單片機(jī)原理及應(yīng)用 課件 【ch02】MCS-51單片機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理

MCS-51單片機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理“浙江省普通高校“十三五”新形態(tài)教材普通高等教育“十三五”規(guī)劃教材電子設(shè)計(jì)系列規(guī)劃教材單片機(jī)原理及應(yīng)用第二章01MCS-51單片機(jī)的基本組成MCS-51單片機(jī)的基本組成MCS-51單片機(jī)是指由美國(guó)Intel公司生產(chǎn)的一系列單片機(jī)的總稱這一系列單片機(jī)包括眾多品種如基本型(8051子系列)8031、8051875189C51和89S51等，增強(qiáng)型(8052子系列)80328052,8752、89S52等，其中，8051是最早最典型的產(chǎn)品。該系列其他單片機(jī)都是在8051的基礎(chǔ)上進(jìn)行功能的增、減、改變而來(lái)的，所以人們習(xí)慣于用8051來(lái)稱呼MCS-51系列單片機(jī)而8031是20世紀(jì)90年代在我國(guó)很流行的單片機(jī)，所以很多場(chǎng)合會(huì)看到8031的名稱。MCS-51單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)MCS-51單片機(jī)的基本組成目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)單片機(jī)類課程的教材都是以MCS-51系列為基礎(chǔ)來(lái)講授單片機(jī)原理及應(yīng)用的,這是因?yàn)?1系列單片機(jī)莫定了8位單片機(jī)的基礎(chǔ)，各類型單片機(jī)的基本組成相同，主要差別反映在存儲(chǔ)器的配置上。8031內(nèi)部無(wú)程序存儲(chǔ)器ROM；8051內(nèi)部設(shè)有4KB的掩膜ROM，8751內(nèi)部為EPROM，AT89C51內(nèi)部為FlashROM，AT89S51內(nèi)部則是4KB的支持ISP的Flash。MCS-51單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)MCS-51單片機(jī)的基本組成由圖2.12可以看出，它集成了中央處理器(CPU)存儲(chǔ)器系統(tǒng)(RAM和ROM)定時(shí)器/計(jì)數(shù)并行接口、串行接口、中斷系統(tǒng)及一些特殊功能寄存器(SFR)。MCS-51單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)MCS-51單片機(jī)的基本組成1.中央處理器(CPU)中央處理器(CentralProcessingUnit，CPU)是單片機(jī)的核心，由運(yùn)算器和控制器組成，用于完成運(yùn)算和控制操作。2.內(nèi)部程序存儲(chǔ)器在MCS-51系列單片機(jī)中不同的芯片其內(nèi)部程序存儲(chǔ)器各不相同8031和8032內(nèi)部沒(méi)有ROM；8051內(nèi)部有4KB的ROM；8051內(nèi)部有4KB的ROM。MCS-51單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)MCS-51單片機(jī)的基本組成3.內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器MCS-51系列基本型單片機(jī)內(nèi)部有256字節(jié)的RAM其高128單元有一部分被特殊功能寄存器(SFR)占用，其余單元用戶不能使用。4.定時(shí)器/計(jì)數(shù)器MCS-51系列基本型單片機(jī)內(nèi)部有兩個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1表示，用于實(shí)現(xiàn)定時(shí)或計(jì)數(shù)功能，并以其定時(shí)或計(jì)數(shù)的結(jié)果對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。MCS-51單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)MCS-51單片機(jī)的基本組成5.并行I/0口MCS-51單片機(jī)內(nèi)部有4個(gè)8位并行I/0口，即PO、P1、P2、P3，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)或地址的并行輸入/輸出。6.串行I/0口MCS-51單片機(jī)有一個(gè)全雙工的串行口，以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和其他數(shù)據(jù)設(shè)備之間的串行數(shù)據(jù)傳送。MCS-51單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)MCS-51單片機(jī)的基本組成7.