微機(jī)原理及應(yīng)用 02 引腳及內(nèi)部組成 2015

1、第 二 講 MCS-51單片機(jī)的引腳和內(nèi)部結(jié)構(gòu)(教材2.12.3節(jié))1微機(jī)原理及應(yīng)用Principle and Applications of Micro-Computers教學(xué)目的: 了解MCS-51單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)要求: 掌握MCS-51單片機(jī)的各引腳功能, 內(nèi)部結(jié)構(gòu)和主要功能單 元的作用難點(diǎn): 主要功能單元的作用外觀外觀MCS-51單片機(jī)的封裝單片機(jī)的封裝MCS-51單片機(jī)的引腳功能單片機(jī)的引腳功能內(nèi)部?jī)?nèi)部MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)MCS-51單片機(jī)內(nèi)部功能部件的作用單片機(jī)內(nèi)部功能部件的作用MCS-51單片機(jī)單片機(jī)I/O端口的結(jié)構(gòu)和操作方法端口的結(jié)構(gòu)和操作方法內(nèi)容202

2、1-10-243MCS-51 單片機(jī)主要功能特點(diǎn)單片機(jī)主要功能特點(diǎn)8 位的 CPU， 片內(nèi)有振蕩器和時(shí)鐘電路,工作頻率為 112MHz（Atmel 89Cxx為024MHz）片內(nèi)有 128/256字節(jié) RAM片內(nèi)有 0K/4K/8K字節(jié) 程序存儲(chǔ)器ROM可尋址片外 64K字節(jié) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM可尋址片外 64K字節(jié) 程序存儲(chǔ)器ROM片內(nèi) 21/26個(gè) 特殊功能寄存器（SFR）4個(gè)8位 的并行I/O口（PIO）1個(gè) 全雙工串行口（SIO/UART）2/3個(gè)16位 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（TIMER/COUNTER）可處理 5/6個(gè)中斷源，兩級(jí)中斷優(yōu)先級(jí)內(nèi)置1個(gè)布爾處理器和1個(gè)布爾累加器（Cy）MCS-5

3、1指令集含 111條指令2021-10-244MCS-51 系列單片機(jī)配置一覽表系列片內(nèi)存儲(chǔ)器（字節(jié)）定時(shí)器計(jì)數(shù)器并行I/OI/O串行I/OI/O中斷源片內(nèi)ROMROM片內(nèi)RAMRAM無有ROMROM有EPROMEPROMIntelIntelMCS-51MCS-51子系列8031803180C3180C318051805180C5180C51(4K(4K字節(jié)) )8751875187C5187C51(4K(4K字節(jié)) )128128字節(jié)2x162x164x84x8位1 15 5IntelIntelMCS-52MCS-52子系列8032803280C3280C328052805280C5280C

4、52(8K(8K字節(jié)) )8752875287C5287C52(8K(8K字節(jié)) )256256字節(jié)3x163x164x84x8位1 16 6ATEMLATEML89C89C系列( (常用型) )10511051(1K)(1K)/ / 20512051(2K)(2K)/ / 40514051(4K)(4K)（2020條引腳DIPDIP封裝）1281282 215151 15 589C5189C51(4K)(4K)/ / 89C5289C52(8K)(8K)（4040條引腳DIPDIP封裝）128128/256/2562/32/332321 15/65/62021-10-245MCS-51單片機(jī)

5、的封裝(常見的形式)DIP40(40-pins Dual In-line Package, 腳距2.54mm)PLCC44 (44-lead Plastic Leaded Chip Carrier, 腳距1.27mm)PQFP44 (Plastic Quad Flat Package 腳距0.8mm)1標(biāo)記標(biāo)記202140DIP40實(shí)物和引腳排列實(shí)物和引腳排列1標(biāo)記標(biāo)記71718282939PLCC44實(shí)物和引腳排列實(shí)物和引腳排列1標(biāo)記標(biāo)記111222233334PQFP44實(shí)物和引腳排列實(shí)物和引腳排列2021-10-246DIP40封裝規(guī)格腳距腳距(見教材refs.9, p.25)2021-

