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1、第2章 单片机基本原理,主要内容,2.1 MCS-51系列单片机简介2.2 MCS-51系列单片机的结构原理2.3 MCS-51系列单片机的外部引脚及片外总线2.4 MCS-51系列单片机的工作方式2.5 MCS-51系列单片机的时序,2.1 MCS-51系列单片机简介,MCS-51系列单片机是美国Intel公司在1980年推出的高性能8位单片机，它包含51和52 两个子系列。对于51子系列，主要有8031、8051、8751 三种机型，它们的指令系统与芯片引脚完全兼容，仅片内程序存储器有所不同，8031芯片不带ROM，8051芯片带4KROM，8751芯片带4KEPROM。51子系列的主要特
2、点为：,2.1 MCS-51系列单片机简介,一个8位微处理器CPU内部256B RAM 内部8KB ROM/EPROM,4.两个16位定时/计数器5.64KB外部数据存储器6.64KB外部程序存储器,2.1 MCS-51系列单片机简介,10.2个优先级的5个中断源结构11.四个8位可编程的I/O12.内部振荡器及时钟电路,7.特殊功能寄存器区 SFR(21个)8.一个全双工串行端口 9.布尔处理器,2.2 MCS-51系列单片机的结构原理,2.2.1 MCS-51系列单片机的基本组成,2.2 MCS-51系列单片机的结构原理,2.2.2 MCS-51单片机的内部结构 单片机的内部结构框图见教材
3、12页图2-2,2.2 MCS-51系列单片机的结构原理,2.2.3 单片机的中央处理器CPU 单片机的核心是CPU，CPU的功能是产生控制信号，控制数据的传送，并对输入数据进行算术逻辑运算以及位操作等；CPU内部包含了运算器（布尔处理器）和控制器。,2.2 MCS-51系列单片机的结构原理,1、运算器运算器包括ALU，累加器ACC、暂存器、标志寄存器PSW 和布尔处理器等；为了提高数据处理和位操作能力，片内增加了一个通用寄存器B和一些专用寄存器；在进行位操作时，进位位C作为位累加器使用，整个位操作系统构成一台布尔处理机；能实现算术运算、逻辑运算、位运算、数据传输等处理。,2.2 MCS-51
4、系列单片机的结构原理,累加器ACC是8位的寄存器：它通过暂存器和ALU相连，是CPU中最频繁的寄存器，ALU进行运算时，它的一个输入多为ACC的输出，运算结果也通常送回累加器ACC。在指令系统中，累加器的助记符是A。,2.2 MCS-51系列单片机的结构原理,算术运算单元ALU由加法器和其它的逻辑电路组成的。用于完成二进制数的四则运算以及布尔代数的逻辑运算。此外通过对运算结果的判断，影响PSW的相关位。程序状态字寄存器PSW是一个8位的寄存器，它用于保存指令执行结果的状态，以供程序查询和判别。其格式如下：,2.2 MCS-51系列单片机的结构原理,RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）：寄存
5、器组选择位。用于选择当前工作的寄存器组，可以用软件改变RS1和RS0的组合，以切换当前所用的工作寄存器组。,单片机复位后，RS1、RS0=00，CPU自动选中第0组寄存器作为工作寄存器。,2.2 MCS-51系列单片机的结构原理,2、控制器控制部件是单片机的控制中心，它包括定时和控制电路、指令寄存器、指令译码器、程序计数器PC、堆栈指针SP、数据指针DPTR以及信息传送控制部件等。功能：接收来自存储器中的逐条指令,进行指令译码,并通过定时和控制电路,在规定的时刻发出各种操作所需的控制信息及CPU所需的控制信号，使各部分协调工作，完成指令规定的各种操作。,2.2 MCS-51系列单片机的结构原理
6、,程序计数器PCPC是16位的专用寄存器，用来存放与指示下一条要执行的指令的地址当一条指令按照PC所指的地址从存储器中取出后，PC会自动加1，指向下一条指令。堆栈指针SPSP在片内128个字节中开辟栈区，并随时跟踪栈顶地址，它是按先进后出的原则存取数据的。开机复位后，单片机栈底地址是07H，故数据的入栈是从08H开始（即工作寄存器1区的R0）。,2.2 MCS-51系列单片机的结构原理,数据指针DPTR主要用来存放16位的地址，作为间址寄存器使用；可对64K的外部RAM和I/O口进行寻址。它也可以拆成高字节DPH和低字节DPL两个独立的8位寄存器。分别占用83H和82H两个字节。指令译码器当程
