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1、第2章 MCS-51单片机体系结构,2.1 概述,2.2 单片机的引脚,2.3 单片机的内部结构,2.4 存储器,2.5 CPU时钟电路与时序,2.6 单片机工作方式,2.7 单片机的输入/输出接口,学习目标：熟悉MCS-51单片机的内部结构，掌握MCS-51单片机各组成部分的功能和特点。引入 单灯受控闪烁任务描述：单片机上电工作时，发光二极管按1HZ左右频率闪烁，按下键S1后在原状态基础上停止5秒，再按原频率闪动。,2.1 概述,1.硬件电路,2.工作原理 当P1.2引脚输出低电平时，发光二极管发光，当引脚输出为高电平时，发光二极管熄灭。当按键按下时，对应的引脚被拉成低电平。单片机通过查询该
2、输入口线的高低电平状态，就知道对应的按键是否按下。,3.主程序流程图,4.控制程序,ORG 0000H CLR P1.2L0:JB P3.2,L3；无键按下跳转L1：JNB P3.2,L1；等待按键释放 MOV R3,#10L2:LCALL DELAY DJNZ R3,L2；延时5秒L3:LCALL DELAY；延时0.5秒 CPL P1.2；输出反相 SJMP L0DELAY:MOV R7,#10D1:MOV R6,#255D2:MOV R5,#255D3:DJNZ R5,D3 DJNZ R6,D2 DJNZ R7,D1 RET END,指令、伪指令将在第三、四章中详细讲解,5 源程序的编辑
3、、编译、仿真、下载,1.打开“Keil”仿真软件进行程序的编辑、编译。1、新建文件进行编辑 2、新建一个工程 3、选择单片机类型，进行工程设置 4、编译程序文件直至通过 5、模拟仿真2.将目标文件下载到实验开发板上的AT89S51单片机芯片中，观察程序运行结果。1、编译成功后打开下载软件 2、选择好单片机AT89S51并测试 3、打开编译生成的.BIN或.HEX文件 4、选择自动写完成擦除、写、读、校验过程 5、观看运行结果,单片机应用系统是以单片机为核心，配以输入、输出、显 示、控制等外围电路和软件，能实现一种或多种功能的实用系统。单片机应用系统是由硬件和软件组成的，硬件是应用系统的基础，软
4、件则在硬件的基础上对其资源进行合理调配和使用，从而完成应用系统所要求的任务，二者相互依赖，缺一不可。,几点说明：,思考.将LED控制电路从左图改成右图方式，是否可以？,2.1 MCS-51系列概述,MCS-51是Intel公司生产的一个单片机系列名称。可分为基本型和增强型两大系列：51子系列和52子系列，这一系列的单片机有多种，如：,8051/8751/8031 8052/8752/8032 80C51/89C51/89S51 80C52/89C52/89S52等,51系列典型产品资源配置,功能上，该系列单片机有基本型和增强型两大类：,增强型：8052/8752/803280C52/87C52
5、/89C52/89S52,基本型：8051/8751/803180C51/87C51/89C51/89S51,在片内程序存储器的配置上，该系列单片机有以下几种形式，即掩膜ROM、EPROM、ROMLess和Flash ROM。如：,80C51有4K字节的掩膜ROM87C51有4K字节的EPROM 80C31在芯片内无程序存储器。89C51和89S51在芯片内增加了基于Flash技术的闪速可电改写的程序存储器。,掩膜ROM型，程序由芯片生产厂写入；,EPROM型，程序通过写入装置写入；,FlashROM型，程序可电写入（常用）。,片内ROM的配置形式：,还有OTPROM型，具有较高的可靠性。,无
6、ROM型，需外扩；,2.2 51单片机引脚信号,(MOSI)(MISO)(SCK),1.电源引脚Vcc和Vss Vcc：5V。Vss（GND）：接地端。通常在Vcc和Vss引脚之间接0.1高频滤波电容。2.时钟电路引脚XTAL1和XTAL2,3.地址锁存允许ALE ALE用于控制地址锁存器锁存P0口输出的低8位地址；ALE周期性地以时钟频率的1/6的固定频率向外输出正脉冲信号？,4.外部程序存储器读选通信号PSENPSEN是读外部程序存储器的选通信号，低电平有效。从外部存储器取指令时，它在每个机器周期中两次有效。,5.程序存储器地址允许输入端EA/VPP功能一：当EA为高电平时，CPU执行片内
