MCS-51單片機(jī)原理及應(yīng)用.ppt

1、MCS-51單片機(jī)原理及應(yīng)用,陳付龍 安徽師范大學(xué)數(shù)學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院,引子,單片機(jī)：是在一片硅片上集成了CPU、存儲(chǔ)器（ROM，RAM，EPROM）和各種I/O接口（定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，并行I/O口，串行I/O口，A/D轉(zhuǎn)換器，脈沖調(diào)制器PWM等），具有一臺(tái)計(jì)算機(jī)功能的設(shè)備，又稱單板機(jī)、單片微型計(jì)算機(jī)、微控制器（Micro-Controller）、嵌入式控制器（Embedded-Controller）。 主要用在智能儀器儀表、機(jī)電設(shè)備過程控制、自動(dòng)檢測、家電和數(shù)據(jù)采集處理等方面。,1、什么是單片機(jī)： 單片機(jī)全稱單片微型計(jì)算機(jī)。它是在同一塊芯片上集成了一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)所需的CPU、存儲(chǔ)器(ROM、RA

2、M)、輸入/輸出部件和時(shí)鐘等控制部件.不求規(guī)模大,力爭小而全。 2、單片機(jī)的特點(diǎn) 單片機(jī)：把微處理器和少量RAM（128/256字節(jié)）、ROM（4-8K）以及I/O等有關(guān)電路集成在一片半導(dǎo)體芯片。,3、如何學(xué)習(xí)單片機(jī),硬件： 掌握單片機(jī)的硬件資源及外部擴(kuò)展電路的方法，合理分配資源。 軟件：掌握單片機(jī)的指令（語句）功能、程序設(shè)計(jì)和調(diào)式方法，仿真軟件的使用。 具體方法： 1、從最基本的典型電路-進(jìn)行編程控制。 2、對(duì)例題、子程序進(jìn)行軟件分析仿真-修改、擴(kuò)充功能 *在進(jìn)行硬件資源分配時(shí)，應(yīng)特別關(guān)注具有特殊功能的I/O。,主要內(nèi)容,1.單片機(jī)的歷史和發(fā)展?fàn)顩r 2.單片機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域 3.主流系列單

3、片機(jī)的簡介 4.MCS-51單片機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理 5.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng),1. 單片機(jī)的歷史及發(fā)展?fàn)顩r,單片機(jī)出現(xiàn)的歷史并不長, 但發(fā)展十分迅猛。 它的產(chǎn)生與發(fā)展和微處理器的產(chǎn)生與發(fā)展大體同步, 自1971年美國Intel公司首先推出4位微處理器以來, 1974年美國仙童（Fairchild）公司生產(chǎn)出第一塊單片機(jī)（F8）開始，它的發(fā)展到目前為止大致可分為5個(gè)階段:,單片機(jī)的歷史,第1階段（19711976）:單片機(jī)發(fā)展的初級(jí)階段,1971年11月Intel公司首先設(shè)計(jì)出集成度為2 000只晶體管/片的4位微處理器Intel 4004, 并配有RAM、 ROM和移位寄存器, 構(gòu)成了第一臺(tái)MCS4微處

4、理器, 而后又推出了8位微處理器Intel 8008, 以及其它各公司相繼推出的8位微處理器。,第2階段（19761978）: 低性能單片機(jī)階段,以1976年Intel公司推出的MCS48系列為代表, 采用將8位CPU、 8位并行I/O接口、 8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、 RAM和ROM等集成于一塊半導(dǎo)體芯片上的單片結(jié)構(gòu), 雖然其尋址范圍有限（不大于4 KB）, 也沒有串行I/O, RAM、 ROM容量小, 中斷系統(tǒng)也較簡單, 但功能可滿足一般工業(yè)控制和智能化儀器、 儀表等的需要。,第3階段（19781983）: 高性能單片機(jī)階段,這一階段推出的高性能8位單片機(jī)普遍帶有串行口, 有多級(jí)中斷處理系統(tǒng), 多

5、個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。 片內(nèi)RAM、 ROM的容量加大,且尋址范圍可達(dá)64 KB, 個(gè)別片內(nèi)還帶有A/D轉(zhuǎn)換接口。典型的代表為Intel公司的MCS-51系列。,第4階段（198380年代末）: 16位單片機(jī)階段,1983年Intel公司又推出了高性能的16位單片機(jī)MCS96系列, 由于其采用了最新的制造工藝, 使芯片集成度高達(dá)12萬只晶體管/片。,第5階段（90年代現(xiàn)在）: 32位單片機(jī)階段,單片機(jī)在集成度、 功能、 速度、 可靠性、 應(yīng)用領(lǐng)域等全方位向更高水平發(fā)展。,單片機(jī)的發(fā)展方向,CPU的改進(jìn) 采用雙CPU結(jié)構(gòu)，提高處理能力； 增加數(shù)據(jù)總線寬度，提高數(shù)據(jù)傳輸速度； 采用流水線結(jié)構(gòu)，提

6、高指令執(zhí)行速度； 采用串行總線結(jié)構(gòu)，減少單片機(jī)引腳，降低成本。,存儲(chǔ)器的發(fā)展 加大存儲(chǔ)器容量； 片內(nèi)EPROM（Electrically Programmable Read-Only Memory，電可編程只讀存儲(chǔ)器）開始EEPROM（電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器）化； 程序保密化。,片內(nèi)I/O的改進(jìn) 增加并行I/O口的驅(qū)動(dòng)能力； 增加I/O的邏輯控制功能； 提供特殊串行接口，適用專用場合。,4.外圍電路集成化（把外圍功能部件集成到片內(nèi)） 5.低功耗化,2.單片機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域,單片機(jī)的特點(diǎn) 小巧靈活，成本低，易于產(chǎn)品化； 可靠性好，應(yīng)用范圍廣泛； 易擴(kuò)展，構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)，控制功能強(qiáng)；

