第2章MCS-51單片機構(gòu)成課件

單片機原理及應(yīng)用高正中2023/12/5山東科技大學(xué)第2章MCS-51單片機的結(jié)構(gòu)與組成

主要內(nèi)容2.1MCS-51單片機的構(gòu)成2.2MCS-51/52存儲器的結(jié)構(gòu)2.3MCS-51的時鐘與復(fù)位電路2.489C51引腳及功能2.589C51I/O接口特性

2023/12/52.1MCS-51單片機的構(gòu)成

2.1.1MCS-51基本結(jié)構(gòu)(MCS-51核）2023/12/58位CPUROMRAM

MCS-51微處理器的結(jié)構(gòu)振蕩器2023/12/5OscillatorInterruptCPUROMRAMTimer1Timer0I/OportsSerialExternalinterruptsCounterinputsP0P1P2P3TXDRXDMCS-51微處理器簡化結(jié)構(gòu)2023/12/5

2.1.1MCS-51核⑴8位CPU，片內(nèi)振蕩器；⑵4KB/8KB字節(jié)ROM；⑶128B/256B字節(jié)RAM；⑷2/3個16位定時器/計數(shù)器；⑸32個可編程的I/O線；⑹一個可編程全雙工串行口；⑺5/6個中斷源，兩個中斷優(yōu)先級；⑻可尋址64KB外部數(shù)據(jù)存儲器空間、64KB外部程序存儲器空間的控制電路；⑼布爾處理器。2023/12/5山東科技大學(xué)1）核內(nèi)總線※數(shù)據(jù)總線：8位(D0-D7)※地址總線：8位(A0-A7)2）核外總線※數(shù)據(jù)總線DB：D0-D7※地址總線AB：A0-A15(可管理片內(nèi)及片外RAM-XRAM/ROM)核內(nèi)與片內(nèi)、核外與片外；2.1.2MCS-51總線2023/12/5山東科技大學(xué)運算器

進行算術(shù)和邏輯運算，8位；組成：ALU、ACC、TEMP、PSW、B；主要任務(wù)：算術(shù)運算、邏輯運算、數(shù)據(jù)處理利用程序狀態(tài)寄存器PSW表述當(dāng)前運行狀態(tài)

主要由運算器、控制器、位處理器等組成。

決定單片機的性能（字長、運行速度、數(shù)據(jù)處理，中斷）。2.1.3中央處理器CPU2023/12/5山東科技大學(xué)控制器

CPU的大腦中樞，以定時控制邏輯為中心，按照預(yù)先給定的步驟（即程序）發(fā)出一系列控制信號，控制計算機各個部件的工作。包括:指令寄存器IR、指令譯碼器ID、數(shù)據(jù)指針DPTR、程序計數(shù)器（指針）PC、堆棧指針SP、以及控制電路（時序電路、中斷控制部件、微操作控制部件）。

位處理器每次處理的數(shù)據(jù)是一位。它能完成邏輯與、或、非、異或等各種邏輯運算。用于邏輯電路的仿真、開關(guān)量的控制及設(shè)置狀態(tài)標志位非常有效。2.1.3中央處理器CPU2023/12/5山東科技大學(xué)

SFR共128字節(jié)地址空間，控制內(nèi)部特殊功能單元的實現(xiàn)。使用部分單元：P0-P3、C/T、INT、Serial……2.1.4特殊寄存器SFR2023/12/5山東科技大學(xué)2.2MCS-51/52的存儲器結(jié)構(gòu)根據(jù)作用分類：程序存儲器ROM

數(shù)據(jù)存儲器RAM根據(jù)位置分類：

※

核內(nèi)RAM和SFR

※核外:數(shù)據(jù)存儲器-XRAM程序存儲器-ROM

※哈佛存儲結(jié)構(gòu)※普林斯頓存儲結(jié)構(gòu)2023/12/5直接尋址間接尋址核內(nèi)RAM

SFR2.2.1核內(nèi)RAM與SFR52子系列中SFR區(qū)與高128RAM區(qū)地址重疊，如何區(qū)分訪問SFR還是附加的高128RAM?利用指令的不同尋址方式來區(qū)別訪問哪個區(qū)域，SFR區(qū)采用直接尋址；訪問附加高128RAM區(qū)采用間接尋址。2023/12/5核內(nèi)RAM

SFRPSW.4/PSW.32.2.1核內(nèi)RAM與SFR2023/12/5山東科技大學(xué)核內(nèi)RAM結(jié)構(gòu)工作寄存器區(qū)：字節(jié)地址：00H～1FH訪問：間接/直接/寄存器尋址；位尋址區(qū)：字節(jié)地址：20H～2FH位地址為：00H～7FH訪問：間接/直接尋址；[字節(jié)地址、位地址區(qū)別]通用RAM區(qū)字節(jié)地址：30H～7FH訪問：間接/直接/寄存器尋址；2023/12/5山東科技大學(xué)

