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1、第二章 MCS51系列单片机的基本结构,MCS51单片机的外部引脚及功能MCS51单片机的内部结构MCS51单片机的工作方式MCS51单片机的时钟电路MCS51单片机的工作时序,HOME,本章问题,1、P0口是如何实现地址/数据双总线复用的？作为I/0口使用时应注意什么？2、51系列单片机中，内部RAM可以起到什么作用？3、在51系列单片机中，外部芯片的地址是如何分配的，这样做有什么优点,NEXT,HOME,2.1 MCS51单片机的外部引脚及功能,8051的构成：8位CPU、128字节RAM存储器、21个专用寄存器（亦称特殊功能寄存器SFR）、4K掩膜ROM存储器、4个8位并行口、1个全双工
2、的串行口、2个16位的定时器/计数器、一个处理能力较强的中断系统（5个中断源）。,BACK,NEXT,HOME,2.1.1 主电源及时钟引脚,包括Vcc（40脚）、Vss（20脚）、XTAL1和XTAL2（18、19脚）。,1主电源引脚 VCC：接5V电源正端 VSS：接5V电源地端 一般VCC和VSS之间应接高频和低频滤波电容。,2外接晶体引脚XTAL1：芯片内部振荡电路（单级反相放大器）输入端XTAL2：芯片内部振荡电路（单级反相放大器）输出端,BACK,NEXT,HOME,3外部振荡器的接法,BACK,NEXT,HOME,2.1.2 逻辑控制及引脚,该部分的引脚主要有两大功能：确定单片机
3、的工作状态和对外部芯片进行操作。,RST/VPD（9脚，输入）：具有上电复位和掉电数据保护功能。复位功能：单片机接上工作电源后，该引脚上出现持续24个振荡周期（即两个机器周期）以上的高电平，单片机就可完成复位操作。,BACK,NEXT,HOME,上电复位电路,带手动复位的上电复位电路,掉电数据保护功能：掉电时内部RAM的备用电源输入端，但一般很少用。,BACK,NEXT,HOME,ALE/PROG（30脚，输入/出）：地址锁存允许/编程脉冲输入。地址锁存允许：以一个不变的频率（系统时钟 fosc/6)周期性输出正脉冲。当单片机使用外部存储器时，此信号可作为低八位地址的锁存信号。编程脉冲输入：对
4、于自带EPROM型的单片机,此脚用于写入程序时，编程脉冲的输入端。,PSEN（29脚，输出）：外部程序程序存储器的选通信号。当单片机使用外部程序存储器时，此脚在一个机器周期内产生两次负脉冲。注意，访问内部数据存储器时，此信号无效。,BACK,NEXT,HOME,EA/Vdd（31脚，输入）：程序存储器选择端 当此脚加入“1”电平时，单片机首先使用内部程序存储器；当EA加入“0”电平时，系统只使用外部程序存储器。但要特别注意：当在EA=1使用单片机内部的程序存储器时，如果程序计数器PC的值超过内部程序存储器地址，单片机将自动转向外部程序存储器开始的单元。对于自带EPROM型的单片机，此脚还用于在
5、写入程序时，外部编程电压的输入端。,2.1.3 并行输入/输出引脚,BACK,NEXT,HOME,以上介绍了MCS51系列单片机的8位逻辑控制引脚，除此之外，剩下的32位引脚组成了4个8位并行输入/出口，称为P0P3口。这4个并行口既可作为普通的输入/出口，又可以作为单片机与外围芯片进行信息交换的控制、信号端，下面将详细加以介绍：,P0端口(39-32脚，双向，P0.0P0.7)：输出能力最强的端口，可以带动8个TTL负载。驱动一个MOS负载时，应接一个10K左右的上拉电阻。如果系统使用外接存储器时，该口还作为地址（低八位）总线和数据总线，注意在这种情况下，P0口就不能作为通用的I/O端口使用