7、具有通訊功能。,單片機(jī)的應(yīng)用,由于單片機(jī)具有體積小、 重量輕、 價(jià)格便宜、 功耗低, 控制功能強(qiáng)及運(yùn)算速度快等特點(diǎn), 因而在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、 軍事及家用電器等各個(gè)領(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用。 按照單片機(jī)的特點(diǎn), 其應(yīng)用可分為單機(jī)應(yīng)用與多機(jī)應(yīng)用。,圖2-1 單片機(jī)應(yīng)用,單機(jī)應(yīng)用,在一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)中, 只使用1片單片機(jī)稱為單機(jī)應(yīng)用, 這是目前應(yīng)用最多的一種方式。 單片機(jī)應(yīng)用的主要領(lǐng)域有: (1) 測控系統(tǒng)。 用單片機(jī)可以構(gòu)成各種不太復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)、 自適應(yīng)控制系統(tǒng)、 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等, 達(dá)到測量與控制的目的。 (2) 智能儀表。 用單片機(jī)改造原有的測量、 控制儀表, 促進(jìn)儀表向數(shù)字化、 智能化、 多功能

8、化、 綜合化、 柔性化方向發(fā)展。 (3) 機(jī)電一體化產(chǎn)品。 單片機(jī)與傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品相結(jié)合, 使傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡化, 控制智能化。 (4) 智能接口。 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng), 特別是在較大型的工業(yè)測、 控系統(tǒng)中, 用單片機(jī)進(jìn)行接口的控制與管理, 加之單片機(jī)與主機(jī)的并行工作, 大大提高了系統(tǒng)的運(yùn)行速度。 (5) 智能民用產(chǎn)品。 如在家用電器、 玩具、 游戲機(jī)、 聲像設(shè)備、 電子秤、 收銀機(jī)、 辦公設(shè)備、 廚房設(shè)備等許多產(chǎn)品中, 單片機(jī)控制器的引入, 不僅使產(chǎn)品的功能大大增強(qiáng), 性能得到提高, 而且獲得了良好的使用效果。,多機(jī)應(yīng)用,單片機(jī)的多機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)可分為功能集散系統(tǒng)、 并行多機(jī)處理及局部網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

9、 (1) 功能集散系統(tǒng)。 多功能集散系統(tǒng)是為了滿足工程系統(tǒng)多種外圍功能的要求而設(shè)置的多機(jī)系統(tǒng)。 (2) 并行多機(jī)控制系統(tǒng)。 并行多機(jī)控制系統(tǒng)主要解決工程應(yīng)用系統(tǒng)的快速性問題, 以便構(gòu)成大型實(shí)時(shí)工程應(yīng)用系統(tǒng)。 (3) 局部網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。,3.主流單片機(jī)系列簡介,目前世界上單片機(jī)生產(chǎn)廠商很多, 如: Intel、 Motorola、 Philips、 Siemens、 NEC、 ADM、 Zilog等公司, 其主流產(chǎn)品有幾十個(gè)系列, 幾百個(gè)品種。 盡管其各具特色, 名稱各異, 但作為集CPU、 RAM、 ROM（或EPROM）、 I/O接口、 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、 中斷系統(tǒng)為一體的單片機(jī), 其原理大同小異

10、。 現(xiàn)以Intel公司的系列產(chǎn)品為例, 說明各系列之間的區(qū)別。 Intel公司從其生產(chǎn)單片機(jī)開始, 發(fā)展到現(xiàn)在, 大體上可分為3大系列: MCS48系列、 MCS51系列、 MCS96系列。 該3大系列的性能簡介見表3-1。,表3-1 Intel單片機(jī)系列性能簡介,22,Intel 8051單片機(jī)于1980年由Intel（英特爾）公司首先研制出來并應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中。 AT89S51型單片機(jī)（8051兼容型單片機(jī)），呈現(xiàn)出集成電路特有的外觀，兩側(cè)有整齊排列的金屬管腳，尺寸為52mm（長）15mm（寬）。,Intel 8051單片機(jī),圖3-2 AT89S51單片機(jī),PIC單片機(jī),23,PIC單片

11、機(jī)的低功耗、廣泛用途使其成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)和愛好者首選的控制器，PIC單片機(jī)家族的單片機(jī)在汽車電子、以太網(wǎng)、家電、機(jī)電一體化、USB、儀器儀表等產(chǎn)品中有著非常廣泛的應(yīng)用。,圖3-2 PIC單片機(jī),AVR單片機(jī),24,AVR是單片機(jī)設(shè)計(jì)及體系結(jié)構(gòu)中的新生兒，它由Atmel公司于1996研制出來。目前AVR有UC3、XMEGA、megaAVR、tinyAVR等幾大系列過百種型號(hào)的單片機(jī)可供設(shè)計(jì)時(shí)選擇。,圖3-3 AVR單片機(jī),其他單片機(jī),25,ARM系列單片機(jī) ST Microelectronics公司的ST系列單片機(jī) Freescale公司的單片機(jī)系列 Texas Instruments公司的單片機(jī)系

