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1、1 MCS-51单片机系统硬件结构(2课时),1.1 MCS-51单片机结构框图,1.2 MCS-51单片机外部引脚及其功能,1.4 MCS-51单片机存储器结构,2 MCS-51单片机工作原理（2课时）,2.1 MCS-51单片机的时钟与时序,2.2 MCS-51单片机工作过程,2.3 MCS-51单片机工作方式,单片机的结构和原理部分,2.4 MCS-51单片机最小应用系统,1.3 MCS-51单片机内部寄存器及其功能,1、熟练掌握MCS=51系列单片机基本结构，存储器结构，PC、PSW、SP、DPTR的组成及作用；2、掌握堆栈的操作，8051的引脚功能，复位和程序工作方式，复位电路和时钟
2、电路的组成，时钟和时序的基本概念；3、 了解MCS-51系列单片机各代表型号的区别。,MCS-51单片机系统硬件结构,单片机的结构和原理部分,教学目的要求：,重点：MCS-51系列单片机基本结构、存储器结构、PC、PSW、SP、DPTR的组成及作用、堆栈的操作和8051的引脚功能。,难点：PSW的定义和含义及应用价值,1 MCS-51单片机系统硬件结构,1.1 MCS-51单片机结构框图,1.1.1 内部资源,8位CPU； 4KB字节掩膜ROM程序存贮器； 128字节内部RAM数据存贮器； 2个16位的定时器/计数器； 1个全双工的异步串行口,4个8位并行I/O口； 5个中断源、2级中断优先级
3、的中断控制器； 时钟电路，外接晶振和电容可产生 1.2MHz24MHz的时钟频率。,1.1.2 结构框图,MCS51系列单片机的所有产品都含有8051除程序存贮器外的基本硬件，都是在8051的基础上增减部分资源（程序存贮器、数据存贮器、I/O口、定时/计数器及一些其它特殊部件）。,1.2 MCS-51单片机外部引脚及其功能,制造工艺为HMOS的系列单片机大都采用40条引脚的双列直插式封装（DIP)。,一、电源及时钟引脚,Vcc(40脚)：接+5V电源； Vss(20脚)：接地 ; XTAL1(19脚)：接外部晶体的一个引脚; XTAL2(18脚)：接外部晶体的 另一端;时钟引脚(18、19脚)
4、外接晶体时与片内的反相放大器构成一个振荡器，它提供单片机的时钟控制信号。时钟引脚也可外接晶体振荡器。,二、控制引脚,三、输入输出引脚, P0口 MCS51单片机中有个双向（位）并行I/O 端口（线），每线都配备独立的端口锁存器、输出驱动器和输入缓冲器，用于与外界设备之间交换信息。,图1-3 P0口一位结构图,P0口除了作普通的I/O口，直接和外部设备打交道外;还用作片外总线的地址总线AB0-AB7的低八位和数据总线。注：单片机复位后4个端口对外均呈现高电平,P2口除了作普通的I/O口，直接和外部设备打交道外;还用作片外总线的地址总线的高八位地址线AB8-AB15, P2口 P0口在作输出入口使
5、用时，由于它无内部上拉电阻，为了在口线上输出高电平并具有一定的驱动能力，必须外接上拉电阻。注意：作输入口使用时，为了防止口锁存器对输入口线的输入信号造成影响，必须先往口锁存器写1。同理，P2口作输入时，也必须先往口锁存器写1。,图1-4 P2口一位结构图,图1-5 P1口一位结构图,P1口只用作普通输入输出口, P1口 从单片机的使用角度来看，P1是一个真正的双向口，而其他三个端口都是准双向口。注意：和P0、P2口一样，为防止口锁存器对输入口线造成影响，P1口作输入时，也必须先往口锁存器写1。,图1-6 P3口一位结构图,P3口除了作普通的I/O口（功能和P1口一样）直接和外部设备打交道外;还
