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1、 2.2 MCS-51单片机内部结构分析,2.3 MCS-51单片机的引脚功能,2.4 MCS-51的存储器组织,2.5 MCS-51CPU时序,第 2 章 MCS-51单片机硬件结构,2.6 MCS-51低功耗运行方式及编程,MCS-51系列,MCS-51系列,基本的51系列单片机,8031,8051,8751,增强的51系列单片机,8032,8052,8752,区别：8051/8751单片机中含有 ROM/EPROM，而 8031中没有，使用时需外接一片 EPROM,二、MCS-51系列单片机的差异,51子系列,8031,8051,(基本型),8031,52子系列,请见：P21 表1-4
2、P22 表1-5 51系列产品,2.2 MCS-51单片机内部结构分析,CPU,内部 总线,面向用户的结构,共40条引线,(内特性),用户外特性,图2-2 MCS-51功能 框图,P32,逻辑结构框图,40引脚，双列直插式结构,RST/VPD,Vss,Vcc,2.3 MCS-51单片机的引脚功能,用户外特性,P0口:I/O 口 或 数据总线/低8位地址总线复用口,P1口:I/O口,P3口:I/O口或第2功能口,P2口:I/O口 或高8位地址总线,控制总线,控制总线,时钟,复位引脚,2、管脚的功能,（1）电源,Vcc：(40脚）接+5V电源(直流电源正端),Vss：（20脚）接地端(直流电源负端
3、),硬件设计时，为提高单片机抗干扰性能，应在这两脚之间加一0.01uF去耦电容。而且电源线要尽可能粗一些，如100mil(2.54mm),XTAL1：（19脚）片内振荡电路输入端,XTAL2：（18脚）片内振荡电路输出端,内时钟方式：,在XTAL1、XTAL2上外接定时元件，使其形成自激振荡器。,时钟电路：,内时钟方式(最常用的方式),外时钟方式,2、管脚的功能,（2）时钟,定时元件采用由石英晶体和电容组成并联谐振电路。晶体和电容尽可能靠近单片机芯片。,19,18,C1,C2,振荡频率1.2MHz12MHz,晶振,内时钟方式电路设计原理图,C1、C2取值对振荡频率输出稳定性、大小及振荡电路的起
4、振速度有一定的影响。,时钟电路设计应注意问题：,1、设计印制板时，晶体与电容尽可能与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，保证振荡器可靠工作。,3、应考虑系统功耗要求，时钟频率越低，功耗越小；,2、尽可能用地线包围振荡电路，晶体外壳接地；,4、选用瓷片电容；,ALE,名称,功 能,片外取指信号（片外程序存储器读）输出端低电平有效。通过P0口读回指令或常数。控制的是片外程序存储器,（3）控制信号,程序存储器选择信号,0 时，选外部ROM；,1，地址小于4k时，选内部ROM,地址大于4k时，选外部ROM,P0口是数据/地址复用口,不访问片外存储器时，以1/6时钟频率固定输出正脉冲,P0口输出数据信息,P
5、0口输出地址信息,锁存地址,表 2-2 复位后内部寄存器状态,PC 0000H,ACC 00H,B 00H,PSW 00H,SP 07H,DPTR 0000H,P0P3 0FFH,IP 00000B,IE 000000B,TMOD 00H,TCON 00H,TH0 00H,TL0 00H,TH1 00H,TL1 00H,SCON 00H,SBUF 不定,PCON 0 000B,初始复位不影响片内RAM状态。,复位信号，高电平复位CPU，低电平CPU工作,RESET：,复位电路设计：,KR,+5V,RESET高电平有效,二极管作用？,简单的上电复位电路：,IMP813L(DIP/SO),1(MR
