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1、第2章 MCS-51系列单片机结构,2.1 MCS-51单片机的外特性 2.11 引脚说明 2.12 外部总线2.2 MCS-51单片机内部结构 2.2.1 MCS-51组成 2.2.2 CPU 2.2.3 CPU时序,图2.1 MCS-51系列单片机引脚,P1.0,P1.1,P1.2,P1.3,P1.4,P1.5,P1.6,P1.7,RST/V,PD,RXD,、,P3,.,0,TXD,、,P3,.,1,INT0,、,P3.2,INT1,、,P3.3,T0,、,P3.4,T1,、,P3.5,WR,、,P3.6,RD,、,P3.7,XTAL2,XTAL1,V,SS,V,CC,P0.0,P0.1,
2、P0.2,P0.3,P0.4,P0.5,P0.6,P0.7,EA/V,PP,ALE/P,ROG,PSEN,P2.7,P2.6,P2.5,P2.4,P2.3,P2.2,P2.1,P2.0,8051,8751,8031,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,40,39,38,37,36,35,34,33,32,31,30,29,28,27,26,25,24,23,22,21,Received data,Transmitted data,片外程序存储器选用端/编程电压输入,地址锁存有效信号输出端/编程脉冲输入,片外程序存储器读选通信号输
3、出端,复位输入/备用电源输入,片内振荡电路输入端,片内振荡电路输出端,（32422）,2.1 外特性,2.1.1 外部引脚说明,1主电源引脚(2),XTAL1(19脚)：片内振荡电路输入端，是外接晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部振荡器时，该引脚接地。,2时钟电路引脚 XTAL1、XTAL2(2),VCC(40脚)：接+5 V电源正端。,VSS(20脚)：接+5 V电源地端。,XTAL2(18脚)：片内振荡电路输出端，是外接晶体的另一端。当采用外部振荡器时，该引脚接外部振荡源。,频率微调,212MHz,内部方式时钟电路,(1)RST
4、/VPD(9脚)：RST即为RESET，VPD为备用电源。该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。,当VCC发生故障，降低到低电平规定值或掉电时，该引脚可接上备用电源VPD(+5 V)为内部RAM供电，以保证RAM中的数据不丢失。,当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平，就可实现复位操作，使单片机恢复到初始状态。上电时，考虑到振荡器有一定的起振时间，该引脚上高电平必须持续10 ms以上才能有效复位。,对于片内含有EPROM的机型，在编程期间，该引脚用作编程脉冲PROG的输入端。在对8751单片机编程时，此引脚用于输入编程脉冲。,ALE在每个机器周期内输出两个脉冲。在访问片外存
5、储器期间，下降沿用于控制锁存P0输出的低8位地址；在不访问片外程序存储器期间，可作为对外输出的时钟脉冲或用于定时目的。,4输入/输出端口(I/O口)引脚(32),(1)P0口(3932脚)：,P0.0P0.7统称为P0口。在不接片外存储器与不扩展I/O口时，可作为准双向输入/输出口。在接有片外存储器或扩展I/O口时，P0口分时复用为低8位地址总线和双向数据总线。,(2)P1口(18脚)：P1.0P1.7统称为P1口，可作为准双向I/O口使用。,(3)P2口(2128脚)：P2.0P2.7统称为P2口，一般可作为准双向 I/O口使用；在接有片外存储器或扩展I/O口且寻址范围超过256字节时，P2
