MCS51单片机组成原理课件.ppt

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1、1.MCS-51引脚描述与内部结构,HMOS工艺的51单片机,40引脚双列直插PDIP封装,如8051 CHMOS工艺的51单片机,44脚方型塑封结构PLCC封装,如80C51,一、封装形式 PDIP封装,引脚数40、24、20、8 PLCC封装,68脚、44脚,PDIP,PLCC,PDIP封装,HMOS工艺的51单片机,二、引脚定义,8051单片机的引脚定义:2条电源线2条外接晶体振荡器4条控制和电源复用线32条I/O引脚,详细引脚描述参见表211,电源:VCC、VSS复位:RST,高电平复位 时钟:XTAL1、XTAL2 存储器接口信号I/O接口,外部结构,/EA:低电平从外部程序存储器取

2、指令/PESN:取指令选通信号ALE:外部地址锁存信号/WR:外部数据写选通信号/RD:外部数据读选通信号,P0口:外部数据总线和地址总线低8位或I/O口P1口:I/O口P2口:外部地址总线高8位或I/O口 P3口:I/O口或特殊端口,串行口:RXD、TXD 特殊端口 中断接口:INT0、INT1 计数器:T0、T1,三、单片机的内部结构,MCS-51单片机内部结构,中央处理器CPU程序存储器ROM 数据存储器RAM 时序控制逻辑 接口控制电路,算术逻辑运算单元ALU 累加器ACC 寄存器阵列、栈区 状态标志PSW 程序指针PC、栈指针SP、数据指针DPTR指令译码逻辑,并行输入输出接口:4个

3、8位I/O接口 串行输入输出接口:1个UART 复位逻辑RST:高电平复位(10ms)中断控制逻辑:2个外部和3个内部中断,内部中断:1个串行口中断、2个计数器中断 外部中断:2个外部中断INT0、INT1,内部组成,内部最多4KB ROM或EPROM,内部128B RAM以及特殊寄存器SFR块,内部时钟振荡器及时序控制逻辑,四、主要性能,CPU:8位;存储器:片内128B RAM、4KB ROM,片外可扩展64KB RAM、64KB ROM;4个8位I/O口,共32条I/O口线;2个16位定时计数器;1个全双工通用异步串行通信端口;2个外部、3个内部共5个中断源,2个中断优先级;内部RAM以

4、及特殊寄存器SFR可以位寻址,即拥有布尔 操作区;乘除指令、布尔操作指令。,小结,2.MCS-51存储器配置,一、地址空间,1、程序存储器空间 内部ROM+外部ROM的总空间=64 KB,4个物理存储器空间:内部ROM、外部ROM 内部RAM、外部RAM。,(c)内部+外部 内部4KB:0000H0FFFH 外部60KB:1000HFFFFH,三种程序存储器配置情况:,(a)内部ROM(或PROM、EPROM、EEPROM、FLASH ROM)4KB:0000H0FFFH,(b)外部ROM(或PROM、EPROM、EEPROM、FLASH ROM)64KB:0000HFFFFH,内部ROM(4

5、KB),0FFFH:0000H,外部ROM(60KB)内部or 外部ROM(4KB),0FFFH:0000H,FFFFH:1000H,EA=1时,访问内部程序存储器,超出内部地址范围时,自动指向外部;EA=0时,强行访问外部程序存储器,不管内部是否有程序存储器。,EA管脚的作用?,2、数据存储器空间,MCS-51的程序寻址范围为:0000HFFFFHMCS-51的内部RAM寻址范围为:00H7FH 内部SFR寻址范围为:80HFFHMCS-51的外部RAM寻址范围为:0000HFFFFH,内部RAM空间=256B,低128B为数据存储器RAM,另128B空间作为特殊寄存器SFR使用外部RAM空

6、间=64KB,3、MCS51单片机的分类,MCS51单片机泛制8031、8051、8751等型号,其主要型号区别在于其内部ROM的类型,MCS52系列单片机泛指8032、8052、8752等型号,它是对应MCS51系列单片机的加强型或称double型,主要是存储器加倍,一般MCS51单片机不加特别说明就指8031,普林斯顿结构:程序和数据共用一个存储器逻辑空 间,统一编址。,MCS51,4、存储器结构,哈佛结构:程序与数据分为两个独立存储器逻辑空间,分开编址。,二、7个入口地址,入口地址是硬件自动引导的程序跳转入口,何谓入口地址?,ORG0000HAJMPMAINORG0003HAJMPSUB

