第2章-MCS-51单片机硬件结构要点课件

2024/7/12MCS-51单片机原理与应用1 从从应应用用的的角角度度介介绍绍单单片片机机的的体体系系结结构构，了了解解单单片片机机内内部部功功能能模模块块框框图图、CPU时时序序，熟熟悉悉时时钟钟电电路路及及复复位位电电路路，掌掌握握单单片片机机引引脚脚及及其其外外特特性性以以及及几几个个重要重要SFRSFR的使用，对单片机的的使用，对单片机的存储器分配存储器分配要非常清晰。非常清晰。第第2章章 MCS-51单片机硬件结构单片机硬件结构2024/7/12MCS-51单片机原理与应用2 MCS-51MCS-51是是IntelIntel公司公司19801980年推出的年推出的8 8位高性能单位高性能单片机系列，它们的片机系列，它们的外部引脚和指令系统完全兼容外部引脚和指令系统完全兼容，差，差别只在于别只在于片内程序存储器片内程序存储器的不同。的不同。80318031无无片内片内ROMROM，80518051有有4KB片内掩膜片内掩膜ROMROM，87518751有有4KB4KB片内片内EPROMEPROM。选用新一代。选用新一代80C5180C51中的中的FLASHFLASH版版本本AT89AT89系列芯片。系列芯片。2.1 2.1 单片机的结构单片机的结构2024/7/12MCS-51单片机原理与应用3MCS-51MCS-51系列芯片及制造工艺如下：系列芯片及制造工艺如下：2024/7/12MCS-51单片机原理与应用4MCS-51MCS-51内部主要有如下五部分组成：内部主要有如下五部分组成：CPU结构、结构、存储器结构、存储器结构、I/O端口、定时器端口、定时器/计数器、中断系统。计数器、中断系统。2024/7/12MCS-51单片机原理与应用5MCS-51MCS-51内部资源有：内部资源有：（1 1）微处理器（）微处理器（CPUCPU）；）；（2 2）数据存储器（）数据存储器（RAMRAM）；）；（3 3）程序存储器（）程序存储器（4KB Flash ROM4KB Flash ROM）；）；（4 4）4 4个个8 8位可编程并行位可编程并行I/OI/O口（口（P0P0口、口、P1P1口、口、P2P2口、口、P3P3口）；口）；（5 5）1 1个全双工串行口；个全双工串行口；（6 6）2 2个个1616位定时器位定时器/计数器；计数器；（7 7）中断系统；）中断系统；（8 8）特殊功能寄存器（）特殊功能寄存器（SFRSFR）。）。2024/7/12MCS-51单片机原理与应用62.1.1 2.1.1 单片机内部结构框图单片机内部结构框图一、一、CPU结构结构 MCS-51MCS-51内部有如下三部分电路组成：内部有如下三部分电路组成：ALU、定时控制部件、专用寄存器组、定时控制部件、专用寄存器组。（一）算术逻辑单元（一）算术逻辑单元ALU ALUALU是一个性能极强的是一个性能极强的运算器运算器，可以进行四则运，可以进行四则运算，也可以进行逻辑运算等功能。算，也可以进行逻辑运算等功能。2024/7/12MCS-51单片机原理与应用7（二）定时控制部件（二）定时控制部件MCS-51MCS-51定时控制部件有如下三部分组成定时控制部件有如下三部分组成1、指令寄存器、指令寄存器IR 存放当前要执行指令的操作码存放当前要执行指令的操作码2、振荡器、振荡器 OSC 输入端输入端-XTAT1-XTAT1和和XTAT2XTAT2接晶振振荡器输出。接晶振振荡器输出。输入端输入端-输出系列方波输出系列方波3、定时控制逻辑、定时控制逻辑 根据根据IRIR中内容结合中内容结合OSCOSC输出，产生节拍脉冲序列，输出，产生节拍脉冲序列，完成不同指令的运行。完成不同指令的运行。2024/7/12MCS-51单片机原理与应用8OSCOSC振荡器产生的振荡器产生的矩形时钟脉冲矩形时钟脉冲序列，其序列，其频率频率是是单片机的重要性能指标之一，时钟频率单片机的重要性能指标之一，时钟频率越高越高，单片机，单片机控制器的控制器的控制节拍控制节拍就就越快越快，运算速度就，运算速度就越快越快。因此不同型号的单片机需要的时钟频率也是不因此不同型号的单片机需要的时钟频率也是不相同的。相同的。（三）专用寄存器组（三）专用寄存器组特殊功能寄存器特殊功能寄存器专用寄存器组主要用来专用寄存器组主要用来指示指示当前要执行指令的当前要执行指令的内存地址内存地址、存放操作数和指示指令、存放操作数和指示指令执行后的状态执行后的状态。2024/7/12MCS-51单片机原理与应用9专用寄存器组主要包括程序计数器专用寄存器组主要包括程序计数器PC、累加器、累加器A、程序状态字、程序状态字PSW、堆栈指针、堆栈指针SP、数据指针、数据指针DPTR和通用寄存器和通用寄存器B等。等。二、存储器二、存储器程序存储器程序存储器:4KB片内片内ROMROM;数据存储器数据存储器:128B片内片内RAMRAM;21个片内特殊功能寄存器个片内特殊功能寄存器SFRSFR。可寻址外部可寻址外部程序存储器和数据存储器空间各为程序存储器和数据存储器空间各为64KB64KB。2024/7/12MCS-51单片机原理与应用10三、三、I/O端口端口 I/OI/O端口是端口是MCS-51MCS-51对对外部外部实现控制和信息交换实现控制和信息交换的必经之路，的必经之路，I/OI/O端口有端口有串行串行和和并行并行之分。之分。MCS-51MCS-51具有具有4个个8 8位并行位并行I/OI/O口口P0P3,作为输入作为输入/输出；输出；1 1个全双工串行口个全双工串行口UART,用于串行通信。用于串行通信。串行一次传送串行一次传送1位二进制信息位二进制信息。并行一次传送并行一次传送8为二进制信息。为二进制信息。2024/7/12MCS-51单片机原理与应用11四、定时器四、定时器/计数器计数器 MCS-51MCS-51内部有内部有2 2个个16位定时计数器分别为位定时计数器分别为T0和和T1，可用作定时或计数。