中斷控制系統(tǒng)MCS-51系列基本型單片機(jī)有5個(gè)中斷源，即2個(gè)外部中斷源、2個(gè)定時(shí)器計(jì)數(shù)器中斷源和1個(gè)串行中斷源。全部中斷源可設(shè)為高、低2個(gè)優(yōu)先級(jí)，用來(lái)滿足控制應(yīng)用的需要。8.時(shí)鐘電路MCS-51系列基本型單片機(jī)芯片內(nèi)部有時(shí)鐘電路，但石英晶體和微調(diào)電容需外接。時(shí)鐘電路為單片機(jī)產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖序列。MCS-51單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)MCS-51單片機(jī)的基本組成9.位處理器單片機(jī)主要用于控制，需要有較強(qiáng)的位處理功能，因此，位處理器是其必要組成部分。位處理器也稱為布爾處理器。10.內(nèi)部總線上述部件通過(guò)總線連接起來(lái)才能構(gòu)成一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。芯片內(nèi)的地址信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)和控制信號(hào)都是通過(guò)總線傳送的。總線結(jié)構(gòu)減少了單片機(jī)的連線和引腳，提高了集成度和可靠性。MCS-51單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)MCS-51單片機(jī)的基本組成MCS-51單片機(jī)的封裝與信號(hào)引腳1，芯片封裝形式MCS-51單片機(jī)采用40引腳雙列直插式DIP(DualIn-linePackage)44引腳方形扁平式QFP(QuadFlatPackage)和帶引線的塑料芯片載體PLCC(PlasticLeadedChinCarrier)形式等封裝。2.芯片引腳介紹(1)輸入/輸出(I/0)引腳(POP1P2P3口)。P0、P1、P2、P3口:每個(gè)口8位，共32個(gè)引腳。MCS-51單片機(jī)的基本組成MCS-51單片機(jī)的封裝與信號(hào)引腳(2)電源及時(shí)鐘引腳。電源及時(shí)鐘引腳共4個(gè)，分別是:Vcc(40腳):接+5V電源。Vss(20腳):接地。(3)控制線和復(fù)位引腳。單片機(jī)用于復(fù)位和控制用的引腳共4個(gè)，分別為:ALE/PROG(30腳):地址鎖存允許信號(hào)輸出引腳/編程脈沖輸入引腳。MCS-51單片機(jī)的基本組成MCS-51單片機(jī)的封裝與信號(hào)引腳3.引腳的第二功能隨著單片機(jī)功能的增強(qiáng)，其所需要引腳的數(shù)量不斷增加，但芯片的引腳數(shù)目受到工藝及標(biāo)準(zhǔn)化等因數(shù)的限制，因此在單片機(jī)設(shè)計(jì)中，給有些引腳賦予了雙重功能，即給一個(gè)引腳賦予了兩種功能。(1)P3口線的第二功能。(2)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器固化所需要的信號(hào)。(3)備用電源。02MCS-51單片機(jī)的并行I/O端口結(jié)構(gòu)MCS-51單片機(jī)的并行I/O端口結(jié)構(gòu)MCS-51單片機(jī)有4個(gè)8位并行I/0端口(Input/OutputPort)，即P0、P1、P2、P3，每個(gè)端口中每位口線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本相同，51單片機(jī)的I/0端口主要由數(shù)據(jù)鎖存器和輸出級(jí)組成，其中，P1口結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，PO口結(jié)構(gòu)最復(fù)雜。下面從P1口開(kāi)始紹51單片機(jī)IO端口結(jié)構(gòu)。MCS-51單片機(jī)的并行I/O端口結(jié)構(gòu)1.P1口P1口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2.2.1所示，由一個(gè)數(shù)據(jù)輸出鎖存器兩個(gè)三態(tài)輸入緩沖器和輸出驅(qū)動(dòng)電路組成，輸出驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)部設(shè)有上拉電阻。該上拉電阻實(shí)際上并不是真正的電阻，而是一個(gè)能起到上拉電阻作用的由兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的電路。MCS-51單片機(jī)的并行I/O端口結(jié)構(gòu)2.P2口P2口與P1口的輸出級(jí)結(jié)構(gòu)相同，內(nèi)部都有上拉電阻，整個(gè)端口結(jié)構(gòu)也基本相同，唯一不同的是多了一個(gè)多路轉(zhuǎn)接電子開(kāi)關(guān)MUX。