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第二章单片机的基本结构本讲稿第一页，共四十七页第一节第一节 MCS-51 MCS-51单片机的性能及结构单片机的性能及结构 MCS-51系列单片机无论是片内RAM容量、I/O口功能、系统扩展能力、指令系统、引脚等都基本相同。在制造技术上，MCS-51系列单片机按两种工艺生产。一种是HMOS工艺，即高密度短沟道 MOS工艺。另一种是CHMOS工艺，即互补金属氧化物的HMOS工艺生产 本讲稿第二页，共四十七页（1）一个8位微处理器CPU（2）256B RAM和SFR（3）4KB Flash ROM（4）两个16位定时/计数器（5）四个8位可编程的I/O（输入/输出）并行端口（6）一个全双工，用于数据的串行通信（7）具有5个中断源,2个中断优先级的中断控制系统一一 基本组成基本组成:本讲稿第三页，共四十七页89C51单片机结构功能框图 本讲稿第四页，共四十七页1中央处理器CPU（1）运算器 包括一个可进行8位算术运算和逻辑运算的ALU单元，8位的暂存器TMP1和暂存器TMP2，8位累加器ACC，8位寄存器B和程序状态寄存器PSW。（2）控制器 包括程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器ID、振荡和定时电路等部分。2存储器（1）程序存储器ROM 89C51及8751片内均有4KB字节容量的程序存储器，地址0000H开始，用于存放程序和表格常数，8031片内无ROM，使用时要进行片外扩展。二二 内部结构内部结构本讲稿第五页，共四十七页（2）数据存储器RAM 89C51/8031/8751片内数据存储器均为128B，地址为00H7FH，用于存放运算的中间结果、数据暂存及数据缓冲等。3I/O接口 89C51有四个8位并行接口，即P0P3，它们是双向端口，可用于输入也可用于输出，每个端口各有8条I/O口线。本讲稿第六页，共四十七页图2-2 MCS-51芯片内部结构框图通道0驱动器通道2驱动器RAM地址锁存器RAM通道0锁存器通 道 2锁存器ROM/EPROMB寄存器程序地址寄存器缓冲器PC递增器程序计数器PCDPTR指针VCCGNDP1.0P1.7堆栈指针SPACCTMP2PSW通道3锁存器通道1锁存器通道1驱动器通道3驱动器TMP1SCON TMODPCONTCONTL0TH1TH0TL1IESBUF(TX/RX)IP中断、串行口和定时器逻辑振荡器P3.0P3.7RSTEAALEPSENXTAL2XTAL1ALU(+5V)指令寄存器定时和控制逻辑指令译码器P0.0P0.7P2.0P2.7本讲稿第七页，共四十七页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/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0MCS-51MCS-51单片机的引脚配置图单片机的引脚配置图本讲稿第八页，共四十七页控制信号引脚控制信号引脚 1RST/VPD（9脚）复位信号 RST是复位信号输入端，高电平有效。时钟电路工作后，在此引脚上连续出现两个机器周期的高电平，就可以完成复位操作。同一引脚的VPD是备用电源输入端（即VPD接+5V备用电源）。在VCC掉电时，为保证RAM中的信息不丢失，可使用此引脚完成掉电保护功能。2ALE/(30脚）地址锁存信号 当CPU访问片外存储器时，ALE用于锁存P0口输出的低8位地址信息到片外地址锁存器。之后，P0口作地址/数据复用口，P0口的信息究竟是地址还是数据完全由ALE来判别，ALE高电平期间，P0口出现的是地址信息，ALE下降沿到来时，P0口上的地址信息被锁存，在ALE低电平期间P0口上出现指令和数据信息。本讲稿第九页，共四十七页 此引脚的第二功能是对片内带有4K EPROM的89c51编写固化程序时，作为编程脉冲输入端。3 （29脚）：片外程序存储器读选通信号。低电平有效。