6、10-247PLCC44封裝的規(guī)格腳距腳距(見教材refs.9, p.25)2021-10-248PQFP44封裝的規(guī)格腳距腳距(見教材refs.9, p.26)2021-10-249MCS-51單片機(jī)引腳及名稱 三種封裝形式的引腳布局不同三種封裝形式的引腳布局不同, 但對(duì)應(yīng)功能完全相同但對(duì)應(yīng)功能完全相同!123 P1.0 P1.1P1.2P0.0 (AD0)4039Vcc4P1.35P1.46P1.57P1.68P1.79RST1011(RXD) P3.0(TXD) P3.11213(INT0) P3.2(INT1) P3.31415(T0) P3.4(T1) P3.51617(WR) P3

7、.6(RD) P3.71819XTAL2XTAL120GNDP0.1 (AD1)38P0.2 (AD2)37P0.3 (AD3)36P0.4 (AD4)35P0.5 (AD5)34P0.6 (AD6)33P0.7 (AD7)32P2.7 (A15)28P2.6 (A14)27P2.5 (A13)26P2.4 (A12)25P2.3 (A11)24P2.2 (A10)23P2.1 (A9)22P2.0 (A8)21EA/Vpp31ALE/PROG30PSEN29PDIP40Port 0Port 2Port 3Port 1電源引腳 (2個(gè))Vcc (電源正極電源正極)GND/Vss (電源地電源地

8、)可編程I/O引腳 (32個(gè)) P0(P0.07), P1(P1.07), P2(P2.07), P3(P3.07)控制和時(shí)鐘引腳 (6個(gè))時(shí)鐘引腳時(shí)鐘引腳: XTAL1(輸輸入入), XTAL2控制引腳控制引腳: RST, EA/VP, ALE/PROG, PSEN2021-10-2410四個(gè)控制引腳的功能描述RST 高電平有效高電平有效; 有效寬度大于有效寬度大于2個(gè)機(jī)器周期個(gè)機(jī)器周期 決定決定MCS-51單片機(jī)處于兩個(gè)狀態(tài)單片機(jī)處于兩個(gè)狀態(tài): 復(fù)位復(fù)位狀態(tài)和運(yùn)行狀態(tài)狀態(tài)和運(yùn)行狀態(tài)EA/VP (VP僅在寫入/編程片內(nèi)ROM時(shí)有用) 當(dāng)當(dāng)MCS-51單片機(jī)位于復(fù)位狀態(tài)時(shí)單片機(jī)位于復(fù)位狀態(tài)時(shí),

9、 EA的的電平?jīng)Q定進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)時(shí)從電平?jīng)Q定進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)時(shí)從片內(nèi)片內(nèi)的的0000H (EA=“1”)或或片外片外擴(kuò)展的擴(kuò)展的0000H (EA=“0”) 開始開始執(zhí)行程序執(zhí)行程序ALE/PROG (PROG僅在寫入/編程片內(nèi)ROM時(shí)有用) 低低8位地址鎖存使能信號(hào)位地址鎖存使能信號(hào); 高電平有效高電平有效 (使使用方法見下例用方法見下例)PSEN 擴(kuò)展的程序存儲(chǔ)器讀擴(kuò)展的程序存儲(chǔ)器讀/輸出使能信號(hào)輸出使能信號(hào); 低電低電平有效平有效 (使用方法見下例使用方法見下例)123 P1.0 P1.1P1.2P0.0 (AD0)4039Vcc4P1.35P1.46P1.57P1.68P1.79RST101

10、1(RXD) P3.0(TXD) P3.11213(INT0) P3.2(INT1) P3.31415(T0) P3.4(T1) P3.51617(WR) P3.6(RD) P3.71819XTAL2XTAL120GNDP0.1 (AD1)38P0.2 (AD2)37P0.3 (AD3)36P0.4 (AD4)35P0.5 (AD5)34P0.6 (AD6)33P0.7 (AD7)32P2.7 (A15)28P2.6 (A14)27P2.5 (A13)26P2.4 (A12)25P2.3 (A11)24P2.2 (A10)23P2.1 (A9)22P2.0 (A8)21EA/Vpp31ALE/

