模板課件系列之-chapter2MCS-51單片機(jī)的結(jié)構(gòu)

1、chapter2第二章MCS-51單片機(jī)的結(jié)構(gòu)2.1 MCS-51單片機(jī)的基本組成 2.3 MCS-51單片機(jī)的引腳功能 2.2 I/O端口結(jié)構(gòu) 2.4 時(shí)鐘電路及工作方式 chapter2 掌握MCS-51系列單片機(jī)的內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)、I/O口結(jié)構(gòu)、主要引腳、時(shí)序chapter251單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 可編程全雙工串行口振蕩器和時(shí)序OSC外時(shí)鐘源程序存儲(chǔ)器4KB ROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器256B RAM/SFR216位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器8051CPU64KB總線擴(kuò)展控制器內(nèi)中斷外中斷控制可編程I/O并行口串行通信外部事件計(jì)數(shù)圖2-1 8051單片機(jī)功能框圖 chapter28051單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和

2、功能 1中央處理器CPU 單片機(jī)內(nèi)部的核心部件，由運(yùn)算器和控制器組成。 1運(yùn)算器 用于實(shí)現(xiàn)算術(shù)邏輯運(yùn)算、位變量處理、移位和數(shù)據(jù)傳送等操作。以算術(shù)邏輯單元ALU為核心，累加器ACC、寄存器B、程序狀態(tài)字PSW以及十進(jìn)制調(diào)整電路和位操作的布爾處理器等組成的。 chapter2運(yùn)算器 1) 算術(shù)邏輯單元ALU(Arithmetic Logic Unit) 算術(shù)邏輯單元ALU(8位)用來完成二進(jìn)制數(shù)的四則運(yùn)算和布爾數(shù)的邏輯運(yùn)算。通過對(duì)運(yùn)算結(jié)果的判斷,影響程序狀態(tài)標(biāo)志寄存器的有關(guān)標(biāo)志位。 chapter2運(yùn)算器 2) 累加器ACC (Accumulator) 累加器ACC8位是CPU中使用最頻繁的寄存器

3、。它既可用于存放操作數(shù)，也可用來存放運(yùn)算的中間結(jié)果。chapter2運(yùn)算器3) 寄存器B 寄存器B8位是為ALU進(jìn)行乘除運(yùn)算設(shè)置的。在執(zhí)行乘法運(yùn)算時(shí), 用于存放其中一個(gè)乘數(shù)和乘積的高8位數(shù)；在執(zhí)行除法運(yùn)算時(shí)，用于存放除數(shù)和余數(shù)。B寄存器也可作為一般的數(shù)據(jù)寄存器使用。 chapter2 4) 程序狀態(tài)字PSW(Program Status Word) 程序狀態(tài)字PSW是一個(gè)8位特殊功能寄存器，格式和含義如下： Cy(PSW.7) 進(jìn)位標(biāo)志位。 AC(PSW.6) 輔助進(jìn)位(或稱半進(jìn)位)標(biāo)志。 F0(PSW.5) 用戶標(biāo)志位。 RSl和RS0(PSW.4，PSW.3) 工作寄存器組選擇位。 OV(

4、PSW.2) 溢出標(biāo)志位。 F1(PSW.1) 用戶標(biāo)志位，同F(xiàn)0(PSW.5。P(PSW.0) 此位為奇偶標(biāo)志位。D7HD6HD5HD4HD3HD2HD1HD0HCYACF0RS1RS0OVF1PPSW位地址字節(jié)地址D0H運(yùn)算器chapter2 5)布爾處理器布爾變量也即開關(guān)變量，以位bit為單位進(jìn)行操作。MCS-51單片機(jī)有一個(gè)布爾處理機(jī)，以進(jìn)位標(biāo)志(Cy)作為累加位，以內(nèi)部RAM中所有可位尋址的位作為操作位或存儲(chǔ)位。具有相應(yīng)的位操作指令系統(tǒng)。 運(yùn)算器chapter2控制器 控制器是CPU的神經(jīng)中樞，它包括:程序計(jì)數(shù)器PC、指令寄存器IR、指令譯碼器ID、數(shù)據(jù)指針DPTR、堆棧指針SP以及

