单片机原理及应用课件教学作者韩峻峰2(全套课件

单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构淘宝店铺：淘课件淘宝店铺：淘课件-教学配套课件教学配套课件教材其余课件及动画素材请在淘宝网搜索教材其余课件及动画素材请在淘宝网搜索或者直接输入下面地址：或者直接输入下面地址：http:/8/1/202412.单片机的硬件结构单片机的硬件结构8/1/20242单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构2.单片机的硬件结构单片机的硬件结构本章要点：本章要点：nMCS-51单片机主要功能特点和内部结构单片机主要功能特点和内部结构nMCS-51单片机的引脚功能与单片机的引脚功能与I/O口口nMCS-51单片机的存储器结构单片机的存储器结构nMCS-51单片机的单片机的CPU时序时序nMCS-51单片机的低功耗运行方式单片机的低功耗运行方式8/1/20243单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构2.1MCS-51单片机主要功能特点和单片机主要功能特点和内部结构内部结构nMCS-51系列单片机的典型代表是系列单片机的典型代表是8051、8751、8031，它们的指令完全兼容，仅在，它们的指令完全兼容，仅在内部结构和应用特性方面稍有差异。内部结构和应用特性方面稍有差异。8/1/20244单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构主要功能特点如下：主要功能特点如下：8位位CPU128B数据存储器数据存储器RAM(52系列有系列有256字节字节)4KB程序存储器程序存储器ROM/EPROM(8051/8751)特殊功能寄存器区特殊功能寄存器区5个中断源，个中断源，2个中断优先级个中断优先级32根根I/O线线(4个个8位并行口位并行口)2个个16位定时位定时/计数器计数器(52系列为系列为3个个)1个全双工异步串行口个全双工异步串行口1位布尔处理机位布尔处理机片外可扩展片外可扩展64KB程序存储器程序存储器ROM和和64KB数据存储器数据存储器RAM片内振荡器及时钟电路片内振荡器及时钟电路8/1/20245单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构说明：说明：n8051片内程序存储器为掩膜片内程序存储器为掩膜ROM，可根据，可根据特殊要求和用途在制造芯片时将专用程序特殊要求和用途在制造芯片时将专用程序固化进去，成为专用计算机。固化进去，成为专用计算机。n8031单片机内部没有单片机内部没有ROM，使用时需外接，使用时需外接程序存储器芯片，其它与程序存储器芯片，其它与8051完全一样。完全一样。n8751内部为内部为EPROM，其它与，其它与8051无差别。无差别。8/1/20246单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构MCS-51单片机的内部结构单片机的内部结构:微处理器ALU控制逻辑RAMP0口P2口EPROM/ROMP1口串行口定时器计数器P3口中断系统特殊功能寄存器(SFR)P3.0P3.78888VccVssP0.0P0.7P2.0P2.7P1.0P1.7XTAL1XTAL2PSEN EA ALE RESETMCS-51单片机功能框图单片机功能框图8/1/20247单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构2.2MCS-51单片机的引脚功能与单片机的引脚功能与I/O口口nHMOS制造工艺的单制造工艺的单片机大部分采用双列片机大部分采用双列直插式（直插式（DualIn-linePackage，DIP）封装，共）封装，共40条条引脚，如图所示。引脚，如图所示。双列直插式封装双列直插式封装8/1/20248单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构nCHMOS制造工艺的单片机除采用制造工艺的单片机除采用DIP封装封装方式外，还采用方形封装，共方式外，还采用方形封装，共44条引脚，条引脚，其中其中4只引脚为无用引脚只引脚为无用引脚NC，有，有PLCC（PlasticLeadedChipCarrier,PLCC）封装和）封装和PQFQ（PlasticQuardFlatPackage，PQFQ）封装）封装2种形式，如种形式，如教材图教材图2-3（b）和（）和（c）所示。）所示。8/1/20249单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构PLCC封装封装8/1/202410单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构PQFP封装封装8/1/202411单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构2.2.1 电源引脚n电源引脚提供芯片的工作电源，电源引脚提供芯片的工作电源，MCS-51系系列单片机采用单一列单片机采用单一+5V供电。供电。n1Vcc（40号引脚）号引脚）nVcc接接+5V电压。电压。n2GND（20号引脚）号引脚）8/1/202412单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构2.2.2 时钟部分nMCS-51单片机的定时器控制功能是由片内的时钟单片机的定时器控制功能是由片内的时钟电路和振荡电路完成的，而根据硬件电路的不同，电路和振荡电路完成的，而根据硬件电路的不同，片内的时钟产生有两种方式：内部时钟方式和外片内的时钟产生有两种方式：内部时钟方式和外部时钟方式。部时钟方式。n单片机内部有一个反相放大器，单片机内部有一个反相放大器，XTAL1、XTAL2分别为反相放大器的输入端和输出端，外接定时分别为反相放大器的输入端和输出端，外接定时反馈元件组成振荡器（内部时钟方式）或通过外反馈元件组成振荡器（内部时钟方式）或通过外部输入时钟（外部时钟方式）的方法，产生的时部输入时钟（外部时钟方式）的方法，产生的时钟送至单片机内部的各个部件。时钟频率越高，钟送至单片机内部的各个部件。