12、列 “中國的半導(dǎo)體行業(yè)與世界先進(jìn)水平的差距目前依然很大，我國半導(dǎo)體公司與世界著名公司不在一個(gè)數(shù)量級(jí)上?！?-Intel視覺計(jì)算事業(yè)部首席高級(jí)華人工程師江宏,4.MCS-51單片機(jī)結(jié)構(gòu)與原理,4.1 MCS51系列單片機(jī)基本結(jié)構(gòu) 4.2 中央處理器CPU 4.3 MCS51單片機(jī)存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)空間 4.4 并行輸入/輸出接口 4.5 CPU時(shí)序和復(fù)位狀態(tài),4.1 MCS51系列單片機(jī)基本結(jié)構(gòu),4.1.1 MCS51單片機(jī)系列 MCS51系列單片機(jī)雖已有10多種產(chǎn)品, 但可分為兩大系列: MCS51子系列與MCS52子系列。 MCS51子系列中主要有8031、 8051、 8751 三種類型。 而M

13、CS52子系列也有3種類型8032、 8052、 8752。 各子系列配置見表4-1所示。,表4-1 MCS51系列單片機(jī)配置一覽表,表4-1中列出了MCS51系列單片機(jī)的兩個(gè)子系列, 在4個(gè)性能上略有差異。 由此可見, 在本子系列內(nèi)各類芯片的主要區(qū)別在于片內(nèi)有無ROM或EPROM; MCS51與MCS52子系列間所不同的是片內(nèi)程序存儲(chǔ)器ROM從4 KB增至8 KB; 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器由128個(gè)字節(jié)增至256個(gè)字節(jié);定時(shí)器/計(jì)數(shù)器增加了一個(gè); 中斷源增加了12個(gè)。 另外, 對(duì)于制造工藝為CHMOS的單片機(jī), 由于采用CMOS技術(shù)制造, 因此具有低功耗的特點(diǎn), 如8051功耗約為630 mW, 而

14、80C51的功耗只有120 mW。,4.1.2 MCS51系列單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及功能部件,圖4-1 8051內(nèi)部結(jié)構(gòu),詳細(xì)內(nèi)部結(jié)構(gòu),圖4-2 8051詳細(xì)內(nèi)部結(jié)構(gòu),MCS51系列單片機(jī)是由8大部分組成的。下圖為按功能劃分的MCS51系列單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡化框圖。,（a）（b）,圖4-3 8051內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡化框圖,這8大部分是: 一個(gè)8位中央處理機(jī)CPU。 128個(gè)字節(jié)（MCS52子系列為256字節(jié)）的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM。 4 KB（MCS52子系列為8 KB）的片內(nèi)程序只讀存儲(chǔ)器ROM或EPROM（8031和8032無）。 18個(gè)（MCS52子系列為21個(gè)）特殊功能寄存器SFR。 4個(gè)8位并行輸

15、入輸出I/O接口: P0口、 P1口、 P2口、 P3口（共32線）, 用于并行輸入或輸出數(shù)據(jù)。 1個(gè)全雙工的串行I/O接口。 2個(gè)（MCS52子系列為3個(gè)）16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。 1個(gè)具有5個(gè)（MCS52子系列為6個(gè)或7個(gè)）中斷源, 可編程為2個(gè)優(yōu)先級(jí)的中斷系統(tǒng)。 它可以接收外部中斷申請, 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器中斷申請和串行口中斷申請。,4.1.3 單片機(jī)外部引腳說明,MCS51系列單片機(jī)芯片均為40個(gè)引腳, HMOS工藝制造的芯片采用雙列直插（DIP）方式封裝, 其引腳示意及功能分類如圖23所示。 CMOS工藝制造的低功耗芯片也有采用方型封裝的, 但為44個(gè)引腳, 其中4個(gè)引腳是不使用的。,圖4

16、-4 8051外部引腳,圖4-5 MCS51系列單片機(jī)引腳及總線結(jié)構(gòu) (a) 管腳圖； (b) 引腳功能分類,（1） 主電源引腳Vcc和Vss VCC（40腳）: 接+5 V電源正端; VSS（20腳）: 接+5 V電源地端。 （2） 外接晶體引腳XTAL1和XTAL2 XTAL1（19腳）: 接外部石英晶體的一端。 在單片機(jī)內(nèi)部, 它是一個(gè)反相放大器的輸入端, 這個(gè)放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。 當(dāng)采用外部時(shí)鐘時(shí), 對(duì)于HMOS單片機(jī), 該引腳接地; 對(duì)于CHMOS單片機(jī), 該引腳作為外部振蕩信號(hào)的輸入端。 XTAL2（18腳）: 接外部晶體的另一端。 在單片機(jī)內(nèi)部, 接至片內(nèi)振蕩器的反相放大器的

17、輸出端。 當(dāng)采用外部時(shí)鐘時(shí), 對(duì)于HMOS單片機(jī), 該引腳作為外部振蕩信號(hào)的輸入端; 對(duì)于CHMOS芯片, 該引腳懸空不接。,（3） 控制信號(hào)或與其它電源復(fù)用引腳 控制信號(hào)或與其它電源復(fù)用引腳有RST/VPD、 、 和 等4種形式。 1） RST/VPD（9腳）: RST即為RESET, VPD為備用電源, 所以該引腳為單片機(jī)的上電復(fù)位或掉電保護(hù)端。 2） (30腳): 當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí), ALE（允許地址鎖存信號(hào)）以每機(jī)器周期兩次的信號(hào)輸出, 用于鎖存出現(xiàn)在P0口的低8位地址。,3） （29腳）: 片外程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)輸出端, 低電平有效。 4） （31腳）: 為訪問外部程序存儲(chǔ)器控制