7、程序存储器指令，但当PC中的值超过0FFFH时，将自动转向执行片外程序存储器指令。当EA为低电平时，CPU只执行片外程序存储器指令。对于8031，EA必须接低电平。功能二：并口编程时，+12V,6.复位信号RST 该信号高电平有效，在输入端保持两个机器周期的高电平后，就可以完成复位操作。此外，该引脚还有掉电保护功能，若在该端接5V备用电源，在使用中若Vcc掉电，可保护片内RAM中信息不丢失。,7.输入/输出口引脚P0、P1、P2和P3 P0口：该端口为漏极开路的8位准双向口，负载能力为8高LSTTL负载，它为8位地址线和8位数据线的复用端口。,P1口：它是一个内部带上拉电阻的8位准双向I/O口
8、，P1口的驱动能力为4个LSTTL负载。P2口：它为一个内部带上拉电阻的8位准双向I/O口，P2口的驱动能力也为4个LSTTL负载。在访问外部程序存储器时，它作存储器的高8位地址线。P3口：P3口同样是内部带上拉电阻的8位准双向I/O口，P3口除了作为一般的I/O口使用之外，其还具有特殊功能。,AT89S51单片机驱动电流总结,每个管脚灌电流10mAP0总电流26mA P1总电流 15mA;P2总电流 15mA;P3总电流 15mA;单片机总灌电流71mA,按功能可分成8个部件，通过片内单一总线连接起来,2.3 MCS-51单片机的内部组成及结构,2.3.1 AT89S51的内部结构,1.微处
9、理器,2.数据存储器,3.程序存储器,4.I/O口,5.串行口,6.定时/计数器,7.中断系统,8.特殊功能寄存器,控制方式：SFR对各功能部件集中控制,片内总线,1)中央处理器（CPU）:8位，运算和控制功能。2)内部数据存储器（内部RAM）:共256个RAM单元，用户使用前128个单元，用于存放可读写数据，后128个单元被专用寄存器占用。3)内部程序存储器（内部ROM）：80C51共有4 KB掩膜ROM，用于存放程序、原始数据或表格。89C和89S系列内部有不同容量的FLASH存储器，使用更方便。,4)定时/计数器：80C51共有两个16位的定时/计数器，以实现定时或计数功能。5)并行I/
10、O口：MCS-51共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2、P3）。6)串行口：一个全双工的串行口。7)中断控制系统：共有5个中断源，即外中断两个，定时/计数中断两个，串行中断一个。,8)时钟电路：时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列。系统允许的晶振频率一般为2 MHz至12 MHz（89S系列为0 Hz至33 MHz）。9)ISP在系统编程：AT89S51/52内有4/8K字节的FLASH存贮器，支持在系统编程ISP和1000次的擦写周期。10)看门狗监视定时器WDT：AT89S系列单片机内部增加了一个定时器T3作为看门狗监视定时器。,2.3.2 89C51的CPU,CPU由运算器、控制器和若干
11、SFR（ACC，B，PSW，SP，DPTR）构成。（1）运算器：实现数据的算术运算和逻辑运算。（2）累加器ACC：提供一个操作数并存放运算结果，其进位标志CY同时也是布尔处理器的累加器。（3）寄存器B：用于乘法和除法操作，也用作暂存器。,（4）数据指针DPTR,DPTR为16位寄存器，编程时，可以按16位寄存器来使用，也可以按两个8位寄存器来使用。,DPTR主要是用来保存16位地址,MOVXA,DPTRMOVXDPTR,AMOVCA,A+DPTR,MOV DPTR,#1000HMOV DPH,#10H MOV DPL,#00H,（5）堆栈指针SP(Stack Pointer),指向栈顶数据的地