5、定時(shí)控制與條件轉(zhuǎn)移邏輯電路等。對(duì)來自PC指定的ROM單元中的指令進(jìn)行譯碼，并通過定時(shí)和控制電路在規(guī)定的時(shí)刻發(fā)出各種操作所需要的控制信號(hào)，使各部件協(xié)調(diào)工作，完成指令所規(guī)定的操作。形成各種控制信息IR指令1ID譯碼指令1指令2ROM能找出單元地址的電路PC0000H0001HROM數(shù)據(jù)傳輸運(yùn)算chapter2控制器 1) 程序計(jì)數(shù)器PC PC是一個(gè)16位計(jì)數(shù)器。是ROM的字節(jié)地址計(jì)數(shù)器，其內(nèi)容是將要執(zhí)行的下一條指令的地址，尋址范圍達(dá)64KB。chapter2控制器 2) 數(shù)據(jù)指針DPTR 16位寄存器，可存放16位的地址，作為訪問外部ROM和外部RAM時(shí)的地址。編程時(shí)，DPTR既可按16位寄存器使

6、用，也可以按兩個(gè)8位寄存器分開使用，即DPH為DPTR的高8位，DPL為DPTR的低8位。 chapter2 2定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 8051單片機(jī)內(nèi)有兩個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1。分別由兩個(gè)8位寄存器組成，地址依次是8AH8DH。功能：存放定時(shí)或計(jì)數(shù)的初值。chapter2 3串行口 單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)串行數(shù)據(jù)緩沖寄存器SBUF，串行口控制寄存器SCON和電源控制及波特率選擇寄存器PCON。SBUF在機(jī)器內(nèi)部實(shí)際是由兩個(gè)8位寄存器組成，一個(gè)作發(fā)送緩沖寄存器，另一個(gè)作接收緩沖寄存器，二者由讀寫信號(hào)區(qū)分，但都是使用同一個(gè)地址99H。SCON：串行數(shù)據(jù)通信中控制和監(jiān)視串行

7、口工作狀態(tài)。PCON：串行口波特率的倍增控制。chapter2 4中斷系統(tǒng) 8051單片機(jī)共有5個(gè)中斷源3個(gè)內(nèi)部，2個(gè)外部，兩個(gè)優(yōu)先級(jí)別（高級(jí)和低級(jí)）。chapter2存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu)，程序和數(shù)據(jù)分別放在兩個(gè)存儲(chǔ)器內(nèi)。程序存儲(chǔ)器(ROM)與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)，有四個(gè)物理上相互獨(dú)立的存儲(chǔ)空間，即片內(nèi)ROM和片外ROM，片內(nèi)RAM和片外RAM。 片內(nèi)ROM =1 片外ROM 片外ROM =0FFFFH 1000H 0FFFH 0000H 片外RAM或I/O口 FFFFH 0000H 片內(nèi)256B00FFHchapter2ROM：片內(nèi)0000H 0FFFH；片外0000HFFFFH統(tǒng)一編址的程序

8、存儲(chǔ)器。RAM：片內(nèi)00H FFH；片外0000HFFFFH統(tǒng)一編址的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或I/O口地址空間。ROM片內(nèi)外低4KB地址重疊，RAM片內(nèi)外低256B地址重疊， RAM與ROM64KB地址全部重疊。如何尋址？采用不同的操作指令及控制信號(hào)EA、PSEN的選擇，因此不會(huì)發(fā)生混亂。 chapter2 1.程序存儲(chǔ)器 片內(nèi)ROM和片外ROM。內(nèi)部4KBROM，地址范圍為0000H0FFFH，片外64KB的ROM，兩者統(tǒng)一編址。執(zhí)行程序：EA接高電平，PC在片內(nèi)ROM取指，而當(dāng)PC大于0FFFH后，則自動(dòng)轉(zhuǎn)向片外ROM取指。EA接低電平，片內(nèi)ROM不起作用，CPU只能從片外ROM取指，地址可以從O00