，可用作定时或计数。五、中断系统五、中断系统具有具有5个中断源：个中断源：2个外中断个外中断INT0和和INTl,3INTl,3个内个内中断：即中断：即2 2个个定时计数定时计数中断中断,一个一个串口中断串口中断。具有具有2个中断优先级个中断优先级嵌套嵌套结构。结构。2024/7/12MCS-51单片机原理与应用122024/7/12MCS-51单片机原理与应用13CPUCPU与各部件间通过与各部件间通过内内部总线部总线相连。相连。三总线结构（地址总线三总线结构（地址总线AB，数据总线数据总线DB，控制总线，控制总线CB）MCS-51MCS-51共有如下两种封装共有如下两种封装1、双列直插式封装、双列直插式封装（HMOSHMOS型器件）型器件）2.1.2 2.1.2 单片机引脚及其外特性单片机引脚及其外特性2024/7/12MCS-51单片机原理与应用142、方形封装、方形封装（CHMOSCHMOS型器件）型器件）2024/7/12MCS-51单片机原理与应用15 8051 8051是是4040引脚双列直插型封装。引脚双列直插型封装。将其分为将其分为3部分部分来说明。来说明。（1）主电源与时钟引脚）主电源与时钟引脚 VCC：电源端电源端,+5V,+5V；VSS：接地端；接地端；XTAL1：外接晶振端外接晶振端,片内反相放大器片内反相放大器输入输入端端；XTAL2：外接晶振端外接晶振端,片内反相放大器片内反相放大器输出输出端端；2024/7/12MCS-51单片机原理与应用16（2）控制引脚）控制引脚RST/VPD:复位复位信号输入端，信号输入端，高电平高电平有效。晶振有效。晶振工作时，工作时，RSTRST引脚保持引脚保持2个机器周期以上个机器周期以上高电平将使单高电平将使单片机复位。片机复位。第二功能第二功能VPDVPD，备用电源备用电源的输入端的输入端。:程序存储允许程序存储允许输出端输出端,低电平低电平有效。访问有效。访问片片外程序存储器外程序存储器时时,此端口定时输出此端口定时输出负脉冲负脉冲作为读选通作为读选通信号。信号。ALE/:地址锁存允许信号地址锁存允许信号输出端。访问片外输出端。访问片外存储器时，存储器时，ALEALE作为作为锁存低锁存低8位地址位地址的控制信号。的控制信号。2024/7/12MCS-51单片机原理与应用17不访问片外存储器时，不访问片外存储器时，ALEALE引脚周期性地以引脚周期性地以1/6振振荡器频率向外输出荡器频率向外输出正脉冲信号正脉冲信号。/Vpp:外部外部程序存储器地址允许输入端程序存储器地址允许输入端/固化固化编程电压输入端。编程电压输入端。当引脚接当引脚接高电平高电平时，时，CPUCPU只访问只访问片内片内程序存储器程序存储器,但当但当PCPC值超过值超过0FFFH0FFFH时时,将自动转向访问片外程序存将自动转向访问片外程序存储器。储器。当当 引脚接引脚接低电平低电平时时,CPU,CPU只访问只访问片外片外程序存储程序存储器。器。2024/7/12MCS-51单片机原理与应用18无无片内片内ROM的的80318031系统系统,需需外扩外扩EPROM,EPROM,该引脚须该引脚须接地接地。（3）I/O引脚引脚P0口口:漏极开路漏极开路8 8位双向位双向I/OI/O口。负载驱动能力为口。负载驱动能力为每位每位8个个LSLS型型TTLTTL。P1 P3口口:带内部上拉电阻的带内部上拉电阻的8 8位准双向位准双向I/OI/O口。口。负载驱动能力为每位负载驱动能力为每位4个个LSLS型型TTLTTL。P3P3口每个引脚还具口每个引脚还具有有第二功能第二功能,在图中是用括号括起来的。在图中是用括号括起来的。2024/7/12MCS-51单片机原理与应用192.2 单片机时钟电路及单片机时钟电路及CPU时序时序2.2.1 单片机时钟电路单片机时钟电路单片机是一个按照单片机是一个按照时钟节拍时钟节拍工作的复杂数字电路。工作的复杂数字电路。图（图（a a）是采用）是采用内部时钟内部时钟的电路。的电路。C1C1和和C2:30pFC2:30pF10 10 pF,pF,晶振频率晶振频率 :1.2:1.212MHz12MHz。常用为。常用为6 MHz6 MHz或或12 12 MHzMHz。2024/7/12MCS-51单片机原理与应用202.2.2 CPU时序时序CPUCPU在执行指令时在执行指令时,是将一条指令是将一条指令分解分解为一系列为一系列特定的微操作特定的微操作,这些微操作这些微操作所对应的脉冲信号所对应的脉冲信号在时间在时间上的先后次序称为上的先后次序称为时序时序。1.描述时序的单位描述时序的单位（1）振荡周期）振荡周期（又叫（又叫节拍节拍，用，用P表示）表示）为单片机提供定时信号的振荡源的周期为单片机提供定时信号的振荡源的周期。如外。如外接晶振频率为接晶振频率为 ,振荡周期就为其倒数振荡周期就为其倒数,即即1/1/。2024/7/12MCS-51单片机原理与应用21（2）状态周期）状态周期（状态用（状态用S S表示）表示）振荡脉冲经过片内时钟电路振荡脉冲经过片内时钟电路二分频二分频后就是单片机后就是单片机的时钟信号的时钟信号,该时钟信号的周期称为状态周期。该时钟信号的周期称为状态周期。1 1个状态包含个状态包含2个节拍个节拍,前半周期对应的节拍表示前半周期对应的节拍表示为为S1P1,S1P1,后半周期对应的节拍表示为后半周期对应的节拍表示为S1P2S1P2。（3）机器周期）机器周期指令执行过程可划分为几个基本操作指令执行过程可划分为几个基本操作,如取指令、如取指令、读存储器、写存储器等读存储器、写存储器等,完成一个完成一个基本操作基本操作所需的时间所需的时间称为机器周期。称为机器周期。2024/7/12MCS-51单片机原理与应用22一个机器周期由一个机器周期由6个状态个状态,或者或者12个振荡周期组成个振荡周期组成,即即12/12/。