11、PROG30PSEN29PDIP402021-10-2411四組8位I/O端口的功能描述 四個(gè)端口均支持： 8位雙向可編程I/O; 支持字節(jié)操作(P0); 支持單個(gè)位操作 (Pi.j) P0端口 第二功能: 分時(shí)復(fù)用作為低8位地址總線和8位數(shù)據(jù)總線 (見下例見下例) P1端口 部分衍生的MCS-51單片機(jī)中, P1.i具有第二功能, 如8052, W77E58 P2端口 第二功能: 高8位地址總線 (見下例見下例) P3端口 第二功能: 每個(gè)引腳有不同第二功能, 見教材p.12的表2-2 (見下例見下例)123 P1.0 P1.1P1.2P0.0 (AD0)4039Vcc4P1.35P1.46

12、P1.57P1.68P1.79RST1011(RXD) P3.0(TXD) P3.11213(INT0) P3.2(INT1) P3.31415(T0) P3.4(T1) P3.51617(WR) P3.6(RD) P3.71819XTAL2XTAL120GNDP0.1 (AD1)38P0.2 (AD2)37P0.3 (AD3)36P0.4 (AD4)35P0.5 (AD5)34P0.6 (AD6)33P0.7 (AD7)32P2.7 (A15)28P2.6 (A14)27P2.5 (A13)26P2.4 (A12)25P2.3 (A11)24P2.2 (A10)23P2.1 (A9)22P2

13、.0 (A8)21EA/Vpp31ALE/PROG30PSEN29PDIP402021-10-2412擴(kuò)展工作模式下各引腳功能 (示例)片內(nèi)無程序存儲(chǔ)器片內(nèi)無程序存儲(chǔ)器地址鎖存器地址鎖存器程序存儲(chǔ)器程序存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址總線地址總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線控制信號(hào)控制信號(hào)8031的片內(nèi)無程序存儲(chǔ)器的片內(nèi)無程序存儲(chǔ)器. 問問:可以把圖中的可以把圖中的EA/VP引腳接引腳接Vcc嗎嗎? 為什么為什么?外觀外觀MCS-51單片機(jī)的封裝單片機(jī)的封裝MCS-51單片機(jī)的引腳功能單片機(jī)的引腳功能內(nèi)部?jī)?nèi)部MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)MCS-51單片機(jī)內(nèi)部功能部件的作用單片機(jī)內(nèi)部功能部件的

14、作用MCS-51單片機(jī)單片機(jī)I/O端口的結(jié)構(gòu)和操作方法端口的結(jié)構(gòu)和操作方法內(nèi)容2021-10-2414MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)MCS-51單片機(jī)的基本內(nèi)核包括控制、運(yùn)算單元和基本寄存器控制、運(yùn)算單元和基本寄存器ALU, PC, 布爾(位)處理器; SP, ACC, PSW, DPTR存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器程序存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和特殊功能寄存器(SFR)I/O部件部件I/O端口鎖存器和I/O接口單元特殊功能單元: 定時(shí)/計(jì)數(shù)器, 串行收發(fā)器, 中斷邏輯2021-10-2415MCS-51 單片機(jī)功能框圖單片機(jī)功能框圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)控制邏輯I/OACCRAMROM2021-10-2417ALU, PC的作用AL

