特殊功能寄存器337.IP-Interrupt Priority-中断优先级控制寄存器8.IE-Interrupt Enable-中断允许控制寄存器 1.3特殊功能寄存器34 D7 D7 D6 D6 D5 D5 D4 D4 D3 D3 D2 D2 D1 D1 D0 D0 PSPSPT1PT1PX1PX1 PT0 PT0 PX0 PX0IPIPB8HB8HIEIEA8HA8H D7 D7 D6 D6 D5 D5 D4 D4 D3 D3 D2 D2 D1 D1 D0 D0 EA EA ESESET1ET1EX1EX1 ET0 ET0 EX0 EX09.TMOD-Timer Mode-定时/计数器方式控制寄存器10.TCON-Timer Control-定时/计数器控制寄存器11.TH0-TL0-Timer High-Timer Low-定时/计数器012.TH1-TL1-定时/计数器11.3特殊功能寄存器35注意：两个16位的定时器T1,T0,各自由两个8位的寄存器组成。TH0,TL0,TH1,TL1只能按字节寻址，不能把T1,T0当成一个十六位的寄存器来访问。13.SCON-Serial Control-串行端口控制寄存器14.SBUF-Serial Buffer-串行数据缓冲器15.PCON-Power Control-电源控制寄存器1.3特殊功能寄存器36注意：SBUF存放欲发送或已接受的数据，一个字节地址。物理上是由两个独立的寄存器组成，一个是发送缓冲器，一个是接受缓冲器。n211个寻址位（内部RAM128+SFR中83个）位地址范围00H-FFHn内部RAM中可寻址128个（字节地址20H-2FH）nSFR中可位寻址83个（不连续分布）。位地址空间分布37SFR中的位地址分布38存储器空间分布总结39寄存器区位寻址区通用RAM区SFR区00H-1FH20H-2FH30H-7FH80H-FFHF0HE0HD0HB8HB0HA8HA0H98H90H88H80H可位寻址的SFR外部RAM区与I/O口地址0000HFFFFH外部ROM区内部ROM区(EA=1)外部ROM区(EA=0)0000H0FFFH1000HFFFFH0000H0FFFH（1 1 1 1）内部数据存储器）内部数据存储器）内部数据存储器）内部数据存储器（2 2 2 2）外部数据存储器）外部数据存储器）外部数据存储器）外部数据存储器（3 3 3 3）程序存储器）程序存储器）程序存储器）程序存储器n时钟电路：提供时钟信号-单片机内各种操作的时间基准。1.4 时钟电路与复位电路XTAL1XTAL2GND8XX51C01C02图1-3 内部振荡方式1.4.1 1.4.1 1.4.1 1.4.1 时钟电路时钟电路时钟电路时钟电路 n8XX51单片机的时钟电路有两种形式：内部振荡方式和外部振荡方式。（1）内部振荡方式：n引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器。40n内部集成了一个用于构成振荡器的高增益反向放大器n晶体的振荡频率6M-24MHZnC01-C02的取值范围:5-30pfn作用：稳定振荡频率，快速起振。1.4.1 时钟电路41XTAL1GND8XX51XTAL01C01C02图1-3 内部振荡方式1.4.1时钟电路外部时钟XTAL1XTAL2GND8XX51悬空外部时钟XTAL1XTAL2GND悬空CHMOSHMOS外部振荡方式8XX51（2）外部振荡方式n将已有的时钟信号引入单片机,由外电路产生。n常用于多51单片机同时工作。nCHMOS的单片机，外部时钟信号由XTAL1引入。nHMOS的单片机，外部时钟信号由XTAL2引入。42单片机的时序单位有：n时钟周期：晶振的振荡周期，为最小的时序单位，是单片机工作的基本时间单位。晶体的振荡频率为fosc,则时钟周期为Tosc=1/fosc如fosc=6MHZ,Tosc=166.7nsn状态周期：振荡频率经单片机内的二分频器分频后提供给片内CPU的时钟周期。因此，一个状态周期包含2个振荡周期。晶体的振荡频率为fosc,则状态周期为Tosc=2/fosc1.4.2 基本时序单位43n机器周期（MCMachine Cycle）：是计算机执行一种基本操作的时间单位。1个机器周期由6个状态周期或12个时钟周期组成。晶体的振荡频率为fosc,则机器周期为Tosc=12/fosc1.4.2 基本时序单位44n一个机器周期分为6个状态S1-S6.每个状态又分为两拍：P1-P2.因此一个机器周期可以表示为：S1P1,S1P2,S2P1,S6P2.1.4.2 基本时序单位45n指令周期：执行一条指令所需的时间，依据指令不同而不同。