6、):手动复位输入。低电平有效的输入可触发复位脉冲。250A的上拉电阻允许此脚被TTL/CMOS逻辑驱动或由开关短路到地。,7（RESET）：高电平有效的200ms复位输出。,复位功能：,电源监视功能：,4（PFI）：电源故障电压监控输入。当PFI小于1.25V时，PFO变为低电平。不用时将PFI接地或接至Vcc。,5（PFO）：电源故障输出。该输出低电平有效。,目前，在设计中我们更多的使用具有复位功能的集成电路芯片，如X5045，IMP813L、IMP708等,8（WDO)：看门狗输出。当内部看门狗定时器超时1.6秒时，WDO拉至低电平，并直到看门狗被清零才变为高电平。此外，当Vcc低于复位门
7、限时，WDO保持低电平。,6（WDI）：看门狗输入。WDI控制内部看门狗定时器。WDI端保持高电平或低电平达1.6秒可使内部定时器完成计数，并将WDO变为低电平。将WDI悬空或连接一个高阻抗三态缓冲器将禁止看门狗功能。内部看门狗定时器清零的条件有三种：发生复位；WDI处于三态；或WDI检测到一个上升沿或下降沿。,看门狗功能：,基于IMP813L的复位电路设计,1、读I/O引脚信号：以P1口为例,读锁存器,写锁存器,内部总线,读引脚,内部上拉电阻,0,1,0,1,0,1,输出,输入,“读引脚”,每一位可分别定义为输入或输出线 做信号输入引脚时，口锁存器须先置1，再读入引脚信号。,2.3.3 I/
8、O口:讲2个问题,2、P3口的第二功能状态,P3.3,外部中断1输入引脚,P3.2,外部中断0输入引脚,2.3.4 管脚应用特性：,1、端口驱动能力和接口要求,P0口：每一位口线可驱动8个LSTTL门输入。作I/O口使用时因输出级是漏极开路而需接上拉电阻。作总线使用无需上拉电阻。,P1P3口：每一位口线可驱动4个LSTTL门输入。内部集成上拉电阻，外部无需接上拉电阻。,CHMOS端口只提供几毫安输出电流，因限制高电平输出时的电流，保护引脚不被损坏。,ALE,803180518751,P2口,P0口,A0A7,D0D7,控制总线CB,2.3.4 管脚应用特性：单片机扩展系统设计的三总线结构：控制
9、总线、数据总线、地址总线,数据总线 DB,地址总线 AB,2.4 MCS-51的存储器组织,存储器,数据存储器,程序存储器,对单片机来讲，ROM和RAM的寻址机构和寻址方式是分开的。,ROM、EPROM E2ROM或FLASH,RAM、FLASH,单片机,0000H,0FFFH,0FFFFH,0000H,1000H,FFFFH,8951,8031,51系列程序存储器配置图,4KB,2.4.1 程序存储器实行片内、外统一编址方式，由PC指针访问。存放程序目标代码。,程序存储器中有7个地址具有特殊功能，MCS-51复位后，（PC）=0000H，故系统程序必须从0000H单元开始，也叫做系统程序的启
10、动地址。,6个特殊单元：分别对应于6种中断源的中断入口地址，如表2-4所示。,2.4.2 数据存储器 RAM,内部数据存储器外部数据存储器,分为两部分,直接寻址,地址重叠,间接寻址,52系列内部RAM配置,51系列内部 RAM配置,一、内部数据存储器 地址:00H FFH,0FH08H,17H10H,2FH20H,7FH30H,0区（8字节）,1区（8字节）,2区（8字节）,3区（8字节）,位寻址区,数据缓冲区,80个字节RAM,只能按字节寻址,16个字节，128个RAM位,可按位亦可按字节寻址,四个工作寄存器区,1、内部 00H7FH RAM区功能配置图,00H,1FH,07H00H,1FH
11、18H,1、每个区有8个字节，分别对应8个工作寄存器R0 R7如0区：00H地址单元对应0区的寄存器R0，01H地址单元对应0区的寄存器R1,2、可作普通RAM使用,P42,寄存器区,通用寄存器组 32个RAM单元,共4个区，每个区8个通用工作寄存器 R0R7,“区”的选择由程序状态字PSW中的RS1和RS0确定,位寻址区,字节地址：20H 2FH，16个字节可按字节操作：mov 20h,#0aah,位地址：00H 7FH单独按位操作：setb 20h,布尔处理机数据存储器的主要组成部分,蓝色框内地址的区别？,字节地址,位地址,靠指令区别,（3）用户RAM区,字节地址：30H 7FH,片内RA