12、址，8位，可软件设置初值，复位时SP=07H。,（6）CPU标志寄存器,CY：进位标志，有进位或借位时为1，否则为0 AC：辅助进位标志当D3向D4有进位或借位时为1，否则为0 F0：用户标志RS1、RS0：工作寄存器组OV：溢出标志，结果超过-128+127时，OV=1，否则为0P：奇偶校验标志，当ACC中“1”的个数为奇数个时，P=1,PSW,CPU的工作原理程序计数器（PC）：是一个16位的计数器，其内容为将要执行指令的地址。PC有自动加1功能，从而实现程序的顺序执行。只能通过转移、调用、返回等指令改变其内容，以实现程序的转移。指令寄存器：用于暂时存放指令，等待译码。指令译码器：对指令进
13、行译码，分析指令功能。,CPU执行程序一般包括两个主要过程,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，就是指令执行过程，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。,执行,取指令,分析,单片机执行程序的过程,单片机的工作过程就是执行程序的过程，程序执行可分解为取指令、分析指令、执行指令及为取下条指令做准备的循环操作过程。,程序 MOV A，#05H 执行过程：,3、执行指令,按照指令的工作时序，PC的当前值（2001H）再送地址寄存器，选取中地址为2001H的存储单元。2001H单元中的内容05H直
14、接送累加器A。2001H指令单元数据取出后，PC值自动加1，变成2002H，为取下条指令作好准备。,单片机存储器组织结构,2.4 存储器,2.4.1 程序存储器,用途：存放程序及程序运行时所需的常数。,寻址范围：0000H FFFFH 容量64KB，即地址长度：16位,，寻址内部ROM；,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。,，寻址外部ROM。,说明：8031单片机,必须接低电平。,64KB 程序存储器空间，EA不同电平选择片内或片外低位存储单元,特殊存储单元：0000H 系统复位，PC指 向此处；0003H 外部中断0入口000BH T0溢出中断入口 0013H 外中
15、断1入口001BH T1溢出中断入口0023H 串口中断入口,2.4.2 数据存储器,用途：存放程序执行的中间结果和过程数据的。,物理上分为两大区域：00H 7FH即128B用户RAM区。80H FFH即特殊功能寄存器区。,R0、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7,即可位寻址，又可字节寻址,数据缓冲区、堆栈区、工作单元,注意:一个单元地址对应有8个位地址MSBMost Significant Bit（最高有效位）LSB Least Significant Bit（最低有效位）,RAM位寻址区位地址表(P11),（3）特殊功能寄存器,1、数据总线（DB）由P0口提供8位数据2、地址总线（A
16、B）由P2，P0提供16位地址3、控制总线（CB）由P3口和RST、EA、ALE、PSEN组成,MCS-51三总线结构,2.5 CPU的时钟电路和时序,我们知道了单片机怎样取指、执指，即怎样运行程序了。那么怎样才能保证CPU有序的工作？这就必须提到单片机的两个非常重要的外围电路：单片机的时钟电路和复位电路。,时钟电路：,C1和C2取30 pF左右,1.212 MHz,晶振、复位电路,烘箱控制系统,【振荡周期】：单片机外接石英晶体振荡器的周期。如外接石英晶体的频率若为12MHz，这其振荡周期就是1/12微秒。【状态周期】：单片机完成一个最基本的动作所需的时间周期。如扫描一次定时器T0引脚状态所需
17、要的时间。一个状态周期2个振荡周期。【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。【指令周期】：执行完某条指令所需要的时间周期，一般需要14个机器周期，如MUL AB指令是四机器周期指令。一个指令周期14个机器周期。,单周期单字节指令时序,2.6 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，89C51的初始状态如下表：,时钟电路开始工作后，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.
