片机介绍原理及应用.ppt

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1、51单片机原理及应用,2,第 2 章 MCS-51单片机基本结构,2.1引脚及功能2.2结构及组成2.3存储器结构2.4并行I/O口电路 2.5 时钟电路与时序2.6工作方式,3,(a)管脚图(b)引脚功能分类,MCS-51系列单片机芯片引脚,4,(a)引脚排列(b)逻辑符号,80C51单片机芯片引脚,5,2.1 MCS-51系列单片机芯片引脚及其功能80C51是标准的40引脚双列直插封装（DIP）集成电路芯片1.主电源和时钟振荡电路引脚VCC（40脚）运行和程序校验时接+5V电源VSS（20脚)地线XTAL1（19脚）用作晶体振荡电路的反相器输入端，内部接至振荡器的反相放大器。当采用外部时钟

2、时,对于HMOS单片机，该引脚接地；对于CHMOS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。XTAL2（18脚）用作晶体振荡电路的反相器输出端，内部接至时钟发生器。当采用外部时钟时,对于HMOS单片机，该引脚接收振荡器信号；对于CHMOS单片机，该引脚悬浮。,6,2.输入/输出（I/O）引脚P0.0P0.7（39脚32脚）：8位漏极开路的双向I/O口当使用片外ROM和RAM时，用作低8位地址和数据分时复用。P1.0P1.7（1脚8脚）：8位带上拉电阻的准双向I/O口在编程/校验期间，用作输入低8位地址。对于8052，P1.0是定时器T2的计数输入端；P1.1是定时器T2的外部输入端。P2.0P2

3、.7（21脚28脚）：8位带上拉电阻的准双向I/O口当使用片外ROM和RAM时，输出高8位地址。P3.0P3.7（10脚17脚）：8位带上拉电阻的准双向I/O口 P3口具有第二功能,在单片机中，“口”是一个集数据输入缓冲、输出驱动及锁存等多项功能于一体的I/O电路。,7,P3口的第二功能,8,3.控制信号引脚RST/VPD（9引脚）：RST为复位信号输入端。当RST端保持2个机器周期以上高电平时，单片机完成复位操作。第二功能VPD为内部RAM的备用电源输入端。当主电源VCC发生断电，降到一定电压值时，可通过VPD为单片机内部RAM提供电源，以保护片内RAM中的信息不丢失，上电后能继续正常运行。

4、ALE/PROG（30引脚）：ALE为地址锁存允许信号在系统扩展时，ALE用于控制把P0口输出的低8位地址送入锁存器锁存起来，以实现低8位地址和数据的分时传送。由于ALE是以1/6晶振频率的固定频率输出的正脉冲，故可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。ALE可驱动8个LSTTL门。第二功能PROG是对8751内部EPROM编程时的编程脉冲输入端。,9,PSEN（29引脚）：外部程序存储器（ROM）读选通信号访问外部ROM时，PSEN产生负脉冲作为外部ROM选通信号。访问外部RAM或内部ROM时，不会产生有效的PSEN信号。PSEN可驱动8个LSTTL门。EA/VPP（31引脚）：EA为访问程序存储

5、器（ROM）控制信号对8051和8751，它们的片内有4KB的ROM，当EA为高电平时，若访问的地址空间在04KB范围内，CPU访问片内ROM；若访问的地址范围超过4KB时，CPU将自动访问外部ROM。EA保持低电平，则访问外部ROM。对于8031，EA必须接地，只能访问外部ROM。第二功能为对8751的+25V编程电源输入。,10,图 MCS-51系列单片机内部结构简化框图,2.2 MCS-51系列单片机结构及组成,CPU,11,MCS51系列单片机由8大部分组成：一个8位CPU，包括运算器和控制器。128个字节（52子系列为256字节）的片内RAM。4KB（52子系列为8KB）的片内ROM

