第1章MCS-51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)

第1章MCS-51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)第一頁，共40頁。1.1.18051單片機(jī)的介紹

單片機(jī)

:是單片微型計(jì)算機(jī)(singlechipmicrocomputer)的簡稱，將計(jì)算機(jī)的CPU、RAM、ROM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器和多種I／O接口集成在一片芯片上，形成的芯片級(jí)的計(jì)算機(jī)。8051單片機(jī)采用“哈佛”結(jié)構(gòu)，它有兩個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)器分別程序存儲(chǔ)器（ROM）和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)，地址空間相同，通過不同指令進(jìn)行區(qū)分。第二頁，共40頁。

1.1.28051單片機(jī)的基本組成時(shí)鐘電路SFR和RAMROMCPU（運(yùn)算器、控制器）定時(shí)/計(jì)數(shù)器并行端口中斷系統(tǒng)串行端口系統(tǒng)總線時(shí)鐘源T0T1P0

P1

P2

P3TXDRXDINT0INT1程序存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器三總線：地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線。

地址總線和數(shù)據(jù)總線分時(shí)復(fù)用。存儲(chǔ)器第三頁，共40頁。

（1）一個(gè)8位微處理器CPU。（2）片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM和特殊功能寄存器SFR。（3）片內(nèi)程序存儲(chǔ)器ROM。（4）兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0、T1，可用作定時(shí)器，也可用以對(duì)外部脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。（5）四個(gè)8位可編程的并行I/O端口，每個(gè)端口既可作輸入，也可作輸出。（6）一個(gè)串行端口，用于數(shù)據(jù)的串行通信。（7）中斷控制系統(tǒng)。（8）內(nèi)部時(shí)鐘電路。

一個(gè)8051單片機(jī)包含下列部件第四頁，共40頁。CPU即中央處理器，是單片機(jī)的核心部件，它完成各種運(yùn)算和控制操作，CPU由運(yùn)算器和控制器兩部分組成。（1）運(yùn)算器

運(yùn)算器以算術(shù)邏輯單元ALU為核心，加上累加器ACC、暫存寄存器TMP和程序狀態(tài)字寄存器PSW等所組成。ALU主要用于完成二進(jìn)制數(shù)據(jù)的算術(shù)和邏輯運(yùn)算，并通過對(duì)運(yùn)算結(jié)果的判斷影響程序狀態(tài)字寄存器PSW中有關(guān)位的狀態(tài)。

1.1.38051單片機(jī)的CPUCYACF0RS1RS0OV—PD7D0內(nèi)部總線PSW:第五頁，共40頁。PSW中各位的意義如下：CY：進(jìn)位標(biāo)志。在進(jìn)行加法或減法運(yùn)算時(shí)，若運(yùn)算結(jié)果的最高位有進(jìn)位或借位，CY=1，否則CY=0，在執(zhí)行位操作指令時(shí)，CY作為位累加器。AC：輔助進(jìn)位標(biāo)志。在進(jìn)行加法或減法運(yùn)算時(shí)，若低半字節(jié)向高半字節(jié)有進(jìn)位或借位，AC=1，否則AC=0，AC還作為BCD碼運(yùn)算調(diào)整時(shí)的判別位。F0：用戶標(biāo)志。RS1和RS0：工作寄存器組選擇，如下表所示。RS1RS0工作寄存器組片內(nèi)RAM地址00第0組00H～07H01第1組08H～0FH

10第2組10H～17H

11第3組18H～1FH

第六頁，共40頁。

例題：請(qǐng)說明執(zhí)行如下語句后PSW的狀態(tài)。chartemp=0FH+F8H;注：F0,RS1,RS0,不用位默認(rèn)為0答案：PSW:11000001第七頁，共40頁。（2）控制器