7、-IT0ORG000BHAJMPSUB-CT0ORG0013HAJMPSUB-IT1ORG001BHAJMPSUB-CT1ORG0023HAJMPSUB-UT,ORG0050H;INT0中断SUB-IT0:;服务子程序RETIORG0100H;CTC0中断SUB-CT0:;服务子程序RETIORG0500H;RST复位入口MAIN:;主程序END,例21:程序入口引导,三、内部128B RAM,128B RAM 00H1FH:分成4个快速定位寄存器区,每个区中有R0R7共8个寄存器 20H2FH:除正常作为RAM单元外,还可“位寻址”。共128位单元,位地址00H7FH 30H7FH:一般RA

8、M区/栈区。理论上说00H7FH均可作为一般RAM和堆栈使用,51系列单片机内部RAM总寻址空间为256B 其中,低128BRAM,内存 高128BSFR,内部特殊寄存器,内部128B RAM地址分配,寄存器区?,布尔区?,四、128B SFR 特殊功能寄存器,51系列有20个专用寄存器属于SFR块,共占用21个字节 PC程序地址指针独立存在,不属于SFR区 SFR区中的专用寄存器在单片机编程中具有重要意义,五、位寻址单元,有12个单元可以位寻址它们是其字节地址可被8整除,哪些单元可以位寻址?,六、专用寄存器,程序计数器PC,存放下一条要执行的指令的地址,又称程序指针,共16位。PC实际上是程

9、序地址计数器,PC中的内容是将要执行的下一条指令的地址。改变PC的内容就可改变程序执行的方向。PC可对64KB程序存储器ROM直接寻址。,累加器A,累加器A是最常用的专用寄存器。进入ALU中进行算术运算和逻辑运算的操作数大多来自累加器A,其操作的结果也常送回累加器A。有许多单操作数指令都是直接通过累加器A完成的。,寄存器B,乘除运算时使用,其它情况可作为普通内部RAM单元使用,栈指针SP,表示堆栈的起始地址,可由用户自定义。例如设置SP=30H,则内部RAM的30H-7FH均被设置为栈区。,数据指针DPTR,16位专用寄存器,可表示对外部数据寄存器的操作地址。可分解为DPH、DPL两个部分分别

10、使用。,端口P0-P3,端口P0P3的镜像寄存器,内部RAM单元的读/写操作就等效为进行(输入/输出)操作。,其它寄存器,1、与串行口、定时/计数器、中断相关的寄存器:SBUF、TH0、TL0、TH1、TL1、IP、IE、TMOD、SCON、PCON等,七、程序状态字PSW,CY(PSW.7):进位标志,许多算术、逻辑运算指令均影响CYCY还用作为布尔处理机的累加器。使用率高。,AC(PSW.6):辅助进位(半进位),用于十进制运算调整,参见DA指令。,F0(PSW.5):用户自定义标志位,OV(PSW.2):溢出标志,用于算术运算时指示结果是否溢出。,P(PSW.0):奇偶标志,P=1表示累

11、加器A中的“1”的位数为奇数,否则,为偶数。主要用于数据传输时进行校验,RS1、RS0(PSW.4、PSW.3):寄存器区选择,PSW?,PSW是可以位寻址的,其作用是监测、控制程序状态,如何选择寄存器区?,系统复位时,自动指向0区,例22,解释以下程序执行完后,内部RAM中00H1FH各单元的数值为多少?CLRAMOVR0,#31MOVR1,#16LOOP:MOVR0,ADECR0DJNZR1,LOOPSETBPSW.4SETBPSW.3MOV R7,#45CLRPSW.3MOV R7,#33,;A清0,;(00H)=1FH(01H)=16,;(1FH)(10H)=0(00H)=0FH(01