6、口用作高8位地址总线。,(4)P3口(1017脚)：P3.0P3.7统称为P3口。除作为准双向I/O口使用外，还可以将每一位用于第二功能，而且P3口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能。P3口的第二功能如表2.1所示。,2.1.2 外部总线1、地址总线AB(16位)：P2输出高8位，P0输出低8位。P0口在允许地址锁存信号ALE作用下，将该低8位地址锁存到外部地址锁存器中。74XX373是最常用的地址锁存器。由于是16位地址线，因此，可使片外存储器的寻址范围达到64 KB(216)。,存储单元的地址、存储单元和存储单元的内容,为了便于对存储器内存放的信息进行管理，存储器被划分
7、成许多存储单元，每个存储单元都有一个编号，此编号称为地址（Address）。通常是按字节编址。地址与存储单元为一对一的关系。,存储单元的地址、存储单元和存储单元的内容是3个不同的概念。地址相当于旅馆的房间编号，存储单元相当于旅馆的房间，存储单元的内容相当于房间中的旅客。在存储器中，CPU对存储器的读写操作都是通过地址来进行的。(MOV A,70H),1KB=1024B=210212=21022=4KB可寻址范围为4KB,思考：12根地址线可寻址范围？,2、数据总线DB(8位)：P0口提供。3、控制总线CB：由ALE、PSEN、RST、EA与P3口的第二功能状态组成控制总线。,思考：P0口怎样即
8、输出地址线又输出数据线？,743738D锁存器在地址、数据线复用的单片机当中，往往需要锁存器锁存先出现的地址信号。74373是最常用的地址锁存器。如图2.2所示。,D0D7数据输入端Q0Q7数据输出端,OE为高电平，输入和输出隔离。OE为低电平，G为高电平，输出和输入相同。OE为低电平，G为高电平变为低电平时，输入端数据锁存到373内部寄存器中，输出端与内部寄存器的内容相同，从而实现了锁存。,外部总线结构如下图2.4所示：,锁存允许信号G受控于单片机地址有效锁存信号ALE。这样，当外部地址锁存信号ALE下降为低电平时，将低8位地址锁入内部寄存器，送出低8位地址。,P9页,综上所述，MCS-51
9、系列单片机的引脚可归纳为以下两点：(1)单片机功能多，引脚数少，因而许多引脚都具有第二功能。(2)单片机对外呈现三总线形式，由P2、P0口组成16位地址总线；由P0口分时复用为数据总线；由ALE、PSEN、RST、EA与P3口中的RXD、TXD、INT0、INT1、T0、T1、WR、RD共10个引脚组成控制总线。由于是16位地址线，因此，可使片外存储器的寻址范围达到64 KB（216）。,2.2 MCS-51单片机内部结构,2.2.1 MCS-51组成(1)一个8位CPU；(2)一个片内振荡器及时钟电路；(3)4KB ROM程序存储器；(4)128B RAM数据存储器；(5)两个16位定时器/
10、计数器；(6)可寻址64KB(216)外部数据存储器和64KB外部程序存储器 空间的控制电路；(7)32条可编程的I/O线；(8)一个可编程全双工串行接口；(9)具有5个中断源、两个优先级嵌套中断结构。,图2.5 8051单片机框图,单片机的组成框图如图2.5所示。,128B RAM,2.2.2 CPU(单片机的核心部件)。它由运算器和控制器等部件组成。1、运算器：包括算术逻辑运算部件、累加器ACC、暂存寄存器、状态寄存器 PSW、BCD 码运算调整电路等。进行算术运算和逻辑运算。算术逻辑单元不仅能完成8位二进制的加、减、乘、除、加1、减1及BCD加法的十进制调整等算术运算，还能对8位变量进行
11、逻辑“与”、“或”、“异或”、循环移位、求补、清零等逻辑运算，操作结果的状态信息送至状态寄存器。,8051运算器还包含一个布尔处理器，用来处理位操作。它是以进位标志位C为累加器的，可执行置位(SETB C)、复位(CLR C)、取反(CPL C)、等于1转移(JC rel)、等于0转移(JNC rel)、等于1转移且清0(JBC bit,rel)以及进位标志位与其他可位寻址的位之间进行逻辑与、或操作。,2、程序计数器PC,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寄存器，经译码器译码后，通过定时控制电路，在规定的时刻发出指令操作所需的全部的控制信号，使各部