SFR可讀可寫，可視為專用RAM。均可以進行字節(jié)尋址，其中字節(jié)地址能被8整除的可以位尋址。2.2.2特殊功能寄存器SFR2023/12/5山東科技大學(xué)特殊功能寄存器位地址（地址可被8整除的SFR）2023/12/5山東科技大學(xué)

ACC累加器地址0E0H，在指令中用A表示，可位尋址【ACC.X】。

B寄存器地址0F0H，可位尋址，主要用于乘除法，也作通用的8位數(shù)據(jù)緩沖單元。

SP地址為81H，8位堆棧指針，只能字節(jié)尋址，復(fù)位值為07H。堆棧：棧底：棧頂【堆棧指針】SP；堆棧區(qū)設(shè)置（設(shè)定棧底）：2.2.4特殊功能寄存器SFR堆棧LIFO2023/12/5山東科技大學(xué)堆棧堆棧:是在核內(nèi)RAM中開辟的暫存區(qū),一般設(shè)在3F-7FH；作用：保護現(xiàn)場、保護斷點應(yīng)用場合：子程序調(diào)用、中斷操作在響應(yīng)中斷或子程序調(diào)用時，發(fā)生入棧操作，自動將16位的PC值入棧，PSW值并不自動入棧。特點：先進后出，后進先出指令：入棧PUSH，出棧POP

※

PUSH和POP都是對棧頂單元進行的。SP指示棧頂.

※

SP始終指向最后壓入或即將彈出的數(shù)據(jù)單元，即棧頂。

※

SP為一個8位寄存器，它的內(nèi)容是棧頂存儲單元的地址。2023/12/5山東科技大學(xué)進棧PUSH：先SP+1再寫入數(shù)據(jù);出棧POP：先讀數(shù)據(jù),再SP－1;進棧、出棧有兩種方式：1、自動方式：執(zhí)行子程序、中斷響應(yīng)時。2、指令方式：PUSH、POP關(guān)于進棧和出棧2023/12/5山東科技大學(xué)PUSH36hSP36h37h35hXXXX2023/12/5山東科技大學(xué)POP37hStackPointer36h37h35hXXXX2023/12/5山東科技大學(xué)關(guān)于堆棧區(qū)的劃定※堆棧深度要有足夠的容量?！跏蓟疭P值，則SP～7FH均為堆棧區(qū)?！到y(tǒng)復(fù)位后，SP＝07H，則實際堆棧從08H開始，與1區(qū)R重重疊。通常SP設(shè)在60H以后，即在用戶RAM（30H～7FH）之間開辟。(52系列，可設(shè)SP=80H)2023/12/5山東科技大學(xué)

I/O端口P0～P3為P0～P3引腳的鎖存器。可位尋址。

定時/計數(shù)器T0/T1

為由兩個獨立的8位寄存器(THx、TLx)組成的16位寄存器，具有加1功能。

串行口數(shù)據(jù)緩沖器SBUF用于串行通信，存放欲發(fā)送和已接送數(shù)據(jù)，邏輯上為1個寄存器，物理上為2個寄存器。

數(shù)據(jù)指針DPTR16位寄存器，包括兩個8位寄存器DPL和DPH，地址分別為82H和83H。只能字節(jié)尋址。也可作為兩個8位寄存器來處理。作為訪問核外RAM或ROM時的地址指針【采用間接尋址】。2.2.4特殊功能寄存器SFR---續(xù)2023/12/5山東科技大學(xué)地址0D0H，8位寄存器，可位尋址。

PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0

PF1

OVRS0RS1

F0

AC

Cy

程序狀態(tài)寄存器PSW進位標志Cy：※

算術(shù)邏輯指令時，最高位D7有進（借）位，則Cy=1，否則Cy=0；※

在布爾處理器中，它起著“位累加器”的作用。17條布爾處理指令多數(shù)是針對CY來完成的。程序中寫成C。輔助進位標志AC：加（減）法運算時，如果低半字節(jié)的最高位D3有進（借）位，則AC=1，否則AC=0；AC在作BCD碼運算而進行二～十進制調(diào)整時有用。用戶標志FO、F1：是用戶定義的狀態(tài)標志?？赏ㄟ^軟件對它置位、清零；在編程時，也常測試其狀態(tài)進行程序分支。工作寄存器區(qū)選擇位RS1、RS0:可軟件置位或清零，以選定4個工作寄存器區(qū)中的一個區(qū)投入工作(同一時刻僅可選擇一個區(qū))。RS1[PSW.4]RS0[PSW.3]寄存器區(qū)00第0區(qū)[00H-07H]01第1區(qū)[08H-0FH]10第2區(qū)[10H-17H]11第3區(qū)[18H-1FH]2023/12/5山東科技大學(xué)溢出標志OV：作有符號數(shù)加法、減法時由硬件置位或清除，以指示運算結(jié)果是否溢出。