它的一個(gè)輸入來(lái)自鎖存器，另一個(gè)輸入為地址線，輸入轉(zhuǎn)換由“控制”信號(hào)控制，即在控制信號(hào)的作用下，由MUX實(shí)現(xiàn)鎖存器輸出和地址之間的接通轉(zhuǎn)換。MCS-51單片機(jī)的基本組成3.P3口P3口與P1口輸出級(jí)的結(jié)構(gòu)相同，內(nèi)部都有上拉電阻，整個(gè)端口結(jié)構(gòu)也基本相同，唯一的差別是多了一個(gè)與非門，以便選擇第一功能或第二功能。4.P0口PO口與P1、P2、P3口不同，電路中除包含一個(gè)數(shù)據(jù)輸出鎖存器和兩個(gè)三態(tài)數(shù)據(jù)輸入緩沖器外還有數(shù)據(jù)輸出驅(qū)動(dòng)和控制電路。03MCS-51系列單片機(jī)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)MCS-51系列單片機(jī)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)程序存儲(chǔ)器程序存儲(chǔ)器用于存放應(yīng)用程序及表格常數(shù)。程序存儲(chǔ)器依單片機(jī)類型的不同，可以是ROM、EPROM、E‘PROM、FlashROM等，其中，8031片內(nèi)無(wú)程序存儲(chǔ)器8051片內(nèi)有4KB的ROM，875第2章MCS-51單片機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理19片內(nèi)有4KB的EPROM，AT89系列單片機(jī)片內(nèi)是FlashROM，編程方便。4B的程序存儲(chǔ)器地址是0000F~OFFFFH。MCS-51系列單片機(jī)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用于存放運(yùn)算的中間結(jié)果、標(biāo)志位及數(shù)據(jù)的暫存和緩沖等，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器包括內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，其原則是內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器不夠用時(shí)才擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。MCS-51基本型單片機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器有256B的存儲(chǔ)空間，地址為00FFH；外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址空間最大為64KB，編址為0000H~FFFFH。MCS-51系列單片機(jī)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器1.基本RAM區(qū)基本RAM區(qū)分為工作寄存器區(qū)、位尋址區(qū)和用戶RAM區(qū)三個(gè)部分。(1)工作寄存器區(qū)(00~1FH)。(2)位址區(qū)(20H~2FH)。(3)用戶RAM區(qū)(30H~TFH)。MCS-51系列單片機(jī)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器2.特殊功能寄存器(SFR)區(qū)MCS-51基本型單片機(jī)的特殊功能寄存器(也叫專用存器)區(qū)中,有22個(gè)特殊功能寄存器，它們離散地分布在片內(nèi)RAM的高128B，地址范圍為80H~FFH，如圖2.3.4所示。MCS-51系列單片機(jī)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(1)程序計(jì)數(shù)器(PC，ProgramCounter)。程序計(jì)數(shù)器(PC)用于存放下一條要執(zhí)行的指令地址，是一個(gè)16位寄存器，可尋址范圍達(dá)64KB。PC有自動(dòng)加1功能，以實(shí)現(xiàn)程序的順序執(zhí)行。(2)累加器A(ACC，Accumulator)。累加器A為8位寄存器，在內(nèi)部RAM的地址為0EOH，是程序中最常用的特殊功能寄存器功能較多，地位重要，既可以用于存放操作數(shù)，也可以用于存放運(yùn)算的中間結(jié)果。MCS-51系列單片機(jī)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(3)B寄存器。B寄存器是一個(gè)8位寄存器，在內(nèi)部RAM的地址為OFOH，主要用于乘除運(yùn)算。(4)數(shù)據(jù)指針寄存器。數(shù)據(jù)指針寄存器(DPTR)是一個(gè)16位的寄存器也是MCS-51單片機(jī)中唯一一個(gè)供用戶使用的16位寄存器。(5)程序狀態(tài)字寄存器(ProgramStatusWord，PSW)。程序狀態(tài)字寄存器是一個(gè)8位寄存器，在內(nèi)部RAM的地址為0DOH，用來(lái)存放程序執(zhí)行的狀態(tài)23信息。