18、信號(hào), 由外部輸入該信號(hào)，低電平有效，只選用片外程序存儲(chǔ)器，而片內(nèi)的程序存儲(chǔ)器沒有作用，對(duì)8031來說，由于它沒有片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，故該引腳接地。該引腳接高電平時(shí)，選用片內(nèi)的ROM。為了保證片內(nèi)/片外程序存儲(chǔ)器的選擇的確定性，該引腳一般不懸空，而接+5V或接地。,（4） 輸入/輸出（I/O）引腳P0口、 P1口、 P2口及P3口 1） P0口（39腳32腳）: P0.0P0.7統(tǒng)稱為P0口。是 一個(gè)漏極開路的8位準(zhǔn)雙向I/O口，在訪問外部存儲(chǔ)器或進(jìn)行I/O口擴(kuò)展時(shí)，分時(shí)作為低8位地址總線或雙向數(shù)據(jù)總線。 2） P1口（1腳8腳）: P1.0P1.7統(tǒng)稱為P1口, 可作為準(zhǔn)雙向I/O接口使用。 3

19、） P2口（21腳28腳）: P2.0P2.7統(tǒng)稱為P2口, 一般可作為準(zhǔn)雙向I/O接口。 在訪問包部存儲(chǔ)器時(shí)，作為高8位的地址總線。 4） P3口（10腳17腳）: P3.0P3.7統(tǒng)稱為P3口。除作為普通8位準(zhǔn)雙向I/O口外，還具有第2功能。,表4-2 P3口第2功能表,4.2 中央處理器CPU,中央處理器是單片機(jī)內(nèi)部的核心部件, 它決定了單片機(jī)的主要功能特性。其作用是讀入和分析每條指令，根據(jù)指令要求，控制單片機(jī)各個(gè)部件具體地執(zhí)行指令操作，完成特定功能。它由運(yùn)算部件和控制部件兩大部分組成。,4.2.1 運(yùn)算部件,運(yùn)算部件是以算術(shù)邏輯單元ALU為核心, 加上累加器A、 寄存器B、 暫存器TM

20、P1和TMP2、 程序狀態(tài)寄存器PSW及專門用于位操作的布爾處理機(jī)組成的, 它能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的算術(shù)/邏輯運(yùn)算, 位變量處理和數(shù)據(jù)傳送操作。,（1） 算術(shù)邏輯單元ALU與累加器ACC、 寄存器B 算術(shù)邏輯單元ALU不僅能完成8位二進(jìn)制數(shù)的加（帶進(jìn)位加）、 減（帶借位減）、 乘、 除、 加1、 減1及BCD加法的十進(jìn)制調(diào)整等算術(shù)運(yùn)算，還能對(duì)8位變量進(jìn)行邏輯“與”、 “或”、 “異或”、 求補(bǔ)、 清零等邏輯運(yùn)算, 并具有數(shù)據(jù)傳送, 程序轉(zhuǎn)移等功能。 累加器ACC簡稱累加器A, 為一個(gè)8位寄存器, 它是CPU中使用最頻繁的寄存器。 進(jìn)入ALU作算術(shù)和邏輯運(yùn)算的操作數(shù)多來自于A, 運(yùn)算結(jié)果也常送回A保存。

21、寄存器B是為ALU進(jìn)行乘除法設(shè)置的。,圖4-6 ALU/ACC/B,（2）程序狀態(tài)字 程序狀態(tài)字寄存器PSW（8位）是一個(gè)標(biāo)志寄存器, 它保存指令執(zhí)行結(jié)果的特征信息, 以供程序查詢和判別。 其程序狀態(tài)字格式及含義如下:,圖4-7 PSW,CY（PSW.7）進(jìn)位標(biāo)志位。 AC（PSW.6）輔助進(jìn)位（或稱半進(jìn)位）標(biāo)志。 FO（PSW.5）由用戶定義的標(biāo)志位。 RS1（PSW.4）、 RS0（PSW.3）工作寄存器組選擇位。 OV（PSW.2）溢出標(biāo)志位。 由硬件置位或清零。 PSW.1未定義位。 P（PSW.0）奇偶標(biāo)志位。,PSW.7,PSW.0,4.3.2 控制部件及振蕩器,控制部件是單片機(jī)的

22、神經(jīng)中樞, 它包括定時(shí)和控制電路、 指令寄存器、 指令譯碼器、數(shù)據(jù)指針DPTR、程序計(jì)數(shù)器PC、堆棧指針SP、地址寄存器和地址緩沖器等部件。,圖4-8 控制部件及振蕩器,圖4-9 HMOS型MCS51單片機(jī)時(shí)鐘產(chǎn)生方式 （a） 內(nèi)部振蕩器方式; （b） 外部振蕩器方式,（1）單片機(jī)的定時(shí)控制功能是由片內(nèi)的時(shí)鐘電路和定時(shí)電路來完成的, 而片內(nèi)的時(shí)鐘產(chǎn)生有兩種方式: 一種是內(nèi)部時(shí)鐘方式; 一種是外部時(shí)鐘方式, 如圖（a）、 （b）所示。,采用內(nèi)部時(shí)鐘方式時(shí), 如圖4-9（a）所示。 片內(nèi)的高增益反相放大器通過XTAL1、 XTAL2外接作為反饋元件的片外晶體振蕩器（呈感性）與電容組成的并聯(lián)諧振回路

23、構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器, 向內(nèi)部時(shí)鐘電路提供振蕩時(shí)鐘。 振蕩器的頻率主要取決于晶體的振蕩頻率, 一般晶體可在1.212 MHz之間任選, 電容C1、 C2可在530 pF之間選擇, 電容的大小對(duì)振蕩頻率有微小的影響, 可起頻率微調(diào)作用。,（2）指令譯碼器：完成將指令轉(zhuǎn)換成高低電平的工作，由CPU根據(jù)高低電平信號(hào)，控制各功能部件，完成相應(yīng)操作。 （3）數(shù)據(jù)指針DPTR：用于對(duì)64KB的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器尋址，共16位，高8位為DPH，地址為83H，低8位為DPL，地址為82H。 （4）程序計(jì)數(shù)器PC：存放下一條要執(zhí)行的指令的地址，每當(dāng)一條指令被取出執(zhí)行時(shí)，PC都自動(dòng)加1，指向下一條指令。 （5）堆棧指針