时钟频率越高，单片机控制器的控制节拍越快，运算速度也就越单片机控制器的控制节拍越快，运算速度也就越快。快。8/1/202413单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构n1内时钟方式内时钟方式n利用芯片内部振荡电路，在利用芯片内部振荡电路，在XTAL1和和XTAL2引脚引脚上外接定时元件，内部振荡器便能产生自激振荡。上外接定时元件，内部振荡器便能产生自激振荡。n定时元件可以采用石英晶体和电容组成的并联谐振定时元件可以采用石英晶体和电容组成的并联谐振电路。电路。n晶体可以在晶体可以在1.2MHz12MHz之间选择；之间选择；n电容可以在电容可以在2060pF之间选择，对时钟频率有微调之间选择，对时钟频率有微调作用，通常为作用，通常为30pF左右。左右。8/1/202414单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构2.外时钟方式外时钟方式nXTAL1接地，接地，XTAL2接外部振荡器，对外部振荡接外部振荡器，对外部振荡信号无特殊要求。信号无特殊要求。n由于由于XTAL2端的电平不是端的电平不是TTL电平，故应接一上电平，故应接一上拉电阻。拉电阻。n外部振荡器的频率应低于外部振荡器的频率应低于12MHZ。8/1/202415单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构2.2.3控制引脚控制引脚n1RST/VPD复位信号（复位信号（9号引脚）号引脚）n复位的目的是使单片机和系统中的其它部复位的目的是使单片机和系统中的其它部件处于某种确定的初始状态。件处于某种确定的初始状态。n时钟电路工作后，在时钟电路工作后，在RST引脚上出现两个引脚上出现两个机器周期的高电平，单片机内部进行初始机器周期的高电平，单片机内部进行初始复位，复位后片内寄存器状态如表复位，复位后片内寄存器状态如表2-2所示。所示。n只要该引脚保持高电平，单片机将循环复只要该引脚保持高电平，单片机将循环复位。当该引脚从高电平变成低电平时，单位。当该引脚从高电平变成低电平时，单片机将从片机将从0000H单元开始执行程序。单元开始执行程序。8/1/202416单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构寄存器寄存器内容内容寄存器寄存器内容内容PC0000HTMOD00HACC00HTCON00HB00HTH000HPSW00HTL000HSP07HTH100HDPTR0000HTL100HP0P30FFHSCON00HIPXXX00000SBUF不定不定IE0XX00000PCON0XXX0000表表2-2复位后内部寄存器状态复位后内部寄存器状态8/1/202417单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构说明：说明：n复位不影响片内复位不影响片内RAM状态，只要该引脚保状态，只要该引脚保持高电平，单片机将循环复位。持高电平，单片机将循环复位。n当该引脚从高电平变成低电平时，单片机当该引脚从高电平变成低电平时，单片机将将0000H单元开始执行程序。单元开始执行程序。n该引脚还有复用功能。接该引脚还有复用功能。接+5V备用电源，一备用电源，一旦旦Vcc电位突然下降或断电，能保护片内电位突然下降或断电，能保护片内RAM中的信息不会丢失，复电后能正常工中的信息不会丢失，复电后能正常工作。作。8/1/202418单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构复位有两种：上电复位和开关复位。复位有两种：上电复位和开关复位。n上电复位：在通电瞬间，由于电容两端电压不上电复位：在通电瞬间，由于电容两端电压不能突变，电容通过电阻充电，在能突变，电容通过电阻充电，在RESET端出端出现高电平，随着时间推移，现高电平，随着时间推移，RESET端逐渐变端逐渐变成低电平。成低电平。8/1/202419单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构n开关复位：在程序运行期间，如果有必要开关复位：在程序运行期间，如果有必要也可通过开关使系统复位。也可通过开关使系统复位。8/1/202420单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构2信号（信号（30号引脚）号引脚）(30脚脚)：地址锁存信号：地址锁存信号/编程脉冲输入端编程脉冲输入端当访问外部存储器时，当访问外部存储器时，P0口输出的低八位地址由口输出的低八位地址由ALE输出的控制信号锁存到片外地址锁存器。输出的控制信号锁存到片外地址锁存器。由于由于P0口作为地址口作为地址/数据复用口，数据复用口，在在ALE为高电平期为高电平期间，间，P0口上出现的是地址信息口上出现的是地址信息，在，在ALE下降沿将地址下降沿将地址信息锁存到片外地址锁存器，信息锁存到片外地址锁存器，在在ALE为低电平期间，为低电平期间，P0口上出现的一般是指令或数据口上出现的一般是指令或数据。除访问外部数据存储器外，除访问外部数据存储器外，ALE引脚会以时钟频率的引脚会以时钟频率的六分之一输出脉冲，可用作系统中其它芯片的时钟源。六分之一输出脉冲，可用作系统中其它芯片的时钟源。ALE可驱动可驱动8个个TTL门。门。对片内有对片内有EPROM的单片机，在编程时，此脚用于输的单片机，在编程时，此脚用于输入入编程脉冲编程脉冲。8/1/202421单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构n低电平有效，低电平有效，8051访问片外程序存储器时，访问片外程序存储器时，程序计数器程序计数器PC通过通过P2口和口和P0口输出十六位口输出十六位地址，地址，PSEN作为程序存储器读信号，输出作为程序存储器读信号，输出负脉冲将相应存储单元的指令读出并送到负脉冲将相应存储单元的指令读出并送到P0口上。口上。nPSEN同样可以驱动同样可以驱动8个个TTL门输入。门输入。3.