PF1

OVRS0RS1

F0

AC

Cy

程序狀態(tài)寄存器PSW地址0D0H，8位寄存器，可位尋址。

PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0奇偶標志P:※

每執(zhí)行一條指令，單片機都能根據(jù)A中1的個數(shù)的奇偶自動令P置位或清零：奇為1，偶為0?！?/p>

在串行通信中作為奇偶校驗位，檢驗數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。2023/12/5山東科技大學(xué)

其他SFR：串行口控制寄存器SCON；定時/計數(shù)器方式控制TMOD；定時器控制TCON；中斷允許寄存器IE；電源方式控制PCON。

SFR均有復(fù)位初始值，使用的寄存器在復(fù)位后應(yīng)初始化；

SFR可視為專用RAM，有11個可以位尋址，共21單元，其余單元廠家擴展時備用；

8052另有3個SFR，占據(jù)5個單元。注：2023/12/5山東科技大學(xué)MCS-51復(fù)位后內(nèi)部寄存器狀態(tài)特殊功能寄存器初始狀態(tài)特殊功能寄存器初始狀態(tài)ACC00HTCON00HB00HTH000HPSW00HTL000HSP07HTH100HDPL00HTL100HDPH00HSCON00HP0～P30FFHSBUF不定IPXXX00000BPCON0XXXXXXXBIE0XX00000BTMOD00HPC0000H2023/12/5山東科技大學(xué)※MCS-51中，核內(nèi)RAM與核內(nèi)I/O統(tǒng)一編址?！送?6位地址線，尋址空間64k,與核外I/O統(tǒng)一編址?！x寫信號：WR\、RD\。※位于核外【片內(nèi)或片外】，片內(nèi)、片外XRAM地址不可重疊。2.2.5XRAM存儲空間

2023/12/5山東科技大學(xué)程序存儲器和XRAM配置圖2023/12/5

※

MCS-51中程序存儲器與RAM和XRAM是分別單獨編址的。

※程序存儲器地址為16位，讀線/[PSEN]。程序存儲器都屬于核外總線范圍。

※程序存儲器可為片內(nèi)或片外，也可同時使用【/EA選擇】。2.2.6ROM程序存儲器2023/12/5山東科技大學(xué)訪問核內(nèi)RAM、核外RAM、ROM存儲器的方法1、指令：使用MOV、MOVX、MOVC三個不同的指令；2、控制引腳：

片外ROM：使用控制信號/PSEN;

片外RAM：使用控制信號/RD、/WR;

/EA引腳接地，從片外ROM開始;

0000H～0FFFH位于片外ROM;

/EA引腳接高電平，從片內(nèi)ROM開始;

0000H～0FFFH位于片內(nèi)ROM，1000H-片外;3、ROM和核外RAM一定要用16位地址[MOVX\MOVC];核內(nèi)RAM和SFR，只能使用8位地址【MOV】;4、52子系列高128B普通RAM，只可采用間接尋址;2023/12/5山東科技大學(xué)2.3時鐘電路與復(fù)位電路1.振蕩電路MCS－51單片機的振蕩器有內(nèi)部和外部兩種方式。內(nèi)部時鐘2.3.1時鐘電路外部時鐘2023/12/52.指令時序振蕩周期（時鐘周期）：晶振頻率的倒數(shù)。狀態(tài)和節(jié)拍：1個狀態(tài)=2節(jié)拍（P1+P2)；1節(jié)拍時間=1振蕩周期。機器周期：實現(xiàn)特定功能所需的時間。1機器周期=6狀態(tài)=12振蕩周期。

指令周期：

執(zhí)行一條指令所需的時間。

2023/12/5指令執(zhí)行時序圖2023/12/52.3.2復(fù)位方式與電路1.復(fù)位使單片機進入某種確定的初始狀態(tài)：▼PC值歸零（0000H）；▼各個SFR被賦予初始值：▼退出處于節(jié)電工作方式的停頓狀態(tài)、退出一切程序進程、退出程序的死循環(huán)，重新開始。2.簡單復(fù)位電路▼上電復(fù)位電路（Time>10ms）▼上電＋按鍵復(fù)位電路2023/12/53.專用復(fù)位電路：作用：▼上電復(fù)位、手動復(fù)位、掉電檢測信號輸出。看門狗電路