24、SP：堆棧是用戶在自己的片內(nèi)128B的RAM中開辟的一塊特定的存儲(chǔ)區(qū)，SP指向堆棧的棧頂?shù)刂?，開機(jī)復(fù)位后，SP=07H。,4.3 MCS51單片機(jī)存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)空間,4.3.1 MCS51單片機(jī)存儲(chǔ)器分類及配置 MCS51單片機(jī)存儲(chǔ)器的分類從物理結(jié)構(gòu)上可分為: 片內(nèi)、 片外程序存儲(chǔ)器（8031和8032沒有片內(nèi)程序存儲(chǔ)器）與片內(nèi)、 片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器4個(gè)部分; 從尋址空間分布可分為: 程序存儲(chǔ)器、 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器3大部分; 從功能上可分為: 程序存儲(chǔ)器、 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、 特殊功能寄存器、 位地址空間和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器5大部分。,MCS51系列單片機(jī)存儲(chǔ)器的配置除表2所示的片內(nèi)ROM（

25、或EPROM）和RAM外, 另外還有128個(gè)字節(jié)的RAM區(qū)作為特殊功能寄存器（SFR）區(qū)。 片內(nèi)、 片外程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器各自總?cè)萘繛?4 KB。,程序存儲(chǔ)器 （ROM 4KB) 存儲(chǔ)器 特殊功能寄存器SFR (片內(nèi)) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 （RAM 256B) 工作寄存器和堆棧 128B,程序存儲(chǔ)器（ROM 64KB) 存儲(chǔ)器 (需擴(kuò)展) (片外) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM 64KB),圖4-10 MCS51單片機(jī)存儲(chǔ)器空間結(jié)構(gòu)圖 （a） 程序存儲(chǔ)器; （b） 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器; （c） 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,MCS51系列單片機(jī)存儲(chǔ)器系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)如圖所示。,4.3.2 程序存儲(chǔ)器 專用訪問指令：MOVC （1

26、） 程序存儲(chǔ)器的編址 計(jì)算機(jī)的工作是按照事先編制好的程序命令一條條循序執(zhí)行的, 程序存儲(chǔ)器就是用來存放這些已編好的程序和表格常數(shù), 它由只讀存儲(chǔ)器ROM或EPROM組成。 單片機(jī)通過PC來訪問程序存儲(chǔ)器，尋址范圍：0000HFFFFH。常見的8051和8751片內(nèi)只有4KB的ROM，能滿足一般需要，此時(shí)可將EA接+5V。當(dāng)有外接ROM 時(shí)，ROM的尋址規(guī)律為先片內(nèi)后片外，片內(nèi)外連續(xù)。即若EA接+5V，則程序自動(dòng)從片內(nèi)ROM開始，當(dāng)PC中內(nèi)容超過內(nèi)部ROM的范圍時(shí)，自動(dòng)跳到外部ROM接著運(yùn)行。對(duì)于8031和8032，片內(nèi)無ROM，則EA接地，程序從片外ROM運(yùn)行。對(duì)于8051和8751，EA接地

27、，程序從片外ROM中低4KB開始運(yùn)行。,內(nèi)、外程序存儲(chǔ)器（ROM）的使用示意圖,0FFFH 0000H,0FFFH 0000H,FFFFH 1000H,EA=1時(shí)，ROM的使用,EA=0時(shí)ROM的使用,片外程序存儲(chǔ)器 （最大64K）,單片機(jī)內(nèi)部 程序存儲(chǔ)器 （4K）,ROM,圖4-1 ROM,表4-3 MCS51單片機(jī)復(fù)位、 中斷入口地址,（2） 程序運(yùn)行的入口地址 實(shí)際應(yīng)用時(shí), 程序存儲(chǔ)器的容量由用戶根據(jù)需要擴(kuò)展， 而程序地址空間原則上也可由用戶任意安排。 但程序最初運(yùn)行的入口地址， MCS51單片機(jī)是固定的, 用戶不能更改。 程序存儲(chǔ)器中有復(fù)位和中斷源共7個(gè)固定的入口地址見表4-3。,單片

28、機(jī)復(fù)位后程序計(jì)數(shù)器PC的內(nèi)容為0000H, 故必須從0000H單元開始取指令來執(zhí)行程序。 0000H單元是系統(tǒng)的起始地址, 一般在該單元存放一條無條件轉(zhuǎn)移指令, 用戶設(shè)計(jì)的程序是從轉(zhuǎn)移后的地址開始存放執(zhí)行的。 這幾個(gè)入口地址相隔很近，不能容納稍長的程序段，一般在其中存放一條跳轉(zhuǎn)指令，跳轉(zhuǎn)到用戶程序中相應(yīng)位置。,4.3.3 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,專用訪問指令：MOV （1）內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的編址 MCS51系列單片機(jī)的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器由讀寫存儲(chǔ)器RAM組成, 用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。 它由RAM塊和特殊功能寄存器（SFR）塊組成。 （2） 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM塊 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM塊共分為工作寄存器區(qū)、 位尋址區(qū)