12、H)=0,;选择寄存器区为3区,;(1FH)=45,;选择寄存器区为2区,;(17H)=33,1.MCS51存储结构分配是怎样的?2.SFR中各寄存器的名称?3.程序状态寄存器PSW中各位的含义?,1.8051单片机内部RAM可划分为几个区域?各个区域的特点?2.MCS51单片机内部的特殊功能寄存器有哪些?它们的功能?寻址方式有何特点?3.怎样进行工作寄存器区的选择?,3.时钟、复位、时序,晶体振荡电路为计算机提供基准时序,MCS-51单片机的基准时钟可采用2种方法:,一、时钟,2)、外接时钟。通过OC门外接,1)、石英晶体振荡电路。C1、C2起抗扰动作用,取值一般为530pF;,3)、时钟范

13、围:1.2MHz12MHz,二、复位,RST/VPD:复位信号端和后备电源输入端。输入10ms的高电平脉冲,单片机复位。VPD使用后备电源,可实现掉电保护。,复位电路:1)上电复位2)外部同步复位,三、时序,思考题:设应用单片机晶振频率分别为6MHz、8MHz、12MHz,问机器周期分别为多少?指令周期分别为多少?,1、机器周期、机器状态、时钟节拍,1个时钟节拍周期=1/(假定晶体振荡器MHz),1个机器周期TCY包含6个机器状态:S1、S2、S3、S4、S5、S6,1个机器状态包含2个时钟节拍:P1、P2,1个机器周期TCY包含12个时钟节拍:S1P1S6P2,机器周期 TCY 12/,是指

14、令执行的最小时间,指令周期:一条指令的执行时间,以机器周期为单位,则指令可分为:单周期、双周期和四周期指令,外部RAM读写MOVX指令时序,例1-3:如图所示MCS-51单片机系统。要求检测到X为高电平时,继电器吸合2秒后断开。试编制程序。,注意:尽量使用内部定时器而不要采用纯粹的软件延时程序。思考题:假定12MHz时钟改成6MHz,如何设计?,解:,4.输入输出端口,一、P0口,P0口结构图,功能:DB07、I/O、AB07,1、当控制信号=“0”时,I/O,开关位置如图示与门输出“0”FET1截止输出级为开漏输出,CPU向端口写数据,写脉冲加到CL端,内部总线上数据由D端锁存到D触发器,经

15、反相端输出,再经输出级FET2反相,送到引脚。引脚上出现的数据恰好是内部总线上的数据。,CPU从端口引脚读数据,读脉冲读引脚 缓冲器B1通P0.X引脚信号到达内部总线,CPU从端口寄存器读数据,读脉冲“读锁存器”缓冲器B2通寄存器Q端数据内部总线,2、当控制信号=“1”时,AB07、DB07,这时,与门开通,FET2接到反相器输出端。CPU输出的地址/数据同时经FET1和FET2实现“推拉”输出。另一种情况,数据总线输入数据时,仍经由缓冲器B1进入内部总线。,说明1:作为普通I/O口使用时,P0口为输出开漏电路,内部无上拉电阻,必须外接上拉电阻。作为地址/数据总线使用时,内部由上下2个FET推

16、拉驱动,不得外接上拉电阻,说明2:在一个系统中P0口只能被定义为一种模式,要么作为普通I/O口,要么作为总线,一旦系统设计完成,则不能互换。,说明3:作为普通I/O口使用时,若要从引脚读取数据,应先向该端口写入“1”,然后再读取。写入“1”后,端口2个FET均截止,处于高阻悬浮状态,便于数据的可靠采集,说明4:端口引脚和端口寄存器不一定一致,直接从端口引脚取数据则其结果则是无法预料的。“读修改写”指令实际读的是端口寄存器,二、P1口I/O,P1口的内部寄存器与P0相似。耗尽型FET1提供固定上拉电阻,但是这个上拉电阻阻值较大。当Q从“1”“0”时,FET2由导通截止,但是由于FET1的阻值较大