9、0H開始編址。對(duì)于片內(nèi)無ROM的8031、8032單片機(jī)， EA應(yīng)接地。 chapter2 2.片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器最大可尋址256個(gè)單元，通常把這256個(gè)單元按功能劃分為低128單元(單元地址00H7FH)和高128單元(單元地址80HFFH)chapter2 (1) 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器低128單元 低128單元共分為工作寄存器、位尋址區(qū)和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)三個(gè)區(qū)域。 工作寄存器區(qū)(00H1FH) 32個(gè)RAM單元共分四組，每組8個(gè)寄存單元(R0R7)。常用于存放操作數(shù)及中間結(jié)果等，稱為通用寄存器，也叫工作寄存器。chapter2工作寄存器區(qū) 在任一時(shí)刻，CPU只能使用其中的一組寄存器，稱為當(dāng)

10、前寄存器組。當(dāng)前寄存器組由PSW中RS1、RS0位的狀態(tài)決定。chapter2位尋址區(qū)(20H2FH) 16個(gè)單元(共計(jì)128位)的每一位都有一個(gè)8位表示的位地址，位尋址范圍為00H7FH。數(shù)據(jù)緩沖區(qū) (30H7FH) 也可供用戶使用，共80個(gè)單元。對(duì)用戶RAM區(qū)的使用沒有任何規(guī)定或限制，一般用于存放用戶數(shù)據(jù)及作堆棧區(qū)使用。chapter2 (2) 特殊功能寄存器( 80H0FFH ) 8051片內(nèi)高128字節(jié)RAM中，除程序計(jì)數(shù)器PC外，還有21個(gè)特殊功能寄存器(SFR) ，又稱為專用寄存器,離散地分布在RAM空間中。chapter2寄存器名稱地 址寄存器名稱*ACCE0H累加器*BF0HB

11、寄存器*PSWD0H程序狀態(tài)字SP81H堆棧指示器DPL82H數(shù)據(jù)指針低8位DPH83H數(shù)據(jù)指針高8位*IEA8H中斷允許控制寄存器*IPB8H中斷優(yōu)先控制寄存器*P080HI/O口0*P190HI/O口1*P2A0HI/O口2*P3B0HI/O口3PCON87H電源控制及波特率選擇寄存器*SCON98H串行口控制寄存器SBUF99H串行口緩沖寄存器*TCON88H定時(shí)器控制寄存器TMOD89H定時(shí)器方式選擇寄存器TL08AH定時(shí)器0低8位TL18BH定時(shí)器1低8位TH08CH定時(shí)器0高8位TH18DH定時(shí)器1高8位表 2-3 MCS-51專用寄存器一覽表 chapter221個(gè)可字節(jié)尋址的特

12、殊功能寄存器是不連續(xù)地分布在內(nèi)部RAM高128單元之中，空閑地址無意義。對(duì)特殊功能寄存器只能使用直接尋址方式，書寫時(shí)既可使用寄存器符號(hào)，也可使用寄存器單元地址。有11個(gè)寄存器可位尋址。 chapter2 3.片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器即片外RAM，一般由靜態(tài)RAM芯片組成。訪問片外RAM可用DPTR,尋址范圍為064KB。 片外RAM地址范圍:0000HFFFFH，片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間:0000H00FFH。重疊？CPU使用MOV指令和MOVX指令加以區(qū)分。 chapter2 4.堆棧及堆棧指針 堆棧是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，所謂堆棧就是只允許在其一端進(jìn)行數(shù)據(jù)插入和數(shù)據(jù)刪除操作的線性表。數(shù)據(jù)寫入堆棧稱為插入運(yùn)算(PU

