51系列單片機的結(jié)構(gòu)及原理1課件

課前提問2、微型計算機系統(tǒng)采用總線結(jié)構(gòu)。按功能可將總線分為哪幾種？1、微型計算機的硬件（即通常所說的主機）主要有哪幾部分組成？7/25/202311.2.1進位計數(shù)制及其轉(zhuǎn)換1.2.2計算機中的編碼

1.2計算機中的數(shù)制與編碼

了解各種計數(shù)制的特點及表示方法；掌握各種計數(shù)制之間的相互轉(zhuǎn)換。掌握碼制的概念、BCD碼和ASCII碼7/25/20232十進制——符合人們的習慣。D，Decimal二進制——便于物理實現(xiàn)。B，Binary十六進制——便于識別、書寫。H，Hexadecimal

常用進位計數(shù)制：

1.2.1進位計數(shù)制及其轉(zhuǎn)換

我們每天都在和數(shù)字打交道，大家最熟悉的數(shù)制是十進制數(shù)，它有0～9十個基本的數(shù)碼、逢10進1。計算機識別、記憶0、1組成的數(shù)。二者之間如何溝通？

7/25/20233一般地，對任意一個K進制數(shù)S都可表示為:其中：

Si

--

S的第i位數(shù)碼，可以是K個符號中任何一個；

n,m–

整數(shù)和小數(shù)的位數(shù)；

K

--

基數(shù)；

Ki

--K進制數(shù)的權(quán)1.任意K進制數(shù)的表示

1.2.1進位計數(shù)制及其轉(zhuǎn)換7/25/20234

1.2.1進位計數(shù)制及其轉(zhuǎn)換表1-1

數(shù)0～15的四種不同進位制的表示對照十進制數(shù)二進制數(shù)八進制數(shù)十六進制數(shù)十進制數(shù)二進制數(shù)八進制數(shù)十六進制數(shù)00000B0Q0H81000B10Q8H10001B1Q1H91001B11Q9H20010B2Q2H101010B12QAH30011B3Q3H111011B13QBH40100B4Q4H121100B14QCH50101B5Q5H131101B15QDH60110B6Q6H141110B16QEH70111B7Q7H151111B17QFH7/25/20235非十進制數(shù)→

十進制數(shù)：

規(guī)則：

按相應(yīng)的權(quán)表達式展開，再按十進制求和。例1-1：

24.AH=2×16+4×160+A×16-1=36.625注：A～F分別用10～15代入2.進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換

1.2.1進位計數(shù)制及其轉(zhuǎn)換例1-2：1011.101B轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)。7/25/20236十進制→二進制：規(guī)則：整數(shù)：除以2、取余數(shù)，余數(shù)逆序排列；小數(shù)：乘以2、取整數(shù)，整數(shù)順序排列。十進制

→

十六進制：規(guī)則：整數(shù)：除以16、取余數(shù)，余數(shù)逆序排列；小數(shù)：乘以16、取整數(shù)，整數(shù)順序排列。

1.2.1進位計數(shù)制及其轉(zhuǎn)換注：十進制轉(zhuǎn)換成任意K進制數(shù)與上類似，整：除以

K取余，小數(shù)：乘K取整。7/25/20237

1.2.1進位計數(shù)制及其轉(zhuǎn)換【例題1-2】

將十進制數(shù)123.375轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)。解：依照上述基本方法有

整數(shù)部分小數(shù)部分—————————————————————

123/2=61余數(shù)=10.375×2=0.75整數(shù)部分=061/2=30余數(shù)=10.75×2=1.5整數(shù)部分=130/2=15余數(shù)=00.5×2=1.0整數(shù)部分=115/2=7余數(shù)=17/2=3余數(shù)=13/2=1余數(shù)=11/2=0余數(shù)=1