17、,动态特性差。,P1、P2、P3口的输出级结构相同。,改善端口动态特性的方法是引入附加上拉电阻。当Q从“1”“0”时,或门输出产生“”过程,高电平持续时间2个振荡周期,此间,FET3导通,FET3的导通电阻远小于FET1,可很好地改善端口的动态特性。,三、P2、P3口,P2功能:I/O、AB07;P3功能:I/O、特殊端口,当控制信号为低电平时,多路开关接到左端,P2口作为通用I/O口使用,其功能和使用方法与P1口相同。当控制端输出高电平时,多路开关接到右端,地址信号经反相器从引脚输出。这时P2口输出地址总线高8位,供系统扩展使用。对8051、8751单片机,P2口能作为I/O口或地址总线。对

18、于8031单片机,P2口只能用作地址总线。,P3口有一套替代功能转换逻辑电路,可实现普通I/O或特殊端口,四、P0、P1、P2、P3口的负载能力,P0口的输出能驱动8个LSTTL负载,输出电流不小于800A(通常把100A输入电流定义为一个TTL负载输人电流),P1P3口的输出能驱动4个LSTTL负载。,对于MOS型负载,P1、P2、P3无须外加电阻就可以直接驱动。P0口作I/O口使用时需外加上拉电阻,P0口用作地址/数据线时,它可以直接驱动MOS型负载,而不必加上拉电阻。,不同厂家的单片机的驱动能力可能不同,特别是一些MCS51兼容型单片机,在负载能力、速度、功耗等方面均比标准51单片机有很

19、大改进。,1、P0口:地址低8位与数据线分时使用端口或通用I/O 2、P1口:按位可编址的通用I/O端口3、P2口:地址高8位输出口或按位可编址的通用I/O 口4、P3口:双功能口。若不用第二功能,也可作按位可编址 的通用I/O 口5、按三总线划分:,地址线AB:P0低八位地址,P2高八地址数据线DB:P0输入输出8位数据控制线CB:P3口的8位加上/PSEN、ALE共同完成控制总线,1.简述80C51单片机的4个I/O口在使用上有哪些分工和特点?2.P0口作普通I/O口使用时,应注意什么?3.设单片机的晶振频率为6MHz时,试求机器周期和ALE引脚的信号 周期。4.单片机复位的作用是什么?复

20、位操作对内部寄存器有哪些影响?,5.工作方式,MCS51单片机的工作方式有四种:,复位。复位脉冲自动引导系统进入复位入口,即使程序指针PC=0000H,取指令,进入程序执行方式,程序执行。正常工作方式,运行编制好的程序,低功耗。这是MCS51单片机在系统休闲时为降低功耗采取的工作方式。电池供电系统经常采用。低功耗方式又分:休眠、掉电保护两种工作方式。,单步执行。系统调试时采用的工作方式。按一次按钮就执行一条用户指令。,1、低功耗方式,掉电保护方式,单片机运行过程中如果断电,CPU内部数据RAM、SFR以及PC、SP等中的数据将丢失。这时如将备用电源加到RST/VPD引脚上,只要VCC上的电压低

21、于VPD上的电压,备用电源就通过VPD端给内部RAM供电,系统以低功耗的工作方式保持内部RAM中的数据,以便再加电时能继续原来工作。能实现掉电保护的电路称为掉电保护电路,现场应用系统必备。,对于CHMOS型工艺的MCS51单片机来说,PCON.0(IDL)=“1”,进入待机方式。只由中断和系统复位才能解脱这种状态。IDL置“1”时,单片机进人待机方式。这时振荡器仍然运行。并向中断逻辑、串行口和定时器/计数器电路提供时钟,CPU停止工作,中断功能继续有效。但CPU中PC、SP、ACC等停止在原状态。,待机方式,HMOS型51单片机只有掉电保护方式。CHMOS型51单片机的低功耗方式则有待机方式和掉电保护两种方式。,在待机方式下,若中断请求有效,单片机响应中断,同时PCON.0被硬件自动清“0”,单片机退出待机方式进人正常工作方式。这种方式主要用来设计一些平时只走时钟不工作的应用系统,对用电池作电源的系统是很有意义的。,注意,本章小结,本章主要介绍单片机的内外部结构,包括引脚描述、内部结构与基本工作原理、程序存储器ROM、数据存储器RAM及其使用区域划分、特殊功能寄存器SFR、端口功能与结构、时序、复位、单片机工作方式等内容。通过对本章的学习,读者应对单片机的内部结构、内部资源的功能与使用方法有一个较为具体的认识和了解。,

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