6、。,P1端口(1 8脚，双向，P1.0P1.7)：任何情况下都通用的I/O端口使用，负载能力为4个TTL负载。,P2端口(21 28脚，双向，P2.0P2.7)：除了做通用I/O端口外，当系统使用外接存储器时，该口还作为地址（高八位）总线，在这种情况下，P0口就不能作为通用的I/O端口使用。负载能力为4个TTL。,P3端口（10 17脚）：P3口除了做通用的I/O端口外，同时它还有第二功能），负载能力为4个TTL。,P3口第二功能表,BACK,NEXT,HOME,MCS-51单片机外型图（DIP封装）MCS-51单片机的逻辑符号图,BACK,NEXT,HOME,2.2 MCS51单片机的内部结
7、构,按照功能划分，单片机可分为微处理器（CPU）、存储器、I/O端口、定时/记数器和中断系统等5大部分。,BACK,NEXT,HOME,2.2.1 MCS-51单片机微处理器（CPU）,微处理器（CPU）是整个单片机的大脑，它决定了单片机的主要功能特性，主要由运算器、控制器和专用寄存器等组成。,运算器：以算术逻辑单元ALU为核心，含累加器ACC、位处理器、暂存器、程序状态字PSW、B寄存器等许多部件,算术逻辑单元（ALU）：能完成带进位位加法、不带进位位加法、带进位位减法、加1、减1、逻辑与、逻辑或、逻辑异或、循环移位以及数据传送、程序转移等操作。,累加器（ACC）：累加器ACC是最常用的专用
8、寄存器。进入ALU作算术操作和逻辑操作的操作数很多来自ACC，操作的结果也常送回ACC。,程序状态字寄存器（PSW）：程序状态字寄存器PSW是一个8位寄存器，它包含了许多程序状态信息，其各位的含义如图所示：,BACK,NEXT,HOME,进位标志Cy：加法（减法）时最高位D7有进（借）位，则Cy=1，否则Cy=0；位处理时，它起着“位累加器”的作用。辅助进位标志AC：加（减）法运算时，如果低半字节的最高位D3有进（借）位，则AC=1，否则AC=0；AC在作BCD码运算而进行二十进制调整时有用。用户标志FO：是用户定义的一个状态标志。可通过软件对它置位、清零；在编程时，也常测试其状态进行程序分支
9、。工作寄存器区选择位RS1、RS0：可借软件置位或清零，以选定4个工作寄存器区中的一个区投入工作。溢出标志OV：作有符号数加法、减法时由硬件置位或清除，以指示运算结果是否溢出。奇偶标志P:每执行一条指令，单片机都能根据A中1的个数的奇偶自动令P置位或清零：奇为1，偶为0。此标志对串行通信的数据传输非常有用，通过奇偶校验可检验数据传输的正确与否。,BACK,NEXT,HOME,BACK,NEXT,HOME,控制器：控制器是CPU的大脑中枢，它以定时控制逻辑为中心，还包括指令寄存器IR、译码器、数据指示器DPTR、程序计数器PC、堆栈指针SP、以及RAM地址寄存器、16位地址缓冲器等。,PC：16
10、位的地址指针，专门用来控制指令执行顺序的寄存器，其中的内容总是下一条要执行的指令的地址。复位时，PC=0000H使程序从0单元开始执行。通常单片机每取一个字节机器码，PC就自动加1，从而保证了指令的顺序执行。转移指令可强行改变PC的内容。,DPTR：它是由DPH、DPL两个8位专用寄存器组成的16位的地址指针，用于访问单片机外部数据存储器或扩展的I/O口。,SP：MCS-51单片机的堆栈建在内RAM区中，8位地址指针SP总是指向栈顶的位置。复位时，（SP）=07H，可以通过MOV指令对SP赋值。MCS-51单片机的堆栈是向上生成的：压栈时，使SP的内容增1后作压入操作；出栈时，先把栈顶的数据弹
11、出，然后使SP的内容减1。,指令寄存器IR用于存放从程序存储器中取出的指令码.,专用寄存器：主要是用于表示单片机当前运行状态的一组寄存器,包括程序计数器PC、累加器ACC、通用寄存器B、状态寄存器PSW、堆栈指针SP和数据指针DPTR.,BACK,NEXT,HOME,通用寄存器B：它是一个8位寄存器，是专门为乘法和除法设置的寄存器。,2.2.2 MCS-51单片机的存储器结构,BACK,NEXT,HOME,MCS-51单片机存贮器结构特点,程序存贮器和数据存贮器的地址空间严格分开，用不同的地址指针、寻址方式、控制信号将这两种存储空间分开。,存在4个物理上相互独立的存贮器空间：内、外程序存贮器，