(29脚脚)：片外程序存储器读选通：片外程序存储器读选通8/1/202422单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构4.EA/Vpp(31脚脚)：内部和外部程序存储器选择信号内部和外部程序存储器选择信号n当当EA为高电平时，为高电平时，CPU从片内程序存储器从片内程序存储器取指执行，地址超过取指执行，地址超过0FFFH后自动转向片后自动转向片外程序存储器；外程序存储器；n当当EA为低电平时，为低电平时，CPU只从片外程序存储只从片外程序存储器取指。器取指。8031中中EA必须接地。必须接地。n对片内对片内EPROM编程时，该脚接编程时，该脚接21V编程电编程电压压Vpp。8/1/202423单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构2.2.4I/O口口nMCS-51单片机有单片机有4个双向个双向8位并行位并行I/O口口P0P3，在特殊功能寄存器区中有相应的，在特殊功能寄存器区中有相应的地址映射，对应的单元地址分别为：地址映射，对应的单元地址分别为：80H（P0）、）、90H（P1）、）、A0H（P2）、）、B0H（P3），），P0P3都有位寻址功能，即都有位寻址功能，即可以独立地对可以独立地对I/O口的每一位口的每一位I/O线编程。每线编程。每个并行口包含一个锁存器、一个输出驱动个并行口包含一个锁存器、一个输出驱动器和一个输入缓冲器。器和一个输入缓冲器。8/1/202424单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构nP0口为三态双向口，负载能力为口为三态双向口，负载能力为8个个TTL门门电路；电路；nP1P3为准双向口为准双向口(用作输入时，需先向锁用作输入时，需先向锁存器写存器写1)，负载能力为，负载能力为4个个TTL门电路。门电路。8/1/202425单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构1P0口nP0口既可作地址口既可作地址/数据总线使用，也可作通用数据总线使用，也可作通用I/O口使用。口使用。8/1/202426单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构n对对8031来说，来说，P0口只能作地址口只能作地址/数据复数据复用总线使用。不再当作用总线使用。不再当作I/O口使用。口使用。n对内部有对内部有ROM的单片机，的单片机，P0口也可以口也可以作通用作通用I/O口用，口用，作输入口用时，应先向作输入口用时，应先向锁存器写锁存器写18/1/202427单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构2P1口与与P0口不同，口不同，P1口内部有上拉电阻。口内部有上拉电阻。8/1/202428单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构（1）P1口作通用口作通用I/O口使用口使用（2 2）P1口的其它功能口的其它功能 P1口在口在EPROM编程时和验证程序时编程时和验证程序时,它它输入低八位地址输入低八位地址.8/1/202429单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构3P2口8/1/202430单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构nP2口为准三态双向口，负载能力为口为准三态双向口，负载能力为4个个TTL门电路。门电路。n当单片机系统扩展存储器时，当单片机系统扩展存储器时，P2输出高输出高8位位地址；地址；n系统没有扩展存储器时，系统没有扩展存储器时，P2口可作通用口可作通用I/O口使用。口使用。8/1/202431单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构4P3口nP3口为双功能口，除了可作为通用口为双功能口，除了可作为通用I/O口，口，它还具有特定的第二功能。它还具有特定的第二功能。n在第二功能起作用时，相应引脚的在第二功能起作用时，相应引脚的I/O口功能口功能不能使用。不能使用。n在不使用它的第二功能时，它就是准双向在不使用它的第二功能时，它就是准双向I/O口，负载能力为口，负载能力为4个个TTL门电路。门电路。nP3口各个引脚的第二功能定义如表口各个引脚的第二功能定义如表2-3所示。所示。8/1/202432单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构引引 脚脚第二功能第二功能P3.0RXD(串行输入串行输入)P3.1TXD(串行输出串行输出)P3.2 (外部中断外部中断0输入输入)P3.3 (外部中断外部中断1输入输入)P3.4T0(定时定时/计数器计数器0外部输入外部输入)P3.5T1(定时定时/计数器计数器1外部输入外部输入P3.6 (外部数据存储器写选通外部数据存储器写选通)P3.7 (外部数据存储器读选通外部数据存储器读选通)8/1/202433单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构四个并口的使用注意事项：如果单片机不需要扩展存储器和如果单片机不需要扩展存储器和I/O接口，单片机接口，单片机的的4个口均可作个口均可作I/O口使用。口使用。四个口在作为输入口使用时，均应先对其写四个口在作为输入口使用时，均应先对其写“1”，以避免误读。以避免误读。P0口只有作为地址口只有作为地址/数据总线使用时数据总线使用时是一个真正的双向口，做通用是一个真正的双向口，做通用I/O口时也是准双向口时也是准双向口。口。P0口作为口作为I/O口使用时，应外接口使用时，应外接10k的上拉电阻，的上拉电阻，其他口则不必。其他口则不必。P2口的某几根线作为地址线使用时，口的某几根线作为地址线使用时，P2口剩下的口剩下的口线不能作为口线不能作为I/O口线使用。口线使用。P3口的某几根线作为第二功能使用时，口的某几根线作为第二功能使用时，P3口剩下口剩下的口线可以单独作为的口线可以单独作为I/O口线使用。口线使用。8/1/202434单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构2.3 MCS-51的存储器结构n单片机的存储结构有两种：一种结构称为哈佛结单片机的存储结构有两种：一种结构称为哈佛结构，即程序存储器和数据存储器分开，相互独立；构，即程序存储器和数据存储器分开，相互独立；另一种结构称为普林斯顿结构，即程序存储器和另一种结构称为普林斯顿结构，即程序存储器和数据存储器是统一的，地址空间统一编址。