7、序指令送入指令译码器后，由译码器对该指令进行译码，把指令转换成所需的电信号，CPU根据译码器提供的电平信号，定时产生执行该指令所需的各种控制信号。使单片机正确执行程序所要求的各种操作。,2.2 MCS-51系列单片机的结构原理,2.2.4 MCS-51系列单片机的存储器结构 MCS-51单片机的存储器与一般微机的存储器配置不同。一般微机通常只有一个逻辑空间，可以随意安排ROM或RAM。访问存储器时，一个地址对应唯一的存储单元，可以是ROM，也可以是RAM的。单片机在物理结构上有四个存储空间：片内程序存储器空间、片外程序存储器空间、片内数据存储器空间和片外数据存储器空间。,2.2 MCS-51系
8、列单片机的结构原理,1、程序存储器 程序存储器用于存放编好的程序和表格常数。为了依次从程序存储器中取出指令送到CPU执行，设有一个专用寄存器程序计数器PC。程序计数器PC PC是16位的专用寄存器，用来存放与指示下一条要执行的指令的地址，当一条指令按照PC所指的地址从存储器中取出后，PC会自动加1，指向下一条指令。,2.2 MCS-51系列单片机的结构原理,程序存储器可以分为片内程序存储器和片外程序存储器。若EA=1，8051的PC指向片内程序存储器0000H-0FFFH，当寻址范围为1000H-FFFFH时，则转向片外取指。若EA=0，则8051的所有取指操作均在片外ROM中进行。此时，片外
9、ROM从0000H单元开始编址。因8031无片内ROM，故EA必须接地。,2.2 MCS-51系列单片机的结构原理,程序存储空间分布图,2.2 MCS-51系列单片机的结构原理,在程序存储器中，有7个单元具有特殊功能：0000H：复位后PC指向0000H。,2.2 MCS-51系列单片机的结构原理,2、数据存储器 数据存储器用于存放运算的中间结果，数据暂存和缓冲。片内有256个字节RAM，片外最多可扩展64KB RAM，构成两个地址空间；访问片内RAM用“MOV”指令，访问片外RAM用“MOVX”指令。对片外RAM通常采用寄存器间接寻址方式，R0、R1、DPTR都可以作为间址寄存器。R0和R1
10、寻址范围为256B，DPTR寻址范围为64KB，片内低128字节（00H7FH）为用户RAM区，对其寻址可用直接寻址和间接寻址方式，高128字节（80HFFH）为特殊功能寄存器区（SFR），只能采用直接寻址方式。,2.2 MCS-51系列单片机的结构原理,数据存储空间分布图,2.2 MCS-51系列单片机的结构原理,片内RAM分布,RS1 RS0,位寻址区,SP,复位时，SP指针的初值在内部RAM的07H单元,特殊功能寄存器,（128bit）,21个寄存器,（96bit）,（224bit）,2.2 MCS-51系列单片机的结构原理,片外数据存储器,MCS-51单片机片内有128字节或256字节
11、的数据存储器，当这些数据存储器不够时，可在外部扩展数据存储器，扩展的外部数据存储器最多64KB，地址范围为0000H0FFFFH，通过DPTR作指针间接方式访问，对于低端的256字节，可用两位十六进制地址编址，地址范围为00H0FFH，可通过R0和R1间接方式访问。另外，扩展的外部设备占用片外数据存储器空间，通过用访问片外数据存储器的方法访问。,2.2 MCS-51系列单片机的结构原理,第一，64K的程序存储器和64K的片外数据存储器地址空间都为0000H0FFFFH，地址空间是重叠的，它们如何区分呢？MCS-51单片机是通过不同的信号来对片外数据存储器和程序存储器进行读、写的，片外数据存储器
12、的读、写通过RD和WR信号来控制，而程序存储器的读通过PSEN信号控制，通过用不同的指令来实现，片外数据存储器用MOVX指令，程序存储器用MOVC指令。,说明：,2.2 MCS-51系列单片机的结构原理,第二，片内数据存储器和片外数据存储器的低256字节的地址空间是重叠的，它们如何区分呢？片内数据存储器和片外数据存储器的低256字节通过不同的指令访问，片内数据存储器用MOV指令，片外数据存储器用MOVX指令。因此在访问时不会产生混乱。,2.2 MCS-51系列单片机的结构原理,2.2.5 MCS-51系列单片机的输入/输出接口,P0口的每一位内部结构图如下图所示.它由一个锁存器,两个三态输入缓