12、分协调工作，完成指令所规定的操作。,它是16位专用寄存器，用于存放和指示下一条要执行指令的地址。执行指令时，PC内容的低8位经P0口输出，高8位经P2口输出。,3、指令寄存器,(1)内部时钟方式：利用芯片内部的振荡器，然后在引脚XTAL1和XTAL2两端外接定时元件，就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部时钟电路。如图2.7内部方式时钟电路所示。,频率微调,212MHz,图2.7 内部方式时钟电路,4、定时与控制部件：8051内部有一个反相放大器所构成的振荡电路，XTAL1和XTAL2分别为振荡电路的输入端和输出端。它向CPU提供时序。,补充：晶体振荡频率愈高，则系统的时钟频率也高
13、，单片机运算速度也就快；但反过来，运行速度快，对存储器的速度要求就高，对印刷电路板的工艺要求也高。80C51在通常应用情况下，使用振荡频率为6MHz或12MHz的石英晶体。在设计印刷电路板时，晶振或电容应尽可能靠近单片机芯片安装，以减少寄生电容，更好的地保证振荡器稳定和可靠性工作。,(2)外部时钟方式：XTAL1接地，XTAL2接外部振荡器。通常接的外部信号一般为频率低于12MHz的方波信号。另外，由于XTAL2端的逻辑电平不是TTL的，故建议接一个上拉电阻。,图2.8 外部方式时钟电路,这种时钟方式适用于多种芯片同时工作，便于同步。,2.2.3 CPU时序,CPU执行指令的一系列动作都是在时
14、序电路控制下一拍一拍进行的。为了便于对CPU时序进行分析，人们按指令执行过程规定了几种周期，即振荡周期、状态周期、机器周期、指令周期。,一、CPU时序及有关概念,2、状态周期：2个振荡周期为1个状态周期，用S表示。两个振荡周期作为两个节拍分别称为节拍P1和节拍P2。在状态周期的前半周期P1有效，通常完成算术逻辑操作；在后半周期P2有效，一般进行内部寄存器之间的传输。2/FOSC,3、机器周期：完成一个基本操作所需要的时间。一个机器周期包含6个状态周期，用S1、S2、S6表示；共12个节拍，依次可表示为S1P1、S1P2、S2P1、S2P2、S6P1、S6P2。MC12/FOSC,4、指令周期：
15、执行一条指令所占用的全部时间，它以机器周期为单位。MCS-51系列单片机除乘法、除法指令是4周期指令外，其余都是单周期指令和双周期指令。,总结：1个机器周期 个状态周期 个振荡周期/FOSC 1个指令周期 个机器周期,6,12,12,14,二、8051的取指、执指时序（P13页）,思考：指令字节数越多，执行时间越长？,思考：指令字节数越多，执行时间越长？,字节数和执行时间没有关系。有单字节双周期指令(INC DPTR)，也有双字节单周期指令(ADD A,#DATA)，并不是字节数越多，指令执行时间就越长。,本节小结,1、引脚说明（32422）（重点）2、外部总线；P0口如何分时输出地址线和数据
16、线；（重点）3、MCS-51组成（重点）4、时钟电路（内部时钟电路重点）5、振荡周期、状态周期、机器周期、指令周期（重点）6、取指、执指时序,习题,1、MCS51单片机一个机器周期共有（）振荡周期。2、当MCS-51单片机配有6MHz晶振时，一个机器周期为几微秒？执行一条最长的指令需几微秒？3、MCS-51单片机PC的长度为 位；SP的长度为 位；DPTR的长度为 位。4、访问外部数据存储器时，不起作用的信号是（）。（A）WR（B）RD（C）PSEN（D）ALE 5、12根地址线可选择 存储单元，32KB存储单元需要()根地址线？6、使用8031单片机时EA引脚接 电平，因其内部无 存储器，8031片外可直接寻址的存储空间达 KB。7、当扩展外部存储器或I/O口时，P2口用作。,12,2S,8S,16,8,16,C,4KB,15,低,ROM,64,高8位地址线,