数据存储器是统一的，地址空间统一编址。nMCS-51系列单片机的存储器结构属于哈佛结构，系列单片机的存储器结构属于哈佛结构，主要特点是程序存储器和数据存储器的寻址空间主要特点是程序存储器和数据存储器的寻址空间是相互独立的，各有各的寻址机构和寻址方式。是相互独立的，各有各的寻址机构和寻址方式。8/1/202435单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构n对于对于MCS-51系列（系列（8031除外）有除外）有4个物理上相互个物理上相互独立的存储空间：片内、外程序存储器，片内、独立的存储空间：片内、外程序存储器，片内、外数据存储器。图外数据存储器。图2-11为为MCS-51系列单片机存储系列单片机存储器的配置图。器的配置图。n从逻辑上（用户角度）看，有从逻辑上（用户角度）看，有3个逻辑空间：片内个逻辑空间：片内外统一编址的外统一编址的64KB程序存储空间；程序存储空间；256B（51系系列）列）的片内数据存储空间（其中包括特殊功能寄的片内数据存储空间（其中包括特殊功能寄存器空间）；存器空间）；64KB片外数据存储空间。片外数据存储空间。8/1/202436单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构n对于这三个逻辑空间，采用不同的指令形式和寻对于这三个逻辑空间，采用不同的指令形式和寻址方式访问。址方式访问。n汇编指令系统设计了不同的数据传送指令符号：汇编指令系统设计了不同的数据传送指令符号：CPU访问片内、片外程序存储器（访问片内、片外程序存储器（ROM），指令），指令用用MOVC；访问片外数据存储器（；访问片外数据存储器（RAM），指令），指令用用MOVX；访问片内；访问片内RAM，指令用，指令用MOV。n在用在用C语言编程时设计了不同的数据存储类型：语言编程时设计了不同的数据存储类型：CPU访问片内、片外访问片内、片外ROM，数据类型用，数据类型用code；访问片外访问片外RAM，数据类型用，数据类型用pdata和和xdata；访问；访问片内片内RAM，数据类型用，数据类型用data、bdata和和idata。其。其具体应用在后面的章节中说明。具体应用在后面的章节中说明。8/1/202437单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构2.3.1 程序存储器n在计算机处理问题之前，必须事先把编好在计算机处理问题之前，必须事先把编好的程序和所需表格常数等存入机器之中，的程序和所需表格常数等存入机器之中，单片机中完成这一任务的物理器件就是程单片机中完成这一任务的物理器件就是程序存储器。序存储器。n程序存储器是以程序计数器程序存储器是以程序计数器PC作地址指针，作地址指针，MCS-51的程序计数器的程序计数器PC是是16位的，因此位的，因此最大寻址空间为最大寻址空间为64KB，地址范围为，地址范围为0000HFFFFH。8/1/202438单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构51子系列存储器配置子系列存储器配置0FFFH0000H外部外部FFFFH1000H内部内部外部外部0FFFH0000H程序存储器程序存储器外部外部RAM(I/O)64KB SFRFFFFH0000HFFH80H7FH00H内部数据存储器内部数据存储器外部数据存储器外部数据存储器内部内部RAM8/1/202439单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构0FFFH0000H外部外部FFFFH1000H内部内部外部外部0FFFH0000H程序存储器程序存储器入口地址入口地址用途用途0003H外部中断外部中断0000BH定定时器器0溢出中断溢出中断0013H外部中断外部中断1001BH定定时器器1溢出中断溢出中断0023H串行口中断串行口中断程序存储器中有程序存储器中有7个地址具有个地址具有特殊意义，使用时要注意。特殊意义，使用时要注意。单片机复位后，单片机复位后，PC中为中为0，单片机由单片机由0000H开始执行程开始执行程序。序。8/1/202440单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构2.3.2数据存储器数据存储器n数据存储器分为片内和数据存储器分为片内和片外两种，二者无论在片外两种，二者无论在物理上或逻辑上，其地物理上或逻辑上，其地址空间都是彼此独立的。址空间都是彼此独立的。外部外部RAM(I/O)64KB SFRFFFFH0000HFFH80H7FH00H内部数据存储器内部数据存储器外部数据存储器外部数据存储器内部内部RAM访问片内访问片内RAM用用“MOV”指令，指令，访问片外访问片外RAM用用“MOVX”指令。指令。8/1/202441单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构1.片内数据存储器片内数据存储器n片内数据存储器的地址为片内数据存储器的地址为00FFH，共，共256字节，按功字节，按功能划分为不同的区域。能划分为不同的区域。n007FH为为128字节用户可使用的字节用户可使用的RAM，n80FFH是专为特殊功能寄存器使用。是专为特殊功能寄存器使用。n低低128字节又可以划分为三个区域：工作寄存器组、位字节又可以划分为三个区域：工作寄存器组、位寻址区和数据缓冲区。寻址区和数据缓冲区。8/1/202442单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构特殊功能特殊功能寄存器寄存器 SFRFFH80H数据缓冲区数据缓冲区位寻址区位寻址区四个四个工作寄存器组工作寄存器组7FH30H2FH20H1FH18H17H10H0FH08H07H00H3区（区（8字节）字节）2区（区（8字节）字节）1区（区（8字节）字节）0区（区（8字节）字节）每个区有每个区有8个工作寄存个工作寄存器器R0-R7128字节字节用户可使用的用户可使用的RAM128字节字节特殊功能寄存器特殊功能寄存器也称为也称为通用寄存器组通用寄存器组只能按字节寻址只能按字节寻址可位寻址可位寻址也可按字节寻址也可按字节寻址8/1/202443单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构（1）通用寄存器组）通用寄存器组n由由32个个RAM单元组成，地址为单元组成，地址为001FH，分为，分为4个区，每个区由个区，每个区由8个通用工作寄个通用工作寄存器存器R0R7组成。