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1、第一章 MCS-51 单片机结构,华中科技大学 生命科学与技术学院 生物医学影像中心 张智,2023/11/8,1,概述第一节 MCS-51单片机内部结构第二节 存储器第三节 特殊功能寄存器第四节 时钟电路与复位电路第五节 引脚功能,生物医学影像中心,2023/11/8,2,MC651系列单片机有多种型号的产品，如普通型(51子系列)8051、8031、875l、89C51、89S51等，增强型(52子系列)8032、8052、8752、89S52等。它们的结构基本相同，其主要差别反映在存储器的配置上。8031片内没有程序存储器，8051内部设有4KB的掩模删程序存储器，8751是将8051片
2、内的ROM换成EPROM，89C51则换成4KB的闪速EEPROM，MCS-51增强型的存储容量为普通型的一倍。,生物医学影像中心,2023/11/8,3,1个8位CPU；一个片内振荡器及时钟电路；4KB ROM程序存储器；128B RAM数据存储器；两个16位定时器4数器;寻址64KB外部数据存储器和64KB外部程序存储空间的控制电路;32条可编程的IO线(4个8位并行IO端口);一个可编程全双工串行口;5个中断源、两个优先级嵌套中断结构。,生物医学影像中心,1.1 MCS-51单片机内部结构,2023/11/8,4,1.1.1 概述,生物医学影像中心,51单片机内部结构,2023/11/8
3、,5,生物医学影像中心,2023/11/8,6,主要包括：CPU存储器I/O口定时器/计数器串行口内部总线,MCS-51内部结构,一.运算器进行算术运算：加、减、乘、除、加1、减1、比较BCD码十进制调整等逻辑运算：与、或、异或、求反、循环等逻辑操作位操作：内部有布尔处理器，它以进位标志位C为位累加器，用来处理位操作。可对位置“1”、对位清零、位判断等。操作结果的状态信息送至状态寄存PSW。,生物医学影像中心,1.1.2 CPU,2023/11/8,7,运算器：包括算术逻辑运算部件ALU、累加器A、B寄存器、暂存器TMP1和TMP2、程序状态字PSW、BCD码调整电路。,生物医学影像中心,20
4、23/11/8,8,生物医学影像中心,程序状态字PSW（字节地址：D0H）,2023/11/8,9,1)四个状态标志位 C：进位标志位(1:有进位或借位)AC：半进位标志位(BCD码加减结果校正)P：奇偶标志位(1:奇数个1;0:偶数个1)OV：溢出标志位(符号运算,溢出为1,同号加或异号减可能发生,OV=D7C异或D6C),2)其他标志位 F0、F1标志位：用户标志位 RS1、RS0：工作寄存器组指针,二.控制器程序计数器PC堆栈指针SP数据指针DPTR指令寄存器指令译码器和CPU定时控制,生物医学影像中心,2023/11/8,10,程序地址指示器,由CPU控制，正常情况下不能由程序随意更改
5、。是16位专用寄存器，其内容表示下一条要执行的指令的16位地址。CPU总是把PC的内容送往地址总线，作为选择存储单元的地址，以便从指定的存储单元中取出指令、译码和执行。系统复位后，PC=0000H。PC具有自动加1的功能。,生物医学影像中心,程序计数器PC,2023/11/8,11,堆栈：内存RAM中开辟的一个特定的存储区，专门用来暂时存放数据或存放地址，可由程序设置，一般在程序初始化时设置一次。设置范围为（07H7FH）。栈底：初始设置栈底、栈顶重合。栈顶：对堆栈的操作总在栈顶进行。“后进先出”原则：进栈时，SP先自动加1，然后数据入栈；出栈时，数据先出，然后SP自动减1。堆栈指针SP(81