控制器主要發(fā)布操作命令，控制運(yùn)算器按適當(dāng)順序進(jìn)行工作。包括對(duì)逐條指令譯碼，并通過定時(shí)和控制電路在規(guī)定時(shí)刻發(fā)出各種操作所需的內(nèi)部和外部控制信號(hào)，協(xié)調(diào)單片機(jī)各部分正常工作?？刂破饔沙绦蛴?jì)數(shù)器PC、指令寄存器、指令譯碼器、數(shù)據(jù)指針DPTR、堆棧指針SP、緩沖器以及定時(shí)與控制電路等組成。程序計(jì)數(shù)器PC：16位寄存器，存放下一條要執(zhí)行指令地址，能自動(dòng)增1。堆棧指針SP：用來指示單片機(jī)片內(nèi)RAM區(qū)堆棧的起始地址。指令譯碼器：對(duì)指令進(jìn)行譯碼，產(chǎn)生指令的各種控制信號(hào)數(shù)據(jù)指針寄存器DRTR：它是一個(gè)16位寄存器，由高位字節(jié)DPH和低位字節(jié)DPL組成，存放片外RAM的地址。第八頁，共40頁。CPU工作過程第九頁，共40頁。1.2存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)4k60k離散分布64k128128ROMRAM64k8031:64K片外ROM8051、8751:4K片內(nèi)，64K片外特殊功能寄存器第十頁，共40頁。程序存儲(chǔ)器ROM程序存儲(chǔ)器ROM包括片內(nèi)ROM和片外ROM兩個(gè)部分。主要用來存放編好的用戶程序和表格常數(shù)，它以16位的程序計(jì)數(shù)器PC作為地址指針，尋址空間為64KB。當(dāng)EA接高電平時(shí)，單片機(jī)從片內(nèi)ROM的4kB字節(jié)存儲(chǔ)器區(qū)取指令，當(dāng)指令地址超過0FFFH后，自動(dòng)地轉(zhuǎn)向片外ROM取指令。當(dāng)EA接低電平時(shí)，所有的取指操作均對(duì)片外程序存儲(chǔ)器進(jìn)行。第十一頁，共40頁。片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM片內(nèi)RAM有256個(gè)字節(jié)，其中00H～7FH地址空間是直接尋址區(qū)。00H～1FH地址為工作寄存器區(qū)，安排了4組工作寄存器，每組都為R0～R7，占用8個(gè)存儲(chǔ)單元。在某一時(shí)刻，CPU只能使用其中某一組工作寄存器，由程序狀態(tài)字PSW中RS1和RS0的狀態(tài)決定。20H～2FH地址單元為位尋址區(qū)，其中每個(gè)字節(jié)的每一位都規(guī)定了位地址。每個(gè)地址單元除了可進(jìn)行字節(jié)操作之外，還可進(jìn)行位操作。30H～7FH地址單元為用戶RAM區(qū)（便箋區(qū)），只能進(jìn)行字節(jié)尋址，用作數(shù)據(jù)緩沖區(qū)以及堆棧區(qū)。片內(nèi)RAM的80H～FFH地址空間是特殊功能寄存器SFR區(qū)，對(duì)于51子系列在該區(qū)域內(nèi)安排了21個(gè)特殊功能寄存器（52系列26個(gè)特殊功能寄器）。連續(xù)非連續(xù)第十二頁，共40頁。工作寄存器區(qū)位尋址區(qū)便箋區(qū)第十三頁，共40頁。特殊功能寄存器地址及功能表注：SFR中字節(jié)地址低4位是0或者8的，支持位尋址，即可以對(duì)寄存器某一位進(jìn)行操作。即如下兩組語句是等效的：P0=10011001B;等于P0^0=1;P0^1=0;P0^2=0;P0^3=1;P0^4=1;P0^5=0;P0^6=0;P0^7=1;第十四頁，共40頁。片內(nèi)ROM和片外ROM。片內(nèi)RAM和片外RAM。片外程序存儲(chǔ)器ROM地址空間為64kB，片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM也有64kB的尋址區(qū)，在地址上是與ROM重迭的。

8051單片機(jī)通過不同信號(hào)來選通ROM或RAM。當(dāng)從外部ROM中取指令時(shí)，采用選通信號(hào)PSEN，而從外部RAM中讀寫數(shù)據(jù)時(shí)則采用讀RD和寫WR信號(hào)或來選通，因此不會(huì)因地址重迭而發(fā)生混亂。8051在物理上有4個(gè)存儲(chǔ)器空間第十五頁，共40頁。地址低8位地址高8位ROMRAM第十六頁，共40頁。