组成。n工作寄存器组的选择由工作寄存器组的选择由PSW中的中的RS1和和RS0确定。确定。8/1/202444单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构（2）位寻址区）位寻址区nRAM位寻址区是布尔处理器的组成部分，全位寻址区是布尔处理器的组成部分，全部可以位寻址。部可以位寻址。n其字节地址为其字节地址为202FH，共，共16个字节。这些个字节。这些RAM单元可按位操作，共有单元可按位操作，共有128个位，其位地个位，其位地址为址为007FH。n另外，在特殊功能寄存器中有另外，在特殊功能寄存器中有12个寄存器个寄存器(字字节地址能被节地址能被8整除整除)也可以位寻址。也可以位寻址。8/1/202445单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构（3）数据缓冲区）数据缓冲区n地址为地址为307FH的的RAM称为数据缓冲区或用称为数据缓冲区或用户户RAM区，这些单元只能按字节寻址，用户区，这些单元只能按字节寻址，用户可用于存放数据或开辟堆栈。可用于存放数据或开辟堆栈。n由于复位时由于复位时SP指向指向07H单元，所以堆栈实际单元，所以堆栈实际是从是从08H单元开始存放数据的，与第单元开始存放数据的，与第1组工作组工作寄存器组重叠，所以在使用堆栈时，应重新寄存器组重叠，所以在使用堆栈时，应重新设置堆栈在设置堆栈在307FH。8/1/202446单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构特殊功能寄存器特殊功能寄存器n特殊功能寄存器主要是指特殊功能寄存器主要是指MCS-51片内的片内的I/O口锁存器、定时口锁存器、定时/计数器、串行口数据缓冲器计数器、串行口数据缓冲器以及各种控制寄存器以及各种控制寄存器(除除PC外外)，它们离散地，它们离散地分布在片内分布在片内80HFFH的地址空间范围内。的地址空间范围内。n片内特殊功能寄存器反映了单片机的工作状片内特殊功能寄存器反映了单片机的工作状态和工作方式，因此，它们是很重要的，必态和工作方式，因此，它们是很重要的，必须熟练掌握。须熟练掌握。8/1/202447单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构n特殊功能寄存器（特殊功能寄存器（SFR）虽然占用了）虽然占用了128个字节的个字节的地址空间，但特殊功能寄存器只有地址空间，但特殊功能寄存器只有21个，只占个，只占21个地址，其余单元为保留单元，是个地址，其余单元为保留单元，是Intel公司为将公司为将来产品升级预留的单元，对于这些未定义的单元，来产品升级预留的单元，对于这些未定义的单元，用户不能使用。用户不能使用。n虽然这些特殊功能寄存器既有名称，又有地址，虽然这些特殊功能寄存器既有名称，又有地址，但是但是CPU对这些对这些SFR只能采用直接寻址方式，即只能采用直接寻址方式，即按字节地址访问的模式，因此在用汇编语言编程按字节地址访问的模式，因此在用汇编语言编程时，在指令中对这些特殊功能寄存器使用名称和时，在指令中对这些特殊功能寄存器使用名称和使用地址的结果是一样的。使用地址的结果是一样的。n特殊功能寄存器的地址见表特殊功能寄存器的地址见表2-5。8/1/202448单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构n21个特殊功能寄存器（个特殊功能寄存器（SFR）按功能可以）按功能可以归纳如下：归纳如下：与与CPU有关的有关的ACC、B、PSW、SP、DPTR（DPH、DPL）与并行与并行I/O口有关的口有关的P0、P1、P2、P3与串口有关的与串口有关的SCON、SBUF、PCON与定时与定时/计数器有关的计数器有关的TCON、TMOD、TH0、TL0、TH1、TH1与中断系统有关的与中断系统有关的IP、IEn另外另外21个特殊功能寄存器中字节地址能被个特殊功能寄存器中字节地址能被8整除的整除的12个寄存器也可以位寻址，其位地个寄存器也可以位寻址，其位地址映射表如表址映射表如表2-6所示。所示。8/1/202449单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构n此处要特别说明一下程序计数器此处要特别说明一下程序计数器PC，程序，程序计数器计数器PC用于存放下一条将要执行指令的用于存放下一条将要执行指令的地址（地址（PC总是指向程序存储器地址），是总是指向程序存储器地址），是一个一个16位专用寄存器，寻址范围位专用寄存器，寻址范围64KB，PC在物理结构上是独立的，不属于特殊功在物理结构上是独立的，不属于特殊功能寄存器能寄存器SFR块。块。n下面介绍一下常用的几个特殊功能寄存器。下面介绍一下常用的几个特殊功能寄存器。8/1/202450单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构1）累加器）累加器ACCn累加器是一个最常用的专用寄存器，系统累加器是一个最常用的专用寄存器，系统运转时工作最频繁，大部分单操作数指令运转时工作最频繁，大部分单操作数指令的操作数取自累加器的操作数取自累加器A，很多双操作数指令，很多双操作数指令的一个操作数取自的一个操作数取自A；加、减、乘、除算术；加、减、乘、除算术运算以及逻辑操作指令的结果都存放在累运算以及逻辑操作指令的结果都存放在累加器加器A或或AB寄存器对中；输入寄存器对中；输入/输出大多数输出大多数指令都以累加器指令都以累加器A作为核心操作。作为核心操作。2）寄存器）寄存器Bn寄存器寄存器B是是8位的寄存器，一般用于乘除法位的寄存器，一般用于乘除法指令，与累加器配合使用。在其它指令中，指令，与累加器配合使用。在其它指令中，可作暂存器使用。可作暂存器使用。