最終轉(zhuǎn)換結(jié)果（123.375）10=(1111011.011)2

7/25/20238

1.2.1進位計數(shù)制及其轉(zhuǎn)換【例題1-4】

將十進制數(shù)455.65625轉(zhuǎn)換為十六進制數(shù)。解：整數(shù)部分小數(shù)部分

—————————————————————455/16=28余數(shù)=70.65625×16=10.50000整數(shù)部分=10(A)28/16=1余數(shù)=C0.5×16=8.00000整數(shù)部分=81/16=0余數(shù)=1最終轉(zhuǎn)換結(jié)果（455.65625）10=(1C7.A8)16

7/25/20239

1.2.1進位計數(shù)制及其轉(zhuǎn)換二進制數(shù)與十六進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換1位十六進制數(shù)可用4位二進制數(shù)來表示，這樣二進制數(shù)與十六進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換就很方便。二進制數(shù)→十六進制數(shù)方法是：從小數(shù)點開始，向左和向右把整數(shù)和小數(shù)部分每4位分為一組。整數(shù)部分最高位的一組不足4位，在其左邊補0到4位；小數(shù)部分最低位的一組不足4位，在其右邊補0到4位。然后將每組二進制數(shù)用對應(yīng)的十六進制數(shù)代替，即得到轉(zhuǎn)換結(jié)果。十六進制數(shù)→二進制數(shù)方法與二進制數(shù)到十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換過程相反，將每一位十六進制數(shù)用對應(yīng)的4位二進制數(shù)取代即可。7/25/202310

1.2.1進位計數(shù)制及其轉(zhuǎn)換二進制數(shù)→十六進制數(shù)(1,1110,1111.1001)2=(1EF.9)16十六進制數(shù)→二進制數(shù)(679)16=(011001111001)2

4位二進制對應(yīng)1位十六進制7/25/202311第2章：51系列單片機的結(jié)構(gòu)及原理

2.151系列單片機的結(jié)構(gòu)原理2.2

51系列單片機的存儲器組織2.3

51系列單片機的輸入/輸出口2.4

51系列單片機的時鐘電路與時序2.551系列單片機的復位電路2.6低功耗工作方式與看門狗定時器7/25/202312【基本知識點與要求】理解51系列單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、基本組成、訪問存儲器的時序。(2)熟練掌握51系列單片機的引腳與功能。(3)熟練掌握51系列單片機的存儲器組織與I/O接口的特點、操作方法。(4)熟練掌握51系列單片機的時鐘電路、時序及其相關(guān)概念和復位電路?！局攸c與難點】

重點是51系列單片機的內(nèi)部資源、外部引腳與功能、存儲器組織、時鐘電路、時序和復位電路。難點是內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器及高128B數(shù)據(jù)存儲單元與SFR區(qū)域的區(qū)別與使用方法，訪問片外ROM/RAM的指令時序。第2章：51系列單片機的結(jié)構(gòu)及原理

7/25/2023132.1

51系列單片機的結(jié)構(gòu)2.1.1

51系列單片機的基本組成

2.1.2

51系列單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.1.3

51系列單片機的引腳及功能【重點與難點】

重點是51系列單片機的內(nèi)部資源、外部引腳與功能。

難點是51系列單片機外部引腳的功能。7/25/2023141.

一個8位CPU；2.4KB片內(nèi)程序存儲器；3.128個字節(jié)的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器；4.4個8bit并行I/O口P0~P3；5.2個16位定時器/計數(shù)器T0、T1；6.1個全雙工串行I/O接口，可多機通信。7.片內(nèi)中斷處理系統(tǒng)：5個中斷源，2級中斷優(yōu)先級；8.時鐘電路。

