单片机课件1 MCS-51单片机硬件结构

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,MCS-51,单片机硬件结构,MCS-51,系列基本产品型号：,8051、8031、8751,称为 51子系列。,不同型号,MCS-51,单片机,CPU,处理能力和指令系统完全兼容，只是存储器和,I/O,接口的配置有所不同,。,1-1,MCS-51,总体结构,1.1.2,MCS-51,单片机的系统结构,MCS-51,单片机,系统结构,示意图,时钟电路,SFR,和,RAM,ROM,CPU,定时/计数器,并行端口,中断系统,串行端口,系 统 总 线,时钟源,T,0,T,1,P0,P1,P2,P3,TXD RXD,INT,0,INT,1,下一页,MCS-51,单片机的组成,（1）一个8位微处理器,CPU。,（2）,数据存储器,RAM,和特殊功能寄存器,SFR。,（3）,内部程序存储器,ROM。,（4）,两个定时/计数器，用以对外部事件进行计数，也可用作定时器。,（5）四个8位可编程的,I/O（,输入/输出）并行端口，每个端口既可做输入，也可做输出。,（6）一个串行端口，用于数据的串行通信。,（7）中断控制系统。,（8）内部时钟电路。,下一页,MCS-51,单片机内部结构,P,1.0,P,1.1,P,1.2,P,1.3,P,1.4,P,1.5,P,1.6,P,1.7,RST/VPD,RXD/P,3.0,TXD/P,3.1,INT,0,/P,3.2,INT,1,/P,3.3,T0/P,3.4,T1/P,3.5,WR/P,3.6,RD/P,3.7,XTAL,2,XTAL,1,V,SS,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,8031,8051,8751,40,39,38,37,36,35,34,33,32,31,30,29,28,27,26,25,21,22,23,24,V,CC,P,0.0,P,0.1,P,0.2,P,0.3,P,0.4,P,0.5,P,0.6,P,0.7,EA/,Vpp,ALE/PROG,PSEN,P,2.7,P,2.6,P,2.5,P,2.4,P,2.3,P,2.2,P,2.1,P,2.0,1.1.3,MCS-51,单片机的引脚定义,1,、输入输出口：,P0、P1、P2、P3,2,、,RST（,复位）/,VPD（,后备电源引入端）,3,、,EA（,读内/外,ROM,控制）/,Vpp,（,编程电压）,4,、,ALE（,地址低8位锁存）/,PROG（,编程脉冲）,5,、,PSEN,外部,ROM,读选通信号,6,、,XTAL1、XTAL2,外接晶振端,7,、,Vcc,+5v,电源,8,、,Vss,地,9,、,P3,口的第二功能,返回本节,WR（,外部数据存储器写脉冲）,INT,1,（,外部中断1）,INT,0,（,外部中断0）,P3,口的第二功能表,P,3.2,P,3.3,位线,引脚,第二功能,P,3.0,10,RXD（,串行输入口）,P,3.1,11,TXD（,串行输出口）,12,13,P,3.4,14,T,0,（,定时器0的计数输入）,P,3.5,15,T,1,（,定时器1的计数输入）,16,17,RD（,外部数据存储器读脉冲）,P,3.7,P,3.6,上一页,存储器类型,单片机系列,掩膜,ROM,EPROM,RAM,MCS-51,51子系列,8031,/,/,128,B,8051,4,KB,/,128,B,8751,/,4,KB,128,B,52子系列,8032,/,/,256,B,8052,8,KB,/,256,B,8752,/,8,KB,256,B,MCS-51,单片机存储器容量,返回本节,地址总线宽度为16位，,由,P0,口经地址锁存器提供低8位地址（,A,0,-A,7,）；,P2,口直接提供高8位地址（,A,8,A,15,地址总线是单方向的。