第3章MCS-51单片机的硬件结构课件

单片微型计算机原理及应用AMicrocontrollers Principle and Applications课程主讲：訾学博1课程内容23第第3 3章章 MCS-51MCS-51单片机的硬件结构单片机的硬件结构CPUROMRAM定时器/计数器并行接口串行接口中断系统T0T1时钟电路内部总线P0P1P2P3TXDRXDINT0INT1图 31 MCS-51单片机的基本结构3.1MCS-513.1MCS-51的的的的基本结构基本结构基本结构基本结构与与与与应用模式应用模式应用模式应用模式43.2MCS-513.2MCS-51的的的的资源配置资源配置资源配置资源配置与与与与引脚封装引脚封装引脚封装引脚封装MCS-51MCS-51单片机引脚说明单片机引脚说明单片机引脚说明单片机引脚说明1.主电源引脚：VCC、VSS 2.外接晶体引脚：XTAL1和XTAL2 XTAL1 接外部晶体的一个引脚。当采用外部时钟时，对于 HMOS单片机，该引脚接地；对CHMOS单片机，该引脚接外部时钟输入。XTAL2 接外部晶体的另一引脚。当采用外部时钟时，对于 HMOS单片机，该引脚接外部时钟输入；对CHMOS单片机，该引脚应悬浮。3.RST/VPD：复位和备用电源引脚 振荡器运行时，该引脚出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。VCC掉电期间，该引脚可接上备用电源，以保持内部RAM的数据。65.PSEN：外部程序存储器读选通信号 6.EA/VPP：外部程序存储器使能/编程电源 当EA保持高电平时，访问内部程序存储器，但在PC值超过0FFFH（或其它内部程序存储器最高地址）时，将自动转向外部程序存储器 执行程序。对于EPROM型单片机，在编程期间，该引脚用于施加编程电源。7.P0.0-P0.7：P0口引脚 漏极开路双向I/O口。在访问外部存储器时，是分时复用的低8位地址和数据总线。负载能力：8个LS型TTL。4.ALE/PROG：地址锁存/编程脉冲引脚 访问外部存储器时，ALE的输出用于锁存地址的低字节；对于EPROM型单片机，在编程期间，该引脚用于输入编程脉冲。MCS-51MCS-51单片机引脚说明单片机引脚说明单片机引脚说明单片机引脚说明(续续续续)7MCS-51MCS-51单片机引脚说明单片机引脚说明单片机引脚说明单片机引脚说明(续续续续)8.P1.0 P1.7：P1口引脚带内部上拉电阻的双向I/O口。负载能力：4个LS型TTL。9.P2.0 P2.7：P2口引脚 带内部上拉电阻的双向I/O口。在访问外部存储器时，提供高8位地址总线。负载能力：4个LS型TTL。10.P3.0 P3.7：P3口引脚 带内部上拉电阻的双向I/O口。具有第二功能。负载能力：4个LS型TTL。83.3MCS-513.3MCS-51单片机的单片机的单片机的单片机的CPUCPU3.3.MCS-51MCS-51单片机的单片机的单片机的单片机的存储器组织存储器组织存储器组织存储器组织11EA=1内部ROMEA=0外部ROM0000H1000H0FFFH0FFFFH程序存储器内部RAM特殊功能寄存器外部RAM(64K)0000H007FH0080H00FFH0000H0FFFFH数据存储器MCS-51单片机的存储器结构物理上分为：4个空间，即片内ROM、片外ROM 片内RAM、片外RAM逻辑上分为:3个空间，即程序内存（片内、外）统一编址 MOVC 数据存储器（片内）MOV 数据存储器（片外）MOVX133.4.1 程序存储器 作用：存放用户程序和表格常数 特殊单元 0000H：复位后从0000H开始执行程序，一般在该地址存放一条绝对转移指令。