89C52的變化，8KFlashROM代替4kROM,RAM增加到256B,增加了一個16bit定時/計數(shù)器（

T2）。2.1.151系列單片機的基本組成7/25/20231551系列單片機的結(jié)構(gòu)框圖①②③④4個8位并行I/O口④④④④⑤⑥⑤

2個16位的定時器/計數(shù)器⑦⑧⑦

5個中斷源，2級優(yōu)先級嵌套8位數(shù)據(jù)總線地址總線7/25/2023167/25/2023171.中央處理單元CPU

CPU是單片機的控制指揮中心，由運算器和控制器兩大部分組成。一個8位CPU；（1）運算器：以算術(shù)/邏輯運算單元ALU為核心，由累加器ACC(簡稱A)、寄存器B和程序狀態(tài)字寄存器PSW等部件組成。主要完成:算術(shù)運算（加、減、乘、除等）、邏輯運算（與、或、異或）、位運算（位置“1”、置“0”和取反）和數(shù)據(jù)傳送等操作，運算結(jié)果的狀態(tài)由PSW保存。

2.1.251系列單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)下面介紹圖2-1中片內(nèi)各功能部件。7/25/202318（2）控制器由程序計數(shù)器PC、指令譯碼器ID、指令寄存器IR、數(shù)據(jù)指針DPTR、堆棧指針SP

、緩沖器和定時控制電路等部件組成。主要任務(wù)是識別指令，產(chǎn)生相應(yīng)的操作時序和控制信號，協(xié)調(diào)單片機各部分正常工作。

2.數(shù)據(jù)存儲器RAM

51系列單片機存儲器空間有程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器兩個獨立的空間，這種形式為哈佛結(jié)構(gòu)（分別獨立編址）。

51系列單片機有128B的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器RAM（52子系列為256B）、片外可擴展64KB；RAM用來存儲單片機運行期間的工作變量、運算中間結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存和標志位等。2.1.251系列單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)目前大部分通用微型計算機：RAM和ROM統(tǒng)一編址(普林斯頓結(jié)構(gòu))7/25/2023193.程序存儲器ROM51系列單片機有4KB可在系統(tǒng)編程的程序存儲器ROM，片外可擴展到64KB。8031無此部件。用來存儲程序。4.I/O接口

51系列單片機有4個8位并行I/O接口：P0口、P1口、P2口和P3口。CPU通過內(nèi)部總線對I/O接口中的寄存器進行讀寫。5.定時器/計數(shù)器

51系列單片機有2個16位定時器/計數(shù)器T0、T1（52子系列有3個），4種工作方式。6.串行口

1個全雙工的異步串行I/O口，具有4種工作方式。可進行串行通信，擴展并行I/O口，還可與多個單片機構(gòu)成多機系統(tǒng)。另外，還有中斷系統(tǒng)、時鐘電路。

2.1.251系列單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)7/25/202320

40只引腳雙列直插封裝（DIP）44只引腳方形封裝方式（4只無用）2.1.3

51系列單片機引腳及功能

40只引腳按功能分為3類：（1）電源及時鐘引腳:

Vcc、Vss；XTAL1、XTAL2。4根（2）控制引腳：、

ALE、、RESET

（即RST）。4根

（3）輸入/輸出I/O口引腳：P0、P1、P2、P3，為4個8位I/O口引腳。

32根7/25/202321電源及時鐘引腳Vcc（+5V）電源輸入端電源引腳（2根）（1）Vcc，（第40引腳）：電源端，接+5V電源。（2）Vss

（第20引腳）：接地引腳，有時標記為GND。Vss（GND）共用接地端7/25/202322電源及時鐘引腳1、當使用內(nèi)部振蕩電路時，

XTAL1（第19引腳）和XTAL2（第18引腳）分別用做晶體振蕩電路的反相器輸入端和輸出端。這兩個端子用來外接一個石英晶體或陶瓷振蕩器，構(gòu)成一個自激振蕩器。常用的時鐘電路有兩種方式：內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。7/25/202323單片機XTAL1XTAL21918C1C2電容C1、C2通常選20~30PF左右振蕩頻率1.2MHz~12MHz晶振內(nèi)部時鐘方式電路C1、C2取值對振蕩頻率輸出大小、穩(wěn)定性及振蕩電路的起振速度有一定的影響。通常外接一個晶振兩個電容內(nèi)部時鐘方式7/25/202324CHMOS型2、當采用外部振蕩器時，可直接將外部振蕩脈沖接入XTALl或XTAL2。HMOS和CHMOS單片機外時鐘信號接入方式不同，如表所示。HMOS型外部時鐘方式7/25/2023252.控制引腳（4根）（1）RST/VPD(RESET，9腳)RST為復位信號輸入端，高電平有效；正常工作時，此腳電平應(yīng)≤0.5V。