6、或EPROM（8031和8032无）18个（52子系列为21个）特殊功能寄存器SFR。4个8位并行I/O接口：P0口、P1口、P2口、P3口1个串行I/O接口 2个（52子系列为3个）16位定时器/计数器1个具有5个（52子系列为6个或7个）中断源，可编程为2个优先级的中断系统。它可以接收外部中断申请、定时器/计数器中断申请和串行口中断申请。,12,MCS-51单片机芯片内部结构框图,13,1.中央处理器CPU（8位）单片机内部的核心部件，完成运算和控制操作。包括运算器、控制器以及若干寄存器等部件组成。运算器以算术逻辑单元ALU为核心，加上累加器ACC、寄存器B、暂存器TMP1和TMP2、程序

7、状态寄存器PSW、十进制调整电路及专门用于位操作的布尔处理机组成的。功能：实现数据的算术逻辑运算，位变量处理和数据传送操作。,14,功能：完成8位二进制数的加（带进位加）、减（带借位减）、乘、除、加 1、减 1、BCD加法的十进制调整、比较等算术运算；对8位变量进行逻辑“与”、“或”、“异或”、求补、清零等逻辑运算；左、右移位和半字节（4 位）交换等操作；数据传送、程序转移。,ALU（算术逻辑单元）,15,累加器A是一个8位寄存器，它是CPU中使用最频繁的寄存器。累加器A的功能有：用于存放操作数，是ALU数据的一个来源。单片机中大部分单操作数指令的操作数都取自累加器A，许多双操作数指令中的一个

8、操作数也取自累加器A。累加器A是ALU运算结果的暂存单元，用于存放运算的中间结果。累加器A是数据传送的中转站，单片机中的大部分数据传送都通过累加器进行。在变址寻址方式中把累加器A作为变址寄存器使用。,ACC 或 A（累加器）,16,B寄存器是一个8位寄存器，主要用于乘除运算。乘法运算时，A中为被乘数，B中为乘数；乘法操作完成后，乘积的高8位存于B中，低8位存于A中。除法运算时，A中为被除数，B中为除数；除法操作完成后，余数存于B中，商存于A中。其他情况下，B寄存器也可以作为一般的数据寄存器使用，地址为F0H。,B寄存器,17,PSW（程序状态字）PSW是一个8位的标志寄存器，它保存指令执行结果

9、的特征信息，以供程序查询和判别。PSW格式及含义如下:,CY（PSW.7）进位标志位AC（PSW.6）辅助进位（或称半进位）标志 F0（PSW.5）由用户定义的标志位。复位时该位为“0”RS1和RS0（PSW.4 和 PSW.3）工作寄存器组选择位 OV（PSW.2）溢出标志位。由硬件置位或清零。PSW.1 未定义位 P（PSW.0）奇偶标志位（A中1的个数：偶0，奇1）,18,CY是PSW中最为常用的标志位，共有4项功能：在加法运算中存放进位标志，有进位时CY置1，无进位时CY清0；在减法运算中存放借位标志，有借位时CY置1，无借位时CY清0；在位操作中作累加位使用，在位传送和位运算中都要用

10、到CY；在带进位的移位操作中用于构成循环移位通路。【注意】对于加/减运算，无论参与运算的数是带符号数还是无符号数，都按无符号数的原则来设置进/借位标志位CY。,CY（PSW.7）进位标志位,19,在加减运算中，当低 4 位向高 4 位有进借位时，AC由硬件置位，否则AC被清0。在进行十进制数运算时需要十进制调整，此时要用到AC位的状态进行判断。,AC（PSW.6）半进位标志位,F0（PSW.5）用户标志位,由用户定义使用的标志位。用户可根据需要用软件方法置位或复位。,20,这两个选择位的状态由软件设置，被选中的工作寄存器组即为当前工作寄存器组。,RS1和RS0（PSW.4 和 PSW.3）工作

11、寄存器组选择位,P（PSW.0）奇偶标志位,表明累加器A中1的个数的奇偶性：若1的个数为偶数，则P=0；若1的个数为奇数，则P=1。在每个指令周期由硬件根据A的内容对P位进行置位或复位。,21,在加减运算中，如果OV=1，则表示运算结果超出了累加器A所能表示的符号数的有效范围（-128+127），运算结果是错误的，即产生了溢出；否则，OV=0，则表示运算结果正确，即未产生溢出。溢出的判断：OV=C6C7在乘法运算中，OV=1表示乘积超过255，即乘积分别在B（高8位）与A（低8位）中；否则，OV=0表示乘积只在A中。在除法运算中，OV=1表示除数为0，除法不能进行；否则，OV=0表示除数不为0