一个机器周期中的一个机器周期中的12个个振荡周期可依次表振荡周期可依次表示为示为S1P1、S1P2、S2P1、S2P2、S6P1、S6P2。（4）指令周期）指令周期执行一条指令所占用的全部时间称为执行一条指令所占用的全部时间称为指令周期。指令周期。通常指令周期由通常指令周期由14个机器周期组成个机器周期组成,乘除法乘除法指指令执行时间最长令执行时间最长,为为4个机器周期。其余均为个机器周期。其余均为单周期单周期和和双周期双周期指令。指令。2024/7/12MCS-51单片机原理与应用23例例2.12.1选用选用 =6MHz=6MHz晶振晶振,求振荡周期、状态周求振荡周期、状态周期、机器周期和最长指令周期。期、机器周期和最长指令周期。解解:振荡周期振荡周期=1/=1/6s,状态周期状态周期=2/=1/3s,机机器周期器周期=12/=2s，最长指令周期最长指令周期为为4 4个机器周期个机器周期,即即8s8s。在在MCS-51MCS-51指令系统中指令系统中,指令指令由由单字节单字节、双字节双字节和和三字节三字节组成。组成。2024/7/12MCS-51单片机原理与应用24从指令的执行速度来看从指令的执行速度来看,单字节和双字节指令一单字节和双字节指令一般为般为1 12 2机器周期机器周期,而三字节指令都是而三字节指令都是2 2机器周期机器周期,只有只有乘、除乘、除指令占指令占4 4个机器周期。个机器周期。MCS-MCS-指令可分为指令可分为六六类：类：1 1）单字节）单字节单周期单周期指令指令 4 4）双字节）双字节单周期单周期指令指令2 2）单字节）单字节双周期双周期指令指令 5 5）双字节）双字节双周期双周期指令指令3 3）单字节）单字节四周期四周期指令指令 6 6）三字节三字节双周期指令双周期指令2024/7/12MCS-51单片机原理与应用25MCS-51MCS-51执行一条指令分为执行一条指令分为取指取指和和执行执行两个阶段。两个阶段。取指令取指令-根据根据PC取指令码取指令码执行指令执行指令-根据根据OP码产生微操作序列，完成指令码产生微操作序列，完成指令2.MCS-51取指取指/执行时序执行时序MCS-51MCS-51取指取指/执行时序如图执行时序如图3.43.4所示，也可以通过所示，也可以通过示波器观察示波器观察XTAL2和和ALE端信号。在每个机器周期内端信号。在每个机器周期内ALE引脚上的信号引脚上的信号两次两次有效，第有效，第1 1次出现在次出现在S1P2和和S2P1期间，第期间，第2 2次出现在次出现在S4P2和和S5P1期间。期间。2024/7/12MCS-51单片机原理与应用262024/7/12MCS-51单片机原理与应用272.3.12.3.1复位操作的主要功能复位操作的主要功能 复位是单片机的复位是单片机的初始化初始化,复位后复位后CPU和系统中的其它和系统中的其它功能部件都处在一个功能部件都处在一个初始状态初始状态，并从，并从此状态此状态开始开始工作工作2.3 2.3 单片机复位单片机复位2024/7/12MCS-51单片机原理与应用28 复位后不会改变复位后不会改变片内片内RAM中中低低128B的内容的内容,但将但将使特殊功能寄存器使特殊功能寄存器SFR初始化初始化。复位后，除了堆栈指针复位后，除了堆栈指针SPSP为为07H07H，IP、IE、SBUF和和PCON有不定状态出现，以及有不定状态出现，以及P0P0P3P3输出高电输出高电平而设置为输入外，其余专用寄存器都清平而设置为输入外，其余专用寄存器都清0 0。2024/7/12MCS-51单片机原理与应用29如程序指针如程序指针PC清零清零，将使单片机从复位入口，将使单片机从复位入口0000H单元开始执行程序。如果单片机运行时单元开始执行程序。如果单片机运行时出错出错或进或进入入死循环死循环，可以按，可以按复位按钮复位按钮重新启动。重新启动。2.3.2 2.3.2 复位电路复位电路单片机的外部复位方式有单片机的外部复位方式有上电复位上电复位和和手动复位手动复位两两种种,要使单片机复位要使单片机复位,必须使必须使RST引脚加上引脚加上两个机器周两个机器周期期以上的以上的高高电平电平,也就是此电路中也就是此电路中时间常数时间常数RC必须满必须满足足：RC212/。2024/7/12MCS-51单片机原理与应用30一般取一般取RCRC值在值在10ms以上以上,如图中的如图中的RC=22ms,RC=22ms,完全完全能满足复位条件。能满足复位条件。2024/7/12MCS-51单片机原理与应用31MCS-51单片机的工作方式单片机的工作方式单片机的工作方式是进行系统设计的基础，包括：单片机的工作方式是进行系统设计的基础，包括：复位方式、程序执行方式、节电方式复位方式、程序执行方式、节电方式以及以及编程和校验编程和校验方式。方式。一、复位方式一、复位方式通过通过复位电路复位电路来实现，从而使来实现，从而使CPUCPU以及其他的功以及其他的功能部件处于一个能部件处于一个确定确定的初始状态，并从这个状态开始的初始状态，并从这个状态开始工作。工作。2024/7/12MCS-51单片机原理与应用32二、程序执行方式二、程序执行方式程序执行方式是单片机的程序执行方式是单片机的基本工作基本工作方式，通常可方式，通常可分为分为单步执行单步执行和和连续执行连续执行两种两种。单步执行方式是指单片机在某个按键的控制下逐单步执行方式是指单片机在某个按键的控制下逐条执行用户程序中指令的方式，条执行用户程序中指令的方式，即按一次单步执行键即按一次单步执行键就执行一条用户指令就执行一条用户指令。常用于用户程序的。常用于用户程序的调试调试。这种方式利用这种方式利用单片机外部中断功能单片机外部中断功能来实现的。来实现的。