第6章MCS-51系列單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)

1、第6章 單片機(jī)總體結(jié)構(gòu) 1。本章主要內(nèi)容： 單片機(jī)結(jié)構(gòu)、引腳、時(shí)鐘與時(shí)序；單片機(jī)復(fù)位與復(fù)位電路；單片機(jī)的存儲(chǔ)器 2。本章重點(diǎn)： 單片機(jī)引腳、單片機(jī)的時(shí)序、單片機(jī)的存儲(chǔ)器 3。本章難點(diǎn)： 單片機(jī)的并行接口 4、教學(xué)內(nèi)容如下：6.16.1概述概述6.16.1概述概述6.2 MCS-51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu) 1中央處理器CPU 這是單片機(jī)的核心，它完成運(yùn)算和控制功能。其工作原理如圖1-4。 2內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM MCS-51系列單片機(jī)中51子系列有128個(gè)字節(jié)單元，地址為007FH。 3內(nèi)部程序存儲(chǔ)器ROM 8051單片機(jī)內(nèi)有4KB掩膜ROM。8751單片機(jī)片內(nèi)有4KB的EPROM型只讀存

2、儲(chǔ)器，8031單片機(jī)內(nèi)沒有ROM。 4特殊功能寄存器SFR（SFR，Special Function Register） SFR地址離散地分布在80H0FFH特殊功能寄存器空間。 (1)串行口 (2)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 (3)中斷控制器 (4) 并行口5.CPU內(nèi)部總線和外部總線CPU通過內(nèi)部總線與單片機(jī)各個(gè)內(nèi)部部件連接。外部總線即單片機(jī)系統(tǒng)總線，系統(tǒng)總線由P3、P2、P0經(jīng)總線形成電路生成 6.時(shí)鐘電路 外接晶振，產(chǎn)生單片機(jī)所需時(shí)鐘信號。 6.3 MCS-51系列單片機(jī)的引腳及其功能 2 . 3/0 PINT6 . 3/PWR3 . 3/1 PINT0 . 1P1 . 1P2 . 1P3 . 1

3、P4 . 1P5 . 1P6 . 1P7 . 1PPDVRST/0 . 3/PRXD1 . 3/PTXD4 . 3/0 PT5 . 3/1 PT7 . 3/ PRD2XTAL1XTALVss1234567891011121314151617181920Vcc0 . 0P1 . 0P2 . 0P3 . 0P4 . 0P5 . 0P6 . 0P7 . 0PVppEA/PROGALE/PSEN7 . 2P6 . 2P5 . 2P4 . 2P3 . 2P2 . 2P1 . 2P0 . 2P2122232425262728293031323334353637383940803180518751VccVs

4、sPDVRST/1XTAL2XTALVppEA/PSENPROGALE/P3口第二功能P0口P1口P2口地址數(shù)據(jù)總線地址總線803180518751 1、電源輸入：Vcc和Vss ； 時(shí)鐘輸入：XTAL1和XTAL2。 1、電源輸入：Vcc和Vss ； 時(shí)鐘輸入：XTAL1和XTAL2。 2、RST/Vdd，輸入腳： 正常供電時(shí)為“復(fù)位輸入” 供電不正常時(shí)為“備用電源輸入”。保護(hù)單片機(jī)內(nèi)部RAM的數(shù)據(jù)不丟失。 1、電源輸入：Vcc和Vss ； 時(shí)鐘輸入：XTAL1和XTAL2。 2、RST/Vdd，輸入腳： 正常供電時(shí)為“復(fù)位輸入” 供電不正常時(shí)為“備用電源輸入”。保護(hù)單片機(jī)內(nèi)部RAM的數(shù)據(jù)不

5、丟失。 3、PSEN，輸出腳：單片機(jī)讀外部程序存儲(chǔ)器時(shí)輸出“0”。 4、EA/Vpp，輸入腳 （1）輸入TTL電平（0V或5V） 輸入高電平5V（邏輯1），單片機(jī)只讀內(nèi)部程序存儲(chǔ)器ROM； 輸入低電平0V（邏輯0），單片機(jī)只讀外部程序存儲(chǔ)器ROM。 4、EA/Vpp，輸入腳 （1）輸入TTL電平（0V或5V） 輸入高電平5V（邏輯1），單片機(jī)只讀內(nèi)部程序存儲(chǔ)器ROM； 輸入低電平0V（邏輯0），單片機(jī)只讀外部程序存儲(chǔ)器ROM。 （2）輸入高電壓（12.5V或25V） 創(chuàng)造異常工作環(huán)境：可以對單片機(jī)內(nèi)部EPROM編程（寫指令入程序存儲(chǔ)器） 詳細(xì)解釋見下頁： EA/Vpp輸入TTL電平 EA/Vp