12、，除法可正常进行。【注意】对于加减运算，无论参与运算的数是带符号数还是无符号数，都按带符号数的原则来设置溢出标志位。,OV（PSW.2）溢出标志位,22,布尔处理机布尔处理（即位处理）是MCS-51单片机ALU所具有的一种功能。单片机指令系统中的布尔指令集（17条位操作指令）,存储器中的位地址空间（内部RAM中的128个位和特殊功能寄存器里的位地址空间），以及借用程序状态标志寄存器PSW中的进位标志CY作为位操作“累加器”，构成了单片机内的布尔处理机。可对直接寻址的位(bit)变量进行位处理，如置位、清零、取反、测试转移以及逻辑与、或等位操作，使用户在编程时可以利用指令完成原来单凭复杂的硬件逻

13、辑所完成的功能，并可方便地设置标志等。,23,控制器控制器是单片机的神经中枢，识别指令并根据指令性质控制单片机各部件，保证单片机各部分能自动而协调地工作。它包括程序计数器（PC）、数据指针寄存器（DPTR）、指令寄存器（IR）、指令译码器、条件转移逻辑电路以及定时和控制电路等部件。功能：控制指令的读出、译码和执行。对指令的执行过程定时控制，并根据执行结果决定是否分支转移。,24,PC（程序计数器）PC是专门用来控制指令执行顺序的寄存器，其内容为将要执行的下一条指令的地址，即下一条将要从ROM中取出的指令地址。PC是一个16位的寄存器，它在物理上是独立的，不在内部RAM之列，没有地址，是不可寻址

14、的。16位地址的寻址范围为64KB（ROM）。用户不需要也无法对PC进行读/写，PC的内容是通过执行指令改变的。在执行指令过程中，PC具有自动加 1 功能。在执行转移、调用、返回等指令时能自动改变PC内容，以改变程序的执行顺序。复位时，PC自动装入0000H，使程序从0000H单元开始执行。,25,DPTR（数据指针）16位特殊功能寄存器，也可作为两个8位寄存器，高8位用DPH表示，低8位用DPL表示。它是MCS-51中唯一一个供用户使用的16位寄存器。功能：在访问外部RAM时作地址指针使用。在变址寻址方式中，用作基址寄存器，用于对ROM的访问。,26,指令寄存器IR、指令译码器以及控制逻辑I

15、R是用来存放指令操作码的专用寄存器。整个程序的执行过程就是在控制器的控制下，将指令从ROM中逐条取出，进行译码，然后由定时控制逻辑电路发相应的定时控制信号，控制指令的执行，是一个取指令指令译码执行指令的不断循环的过程。,27,2.内部数据存储器（内部RAM）包括RAM（1288位）和RAM地址寄存器等。80C51芯片中共有256个RAM单元，但其中后128单元被特殊功能寄存器占用，供用户使用的只有前128单元，用于存放可读写的数据。故“内部RAM”指前128单元。3.内部程序存储器（内部ROM）包括ROM（4K8位）和程序地址寄存器等。80C51共有4KB掩膜ROM，用于存放程序和原始数据。4

16、.定时器/计数器出于控制应用的需要，80C51共有2个16位的定时器/计数器，以实现定时或计数的功能，并以其定时或计数结果对单片机进行控制。,28,5.并行I/O口MCS-51共有4个8位的I/O口(P0、P1、P2、P3)，以实现数据的并行输入输出。可寻址64KB外部RAM和64KB外部ROM。6.串行口MCS-51有一个可编程全双工的串行口，以实现单片机和其它数据设备之间的串行数据传送。该串行口既可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为同步移位器使用。7.中断控制系统MCS-51共有5个中断源，即外中断2个，定时/计数中断2个，串行中断1个。全部中断分为高级和低级两个优先级。,29,8.时