中断矢量单元：五个特殊单元用于存放五个 中断源的中断矢量。14中断入口地址表 每个中断源有8字节的中断服务程序空间，如果中断程序不大于8字节，可在中断矢量处开始存放。若中断程序大于8字节，则可在此空间内安排一条跳转指令。中断源中断源入口地址入口地址外中断外中断0（INT0）0003H定时器定时器0（T0）000BH外中断外中断1（INT1）0013H定时器定时器1（T1）001BH串行口（串行口（UART）0023H15程序存储器低端的几个特殊单元 3.4.2内部数据存储器通用寄存器工作组位地址空间（直接或间接寻址）高128个字节（只能间接寻址）特殊功能寄存器（只能直接寻址）17q 通用工作寄存器 内部数据存储器 001FH共32个单元是4组通用工作寄存器区。用户可通过改变PSW（程序状态字）中的RS1（PSW.4)和RS0（PSW.3)来切换寄存器区，可实现快速现场保护。0区：R0-00H，R1-01H；1区 R0-08H，R1-09H 0 00 区区0007HRS1 RS0寄存器区寄存器区内存地址内存地址 0 11 区区080FH 1 02 区区1017H 1 13 区区181FH18q 通用工作寄存器【例1】RS1 RS0=01时，R7的RAM地址为？0 00 区区0007HRS1 RS0寄存器区寄存器区内存地址内存地址 0 11 区区080FH 1 02 区区1017H 1 13 区区181FH【例2】当单片机复位时PSW H，这时当前的工作寄存器区是 区，R4所对应的存储单元地址为 H。19q 位地址空间 MCS-51有功能强大的布尔处理机，适用于开关决策、逻辑仿真、实时控制。其中位地址00H7FH 共128个处于内部RAM（20H2FH）中，其余83个分布于SFR中。q 外部数据存储器空间 MCS-51可以外扩64KB RAM或I/O口。外部RAM和I/O口统一编址20q 特殊功能寄存器（SFR）SFR：具有特殊功能的RAM单元（状态和控制）地址范围：80HFFH 共21个，离散分布，有11个可以位寻址。注意：不应访问未定义的RAM单元。21q 特殊功能寄存器介绍1.累加器ACC：存放操作数、运算结果2.B寄存器：乘除法指令中使用，亦可作为通用RAM单元。3.程序状态字（PSW）：D7D6D5D4D3D2D1D0CYACF0RS1RS0OV-PCY（PSW.7）：进位标志，可被硬件、软件清零或置位。AC（PSW.6）：辅助进位标志，低4位有进位或借位时置位。F0（PSW.5）：用户定义的状态标志，用软件清零或置位。RS1 RS0（PSW.4 PSW.3）：寄存器区控制位。OV（PSW.2）：溢出标志，执行加减指令产生溢出时置位。P（PSW.0）：奇偶标志，ACC中值为1的位数为奇数时置位。22q 特殊功能寄存器介绍4.堆栈指针SP：指示栈顶在内部RAM中的位置。系统复位后SP被初始化为07H，堆栈 实际从08H开始（注意寄存器区的位置）5.数据指针DPTR：存放16位数据地址（访问外部RAM或P）可分为DPH和DPL单独操作，可作通用RAM单元6.端口P0P3：I/O端口锁存器7.其它SFR：在有关章节介绍 SBUF、SCON、TH0、TL0、TH1、TL1 IP、IE、TMOD、TCON、PCON23片内RAM详图 寄存器及其存储器映射如下图：MCS-51单片机有4个双向8位I/O口，每个口都包含一个输出锁存器（即专用寄存器P0P3）、一个输出驱动器和一个输入缓冲器。访问外部存储器时，地址由P0和P2口送出，数据通过P0口传送，此时P0口是分时复用的双向总线。不使用外部存储器时，可作为准双向口使用。