6、p 輸入高電壓（單片機(jī)的一般應(yīng)用） （寫單片機(jī)內(nèi)部EPROM） EA/Vpp輸入TTL電平 EA/Vpp 輸入高電壓（單片機(jī)的一般應(yīng)用） （寫單片機(jī)內(nèi)部EPROM） ALE/(/PROG)作為輸出腳作為輸出腳ALE ALE輸出低8位地址鎖存信號P0口口： P0口輸出低8位地址時(shí)，ALE輸出1； P0口作為數(shù)據(jù)總線時(shí)，ALE輸出0。P1口口： 普通的I/O口。P2口口： 輸出高8位地址。 EA/Vpp輸入TTL電平 EA/Vpp 輸入高電壓（單片機(jī)的一般應(yīng)用） （寫單片機(jī)內(nèi)部EPROM）ALE/(/PROG)作為輸入腳作為輸入腳PROG 輸入“寫片內(nèi)程序存儲(chǔ)器”控制信號，低電平有效。P0口：口：

7、 寫片內(nèi)程序存儲(chǔ)器時(shí)輸入“指令”。P1口：口： 寫片內(nèi)程序存儲(chǔ)器時(shí)輸入低8位地址。P2口口： 寫片內(nèi)程序存儲(chǔ)器時(shí)輸入高8位地址。 P3口的第二功能表口線特殊功能信號名稱P3.0RXD串行輸入口P3.1TXD串行輸出口P3.2INT0外部中斷0輸入腳P3.3INT1外部中斷1輸入腳P3.4T0定時(shí)器0外部輸入腳P3.5T1定時(shí)器1外部輸入腳P3.6WR寫選通輸出腳P3.7RD讀選通輸出腳 XTAL2XTAL1MCS-51C1C2CYSXTAL2XTAL1MCS-51+5VVSSTTL外部時(shí)鐘源 內(nèi)部振蕩方式 外部振蕩方式6.4 時(shí)鐘電路與時(shí)序 振蕩器與時(shí)鐘電路 P1P2S1P2狀態(tài)周期振蕩（時(shí)鐘

8、）周期機(jī)器周期機(jī)器周期指令周期XTAL2(OSC)S2S3S4S5S6S1S2S4S5S3S6P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P2P2P2P2P2P2P2P2P2P2振蕩（時(shí)鐘）周期P：時(shí)鐘頻率的倒數(shù)。 1、單片機(jī)工作周期 P1P2S1P2狀態(tài)周期振蕩（時(shí)鐘）周期機(jī)器周期機(jī)器周期指令周期XTAL2(OSC)S2S3S4S5S6S1S2S4S5S3S6P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P2P2P2P2P2P2P2P2P2P2振蕩（時(shí)鐘）周期P：時(shí)鐘頻率的倒數(shù)。狀態(tài)周期S：時(shí)鐘周期2。 1、單片機(jī)工作周期 P1P2S1P2狀態(tài)周期振蕩（時(shí)鐘）周期機(jī)器周期機(jī)器周期指令周期XTA

9、L2(OSC)S2S3S4S5S6S1S2S4S5S3S6P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P2P2P2P2P2P2P2P2P2P2振蕩（時(shí)鐘）周期P：時(shí)鐘頻率的倒數(shù)。狀態(tài)周期S：時(shí)鐘周期2。機(jī)器周期：狀態(tài)周期6。 1、單片機(jī)工作周期 P1P2S1P2狀態(tài)周期振蕩（時(shí)鐘）周期機(jī)器周期機(jī)器周期指令周期XTAL2(OSC)S2S3S4S5S6S1S2S4S5S3S6P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P2P2P2P2P2P2P2P2P2P2振蕩（時(shí)鐘）周期P：時(shí)鐘頻率的倒數(shù)。狀態(tài)周期S：時(shí)鐘周期2。機(jī)器周期：狀態(tài)周期6。指令周期：執(zhí)行一條指令(含“取指”)所需的時(shí)間，不是常數(shù) 1