17、钟电路为单片机产生时钟脉冲序列，典型的晶振频率为12MHz。MCS-51芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为XTAL1，输出端为XTAL2。9.位处理器（布尔处理器）单片机主要用于控制，需要有较强的位处理功能，因此，位处理器是它的必要组成部分。10.总线系统的地址信号、数据信号和控制信号都是通过总线传送的。总线结构减少了单片机的连线和引脚提高了集成度和可靠性。,MCS-51单片机硬件结构,MCS-51系列单片机的分类,表 MCS-51 系列单片机配置一览表,MCS-51单片机的内部结构,图 MCS-51单片机结构框图,中央处理器CPU,运算器,算术逻辑单元ALU 2.累加器ACC（Acc

18、umulator）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 RS1、RS0与片内工作寄存器组的对应关系,控制器,1.时钟电路,图 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 单片机复位电路（a）上电复位电路；(b)开关复位电路,表 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

19、 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 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

20、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

21、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。,41,2.3 MCS-51单片机存储器组织结构,MCS-51单片机的存储器组织结构与一般微机不同：一般微机通常是程序和数据共用一个存储空间，属于Von Neumann结构（冯诺依曼型）MCS-51单片机把程序存储器空间和数据存储器相互分离开来，属于Harvard结构（哈佛型）,42,存储器,ALU）,算逻部件（ALU）,控制部件,中央处理器 CPU,输入/输出部件,输入/输出部件,算逻部件（ALU）,控制部件,中央处理器 CPU,程序存储器,数据存储器,单片机体系结构,冯诺依曼型,哈佛型,43,MCS-51的存储器组织分3个不同的存储

22、地址空间：64KB的程序存储器地址空间（包括片内ROM和片外ROM）64KB的外部数据存储器地址空间256B的内部数据存储器地址空间对这3个不同的存储器空间进行数据传送时，必须分别采用3种不同形式的指令。,44,MCS-51单片机存储器组织结构,内部 ROM4KBEA=1,外部 ROM4KBEA=0,内部 RAM128B,0FFFH0000H,0FFFH0000H,FFFFH1000H,外部 RAM64KB,特殊功能寄存器(21个SFR),外部 ROM60KB,FFH80H7FH00H,程序存储器地址空间,数据存储器地址空间,FFFFH0000H,（MOV 指令操作域）,（MOVX 指令操作域

23、）,（MOVC 指令操作域）,45,程序存储器（ROM）ROM用于存放程序及表格常数，读取ROM的指令为“MOVC”。8051（8751）片内驻留有4KB的ROM（EPROM），外部可用16位地址线扩展到最大64KB的ROM空间。片内ROM和外部扩展ROM是统一编址的。,46,程序存储器（ROM）当芯片引脚EA为高电平时，8051的程序计数器PC在0000H0FFFH（4KB）地址时从内部ROM取指令，超过4KB时，CPU自动转向外部ROM执行程序。如果EA为低电平（接地），则所有取指令操作均在外部ROM中进行，这时外部扩展的ROM从0000H开始编址。8031单片机无片内ROM，只能使用外部

24、扩展ROM且从0000H开始编址，EA必须接低电平。,47,ROM中的某些特定单元是给系统默认使用的0000H单元是复位入口，单片机复位后，CPU总是从0000H单元开始执行程序。0000H 0002H单元安排一条无条件转移指令，使之转向主程序的入口地址。0003H 002AH共40个单元均匀地分为5段，分别作为5个中断源的中断地址区。中断响应后，系统能按中断种类，自动转到各中断区的首地址去执行程序。,48,系统复位和中断地址区,一般从中断首地址开始存放一条无条件转移指令，以便中断响应后，通过中断地址区，再转到中断服务程序的实际入口地址。,49,数据存储器（RAM）RAM用于存放运算中间结果，

25、用作缓冲和数据暂存，以及设置特征标志等。8051片内有256B的RAM空间，片外有64KB的RAM空间，两个存储空间独立寻址。内部RAM低128字节地址空间（00H 7FH）为内部RAM区，是供用户使用的数据存储器单元，作为处理问题的数据缓冲器。高128字节地址空间（80H FFH）为特殊功能寄存器区（SFR区），共21个特殊功能寄存器，也就是128个字节单元中只有21个字节单元能够被用户使用。内部RAM存储空间小，仅用8位地址寻址，但存取速度比外部RAM快。,50,内部RAM低128单元的划分,工作寄存器组 0,位寻址区（位地址：00H7FH）,用户RAM区（堆栈、数据缓冲）,7FH30H2