89c51在访问片外程序存储器时，此引脚端输出负脉冲作为读片外程序存储器的选通信号。4 /VPP（31脚）：内部和外部程序存储器选择信号 高电平:CPU先访问片内4KEPROM/ROM，执行内部程序存储器中的指令，但在程序计数器超过0FFFH时（即地址大于4KB时），将自动转向执行片外大于4KB程序存储器内的程序。低电平（接地）:CPU只访问外部程序存储器.此引脚的第二功能VPP，在对EPROM编程固化程序时，需施加21V编程电压。本讲稿第十页，共四十七页5 5I/OI/O（输入（输入/输出）端口输出）端口 MCS-51单片机有4个双向并行的8位I/O口P0P3，P0口为三态双向口，可驱动8个TTL电路，P1、P2、P3口为准双向口（作为输入时，口线被拉成高电平，故称为准双向口），其负载能力为4个TTL电路。本讲稿第十一页，共四十七页1)P0口（P0.0P0.7，占3932脚）P0口为三态双向口，图2-4是P0口的某一位的结构图。它包括一个输出锁存器、两个三态输入缓冲器，一个输出驱动电路和一个输出控制端。本讲稿第十二页，共四十七页1.P01.P0口作为一般口作为一般I/OI/O口使用口使用 （C=0）无外扩存储器 输入口用时，应先向锁存器写入“1”，使 =0，因为控制线为“0”，因此T1与T2全截止，引脚处于高阻抗输入状态，以避免由于T1并接在引脚上，T1的导通误将高电平拉成低电平而误读。当CPU读端口数据时，“读引脚”信号有效，打开三态缓冲器，端口数据经缓冲器读入内部总线。2.2.P0P0口作为地址口作为地址/数据总线使用数据总线使用（C=1）访问外扩存储器 1)低8位地址/数据总线：2）输入口：总结总结:(1)当P0作为输出时，输出级漏极，必须外接10K欧的电阻，才 能有高电平输出；(2)当P0作为输入时，必须先向锁存器写1，使FET2截至；(3)当P0作为地址/数据总线时，就无法在用作I/0口使用。本讲稿第十三页，共四十七页2)P1口（P1.0P1.7，占18脚）P1口是一个准双向I/O口，某一位结构如图2-5所示。P1口在结构上与P0口的区别是：没有多路开关MUX和控制电路部分，输入驱动电路与P0也不相同，只有一个场效应管，上拉电阻与电源相连。P1口位结构原理图 本讲稿第十四页，共四十七页3)P2口（P2.0P2.7，占2128脚）图2-6是P2口的位结构图。P2口的位结构中上拉电阻的结构与P1口相同，但P2口比P1口多了一个输出控制部分，所以P2口还能用作高8位地址输出。P2口位结构原理图 本讲稿第十五页，共四十七页4)P3口（P3.0P3.7，占1017引脚）P3口是一个多功能端口，图2-7是P3口位结构图，与P1口结构对比，P3口与P1口的差别是多了一个与非门和缓冲器3，正式因为有了这两部分，使得P3口除了具有P1口的双向I/O功能之外，还可以使P3口的各引脚具有第二功能。P3口位结构原理图 本讲稿第十六页，共四十七页 P3口8位口线第二功能 本讲稿第十七页，共四十七页 综上所述，MCS-51单片机很容易将I/O口线及管脚组成传统微机系统的三总线结构，使用和系统扩展都很方便。如图2-11所示为系统组成的三总线接线图，图中，A0A15为16位地址总线，可用于扩展64KB的外部程序存储器和64KB的外部数据存储器。P0口作地址/数据复用口，访问外部存储器时，由ALE的下降沿将P0.0P0.7端口上的低8位地址信号锁存到地址锁存器中，P2口的P2.0P2.7送出系统地址的高八位A8A15，从而构成16位地址总线。D0D7构成数据总线，在访问外部程序存储器时，有效（低电平），P0口作数据总线出现指令信号；在访问外部数据存储器时，或 信号有效时，P0口上出现数据信号。其余是12条控制信号组成的控制总线。本讲稿第十八页，共四十七页本讲稿第十九页，共四十七页一、存储器配置一、存储器配置89C51单片机的存储器从物理上分四个存储空间：片内程序存储器、片外程序存储器、片内数据存储器、片外数据存储器。