13、SH)，也叫入棧。數(shù)據(jù)從堆棧中讀出稱為刪除運(yùn)算(POP)，也叫出棧。堆棧的最大特點(diǎn)就是“后進(jìn)先出。常把后進(jìn)先出寫為L(zhǎng)IFO(Last-In-First-Out)。chapter2 (1)堆棧的功能 堆棧是為程序調(diào)用和中斷操作而設(shè)立的，具體功能是保護(hù)斷點(diǎn)和保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)。chapter2 (2)堆棧指針SP 8位，有棧頂和棧底之分，棧底地址一經(jīng)設(shè)定后固定不變，它決定了堆棧在RAM中的物理位置。為了指示棧頂?shù)刂罚O(shè)置堆棧指針SP。SP的內(nèi)容就是堆棧棧頂?shù)拇鎯?chǔ)單元地址，最好在內(nèi)部RAM的307FH單元中開辟。chapter2 (3)堆棧使用方式 堆棧的使用有兩種方式。一種是自動(dòng)方式，在調(diào)用子程序時(shí)，斷點(diǎn)

14、地址自動(dòng)進(jìn)棧。另一種是指令方式，使用專用的堆棧操作指令，執(zhí)行進(jìn)出棧操作。 chapter2I/O端口結(jié)構(gòu)四個(gè)8位并行接口P0P3，共有32根I/O線。它們都具有雙向I/O功能，均可以作為數(shù)據(jù)輸入/輸出使用。每個(gè)接口內(nèi)部都有一個(gè)8位數(shù)據(jù)輸出鎖存器、一個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)數(shù)據(jù)輸入緩沖器，因此，CPU數(shù)據(jù)從并行I/O接口輸出時(shí)可以得到鎖存，輸入時(shí)可以得到緩沖。 chapter2P0口結(jié)構(gòu)及應(yīng)用 1.組成結(jié)構(gòu) DCPQQ-鎖存器T2T1P0.X VCC MUX 讀鎖存器 內(nèi)部總線 寫鎖存器 讀引腳 地址/數(shù)據(jù) 控制圖2-4 P0口某位結(jié)構(gòu) 輸出鎖存器三態(tài)輸入緩沖器輸出驅(qū)動(dòng)電路輸出控制電路chapter2

15、應(yīng)用1P0口作為一般I/O口使用 P0.X 圖2-4 P0口某位結(jié)構(gòu) DCPQQ-鎖存器T2T1VCC MUX 讀鎖存器 內(nèi)部總線 寫鎖存器 讀引腳 地址/數(shù)據(jù) 控制chapter2應(yīng)用2P0口作為地址/數(shù)據(jù)總線使用 P0.X 圖2-4 P0口某位結(jié)構(gòu) DCPQQ-鎖存器T2T1VCC MUX 讀鎖存器 內(nèi)部總線 寫鎖存器 讀引腳 地址/數(shù)據(jù) 控制chapter2 2.應(yīng)用 (1)P0口作為一般I/O口使用 作為輸入/輸出口 (2)P0口作為地址/數(shù)據(jù)總線使用chapter2P1口結(jié)構(gòu)及應(yīng)用DCPQQ-鎖存器讀鎖存器 內(nèi)部總線 寫鎖存器 讀引腳 VCC 內(nèi)部上拉電阻 P1 TP1口通常作為通用