3.5MCS-513.5MCS-51的的的的并行口结构并行口结构并行口结构并行口结构与与与与操作操作操作操作263.5.1 P0口P0P0口：地址口：地址/数据复用口数据复用口G1G22728P0P0口用作地址口用作地址/数据总线数据总线P0P0口：地址口：地址/数据复用口数据复用口G1G21CPU执行输出指令1 0CPU执行输入指令地址信息地址信息0FFH1029P0P0口：地址口：地址/数据复用口数据复用口G1G2P0P0口用作通用口用作通用I/OI/O口口0P0作输出口01010漏极开路1P0作输入口方式方式1（读锁存器）（读锁存器）QG2D内部总线内部总线,2）写（片内数据）写（片内数据端口）端口）数据数据锁存锁存MUXP0.x 方式方式2（读引脚）：（读引脚）：P0.xG1D内部总线。内部总线。1）读（端口外数据）读（端口外数据内部寄存器）内部寄存器）通通用用I/OI/O口口适于适于“读读修改修改写写”作为通用作为通用I/O使用，使用，是一个准双向口：是一个准双向口：“在输入数据时应先把口置在输入数据时应先把口置1，使两个，使两个FET都截止，引脚处于悬都截止，引脚处于悬浮状态，可作高阻抗输入浮状态，可作高阻抗输入”304)负载能力负载能力可带可带8个个TTL输入，驱动输入，驱动NMOS时，接上拉电阻。时，接上拉电阻。3）地址）地址/数据总线口数据总线口控制控制MUX写：地址写：地址/数据为数据为1，P0 x高高地址地址/数据为数据为0，P0 x低低读：经缓冲器读：经缓冲器G1读入读入 31（1）P0口可作通用口可作通用I/O口使用，又可作地址口使用，又可作地址/数据总线数据总线口；口；（2）P0既可按字节寻址，又可按位寻址；既可按字节寻址，又可按位寻址；（3）P0作为输入口使用时：是准双向口；作为输入口使用时：是准双向口；（4）作通用）作通用I/O口输出时：是开漏输出；口输出时：是开漏输出；（5）作地址）作地址/数据总线口时，数据总线口时，P0是一真正双向口，是一真正双向口，而作而作通用通用I/O口时，只是一个准双向口。口时，只是一个准双向口。总结特点：总结特点：323.5.2 P1口G1G21 0P1P1口的位结构口的位结构333.5.2 P1口G1G20110P1P1口的位结构口的位结构0P1作输出口P1作输入口134只能只能作作I/O口用，且是一个准双向口。口用，且是一个准双向口。内部已有上拉电阻，不是开漏输出口。内部已有上拉电阻，不是开漏输出口。特点特点：（1）无地址）无地址/数据口功能数据口功能（2）可按字节寻址，也可按位寻址）可按字节寻址，也可按位寻址（3）作）作I/O输入口时：是一准双向口，不是开漏输出。输入口时：是一准双向口，不是开漏输出。35G1G23.5.3 P2口P2P2口的位结构口的位结构36G1G21101001P2口用作地址P2P2口的位结构口的位结构37G1G201CPU执行输出指令1010010CPU执行输入指令FFH10P2口用作I/OP2P2口的位结构口的位结构38（1）当P2口作为通用I/O时，是一准双向口。（2）从P2口输入数据时，先向锁存器写“1”。（3）可位寻址，也可按字节寻址。（4）可输出地址高8位。P2口的特点：393.5.4 P3口G1G2FFHP3P3口的位结构口的位结构40G1G2111010010CPU执行输出指令CPU执行输入指令FFH10&P3口用作通用I/OP3P3口的位结构口的位结构41G1G21101010第二功能输出引脚第二功能输入引脚10P3口用作第二功能引脚1P3P3口的位结构口的位结构42（1）作通用）作通用I/O时，时，“选择输出功能选择输出功能”应保持高应保持高电平。电平。（2）工作于第二功能时，该位锁存器应置）工作于第二功能时，该位锁存器应置1。（3）作输入口时，输出锁存器和选择输出功能端都）作输入口时，输出锁存器和选择输出功能端都应置应置1。