13、冲器和输出驱动电路组成.,一、P0口,当P0口作为地址/数据总线，P0口是一个真正的双向口；当P0口作为地址/数据总线，CPU内部发控制电平“1”打开与门，又通过多路模拟开关把地址/数据信息经反相器和V2接通，输出的地址/数据信息既通过与门去驱动V1，又通过反相器去驱动V2，使两个FET构成推拉输出电路。,2.2 MCS-51系列单片机的结构原理,1,1,1,0,0,1,1,P0口为地址/数据线输出,1,P0口为地址/数据线输出,1,0,1,1,0,0,当P0口作为I/O口使用时，P0口是一个漏极开路的准双向口；当P0口作为I/O口使用时，CPU内部发控制电平“0”关闭与门，封锁地址/数据信息
14、输出，V1截止，同时将内部总线和输出通过多路开关连接起来。,？,2.2 MCS-51系列单片机的结构原理,0,0,1,0,0,0,1,P0口作为I/O口输出,0,0,0,1,1,0,0,P0口作为I/O口输出,1,0,0,0,1,1,0,P0口作为I/O口输入,0,0,1,P0口作为地址/数据输入,真正的双向口,准双向口,P1用作通用I/O口。,2.2 MCS-51系列单片机的结构原理,P2口的位结构与P0口类似，有MUX开关，驱动部分与P1口类似，但比P1口多一个转换控制部分。,非门,P2.X引脚,2.2 MCS-51系列单片机的结构原理,P3口是一个多功能端口，其结构图如下图。,TXD W
15、R RD,RXD INT0 INT1 T0 T1,2.2 MCS-51系列单片机的结构原理,2.3 单片机的外部引脚及片外总线,2.3.1 外部引脚,输入输出引脚,控制线引脚,主电源引脚,外部晶体引脚,外接晶体引脚,1、内时钟方式 石英晶体+电容（1.2MHz至12MHz）,2、外时钟方式 外部振荡源（小于12MHz）,2.3 单片机的外部引脚及片外总线,外接晶体引脚,2.3 单片机的外部引脚及片外总线,控制引脚 ALE/PROG（30脚）地址锁存信号系统扩展时，ALE用于控制把P0口输出的低8位地址送入锁存器锁存起来，实现低位地址和数据的分时传送当ALE为高电平时，P0口上出现的是地址信息，
16、当ALE为低电平时，P0口上出现的是程序或数据信息ALE是以1/6的振荡频率输出的正脉冲，可作为外部时钟作为系统中其它芯片的时钟源,2.3 单片机的外部引脚及片外总线,PSEN,外部程序存储器读选通端（29脚）低电平有效读外部ROM时自动产生读内部ROM和外部RAM不会产生,2.3 单片机的外部引脚及片外总线,EA/VPP（31脚）内部和外部程序存储器选择信号EA1，从内ROM开始，PC0FFFH，自动延伸至外ROMEA0，对ROM读操作限定在外部ROM,2.3 单片机的外部引脚及片外总线,RST/VPD（9脚）复位信号两个机器周期的高电平，芯片内部进行初始复位。上电复位 按键复位,2.3 单
17、片机的外部引脚及片外总线,2.3 单片机的外部引脚及片外总线,CPU执行指令的一系列动作都是在时序电路的控制下一拍一拍进行的。执行一条指令需要多长时间则以机器周期为单位。每一个机器周期是指CPU访问存储器一次所需的时间。如取指令、读存储器、写存储器等等。,2.5 MCS-51单片机的时序,1、振荡周期,振荡周期是计算机中最基本的时间单位，它是提供定时信号的振荡源的周期。,2.5 MCS-51单片机的时序,2、机器周期,3、指令周期,一个机器周期由6个状态（12个振荡周期）组成。,执行一条指令所占用的时间称为指令周期。其通常由1个机器周期组成。,2.5 MCS-51单片机的时序,1振荡周期：为单
18、片机提供时钟信号的振荡源的周期。2状态（时钟周期）：是振荡源信号经二分频后形成的时钟脉冲信号。3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。4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。,2.5 MCS-51单片机的时序,振荡周期、状态、机器周期和指令周期典型值,外接晶振为12MHz振荡周期1/12s机器周期1s指令周期14s,外接晶振为MHz振荡周期1/s机器周期s指令周期s,2.5 MCS-51单片机的时序,MCS-51单片机指令的取指和执行时序,定时器/中断/串行口,指令译码器,22H,11H,12H,地址,08H,07H,06H,05H,数据,13H,栈顶,栈顶,SP指针,MOV SP,#33H,堆栈：一种数据结构，其中的数据操作按照后进先出的顺序。进栈：SP1，后写入数据出栈：先读出数据，后SP-1,PUSH A,(A)=13H,POP A,2.2 MCS-51系列单片机的结构原理,存储空间分布图,