26、FH20H,工作寄存器组 3,工作寄存器组 2,工作寄存器组 1,1FH18H17H10H0FH08H07H00H,R7R0R7R0R7R0R7R0,工作寄存器区（共32个字节单元，分为4组，每组8个8位寄存器，只能按字节寻址）,用户RAM区（共80个字节单元，只能按字节寻址）,位寻址区（共16个字节单元，128个位，可按位寻址，也可按字节寻址）,51,内部RAM低128单元，按用途可分为3个区域：工作寄存器区内部RAM的00H 1FH为工作寄存器区，共32个字节，分为4组，每组8个8位寄存器R0R7。在任一时刻，CPU只能使用其中的一组寄存器，当前程序使用的工作寄存器组是由程序状态字PSW的

27、RS0、RS1位来选择的。,52,工作寄存器的使用方法：以寄存器的形式使用，用寄存器符号表示；以存储单元的形式使用，以单元地址表示。,工作寄存器区各寄存器对应的地址,53,位寻址区内部RAM的20H2FH字节为可位寻址区域，这16个字节共128位，每一位都有一个位地址，位编址为：00H7FH，用户可用程序对它们直接进行清0、置位、取反和测试等操作。位寻址区的RAM单元也可按字节寻址，作为一般的数据缓冲器使用。“位”的两种表示方式：以位地址的形式，如位寻址区的最后一个位是7FH；以存储单元地址加位的形式表示，如位寻址区的最后一个位表示为2FH.7。,54,内部RAM位寻址区的位地址,55,用户R

28、AM区内部RAM的30H7FH字节为用户RAM区，即通用数据缓冲区，共80个单元，作为一般数据缓冲使用。52子系列的用户RAM区为30HFFH范围内的208个字节。对于用户RAM区，只能以存储单元的形式来使用，没有其它任何规定和限制。一般把堆栈开辟在此区中。,56,内部RAM高128单元：特殊功能寄存器（SFR）区单元地址为80HFFH，用于存放相应功能部件的控制命令、状态或数据。80C51片内包括21个SFR，其中可位寻址的有11个。对可位寻址的SFR，在表示某一位时，可以用位地址，也可以用位定义名，或用“寄存器名.位”表示。例如程序状态字PSW中的D3位可表示为：D3H（位地址）RS0（位

29、定义名）PSW.3（寄存器名.位）,57,特殊功能寄存器地址映像,58,特殊功能寄存器地址映像（续）,59,对SFR的字节寻址问题的说明：21个SFR不连续地分散在内部RAM高128单元中。用户不能使用剩余的的空闲单元，如果访问了这些没有定义的单元，读出的为不定数，写入的数将被舍弃。每个SFR都有字节地址，并定义了符号名。其中11个可位寻址，对应的位也定义了位名。（凡是字节地址能被8整除的SFR都具有位地址）只能使用直接寻址方式访问特殊功能寄存器，指令中既可使用寄存器符号表示，也可使用寄存器地址表示。在P3 P0口中，作为特殊功能寄存器的是它们的锁存器，由各位口线的锁存位组成。,60,MCS-

30、51的堆栈操作堆栈是一种数据结构，就是只允许在其一端进行数据插入和数据删除操作的线性表。数据写入堆栈叫入栈（PUSH），数据从堆栈中读出叫出栈（POP）。堆栈的最大特点是“后进先出”（LIFO，Last-In-First-Out）的数据操作规则。,61,堆栈的功用堆栈可用于响应中断或调用子程序时，保护断点和保护现场。在中断服务程序或子程序结束时，执行中断返回或子程序返回指令，原断点地址会自动从堆栈中弹出给PC，使程序从断点处顺序执行下去。堆栈也可用于数据的临时存放。,堆栈的开辟堆栈只能开辟在芯片的内部RAM中（内堆栈），通常设在内部RAM的30H7FH地址空间内的顶部，但要考虑到堆栈的最大深度