VPD為內(nèi)部RAM的備用電源輸入端。當主電源Vcc一旦發(fā)生斷電或電壓降到一定值時，可通過VPD為單片機內(nèi)部RAM提供電源，以保護片內(nèi)RAM中的信息不丟失，使單片機上電后能繼續(xù)正常運行。出現(xiàn)持續(xù)時間大于2個機器周期以上的高電平時，單片機復位注意：單片機復位后，程序計數(shù)器PC的內(nèi)容為0000H（該單元存放一條跳轉(zhuǎn)指令，跳向主程序入口地址）。7/25/202326復位可分為上電復位、按鍵復位兩種方式。利用電容器的充放電，加給RST引腳一個短的高電平信號來實現(xiàn)的。為保證系統(tǒng)可靠復位，RST引腳上的高電平必須維持足夠長的時間。RST引腳上的高電平持續(xù)時間取決于電容C充電時間。通常時鐘頻率為6MHz時，C取22μF，R取1KΩ。上電復位電路按鍵復位的電路7/25/202327EA/VPP(31)PSEN(29)名稱功能片外ROM讀選通信號輸出引腳，輸出低電平有效。通過P0口讀回指令或常數(shù)。常與片外ROM的OE(輸出允許)引腳相連內(nèi)外ROM選擇控制引腳/編程電壓EA=0時，選片外ROM；1，地址小于4k時，選片內(nèi)ROM地址大于4k時，選片外ROMP0口是數(shù)據(jù)/地址復用口P0口傳輸數(shù)據(jù)信息P0口輸出地址信息鎖存地址ALE/PROG(30)地址鎖存允許信號輸出引腳/編程脈沖輸入端如8031芯片該引腳接地其他3個控制引腳為數(shù)據(jù)總線/低8位地址總線為高8位地址總線P0口P2口7/25/202328

3.輸入/輸出引腳（32根）（1）P0口（P0.0～P0.7，第39～32引腳）作雙向I/O口使用或者作為低8位地址總線/數(shù)據(jù)總線分時復用。第一功能：是一個8位的雙向I/O口，這時P0口可看成用戶的數(shù)據(jù)總線；第二功能：當外擴存儲器及I/O接口芯片時，P0口作為低8位地址總線及數(shù)據(jù)總線的分時復用端口。在訪問外部存儲器時，先用做地址總線，再用做數(shù)據(jù)總線。7/25/202329（2）P1口（P1.0～P1.7，第1～8引腳）：P1口的第一功能是作為準雙向I/O口使用。第二功能用戶可通過編程自定義。（3）P2口（P2.0～P2.7，第21～28引腳）：P2口作為一般的準雙向I/O口使用或者高8位地址總線輸出引腳。第一功能：一個內(nèi)部帶上拉電阻的8位準雙向I/O口。第二功能：當外擴存儲器或I/O接口芯片時，P2口作為高8位地址總線使用。和P0口一起組成16位片外存儲器的地址總線，可訪問64KB存儲空間。作為輸入口時，應(yīng)先向該口寫入“1”7/25/202330（4）P3口（P3.0～P3.7，第10～17引腳）：P3口一般作為準雙向I/O口使用或者第二功能引腳。

P3口通常使用其第二功能。7/25/202331引腳第二功能符號第二功能描述P3.0(10)RxD串行通信數(shù)據(jù)接收引腳P3.1(11)TxD串行通信數(shù)據(jù)發(fā)送引腳P3.2(12)外部中斷0請求信號輸入引腳，低電平有效P3.3(13)外部中斷1請求信號輸入引腳，低電平有效P3.4(14)T0定時/計數(shù)器0外部計數(shù)脈沖輸入引腳P3.5(15)T1定時