6、H)：8位专用寄存器，用来存放栈顶地址。系统复位后，SP=07H。,生物医学影像中心,堆栈指针SP,2023/11/8,12,数据指针DPTR：是一个16位地址寄存器，专门用来存放16位地址指针，作间接寄存器使用。DPTR可分为DPH(83H)和DPL(82H)两个独立寄存器。DPTR可指向64K字节范围内的任一存储单元（读程序存储器和读写数据存储器）。,生物医学影像中心,数据指针DPTR,2023/11/8,13,指令寄存器（IR）：存放取指后的指令代码指令译码器（ID）：指令经译码器译码后由定时与控制电路发出相应的控制信号，完成指令功能。,生物医学影像中心,指令寄存器、指令译码器和CPU定
7、时控制,2023/11/8,14,M051的存储器结构与常见的微型计算机的配置方法不同，它将程序存储器和数据存储器分开，各有自己的寻址方式、控制信号和功能。程序存储器用来存放程序和始终要保留的常数。数据存储器通常用来存放程序运行中所需要的常数或变量。从物理地址空间看，MC551有四个存储器地址空间，即片内程序存储器、片外程序存储器、片内数据存储器和片外数据存储器。从逻辑地址空间看，它有三个存储器地址空间即片内、外统一编址的程序存储器，片内数据存储器和片外数据存储器。,生物医学影像中心,1.2 存储器,2023/11/8,15,生物医学影像中心,存储器结构,2023/11/8,16,程序存储器：
8、用来存放程序和始终要保留的常数；数据存储器：存放程序运行中所需要的常数和变量；程序存储器和数据存储器是分开的,各有自己的寻址方式和控制信号。,生物医学影像中心,分类：,2023/11/8,17,生物医学影像中心,MCS-51单片机的存储器逻辑结构,2023/11/8,18,程序存储器用来存放编制好的始终保留的固定程序和表格、常数。程序存储器以程序计数器PC作为地址指针，通过16位地址总线，可寻址的地址空间为64KB。,生物医学影像中心,1.2.1 程序存储器,2023/11/8,19,51单片机复位后程序计数器PC的内容为0000H，因此系统从0000H单元开始取值，并执行程序，它是系统执行程
9、序的起始地址。当系统中有中断程序时，通常在该单元中存放一条跳转指令绕过中断服务程序入口地址，用户程序从跳转地址开始存放。,生物医学影像中心,2023/11/8,20,地址 用途 0000H 复位操作后的程序入口 0003H 外部中断0服务程序入口(INT0)000BH 定时/计数器0中断服务程序入口(TO)0013H 外部中断1服务程序入口(INT1)001BH 定时/计数器1中断服务程序入口(T1)0023H 串行I/O口中断服务程序入口 002BH 定时/计数器2中断服务程序入口,生物医学影像中心,中断程序入口地址：,2023/11/8,21,851单片机具有扩展64KB外部数据存储器RA
10、M和IO端口的能力,外部数据存储器和外部I/O口实行统一编址，并使用相同的选通控制信号、使用相同的指令MOVX访问，均使用相同的寄存器间接寻址。,生物医学影像中心,1.2.2 外部数据存储器,2023/11/8,22,内部数据存储器是使用最多的地址空间，所有的操作指令(算术运算、逻辑运算、位操作等)的操作数只能在此地址空间或特殊功能寄存器地址空间。,生物医学影像中心,1.2.3内部数据存储器,2023/11/8,23,特殊功能 寄存器 SFR,内部 RAM,851（基本型）,.FFH,80H,.7FH,00H,.,.FFH,.7FH,80H,.,00H,内部 RAM,内部 RAM,特殊功能 寄
11、存器 SFR,.FFH,80H,.,地址重合,852（增强型）,生物医学影像中心,2023/11/8,24,生物医学影像中心,2023/11/8,25,寄存器的选组由程序状态字PSW的RS1和RS0位决定：,生物医学影像中心,2023/11/8,26,内部RAM,51单片机共有21个字节的特殊功能奇存器SFR，起着专用寄存器的作用，用来设置片内电路的运行方式，记录电路的运行状态，并表明有关标志等。21个特殊功能寄存器不连续地分布在128个字节的SFR存储空间中，地址空间为80H-FFH。如下表：,生物医学影像中心,1.3 特殊功能寄存器,2023/11/8,27,生物医学影像中心,2023/1