16、I/O口使用，所以在電路結(jié)構(gòu)上不再需要多路轉(zhuǎn)換開關(guān)MUX。chapter2 P2口結(jié)構(gòu)及應(yīng)用 P2口可以作為通用I/O口使用，但通常作為高位地址線使用。 P3口結(jié)構(gòu)及應(yīng)用 P3口增加了第二功能控制邏輯。 chapter2引腳信號(hào)功能介紹 1電源引腳VSS和VCC 2XTAL1和XTAL2是 外接晶體引線端 3控制信號(hào)引腳ALE、 PSEN 、 EA和RST 4I/O端口P0、P1、 P2和P3 圖2-8 MCS-51單片機(jī)芯片引腳圖 chapter2引腳信號(hào)的第二功能受到工藝及標(biāo)準(zhǔn)化等因素的限制，如MCS-51系列的芯片引腳數(shù)目為40條。所以，些信號(hào)引腳賦以了雙重功能。chapter2 1P3

17、口線的第二功能 口線 第二功能 信號(hào)名稱 P3.0 RXD 串行數(shù)據(jù)接收 P3.1 TXD 串行數(shù)據(jù)發(fā)送 P3.2 INT0外部中斷0申請(qǐng) P3.3INT1外部中斷1申請(qǐng) P3.4 T0 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0計(jì)數(shù)輸入 P3.5 T1 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1計(jì)數(shù)輸入 P3.6 WR外部RAM寫選通 P3.7 RD外部RAM讀選通 表2-5 P3口線的第二功能 chapter2 2EPROM存儲(chǔ)器程序固化所需要的信號(hào) 有內(nèi)部EPROM的單片機(jī)芯片(例如8751)，為寫入程序需要提供專門的編程脈沖和編程電壓。這些信號(hào)是由信號(hào)引腳第二功能提供的，即 編程脈沖 30腳 (ALE/PROG) 編程電壓(21V) 3

18、1腳 (EAVPP) chapter2 3備用電源 MCS-51單片機(jī)的備用電源是以第二功能的方式由9腳(RSTVPD)引入的。當(dāng)主電源VCC發(fā)生故障或電壓降低到下限時(shí)，備用電源經(jīng)此端向內(nèi)部RAM提供電壓，以保護(hù)內(nèi)部RAM中的信息不丟失。 chapter2 時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生工作所需要的時(shí)鐘信號(hào)，而時(shí)序所研究的是指令執(zhí)行中各個(gè)信號(hào)的相互關(guān)系。單片機(jī)如同一個(gè)復(fù)雜的同步時(shí)序電路，為了保證同步工作方式的實(shí)現(xiàn)，使用唯一的時(shí)鐘信號(hào)，嚴(yán)格地按時(shí)序進(jìn)行工作。 chapter2時(shí)鐘電路 1.時(shí)鐘信號(hào)的產(chǎn)生 2.引入外部脈沖信號(hào) 圖2-9 時(shí)鐘振蕩電路 圖2-10 外部脈沖源接法 chapter2時(shí)序定時(shí)單位 M

19、CS-51的時(shí)序定時(shí)單位從小到大依次為：拍節(jié)或節(jié)拍、狀態(tài)、機(jī)器周期和指令周期。 1.拍節(jié)與狀態(tài) 把振蕩脈沖的周期定義為拍節(jié) (用P表示)。每二個(gè)拍節(jié)定義為一個(gè)狀態(tài)(用S表示)。一個(gè)狀態(tài)包含拍節(jié)1(P1)和拍節(jié)2(P2)。 chapter2 2.機(jī)器周期 MCS-51規(guī)定一個(gè)機(jī)器周期的寬度為6個(gè)狀態(tài)S1S6，12個(gè)拍節(jié)（振蕩脈沖周期），因此機(jī)器周期就是振蕩脈沖的十二分頻。例如：當(dāng)振蕩脈沖頻率為12MHz時(shí)，一個(gè)機(jī)器周期為1s；當(dāng)振蕩脈沖頻率為6MHz時(shí)，一個(gè)機(jī)器周期為2s。chapter2 3.指令周期 指令周期是最大的時(shí)序定時(shí)單位，執(zhí)行一條指令所需的時(shí)間稱為指令周期。chapter2 MCS-51指令時(shí)序 圖