6、具有第二功能。,P3.0 串行输入口(RXD) P3.1 串行输出口(TXD) P3.2 外中断0(INT0) P3.3 外中断1(INT1) P3.5 定时/计数器1的外部输入口(T1) P3.6 外部数据存储器写选通(WR) P3.4 定时/计数器0的外部输入口(T0) P3.7外部数据存储器读选通(RD),1.3 MCS-51单片机内部寄存器及其功能,一、累加器Accumulator( ACC ),功能: 累加器A是一个最常用的专用寄存器，大部分单操作指令的一个操作数取自累加器，很多双操作数指令中的一个操作数也取自累加器。 加、减、乘、除法运算的指令，运算结果都存放于累加器A或寄存器B中
7、。 大部分的数据操作都会通过累加器A进行，它形象于一个数据运输中转站，在数据传送过程中，任何两个不能直接实现数据的传送单元之间，通过累加器A中转，都能送达目的地。,二、寄存器B,功能: 在乘除法指令中，乘法指令中的两个操作数分别取自累加器A和寄存器B，其结果存放于AB寄存器对中。除法指令中，被除数取自累加器A，除数取自寄存器B，结果商存放于累加器A，余数存放于寄存器B中。,三、程序状态字,功能:标志寄存器,保存指令执行结果的特征信息,以供程序查询和判断,表1-1PSW格式及含义,Cy 进位/借位标志位；反映无符号数运算时有无进（借）位；位 累加器（ C ）在加法（减法）运算时，Cy位有进位（借
8、位）时， Cy由硬件置1，否则Cy清，在进行位操作时，Cy又是位累加器AC 辅助进/借位标志；用于十进制调整。在进行加（减）法运算时，D3位向D4位有进（借）位时，AC位由硬件自动置，否则AC位清.F0 由 用户根据需要自行定义标志位；软件置位/清零。OV 溢出标志位；反映有符号数运算时有无溢出；由硬件置位/清零。在进行补码运算时，运算结果超出128 +127范围时，称之产生溢出，则OV自动置，否则OV清零在进行加法或减法运算时，当D6位向D7位有进位或借位，而D7位没有向Cy位进位或借位时，则OV=1或C6y=0而C7y=1时，OV=1.在进行乘法或除法运算时也会影响OV若A和B中的两个数的
9、乘积超过255时，OV=1，否则OV=0;当除数为0时，OV=1,否则为0。PSW.1 保留位（未定义）P 奇偶校验标志位; 常用于校验串行通信中数据传送是否正确.该位始终跟踪累加器A中1的数目的奇偶性,当A中有奇数个1,则P=1;否则P=0.RS1、RS0 工作寄存器组选择位；用于选择工作寄存器物理地址,表1-2 工作寄存器选择,四、程序计数器PC(program Counter),程序计数器在物理上是独立的，它不属于特殊内部数据存储器块中。PC是一个16位的计数由两个八位寄存器PCH和PCL组成，用于存放一条要执行的指令地址，寻址范围为64kB，PC有自动加1功能，即完成了一条指令的执行后
10、，其内容自动加1。PC本身并没有地址，因而不可寻址，用户无法对它进行读写，但是可以通过转移、调用、返回等指令改变其内容，以控制程序的执行顺序。,五、数据指针（DPTR）,数据指针为16位寄存器，编程时，既可以16 位寄存器来使用，也可以按两个8位寄存器来使用,即高位字节寄存器DPH和低位字节DPL。DPTR主要是用来保存16位地址，当对64kB外部数据存储器寻址时，可作为间址寄存器使用，此时,使用如下两条指令: MOVXA,DPTRMOVXDPTR,A 在访问程序存储器时，DPTR可用来作基址寄存器，采用基址+变址寻址方式访问程序存储器，这条指令常用于读取程序存储器内的表格数据MOVCA,A+
11、DPTR,六、堆栈指针SP（Stack Pointer）,指明栈顶元素的地址，8位，可软件设置初值，复位时SP = 07H。,图1-7 堆栈示意图,注意：MCS-51单片机的堆栈操作遵循先入后出的原则。入栈时，堆栈指针SP的值先加1，然后再将数据存入到SP所指向的哪个存储单元；出栈则是先将数据取出，然后SP指针减1。,说明：凡是寄存器地址能被8整除的均可位寻址,1.4 MCS-51单片机存储器结构,1.4.1 程序存储器ROM单元结构,用途： 存放程序及程序运行时所需的常数和表格。,寻址范围：0000H FFFFH 容量64KB即地址长度：16位,说明：当PC值超过片内ROM容量时会自动转向外