29、和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)3個(gè)部分。,1） 工作寄存器區(qū) 內(nèi)部RAM塊的00H1FH區(qū), 共分4個(gè)組, 每組有8個(gè)工作寄存器R0R7, 共32個(gè)內(nèi)部RAM單元。 寄存器和RAM地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表4-4所示。,表4-4 工作寄存器和RAM地址對(duì)照表,工作寄存器共有4組, 但程序每次只用1組, 其它各組不工作。 哪1組寄存器工作由程序狀態(tài)字PSW中的PSW.3（RS0）和PSW.4（RS1）兩位來選擇, 其對(duì)應(yīng)關(guān)系如表5所示。 CPU通過軟件修改PSW中RS0和RS1兩位的狀態(tài), 就可任選一個(gè)工作寄存器工作, 這個(gè)特點(diǎn)使MCS51單片機(jī)具有快速現(xiàn)場保護(hù)功能, 對(duì)于提高程序的效率和響應(yīng)中斷的速度是很有利的。 若程

30、序中并不要4個(gè)工作寄存器組, 那么剩下的工作寄存器組所對(duì)應(yīng)的單元也可以作為一般的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)使用。,表4-5 工作寄存器組的選擇表,2） 位尋址區(qū) 20H2FH單元為位尋址區(qū), 這16個(gè)單元（共計(jì)128位）的每1位都有一個(gè)8位表示的位地址, 位地址范圍為00H7FH, 如表6所示。 位尋址區(qū)的每1位都可當(dāng)作軟件觸發(fā)器, 由程序直接進(jìn)行位處理。 通?？梢园迅鞣N程序狀態(tài)標(biāo)志, 位控制變量存于位尋址區(qū)內(nèi)。 同樣, 位尋址的RAM單元也可以按字節(jié)操作作為一般的數(shù)據(jù)緩沖,表6 內(nèi)部RAM中位地址表,3） 數(shù)據(jù)緩沖區(qū) 30H7FH是數(shù)據(jù)緩沖區(qū), 也即用戶RAM區(qū), 共80個(gè)單元。 MCS52子系列片內(nèi)RAM

31、有256個(gè)單元, 前兩個(gè)的單元數(shù)與地址都和MCS51子系列一致。 用戶RAM區(qū)從30HFFH, 共208個(gè)單元。,4）堆棧與堆棧指針 在程序?qū)嶋H運(yùn)行中, 往往需要一個(gè)后進(jìn)先出的RAM區(qū), 在子程序調(diào)用、 中斷服務(wù)處理等場合用以保護(hù)CPU的現(xiàn)場, 這種后進(jìn)先出的緩沖區(qū)稱為堆棧。 MCS51單片機(jī)堆棧區(qū)不是固定的, 原則上可設(shè)在內(nèi)部RAM的任意區(qū)域內(nèi), 但為了避開工作寄存器區(qū)和位尋址區(qū), 一般設(shè)在30H以后的范圍內(nèi), 棧頂?shù)奈恢糜蓪ｉT設(shè)置的堆棧指針寄存器SP（8位）指出。 MCS51單片機(jī)的堆棧屬向上生長型, 如圖4-12所示。,圖4-12 MCS51單片機(jī)堆棧,（3） 特殊功能寄存器SFR塊 特

32、殊功能寄存器SFR, 又稱為專用寄存器。 它專用于控制、 管理單片機(jī)內(nèi)算術(shù)邏輯部件、 并行I/O口鎖存器、 串行口數(shù)據(jù)緩沖器、 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、 中斷系統(tǒng)等功能模塊的工作, SFR的地址空間為80HFFH。,表4-6 特殊功能寄存器名稱、 標(biāo)識(shí)符、 地址一覽表,（4） 位尋址空間 在MCS51單片機(jī)的內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器RAM塊和特殊功能寄存器SFR塊中, 有一部分地址空間可以按位尋址, 按位尋址的地址空間又稱之為位尋址空間。 位尋址空間一部分在內(nèi)部RAM的20H2FH的16個(gè)字節(jié)內(nèi), 共128位; 另一部分在SFR的80HFFH空間內(nèi), 凡字節(jié)地址能被8整除的專用寄存器都有位地址, 共93位。 因

33、此, MCS51系列單片機(jī)共有221個(gè)可尋址位, 其位地址見表4-6所示。,4.3.4 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器一般由靜態(tài)RAM芯片組成。 擴(kuò)展存儲(chǔ)器容量的大小, 由用戶根據(jù)需要而定, 但MCS51單片機(jī)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可用1個(gè)特殊功能寄存器數(shù)據(jù)指針寄存器DPTR進(jìn)行尋址。 由于DPTR為16位, 可尋址的范圍可達(dá)64 KB, 所以擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的最大容量是64 KB。 專用訪問指令：MOVX,4.4 并行輸入/輸出接口,4.4.1 P0口 （1） P0口結(jié)構(gòu) P0口是一個(gè)三態(tài)雙向口, 可作為地址/數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用口, 也可作為通用I/O接口。 其1位的結(jié)構(gòu)原理如圖所示。 P0口由8個(gè)

34、這樣的電路組成: 鎖存器起輸出鎖存作用, 8個(gè)鎖存器構(gòu)成了特殊功能寄存器P0; 場效應(yīng)管（FET）V1、 V2組成輸出驅(qū)動(dòng)器, 以增大帶負(fù)載能力; 三態(tài)門1是引腳輸入緩沖器; 三態(tài)門2是用于讀鎖存器端口; 與門3、 倒相器4及模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)構(gòu)成輸出控制電路。,圖4-13 P0口1位結(jié)構(gòu)原理圖,（2） 地址/數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用功能 當(dāng)P0口作為地址/數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用總線時(shí), 可分為兩種情況： 一種是從P0口輸出地址或數(shù)據(jù),另一種是從P0口輸入數(shù)據(jù)。 在訪問片外存儲(chǔ)器需從P0輸出地址或數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí), 控制信號(hào)應(yīng)為高電平1, 使轉(zhuǎn)換開關(guān)MUX把反向器4的輸出端與V1接通, 同時(shí)把與門3打開。,（3） 通用I/O接