例如：例如：LOOP1:JNB P3.2,LOOP1;P3.2=0 不往下执行不往下执行 LOOP2:JB P3.2,LOOP2;P3.2=1 不往下执行不往下执行2024/7/12MCS-51单片机原理与应用33连续执行方式是指所有单片机都需要的一种工作连续执行方式是指所有单片机都需要的一种工作方式，被执行的程序放在方式，被执行的程序放在ROMROM中，复位后从中，复位后从0000H0000H开始开始运行，所以运行，所以0000H0000H处常放一条转移指令，以便转移到用处常放一条转移指令，以便转移到用户程序执行。户程序执行。三、节电工作方式三、节电工作方式节电方式是一种节电方式是一种降低功耗降低功耗的方式，只有的方式，只有CMOSCMOS器件器件才有这种方式。由电源控制寄存器才有这种方式。由电源控制寄存器PCON控制。控制。2024/7/12MCS-51单片机原理与应用34节电工作方式有节电工作方式有空闲方式空闲方式和和掉电方式掉电方式两种。两种。1 1）空闲方式）空闲方式状态：状态：CPUCPU不不工作，片内功能保持（片内工作，片内功能保持（片内RAM,SFRRAM,SFR内容）不变；中断、定时器、串行口等电路内容）不变；中断、定时器、串行口等电路正常工作正常工作。进入方法进入方法：CPUCPU执行如下指令可以进入：执行如下指令可以进入：MOV PCON,#01H退出方法：退出方法：1 1、被允许的中断源发出、被允许的中断源发出中断请求中断请求。2 2、硬件、硬件复位复位。2024/7/12MCS-51单片机原理与应用352 2）掉电方式）掉电方式状态：状态：时钟停振，片内时钟停振，片内RAMRAM、SFRSFR内容不变；功耗内容不变；功耗：电流电流550微安，电压微安，电压Vcc降为降为3V。中断、定时器、串行口电路不工作。中断、定时器、串行口电路不工作。进入方法：进入方法：CPUCPU执行如下指令可以进入：执行如下指令可以进入：MOV PCON,#02H退出方法：退出方法：1 1、先使、先使Vcc=5V。2 2、硬件、硬件复位复位。2024/7/12MCS-51单片机原理与应用36从使用的角度看有从使用的角度看有3 3个存储空间个存储空间,如图所示。如图所示。程序存储器程序存储器:片内外统一编址片内外统一编址64KB B数据存储器数据存储器:片外片外64KBKB片内数据存储器片内数据存储器:256B B2.4 2.4 单片机的存储器分配单片机的存储器分配2024/7/12MCS-51单片机原理与应用372.4.1 2.4.1 程序存储器地址空间程序存储器地址空间程序存储器用于存放用户的应用程序程序存储器用于存放用户的应用程序,使用时是使用时是只读只读的。的。80518051程序存储空间程序存储空间片内外统一编址片内外统一编址,都用都用MOVCMOVC指令指令,程序存储器地址分配如下程序存储器地址分配如下:片内片内4KB:4KB:0000H0FFFH片外扩展片外扩展64KB:64KB:0000HFFFFH如何区分低如何区分低4KB4KB重叠的地址？重叠的地址？当当 接接高电平高电平时时,PC,PC在在0000H0000H0FFFH0FFFH低低4KB范范围内执行围内执行片内片内ROM中程序中程序,只有当指令地址只有当指令地址超过超过0FFFH0FFFH后后,才才自动转向自动转向片外片外ROMROM取指。取指。2024/7/12MCS-51单片机原理与应用38当当 接接低电平低电平时时,PC,PC在在0000H0000HFFFFHFFFFH范围都执范围都执行行片外片外ROM中程序。中程序。8031片内不带片内不带ROM,所以使用时所以使用时必须使必须使 接地接地,以便能够从外部扩展以便能够从外部扩展ROMROM中取指令。中取指令。程序存储器中有些程序存储器中有些固定的单元固定的单元是留给系统用的是留给系统用的,专门用于专门用于存放复位存放复位和和中断处理中断处理程序的程序的入口地址入口地址，不要，不要与这些入口地址与这些入口地址冲突冲突。2024/7/12MCS-51单片机原理与应用390000H：复位：复位入口，系统复位后入口，系统复位后PCPC指向指向0000H0000H,程序就从程序就从0000H0000H开始执行开始执行。0003H：外中断外中断0入口地址入口地址；000BH：定时器定时器T0中断入口地址；中断入口地址；0013H：外中断外中断1入口地址；入口地址；001BH：定时器定时器T1中断入口地址中断入口地址；0023H：串口：串口中断入口地址；中断入口地址；2024/7/12MCS-51单片机原理与应用40MCS-51MCS-51数据存储器用于存放程序执行的数据存储器用于存放程序执行的中间结果中间结果、数据缓冲数据缓冲等等,使用时它们均可使用时它们均可读写读写。片外片外RAMRAM 64KB:0000H:0000HFFFFHFFFFH片内片内RAM 256BRAM 256B分分为为2 2部分部分:低低128B128B用户用户RAM区区:00H00H7FH7FH 特殊功能寄存器区特殊功能寄存器区SFR:80H80HFFHFFH2.4.2 2.4.2 数据存储器地址空间数据存储器地址空间2024/7/12MCS-51单片机原理与应用4180528052多了多了第第3部分部分,与与80H80HFFHFFH空间空间重叠重叠的的高高128B。片内片内RAMRAM低低128B128B又可分为又可分为工作寄存器区工作寄存器区、位寻址位寻址区和用户数据区区和用户数据区3 3部分部分。2024/7/12MCS-51单片机原理与应用42（1 1）工作寄存器区）工作寄存器区4 4个工作寄存器组个工作寄存器组:地址地址00H1FH,每组有每组有8 8个工个工作寄存器作寄存器,都以都以R0R7命名。命名。通过对通过对程序状态字寄存器程序状态字寄存器PSW中中RS1、RS0这这2 2位位的的4 4个组合来指定哪一组个组合来指定哪一组。其它未选中的其它未选中的工作寄存器组工作寄存器组,可用做可用做一般一般RAM单单元。元。