12、内、外数据存贮器。,从逻辑上看，存在三个独立的空间：片内片外的程序存贮器在同一逻辑空间中，地址从0000HFFFFH，共有64K字节范围；片内、片外的数据存贮器各占一个逻辑空间，其中片内数据存贮器为00HFFH，而片外为0000HFFFFH。,BACK,NEXT,HOME,程序存贮器,程序存贮器用来存放程序，其地址指针PC是16位的寄存器，所以可寻址的空间有64K字节，但片内的容量比较有限，对于51系列的8051/8751片内只有4K字节ROM/EPROM，8031内部无程序存储器。,如果要让单片机执行片内ROM/EPROM中的程序（地址在00000FFFH之间），必须将单片机的EA引脚接高电
13、平，否则当PC1000H时，单片机只会到片外程序存储器中取指。,单片机到片外程序存储器中取指时，以PC的内容作为地址，以PSEN作为控制信号，读取相应单元的指令码，经数据总线传送到指令寄存器。,BACK,NEXT,HOME,注意：如果EA=1（使用片内的程序存储器时），程序从0000H开始执行。在这种情况下，如果程序计数器的指针PC值超过0FFFH（4K）时，单片机就要自动的转向片外的ROM存储器（尽管EA=1），且从片外ROM的1000H单元开始执行程序。但单片机是无法使用片外ROM的0000H-0FFFH这4K单元。,内部数据RAM,MCS-51单片机有128/256字节RAM存储器，地址
14、从007FH/FFH，可供CPU随机按字节读写操作，可作为数据缓冲区、堆栈区使用。,RAM空间分配示意图,BACK,NEXT,HOME,工作寄存器区：001FH共32个单元还作为工作寄存器区，划分为四个小区，每个小区有8个工作寄存器R0R7，某一时刻用户使用其中的一个小区，可以通过设置程序状态字PSW中的RS0和RS1 的状态确定使用哪一个小区。,BACK,NEXT,HOME,位地址区：202FH共16个字节，CPU可按字节访问，也可按位寻址，其位地址为007FH。,特殊功能寄存器SFR：MCS-51单片机有21/26个SFR，用来管理单片机内部各个功能部件。它们离散地分布在80HFFH地址范
15、围内。它们有些反映有关逻辑部件的工作状态，有些则是有关功能单元的控制命令字，这些SFR均可由单片机按字节地址访问，而其中一部分（凡是字节地址能被8整除）则可按位寻址。,数据缓冲区：307FH共80个RAM单元，用于存放用户数据或做堆栈操作使用,BACK,NEXT,HOME,外部数据存储器,在片内RAM不能满足需要时，就要外接RAM。P0、P2作为外部RAM的地址和数据总线。MCS-51对外部数据存储器的扩展能力为64KB。除了硬件电路外，系统主要是靠专门的指令来访问外部数据存储器。,注意：片内RAM和外接RAM在物理地址上是可以相同的，片内RAM的地址为8位，而片外RAM的地址为16位，二者的
16、区别是由于寻址方式的不同。,2.2.3 I/O端口,MCS-51单片机共有四个端口P0P3，都是具有输出锁存功能的双向端口，这些锁存器的位置都在SFR中，其地址分别为:80H、90H、A0H、B0H.出于系统的考虑,在硬件设计上对每一个端口都有不同的要求，所以每一个端口又具有不同的特点.,P0口：“通用数据I/O端口”和“地址、数据复用总线”端口。,在作为通用数据I/O端口时，具有较强的驱动能力(8个TTL负载)，三态输出，与负载连接时，需要外接一个上拉电阻。,作为“地址、数据复用总线”使用时，P0口首先输出外部存储器的低八位地址，然后再变为数据总线进行数据的输入或输出此时，P0口不能再作为通
17、用I/O口。,BACK,NEXT,HOME,BACK,NEXT,HOME,硬件组成：1，一个输出锁存器（D型触发器）；2，二个三态门（控制读引脚或读锁存器）；3，与门和MUX等元件组成的输出控制电路；4，一对场效应晶体管FET构成的输出电路。,BACK,NEXT,HOME,P1口：通用I/O端口。,负载能力为4个TTL输入。与P0口的区别在于内部具有上拉电阻，所以输出时不用外接上拉电阻。,BACK,NEXT,HOME,P2口：“通用数据I/O端口”和“高八位地址总线”端口,与P0口类似，P2口在作为通用数据I/O端口时，具有较强的驱动能力，与MOS负载连接时,需要外接一个上拉电阻。而当系统使用