8/1/202451单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构3）程序状态字）程序状态字PSWn程序状态字程序状态字PSW是是8位寄存器，用来存放程位寄存器，用来存放程序的状态信息，表征指令的执行状态，供序的状态信息，表征指令的执行状态，供程序查询用，其格式如下：程序查询用，其格式如下：8/1/202452单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构nCy(PSW.7)：进：进/借位标志。在执行加借位标志。在执行加/减法指令时，如果操减法指令时，如果操作结果作结果D7位有进位有进/借位，借位，Cy置置1，否则清，否则清0。在布尔处理机。在布尔处理机中被定义为布尔中被定义为布尔(位位)累加器。累加器。nAC(PSW.6)：辅助进位标志或半进位标志。当进行加法操：辅助进位标志或半进位标志。当进行加法操作而产生由低作而产生由低4位位(D3)向高向高4位位(D4)有进位时，有进位时，AC被置被置1，否则被清否则被清0。AC用于用于BCD码调整。码调整。nF0(PSW.5)：标志位。由用户定义的一个状态标志。：标志位。由用户定义的一个状态标志。nRS1、RS0(PSW4、PSW3)：工作寄存器组选择控制位。：工作寄存器组选择控制位。由软件改变由软件改变RS1和和RS0的组合以确定当前工作寄存器组。的组合以确定当前工作寄存器组。CyACF0RS1 RS0OV-POV(PSW.2)：溢出标志。用于指示补码运算时结果是否溢：溢出标志。用于指示补码运算时结果是否溢出。出。P(PSW.0)：奇偶标志位。指示累加器：奇偶标志位。指示累加器A中中“1”的个数。若的个数。若为偶数个，则为偶数个，则P为为0，为奇数个，为奇数个P=1。8/1/202453单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构4）堆栈指针）堆栈指针SPnSP是一个是一个8位寄存器，用来指示栈顶位置。位寄存器，用来指示栈顶位置。MCS-51单片机的堆栈在内部单片机的堆栈在内部RAM中，是一个按先进后出顺序中，是一个按先进后出顺序进行管理的区域，用于在程序中断、子程序调用等情进行管理的区域，用于在程序中断、子程序调用等情况下存放断点地址及其它一些数据。当数据入栈时，况下存放断点地址及其它一些数据。当数据入栈时，SP先加先加1，然后将数据存入，然后将数据存入SP所指单元，出栈则相反。所指单元，出栈则相反。复位时（复位时（SP）=07H，因此栈底在，因此栈底在08H。5）数据指针）数据指针DPTRn数据指针数据指针DPTR是一个是一个16位专用寄存器，也可分成两位专用寄存器，也可分成两个个8位寄存器使用，分别称为位寄存器使用，分别称为DPH（高（高8位）和位）和DPL（低（低8位）。位）。DPTR主要用来保持主要用来保持16位地址，当对外位地址，当对外部部RAM（或（或I/O端口）访问时，作间址寄存器使用。端口）访问时，作间址寄存器使用。6）串行数据缓冲器）串行数据缓冲器SBUFn串行数据缓冲器串行数据缓冲器SBUF用于存放欲发送或已接收的数用于存放欲发送或已接收的数据。据。8/1/202454单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构2.片外数据存储器nMCS-51系列单片的片外数据存储器是一个独立的系列单片的片外数据存储器是一个独立的物理空间，外部数据存储器和外部物理空间，外部数据存储器和外部I/O口共同占有口共同占有这些资源，最大可扩展到这些资源，最大可扩展到64KB，地址范围为：，地址范围为：0000HFFFFH。n扩展外部存储器空间或扩展外部存储器空间或I/O口的多少，由用户根据口的多少，由用户根据需要而定。需要而定。n在扩展时应注意，外部数据存储器和外部在扩展时应注意，外部数据存储器和外部I/O口是口是统一编址的，设计时应保证二者的地址不冲突；统一编址的，设计时应保证二者的地址不冲突；对对CPU来说，访问外部数据存储器和访问外部来说，访问外部数据存储器和访问外部I/O口在操作上是完全相同的，只有用户在硬件上才口在操作上是完全相同的，只有用户在硬件上才能辨别出来操作对象的不同。能辨别出来操作对象的不同。8/1/202455单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构2.4MCS-51单片机的单片机的CPU时序时序n在单片机中，一条指令可分解为几个基本在单片机中，一条指令可分解为几个基本的操作，这些操作所对应的脉冲信号在时的操作，这些操作所对应的脉冲信号在时间上有严格的先后次序，这种次序就是单间上有严格的先后次序，这种次序就是单片机的时序。片机的时序。n时序指明了单片机内部与外部必须遵守的时序指明了单片机内部与外部必须遵守的规律，是单片机中非常重要的概念。规律，是单片机中非常重要的概念。n单片机中，与时序有关的定时单位有时钟单片机中，与时序有关的定时单位有时钟周期、机器周期、指令周期。周期、机器周期、指令周期。8/1/202456单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构2.4.1时钟周期、机器周期、指令周期时钟周期、机器周期、指令周期n在在MCS-51系列单片机中，单片机内部的时系列单片机中，单片机内部的时钟发生器把振荡器产生的信号钟发生器把振荡器产生的信号2分频形成了分频形成了时钟信号，它的周期称为时钟周期，在时时钟信号，它的周期称为时钟周期，在时间上时钟周期等于间上时钟周期等于2倍的振荡周期（倍的振荡周期（Tosc），），振荡周期（振荡周期（Tosc）等于晶振频率（）等于晶振频率（）的）的倒数。即：倒数。即：n在在MCS-51系列单片机中，系列单片机中，CPU完成一个基完成一个基本操作所用的时间成为机器周期，本操作所用的时间成为机器周期，1个机器个机器周期包含周期包含6个时钟周期。即：个时钟周期。即：1个机器周期个机器周期=6个时钟周期个时钟周期=12个振荡周期个振荡周期8/1/202457单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构nMCS-51单片机规定：单片机规定：1个机器周期包含个机器周期包含6个状态，个状态，分别记为：分别记为：S1、S2、S3、S4、S5、S6；每个状；每个状态包含态包含2个振荡周期，分别称为相位个振荡周期，分别称为相位1（P1）、相）、相位位2（P2）。）