12、1/8,28,A累加器，A=0则Z=1；A 0，则Z=0。B寄存器。PSW程序状态字。CY：加法为进位、减法为借位。有进、借位时，CY1；无进、借位时，CY0。AC：辅助进、借位(高半字节与低半字节间的进、借位)。有进、借位，AC1；无进、借位，AC0。,生物医学影像中心,主要特殊功能寄存器的名称和主要功能,2023/11/8,29,F0：用户标志位。可由用户没定其含义。RS1、RS0：工作寄存器组选择位。OV：溢出标志位。补码运算的运算结果有溢出0V=1，无溢出0V=0。：无效位。P：奇/偶标志位。运算结果有奇数个“1”，P=1；运算结果有偶数个“1”，P=0。,生物医学影像中心,2023/
13、11/8,30,SP-堆栈指针，851单片机的堆栈设在片内RAM中，对堆栈的操作包括压入(PUSH)和弹出POP)两种方式，并且遵循后进先出原则，但在堆栈生成的方式上，8XX51单片机的堆栈操作遵循先加后压，先弹后减的顺序，按字节进行操作。DPTR-16位寄存器，可分成DPL(低8位)和DPH(高8位)两个寄存器。用来存放16位地址值，以便用间接寻址或变址寻址的方式对片外数据RAM或程序存储器进行64KB范围内的数据操作。,生物医学影像中心,2023/11/8,31,P0-P3-IO端口寄存器，是4个并行IO端口映射入SFR中的寄存器。通过对该寄存器的读/写，可实现从相应IO端口的输入/输出。
14、例如MOV Pl，A；实现A累加器中的内容从P1端口输出的操作MOV A，P3；实现P3端口线上的信息输入到A中的操作。,生物医学影像中心,2023/11/8,32,生物医学影像中心,2023/11/8,33,IP中断优先级控制寄存器。IE中断允许控制寄存器。TMOD定时/计数器方式控制寄存器。TCON定时/计数器控制寄存器。TH0，TL0定时/计数器0。TH1，TL1定时/计数器0。SCON串行端口控制寄存器。SBUF串行数据缓冲器。PCON电源控制寄存器。,内部振荡方式和外部振荡方式。,生物医学影像中心,1.4 时钟电路与复位电路,2023/11/8,34,1.4.1 时钟电路,振荡周期状
15、态周期机器周期指令周期,生物医学影像中心,1.4.2 单片机的时序单位,2023/11/8,35,单片机外接晶振频率12MHz时的各种时序单位的大小,复位引脚RST出现5ms以上的高电平时单片机就完成了复位操作。如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态，而无法执行程序。复位操作：上电复位、开关复位。,生物医学影像中心,1.4.3 复位电路,2023/11/8,36,生物医学影像中心,2023/11/8,37,上电后，由于电容充电，使RST持续一段高电平时间。当单片机已在运行之中时，按下复位键也能使RST持续一段时间的高电平。,生物医学影像中心,2023/11/8,38,生物医学影像中心
16、,2023/11/8,39,生物医学影像中心,1.5 引脚功能,2023/11/8,40,单片机的引脚,电源引脚 VCC VSS 2时钟引脚 XTAL1 XTAL2 2数据线引脚 P0地址线引脚 P0低8位 P2高8位控制线引脚 RST ALE PSEN EA 4 RD WR(P3.6 3.7)并行口引脚 P0 P1 P2 P3(各8个引脚)32串行口引脚 TXD RXD(P3.0 P3.1)外部中断 INT0 INT1(P3.2 P3.3)定时器外部输入 T0 T1(P3.4 P3.5)(弄清每个引脚的主要作用)引脚共40个,生物医学影像中心,引脚功能：,2023/11/8,41,谢谢！,生物医学影像中心,2023/11/8,42,