从用户的角度考虑，89C51单片机的存储器又可分三个逻辑空间：片内、片外统一遍址的64KB（0000HFFFFH）程序存储器地址空间（使用16位地址线），256B的片内数据存储器地址空间（00HFFH），其中80HFFH内仅有二十几个字节单元供特殊功能寄存器专用），片外可扩展的64KB（0000HFFFFH）数据存储器地址空间（使用16位地址线）。第二节第二节 单片机的存储器结构单片机的存储器结构本讲稿第二十页，共四十七页这三个存储器空间地址是重叠的，89C51的指令系统为区别这几个空间，有针对性地设置了这三个地址空间的数据传送指令：CPU访问片内RAM用MOV指令，访问片内、片外程序存储器用MOVC指令，访问片外数据存储器用MOVX指令。MOVMOVMOVCMOVCMOVXMOVX本讲稿第二十一页，共四十七页二、二、MCS-51MCS-51程序存储器地址空间程序存储器地址空间 (一一)程序存储器的分类程序存储器的分类 1.掩膜ROM:在制造时由生产厂家根据用户需求2.PROM:由用户编程,PROM出厂时为熔丝断裂型，编程输入时，对需要写1的单元通过大电流熔断其熔丝，丝断后不可再恢复，故只能写入一次 3.EPROM:一种可多次写入的ROM。当芯片在紫外线照射时，入射光子驱散EPROM中的电子，将原来存储的电荷信息擦除，EPROM所存信息被擦除。当再次使用时，可重新写入新内容。4.E2PROM:可电檫除本讲稿第二十二页，共四十七页（二）程序存储器的使用（二）程序存储器的使用 MCS-51系列单片机上电复位后，程序计数器指针PC为0000H，故CPU总是从0000H开始执行程序，若用户编写的主程序或初始化程序不从此地址开始，则应在0000H单元内存放一条绝对跳转指令，将PC转向主程序或初始化程序的入口地址。例如:ORG 0000H START:SJMP MAIN ORG 0040H MAIN:MOV P1,#00H RET END本讲稿第二十三页，共四十七页三、三、MCS-51MCS-51数据存储器地址空间数据存储器地址空间（一）分类（一）分类:（1）SRAM :其存储电路以双稳态触发器为基础，其优点是状态稳定，只要不掉电，信息不会丢失，不需要刷新电路；缺点是集成度低。（2）DRAM :其存储单元以电容为基础，电路简单，集成度高。但存在电容中电荷由于漏电会逐渐丢失的问题，需定时刷新。它适于大存储容量的计算机，常说的内存条就是由DRAM组成。（3）非易失RAM或掉电自保护RAM:本讲稿第二十四页，共四十七页（二）（二）MCS-51MCS-51单单片机的数据存片机的数据存储储器器 片内:00HFFH,用MOV指令访问 片外:0000HFFFFH,用MOVX指令访问1.片内RAM低128字节区域(00H7FH)真正RAM区工作寄存组RS1、RS0的状态R0R7占用的地址单元00 000H07H10 108H0FH21 010H17H31 118H1FH(1)工作寄存组区(00H-1FH)本讲稿第二十五页，共四十七页8051内部数据存储器地址空间 本讲稿第二十六页，共四十七页（2）位寻址区 RAM位寻址区地址分配(20H-2FH)字节地址位 地 址 D7D7D6D6D5D5D4D4D3D3D2D2D1D1D0D02FH7FH7EH7DH7CH7BH7AH79H78H2EH77H76H75H74H73H72H71H70H2DH6FH6EH6DH6CH6BH6AH69H68H2CH67H66H65H64H63H62H61H60H2BH5FH5EH5DH5CH5BH5AH59H58H2AH57H56H55H54H53H52H51H50H29H4FH4EH4DH4CH4BH4AH49H48H28H47H46H45H44H43H42H41H40H本讲稿第二十七页，共四十七页字节地址位 地 址 D7D7D6D6D5D5D4D4D3D3D2D2D1D1D0D027H3FH3EH3DH3CH3BH3AH39H38H26H37H36H35H34H33H32H31H30H25H2FH2EH2DH2CH2BH2AH29H28H24H27H26H25H24H23H22H21H20H23H1FH1EH1DH1CH1BH1AH19H18H22H17H16H15H14H13H12H11H10H21H0FH0EH0DH0CH0BH0AH09H08H20H07H06H05H04H03H02H01H00H本讲稿第二十八页，共四十七页（3）用户RAM区 (30H7FH 共80个单元):也称为数据堆栈缓冲区,该区域主要用于存放用户数据或作堆栈区使用。