第6章MCS-51系列單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)

第6章單片機(jī)總體結(jié)構(gòu)

1。本章主要內(nèi)容：單片機(jī)結(jié)構(gòu)、引腳、時(shí)鐘與時(shí)序；單片機(jī)復(fù)位與復(fù)位電路；單片機(jī)的存儲(chǔ)器

2。本章重點(diǎn)： 單片機(jī)引腳、單片機(jī)的時(shí)序、單片機(jī)的存儲(chǔ)器3。本章難點(diǎn)：單片機(jī)的并行接口4、教學(xué)內(nèi)容如下：6.1概述6.1概述6.2MCS-51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)1．中央處理器CPU

這是單片機(jī)的核心，它完成運(yùn)算和控制功能。其工作原理如圖1-4。

2．內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAMMCS-51系列單片機(jī)中51子系列有128個(gè)字節(jié)單元，地址為00~7FH。、3．內(nèi)部程序存儲(chǔ)器ROM8051單片機(jī)內(nèi)有4KB掩膜ROM。8751單片機(jī)片內(nèi)有4KB的EPROM型只讀存儲(chǔ)器，8031單片機(jī)內(nèi)沒有ROM。4．特殊功能寄存器SFR（SFR，SpecialFunctionRegister）SFR地址離散地分布在80H~0FFH特殊功能寄存器空間。(1)串行口(2)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(3)中斷控制器(4)并行口5.CPU內(nèi)部總線和外部總線CPU通過內(nèi)部總線與單片機(jī)各個(gè)內(nèi)部部件連接。外部總線即單片機(jī)系統(tǒng)總線，系統(tǒng)總線由P3、P2、P0經(jīng)總線形成電路生成、6.時(shí)鐘電路外接晶振，產(chǎn)生單片機(jī)所需時(shí)鐘信號(hào)。6.3MCS-51系列單片機(jī)的引腳及其功能

1、電源輸入：Vcc和Vss；時(shí)鐘輸入：XTAL1和XTAL2。

1、電源輸入：Vcc和Vss；時(shí)鐘輸入：XTAL1和XTAL2。2、RST/Vdd，輸入腳：正常供電時(shí)為“復(fù)位輸入”供電不正常時(shí)為“備用電源輸入”。保護(hù)單片機(jī)內(nèi)部RAM的數(shù)據(jù)不丟失。

1、電源輸入：Vcc和Vss；時(shí)鐘輸入：XTAL1和XTAL2。2、RST/Vdd，輸入腳：正常供電時(shí)為“復(fù)位輸入”供電不正常時(shí)為“備用電源輸入”。保護(hù)單片機(jī)內(nèi)部RAM的數(shù)據(jù)不丟失。3、PSEN，輸出腳：單片機(jī)讀外部程序存儲(chǔ)器時(shí)輸出“0”。

4、EA/Vpp，輸入腳（1）輸入TTL電平（0V或5V）輸入高電平5V（邏輯1），單片機(jī)只讀內(nèi)部程序存儲(chǔ)器ROM；輸入低電平0V（邏輯0），單片機(jī)只讀外部程序存儲(chǔ)器ROM。

4、EA/Vpp，輸入腳（1）輸入TTL電平（0V或5V）輸入高電平5V（邏輯1），單片機(jī)只讀內(nèi)部程序存儲(chǔ)器ROM；輸入低電平0V（邏輯0），單片機(jī)只讀外部程序存儲(chǔ)器ROM。（2）輸入高電壓（12.5V或25V）創(chuàng)造異常工作環(huán)境：可以對(duì)單片機(jī)內(nèi)部EPROM編程（寫指令入程序存儲(chǔ)器）詳細(xì)解釋見下頁：

EA/Vpp輸入TTL電平EA/Vpp輸入高電壓

（單片機(jī)的一般應(yīng)用）（寫單片機(jī)內(nèi)部EPROM）

EA/Vpp輸入TTL電平EA/Vpp輸入高電壓

（單片機(jī)的一般應(yīng)用）（寫單片機(jī)內(nèi)部EPROM）ALE/(/PROG)作為輸出腳ALEALE輸出低8位地址鎖存信號(hào)P0口：P0口輸出低8位地址時(shí)，ALE輸出1；P0口作為數(shù)據(jù)總線時(shí)，ALE輸出0。P1口：普通的I/O口。P2口：輸出高8位地址。

EA/Vpp輸入TTL電平EA/Vpp輸入高電壓

（單片機(jī)的一般應(yīng)用）（寫單片機(jī)內(nèi)部EPROM）ALE/(/PROG)作為輸入腳PROG輸入“寫片內(nèi)程序存儲(chǔ)器”控制信號(hào)，低電平有效。P0口：寫片內(nèi)程序存儲(chǔ)器時(shí)輸入“指令”。P1口：寫片內(nèi)程序存儲(chǔ)器時(shí)輸入低8位地址。P2口：寫片內(nèi)程序存儲(chǔ)器時(shí)輸入高8位地址。