04單片機(jī)的時(shí)鐘電路與時(shí)序單片機(jī)的時(shí)鐘電路與時(shí)序MCS-51單片機(jī)所需要的時(shí)鐘信號(hào)頻率是因型號(hào)而異的，80C51的典型值為12MHz，單片機(jī)得到時(shí)鐘信號(hào)的方法有兩種。一種是通過(guò)外接晶振、電容，與內(nèi)部電路一起構(gòu)成振蕩申路而產(chǎn)生，稱為內(nèi)部時(shí)鐘方式;另一種是外接時(shí)鐘信號(hào)，稱為外部時(shí)鐘方式。時(shí)鐘電路單片機(jī)的時(shí)鐘電路與時(shí)序在由多片單片機(jī)組成的系統(tǒng)中，為了使各單片機(jī)之間的時(shí)鐘信號(hào)同步，應(yīng)當(dāng)引入唯一的公用外部脈沖信號(hào)作為各單片機(jī)的振蕩脈沖，如圖2.4.2和圖243所示。時(shí)鐘電路單片機(jī)的時(shí)鐘電路與時(shí)序單片機(jī)在執(zhí)行指令時(shí)，一條指令經(jīng)譯碼后產(chǎn)生若干個(gè)基本操作，這些操作所對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)在時(shí)間上的先、后次序稱為單片機(jī)的時(shí)序。描述MCS-51單片機(jī)時(shí)序的有關(guān)單位有4個(gè)，分別是振蕩周期時(shí)鐘周期、機(jī)器周期、指令周期。時(shí)序單片機(jī)的時(shí)鐘電路與時(shí)序1.振蕩周期P振蕩周期是指為單片機(jī)提供脈沖信號(hào)的振蕩源的周期。振蕩周期又定義為拍節(jié)，用P表示。若內(nèi)部時(shí)鐘產(chǎn)生方式，則為晶振的振蕩周期。2.時(shí)鐘周期S振蕩脈沖經(jīng)過(guò)二分頻后就是單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)，時(shí)鐘信號(hào)的周期稱為時(shí)鐘周期，又定義為狀態(tài),用S表示。時(shí)序單片機(jī)的時(shí)鐘電路與時(shí)序時(shí)序3.機(jī)器周期為了便于管理，常把一條指令的執(zhí)行過(guò)程劃分為若干個(gè)階段，每一個(gè)階段完成一個(gè)基本操作，如取指令、讀存儲(chǔ)器、寫存儲(chǔ)器等。4.指令周期指令周期是指執(zhí)行一條指令所需要的時(shí)間。05MCS-51單片機(jī)的工作方式MCS-51單片機(jī)的工作方式復(fù)位復(fù)位是指單片機(jī)的初始化操作，復(fù)位使單片機(jī)及其內(nèi)部寄存器處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，從這個(gè)狀態(tài)開(kāi)始工作。1，復(fù)位信號(hào)RST引腳是復(fù)位信號(hào)的輸入端，高電平有效。當(dāng)外部電路使得RST端出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期(即24個(gè)振蕩脈沖周期)以上的高電平時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部復(fù)位。MCS-51單片機(jī)的工作方式2.復(fù)位操作為了使復(fù)位可靠，在每個(gè)機(jī)器周期的S5P2時(shí)刻采樣施密特觸發(fā)器的輸出，若連續(xù)兩次采樣到高電平才確認(rèn)為是復(fù)位信號(hào)，因此要求復(fù)位信號(hào)高電平在RST端至少保持兩個(gè)機(jī)器周期。3復(fù)位方式復(fù)位分為上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵手動(dòng)復(fù)位兩種方式。復(fù)位MCS-51單片機(jī)的工作方式程序執(zhí)行方式是單片機(jī)的基本工作方式，也是單片機(jī)最主要的工作方式。單片機(jī)在實(shí)現(xiàn)用戶功能時(shí)通常采用這種方式。單片機(jī)執(zhí)行的程序放置在程序存儲(chǔ)器中，可以是片內(nèi)ROM，也可以是片外ROM。程序執(zhí)行方式MCS-51單片機(jī)的工作方式單步執(zhí)行方式是指通過(guò)外來(lái)脈沖控制程序的執(zhí)行，使之達(dá)到來(lái)一個(gè)脈沖就執(zhí)行一條指令的目的。而外來(lái)脈沖是通過(guò)按鍵產(chǎn)生的，因此單步執(zhí)行實(shí)際上就是按一次鍵執(zhí)行一條指令，其通常用于調(diào)試程序、跟蹤程序執(zhí)行和了解程序執(zhí)行過(guò)程。單步執(zhí)行方式MCS-51單片機(jī)的工作方式低功耗方式1.HMOS單片機(jī)的掉電方式HMOS單片機(jī)芯片本身運(yùn)行功耗較大，為了減小系統(tǒng)功耗，設(shè)置了掉電方式。RST/VPD端接備用電源，當(dāng)單片機(jī)正常運(yùn)行時(shí)單片機(jī)內(nèi)部的RAM由主電源Vcc供電;當(dāng)Vcc掉電,V