2.片内特殊功能寄存器SFR(80H-FFH 高128字节)符 号 名 称 地址*ACC累加器E0H*BB寄存器F0H*PSW程序状态字D0HSP堆栈指针81HDPTRDPH83HDPL82H*P0P0口锁存器80H*P1P1口锁存器90H*P2P2口锁存器A0H*P3P3口锁存器B0H*IP中断优先级控制寄存器B8H本讲稿第二十九页，共四十七页符 号 名 称 地址*IE中断允许控制寄存器A8HTMOD定时/计数器状态寄存器89H*TCON定时/计数器控制寄存器88HTH0T/C0高字节8CHTL0T/C0低字节8AHTH1T/C1高字节8DHTL1T/C1低字节8BH*SCON串行口控制寄存器98HSBUF串行数据缓冲器99HPCON电源控制寄存器97H注：表中带*号者既可按位寻址，也可按字节寻址 本讲稿第三十页，共四十七页（三）部分特殊功能寄存器简介（三）部分特殊功能寄存器简介1、累加器ACC 2寄存器B:完成乘法和除法运算.此外，B也可作暂存结果的通用寄存器。3程序状态字寄存器PSW:8位特殊功能寄存器，用于存放程序的状态和指令的执行状态，供程序查询和判别用。D7D7D6D6D5D5D4D4D3D3D2D2D1D1D0D0CYACF0RS1RS0OV未用P本讲稿第三十一页，共四十七页CY：进位标志位。在执行加、减法指令时，如果运算结 果的最高位（D7位）有进位或借位，CY位被置“1”否则清“0”。AC：半进位标志位。在执行加、减法指令时，其低半字节 向高半字节有进位或借位时（D3位向D4位），AC位被 置“1”，否则清“0”。F0：用户自定义标志位。RS1和RS0：工作寄存器组选择位。OV：溢出标志位。在补码运算，当运算结果超出-128+127的范围时（溢出），OV位被置“1”，无溢出，OV位为“0”。P：奇偶校验标志位。每条指令执行完毕，A中有奇数个1，则P=1，否则P=0。本讲稿第三十二页，共四十七页4堆栈指针SP:8位的特殊功能寄存器，用于指出堆栈栈顶的地址。数据被压入堆栈，SP自动加1，数据从堆栈中弹出，SP自动减1。系统复位时由硬件使SP=07H。堆栈深度为128个字节。5数据指针DPTR:16位的特殊功能寄存器 对64KB片外RAM寻址时，DPTR可以作间地址寄存器使用，执行MOVX A,DPTR指令或MOVX DPTR,A指令。在访问程序存储器时，DPTR作基址，执行MOVC A,A+DPTR指令，以读取程序存储器内存放的表格常数。6程序计数器PC:不可寻址本讲稿第三十三页，共四十七页程序计数器PC是一个16位专用计数器，在物理结构上是独立的，不属于特殊功能寄存器SFR。PC用于存放CPU下一条要执行指令的地址，即程序存储器地址。PC本身是没有地址的，是不可以寻址的，因此用户不能对它进行读写操作，但可以通过转移、调用、返回等指令改变其内容，从而实现程序的转移。PC的寻址范围为64KB。本讲稿第三十四页，共四十七页第三节第三节 单片机的工作方式单片机的工作方式一、单片机的时序一、单片机的时序 工作方式:采用“存储程序”的方式，事先把程序加载到计算机的存储器中，CPU按程序中的指令一条一条地执行。本讲稿第三十五页，共四十七页1.时钟电路时钟电路（a）内部时钟电路；（b）外部振荡源 本讲稿第三十六页，共四十七页1振荡周期：为单片机提供时钟信号的振荡源的周期。2时钟周期：是振荡源信号经二分频后形成的时钟脉冲信号。3机器周期：完成一个基本操作所需的时间 4指令周期：是指CPU执行一条指令所需要的时间。一个指令周期通常含有14个机器周期。MCS-51单片机各种周期的相互关系本讲稿第三十七页，共四十七页 若MCS-51单片机外接晶振为12MHz时，则单片机的四个周期的具体值为：振荡周期1/12MHz1/12s0.0833s时钟周期1/6s0.167s机器周期1s指令周期14s本讲稿第三十八页，共四十七页（二）MCS-51指令时序 1.