單片微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)硬件結(jié)構(gòu)

單片微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)硬件結(jié)構(gòu)第一頁(yè)，共39頁(yè)。2.1MCS-51單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)2.1.1MCS-51單片機(jī)的基本組成2.1.2MCS-51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 2.1.3MCS-51單片機(jī)內(nèi)部結(jié) 2.1.4輸入/輸出（I/O）端口結(jié)構(gòu)返回本章首頁(yè)第二頁(yè)，共39頁(yè)。2.1.1MCS-51單片機(jī)的基本組成圖2-1MCS-51單片機(jī)基本結(jié)構(gòu)示意圖時(shí)鐘電路SFR和RAMROMCPU定時(shí)/計(jì)數(shù)器并行端口中斷系統(tǒng)串行端口系統(tǒng)總線時(shí)鐘源T0T1P0

P1

P2

P3TXDRXDINT0INT1第三頁(yè)，共39頁(yè)。（1）一個(gè)8位微處理器CPU。（2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM和特殊功能寄存器SFR。（3）內(nèi)部程序存儲(chǔ)器ROM。（4）兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，用以對(duì)外部事件進(jìn)行計(jì)數(shù)，也可用作定時(shí)器。（5）四個(gè)8位可編程的I/O（輸入/輸出）并行端口，每個(gè)端口既可做輸入，也可做輸出。（6）一個(gè)串行端口，用于數(shù)據(jù)的串行通信。（7）中斷控制系統(tǒng)。（8）內(nèi)部時(shí)鐘電路。返回本節(jié)第四頁(yè)，共39頁(yè)。2.1.2MCS-51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1．內(nèi)部程序存儲(chǔ)器（ROM）和內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）容量（如表2-1所示）。2．輸入/輸出（I/O）端口3．外部程序存儲(chǔ)器和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器尋址空間4．中斷與堆棧5．定時(shí)/計(jì)數(shù)器與寄存器區(qū)6．指令系統(tǒng)第五頁(yè)，共39頁(yè)。

存儲(chǔ)器類型單片機(jī)系列掩膜ROMEPROMRAMMCS-5151子系列8031//128B80514KB/128B8751/4KB128B52子系列8032//256B80528KB/256B8752/8KB256B表2-1MCS-51單片機(jī)存儲(chǔ)器容量返回本節(jié)第六頁(yè)，共39頁(yè)。2.1.3MCS-51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)1．運(yùn)算器運(yùn)算器由8位算術(shù)邏輯運(yùn)算單元ALU（ArithmeticLogicUnit）、8位累加器ACC（Accumulator）、8位寄存器B、程序狀態(tài)字寄存器PSW（ProgramStatusWord）、8位暫存寄存器TMP1和TMP2等組成。

2．控制器主要由程序計(jì)數(shù)器PC、指令寄存器IR、指令譯碼器ID、堆棧指針SP、數(shù)據(jù)指針DPTR、時(shí)鐘發(fā)生器及定時(shí)控制邏輯等組成。第七頁(yè)，共39頁(yè)。通道0驅(qū)動(dòng)器通道2驅(qū)動(dòng)器RAM地址鎖存器RAM通道0鎖存器通道2鎖存器ROM/EPROMB寄存器程序地址寄存器緩沖器PC遞增器程序計(jì)數(shù)器PC０驅(qū)動(dòng)器DPTR指針VCCGNDP1.0～P1.7堆棧指針SPACCTMP2PSW通道3鎖存器通道1鎖存器通道1驅(qū)動(dòng)器通道3驅(qū)動(dòng)器TMP1SCONTMODPCONTCONTL0TH1TH0TL1IESBUF(TX/RX)IP中斷、串行口和定時(shí)器邏輯振蕩器P3.0～P3.7RSTEAALEPSENXTAL2XTAL1ALU(+5V)指令寄存器定時(shí)和控制邏輯指令譯碼器圖2-2MCS-51片內(nèi)總體結(jié)構(gòu)框圖P0.0～P0.7P2.0～P2.7返回本節(jié)第八頁(yè)，共39頁(yè)。2.1.4輸入/輸出（I/O）端口結(jié)構(gòu) 正如圖2-2所示，MCS-51單片機(jī)有4個(gè)雙向并行的8位I/O口P0～P3，P0口為三態(tài)雙向口，可驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL電路，P1、P2、P3口為準(zhǔn)雙向口（作為輸入時(shí)，口線被拉成高電平，故稱為準(zhǔn)雙向口），其負(fù)載能力為4個(gè)TTL電路。第九頁(yè)，共39頁(yè)。1．P0口的結(jié)構(gòu)VCCP0.X鎖存器讀鎖存器地址/數(shù)據(jù)控制D讀引腳寫鎖存器內(nèi)部總線QQMUXT2P0.XT1CL圖2-3P0口的一位結(jié)構(gòu)圖第十頁(yè)，共39頁(yè)。2．P1口的結(jié)構(gòu)VCCP1.X鎖存器讀鎖存器D讀引腳寫鎖存器內(nèi)部總線QQTP1.X內(nèi)部上拉電阻