。n则每个相位持续的时间为一个振荡周期。所以一则每个相位持续的时间为一个振荡周期。所以一个机器周期可以一次表示为：个机器周期可以一次表示为：S1P1、S1P2、S2P1、S2P2、S3P1、S3P2、S4P1、S4P2、S5P1、S5P2、S6P1、S6P2。n指令周期为指令周期为CPU执行一条指令所用的时间，指令执行一条指令所用的时间，指令周期常用机器周期的数目表示。周期常用机器周期的数目表示。n不同的指令，执行时间也不同，不同的指令，执行时间也不同，MCS-51单片机的单片机的1个指令周期等于个指令周期等于1到到4个机器周期，其中大部分指个机器周期，其中大部分指令执行时需要令执行时需要1或或2个机器周期，只有乘法和除法个机器周期，只有乘法和除法指令需要指令需要4个机器周期。个机器周期。8/1/202458单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构2.4.2 典型指令的取指和执行时序nMCS-51系列单片机共有系列单片机共有111条指令，按照指令代条指令，按照指令代码的长度可分为：单字节指令、双字节指令和码的长度可分为：单字节指令、双字节指令和3字字节指令。节指令。n根据指令的执行时间，这些指令可分为单周期指根据指令的执行时间，这些指令可分为单周期指令、双周期指令和令、双周期指令和4周期指令。周期指令。n综合上述情况，指令有以下几种：单字节单周期综合上述情况，指令有以下几种：单字节单周期指令、单字节双周期指令、双字节单周期指令、指令、单字节双周期指令、双字节单周期指令、双字节双周期指令，三字节指令全部为双周期指双字节双周期指令，三字节指令全部为双周期指令，乘法和除法指令为单字节令，乘法和除法指令为单字节4周期指令。周期指令。n下面简要说明其中几个典型指令的时序。下面简要说明其中几个典型指令的时序。8/1/202459单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构1.单字节单周期指令图图2-14单字节单周期指令的时序单字节单周期指令的时序8/1/202460单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构n图中图中OSC为引脚为引脚XTAL2输出的振荡器振荡输出的振荡器振荡信号，信号，ALE为地址锁存信号，用来锁存低为地址锁存信号，用来锁存低8位的地址信号，该信号在每个机器周期中位的地址信号，该信号在每个机器周期中2次有效，第一次在次有效，第一次在S1P2和和S2P1期间，第二期间，第二次在次在S4P2和和S5P1期间。期间。n假设假设CPU将执行指令将执行指令INCA，该指令的指令，该指令的指令代码是代码是04H，存储在程序存储器，存储在程序存储器2000H单元，单元，如图如图2-14所示。所示。8/1/202461单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构n当程序计数器当程序计数器PC的内容为的内容为2000H时，即时，即（PC）=2000H，CPU将从将从2000H单元读取指令单元读取指令代码，从代码，从S1P2开始（开始（ALE的上升沿）在地址总线的上升沿）在地址总线上输出上输出2000H，在，在S2P1结束（结束（ALE的下降沿）时的下降沿）时锁存地址，然后从指定单元锁存地址，然后从指定单元2000H读取指令代码读取指令代码04送入指令译码器分析执行，同时使送入指令译码器分析执行，同时使PC的内容加的内容加1，（，（PC）=2001H。此时，该指令的功能已经实。此时，该指令的功能已经实现现A的内容加的内容加1。8/1/202462单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构nALE在在S4P2开始时第开始时第2次有效，由于此时次有效，由于此时（PC）=2001H，CPU在地址总线上输出在地址总线上输出该地址，在该地址，在S5P1结束时把该地址锁存到地结束时把该地址锁存到地址总线。址总线。n然后从然后从2001H单元读取指令代码，由于指令单元读取指令代码，由于指令的功能已经实现，此次读入的指令代码并的功能已经实现，此次读入的指令代码并不被不被CPU执行（丢弃），且程序计数器执行（丢弃），且程序计数器PC不加不加1。CPU在在S6P2结束指令操作。结束指令操作。8/1/202463单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构2.双字节单周期指令双字节单周期指令图图2-15双字节单周期指令的时序双字节单周期指令的时序8/1/202464单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构n假设假设CPU将执行指令将执行指令MOVR0，#7FH，这条指令对，这条指令对应的指令代码为应的指令代码为787FH，该指令从程序存储器，该指令从程序存储器2000H单元开始存放，见图单元开始存放，见图2-15。n当程序计数器（当程序计数器（PC）=2000H，CPU从从2000H单元读单元读取指令代码的第取指令代码的第1个字节，个字节，S1P2开始时在地址总线上开始时在地址总线上输出输出2000H，在，在S2P1结束时锁存地址，然后从结束时锁存地址，然后从2000H单元读取指令代码单元读取指令代码78送入指令译码器分析执行，送入指令译码器分析执行，同时使同时使PC的内容加的内容加1，（，（PC）=2001H。nALE在在S4P2开始时第开始时第2次有效，次有效，CPU在地址总线上输在地址总线上输出该地址，在出该地址，在S5P1结束时把地址结束时把地址2001H锁存到地址锁存到地址总线。总线。n然后从然后从2001H单元读取指令代码的第单元读取指令代码的第2个字节个字节7FH并并执行，同时使执行，同时使PC的内容加的内容加1，（，（PC）=2002H。CPU在在S6P2结束该指令操作，完成了指令的功能，结束该指令操作，完成了指令的功能，R0的的内容变成了内容变成了7FH。8/1/202465单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构2.5 MCS-51单片机的低功耗运行方式nMCS-51系列单片机具有低功耗运行方式。系列单片机具有低功耗运行方式。