单字节单周期指令（如：INC A指令）只需进行一次读指令操作，指令读取后即可执行。当第二次ALE有效时，PC不加1，此次操作无效2.双字节单周期指令（如：ADD A,#data指令）在两次ALE有效时，分别读取两个字节的内容。3.单字节双周期指令（如：INC DPTR指令）两个机器周期的四次ALE有效，只有一次读指令有效，后三次无效。4.双字节双周期指令（如：MOVX类指令）这类指令在第一个机器周期的第一次ALE有效期间读操作码送指令寄存器，第二次ALE有效，PC不加1，而在S5期间送出外部RAM的地址，随后在S6 到下一周期的S3期间送出或读入数据。读写数据期间ALE端不输出有效信号。本讲稿第三十九页，共四十七页典型指令时序图 本讲稿第四十页，共四十七页单片机的工作方式:主要指复位、程序执行、掉电保护、低功耗、EPROM编程和校验六种。（一）单片机的复位方式 1复位状态复位是使CPU和系统中的部件处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。此外，当程序运行错误或系统处于死锁状态时，复位也是重新启动单片机的方法。注注:高电平的复位信号持续两个机器周期以上的有效时间高电平的复位信号持续两个机器周期以上的有效时间本讲稿第四十一页，共四十七页（a）上电复位电路 （b）按键电平复位电路 （c）按键脉冲复位电路复位电路复位电路本讲稿第四十二页，共四十七页特殊功能寄存器初始状态特殊功能寄存器初始状态A00HTMOD00HB00HTCON00HPSW00HTH000HSP07HTL000HDPL00HTH100HDPH00HTL100HP0P3FFHSBUFBIP00000BSCON00HIE000000BPCON0B本讲稿第四十三页，共四十七页(二)掉电保护方式单片机系统在运行中，如发生掉电故障，RAM中的信息就会丢失。因此，单片机设置了掉电保护工作方式：即先把有用的信息转存到内部随机存储器中，再由备用电源VPD维护供电。1信息转存 如果电源发生故障，首先由系统内部的电压检测电路检测到电源电压下降到一定程度后，立即通过或产生外部中断请求。CPU中断响应后，执行中断服务程序，把有用信息送内存保护起来。2接通备用电源 信息转存完成后，要由备用电源来维持内部随机存储器的供电，备用电源与电源的自动切换靠单片机内部的电路来自动完成。在掉电保护方式下，时钟电路和中央处理器都停止工作，只有内部随机存储器和寄存器继续工作，以保存其内容。本讲稿第四十四页，共四十七页（三）CHMOS的低功耗方式 待机方式和掉电方式。这两种工作方式的实现，是靠电源控制寄存器来完成的。1.电源控制寄存器PCON(字节地址为87H)PCONPCOND7D7D6D6D5D5D4D4D3D3D2D2D1D1D0D0SMODSMOD/GF1GF1GF0GF0PDPDIDLIDLSMOD为串行通信波特率倍增控制位；GF0、GF1为两个通用标志位，由软件置位或复位；PD为掉电方式控制位，PD=1，进入掉电工作方式；IDL为待机方式控制位，IDL=1，进入待机工作方式。本讲稿第四十五页，共四十七页2.待机方式若将PCON的IDL置为“1”，单片机即进入待机工作方式（可使用ORL PCON,#01H来实现）。若要退出待机方式，可采用以下两种方法：（1）中断退出 若要退出待机方式，可引入一个外部中断请求信号，这时，IDL位被硬件清0，执行中断服务程序到RETI指令时，返回一般工作方式。（2）硬件复位退出 在待机方式下，执行一次复位操作，IDL被清0，芯片退出待机方式。本讲稿第四十六页，共四十七页3.掉电方式 若将PCON的PD置为“1”，单片机即进入掉电工作方式（可使用ORL PCON,#02H来实现）。在此工作方式下，芯片一切工作都停止，芯片的振荡器也停止运行，只有内部随机存储器单元和特殊功能寄存器的内容被保存。这时，单片机的功耗已降至最低。退出掉电工作方式，只有靠硬件复位来实现。本讲稿第四十七页，共四十七页