片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM

當(dāng)片內(nèi)RAM不能滿足數(shù)量上的要求時(shí)，可通過總線端口和其他I/O口擴(kuò)展外部RAM——片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM，其最大容量可達(dá)64KB字節(jié)。注意：片外RAM和擴(kuò)展的I/O口是統(tǒng)一編址的，使用的指令也完全相同，因此，用戶在應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須合理地進(jìn)行外部RAM和I/O端口的地址分配，并保證譯碼的唯一性。第十七頁，共40頁。P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/VPDRXD/P3.0TXD/P3.1INT0/P3.2INT1/P3.3T0/P3.4T1/P3.5WR/P3.6RD/P3.7XTAL2XTAL1VSS12345678910111213141516171819208031805187514039383736353433323130292827262521222324VCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VppALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0

1.3.18051單片機(jī)引腳描述第十八頁，共40頁。1.3.18051單片機(jī)引腳描述第十九頁，共40頁。1.3.18051單片機(jī)引腳第二十頁，共40頁。1.3.18051單片機(jī)引腳8051有40條引腳，共分為端口引腳、電源引腳和控制引腳。端口引腳（4×8=32條）8051共有4個(gè)并行I/O端口，分別是P0口、P1口、P2口、P3口，每個(gè)端口都有8條端口線，用于傳送數(shù)據(jù)/地址。P0口：P0.7～P0.0不接片外存儲(chǔ)器時(shí)是雙向I/O通用端口，用于并行傳輸數(shù)據(jù),以吸收電流的方式可以驅(qū)動(dòng)8個(gè)LS型TTL負(fù)載（不建議使用）帶片外存儲(chǔ)器，分時(shí)傳送地址低8位和8位讀寫數(shù)據(jù)第二十一頁，共40頁。地址低8位數(shù)據(jù)地址高8位第二十二頁，共40頁。1.3.18051單片機(jī)引腳P1口：P1.7～P1.0雙向通用數(shù)據(jù)輸入輸出口，最常使用的數(shù)據(jù)接口，可以驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL負(fù)載。P2口：P2.7～P2.0不接片外存儲(chǔ)器時(shí)是雙向I/O通用端口，用于傳輸數(shù)據(jù)（不是所有仿真器都支持建議初學(xué)者勿用）訪問外存儲(chǔ)器時(shí)，輸出高8位地址。P3口：P3.7～P3.0雙向I/O端口，用于傳輸數(shù)據(jù)（P3.6和P3.7慎用，一般作為片外存儲(chǔ)器讀寫信號(hào)）控制引腳，具體功能如下：第二十三頁，共40頁。見P13第二十四頁，共40頁。1.3.18051單片機(jī)引腳描述電源引腳Vcc和Vss

Vcc：電源端，接＋5V。

Vss：接地端?？刂埔_

XTAL1和XTAL2:片內(nèi)振蕩電路輸入引腳

外接石英晶振和微調(diào)電容，給單片機(jī)提供時(shí)鐘信號(hào)。

ALE:地址鎖存允許信號(hào)

訪問片外RAM/ROM時(shí)，下降沿鎖存P0口輸出的低8位地址從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與低位地址的復(fù)用。

第二十五頁，共40頁。地址低8位數(shù)據(jù)地址高8位第二十六頁，共40頁。PSEN：外部程序存儲(chǔ)器ROM讀選通信號(hào)

PSEN是外部程序存儲(chǔ)器ROM的讀選通信號(hào)，低電平有效。

EA/VPP:訪問外部存儲(chǔ)器的控制信號(hào)。EA區(qū)分使用片內(nèi)ROM還是片外ROM讀取程序，

當(dāng)EA為高電平時(shí)，CPU執(zhí)行片內(nèi)程序存儲(chǔ)器指令，但當(dāng)PC中的值超過0FFFH時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行片外程序存儲(chǔ)器指令。當(dāng)EA為低電平時(shí)，CPU只執(zhí)行片外程序存儲(chǔ)器指令。