P3口的第二功能表口線特殊功能信號(hào)名稱P3.0RXD串行輸入口P3.1TXD串行輸出口P3.2INT0外部中斷0輸入腳P3.3INT1外部中斷1輸入腳P3.4T0定時(shí)器0外部輸入腳P3.5T1定時(shí)器1外部輸入腳P3.6WR寫選通輸出腳P3.7RD讀選通輸出腳

XTAL2XTAL1MCS-51C1C2CYSXTAL2XTAL1MCS-51+5VVSSTTL外部時(shí)鐘源內(nèi)部振蕩方式外部振蕩方式6.4時(shí)鐘電路與時(shí)序

振蕩器與時(shí)鐘電路

P1P2S1P2狀態(tài)周期振蕩（時(shí)鐘）周期機(jī)器周期機(jī)器周期指令周期XTAL2(OSC)S2S3S4S5S6S1S2S4S5S3S6P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P2P2P2P2P2P2P2P2P2P2》振蕩（時(shí)鐘）周期P：時(shí)鐘頻率的倒數(shù)。1、單片機(jī)工作周期

P1P2S1P2狀態(tài)周期振蕩（時(shí)鐘）周期機(jī)器周期機(jī)器周期指令周期XTAL2(OSC)S2S3S4S5S6S1S2S4S5S3S6P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P2P2P2P2P2P2P2P2P2P2》振蕩（時(shí)鐘）周期P：時(shí)鐘頻率的倒數(shù)?！窢顟B(tài)周期S：時(shí)鐘周期×2。1、單片機(jī)工作周期

P1P2S1P2狀態(tài)周期振蕩（時(shí)鐘）周期機(jī)器周期機(jī)器周期指令周期XTAL2(OSC)S2S3S4S5S6S1S2S4S5S3S6P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P2P2P2P2P2P2P2P2P2P2》振蕩（時(shí)鐘）周期P：時(shí)鐘頻率的倒數(shù)?！窢顟B(tài)周期S：時(shí)鐘周期×2?！窓C(jī)器周期：狀態(tài)周期×6。1、單片機(jī)工作周期

P1P2S1P2狀態(tài)周期振蕩（時(shí)鐘）周期機(jī)器周期機(jī)器周期指令周期XTAL2(OSC)S2S3S4S5S6S1S2S4S5S3S6P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P2P2P2P2P2P2P2P2P2P2》振蕩（時(shí)鐘）周期P：時(shí)鐘頻率的倒數(shù)?！窢顟B(tài)周期S：時(shí)鐘周期×2。》機(jī)器周期：狀態(tài)周期×6。》指令周期：執(zhí)行一條指令(含“取指”)所需的時(shí)間，不是常數(shù)1～3個(gè)機(jī)器周期。1、單片機(jī)工作周期

2.單片機(jī)時(shí)序(1)單片機(jī)原始時(shí)序

2.單片機(jī)時(shí)序(1)單片機(jī)原始時(shí)序(2)單片機(jī)系統(tǒng)總線時(shí)序單片機(jī)三總線(即AB、DB、CB)由所謂總線形成電路獲得

2.單片機(jī)時(shí)序(1)單片機(jī)原始時(shí)序(2)單片機(jī)系統(tǒng)總線時(shí)序與第2章諸時(shí)序相同。

3、單片機(jī)工作工程和工作方式（1）復(fù)位方式（a）上電復(fù)位電路（b）上電/手動(dòng)復(fù)位電路

單片機(jī)RST/VpDVccVss

單片機(jī)RST/VpDVccVss

復(fù)位時(shí)的工作狀態(tài)

（a）復(fù)位時(shí)，各RAM和SFR寄存器的狀態(tài)為：（PC）=0000H；（SP）=07H；其余SFR寄存器內(nèi)容均為0；RAM的內(nèi)容保持不變；（b）復(fù)位時(shí)，各引腳狀態(tài)為：P0～P3=FFHALE=0，PSEN=1。

（2）待機(jī)方式在待機(jī)方式下：提供給CPU的時(shí)鐘信號(hào)被切斷，CPU全部內(nèi)部狀態(tài)被保留時(shí)鐘信號(hào)仍提供給中斷控制器、串行口和定時(shí)器。Ｖcc仍為５Ｖ，但單片機(jī)消耗的電流可由正常的24mA降為３mA。（a）使電源控制寄存器PCON的IDL位為１，則進(jìn)入待機(jī)方式。