31、。内堆栈的特点：操作速度快，但堆栈容量有限,62,堆栈指针（SP）堆栈指针SP是8位的特殊功能寄存器，可指向片内RAM 128字节（00H7FH）的任何单元。堆栈的两种操作（进栈和出栈）都是对栈顶单元进行的。SP用来指示栈顶，SP的内容就是堆栈栈顶的存储单元地址。系统复位后，SP的内容为07H，但由于堆栈一般在内部RAM的30H7FH单元中开辟，所以在程序设计时应注意把SP值初始化为30H以后，以免堆栈占用工作寄存器区和位寻址区。SP的内容一经确定，堆栈的位置也就跟着确定下来，由于SP可初始化为不同值，因此堆栈位置是浮动的。,63,堆栈类型向上生长型堆栈：栈底在低地址单元。操作规则：进栈操作：

32、先SP加1，后写入数据出栈操作：先读出数据，后SP减1向下生长型堆栈：栈底在高地址单元。操作规则：进栈操作：先SP减1，后写入数据出栈操作：先读出数据，后SP加1,MCS-51的堆栈属于向上生长型,栈底,栈底,SPSP+1SP,进栈,出栈,出栈,进栈,SPSP SP-1,64,堆栈的使用方式自动方式（保护断点）无需用户干预，在调用子程序或中断时，返回地址（断点）自动进栈；程序返回时，断点再自动弹回PC。指令方式（保护现场）使用专用的堆栈操作指令，进行进出栈操作。进栈指令为PUSH（保护现场），出栈指令为POP（恢复现场）。,65,总结：MCS-51单片机系统的存储器结构特点数据存储器和程序存储

33、器截然分开RAM和ROM的地址空间、存取指令和控制信号各有一套。存储器有内外之分为扩展外部存储器，单片机的芯片引脚已经作了预先准备：通过口线最多可提供16位地址，对外部存储器的寻址范围达64KB；ALE信号用于外部存储器的地址锁存；WR和RD信号分别用于外部RAM的写选通和读选通；PSEN信号用于外部ROM的读选通；EA信号用于内外ROM的访问控制。,补充 51单片机存储器的结构,图 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 0000H0FFFH,共 4 KB;外部地址为 1000HFFFFH,共 60 KB。当程序计数器由内部 0F

34、FFH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）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（00

35、H7FH）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 寄存器与RAM 地址对照表,表 RAM中的位寻址区地址表,表 SFR特殊功能寄存器地址表,表 SFR特殊功能寄存器地址表,表 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,

36、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。,75,2.4 MCS-51单片机并行I/O口电路,在单片机中，“口”是一个集数据输入缓冲、输出驱动及锁存等多项功能于一体的I/O电路。MCS-51单片机4个8位的并行I/O口：P0、P1、P2、P3，这4个口既可以按字节寻址，也可以按位寻址，共32位。每个口输出具有锁存功能，前一次输出的信息将一直锁存到下一次输出新信息时为止；输入没有锁存功能，所以输入信息应一直保持到输入指令把信息取走时为止。每个口都能用作通用输入/输出，其中P0口又能

37、作为地址/数据总线，P2口能传送高8位地址；P3口有第二功能；P1口只能用作通用I/O口。,76,P0口字节地址：80H，位地址：80H87H既能用作通用I/O口，又能用作地址/数据总线的复用。,V1,V2,1,2,3,4,77,P0口由8个完全相同又相互独立的逻辑电路组成：锁存器用于进行数据位的锁存,8个锁存器构成了特殊功能寄存器P0；场效应管V1、V2组成数据输出的驱动和控制电路；与门3、反相器4及多路转接开关MUX构成输出控制电路；三态门1是引脚输入缓冲器;三态门2是用于读锁存器端口。,读引脚是指将引脚P0.x上的值通过内部总线读入CPU，而读锁存器是读入一个口锁存器的值，进行处理后重新