,返回本章首页,（1）地址总线（,AB）,（2）数据总线（,DB）：,数据总线宽度为8位，,用于传送数据和指令，由,P0,口提供。,（3）控制总线（,CB）：,控制总线随时掌握各种部件的状态，并根据需要向有关部件发出命令,。,1-2,MCS-51 CPU,(一),CPU,内部结构,1算术逻辑运算单元,ALU(8,位),+、算术运算，与、或、非、异或 逻辑运算、循环移位、位处理。,1.,寄存器阵列,(1),工作寄存器,R,0,R,7,(8,位),暂存运算数据和中间结果。,4个工作寄存器区，工作寄存器0区3区。每个区均含8个寄存器,R,0,R,7,。,用,PSW,中的两位,PSW.,4,和,PSW.,3,来切换工作寄存器区，选用一个工作寄存器区进行读写操作,。,(3),寄存器,B,(8,位),与,A,累加器配合执行乘、除运算。也可用作通用寄存器。,(4),程序状态字,PSW,(8,位),存放,ALU,运算过程的标志状态,Cy AC F0 RS1 RS0 OV P,(5),数据指针,DPTR,(16,位),存放片外存储器地址，作为片外存储器的指针。可分成两个8位寄存器,DPH、DPL,使用,。,(2),累加器,Acc,(8,位),需要,ALU,处理的数据和计算结果多数要经过,A,累加器,。,1.,寄存器阵列,PSW,（,1,）,CY,：,进位标志,例：,78,H+97H,（,01111000+10010111,）,（2）AC,：,半进位标志。,例：,57,H+3AH,（,01010111+00111010,）,（3）F0,：,用户标志位，由编程人员决定什么时候用，什么时候不用。,D7,D6,D5,D4,D3,D2,D1,D0,CY,AC,F0,RS1,RS0,OV,/,P,（5）0,V,：,溢出标志位,OV=Cy,7,Cy,6,，,补码运算产生溢出,OV=1，,否则,OV=0。,对于一个字节的有符号数，如果运算结果超出了,-128+127这个数值范围，就会发生溢出，,OV1,表示两正数相加，和变成负数，,或两负数相加，和变成正数的错误情况,此外，在乘法运算中，,OV1,表示乘积超过255；,在除法运算中，,OV1,表示除数为0,。,（4）,RS1,、,RS0,：,工作寄存器组选择位,（5）,P,：,奇偶校验位：它用来表示,ALU,运算结果中二进制数位“,1,”的个数的奇偶性。若为奇数，则,P=1,，,否则为,0。,例：某运算结果是,78,H,（,01111000,），,显然,1,的个数为偶数，所以,P=0,。,(6),堆栈指针,SP,(8,位),(7),程序计数器,PC,(16,位),CPU,总是按,PC,的指示读取程序。,PC,可自动加1。因此,CPU,执行程序一般是顺序方式。当发生转移、子程序调用、中断和复位等操作，,PC,被强制改写，程序执行顺序也发生改变。,复位时，,PC=0000H,。,堆栈是按“先进后出”原则存取数据的存储区。,MCS-51,堆栈设在片内,RAM,区。数据入栈/出栈时，,SP,自动加1/减 1，其内容始终为栈顶地址。,复位时,SP=07H,。,1.2,MCS-51,单片机的片外总线结构,P,0.3,地址锁存器,CB,I/O,A,15,A,14,A,13,A,12,A,11,A,10,A,9,A,8,A,7,A,6,A,5,A,4,A,3,A,2,A,1,A,0,D,7,D,6,D,5,D,4,D,3,D,2,D,1,D,0,DB,AB,P,1.0,P,1.1,P,1.2,P,1.3,P,1.4,P,1.5,P,1.6,P,1.7,RESET,P,3.0,P,3.1,P,3.3,P,3.4,P,3.5,P,3.6,P,3.7,V,SS,V,CC,P,0.0,P,0.1,P,0.2,P,0.5,P,0.6,P,0.7,EA,ALE,PSEN,P,2.7,P,2.6,P,2.5,P,2.4,P,2.3,P,2.2,P,1.1,P,2.0,P,3.2,图2-8,MCS-51,片外总线结构示意图,下一页,1-3,MCS-51,存储器配置,普林斯顿结构：,程序和数据共用一个存储器逻辑空间，统一编址。