12、部存储器空间。, 程序存储器中6个具有特殊含义的单元,0000H 系统复位，PC指向处； 0003H 外部中断0入口000BH T0溢出中断入口 0013H 外中断1入口 001BH T1溢出中断入口 0023H 串口中断入口,1.4.1 数据存储器RAM单元结构,内部RAM数据存储器可划分为三个区域： 工作寄存区 00H1FH(R0R7) 位寻址区 20H2FH 堆栈和数据缓冲区 30H7FH,CPU当前使用的工作寄存器区由程序状态字PSW的 3、4位决定。,位寻址区16个单元的每一位都有一个位地址(16*8)。 在实际应用中，往往需要一个后进先出(LIFO)的RAM缓冲器用于保护CPU的现
13、场，这种后进先出的缓冲器称之为堆栈。堆栈的栈顶位置由堆栈指针SP确定。,位寻址区（20H2FH）16个字节。 16*8=128位，每一位都有一个位地址，范围为：00H 7FH，位地址区也可作为一般的用户RAM使用。,表1-4 位地址表,小结：,1、,作 业：,1、PSW寄存器各位标志的意义如何？(P36 7)2、当前工作寄存器组如何选择？(P36 8),教学感想：,2 MCS-51单片机工作原理,2.1 MCS-51单片机的时钟与时序,一、时钟电路,图2-1 时钟电路图,Pin19: 时钟XTAL1脚，片内振荡电路的输入端。Pin18: 时钟XTAL2脚，片内振荡电路的输出端。,二、时序,CP
14、U在执行指令过程中，控制器发出的一系列特定的定时信号和控制信号具有一定时间顺序，这种在时间上的相互关系称为时序。,【振荡周期】：单片机外接石英晶体振荡器的周期（时钟周期），也称为 节拍，用P表示如外接石英晶体 的频率若为2MHz，其振荡周期就是1/2=0.5us。【状态周期】：单片机完成一个最基本的动作所需的时间 周期。用S表示，一个状态周期2个振荡周期，因此，一个状态周期S就包含两个节拍P，前一振荡周期称为P1拍，后一振荡周期称为P拍【机器周期】：单片机完成一次完整的具有一定功能的动作所需的时间周期。如一次完整的读操作或写操作对应的时间。一个机器周期6个状态周期12个振荡周期，依次表示为：S
15、1P1、S1P2、S2P1、S2P2、S6P1、S6P2。【指令周期】： 执行完某条指令所需要的时间周期.一 般需要14个机器周期。,图2-2 单片机时序图,三、单片机指令时序,2.2 MCS-51单片机工作过程,取指令,执行,分析,第一，就是从程序存储器中取出指令，指令的地址由PC指针提供。,第二，就是执行指令过程，取出的指令代码首先被送到CPU中控制器中的指令寄存器，再通过指令译码器译码变成各种电信号，从而实现指令的各种功能。,CPU执行程序一般包括两个主要过程,2.3 MCS-51单片机工作方式,单片机工作时，除了需要时钟支持外，还必须有一个初始状态，即单片机的复位状态。复位不改变RAM
16、（包括工作寄存器R0-R7）的状态,Pin9: RESET复位信号脚，当8051通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。,2.3.1 复位电路,图2- 2 复位电路,2.3.2 复位状态,表2-1 特殊功能寄存器的复位状态,单步执行,断点执行,连续执行,2.3.3 MCS-51程序执行方式,注意：这里所说的程序执行方式，是指在软件的支持下进行在线仿真或调试的方式，而非单片机本身程序的工作方式,2.4 MCS-51单片机最小应用系统,指能够满足单片工作的最简要条件。对于MCS-51系列单片机来说最主要的是要引入时钟信号和扩展存储器。,图2-3 单片机最小应用系统,图2-4 8031最小应用系统,小结：思考如下问题：1、51单片机的引脚及其功能？2、特殊功能寄存器的功能？3、51单片机的存储器结构？4、单片机复位电路的种类，各有什么优缺点？5、怎样理解单片机最小应用系统？,作 业：,1、80C51单片机晶振频率为12MHz，时钟周期、机器周期为多少？(P36 4)2、单片机复位后各口状态如何，复位方法有几种？ (P36 5)3、单片机控制总线有那些？各信号的作用如何？ (P36 9),