38、写回锁存器中（读-修改-写）。由指令决定是读引脚还是读锁存器，例如指令ANL P1,A 就是读锁存器，它是将P1口的8位分别与累加器A中的8位进行与操作，结果写回P1口的8个锁存器中。,78,P0口用作通用I/O口CPU发来的控制信号为低电平，MUX接通锁存器Q端的输出通路。与门3输出低电平并将输出驱动电路的上拉场效应管V2截止，输出端处于漏极开路状态。【注意】:P0口在输出数据时,由于V2截止,输出级是漏极开路电路,要使“1”信号正常输出,必须外接上拉电阻。P0口作为输入口使用时，应区分读引脚和读锁存器。读引脚时应使V1截止（先向该端口锁存器写入“1”）,79,P0口作为地址/数据总线CPU

39、发来的控制信号为高电平，MUX接通反相器4。作总线输出时，从“地址/数据”端输入的地址（低8位）或数据信号同时作用于与门3和反相器4，并分别驱动V1、V2，结果在引脚上得到地址或数据输出信号。外部数据输入时，CPU使V1、V2均截止，从引脚上输入的外部数据经读引脚缓冲器2进入内部数据总线。,【注意】：P0口在有外部扩展存储器时被作为地址/数据总线口，此时是一个真正的双向口；在没有外部扩展存储器时，P0口也可作为通用的I/O接口，但此时只是一个准双向口。,80,P1口字节地址：90H，位地址：90H97H只能作为通用I/O口使用，是准双向口。,1,2,V1,81,P1口电路与P0口的区别：因只传

40、送数据，所以没有地址/数据的传送电路和多路转接开关MUX。输出驱动电路中有上拉电阻，上拉电阻与场效应管共同组成输出驱动电路。输出数据时，已能对外提供推拉电路负载，外电路无需再接上拉电阻。输入数据时，应先向其锁存器写入“1”，使输出驱动电路的V1截止。,82,P2口字节地址：0A0H，位地址：0A0H0A7H可作为通用I/O口或地址总线高8位，是准双向口。,1,2,3,V1,83,P2口作为通用I/O口当控制信号为低电平时，多路开关MUX接到左端，P2口作为通用I/O口使用，其功能和使用方法与P0、P1相同。用作输入时，也必须先向锁存器写入“1”。P2口作为地址总线当控制信号为高电平时，多路开关

41、MUX接到右端，由程序计数器PC送来的高8位地址PCH或数据指针DPTR送来的高8位地址DPH经反相器3和V1管二次反相后从引脚输出。（P2口输出地址总线高8位，供系统扩展用）,对于8051、8751型单片机，P2口能作为通用I/O或地址总线使用。对于8031型单片机（无片内ROM），P2口只能作为地址总线高8位。,84,P3口字节地址：0B0H，位地址：0B0H0B7H可用作通用I/O口，同时每个引脚还有第二功能。准双向口,3,V1,4,1,2,85,P3口作为通用I/O口“第二功能输出”端为高电平，用作输出时，与非门3的输出取决于锁存器Q端信号，引脚输出信号与内部总线信号相同。其功能和使用

42、方法与P1、P2相同。用作输入时，也须先写入“1”。,P3口用作第二功能P3口的某一位作为第二功能输出使用时，该位的锁存器置“1”，使与非门3和输出状态只受“第二功能输出”端控制。第二功能输出信号经与非门3和V1管二次反相后输出到该位引脚。P3口的某一位作为第二功能输入使用时，该位的“第二功能输出”端和锁存器自行置“1”，该位引脚上的信号经缓冲器4送入“第二功能输入”端。,补充：51单片机并行输入/输出接口,图 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/

43、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 P3口的第二功能,89,时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号。单片机本身是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序协调工作。时序研究的是指令执行中各信号之间的相互时间关系。,2.5 MCS-51

44、单片机时钟电路与时序,90,时钟电路 时钟信号的产生（内部方式时钟）MCS-51芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。外接作为反馈元件的晶体后成为自激振荡器，晶体呈感性，与微调电容C1、C2构成并联谐振回路。,振荡器的频率主要取决于晶体，电容有微调作用。晶体的振荡频率范围通常是1.212MHz,电容C1、C2一般取30 pF。晶体振荡频率越高，系统的时钟频率越高，单片机运行速度越快。,91,引入外部脉冲信号（外部方式时钟）在由多片单片机组成的系统中，为了各单片机之间时钟信号的同步，应当引入唯一的公用外部脉冲信号作为各单片机的震荡脉冲。外接的脉冲应