（b）退出待機(jī)方式的方法：來了一個(gè)中斷請(qǐng)求或硬件復(fù)位。

（3）掉電方式在掉電方式下：片內(nèi)振蕩器停止工作，所有功能停止，片內(nèi)RAM和寄存器內(nèi)容保持不變各端口值被鎖存，ALE、PSEN輸出為０。Ｖcc可降至２Ｖ，電流僅為50uA。（a）使使電源控制寄存器PCON的PD位為１，則進(jìn)入掉電方式。（b）退出掉電方式的方法：硬件復(fù)位。

(4)編程和校驗(yàn)方式EA/Vpp腳輸入12.5V（或25V）時(shí)，單片機(jī)進(jìn)入此方式。用途：對(duì)單片機(jī)內(nèi)部EPROM輸入程序并校驗(yàn)之。（5）程序執(zhí)行方式單片機(jī)的基本工作方式。

6.5存儲(chǔ)器組織

6.5存儲(chǔ)器組織

6.5存儲(chǔ)器組織

1、程序存儲(chǔ)器a、EA腳輸入1：片內(nèi)4KB＋片外60KB統(tǒng)一編址：0000H~FFFFH。b、EA輸入0：片內(nèi)0KB＋片外64KB編址：0000H~FFFFH。

2、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器單片機(jī)允許擴(kuò)充64KB外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。用專門的指令訪問之。外部RAM0000HFFFFH

單片機(jī)內(nèi)部RAM分為內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（灰色）和特殊功能寄存器（綠色）

單片機(jī)內(nèi)部RAM分為內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（灰色）和特殊功能寄存器（綠色）（1）內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器①工作寄存器區(qū)

先設(shè)定RS1和RS0，從而確定誰是當(dāng)前工作寄存器RS1、RS0是寄存器PSW中的位。RS1RS0組別

R0R1R2R3R4R5R6R7000110110123

00H01H02H03H04H05H06H07H08H09H0AH0BH0CH0DH0EH0FH10H11H12H13H14H15H16H17H18H19H1AH1BH1CH1DH1EH1FH

先設(shè)定RS1和RS0，從而確定誰是工作寄存器（RS1、RS0是寄存器PSW中的第4、3位）。 例如： SETBRS1 CLRRS0 MOVR1,#53H CLRPSW.4 MOVR1,#55H MOVR0,#33HRS1RS0組別

R0R1R2R3R4R5R6R7000110110123

00H01H02H03H04H05H06H07H08H09H0AH0BH0CH0DH0EH0FH10H11H12H13H14H15H16H17H18H19H1AH1BH1CH1DH1EH1FH

②位尋址區(qū)③數(shù)據(jù)緩沖區(qū)（通用RAM）

（2）特殊功能寄存器（SFR）BF0HB.7F7HB.6F6HB.5F5HB.4F4HB.3F3HB.2F2HB.1F1HB.0F0HAccE0HAcc.7Acc.6Acc.5Acc.4Acc.3Acc.2Acc.1Acc.0PSWD0HCYACF0RS1RS0OVF1PIPB8HPSPT1PX1PT0PX0P3B0HP3.7P3.6P3.5P3.4P3.3P3.2P3.1P3.0IEA8HEAESET1EX1ET0EX0P2A0HP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0SBUF99HSCON98HSM0SM1SM2RENTB8RB8TIRIP190HP1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0SFR地址MSB位定義（位地址）LSB

（2）特殊功能寄存器續(xù)（SFR）SFR

地址MSB位定義（位地址）LSBTH1(8DH)TH0(8CH)TL1(8BH)TL0(8AH)TMOD(89H)GATEC/TM1M0GATEC/TM1M0TCON88HTF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0PCON(87H)SMODGF1GF0PDIDLDPH(83H)DPL(82H)SP(81H)P080HP0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0特殊功能寄存器通用RAM位尋址區(qū)寄存器區(qū)

CY：進(jìn)借位標(biāo)志；AC：輔助進(jìn)借位標(biāo)志；OV：溢出標(biāo)識(shí)；P：累加器A中1的奇偶標(biāo)識(shí)；F0、F1：用戶標(biāo)志；

RS1、RS0：工作寄存器組選擇。

②數(shù)據(jù)指針寄存器DPTR，16位寄存器。它由兩個(gè)8位寄存器DPH、DPL組成

特別需要指出的是，51系列內(nèi)部RAM，80~FFH中未定義的單位為不可訪問單元①程序狀態(tài)字PSWD0HCYACF0RS1RS0OVF1P

（3）位尋址空間(單片機(jī)有兩塊可以位尋址的空間)：》片內(nèi)RAM中有128位，位地址：00H～7FH》SFR中有93位：有位地址和位名》位操作可以對(duì)位地址進(jìn)行，也可以對(duì)位名進(jìn)行例如： CLR2CH CLRP0.7 MOVACC.7,C SETBPX0