CL圖2-4P1口的一位結(jié)構(gòu)圖第十一頁(yè)，共39頁(yè)。3．P2口的結(jié)構(gòu)圖2-5P2口的一位結(jié)構(gòu)圖VCCP2.X鎖存器讀鎖存器地址控制D讀引腳寫鎖存器內(nèi)部總線QQMUXTP2.X內(nèi)部上拉電阻CL第十二頁(yè)，共39頁(yè)。4．P3口的結(jié)構(gòu)圖2-6P3口的一位結(jié)構(gòu)圖VCCP3.X鎖存器讀鎖存器第二輸出功能D讀引腳寫鎖存器內(nèi)部總線QQTP3.X內(nèi)部上拉電阻第二輸入功能CL第十三頁(yè)，共39頁(yè)。P3.6P3.7表2-2P3口的第二功能表P3.2P3.3P3.6P3.7位線引腳第二功能P3.010RXD（串行輸入口）P3.111TXD（串行輸出口）12INT0（外部中斷0）13INT1（外部中斷1）P3.414T0（定時(shí)器0的計(jì)數(shù)輸入）P3.515T1（定時(shí)器1的計(jì)數(shù)輸入）16WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫脈沖）17RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀脈沖）P3.7

P3.6

返回本節(jié)第十四頁(yè)，共39頁(yè)。2.2MCS-51單片機(jī)的引腳及片外總線結(jié)構(gòu)2.2.1MCS-51單片機(jī)芯片引腳描述2.2.2MCS-51單片機(jī)的片外總線結(jié)構(gòu)返回本章首頁(yè)第十五頁(yè)，共39頁(yè)。2.2.1MCS-51單片機(jī)芯片引腳描述圖2-7為MCS-51單片機(jī)的引腳配置圖。1．主電源引腳VCC和VSS2．外接晶振引腳XTAL1和XTAL23．控制或其他電源復(fù)用引腳RST/VPD、ALE/、和/VPP4．輸入/輸出引腳P0、P1、P2、P3（共32根）第十六頁(yè)，共39頁(yè)。圖2-7MCS-51單片機(jī)的引腳配置圖P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/VPDRXD/P3.0TXD/P3.1INT0/P3.2INT1/P3.3T0/P3.4T1/P3.5WR/P3.6RD/P3.7XTAL2XTAL1VSS12345678910111213141516171819208031805187514039383736353433323130292827262521222324VCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VppALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0