18、6.1 复位与复位电路,2.6.2 80C51系列单片机的低功耗方式,1、电源控制寄存器PCON,IDL=0,PD=0,正常工作方式。PD=1,进入掉电工作方式；IDL=1,PD=0,进入待机工作方式。GF1、GF0为用户使用的通用标志。,2、待机方式,在待机工作方式CPU停止工作，但振荡器与中断源继续工作。通过字节操作使IDL=1,单片机进入待机工作方式。一次硬件复位或一次被开放的中断源的中断申请可复位IDL，使单片机结束待机。,3、掉电方式,在掉电工作方式CPU与振荡器都停止工作，仅片内RAM部分维持供电。掉电期间，电压可低至2V。通过字节操作使PD=1,单片机进入掉电工作方式。只有在电源
19、电压正常时的硬件复位能使单片机结束掉电状态。,2.6.3 ISP编程工作方式,ISP编程方式,并行编程方式,并行编程方式需要借助编程器，在EA/VPP（31引脚）上使用高电压（+12V）和协调的控制信号进行编程。,一、并行编程方式,缺点：一是增加了硬件成本；二是在实际应用开发过程中，需要从目标系统电路板上拔下芯片，编程后再插上。,二、ISP编程方式（在线编程方式）,将RST 接至Vcc，程序代码存储阵列可通过串行ISP 接口进行编程，89S51的串行接口包含时钟输入SCK 线（P1.7脚）、MOSI数据输入线（P1.5脚）和MISO数据输出线（P1.6脚）。,ISP电缆和AT89S51系列单片
20、机通过一个10针的IDC口进行连接，IDC-10的引脚定义如图所示。,Atmel公司的ISP软件可在Atmel公司的网站上免费下载，软件的使用可参阅软件的帮助说明。,P0.0P0.1P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7,P1.0P1.1P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7,P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0,P3.0P3.1P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7,4个8位并行I/O口：P0，P1，P2，P3；,均可作为双向I/O端口使用。输入时可以缓冲，输出时可以锁存。,特点：,P0：访
21、问片外扩展存储器时，复用为低8位地址线和数据线,P2：高8位地址线。,P1：双向I/O端口,P3：第二功能,片外扩展存储器时P0、P2口自动作为总线使用,2.7 输入/输出端口结构,（1）P0和P2口,三态缓冲器,场效应管,P0口既可用作I/O口，也可用作地址/数据总线，但二者不能兼用，用作I/O口时，必须在管脚上接上拉电阻。用作地址/数据总线时，地址和数据采取分时复用方式。,P2口既可用作I/O口，也可用作高8位地址总线。,（2）P1口,P1口只用作普通输入输出口,注意：P0、P1、P2、P3口作输入时，为防止口锁存器对输入口线造成影响必须先往口锁存器写1。,（3）P3口,P3.0串行输入口
22、(RXD)P3.1 串行输出口(TXD)P3.2外中断0(INT0)P3.3外中断1(INT1)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),读端口：读锁存器Q端的状态。适应对口进行“读修改写”操作指令的需要。如：ANL P0，A读引脚：读输入口线的状态。,读端口与读引脚：,教学案例：烘箱温度控制系统任务及单片机选型,控制对象 额定工作电压：AC220V/50 Hz。额定功率：1 kW。烘箱容积：20 L。,主要功能 温度控制范围与精度：控制范围20240，控制精度10。温度显示：数码管显示设定烘箱温度和实际烘箱温度，温度测量分辨率1。温度设定：通过按键调节设定温度，设定步进1。,教学案例：烘箱温度控制系统任务及单片机选型,单片机型号选择 温度控制系统惯性大，控制周期长，运算工作量不大，选择普通的8位单片机即可满足要求。由于教学过程中主要以AT89S51/S52单片机为主来介绍单片机控制系统的硬件设计与软件设计，因此，教学案例烘箱温度控制系统的控制核心选用单片机AT89S51。,休 息 一 下,