12、M的部分单元可用作堆栈,复位后，51的栈区指向07H单元，是工作寄存器区0，为避开工作寄存器区和位寻址区，用户堆栈一般设置在 30H 7FH 之间,52系列单片机可设置在30H0FFH之间.,30H,程序计数器PC,16位专用寄存器，寻址范围64KB，程序最大长度为64KB。,2.特殊功能寄存器,通电时自动复位，运行时可手动复位，复位 后，,PC的内容自动清零,用来存放下一条指令地址。,MCS-51片内I/O口锁存器、T/C、串行口数据缓冲器、各种控制寄存器（PC除外），都以特殊功能寄存器形式出现，能综合、实时反映单片机内部的工作状态和工作方式，掌握各个SFR的工作状态及工作方式，实现对单片机
13、系统的控制具有重要意义。,特殊功能寄存器名称,特殊功能寄存器对应地址,累加器A 地址：0E0H,最常用的一个专用寄存器,大部分单操作数指令的操作数取自A,很多双操作数指令的一个操作数取自A,算术运算和逻辑运算的结果放在A或AB对中,指令系统采用A 作为累加器的标识符,例：INC A,；执行A中的内容加1操作,ADD A，#data,位寻址功能,寄存器B 地址：0F0H,8位寄存器,与累加器 A 配合使用，一般用于乘除法运算,例：MUL AB,DIV AB,余 B,程序状态字PSW 地址：0D0H,8位寄存器，存放程序的状态信息，表征指令的执行状态，供程序查询和判别使用。,进/借位标志CY（PS
14、W.7）,加法运算时，如果D7有进位，则CY=1，否则CY=0,减法运算时，如果D7有借位，则CY=1，否则CY=0,布尔运算中被定义为位累加器,D7 D0,CY,辅助进位标志AC（PSW.6）,8位加法运算时，如果低半字节的D3向D4有进位，则 AC=1，否则AC=0,8位减法运算时，如果低半字节的D3向D4有借位，则AC=1，否则AC=0,标志F0（PSW.5）,含义由用户定义，可用软件来使它置“1”、或清“0”,由软件测试F0来控制程序流向,AC,工作寄存器区选择位RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）,通过软件来改变RS1、RS0的组合，以确定当前工作寄存器区。,PSW.4 PSW.
15、3,溢出标志OV（PSW.2）,作为有符号数加、减法时由硬件置位或清除，以指示运算结果是否溢出,执行加/减法指令时，加/减法的结果如超出了一个字节 有符号补码数 所表示的范围（-128+127），则OV=1；否则 OV=0,奇偶标志P（PSW.0）,每个指令周期都由硬件置位或清零，以表示累加器A中值为“1”的位数的奇偶性,该标志可用于串行数据通讯，验证数据传输的可靠性,堆栈指针 SP,8位寄存器，存放栈顶地址,工作方式：“先进后出”或“后进先出”,数据压入堆栈时，SP自动加1,数据弹出堆栈时，SP自动减1,栈区“向上生成”,按“先进后出”工作原则，由SP组织的内部 RAM区域，被称为堆栈。,例
16、：堆栈操作,建立堆栈,压入操作,弹出操作,A的内容,B的内容,MOV SP,#60H,PUSH ACC,PUSH B,POP direct,direct,栈 底,1、堆栈是向上生长的2、SP始终指向栈顶，要人工预防堆栈溢出,数据指针 DPTR,16位寄存器，高字节用DPH表示，低字节用DPL表示,存放外部 RAM 或 I/O 口地址，范围64KB,例：,MOVX A，DPTR,MOVX DPTR，A,;将外部RAM中地址为DPTR的单元内容读到A中,;将A中的内容写到外部RAM中地址为DPTR的单元,（DPTR）,A,(A),DPTR,MOV DPTR，#1000H,I/O 端口P0 P3 地