返回本節(jié)第十七頁(yè)，共39頁(yè)。2.2.2MCS-51單片機(jī)的片外總線結(jié)構(gòu)地址鎖存器CBI/OA15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0D7D6D5D4D3D2D1D0DBABP1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RESETP3.0P3.1P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7VSSVCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.5P0.6P0.7EAALEPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0P3.2圖2-8MCS-51片外總線結(jié)構(gòu)示意圖第十八頁(yè)，共39頁(yè)。微型計(jì)算機(jī)中的總線通常分為：（1）地址總線（AB）：地址總線寬度為16位，由P0口經(jīng)地址鎖存器提供低8位地址（A0-A7）；P2口直接提供高8位地址（A8～A15）。地址信號(hào)是由CPU發(fā)出的，故地址總線是單方向的。（2）數(shù)據(jù)總線（DB）：數(shù)據(jù)總線寬度為8位，用于傳送數(shù)據(jù)和指令，由P0口提供。（3）控制總線（CB）：控制總線隨時(shí)掌握各種部件的狀態(tài)，并根據(jù)需要向有關(guān)部件發(fā)出命令。返回本節(jié)第十九頁(yè)，共39頁(yè)。2.3MCS-51單片機(jī)的存儲(chǔ)器配置 2.3.1片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 2.3.2片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器2.3.3程序存儲(chǔ)器返回本章首頁(yè)第二十頁(yè)，共39頁(yè)。2.3.1片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)如圖2-9（a）所示；其具體位地址單元如表2-3所示；專用寄存器的地址映像如表2-4所示。1．累加器累加器是一個(gè)最常用的專用寄存器，其自身帶有全零標(biāo)志Z，若A=0則Z=1；若A≠0則Z＝0。該標(biāo)志常用作程序分支的判斷條件。第二十一頁(yè)，共39頁(yè)。特殊功能寄存器通用

RAM區(qū)位尋址區(qū)00H1FH20H2FH30H7FH80HFFH80H88H90H98HA0HA8HB0HB8HD0HE0HF0H特殊功能寄存器中位尋址外部ROM內(nèi)部ROM(EA=1)外部ROM(EA=0)0000H0000H0FFFH0FFFH1000HFFFFH外部RAM(I/O口地址)0000HFFFFH內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（a）外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（b）程序存儲(chǔ)器（c）工作寄存器區(qū)圖2-9MCS-51單片機(jī)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)第二十二頁(yè)，共39頁(yè)。表2-3內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的位地址第二十三頁(yè)，共39頁(yè)。表2-4特殊功能寄存器地址及功能表第二十四頁(yè)，共39頁(yè)。2．寄存器（1）PSW：程序狀態(tài)字寄存器。定義格式如右上邊。其中，CY：進(jìn)借位標(biāo)志；AC：輔助進(jìn)借位標(biāo)志；F0：用戶標(biāo)志；RS1、RS0：工作寄存器組選擇（如表2-5所示）。（2）SP：堆棧指針。（3）DPTR：數(shù)據(jù)地址指針寄存器。D7D6D5D4D3D2D1D0CYACF0RS1RS0OVXPRS1RS0選擇工作寄存器組000組（00H～07H）011組（08H～0FH）102組（10H～17H）113組（18H～1FH）表2-5工作寄存器組選擇控制表返回本節(jié)第二十五頁(yè)，共39頁(yè)。2.3.2片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器又稱外部RAM，當(dāng)片內(nèi)RAM不能滿足數(shù)量上的要求時(shí)，可通過(guò)總線端口和其他I/O口擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)RAM，其最大容量可達(dá)64K字節(jié)，其結(jié)構(gòu)如圖2-9（b）所示。在片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，數(shù)據(jù)區(qū)和擴(kuò)展的I/O口是統(tǒng)一編址的，使用的指令也完全相同，因此，用戶在應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須合理地進(jìn)行外部RAM和I/O端口的地址分配，并保證譯碼的唯一性。返回本節(jié)第二十六頁(yè)，共39頁(yè)。2.3.3程序存儲(chǔ)器程序存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)如圖2-9（c）所示，包括片內(nèi)和片外程序存儲(chǔ)器兩個(gè)部分。其主要用來(lái)存放編好的用戶程序和表格常數(shù)，它以16位的程序計(jì)數(shù)器PC作為地址指針，故尋址空間為64KB。返回本節(jié)第二十七頁(yè)，共39頁(yè)。2.4CPU的時(shí)序及輔助電路 2.4.1單片機(jī)的時(shí)鐘電路2.4.2振蕩周期、時(shí)鐘周期、機(jī)器周期和指令周期 2.4.3MCS-51單片機(jī)指令的取指和執(zhí)行時(shí)2.4.4單片機(jī)復(fù)位電路及復(fù)位狀態(tài)返回本章首頁(yè)第二十八頁(yè)，共39頁(yè)。2.4.1單片機(jī)的時(shí)鐘電路單片機(jī)時(shí)鐘電路通常有兩種形式：1．內(nèi)部振蕩方式：MCS-51單片機(jī)片內(nèi)有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。把放大器與作為反饋元件的晶體振蕩器或陶瓷諧振器連接，就構(gòu)成了內(nèi)部自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘脈沖（如圖2-10所示）。2．外部振蕩方式：外部振蕩方式就是把外部已有的時(shí)鐘信號(hào)引入單片機(jī)內(nèi)（如圖2-11所示）。第二十九頁(yè)，共39頁(yè)。XTAL2XTAL1MCS-51C1C2CYSXTAL2XTAL1MCS-51+5VVSSTTL外部時(shí)鐘源圖2-10內(nèi)部振蕩方式圖2-11外部振蕩方式返回本節(jié)第三十頁(yè)，共39頁(yè)。P1P2S1P2振蕩周期時(shí)鐘周期機(jī)器周期機(jī)器周期指令周期XTAL2(OSC)S2S3S4S5S6S1S2S4S5S3S6P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P2P2P2P2P2P2P2P2P2P2P2圖2-12MCS-51單片機(jī)各種周期的相互關(guān)系2.4.2振蕩周期、時(shí)鐘周期、機(jī)器周期和指令周期第三十一頁(yè)，共39頁(yè)。1．振蕩周期：為單片機(jī)提供時(shí)鐘信號(hào)的振蕩源的周期。