35、口功能 當(dāng)P0口作為通用I/O接口使用, 在CPU向端口輸出數(shù)據(jù)時(shí), 對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)為0, 轉(zhuǎn)換開關(guān)把輸出級(jí)與鎖存器 端接通, 同時(shí)因與門3輸出為0使V2截止, 此時(shí), 輸出級(jí)是漏極開路電路。 當(dāng)P0口作為通用I/O接口時(shí), 要注意兩點(diǎn): 第一, 在輸出數(shù)據(jù)時(shí), 由于V2截止, 輸出級(jí)是漏極開路電路, 要使“1”信號(hào)正常輸出, 必須外接上拉電阻。 第二, P0口作為通用I/O使用時(shí)是一準(zhǔn)雙向口。,（4） 端口操作 MCS51單片機(jī)有不少指令可直接進(jìn)行端口操作, 例如: ANL P0, A ;（P0）（P0）（A） ORL P0, data; （P0）（P0） data DELP0 ; （P0）

36、（P0）1,4.4.2 P1口,P1口為準(zhǔn)雙向口, 其1位的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示。 它在結(jié)構(gòu)上與P0口的區(qū)別在于輸出驅(qū)動(dòng)部分, 其輸出驅(qū)動(dòng)部分由場效應(yīng)管V1與內(nèi)部上拉電阻組成。 當(dāng)其某位輸出高電平時(shí), 可以提供拉電流負(fù)載, 不必象P0口那樣需要外接電阻。 從功能上來看P1只有一種功能（對(duì)MCS51子系列）, 即通用輸入輸出I/O接口, 具有輸入、輸出、 端口操作3種工作方式, 每1位口線能獨(dú)立地用作輸入或輸出線。,圖4-14 P1口的結(jié)構(gòu)原理圖,4.4.3 P2口,P2口也是一準(zhǔn)雙向口, 其1位的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示。 它具有通用I/O接口或高8位地址總線輸出兩種功能, 所以其輸出驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)比P1口輸出

37、驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)多了一個(gè)輸出模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)MUX和反相器3。 當(dāng)作為準(zhǔn)雙向通用I/O接口使用時(shí), 控制信號(hào)使轉(zhuǎn)換開關(guān)接向左側(cè), 鎖存器Q端經(jīng)反相器3接V1, 其工作原理與P1相同, 也具有輸入、 輸出、 端口操作三種工作方式, 負(fù)載能力也與P1口相同。,圖4-15 P2口的結(jié)構(gòu)原理圖,4.4.4 P3口,P3口的1位結(jié)構(gòu)如圖210所示。 它的輸出驅(qū)動(dòng)由與非門3、 V1組成, 比P0、 P1、P2口結(jié)構(gòu)多了一個(gè)緩沖器4。 P3口除了可作為通用準(zhǔn)雙向I/O接口外, 每1根線還具有第2功能。,當(dāng)P3口作為通用I/O接口時(shí), 第2功能輸出線為高電平, 使與非門3的輸出取決于口鎖存器的狀態(tài)。 在這種情況下, P3

38、口仍是1個(gè)準(zhǔn)雙向口, 它的工作方式、 負(fù)載能力均與P1、 P2口相同。 當(dāng)P3口作為第2功能（各引腳功能見表3）使用時(shí), 其鎖存器Q端必須為高電平, 否則V1管導(dǎo)通, 引腳被箝位在低電平, 無法輸入或輸出第2功能信號(hào)。 當(dāng)Q端為高電平時(shí), P3口的口線狀態(tài)就取決于第2功能輸出線的狀態(tài)。,圖4-16 P3口的結(jié)構(gòu)原理圖,4.5 CPU時(shí)序和復(fù)位狀態(tài),計(jì)算機(jī)在執(zhí)行指令時(shí), 通常將一條指令分解為若干基本的微操作, 這些微操作所對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)在時(shí)間上的先后次序稱為計(jì)算機(jī)的時(shí)序。 為便于理解時(shí)序, 先介紹幾個(gè)常用名詞。 振蕩周期: 為單片機(jī)提供定時(shí)信號(hào)的振蕩源的周期（晶振周期或外加振蕩源周期）。 狀態(tài)周

39、期: 2個(gè)振蕩周期為1個(gè)狀態(tài)周期, 用S表示。,機(jī)器周期: 1個(gè)機(jī)器周期含6個(gè)狀態(tài)周期, 用S1、 S2、 、 S6表示, 共有12個(gè)節(jié)拍。 例如: 外接晶振為12 MHz時(shí), MCS51單片機(jī)的4個(gè)時(shí)間周期的具體值為: 振蕩周期=1/12 s; 狀態(tài)周期=1/6 s; 機(jī)器周期=1 s; 指令周期=14 s。,圖4-17 MCS51單片機(jī)CPU取指/執(zhí)行時(shí)序,單周期指令的執(zhí)行從S1P2開始, 在S1P2期間讀入操作碼并把它鎖存到指令寄存器中。 雙字節(jié)指令, 則在同一機(jī)器周期的S4期間讀出第2個(gè)字節(jié)。 對(duì)于單字節(jié)指令在S4處仍有一次讀操作, 但這時(shí)讀出的字節(jié)（下一條指令的操作碼）是不予考慮的,