6.6并行輸入/輸出接口單片機(jī)有4個(gè)接口：P0,P1,P2,P3 同時(shí)P0還是地址/數(shù)據(jù)復(fù)用線，P2還是地址線，P3還是控制線。為了正確的應(yīng)用這些引腳，我們學(xué)習(xí)這些端口的邏輯電路。

6.6.1P0口P0.ii＝0,1,2,3,4,5,6,7》本圖所涉及器件：鎖存器、緩沖器、非門、與門等

BUF1/01/01BUF1/0高阻態(tài)0P0.i鎖存器DCLKQQD觸發(fā)器工作原理：a、CLK輸入“0”，Q維持原狀態(tài)。b、CLK輸入正脈沖“1”，Q翻轉(zhuǎn)同D。

T漏極源極柵極T漏極源極柵極等價(jià)于T漏極源極柵極1等價(jià)于T漏極源極柵極1T漏極源極柵極0等價(jià)于T漏極源極柵極0

1、CPU使“控制”為1，P0口作為總線用。1）P0口作為總線用的輸出情況：輸出1時(shí)如圖示。P0.i鎖存器讀鎖存器VccP0.i引腳內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳BADCLQQBUF1BUF2T101地址/數(shù)據(jù)控制T2VccT1T2110110

1、CPU使“控制”為1，P0口作為總線用。1）P0口作為總線用的輸出情況：輸出0時(shí)如圖示。P0.i鎖存器讀鎖存器VccP0.i引腳內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳BADCLQQBUF1BUF2T101地址/數(shù)據(jù)控制T2VccT1T2001001

1、CPU使“控制”為1，P0口作為總線用。2）P0口作為總線用的輸入情況：CPU使“讀引腳”為1P0.i鎖存器讀鎖存器VccP0.i引腳內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳BADCLQQBUF1BUF2T1地址/數(shù)據(jù)控制T2

2、執(zhí)行與P0有關(guān)的指令，使“控制”為0，P0作為I/O口使用，特點(diǎn)是輸出漏極開路。P0.i鎖存器讀鎖存器VccP0.i引腳內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳BADCLQQBUF1BUF2T10地址/數(shù)據(jù)控制T2VccT1T20

1）P0的輸出：輸出0時(shí)的情況。執(zhí)行指令： MOVP0,#00H；使“控制”為０，CPU輸出相關(guān)信息。P0作為I/O口能輸出指令中的邏輯0。P0.i鎖存器讀鎖存器VccP0.i引腳內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳ADCLQQBUF1BUF2T10地址/數(shù)據(jù)控制T2VccT1T20000110

1）P0口的輸出：輸出１時(shí)的情況。執(zhí)行指令： MOVP0,#0FFH；使“控制”為０，CPU輸出相關(guān)信息。注意：P0作為I/O口不能輸出邏輯１，只能輸出高阻態(tài)。P0.i鎖存器讀鎖存器VccP0.i引腳內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳ADCLQQBUF1BUF2T10地址/數(shù)據(jù)控制T2VccT1T20懸空1100高阻

3、P0作為I/O口使用時(shí)必須采取的措施：外接上拉電阻。通過單片機(jī)以外的電路，化高阻態(tài)為高電平。P0.i鎖存器讀鎖存器VccP0.i引腳內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳ADCLQQBUF1BUF2T10地址/數(shù)據(jù)控制T2VccT1T20懸空1100高阻VccVcc1

》P0口能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL門。每個(gè)TTL負(fù)載吸取100uA電流，P0口線最多能輸出800uA電流。P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0

TTL

TTL

TTL

TTL

TTL

TTL

TTL

TTL51系列

6.6.2P1口

P1.ii＝0,1,2,3,4,5,6,7P1.i鎖存器讀鎖存器VccP1.i引腳內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳０A上拉電阻DCLKQQBUF2BUF1Q

》P1口的輸出：輸出0時(shí)的情況。執(zhí)行指令： MOVP1,#00H；CPU輸出相關(guān)信息。P1.i鎖存器讀鎖存器VccP1.i引腳內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳０A上拉電阻DCLKQQBUF2BUF1Q０１０ＡVcc

》P1口的輸出：輸出１時(shí)的情況。執(zhí)行指令： MOVP1,#0FFH；CPU輸出相關(guān)信息。P1.i鎖存器讀鎖存器VccP1.i引腳內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳１A上拉電阻DCLKQQBUF2BUF1Q１０１ＡVcc

》P1口的輸入：執(zhí)行指令 MOVA,P1,；CPU輸出“讀引腳”信號(hào)后，；采取內(nèi)部總線上的數(shù)據(jù)入Ａ。P1.i鎖存器讀鎖存器VccP1.i引腳內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳ＢA上拉電阻DCLKQQBUF2BUF1Q０１ＡVcc

》P1口能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL門。每個(gè)TTL負(fù)載吸取100u