通常为完成取址，译码，执行三个过程所需的时间。一个指令周期由14个机器周期组成。1.4.2 基本时序单位46n时钟电路nCPU时序(时钟周期，状态周期，机器周期)1.4.2 基本时序单位47XTAL1XTAL2GND8XX51C01C02内部振荡方式XTAL1XTAL2GND8XX51外部振荡方式1.4.2 基本时序单位例：单片机外接晶振频率6MHZ时的各种时序单位：振荡周期=1/fosc=1/6MHZ状态周期=2/fosc=2/6MHZ机器周期=12/fosc=12/6MHZ=2us指令周期=(14)机器周期=28us 48注意：注意：注意：注意：4 4 4 4种时序单位中，振荡周期和机器周期是单片机种时序单位中，振荡周期和机器周期是单片机种时序单位中，振荡周期和机器周期是单片机种时序单位中，振荡周期和机器周期是单片机内计算其他时间值（例如，波特率、定时器的定时时内计算其他时间值（例如，波特率、定时器的定时时内计算其他时间值（例如，波特率、定时器的定时时内计算其他时间值（例如，波特率、定时器的定时时间等）的基本时序单位。间等）的基本时序单位。间等）的基本时序单位。间等）的基本时序单位。n复位操作是将单片机的片内电路初始化，使单片机从一种确定的状态开始运行。n当MCS-51系列单片机的复位引脚 RST出现 5ms以上的高电平时，单片机就完成了复位操作。如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。n复位操作通常有2种基本形式：上电复位:要求接通电源后，自动实现复位。开关复位:要求在电源接通的条件下，在单片机运行期间，用接钮开关操作使单片机复位。1.4.3 复位电路49n上电复位：上电后，由于电容两端电压不能突变，RST为高电平。电容充电，使 RST持续一段高电平时间。n通常选择C=10-30f,R=10-1K。n开关复位：当单片机已在运行过程中时，按下复位键，也能使 RST持续一段时间的高电平。1.4.3 复位电路RST8XX51RCVCC图1-5 复位电路n复位操作是使SFR寄存器进入初始化，不改变片内RAM区中的内容。1.4.3 复位电路-复位寄存器状态51n 51系列单片机有40引脚的方形封装（PLCC）,44方型扁平式封装（PQFP）和40个引脚的双列直插式封装（DIP）形式。1.5 引脚功能521.5引脚功能53n常用51单片机封装实物图nRST：复位信号输入。接备用电源，当VCC掉电后，在低功耗条件下保持内部RAM中的数nXTAL1-XTAL2晶振输入接口nVCC 电源nGND 地1.5 引脚功能54nEA/VPP：EA=0单片机只访问外部程序存储器。EA=1单片机先访问内部程序存储器，自动转向外部存储区。在8751单片机片内EPROM编程期间，此引脚引入21V编程电源VPP。nALE/PROG：ALE 地址锁存允许。ALE输出脉冲的频率为振荡频率的1/6。PROG 对8751单片机片内 EPROM 编程时，编程脉冲由该引脚引入。nPSEN：程序存储器允许。输出读外部程序存储器的选通信号。1.5 引脚功能55nP0.0P0.7：P0口，数据/低八位地址复用总线端口。nP1.0P1.7：P1口，静态通用端口。nP2.0P2.7：P2口，高八位地址总线端口。nP3.0P3.7：P3口，双重功能静态端口。在增强型的52系列单片机中，P1.0、P1.1除为端口线外，还为定时/计数器2的外部引脚 T2和T2EX。1.5 引脚功能56n无总线扩展功能的89C1051/2051/40511.5引脚功能574051/2051/1051单片机n无P0口和P2口总线引脚，因此只有20个引脚；n由于不能进行外部扩展，因此无PSEN、EA、ALE引脚。1.5 引脚功能58P2-P10n假设要设计一款51单片机最小系统板在淘宝上销售，根据所学设计一个最优电路方案，要求成本最低，用户使用最为方便。创业设计591-601.6 小 结n单片机是集CPU、存储器、I/O接口于一体的大规模集成电路芯片。n 51系列单片机内部包含：一个8位的CPU。4KB程序存储器ROM（视不同产品型号不同：8031内部无ROM；8051内部为掩模式ROM；8751为EPROM；89C51内部为FLASH EEPROM）。128字节RAM数据存储器。可寻址64KB外部数据存储器64KB外部程序存储器空间的控制电路。两个16位定时器/计数器。1.6 小 结32条可编程的I/O线（四个8位并行I/O端口）。一个可编程全双工串行口。具有两个优先级嵌套中断结构的五个中断源。n熟练掌握51系列单片机各存储空间的地址分配，使用特点及数据操作方法。见教材P31表1-4中。P31322、4、6、7、8、9、10谢 谢！作业62