2．時(shí)鐘周期：是振蕩源信號(hào)經(jīng)二分頻后形成的時(shí)鐘脈沖信號(hào)。3．機(jī)器周期：通常將完成一個(gè)基本操作所需的時(shí)間稱為機(jī)器周期。

4．指令周期：是指CPU執(zhí)行一條指令所需要的時(shí)間。一個(gè)指令周期通常含有1～4個(gè)機(jī)器周期。第三十二頁(yè)，共39頁(yè)。若MCS-51單片機(jī)外接晶振為12MHz時(shí)，則單片機(jī)的四個(gè)周期的具體值為：振蕩周期＝1/12MHz＝1/12μs＝0.0833μs時(shí)鐘周期＝1/6μs＝0.167μs機(jī)器周期＝1μs指令周期＝1～4μs返回本節(jié)第三十三頁(yè)，共39頁(yè)。2.4.3MCS-51單片機(jī)指令的取指和執(zhí)行時(shí)序圖2-13MCS-51單片機(jī)典型指令的取指和執(zhí)行時(shí)序返回本節(jié)再讀下一條指令再讀下一條指令XTAL2(OSC)P2S1ALE讀操作碼讀下一個(gè)操作碼（丟棄）讀第二字節(jié)（a）單字節(jié)，單周期指令例：MOVAR1（d）單字節(jié)，雙周期指令，如MOVXP1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P2S5P2S6P2S1P1P1P1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P2S6P2S1S2P1P1P1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S1讀操作碼P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1讀下一個(gè)操作碼（丟棄）（b）雙字節(jié)，單周期指令例：ADDAdir（c）單字節(jié)，雙周期指令例：INCDPTR讀操作碼（MOVX）讀下一個(gè)操作碼（丟棄）無(wú)取指無(wú)ALE無(wú)取指地址數(shù)據(jù)（DATA）訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器P2S1讀操作碼P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S2P1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S2P1第三十四頁(yè)，共39頁(yè)。