40、 而且程序計(jì)數(shù)器PC也不加1。 對(duì)于單周期指令, 在上述任何情況下, 指令都在S6P2期間完成操作。 圖中的（a ）和（b）分別表示單字節(jié)單周期和雙字節(jié)單周期指令的執(zhí)行時(shí)序。,圖（c）表示單字節(jié)雙周期指令的時(shí)序, 單字節(jié)雙周期指令在兩個(gè)機(jī)器周期內(nèi)作4次讀操作碼的操作, 由于是單字節(jié)指令, 后3次讀操作是無效的。 圖（d）表示執(zhí)行訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器指令MOVX的時(shí)序, 這是一條單字節(jié)雙周期指令,具有其特殊性。,復(fù)位電路與復(fù)位狀態(tài),（1） 復(fù)位電路 通過某種方式, 使單片機(jī)內(nèi)各寄存器的值變?yōu)槌跏紶顟B(tài)的操作稱為復(fù)位。 MCS51單片機(jī)在時(shí)鐘電路工作以后, 在RST/VPD端持續(xù)給出2個(gè)機(jī)器周期的高電

41、平就可以完成復(fù)位操作（一般復(fù)位正脈沖寬度大于10 ms）。 復(fù)位分為上電復(fù)位和外部復(fù)位兩種方式。,圖4-18 MCS51單片機(jī)復(fù)位參考電路 （a） 上電復(fù)位電路; （b） 上電/外部復(fù)位電路,（2）復(fù)位狀態(tài) MCS51單片機(jī)復(fù)位后, 程序計(jì)數(shù)器PC和特殊功能寄存器復(fù)位的狀態(tài)如表9所示。 復(fù)位不影響片內(nèi)RAM存放的內(nèi)容, 而ALE、 在復(fù)位期間將輸出高電平。由表9可以看出: 1） （PC）=0000H 表示復(fù)位后程序的入口地址為0000H; 2）（PSW）=00H, 其中RS1(PSW.4)=0, RS0(PSW.3)=0, 表示復(fù)位后單片機(jī)選擇工作寄存器0組;,3）（SP）=07H 表示復(fù)位后

42、堆棧在片內(nèi)RAM的08H單元處建立; 4）P0口P3口鎖存器為全1狀態(tài), 說明復(fù)位后這些并行接口可以直接作輸入口, 無須向端口寫1; 5）定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、 串行口、 中斷系統(tǒng)等特殊功能寄存器復(fù)位后的狀態(tài)對(duì)各功能部件工作狀態(tài)的影響, 參見有關(guān)章節(jié)介紹。,表4-7 PC與SFR復(fù)位狀態(tài)表,小結(jié),MCS-51單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),MCS-51單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),（一）、單片機(jī)硬件資源： 面向控制的8位CPU； 128/256字節(jié)的內(nèi)部RAM； 4K/8K的內(nèi)部ROM； 一組特殊功能寄存器(SFR)； 一個(gè)可位尋址的布爾處理機(jī)； 32個(gè)I/O,其中P3口雙功能； 一個(gè)全雙工的異步串行口； 2/3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)

43、數(shù)器 5/6個(gè)中斷源，2個(gè)優(yōu)先級(jí)；,圖4-19 MCS-51硬件資源,單片機(jī)的關(guān)鍵引腳： 1、電源Vcc(40)+5V，Vss(20)地。 2、復(fù)位RST（9）：RESET輸入端，CPU初始化的硬件電路如右圖，要求復(fù)位高電平t 為2個(gè)以上機(jī)器周期。 3、/EA(31）：/EA為內(nèi)部程序存儲(chǔ)器和外部程序存儲(chǔ)器選擇端。 EA為高時(shí),訪問內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。 EA為低時(shí),訪問外部程序存儲(chǔ)器。 4、晶體振蕩:XTAL1(19)輸入和XTAL2(18)輸出。,圖4-20 復(fù)位引腳,5、P0口(32-39)：是一個(gè)8位漏極開路型雙向I/0口，需外部上拉電阻；訪問外部存儲(chǔ)器時(shí),它是分時(shí)傳送的低字節(jié)地址和數(shù)據(jù)；能

44、以吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)八個(gè)LSTTL負(fù)載。 6、P1口(1-8): 有內(nèi)部上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/0口。外部可拉低但不能拉高，輸入檢測時(shí)應(yīng)先置高。能以吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)四個(gè)LSTTL負(fù)載。 7、P2口(21-28)：除與P1相同外。 P2口在訪問外部存儲(chǔ)器時(shí),它輸出高8位地址。 8、P3口(10-17)：第一功能與P1同。 P3口還有第二功能。,P3口第二功能： P3.0 RXD 串口輸入 P3.1 TXD 串口輸出 P3.2 /INT0 外中斷0輸入 P3.3 /INT1 外中斷1輸入 P3.4 T0 定時(shí)/計(jì)數(shù)器0外部輸入 P3.5 T1 定時(shí)/計(jì)數(shù)器1外部輸入 P3.6 /WR 外部數(shù)據(jù)存

45、儲(chǔ)器寫選通 P3.7 /RD 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通,I/O口應(yīng)注意問題,1、上電復(fù)位時(shí)所有I/O口全部位“1”，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意，必要時(shí)可用硬件反向或軟件調(diào)整。 2、I/O口的吸收電流與輸出電流不同，注意其驅(qū)動(dòng)能力，選用合理的驅(qū)動(dòng)方式。,圖4-21 吸收和輸出電流,1、狀態(tài)字PSW：CY AC FO RS1 RS0 OV P 可單獨(dú)位操作。 CY：進(jìn)位標(biāo)志。最高位D7進(jìn)位或借位時(shí)置 1。 AC：輔助進(jìn)位標(biāo)志。半進(jìn)位D3 FO：用戶標(biāo)志位。自定義。 RS1 RSO：選擇工作寄存組 OV：溢出標(biāo)志位。 P：奇偶校驗(yàn)。運(yùn)算結(jié)果A的內(nèi)容偶數(shù)個(gè)1時(shí)， P=0；奇數(shù)個(gè)1時(shí)，P=1,部分專用寄存器,2、堆棧及堆