18、外部存储器时，做高八位的地址总线，,注意：当单片机仅使用256KB以下的外部数据存储器时，P2口无用，这时仍可以当成通用I/O端口使用。而外部数据存储器的容量大于256KB时，P2口必须作为外存储器的高八位地址总线。,P3口：通用I/O端口、多用途端口,在多用途情况下，P3口分别作为串行口、外中断输入、外部计数输入和系统扩展时使用的WR和RD信号的端口。在这种情况下，锁存器Q端为“1”电平以保证与门是打开的。在通用I/O模式下，“替代输出功能”端为“1”电平，以保证与门打开。,BACK,NEXT,HOME,BACK,NEXT,HOME,替代输入功能,2.2.4 定时器/计数器,8051单片机内
19、部有2个可编程的16位定时器/计数器T0、T1。它是由6个专用寄存器构成的：其中TH0、TL0构成16位计数器T0，TH1、TL1构成16位计数器T1，而TMOD、TCON为两个定时器共用，用来选择工作方式和控制启停。,BACK,NEXT,HOME,2.2.5 中断系统,中断的概念：CPU中止正在运行的程序，转向为外部设备服务的过程称为中断。当完成中断后，CPU再回到原来的“断点”继续原来的程序。中断源是由内部或外部产生，具有随机性、不可知性。,MCS-51单片机有5个中断源，2个中断优先级，它的中断处理程序可实现两级嵌套，有较强的中断处理能力。单片机对中断系统的管理是通过相关的专用寄存器来实
20、现的。,BACK,NEXT,HOME,中断优先级别从高到低的顺序是：INT0T0INT1T1ES,BACK,NEXT,HOME,2.2.6 布尔（位）处理器,布尔处理器是单片机CPU中运算器的一个重要组成部分。它有相应的指令系统，可提供17条位操作指令，硬件有自己的“累加器”（进位位C）和自己的位寻址RAM和I/O空间，所以是一个独立的位处理机，8051系列单片机把8位计算机和布尔处理器的硬件资源复合在一起给实际应用带来了极大方便,这是51系列单片机的突出优点之一。,BACK,NEXT,HOME,2.3 MCS51单片机的工作方式,BACK,NEXT,HOME,MCS-51系列单片机共有四种工
21、作方式,即复位方式、程序执行方式、省电方式和EPROM的编程校验方式,2.3.1 复位方式,当电源接通或时钟电路工作后，RST/VPD引脚(9脚)上出现高电平时，单片机进入复位工作方式。高电平持续24个振荡周期（即两个机器周期）以上，并转为低电平后，单片机就完成复位操作。完成复位后，RAM内容不确定，程序计数器和特殊功能寄存器则被设置成固定状态。,BACK,NEXT,HOME,MCS-51复位后特殊功能寄存器状态,BACK,NEXT,HOME,复位电路:,BACK,NEXT,HOME,2.3.2 程序执行方式,是指单片机处于正常工作状态，按照用户程序执行工作任务。,2.3.3 省电方式,MCS
22、-51系列单片机有两种省电方式：空闲模式和掉电模式。它们比正常运行方式的功耗大大降低，低功耗方式是由电源控制寄存器PCON控制的。PCON格式如下：,BACK,NEXT,HOME,空闲模式的进入：用指令使PCON中的IDL位置1，单片机便进入空闲模式，CPU停止工作，其它部分正常运行，振荡器向中断系统串行口、定时器提供时钟；片内RAM和所有特殊功能寄存器内容维持不变。空闲模式的退出：退出空闲模式有中断和硬件复位两种方法。任何已开放的中断提出中断请求，都会引起硬件对IDL位清“0”，从而结束空闲模式。硬件复位也将结束空闲模式。,1、空闲模式,2、掉电模式,掉电方式的进入：PCON中的DD位置“1