45、是高低电平持续时间大于20ns的方波，且脉冲频率应低于12MHz。,92,分频电路,振荡电路产生的振荡信号并不直接为单片机所用，而要进行分频，以得到单片机各种相关的时钟信号。时钟频率为振荡频率的2分频，ALE信号频率为振荡频率的6分频，机器频率为振荡频率的12分频。,当振荡脉冲频率为12MHz时，一个机器周期为1ms；当振荡脉冲频率为6MHz时，一个机器周期为2ms。,93,时序定时单位振荡周期（节拍P）：振荡脉冲的周期。时钟周期（状态S）：两个振荡周期为一个时钟周期。一个状态包含两个节拍，前半周期对应的节拍叫P1，后半周期对应的节拍叫P2。机器周期：一个机器周期的宽度为6个状态，用S1、S2

46、、S6表示；共12个节拍，依次可表示为S1P1、S1P2、S2P1、S2P2、S6P1、S6P2。指令周期：执行一条指令所需要的时间，它以机器周期为单位，是最大的时序定时单位。MCS-51的指令周期根据指令的不同，可包含有1、2、4个机器周期。,94,典型指令时序MCS-51共有111条指令，按长度可分为：单字节指令、双字节指令、三字节指令。执行这些指令所需要的机器周期数目是不同的，概括起来有以下几种情况：单字节单机器周期指令、单字节双机器周期指令、双字节单机器周期指令、双字节双机器周期指令、三字节的指令都是双机器周期、单字节的乘、除指令为四个机器周期,ALE信号为MCS-51扩展系统的外部存

47、储器地址低8位的锁存信号，ALE信号每有效一次对应单片机进行1次的读指令操作。ALE信号以振荡脉冲的1/6频率出现，在一个机器周期中，ALE信号两次有效，第一次在S1P2和S2P1期间，第二次在S4P2和S5P1期间，有效宽度为1个状态。,补充 51单片机 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

48、: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 MCS-51 单片机取指/执行时序,3.访问外部ROM和RAM的时序,图 读外部程序ROM时序,图 读外部数据RAM时序,图 写外部数据RAM的时序,100,MCS-51单片机有5种不同的工作方式，每种工作方式都代表着单片机的一种工作状态。包括：程序执行方式（分为连续执行和单步执行）复位方式 掉电方式 低功耗节电工作方式 EPROM编程和校验方式,2.6 MCS-51单片机工作方式,101,程序执行方式

49、（单片机的基本工作方式）连续执行方式（正常工作方式）由于单片机复位后PC=0000H，因此程序执行总是从地址0000H开始，但因0003H是外部中断程序入口，所以一般程序并不是从0000H开始，为此需在0000H开始的单元中存放一条无条件转移指令，以便跳转到实际程序的入口去执行。单步执行方式 MCS-51单片机的外部中断INT0引脚上输入一个正脉冲可实现单步执行方式。,102,复位方式和复位电路复位是单片机的初始化操作，其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。复位后，单片机才能开始正常工作。RST引脚是复位信号的输入端，在单片机的RST端加上高电平（持续2个

50、机器周期以上），单片机即进入复位工作方式。复位不影响MCS-51单片机内部RAM的状态，只要RST输入端保持高电平，将循环复位。在复位有效期间，ALE和PSEN信号变为无效状态。RST返回低电平后，CPU从0000H地址开始执行程序。,103,复位后单片机有关寄存器的状态,104,说 明：(PC)=0000H 表示复位后程序的入口地址为0000H；(PSW)=00H，其中RS1(PSW.4)=0，RS0(PSW.3)=0，表示复位后单片机选择工作寄存器第0组；(SP)=07H 表示复位后堆栈在片内RAM的08H单元处建立；P0口 P3口锁存器为全1状态，说明复位后这些并行接口可以直接作输入口，