復(fù)位信號(hào)RST

該信號(hào)高電平有效，在輸入端保持兩個(gè)機(jī)器周期的高電平后，就可以完成復(fù)位操作。第二十七頁，共40頁。1.3.28051單片機(jī)的CPU時(shí)序CPU時(shí)序：CPU執(zhí)行指令所需控制信號(hào)的時(shí)間順序。1單片機(jī)的時(shí)鐘電路——產(chǎn)生時(shí)序信號(hào)的電路2振蕩周期、機(jī)器周期、指令周期第二十八頁，共40頁。單片機(jī)的時(shí)鐘電路單片機(jī)時(shí)鐘電路通常有兩種接線形式：1．內(nèi)部振蕩方式：利用片內(nèi)振蕩電路產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)8051單片機(jī)片內(nèi)有一個(gè)高增益反相放大器，它與片內(nèi)振蕩電路輸入引腳XTAL1和XTAL2之間外接的石英晶體和微調(diào)電容，共同構(gòu)成穩(wěn)定的自激振蕩電路，并產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘脈沖信號(hào)。2．外部振蕩方式：外部振蕩方式就是把外部已有的時(shí)鐘信號(hào)引入單片機(jī)內(nèi)。第二十九頁，共40頁。XTAL2XTAL1MCS-51C1C2CYSXTAL2XTAL1MCS-51+5VVSSTTL外部時(shí)鐘源內(nèi)部振蕩方式

外部振蕩方式第三十頁，共40頁。8051單片機(jī)的三種周期在時(shí)鐘脈沖電路推動(dòng)下，51單片機(jī)根據(jù)控制信號(hào)去完成取指令、指令譯碼和指令執(zhí)行等基本操作，操作的時(shí)間如何度量呢？振蕩周期（時(shí)鐘周期）：單片機(jī)片內(nèi)振蕩電路產(chǎn)生一個(gè)完整的方波信號(hào)所用的時(shí)間。可根據(jù)時(shí)鐘脈沖頻率的倒數(shù)求得，它是時(shí)序中最小的時(shí)間單位。例如51單片機(jī)主頻為1MHZ，則時(shí)鐘周期為1us。機(jī)器周期：完成一個(gè)基本操作所需的時(shí)間，通常為12個(gè)振蕩周期，分為6個(gè)S狀態(tài)：S1~S6，每個(gè)狀態(tài)分為2拍，即P1和P2，因此一個(gè)機(jī)器周期可以表示為S1P1、S1P2、S2P1…….S6P2。指令周期：指CPU執(zhí)行一條指令所需要的時(shí)間，一個(gè)指令周期通常含有1～4個(gè)機(jī)器周期。第三十一頁，共40頁。P1P2S1振蕩周期機(jī)器周期機(jī)器周期指令周期XTAL2(OSC)S2S3S4S5S6S1S2S4S5S3S6P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P2P2P2P2P2P2P2P2P2P28051單片機(jī)各種周期的相互關(guān)系

振蕩周期、機(jī)器周期、指令周期P2第三十二頁，共40頁。

振蕩周期＝

機(jī)器周期＝

指令周期＝

8051單片機(jī)外接晶振為12MHz時(shí)

3個(gè)周期的具體值1μs1/12μs1~4μs第三十三頁，共40頁。1.3.3復(fù)位電路及復(fù)位狀態(tài)1．復(fù)位電路

8051單片機(jī)啟動(dòng)時(shí)需要復(fù)位，以使CPU和系統(tǒng)各個(gè)部件處于一種確定初始狀態(tài)。復(fù)位時(shí)需要在RST引腳上加上一個(gè)大于兩個(gè)機(jī)器周期（24個(gè)時(shí)鐘周期）高電平復(fù)位。 8051單片機(jī)通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵手動(dòng)復(fù)位兩種方式。第三十四頁，共40頁。C122μF

RSTR11KΩ+5V+5V803180518751（a）上電復(fù)位電路（b）按鍵復(fù)位電路C122μF

RSTR2200Ω803180518751R11KΩ上電復(fù)位和按鍵復(fù)位電路PP第三十五頁，共40頁。特殊功能寄存器初始狀態(tài)特殊功能寄存器初始狀態(tài)ACC00HTMOD00HPC0000HTCON00HPSW00HTH000HSP07HTL000HDPL00HTH100HDPH00HTL100HP0～P3FFHSBUF不定IP×××000