对于对于CHMOS型单片机有两种低功耗方式：型单片机有两种低功耗方式：待机方式与掉电方式；待机方式与掉电方式；HMOS型单片机仅型单片机仅有一种低功耗方式，即掉电方式。有一种低功耗方式，即掉电方式。8/1/202466单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构2.5.1 HMOS型单片机的掉电运行方式n正常运行时，正常运行时，HMOS型单片机由型单片机由Vcc供电。供电。当当Vcc掉电时，在掉电时，在Vcc下降到操作允许极限下降到操作允许极限之前，之前，RST/VPD接上备用电源，向内部接上备用电源，向内部RAM供电。当供电。当Vcc恢复时，备用电源仍要恢复时，备用电源仍要保持一段时间，以便完成复位操作，然后保持一段时间，以便完成复位操作，然后重新开始工作。重新开始工作。8/1/202467单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构2.5.2 CHMOS型单片机的掉电运行方式与待机方式nCHMOS型单片机在正常工作时消耗型单片机在正常工作时消耗1120mA，掉电方式时为掉电方式时为550A，待机方式时（也称空闲方，待机方式时（也称空闲方式）为式）为1.75mA。n当单片机处于待机方式（空闲方式）时，当单片机处于待机方式（空闲方式）时，CPU在在不执行程序时停止工作，从而免去无休止的执行不执行程序时停止工作，从而免去无休止的执行空操作或踏步等等待过程，达到减小功耗的目的。空操作或踏步等等待过程，达到减小功耗的目的。此时，此时，RAM、定时器、串口以及中断系统继续工、定时器、串口以及中断系统继续工作。作。n掉电方式使电源出现故障时继续保存掉电方式使电源出现故障时继续保存RAM中的信中的信息。息。8/1/202468单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构n在在CHMOS型单片机中空闲与掉电工作方式型单片机中空闲与掉电工作方式是通过对特殊功能寄存器是通过对特殊功能寄存器PCON（电源控制（电源控制寄存器）的编程来实现的。寄存器）的编程来实现的。nMCS-51CHMOS型单片机在型单片机在HMOS性单片性单片机所具有的机所具有的SMOD位之外，增加了两个通位之外，增加了两个通用标志位用标志位GF1、GF0，一个掉电方式位，一个掉电方式位PD和一个空闲方式位和一个空闲方式位IDL。n该寄存器的字节地址为该寄存器的字节地址为87H，不能位寻址，不能位寻址，其格式及各位的定义如下：其格式及各位的定义如下：8/1/202469单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构nSMOD：串行接口波特率倍增控制位。可参见控：串行接口波特率倍增控制位。可参见控制接口的相关内容。制接口的相关内容。nGF1：通用标志位。：通用标志位。nGF0：通用标志位。：通用标志位。nPD：掉电方式控制位，当：掉电方式控制位，当PD=1时激活掉电方式，时激活掉电方式，否则不进入掉电方式。否则不进入掉电方式。nIDL：空闲方式控制位，当：空闲方式控制位，当IDL=1激活空闲方式，激活空闲方式，否则不进入空闲方式。否则不进入空闲方式。n若若PD和和IDL同时为同时为1，先进入掉电方式。，先进入掉电方式。n在在CHMOS型单片机中与待机和掉电工作方式有型单片机中与待机和掉电工作方式有关的硬件控制电路如图关的硬件控制电路如图2-17所示。所示。8/1/202470单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构1.掉电工作方式8/1/202471单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构n当执行了使当执行了使PCON寄存器中寄存器中PD位置位置“1”的指令后，的指令后，单片机进入掉电工作方式，如图单片机进入掉电工作方式，如图2-16所示。所示。n若若PD=1，=0，振荡器停止工作，只有片内，振荡器停止工作，只有片内RAM和和SFR中的内容被保存。中的内容被保存。n值得注意的是，在进入掉电方式之前，值得注意的是，在进入掉电方式之前，Vcc不能不能下降；在结束掉电保护前，下降；在结束掉电保护前，Vcc必须恢复正常工必须恢复正常工作电压。作电压。n退出掉电方式的唯一途径是硬件复位。复位可释退出掉电方式的唯一途径是硬件复位。复位可释放振荡器。但在放振荡器。但在Vcc恢复到正常水平之前不应该恢复到正常水平之前不应该复位，且要保持足够长的复位时间，通常约需复位，且要保持足够长的复位时间，通常约需10ms，以保证振荡器再启动并达到稳定。，以保证振荡器再启动并达到稳定。8/1/202472单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构2.待机工作方式n当执行了使当执行了使PCON寄存器中寄存器中IDL位置位置“1”的指令后，的指令后，单片机进入待机工作方式。单片机进入待机工作方式。n次时次时IDL=1，=0，封锁了时钟去，封锁了时钟去CPU的与门，的与门，CPU处于冻结状态。处于冻结状态。n然而振荡器能够继续工作为中断控制电路、定时然而振荡器能够继续工作为中断控制电路、定时/计数器电路、串口提供时钟驱动信号，仅计数器电路、串口提供时钟驱动信号，仅CPU的的时钟信号被切断，停止工作，处于空闲状态。时钟信号被切断，停止工作，处于空闲状态。n在待机期间在待机期间CPU状态被完整保存，如程序计数器状态被完整保存，如程序计数器PC、堆栈指针、堆栈指针SP、程序状态字、程序状态字PSW、累加器、累加器A及所有的工作寄存器组等。而及所有的工作寄存器组等。而ALE、变为无效状、变为无效状态。态。8/1/202473单片机原理与应用 第2章 单片机的硬件结构有两种方法退出待机方式：有两种方法退出待机方式：n第一种：任何一个允许的中断请求被响应第一种：任何一个允许的中断请求被响应时，内部硬件电路将时，内部硬件电路将IDL位清零，结束待机位清零，结束待机状态，进入中段服务程序。状态，进入中段服务程序。n第二种：硬件复位，由于时钟振荡器仍在第二种：硬件复位，由于时钟振荡器仍在工作，只要复位信号保持两个机器周期以工作，只要复位信号保持两个机器周期以上，便可完成复位，结束待机状态。上，便可完成复位，结束待机状态。8/1/202474