CPUCPU复位后复位后,选中的是选中的是第第0组组工作寄存器。工作寄存器。2024/7/12MCS-51单片机原理与应用43 工作寄存器区的寻址方式最灵活工作寄存器区的寻址方式最灵活,存取速度也存取速度也最快最快。（2 2）位寻址区）位寻址区位寻址区位寻址区16个字节个字节128位位,每每位位都对应一个地址。都对应一个地址。字节字节地址地址:20H20H2FH2FH位位地址地址:00H00H7FH7FH CPU CPU能直接寻址这些位能直接寻址这些位,执行执行置位、清零置位、清零等位操作。等位操作。2024/7/12MCS-51单片机原理与应用44MCS-51MCS-51布尔处理布尔处理的存储空间指的就是的存储空间指的就是位位寻址区。寻址区。这些单元也可作为一般这些单元也可作为一般RAMRAM使用使用,进行字节操作。进行字节操作。如何区分如何区分00H7FH是位地址还是字节地址呢？是位地址还是字节地址呢？观察是否使用了观察是否使用了位操作指令位操作指令来区分来区分,位操作指令位操作指令中使用的是一位累加器中使用的是一位累加器C,而不是字节操作指令中而不是字节操作指令中8位累位累加器加器A。2024/7/12MCS-51单片机原理与应用453.4.2 数据存储器地址空间数据存储器地址空间 42024/7/12MCS-51单片机原理与应用46（3 3）用户）用户RAMRAM区区用户用户RAMRAM区区:30H7FH,是供用户随意使用是供用户随意使用,如用如用于建立于建立堆栈、数据缓冲堆栈、数据缓冲和和数据暂存数据暂存等用途。等用途。30H30H7FH7FH可以采用可以采用直接寻址直接寻址和和寄存器间接寻址寄存器间接寻址；80528052的的80HFFH用户用户RAM,RAM,只能通过只能通过寄存器间接寻址寄存器间接寻址来访问。来访问。2024/7/12MCS-51单片机原理与应用472.4.3 2.4.3 特殊功能寄存器特殊功能寄存器特殊功能寄存器特殊功能寄存器SFR:80HFFH,用来对单片机用来对单片机各功能模块进行各功能模块进行控制和管理控制和管理。21个个SFR,其功能已作了专门的规定其功能已作了专门的规定,用户不能修用户不能修改其结构改其结构,用户也不能访问除这用户也不能访问除这2121个以外的地址。个以外的地址。访问特殊功能寄存器仅允许使用访问特殊功能寄存器仅允许使用直接寻址直接寻址,但对表但对表中字节地址的中字节地址的末位为末位为“0”或或“8”的的SFR还允许使用位还允许使用位寻址。寻址。2024/7/12MCS-51单片机原理与应用482024/7/12MCS-51单片机原理与应用493.4.2 数据存储器地址空间数据存储器地址空间 82024/7/12MCS-51单片机原理与应用50（1 1）程序计数器）程序计数器PCPC（Program CounterProgram Counter）程序计数器在物理上是程序计数器在物理上是独立独立的的,它不属于它不属于SFR。PCPC是一个是一个16位位的计数器的计数器,寻址范围为寻址范围为64 KB。PCPC用用于存放于存放下一条下一条要执行的指令要执行的指令地址地址,能能自动加自动加1,实现程序实现程序的顺序执行。的顺序执行。PCPC本身本身没有地址没有地址,无法对它进行访问无法对它进行访问,但可通过但可通过控制转移指令控制转移指令改变其内容改变其内容,实现实现PCPC指向哪里指向哪里,程序就执程序就执行到哪里。行到哪里。2024/7/12MCS-51单片机原理与应用51（2 2）累加器）累加器ACCACC（AccumulatorAccumulator）累加器是累加器是8位位寄存器寄存器,它既可用于存放操作数它既可用于存放操作数,也也可存放运算的中间结果。可存放运算的中间结果。大部分指令中的一个操作数多取自累加器大部分指令中的一个操作数多取自累加器,大部大部分算术逻辑运算都是通过累加器进行分算术逻辑运算都是通过累加器进行,运算结果也再存运算结果也再存放入累加器中放入累加器中,累加器由此而得名。累加器由此而得名。在指令中用在指令中用A作为累加器作为累加器ACC的的助记符助记符。2024/7/12MCS-51单片机原理与应用52（3 3）B B寄存器寄存器 B B寄存器也是寄存器也是8位位寄存器寄存器,主要用于主要用于乘除法乘除法指令中。指令中。B B也可作为一般通用寄存器用。也可作为一般通用寄存器用。（4 4）数据指针）数据指针DPTRDPTR（Data pointerData pointer）数据指针为用户可操作的数据指针为用户可操作的唯一唯一的的16位位寄存器。程寄存器。程序中既可按序中既可按1616位寄存器使用位寄存器使用,也可以分为也可以分为高高8位位寄存器寄存器DPHDPH和和低低8位位寄存器寄存器DPLDPL来用。来用。2024/7/12MCS-51单片机原理与应用53用于访问片外用于访问片外RAMRAM时：时：MOVX A,DPTR;读取外读取外RAMRAM单元数据单元数据MOVX DPTR,A;数据存入外数据存入外RAMRAM单元单元用于访问程序存储器时：用于访问程序存储器时：MOVC A,A+DPTR;读取读取ROMROM单元数据单元数据2024/7/12MCS-51单片机原理与应用54（5 5）堆栈指针）堆栈指针SPSP（Stack PointerStack Pointer）堆栈堆栈:按照按照先进后出先进后出的原则进行存取的一段存储的原则进行存取的一段存储器区域。最先入栈的数据放在器区域。最先入栈的数据放在堆栈的最底部堆栈的最底部,而最后入而最后入栈的数据放在栈的顶部栈的数据放在栈的顶部,因此因此,最后最后入栈的数据出栈时入栈的数据出栈时则是则是最先最先的。的。