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1、,单片机原理与应用,第二章 MCS-51系列单片机的结构和原理,Single-chip micro-computer theory and application,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
2、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,2.1 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
3、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单片机中央处理单元-CPU,字 长：2进制8位数据处理：按字节为单位进行组 成：（1）运算器（2）控制器（3）专用寄存器组,（一）运算器（ALU
4、）,（1）逻辑图,（2）功能,四则运算 逻辑运算 数据传送,数据移位 逻辑判断 程序转移,（3）指令,共111条指令。,（二）控制器,（1）功能,取得指令 解释指令 产生控制逻辑时序,（2）组成,指令寄存器IR-存放来自ROM的指令 指令译码器-解释IR中的指令 时序发生器-产生一系列控制时序 时钟振荡器-产生振荡时钟,（3）OSC原理,单片机的心脏，为控制器提供时钟脉冲。,OSC时钟振荡原理电路：,时钟振荡频率f 决定于SYS晶体振荡器的固有频率。,（三）专用寄存器组,作用：存放当前执行指令或指令执行后的：（1）内存地址（2）操作数（3）操作结果状态,包括：（1）程序计数器PC（2）累加器A
5、（3）程序状态寄存器PSW（4）堆栈指针SP（5）地址指针DPTR（6）通用寄存器B,1、程序计数器PC(program Counter),作用：存放下一条要执行的指令地址，,组成：PC是一个16位的计数，由两个八位寄存器 PCH和PCL组成，,地址：0000HFFFFH，寻址范围为64kB，,操作：每执行一次取指操作，PC就自动加1。,特点：程序计数器PC在物理上是独立的，它不属于特殊 内部数据存储器块中。因此，PC本身没有地址，因而不可寻址，用户无 法对它进行读写操作。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（即控制指令跳转）。,2、累加器Accumulator
6、(ACC),组成:8位二进制寄存器,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。,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。,3、程序状态字（PSW）,表1-1 PSW格式及含义,组成：8 位二进制寄存器，各位定义如表所示：,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。,分类：（1）由指令执行后自行置位的标
7、志位-状态标志（2）由用户用指令加以置位的标志位-控制标志,Cy 进位/借位标志位；表示无符号数运算时有无进（借）位状态；加法：有进位 Cy=1；减法：有借位 Cy=1 无进位 Cy=；无借位 Cy=在位指令操作时，Cy用作位累加器。,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=D3位向D4位无进（借）位时 AC=,（1）状态标志位定义与作用：,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8位二进制位有奇数个“1”则 P=1 当 A中8位二进制位有偶数个“1”则 P=0,OV
8、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,溢出标志置位操作：,溢出标志由逻辑式计算得到：OV=CPCS,计算结果：OV=1 已产生溢出 OV=0 未产生溢出,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,PSW.1 保留位（未定义）。,F0 由用户根据需要自行定义标志位；软件置位/清零。,（2）控制标志位定义与作用：,4、堆栈指针SP（Stack Pointer）,堆栈示意图,组成：8位二进制寄存器,作用：存放指明栈顶元素的地址，可软件设置
9、初值，复位时 SP=07H。,构成：如堆栈示意图所示。,操作：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。,5、数据指针（DPTR）,组成：16位二进制寄存器。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。,作用：（1）用于存放片内ROM地址 指令 MOVCA，A+DPTR（2）用于存放片外RAM和ROM地址 指令 MOVXA，DPTR MOVXDPTR，A 指令 MOVCA，A+DPTR,6、通用寄存器（B）,功能:在乘除法指令中，（1）乘
10、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。（2）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。,组成：8位二进制寄存器,1.3 MCS-51单片机存储器结构,MCS-51单片机存储器采用哈佛结构：,即程序存储器与数据存储器采用分别编址方式。,存储器,ROM(64KB)RAM(64KB),片内 4KB 片外 60KB,片内 128B 片外 64KB,0000H0FFFH,1000HFFFFH,00H7FH,0000HFFFFH,MOVCMOVC,MOVMOVX,1.3.1 程序存储器ROM单元结构,用 途：存
11、放程序及程序运行时所需的常数和表格。,说明：当PC值超过片内ROM容量时会自动转向外部存储器空间。,地址长度：16位,寻址范围：0000H FFFFH 即 总容量64KB,程序存储器中6个具有特殊含义的单元,（1）0000H 系统复位，PC指向处；（2）0003H 外部中断0入口（3）000BH T0溢出中断入口（4）0013H 外中断1入口（5）001BH T1溢出中断入口（6）0023H 串口中断入口,1.3.2 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 特殊功能寄存器区 80
12、HFFH,1、CPU当前使用的工作寄存器区,CPU当前使用的工作寄存器区由程序状态字PSW的3、4位（RS1、RS0）决定。,表1-2 工作寄存器选择,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。,2、位寻址区,3、便笺区（堆栈区）,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的现场，这种后进先出的缓冲器称之为堆栈。,堆栈区安排在便笺区30H7FH范围内，堆栈的栈顶位置由堆栈指针SP确定，一般在初始化编程时加以设置。,便笺区不做堆栈用时可作为一般数据存储器用。,4、特殊
13、功能寄存器区,地址范围：30H7FH,地址范围：80HFFH,寄存器数：MCS-51 21个 MCS-52 26个,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)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
14、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,图1-4 P2口一位结构图,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
15、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1-5 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，P0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)
16、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),P3口,作 业：,1、PSW寄存器各位标志的意义如何？2、当前工作寄存器组如何选择？,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,CPU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
17、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：S1P1、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
18、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：,图2-2 复位电路,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（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
19、，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,2.3.2 复位状态,表2-1 特殊功能寄存器的复位状态,1、单步执行,2、断点执行,3、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？2、单片机复位后各口状态如何，复位方法有几种？3、单片机控制总线有那些？各信号的作用如何？,谢谢！,单片机原理与应用,Single-chip micro-computer theory and application,