10、3個(gè)機(jī)器周期。 1、單片機(jī)工作周期 2.單片機(jī)時(shí)序 (1) 單片機(jī)原始時(shí)序 2.單片機(jī)時(shí)序 (1) 單片機(jī)原始時(shí)序 (2)單片機(jī)系統(tǒng)總線時(shí)序 單片機(jī)三總線(即AB、DB、CB)由所謂總線形成電路獲得 2.單片機(jī)時(shí)序 (1) 單片機(jī)原始時(shí)序 (2)單片機(jī)系統(tǒng)總線時(shí)序 與第2章諸時(shí)序相同。 3、單片機(jī)工作工程和工作方式、單片機(jī)工作工程和工作方式 （1）復(fù)位方式）復(fù)位方式 （a）上電復(fù)位電路）上電復(fù)位電路 （b）上電）上電/手動(dòng)復(fù)位電路手動(dòng)復(fù)位電路 單片機(jī)RST/VpDVccVss 單片機(jī)RST/VpDVccVss 復(fù)位時(shí)的工作狀態(tài)復(fù)位時(shí)的工作狀態(tài) （a）復(fù)位時(shí)，各RAM和SFR寄存器的狀態(tài)為： （

11、PC）=0000H； （SP）=07H； 其余SFR寄存器內(nèi)容均為0； RAM的內(nèi)容保持不變； （b）復(fù)位時(shí)，各引腳狀態(tài)為： P0P3=FFH ALE=0， PSEN=1。 （2）待機(jī)方式 在待機(jī)方式下： 提供給CPU的時(shí)鐘信號被切斷， CPU全部內(nèi)部狀態(tài)被保留 時(shí)鐘信號仍提供給中斷控制器、串行口和定時(shí)器。 cc仍為，但單片機(jī)消耗的電流可由正常的24mA降為mA。 （a）使電源控制寄存器PCON的IDL位為，則進(jìn)入待機(jī)方式。 （b）退出待機(jī)方式的方法：來了一個(gè)中斷請求或硬件復(fù)位。 （3）掉電方式 在掉電方式下： 片內(nèi)振蕩器停止工作，所有功能停止，片內(nèi)RAM和寄存器內(nèi)容保持不變各端口值被鎖存，A

12、LE、PSEN輸出為。 cc可降至，電流僅為50uA。 （a）使使電源控制寄存器PCON的PD位為，則進(jìn)入掉電方式。 （b）退出掉電方式的方法：硬件復(fù)位。 (4)編程和校驗(yàn)方式 EA/Vpp腳輸入12.5V（或25V）時(shí)，單片機(jī)進(jìn)入此方式。 用途：對單片機(jī)內(nèi)部EPROM輸入程序并校驗(yàn)之。 （5）程序執(zhí)行方式）程序執(zhí)行方式 單片機(jī)的基本工作方式。單片機(jī)的基本工作方式。 6.5 存儲(chǔ)器組織存儲(chǔ)器組織 6.5 存儲(chǔ)器組織存儲(chǔ)器組織 6.5 存儲(chǔ)器組織存儲(chǔ)器組織 1、程序存儲(chǔ)器a、EA腳輸入1： 片內(nèi)4KB片外60 KB統(tǒng)一編址： 0000HFFFFH。 b、EA輸入0： 片內(nèi)0KB片外64 KB編址

13、： 0000HFFFFH。 2、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 單片機(jī)允許擴(kuò)充64KB外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。用專門的指令訪問之。外部RAM0000HFFFFH 單片機(jī)內(nèi)部單片機(jī)內(nèi)部RAM分為內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（灰色）和特殊功能寄存器（綠分為內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（灰色）和特殊功能寄存器（綠色）色） 單片機(jī)內(nèi)部單片機(jī)內(nèi)部RAM分為內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（灰色）和特殊功能寄存器（綠分為內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（灰色）和特殊功能寄存器（綠色）色） （1）內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器）內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 工作寄存器區(qū)工作寄存器區(qū) 先設(shè)定先設(shè)定RS1和和RS0，從而確定誰是當(dāng)前工作寄存器，從而確定誰是當(dāng)前工作寄存器 RS1、RS0是寄存器是寄存器PSW中的位。中的位。RS1

14、RS0 組別 R0 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 2 3 00H 01H 02H 03H 04H 05H 06H 07H 08H 09H 0AH 0BH 0CH 0DH 0EH 0FH 10H 11H 12H 13H 14H 15H 16H 17H 18H 19H 1AH 1BH 1CH 1DH 1EH 1FH 先設(shè)定先設(shè)定RS1和和RS0，從而確定誰是工作寄存，從而確定誰是工作寄存器（器（RS1、RS0是寄存器是寄存器PSW中的第中的第4、3位）。位）。 例如：例如： SETB RS1CLR RS0MOV R1,#53HCLR PSW.4M