23、”，单片机进入掉电方式，此时单片机的一切工作停止，只有内部RAM的内容被保存。掉电方式的退出：唯一的方法是复位。,2.3.4 EPROM的编程和校验方式,BACK,NEXT,HOME,MCS-51内部有一个用于构成震荡器的高增益反相放大器.在单片机引脚的XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入和输出端.与作为反馈元件的晶体或陶瓷谐振器一起构成了一个自激震荡器,如果使用外部震荡器信号,其外来的信号加在XTAL1的引脚上,2.4 MCS51单片机的时钟电路,BACK,NEXT,HOME,单片机的工作时序就是指单片机在执行用户程序时CPU产生控制信号的时间顺序，分为片内和片外两类。,2.5.1 机
24、器周期和指令周期,时钟周期T：时序中最小的时间单位.其值由外接晶体或外输入时钟来决定，其值为石英振荡器频率的倒数。,机器周期：完成特定功能所需要的时间,在MCS-51单片机中机器周期由12个时钟周期构成,并分为6个状态(S1-S6),每个状态又分为P1和P2两拍.这样一个机器周期的12个震荡周期可以表示为:S1P1,S1P2 S6P1,S6P2 将12个震荡周期用6个状态和2拍来替代。,2.5 MCS51单片机的工作时序,指令周期：这是时序图中最大的时间单位,既执行一条指令所需要的时间.在MCS-51系统中,不同的指令它所包含的机器周期数不同.它们分别是:1,单机器周期指令;2,双机器周期指令
25、;3,四机器周期指令,BACK,NEXT,HOME,我们知道，一个机器周期包含了12个震荡周期.如果我们使用一个12M的晶体震荡器,那么:一个机器周期为1us，两个机器周期为2us，四个机器周期为4us.可见一条指令的运算速度与它所包含的机器周期数有关.机器周期数越少,执行的速度就越快.在MCS-51单片机的指令系统中,除了乘、除法指令为四个机器周期外,其余都是单周期和双周期指令。,指令的字节数与指令周期之间的关系：在MCS-51单片机的指令系统中有：单字节指令；双字节指令；三字节指令。,2.5.2 MCS-51单片机指令的取指/执行时序,BACK,NEXT,HOME,在MCS-51的111条
26、指令中,可以分为六种基本的时序:1,单字节单周期指令;4,双字节单周期指令;2,单字节双周期指令;5,双字节双周期指令;3,单字节四周期指令;6,三字节双周期指令.,1.单字节单周期指令的时序:,指令特点：在程序存储器ROM中仅占一个存储单元。,在ALE第一次有效(S2P1)时,从ROM中读取指令的操作码,送入指令寄存器IR中.并译码执行,在ALE第二次有效时,封锁PC加一,使第二次读数无效.可见:1,ALE信号对应着从ROM中读指令，所以在一个机器周期中CPU可以读两次指令;2,对于单字节单周期的指令，CPU通过译码后封死PC，因而实际上指令的后半部不做任何工作.,2.双字节单周期指令的时序
27、:,BACK,NEXT,HOME,指令特点：一条指令长度为两个字节，并存储在ROM相邻的两个单元中。要想完整的将这样的指令执行完，必须从ROM中读两次操作码。,在ALE第一次有效时，CPU从ROM的n单元中取出指令的第一个字节OP1-1，并送入IR译码，通过译码CPU知道这是一条双字节指令，所以使PC加一，并在ALE第二次有效时,从ROM的n+1单元取出指令的第二个字节OP1-2送入IR进行译码，并产生对应的操作，最后在S6P2时完成本条指令的运行。,BACK,NEXT,HOME,3.单字节双周期指令的时序:,指令特点：单字节,需要两个机器周期运行,在指令周期的第一个ALE时,将ROM中的操作
28、码OP取出，经IR译码后得知为单字节双周期指令,所以一面执行该指令，同时封锁后面三次ALE有效时的PC+1，在第二个机器周期的S6P2时,完成操作。,BACK,NEXT,HOME,2.5.3 访问外部程序存储器ROM的时序,设:单片机使用片外ROM,且要执行的是一条:movc a,a+dptr指令.（设a+dptr=2000H）,1,在S2P1时刻,P2口输出外部ROM的高八位地址A15-A8，P0口输出低八位地址A7-A0，这时地址是由程序计数器PC提供的ROM中的指令地址;2,在ALE的下降沿,P0口的数据(低八位地址)被锁存到74LS373中；,3,在S3P2到S4P1期间,/Psen变