堆栈指示器堆栈指示器SP（称堆栈指针）（称堆栈指针）:在在MCS-51MCS-51片内片内RAMRAM任何一个连续区间任何一个连续区间中开辟一个区域作为堆栈区中开辟一个区域作为堆栈区,并用一并用一个个专用的寄存器专用的寄存器来指示堆栈中数据存取的来指示堆栈中数据存取的位置位置2024/7/12MCS-51单片机原理与应用55这个寄存器就叫这个寄存器就叫堆栈指针堆栈指针SP,它是一个它是一个8位位地址寄地址寄存器存器,总是指向堆栈中总是指向堆栈中栈顶栈顶的位置。的位置。栈顶栈顶:堆栈中堆栈中最上面最上面单元。单元。栈底栈底:堆栈指针的堆栈指针的初值初值称为堆栈的称为堆栈的栈底栈底。堆栈操作都是对堆栈操作都是对栈顶栈顶进行的。进行的。进栈进栈:数据写入堆栈数据写入堆栈,或称压入或称压入,使用使用PUSH指令；指令；2024/7/12MCS-51单片机原理与应用56图（图（b b）为数据压入示意）为数据压入示意,先执行先执行SP SP1,使使SPSP指向指向69H,69H,后执行数据后执行数据A A压入；压入；出栈出栈:从堆栈中取出数据从堆栈中取出数据,或称弹出或称弹出,使用使用POPPOP指令。指令。图（图（c c）为数据弹出示意）为数据弹出示意,先执行先执行SPSP-1,使使SPSP指向指向68H,68H,后执行数据后执行数据A A弹出。弹出。2024/7/12MCS-51单片机原理与应用57堆栈设立是为了堆栈设立是为了中断响应中断响应或或子程序子程序调用时调用时,保护保护断点断点和保护和保护现场现场。（6 6）程序状态字）程序状态字PSWPSW（Program Status WordProgram Status Word）程序状态字程序状态字PSWPSW是一个是一个8位寄存器位寄存器,用于存放程序用于存放程序运行的运行的状态信息状态信息,有些位可由软件设置有些位可由软件设置,有些位则由硬有些位则由硬件运行时自动设置件运行时自动设置。2024/7/12MCS-51单片机原理与应用58PSWPSW的各位定义如表所示的各位定义如表所示,其中其中PSW.1是保留位是保留位,未使用未使用,其余各位定义如下：其余各位定义如下：CYCY（PSW.7PSW.7）进位标志）进位标志当加减结果产生当加减结果产生进位进位或或借位借位时时,由由硬件硬件自动将自动将CY置置1,1,否则清否则清0 0；在位操作中作位；在位操作中作位累加器累加器C使用。使用。ACAC（PSW.6PSW.6）辅助辅助进位标志进位标志2024/7/12MCS-51单片机原理与应用59加减运算中当加减运算中当低低4位位向向高高4位位进位或借位时进位或借位时,AC,AC由由硬件硬件置位置位,否则清否则清0 0。在十进制调整中也要用到。在十进制调整中也要用到ACAC位状位状态态。F0F0（PSW.5PSW.5）用户标志）用户标志 RSlRSl和和RS0RS0（PSW.4PSW.4，PSW.3PSW.3）工作寄存器组）工作寄存器组选择位选择位用于设定当前工作寄存器的用于设定当前工作寄存器的组号组号,上电复位后上电复位后RS1、RS0为为00B,CPUCPU选择第选择第0组为当前工作寄存器组。切换组为当前工作寄存器组。切换当前工作寄存器组到当前工作寄存器组到1区指令：区指令：MOVPSW，00001000B,即即08H0FH的的R0R7。2024/7/12MCS-51单片机原理与应用60 OV OV（PSW.2PSW.2）溢出标志位）溢出标志位在有符数加减运算中在有符数加减运算中,OV=1表示加减运算结果超表示加减运算结果超出了累加器出了累加器A A所能表示的所能表示的有符数范围有符数范围（-128+127),产产生了溢出生了溢出,运算结果是错误的；运算结果是错误的；OV=0OV=0表示运算正确。表示运算正确。在乘法运算中在乘法运算中,OV=1,OV=1表示乘积超过表示乘积超过255,255,即乘积分即乘积分别在别在B与与A中；否则中；否则,OV=0,OV=0,表示乘积只在表示乘积只在A A中。中。在除法运算中在除法运算中,OV=1表示除数为表示除数为0,0,除法不能进行；除法不能进行；否则否则,OV,OV0,0,除数不为除数不为0,0,除法可正常进行。除法可正常进行。2024/7/12MCS-51单片机原理与应用61 P P（PSW.0PSW.0）奇偶标志位）奇偶标志位表明表明累加器累加器A中内容的中内容的奇偶性奇偶性,每个指令周期都由每个指令周期都由硬件来置位或清零。如果硬件来置位或清零。如果A A中有中有奇数个奇数个“1”,则则P=1,P=1,否否则则,P=0,P=0。凡是改变。凡是改变累加器累加器A中内容的指令均会影响中内容的指令均会影响P P标标志。志。例：指出表中各指令分别属于例：指出表中各指令分别属于MCS-51MCS-51哪个存储空哪个存储空间？指出所属存储空间本身的寻址范围为多大？间？指出所属存储空间本身的寻址范围为多大？2024/7/12MCS-51单片机原理与应用62思路思路:根据各指令的根据各指令的助词符和操作数助词符和操作数标识标识,可得到可得到各指令所属的存储空间和所属存储空间的寻址范围。各指令所属的存储空间和所属存储空间的寻址范围。2024/7/12MCS-51单片机原理与应用63一、一、I/OI/O接口的作用接口的作用1 1、I/OI/O接口的地位接口的地位 I/O接口接口处于处于外设外设和和CPU间，是间，是CPUCPU和外设间的和外设间的桥桥梁梁和和通道通道2.5 2.5 单片机的并行口单片机的并行口2024/7/12MCS-51单片机原理与应用642 2、I/OI/O接口的作用接口的作用1.1.实现实现CPUCPU和不同外设的速度匹配和不同外设的速度匹配大多数的外设的速度很慢，无法和大多数的外设的速度很慢，无法和s量级的单片量级的单片机速度相比。机速度相比。传送的方式有传送的方式有同步同步、异步异步、中断中断和和DMA方式方式要求：要求：必须实现必须实现CPUCPU与外设速度与外设速度匹配匹配2.2.改变数据传送方式改变数据传送方式并行传送并行传送-串行传送串行传送串行传送串行传送-并行传送并行传送2024/7/12MCS-51单片机原理与应用653.3.