15、OV R1,#55HMOV R0,#33HRS1 RS0 組別 R0 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 2 3 00H 01H 02H 03H 04H 05H 06H 07H 08H 09H 0AH 0BH 0CH 0DH 0EH 0FH 10H 11H 12H 13H 14H 15H 16H 17H 18H 19H 1AH 1BH 1CH 1DH 1EH 1FH 位尋址區(qū)位尋址區(qū) 數(shù)據(jù)緩沖區(qū)（通用數(shù)據(jù)緩沖區(qū)（通用RAM） （2）特殊功能寄存器（）特殊功能寄存器（SFR） B F0HB.7F7HB.6F6HB.5F5HB.4F4HB.3F3HB.

16、2F2HB.1F1HB.0F0HAcc E0HAcc.7Acc.6Acc.5Acc.4Acc.3Acc.2Acc.1Acc.0PSW D0HCYACF0RS1RS0OVF1 P IP B8HPSPT1PX1PT0PX0 P3 B0HP3.7 P3.6 P3.5 P3.4 P3.3 P3.2 P3.1 P3.0 IE A8HEAESET1EX1ET0EX0 P2 A0HP2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0SBUF 99HSCON 98HSM0SM1SM2RENTB8RB8TIRI P1 90HP1.7 P1.6 P1.5 P1.4 P1.3 P1.2 P

17、1.1 P1.0SFR 地址MSB 位定義（位地址） LSB （2）特殊功能寄存器續(xù)（）特殊功能寄存器續(xù)（SFR）SFR 地址MSB 位定義（位地址） LSBTH1(8DH)TH0(8CH)TL1(8BH)TL0(8AH)TMOD(89H)GATEC/TM1M0GATEC/TM1M0TCON88HTF1TR1 TF0TR0IE1IT1IE0IT0PCON(87H)SMODGF1GF0PDIDLDPH(83H)DPL(82H)特殊功能寄存器 通用RAM 位尋址區(qū) 寄存器區(qū) CY：進(jìn)借位標(biāo)志；：進(jìn)借位標(biāo)志； AC：輔助進(jìn)借位標(biāo)志；：輔助進(jìn)借位標(biāo)志； OV：溢出標(biāo)識；：溢出標(biāo)識； P：累加器：累加器

18、A中中1的奇偶標(biāo)識；的奇偶標(biāo)識； F0 、F1 ：用戶標(biāo)志；：用戶標(biāo)志； RS1、RS0：工作寄存器組選擇：工作寄存器組選擇 。 數(shù)據(jù)指針寄存器DPTR，16位寄存器。 它由兩個(gè)8位寄存器DPH、DPL組成 特別需要指出的是，特別需要指出的是，51系列內(nèi)部系列內(nèi)部RAM，80FFH中未定義的中未定義的單位為不可訪問單元單位為不可訪問單元 程序狀態(tài)字PSWD0HCYACF0RS1RS0OVF1 P （3）位尋址空間）位尋址空間(單片機(jī)有兩塊可以位尋址的空間單片機(jī)有兩塊可以位尋址的空間)： 片內(nèi)片內(nèi)RAM中有中有128位，位地址：位，位地址：00H7FH SFR中有中有93位：有位地址和位名位：有

19、位地址和位名 位操作可以對位地址進(jìn)行，也可以對位名進(jìn)行位操作可以對位地址進(jìn)行，也可以對位名進(jìn)行 例如：例如：CLR 2CH CLR P0.7MOV ACC.7,CSETB PX0 6.6 并行輸入并行輸入/輸出接口輸出接口 單片機(jī)有單片機(jī)有4個(gè)接口：個(gè)接口：P0,P1,P2,P3 同時(shí)同時(shí)P0還是地址還是地址/數(shù)據(jù)復(fù)用線，數(shù)據(jù)復(fù)用線，P2還是地址線，還是地址線，P3還是控制線。還是控制線。 為了正確的應(yīng)用這些引腳，我們學(xué)習(xí)這些端口的為了正確的應(yīng)用這些引腳，我們學(xué)習(xí)這些端口的邏輯電路。邏輯電路。 6.6.1 P0口口 P0.i i0,1,2,3,4,5,6,7本圖所涉及器件：鎖存器、緩沖器、非門