29、低电平时，外部程序ROM被选中，数据输出端的三态门被打开，被选中单元中的指令movc送到P0口上，且在S4P2时指令经P0口送至CPU的IR中；4,CPU对指令译码后,在S4P2时进行常数地址计算并由P0、P2口输出；5,在S5P2时，ALE将常数地址的低八位锁存；6,在S6P1时，外部ROM被再次选中打开，按照单片机所提供的16位常数地址，将外部ROM中的常数经P0口在S6P2时刻送入累加器A。,BACK,NEXT,HOME,2.5.4 读外部数据存储器RAM的指令时序,BACK,NEXT,HOME,设外部RAM2000H单元中有一个数x，且DPTR中已存有该数地址2000H，则CPU执行外
30、部RAM读取指令：MOVX A,DPTR；将外部RAM中的x送A。,1,在S2P2时，ALE的第一个下降沿将P0口输出的外程序ROM的低八位地址锁存到74LS373锁存器中；2,在S3P2的/Psen为低电平时,选中外ROM,并根据单片机P0、P2口输出的16位地址选中movx指令(单字节)，通过P0口送至单片机内部IR中译码，经译码后产生下列的一系列操作；3,CPU将DPTR中的高8位(20H)送P2口输出，低八位(00H)经P0口输出，节在S5P1时ALE第二次下降沿时,将P0口的低八位地址锁存；4,在第二个机器周期的S1-S3中单片机输出/RD信号（低电平），选中外部RAM，并根据单片机
31、提供的2000H 这16位地址中取出数据x；5,CPU在S2-S3期间，将外部RAM2000H单元送到P0口上的数据送入累加器A中。,BACK,NEXT,HOME,上述过程可以分成两个指行的阶段：1,根据PC所指定的程序存储器的地址,将movx指令从片外ROM中取出;2,经译码后将DPTR提供的外数据存储器RAM中的数据地址取出数据,经P0口送累加器A.在第一阶段CPU产生/Psen信号用来选通外部程序存储器ROM；在第二阶段CPU输出/RD信号(低电平),用来选通并读取外部数据存储器RAM的数据.,2.6 思考与练习,一、MCS-51单片机EA引脚的作用是什么？在下列情况下，EA引脚应接何种
32、电平？（1）只有片内ROM（2）只有片外ROM（3）有片内ROM，也有片外ROM（4）有片内ROM/EPROM，但不用或不能用了,答案,二、说明MCS-51单片机复位条件、复位状态，画出常用的复位电路,答案,三、简述MCS-51单片机的并行口P0P3的基本结构和功能。,答案,BACK,NEXT,HOME,本章总结,本章主要从MCS-51单片机的物理组成入手，着重介绍了单片机的引脚及功能、内部结构及基本的工作方式，重点是单片机的启动和工作方式。,作业：P36 6；10。,BACK,HOME,返回,提示：RST/VPD引脚的外接电平应保持的时间。,解：只要在RST/VPD管脚加上的高电平，单片机就
33、进入复位工作方式。当高电平持续24个振荡周期（即两个机器周期）以上单片机完成复位操作，但仍处于复位工作方式。这时内存RAM处于不确定状态，程序计数器和特殊功能寄存器则被设置成固定状态。RST/VPD管脚上的电平由高变低后，单片机才完成整个复位过程，进入正常工作状态。常见的复位电路有三种：即上电复位电路；带手动的上电复位电路；看门狗复位电路。,返回,提示：应从并行口的基本功能和第二功能入手。,解：P0口：基本功能为并行I/O口，负载能力强，可同时带8个TTL负载，但需接上拉电阻；第二功能是作为地址/数据复用总线的低8位使用，注意两个功能不能同时使用。P1口：只有基本功能，即并行I/O口，可同时带4个TTL负载，无需接上拉电阻。P2口：基本功能为并行I/O口，可同时带4个TTL负载，无需接上拉电阻；第二功能是作为地址总线的高8位。P3口：基本功能为并行I/O口，可同时带4个TTL负载，无需接上拉电阻；第二功能是作为串行口、外中断输入、外部计数输入和系统扩展时使用的WR和RD信号的端口。,返回,