改变信号性质和信号电平改变信号性质和信号电平1 1）改变）改变信号性质信号性质 2 2）改变）改变信号电平信号电平二、二、外部设备的编址外部设备的编址首先搞清楚首先搞清楚I/O接口（接口（Interface）和和I/O端口端口（Port）的概念。的概念。I/O端口：简称端口：简称I/O口口，指具有端口地址的寄存器，指具有端口地址的寄存器或缓冲器。或缓冲器。2024/7/12MCS-51单片机原理与应用66I/O接口：接口：是指单片机与外设间的是指单片机与外设间的I/OI/O接口芯片接口芯片，一个接口中可以一个接口中可以有几个有几个I/OI/O端口端口。例如：例如：Intel 8255 Intel 8255、Intel 8155Intel 8155一个一个I/OI/O接口芯片可以有多个接口芯片可以有多个I/OI/O端口，分为：端口，分为：（1）数据口（）数据口（2）命令口（）命令口（3）状态口）状态口I/OI/O端口编址是给端口编址是给所有所有I/O接口接口中的寄存器中的寄存器编址编址。I/OI/O端口编址两种方式端口编址两种方式：独立编址与统一编址独立编址与统一编址。2024/7/12MCS-51单片机原理与应用671 1独立编址独立编址 I/OI/O寄存器寄存器地址地址空间和空间和存储器存储器地址空间地址空间分开编址分开编址，不占存储器地址，但需不占存储器地址，但需专门读写专门读写I/O的指令和控制信号的指令和控制信号。2 2统一编址统一编址 I/O寄存器寄存器与与数据存储器单元数据存储器单元同等对待同等对待，作为存储，作为存储单元单元统一编址。统一编址。2024/7/12MCS-51单片机原理与应用68 不需要专门的不需要专门的I/OI/O指令，指令，直接使用直接使用访问数据存储器访问数据存储器的指令进行的指令进行I/OI/O操作，操作，简单、方便且功能强简单、方便且功能强。每一接口芯片中的每一接口芯片中的一个功能寄存器（端口）的地址一个功能寄存器（端口）的地址,就相当于就相当于一个一个RAM单元单元。2024/7/12MCS-51单片机原理与应用69 优点优点：1.不需要专门的指令不需要专门的指令，访问访问外部存储器的指令外部存储器的指令适适用于用于I/OI/O口的访问，口的访问，增强了增强了CPU对对外部端口的处理能力。外部端口的处理能力。2.外设端口地址外设端口地址安排灵活安排灵活，数量不受限制数量不受限制三、三、I/OI/O数据的四种传送方式数据的四种传送方式为实现和不同的外设的为实现和不同的外设的速度匹配速度匹配，I/OI/O接口必须根接口必须根据不同外设选择据不同外设选择恰当恰当的的I/OI/O数据传送方式。数据传送方式。I/OI/O数据传送的几种传送方式是：数据传送的几种传送方式是：（1）同步传送（）同步传送（2）异步传送）异步传送（3）中断传送（）中断传送（4）DMA传送传送2024/7/12MCS-51单片机原理与应用701.1.同步传送方式同步传送方式-无条件传送无条件传送1 1、当、当外设速度外设速度和和单片机的速度单片机的速度相比拟时，常采用相比拟时，常采用同步传送同步传送方式，方式，最典型的同步传送最典型的同步传送就是单片机和就是单片机和外部数外部数据存储器据存储器之间的之间的数据传送数据传送。2 2、外设、外设速度非常慢速度非常慢，CPUCPU总认为外设总认为外设处于准备好状处于准备好状态态2024/7/12MCS-51单片机原理与应用712.2.异步传送异步传送-查询传送查询传送-条件传送条件传送查询查询外设外设“准备好准备好”后，再进行后，再进行数据传送数据传送优点：通用性优点：通用性好，硬件连线和查询程序十分简单好，硬件连线和查询程序十分简单缺点：缺点：效率效率不高不高。为提高效率，通常采用。为提高效率，通常采用中断传送中断传送方式方式2024/7/12MCS-51单片机原理与应用723.3.中断传送方式中断传送方式外设准备好外设准备好后，发后，发中断请求中断请求，单片机进入，单片机进入与与外设数外设数据传送的中断服务程序据传送的中断服务程序，进行数据的传送进行数据的传送中断服务完成后又返回中断服务完成后又返回主程序主程序继续执行。继续执行。工作效率工作效率高高 CPUCPU可以和外设可以和外设并行并行工作，工作，效率高效率高；系统的；系统的实时性实时性好好2024/7/12MCS-51单片机原理与应用734.DMA4.DMA传送（传送（Direct Memory AccessDirect Memory Access）DMA是一种由是一种由硬件执行硬件执行数据传送的工作方式，数据传送的工作方式，不不需要需要经过经过CPU直接在直接在外设外设和和内存内存之间传送之间传送。DMA传送传送必须依靠带有必须依靠带有DMA功能功能的的CPU和和专用专用的的DMA控制器。控制器。适合适合 批量传送批量传送 速度很快速度很快 2024/7/12MCS-51单片机原理与应用74四、四、I/OI/O接口的类型接口的类型MCS-51有两种有两种I/O传送方式传送方式1、串行、串行I/O接口接口1.1.串行发送串行发送-中断一次，发送一个字节中断一次，发送一个字节 1 1）CPUCPU将将发送的数据字节发送的数据字节送到送到串行口串行口 2 2）串口发送）串口发送完完1字节字节，产生一次，产生一次中断中断请求请求 3 3）CPUCPU响应响应后后完成完成 发送发送第第2字节字节2.2.串行接收串行接收-中断一次，接收一个字节中断一次，接收一个字节 2024/7/12MCS-51单片机原理与应用752、并行、并行I/O接口接口 并行并行I/OI/O接口可以接口可以同时同时传送传送多位多位信息，需要信息，需要多条多条数据数据线线一、一、MCS-51MCS-51内部并行内部并行I/OI/O端口端口每个每个I/OI/O口都有一个口都有一个8 8位的位的数据锁存器数据锁存器和一个和一个8 8位的位的数据缓冲器数据缓冲器.