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1、第2章 单片机的硬件结构和原理,2.1 概述 2.2 MCS-51单片机硬件结构 2.3 中央处理器CPU 2.4 存储器的结构 2.5 并行输入/输出接口2.6 单片机的引脚及其功能 2.7 单片机工作的基本时序,2.1 概 述,2.1.1 单片机的发展简史,4位单片机（19711974）2.低档8位单片机（19741978）3.高档8位单片机（19781982）4.16位单片机（19821990）5.新一代单片机（90年代以来）,2.1.2 单片机的应用,1.单机应用,（1）测控系统。（2）智能仪表。（3）机电一体化产品。（4）智能接口。（5）智能民用产品。,2.多机应用,（1）功能集散系
2、统。（2）并行多控制系统。（3）局部网络系统。,2.2 MCS-51单片机硬件结构,2.2.1 MCS-51系列单片机的分类,表 2.1 MCS-51 系列单片机配置一览表,2.2.2 MCS-51单片机的内部结构,图 2.1 MCS-51单片机结构框图,2.3 中央处理器CPU,2.3.1 运算器,算术逻辑单元ALU 2.累加器ACC（Accumulator）3.寄存器B 4.程序状态字PSW（Programe State Word）,D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0,PSW,表 2.2 RS1、RS0与片内工作寄存器组的对应关系,2.3.2 控制器,1.时钟电路,图 2.2
3、单片机时钟电路（a）内部时钟电路；（b）外部振荡源,2.复位电路,图 2.3 单片机复位电路（a）上电复位电路；(b)开关复位电路,表 2.3 复位后内部寄存器状态,3.指令寄存器和指令译码器 指令寄存器中存放指令代码。CPU执行指令时,由程序存储器中读取的指令代码送入指令存储器,经译码器译码后由定时与控制电路发出相应的控制信号,完成指令所指定的操作。,4.程序计数器PC（Program Counter）PC用于存放CPU下一条要执行的指令地址,是一个 16 位的专用寄存器,可寻址范围是0000H0FFFFH共 64 KB。程序中的每条指令存放在ROM区的某一单元,并都有自己的存放地址。CPU
4、 要执行哪条指令时,就把该条指令所在的单元的地址送上地址总线。在顺序执行程序中,当PC的内容被送到地址总线后,会自动加 1,即(PC)(PC)+1,又指向CPU 下一条要执行的指令地址。,5.堆栈指针SP（Stack Pointer）堆栈操作是在内存RAM区专门开辟出来的按照“先进后出”原则进行数据存取的一种工作方式,主要用于子程序调用及返回和中断处理断点的保护及返回,它在完成子程序嵌套和多重中断处理中是必不可少的。为保证逐级正确返回,进入栈区的“断点”数据应遵循“先进后出”的原则。SP用来指示堆栈所处的位置,在进行操作之前,先用指令给SP赋值,以规定栈区在RAM区的起始地址（栈底层）。当数据
5、推入栈区后,SP的值也自动随之变化。MCS-51 系统复位后,SP初始化为07H。,6.数据指针寄存器DPTR 数据指针DPTR是一个 16 位的专用寄存器,其高位字节寄存器用DPH表示,低位字节寄存器用DPL表示。既可作为一个 16 位寄存器DPTR来处理,也可作为两个独立的 8 位寄存器DPH和DPL来处理。DPTR 主要用来存放 16 位地址,当对 64 KB外部数据存储器空间寻址时,作为间址寄存器用。在访问程序存储器时,用作基址寄存器。,2.4 存储器的结构,图 2.4 MCS-51 单片机的存储器结构,1.程序存储器 对于8051来说,程序存储器（ROM）的内部地址为 0000H0F
6、FFH,共 4 KB;外部地址为 1000HFFFFH,共 60 KB。当程序计数器由内部 0FFFH执行到外部 1000H 时,会自动跳转。对于 8751 来说,内部有 4 KB的EPROM,将它作为内部程序存储器;8031 内部无程序存储器,必须外接程序存储器。8031 最多可外扩 64 KB程序存储器,其中 6 个单元地址具有特殊用途,是保留给系统使用的。0000H是系统的启动地址,一般在该单元中存放一条绝对跳转指令。0003H、000BH、000BH、001BH和 0023H对应 5 种中断源的中断服务入口地址。,2.内部数据存储器 MCS-51 单片机片内RAM的配置如图 2.4（b
7、）所示。片内RAM为 256 字节,地址范围为00HFFH,分为两大部分:低 128 字节（00H7FH）为真正的RAM区;高 128 字节（80HFFH）为特殊功能寄存器区SFR。在低 128 字节RAM中,00H1FH共 32 单元是 4 个通用工作寄存器区。每一个区有 8 个通用寄存器R0R7。寄存器和RAM地址对应关系如表 2.4。,表 2.4 寄存器与RAM 地址对照表,表 2.5 RAM中的位寻址区地址表,表 2.6 SFR特殊功能寄存器地址表,表 2.6 SFR特殊功能寄存器地址表,表 2.6 SFR特殊功能寄存器地址表,3.外部数据存储器 外部数据存储器一般由静态RAM构成，其
8、容量大小由用户根据需要而定,最大可扩展到 64 KB RAM,地址是 0000H0FFFFH。CPU通过MOVX指令访问外部数据存储器,用间接寻址方式,R0、R1和 DPTR都可作间接寄存器。注意,外部RAM和扩展的I/O接口是统一编址的,所有的外扩I/O 口都要占用 64 KB中的地址单元。,2.5 并行输入/输出接口,图 2.5 P0 口内部一位结构图,1.P0口,2.P1、P2和P3口,P1、P2 和P3 口为准双向口,在内部差别不大,但使用功能有所不同。P1口是用户专用 8 位准双向I/O口,具有通用输入/输出功能,每一位都能独立地设定为输入或输出。当有输出方式变为输入方式时,该位的锁
9、存器必须写入“1”,然后才能进入输入操作。P2口是 8 位准双向I/O口。外接I/O设备时,可作为扩展系统的地址总线,输出高8位地址,与P0 口一起组成 16 位地址总线。对于 8031 而言,P2 口一般只作为地址总线使用,而不作为I/O线直接与外部设备相连。,表 2.7 P3口的第二功能,2.6 单片机的引脚及其功能,图 2.6 MCS-51单片机引脚及总线结构(a)管脚图；(b)8031 引脚功能分类,2.7 单片机工作的基本时序,1.机器周期和指令周期（1）振荡周期:也称时钟周期,是指为单片机提供时钟脉冲信号的振荡源的周期。（2）状态周期:每个状态周期为时钟周期的 2 倍,是振荡周期经二分频后得到的。（3）机器周期:一个机器周期包含 6 个状态周期S1S6,也就是 12 个时钟周期。在一个机器周期内,CPU可以完成一个独立的操作。（4）指令周期:它是指CPU完成一条操作所需的全部时间。每条指令执行时间都是有一个或几个机器周期组成。MCS-51 系统中,有单周期指令、双周期指令和四周期指令。,2.MCS-51 指令的取指/执行时序,图2.7 MCS-51 单片机取指/执行时序,3.访问外部ROM和RAM的时序,图 2.8 读外部程序ROM时序,图 2-9 读外部数据RAM时序,图 2.10 写外部数据RAM的时序,