15、U的作用算術(shù)運(yùn)算算術(shù)運(yùn)算 (字節(jié)型四則運(yùn)算字節(jié)型四則運(yùn)算)邏輯運(yùn)算邏輯運(yùn)算 (基本邏輯運(yùn)算和移位操作基本邏輯運(yùn)算和移位操作)PC的作用程序執(zhí)行過程的調(diào)度程序執(zhí)行過程的調(diào)度始終保存著將要執(zhí)行的指令在程序存儲(chǔ)器中地址始終保存著將要執(zhí)行的指令在程序存儲(chǔ)器中地址一點(diǎn)說明一點(diǎn)說明: PC是一個(gè)是一個(gè)16位的控制寄存器位的控制寄存器, 為了便于說明，其為了便于說明，其高、低字節(jié)分別記為高、低字節(jié)分別記為PC.h、PC.l2021-10-2418nMCS-51堆棧設(shè)在內(nèi)部RAM中，是一個(gè)按“先進(jìn)后出”順序、受SP管理的存儲(chǔ)區(qū)域；n在程序中斷、子程序調(diào)用等情況下，會(huì)用到堆棧來保存斷點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)（亦可作數(shù)據(jù)傳送的中

16、轉(zhuǎn)站）；nMCS-51堆棧深度為128個(gè)字節(jié)，系統(tǒng)復(fù)位時(shí)硬件使SP=07H。用戶可以修改SP來改變堆棧區(qū)位置。 堆棧與堆棧指示器堆棧與堆棧指示器SP（Stack Pointer）2021-10-2419特殊功能寄存器特殊功能寄存器(PSW)nP (PSW.0)奇偶標(biāo)志位。nP=1表示累加器中“1”的個(gè)數(shù)為奇數(shù)nP=0表示累加器中“1”的個(gè)數(shù)為偶數(shù)nCPU隨時(shí)監(jiān)視著ACC中的“1”的個(gè)數(shù),并反映在PSW中nPSW.1 未定義。CyACF0RS1RS0OV-PPSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0ACC的奇標(biāo)志位算術(shù)運(yùn)算結(jié)果是否溢出的標(biāo)志位(按符號(hào)數(shù)即有符

17、號(hào)位運(yùn)算規(guī)則)通用寄存器組選擇控制位(見教材p.15表2-3)標(biāo)志位低半字節(jié)進(jìn)/借位字節(jié)進(jìn)/借位2021-10-2420特殊功能寄存器特殊功能寄存器(PSW)nOV (PSW.2)溢出標(biāo)志位。nOV=1時(shí)特指累加器在進(jìn)行帶符號(hào)數(shù)(-128+127)運(yùn)算時(shí)出錯(cuò)（超出范圍）；OV=0時(shí)未出錯(cuò)。CyACF0RS1RS0OV-PPSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0ACC的奇標(biāo)志位算術(shù)運(yùn)算結(jié)果是否溢出的標(biāo)志位(按符號(hào)數(shù)即有符號(hào)位運(yùn)算規(guī)則)通用寄存器組選擇控制位(見教材p.15表2-3)標(biāo)志位低半字節(jié)進(jìn)/借位字節(jié)進(jìn)/借位2021-10-2421 在有符號(hào)數(shù)的二進(jìn)

18、制算術(shù)運(yùn)算中，如果其運(yùn)算結(jié)果超過了機(jī)器數(shù)所能表示的范圍，并改變了運(yùn)算結(jié)果的符號(hào)位，則稱之為溢出，因而OV標(biāo)志僅對(duì)有符號(hào)數(shù)才有意義。 溢出標(biāo)志溢出標(biāo)志OVOV（OverflowOverflow）詳解）詳解2021-10-24220000010100001010 00001111CY0OV00000100011111011 000000110000100001111100 10000100CY1OV0CY0OV11CY1OV11000011111110101 011111001（a）（b）（c）（d）CY為1表示無符號(hào)數(shù)運(yùn)算產(chǎn)生溢出，但并不是運(yùn)算出錯(cuò)。OV為1表示有符號(hào)數(shù)運(yùn)算產(chǎn)生溢出，表示運(yùn)算出錯(cuò)