八位数据锁存器八位数据锁存器P0、P1、P2、P3为为2121个特殊寄存个特殊寄存器中的四个，用来放需要器中的四个，用来放需要输出的数据输出的数据。2024/7/12MCS-51单片机原理与应用76数据缓冲器对数据缓冲器对端口引脚上的数据端口引脚上的数据进行缓冲，但不能进行缓冲，但不能锁存锁存，需要保持到，需要保持到CPU将数据将数据读走读走。MCS-51MCS-51有有4个个8位位准双向并行准双向并行I/O口口P0P3（占（占3232根根引脚）引脚）,是是SFR中中4个寄存器个寄存器,能能字节寻址字节寻址和和位寻址位寻址。MCS-51内部并行内部并行I/O端口的应用端口的应用（一）并行（一）并行I/O口的操作方式口的操作方式 MCS-51MCS-51内部并行内部并行I/OI/O口有三种工作方式口有三种工作方式 1、输出数据方式、输出数据方式直接使用以直接使用以端口为目的端口为目的的操作指令的操作指令 2024/7/12MCS-51单片机原理与应用77 MOVP0,A ORLP1,#DATA ANLP2,A XRLP3,#DATA2、读端口数据方式（读端口锁存器中数据）、读端口数据方式（读端口锁存器中数据）直接使用以端口为源操作指令直接使用以端口为源操作指令 MOVA,P0 ORLR1,P1 ANL20H,P2 3、读引脚方式（读端口线上的数据）、读引脚方式（读端口线上的数据）方法方法：使使欲读端口欲读端口对应的对应的锁存器锁存器为为1 1；用用数据传送数据传送指令指令读该端口读该端口 MOVP1,#0FH MOVA,P12024/7/12MCS-51单片机原理与应用781 P0口口P0P0口的一位由一个口的一位由一个输出锁存器输出锁存器、两个两个三态输入缓三态输入缓冲器冲器、输出驱动电路输出驱动电路以及以及输出控制电路输出控制电路组成组成。输出输出控制电路控制电路由由一个一个与门与门,一个一个反相器反相器和一个和一个模拟开关模拟开关MUX构成构成,控制口线工作在控制口线工作在不同的工作状态不同的工作状态。2024/7/12MCS-51单片机原理与应用79（1）P0作通用作通用I/O口口当当P0P0口作为口作为通用通用I/O口口使用使用,控制信号为控制信号为“0 0”。此此信号一方面使信号一方面使模拟开关模拟开关MUX把锁存器的把锁存器的 端与端与T2T2栅极栅极接通接通；另一方面把另一方面把与门与门封封锁锁,使使T1截止截止。因此因此,输出驱动工输出驱动工作在需作在需外接上拉电阻外接上拉电阻的的漏极开路方式漏极开路方式。信号流程为？信号流程为？2024/7/12MCS-51单片机原理与应用80P0口输出口输出:内部总线信号内部总线信号锁存器锁存器D端端锁存器锁存器的的 端端（作了第一次倒相作了第一次倒相）T2栅极栅极（经经T2T2再次反相再次反相）P0口的引脚口的引脚上。上。内部总线内部总线送来的信号与到达送来的信号与到达P0口口引脚上的信号是引脚上的信号是相同相同的的。2024/7/12MCS-51单片机原理与应用81 P0口输入口输入:输入信号输入信号除加在三态缓冲器输入端上除加在三态缓冲器输入端上,还还加在加在T2T2的的阳极阳极上上,输入信号可能会受到输入信号可能会受到T2状态状态的影响的影响。如果此前该端口曾输出锁存过数据如果此前该端口曾输出锁存过数据“0”,则则T2是导是导通通的的,这样引脚上的这样引脚上的电位电位将被将被T2箝位箝位在在“0”电平上电平上,使使输入的输入的“1”信号信号无法读入。无法读入。2024/7/12MCS-51单片机原理与应用82在输入数据前在输入数据前,应先向应先向端口端口写写“1”,使使T2截止截止,去去除除T2对读对读1的影响的影响。因此因此,要遵循要遵循“先写先写1,后读入后读入”才才能正确使用能正确使用,因此因此,P0P0口被称为口被称为准双向口。准双向口。图中上面一个图中上面一个三态缓冲器三态缓冲器是为是为读锁存器读锁存器Q端信号端信号而而设置的设置的,即用于所谓即用于所谓“读改写读改写”类指令类指令。2024/7/12MCS-51单片机原理与应用83如执行如执行“ANL P0,A”指令时指令时,CPUCPU是先是先读入读入P0口锁口锁存器存器中的数据中的数据,以避免以避免读引脚时读引脚时可能会受到可能会受到负载的影响负载的影响,再将该再将该数据数据和和累加器累加器A中的数据相中的数据相“与与”,经过运算修经过运算修改改,最后将结果送回最后将结果送回P0口口。（2）P0作地址作地址/数据总线数据总线在在扩展系统扩展系统中访问中访问片外存储器片外存储器时时,P0口是作为口是作为复复用的地址用的地址/数据总线数据总线。2024/7/12MCS-51单片机原理与应用84此时此时,控制信号为控制信号为“1”。一方面使模拟一方面使模拟开关开关MUX与与反相器输出端反相器输出端接通接通,把地址把地址/数据信息经数据信息经反相器反相器和和T2接接通通,另一方面使另一方面使与门与门打开。打开。信息通过信息通过与门与门驱动驱动T1,又经反相器后去驱动又经反相器后去驱动T2,两个两个FETFET构成构成推拉式输出推拉式输出电路电路,负载能力负载能力增强增强,可以驱动可以驱动8个个LSTTLLSTTL负载负载。2024/7/12MCS-51单片机原理与应用85若地址若地址/数据信息为数据信息为“0”T1截止截止,T2导通导通,引脚上输出为引脚上输出为“0”；若地址若地址/数据信息为数据信息为“1”T1导通导通,T2截止截止,引脚上输出为引脚上输出为“1”。2024/7/12MCS-51单片机原理与应用86P0口口输入数据输入数据时时,首先低首先低8位地址信息位地址信息出现在出现在地址地址/数据总线数据总线上上,引脚的状态与引脚的状态与地址地址/数据总线数据总线的地址的地址信息信息相相同。同。2024/7/12MCS-51单片机原理与应用87硬件硬件会