作用：監(jiān)視系統(tǒng)的工作，防止程序跑飛。工作原理：帶清零功能的計數(shù)器。

2.3.2復(fù)位方式與電路2023/12/5MCS-51復(fù)位后內(nèi)部寄存器狀態(tài)特殊功能寄存器初始狀態(tài)特殊功能寄存器初始狀態(tài)ACC00HTCON00HB00HTH000HPSW00HTL000HSP07HTH100HDPL00HTL100HDPH00HSCON00HP0～P30FFHSBUF不定IPXXX00000BPCON0XXXXXXXBIE0XX00000BTMOD00HPC0000H2023/12/52.4 89C51外部引腳及功能一般采用40PDIP塑封。共可分為四個部分：1、電源:2個2、外接晶體振蕩器2個3、控制信號引腳4個4、I/O引腳32個P0P1P2P32023/12/5Vcc：接＋5V電源（低功耗的為+3.3V/2.7V）

GND：接地端一般VDD和VSS之間應(yīng)接高頻和低頻濾波電容。

2.4.1主電源引腳2023/12/5山東科技大學(xué)XTAL1：芯片內(nèi)部振蕩電路（單級反相放大器）輸入端；XTAL2：芯片內(nèi)部振蕩電路（單級反相放大器）輸出端；

振蕩頻率為晶振頻率（1.2～24MHz），另外需兩個30pF左右的電容以微調(diào)頻率；2.4.2外接晶體振蕩器引腳2023/12/5山東科技大學(xué)P0口:為三態(tài)雙向口，可驅(qū)動8個TTL電路;P1、P2、P3口:為準雙向口（作為輸入時，口線被拉成高電平，故稱為準雙向口），其負載能力為4個TTL電路。P0-P3為多功能引腳，可自動切換用作數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線或I/O接口外部引腳2.4.3I/O端口2023/12/5山東科技大學(xué)ALE：地址鎖存允許信號端；PSEN:外部程序存儲器讀選通信號端；EA/VPP：程序存儲器選擇信號端和編程電源輸入端；EA=0:只訪問片外程序存儲器；EA=1:先訪問片內(nèi)程序存儲器再片外;RST/VPD：復(fù)位信號端和后備電源輸入端。輸入10ms以上高電平脈沖，單片機復(fù)位。VPD使用后備電源，可實現(xiàn)掉電保護。2.4.4控制引腳2023/12/5山東科技大學(xué)2.5I/O端口電路與電氣特性

4個8位并行I/O口，32根I/O引腳；

擴展時：P0口：作地址/數(shù)據(jù)總線，分時輸出低8位地址和傳送8位數(shù)據(jù)；P2口：作高8位地址總線；P3口也具有第二功能。

每一個口都包含一個鎖存器，一個輸出驅(qū)動器和兩個（P3口為3個）輸入緩沖器。2023/12/51、P0接口結(jié)構(gòu)P0口可作為通用I/O接口，也可作為地址/數(shù)據(jù)總線口。2.5.1并行I/O口的功能結(jié)構(gòu)_P0口“控制”=0,作通用I/O口；“控制”=1,作地址/數(shù)據(jù)口；00截止截止寫11輸出地址/數(shù)據(jù)=0時輸出地址/數(shù)據(jù)=1時輸出地址/數(shù)據(jù)=1時2023/12/5（1）地址/數(shù)據(jù)總線“控制”信號為1，多路開關(guān)MUX向上，地址/數(shù)據(jù)信號反相后經(jīng)多路開關(guān)送到下一個場效應(yīng)管的柵極。如果地址/數(shù)據(jù)信號為1，則下場效應(yīng)管截止上場效應(yīng)管導(dǎo)通，引腳為高電平；若地址/數(shù)據(jù)信號為0，則下場效應(yīng)管導(dǎo)通上場效應(yīng)管截止，引腳為低電平，即地址/數(shù)據(jù)信號可順利的到達引腳。（2）通用I/O接口“控制”信號為“0”，多路開關(guān)MUX向下，輸出驅(qū)動器處于開漏狀態(tài)，故需外接上拉電阻，這種情況下，電路結(jié)構(gòu)與P1相同，是一個準雙向口，當(dāng)要作為輸入時，必須先向口鎖存器寫“1”。2、P0接口功能2023/12/52.5.2、并行I/O口的功能結(jié)構(gòu)_P1口P1口只有一種功能——通用輸入輸出接口。1、P1接口結(jié)構(gòu)鎖存器起輸出鎖存作用，8位鎖存器組成特殊功能寄存器P1。2、P1接口功能20