19、。溢出標(biāo)志溢出標(biāo)志OV和進(jìn)位標(biāo)志和進(jìn)位標(biāo)志CY舉例舉例2021-10-2423存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器 程序存儲(chǔ)器 分引導(dǎo)程序存儲(chǔ)器和分引導(dǎo)程序存儲(chǔ)器和應(yīng)用程序存儲(chǔ)器應(yīng)用程序存儲(chǔ)器存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)容量: 064K+引導(dǎo)程序空間引導(dǎo)程序空間(18K)類型類型: FlsahROM, EPROM, OTP ROM, Mask ROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器至少具有至少具有128字節(jié)字節(jié), 8032, 8052等具有等具有256字節(jié)字節(jié)部分衍生類型具有更多的片內(nèi)部分衍生類型具有更多的片內(nèi)RAM(2568192字節(jié)字節(jié)) 有關(guān)有關(guān)MCS-51單片機(jī)存儲(chǔ)器和特殊功能寄存器的內(nèi)容在下一講專門介紹單片機(jī)存儲(chǔ)器和特殊功能寄存器的內(nèi)容在下一講

20、專門介紹2021-10-2424P0P0端口的結(jié)構(gòu)端口的結(jié)構(gòu)有有I/O功能和第二功能的切換控制功能和第二功能的切換控制I/O功能時(shí)輸出用功能時(shí)輸出用OC結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu), 第二功能時(shí)用推拉結(jié)構(gòu)第二功能時(shí)用推拉結(jié)構(gòu)I/O功能操作與功能操作與P1端口相同端口相同 1 0 D CL Q Q P0.x 內(nèi)部總線 寫鎖存器 讀引腳 Vcc 讀鎖存器 地址/數(shù)據(jù) 控制 & P2和和P3端口與端口與P0端口的結(jié)構(gòu)相似端口的結(jié)構(gòu)相似, 不再贅述不再贅述2021-10-2425P0P0口口P0.0P0.7: 雙向I/O （內(nèi)置場(chǎng)效應(yīng)管上拉） 控制=0，作8位輸入口使用。21DQCK/Q讀引腳讀引腳 =1讀鎖存器讀鎖存器

21、寫鎖寫鎖存器存器內(nèi)部?jī)?nèi)部總線總線地址地址/數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 控制控制引腳引腳P0.X3400100截截止止截截止止=0Vcc2021-10-2426P0P0口口P0.0P0.7: 雙向I/O （內(nèi)置場(chǎng)效應(yīng)管上拉） 控制=0，作8位輸出口。數(shù)據(jù)經(jīng)由內(nèi)部總線被存于鎖存器，并向引腳輸出。由于此時(shí)T0T0截止，需外接上拉電阻接上拉電阻。21DQCK/Q讀引腳讀引腳讀鎖存器讀鎖存器寫鎖寫鎖存器存器內(nèi)部?jī)?nèi)部總線總線地址地址/數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 控制控制引腳引腳P0.X3400截截止止=0VccVCC2021-10-2427P0P0口口P0.0P0.7: 雙向I/O （內(nèi)置場(chǎng)效應(yīng)管上拉） 控制=1，作雙向8位數(shù)據(jù)口和輸出低8位地址復(fù)用口。21DQCK/Q讀引腳讀引腳讀鎖存器讀鎖存器寫鎖寫鎖存器存器內(nèi)部?jī)?nèi)部總線總線地址地址/數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 控制控制=1引腳引腳P0.X341011=0導(dǎo)導(dǎo)通通截截止止=0Vcc2021-10-2428P0口口P0.0P0.7: 雙向I/O （內(nèi)置場(chǎng)效應(yīng)管上拉） 控制=1，作雙向8位數(shù)據(jù)口和輸出低8位地址復(fù)用口。21DQCK/Q讀引腳讀引腳讀鎖存器讀鎖存器寫鎖寫鎖存器存器內(nèi)部?jī)?nèi)部總線總線地址地址/數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 控制控制=1引腳引腳P0.X341100=1截截止止導(dǎo)導(dǎo)通通=1Vcc2021-10-2429P1P1端口的結(jié)構(gòu)端口的結(jié)構(gòu)每個(gè)位都具有內(nèi)部上拉電阻每個(gè)位都具有內(nèi)