17、址:80H 90H 0A0H 0B0H,专用寄存器P0 P3分别是端口P0 P3的锁存器,串行数据缓冲器 SBUF 地址:99H,存放欲发送的数据,存放已接收的数据,一个地址:99H,定时/计数器 T0 T1,MCS-51系列有2个16位定时/计数器T0、T1,MCS-52系列增加了1个16位定时/计数器T2,SBUF,两个缓冲器共用,“写”发送缓冲器,“读”接受缓冲器,MOV SBUF，A,MOV A，SBUF,其他控制寄存器,寻址空间64KB,采用寄存器间接寻址方式,间址寄存器有R0、R1（寻址范围：256B）,数据指针DPTR（寻址范围：64KB）,采用MOVX指令单片机产生读/写信号，
18、对外部RAM产生读写操作,3、外部数据存储器,FFFFH,0000H,MOVX A，Ri,MOVX A，DPTR,MOVX Ri，A,MOVX DPTR，A,“读”指令,“写”指令,通过三条总线扩展,2.5 MCS-51 CPU时序,一、机器周期、状态、相位,机器周期：由时钟振荡周期构成。一个机器周期由12个振荡周期构成，被分成6个S 状态S1S6，每个S状态分为2(拍)个振荡周期（相位P1，相位P2）。,1个机器周期 12(拍)个振荡周期 6个S状态,采用主频为 12MHz 振荡源，每个机器周期为1S,指令周期：CPU执行一条指令所需时间。以机器周期为单位。,二、典型指令的取指和执行时序,O
19、SC,ALE,S1,S2,S3,S4,S5,S6,机器周期,读操作码 04H,读下一个操作码（丢掉）PC不增“1”,再读下一个操作码,(a)单字节单周期指令 如：INC A,机器周期,读操作码 24H,读第二字节#data,再读下一个操作码,(b)双字节单周期指令 如：ADD A，#data,读操作码 A3H,(c)单字节双周期指令 如：INC DPTR,读下一个操作码（丢掉）PC不增“1”,“+1”,读操作码 E0H,不取指,不取指 无ALE,读下一个操作码（丢掉）PC不增“1”,2.6 CHMOS单片机的节电工作方式,CHMOS单片机有两种节电工作方式：空闲方式（1.7mA5mA)和掉电方
20、式(550uA)正常方式（1120mA）,节电工作方式的控制电路,节电工作方式由特殊功能寄存器PCON控制：,SMOD,-,-,-,GF1,GF0,IDL,PCON：,PD,SMOD:串行口的波特率倍增控制位,GF1、GF0：通用标志位,PD：掉电方式控制位，置“1”后器件进入掉电方式,IDL：空闲方式控制位，置“1”后器件进入空闲方式,若PD和IDL同时置“1”，则器件进入掉电方式,节电方式退出：掉电方式：硬件复位空闲方式：由中断唤醒、由复位唤醒,节电方式应用：1、干电池供电的智能化测量控制仪表中；2、以交流供电为主、直流电源为备用的系统中；3、数据采集系统的采样时间等待中；4、抗干扰系统的
21、特殊应用,编程、校验、加密,有内部程序存储器的单片机可进行编程、校验、加密,编程、校验：由通用的编程器完成；具有ISP功能的单片机可在线编程。,加密：加密后程序具有防盗功能。,8位CPU,片内128B RAM,片内4KB ROM/EPROM（8031无）,特殊功能寄存器区 SFR,2个优先级的5个中断源结构,4个8位并行口：P0、P1、P2、P3,MCS-51单片机的主要功能特点:,2个16位定时器/计数器T/C,1个全双工串行口UART,布尔（BOOL）处理机 位处理机,(10)64KB外部RAM地址空间,(11)64KB外部ROM地址空间,(12)片内时钟电路及振荡器,(13)指令系统(111条),通用异步收发器,第2章掌握主要内容：1、MCS-51单片机的引脚及含义2、复位电路设计、内时钟电路设计及应注意的问题3、数据存储器的组织4、各特殊功能寄存器的名称及含义5、单片机低功耗运行方式6、时序，会计算指令执行时间,