（4）第二功能专用输入，取自输入通道第一）第二功能专用输入，取自输入通道第一缓冲器缓冲器G1）输出）输出端，通用输入信号取自端，通用输入信号取自“读引脚读引脚”。P3P3口的特点：口的特点：433.5.5 P33.5.5 P3口的第二功能表口的第二功能表I/O口口第二功能第二功能说说明明P3.0RXD串行口数据接收端串行口数据接收端P3.1TXD串行口数据发送端串行口数据发送端P3.2INT0外部中断请求外部中断请求0P3.3INT1外部中断请求外部中断请求1P3.4T0定时器定时器/计数器计数器0P3.5T1定时器定时器/计数器计数器1P3.6WR外部外部RAM写信号写信号P3.7RD外部外部RAM读信号读信号443.6.1时钟产生方式计算机工作时，是在统一的时钟脉冲控制下一拍一拍地进行的。这个脉冲是由单片机控制器中的时序电路发出的。内部时钟方式外部时钟方式3.6MCS-513.6MCS-51的的的的时钟电路时钟电路时钟电路时钟电路与与与与复位电路复位电路复位电路复位电路1 1个机器周期个机器周期：1212个晶荡个晶荡(时钟时钟)周期周期（或（或6 6个状态周期）个状态周期）指令的执行时间称作指令的执行时间称作指令周期指令周期 （单、双、四周期）（单、双、四周期）单片机的时序就是 CPU 在执行指令时所需控制信号的时间顺序，为了保证各部件间的同步工作，单片机内部电路应在唯一的时钟信号下严格地控时序进行工作。8051的时钟信号 8051的典型时序 单字节指令 双字节指令 单周期指令双周期指令 2 2个机器周期中个机器周期中ALEALE有效有效4 4次，后次，后3 3次读操作无效。次读操作无效。访问外部RAM的双周期指令时序 第二机器周期无读操作码的操作，而是进行外部数据存第二机器周期无读操作码的操作，而是进行外部数据存储器的寻址和数据选通储器的寻址和数据选通 。ALEALE信号会出现非周期现象。信号会出现非周期现象。复位可使单片机或系统部件处于确定的初始状态。复位电路 上电复位电路 按键与上电复位 3.6.2 8051单片机的复位 单片机复位后的状态 PC=0000H RAM：随机值（运行中复位不改变RAM内容）SFR：P0P3=FFH SP=07H IP、IE和PCON：有效位为0 PSW=00H 单片机复位后的状态特殊功能寄存器特殊功能寄存器 初始值初始值特殊功能寄存器特殊功能寄存器初始值初始值ACC00HTCON00HB00HTMOD00HPSW00HTL000HSP07HTH000HDPTR0000HTL100HP0P3FFHTH100HPCON 0XXX 0000BT2CON00HAUXRXXX0 0XX0BT2MODXXXX XX00BAUXR1XXXX XXX0BRCAP2L00HIE0X00 0000BRCAP2H00HIPXX00 0000BTL200HSCON00HTH200HSBUFXXXX XXXXXBWDTRSTXXXX XXXXB 单片机复位后的状态复位电路的作用非常重要，能否成功复位关系到单片机系统能否正常运行的问题。如果振荡电路正常而单片机系统不能正常运行，其主要原因是单片机没有完成正常复位，程序计数器的值没有回0，特殊功能寄存器没有回到初始状态。这时可以适当地调整上电复位调整上电复位电路的阻容值电路的阻容值，增加其充电时间常数来解决问题。小小结结1、介绍单片机的编程结构和内部逻辑结构及性能。2、学习了单片机存储器结构特点、内部数据存储器 与程序存储器的结构和工作原理。3、理解单片机的4个8位并行端口P0、P1、P2和P3各 自端口电路逻辑和功能。4、单片机的时钟电路和时序以及单片机的工作方 式。54教材第28页1、5、13、16、1755作业作业