,哈佛结构：,程序与数据分为两个独立存储器逻辑空间，分开编址,。,物理上4个存储器地址空间：,片内/片外程序存储器空间,片内/片外数据存储器空间,逻辑上3个存储器地址空间,：,64,KB,程序存储器,256,B,片内数据存储器,64,KB,片外数据存储器,1-3,MCS-51,存储器配置,(一),程序存储器,64,KB,程序存储器空间,EA,不同电平，选择片内或片外低位存储单元,特殊存储单元：,复位入口:,0000,H,中断入口:,0003,H0023H,中断入口:,0003,H0023H,0000H 0002H,无条件转移指令,0003,H 000AH INT0,中断地址区,000,BH 0012H T0,中断地址区,0013,H 001AH INT1,中断地址区,001,BH 0022H T1,中断地址区,0023,H 002AH,串行中断地址区,(二),数据存储器,1.64,KB,片外数据存储器空间,(与扩展,I/O,接口共用),256,B,片内数据存储器:,1),片内,RAM,2),特殊功能寄存器,SFR,(二),数据存储器,1.,256,B,片内数据存储器,1),片内,RAM,工作寄存器区：,字节地址：,00,H1FH,位寻址区：,字节地址：,20,H2FH,位地址为：,00,H7FH,数据缓冲区/堆栈区：,字节地址：,00,H7FH,一般使用30,H7FH,(二),数据存储器,1.,256,B,数据存储器空间,2),特殊功能寄存器,SFR,占用字节地址：,80,HFFH,位寻址寄存器：,其字节地址可被8整除。,专用寄存器：,A,、,B,、,PSW,、,DPTR,、,SP,I/O,接口寄存器：,P0、P1、P2、P3、SBUF、TMOD、TCON、SCON,片内,RAM,1.4.1 单片机的时钟,单片机工作的时间基准,1,内部时钟方式,：内部一个高增益反相放大器与片外石英晶体或陶瓷谐振器构成了一个自激振荡器。,晶体振荡器的振荡频率决定单片机的时钟频率。,2.,外部时钟方式：,外部振荡器输入时钟信号。,由于此时的外接引脚上没有晶振信号输入，内部的时钟电路将停振,XTAL,2,XTAL,1,MCS-51,C,1,C,2,CYS,XTAL,2,XTAL,1,MCS-51,+5,V,V,SS,TTL,外部时钟源,图1 内部振荡方式,图2 外部振荡方式,返回,单片机的时钟电路,1振荡周期：,为单片机提供时钟信号的振荡源的周期。,2机器周期：,通常将完成一个基本操作所需的时间称为机器周期。,一个机器周期由12个振荡周期组成。,3指令周期：,是指,CPU,执行一条指令所需要的时间。,一个,指令周期通常含有14个机器周期。,以机器周期为单位：,单周期,、,双周期,和,四周期,指令。,指令的运算速度和他的及其周期数有直接的关系,下一页,1.4.2 振荡周期、时钟周期、机器周期和指令周期,P,1,P,2,S,1,振荡周期,时钟周期,机器周期,机器周期,指令周期,XTAL,2,(OSC),S,2,S,3,S,4,S,5,S,6,S,1,S,2,S,4,S,5,S,3,S,6,P,1,P,1,P,1,P,1,P,1,P,1,P,1,P,1,P,1,P,1,P,1,P,2,P,2,P,2,P,2,P,2,P,2,P,2,P,2,P,2,P,2,P,2,MCS-51,单片机各种周期的相互关系,1.4.2 振荡周期、机器周期和指令周期,下一页,若,MCS-51,单片机外接晶振为12,MHz,时，则单片机的四个周期的具体值为：,振荡周期1/12,MHz1/12s0.0833s,机器周期1,s,指令周期14,s,返回本节,1.4.3 单片机的复位,让单片机系统于正式工作前处于一种特定的状态。只有以该状态为起点，随时的工作情况才有可能是正常与可靠的。,与计算机的重启的概念是一样的。,目的：使单片机系统的整个操作同步,如何进