20、、與門等 BUF1/01/01BUF1/0高阻態(tài)0P0.i鎖存器DCLKQQD觸發(fā)器工作原理： a、CLK輸入“0”，Q維持原狀態(tài)。 b、CLK輸入正脈沖“1”，Q翻轉(zhuǎn)同D。 T漏極源極柵極T漏極源極柵極等價(jià)于等價(jià)于T漏極源極柵極1等價(jià)于等價(jià)于T漏極源極柵極1T漏極源極柵極0等價(jià)于等價(jià)于T漏極源極柵極0 1、CPU使使“控制控制”為為1，P0口作為總線用口作為總線用。 1）P0口作為總線用的輸出情況口作為總線用的輸出情況：輸出1時(shí)如圖示。P0.i鎖存器讀鎖存器VccP0.i引腳內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳BADCLQQBUF1BUF2T101地址/數(shù)據(jù)控制T2VccT1T2110110 1、CPU使

21、使“控制控制”為為1，P0口作為總線用口作為總線用。 1）P0口作為總線用的輸出情況口作為總線用的輸出情況：輸出0時(shí)如圖示。P0.i鎖存器讀鎖存器VccP0.i引腳內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳BADCLQQBUF1BUF2T101地址/數(shù)據(jù)控制T2VccT1T2001001 1、CPU使使“控制控制”為為1，P0口作為總線用口作為總線用。 2）P0口作為總線用的輸入情況口作為總線用的輸入情況：CPU使“讀引腳”為1P0.i鎖存器讀鎖存器VccP0.i引腳內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳BADCLQQBUF1BUF2T1地址/數(shù)據(jù)控制T2 2、執(zhí)行與、執(zhí)行與P0有關(guān)的指令，使有關(guān)的指令，使 “控制控制”為為0，

22、 P0作為作為I/O口使用，口使用，特點(diǎn)是輸出漏極開路。特點(diǎn)是輸出漏極開路。P0.i鎖存器讀鎖存器VccP0.i引腳內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳BADCLQQBUF1BUF2T10地址/數(shù)據(jù)控制T2VccT1T20 1）P0的輸出：輸出0時(shí)的情況。執(zhí)行指令：MOV P0,#00H；使“控制”為，CPU輸出相關(guān)信息。 P0作為I/O口能輸出指令中的邏輯0。P0.i鎖存器讀鎖存器VccP0.i引腳內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳ADCLQQBUF1BUF2T10地址/數(shù)據(jù)控制T2VccT1T20000110 1）P0口的輸出：輸出時(shí)的情況。執(zhí)行指令：MOV P0,#0FFH；使“控制”為，CPU輸出相關(guān)信息。 注

23、意：P0作為I/O口不能輸出邏輯，只能輸出高阻態(tài)。P0.i鎖存器讀鎖存器VccP0.i引腳內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳ADCLQQBUF1BUF2T10地址/數(shù)據(jù)控制T2VccT1T20懸空1100高阻 3、 P0作為I/O口使用時(shí)必須采取的措施：外接上拉電阻。通過單片機(jī)以外的電路，化高阻態(tài)為高電平。P0.i鎖存器讀鎖存器VccP0.i引腳內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳ADCLQQBUF1BUF2T10地址/數(shù)據(jù)控制T2VccT1T20懸空1100高阻VccVcc1 P0口能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL門。 每個(gè)TTL負(fù)載吸取100uA電流，P0口線最多能輸出800uA電流。P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.

24、2P0.1P0.0 TTL TTL TTL TTL TTL TTL TTL TTL51系列 6.6.2 P1口口 P1.i i0,1,2,3,4,5,6,7P1.i鎖存器讀鎖存器VccP1.i引腳內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳A上拉電阻DCLKQQBUF2BUF1Q P1口的輸出：輸出0時(shí)的情況。執(zhí)行指令：MOV P1,#00H；CPU輸出相關(guān)信息。 P1.i鎖存器讀鎖存器VccP1.i引腳內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳A上拉電阻DCLKQQBUF2BUF1QVcc P1口的輸出：輸出時(shí)的情況。執(zhí)行指令：MOV P1,#0FFH；CPU輸出相關(guān)信息。 P1.i鎖存器讀鎖存器VccP1.i引腳內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳A上拉電阻DCLKQQBUF2BUF1QVcc P1口的輸入：執(zhí)行指令MOV A,P1,；CPU輸出“讀引腳”信號后，；采取內(nèi)部總線上的數(shù)據(jù)入。 P1.i鎖存器讀鎖存器VccP1.i引腳內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳A上拉電阻DCLKQQBUF2BUF1QVcc P1口能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL門。 每個(gè)TTL負(fù)載吸取10