【教学课件】第1章MCS-51单片机结构.ppt

第第1章章 MCS-51单片机结构单片机结构 单片机原理及应用单片机原理及应用单片机原理及应用单片机原理及应用第第1章章 MCS-51单片机结构单片机结构 MCS-51MCS-51单片机内部结构单片机内部结构存存 储储 器器特殊功能寄存器特殊功能寄存器时钟电路与复位电路时钟电路与复位电路引脚功能引脚功能 内内 容容 提提 要要第第1章章 MCS-51单片机结构单片机结构 1.1.1 概述概述MCS-51系列单片机有多种型号的产品：系列单片机有多种型号的产品：普通型普通型（51子系列）子系列）8051、8031、8751、89C51、89S51等。等。增强型增强型（52子系列）子系列）8032、8052、8752、89C52、89S52等。等。它们的结构基本相同，其主要差别反映在存储器的配置上。它们的结构基本相同，其主要差别反映在存储器的配置上。8031片内没有程序存储器片内没有程序存储器8051内部设有内部设有4KB的掩模的掩模ROM程序存储器程序存储器8751是将是将8051片内的片内的ROM换成换成EPROM89C51则换成则换成4KB的闪速的闪速EEPROM89S51结构同结构同89C51，4KB的闪速的闪速EEPROM可在线编程可在线编程增强型的存储容量为普通型的一倍增强型的存储容量为普通型的一倍 本课以本课以 8XX51 代表这一系列的单片机。代表这一系列的单片机。第第1章章 MCS-51单片机结构单片机结构 51系列单片机内部结构如图系列单片机内部结构如图1-1所示。所示。图图1-1 (图中图中“”两边分别为基本型和增强两边分别为基本型和增强型型)第第1章章 MCS-51单片机结构单片机结构 各功能部件：各功能部件：1.CPU1.CPU（微处理器）（微处理器）2.2.数据存储器（数据存储器（RAMRAM）片内为片内为128128个字节（个字节（5252子系列的为子系列的为256256个字节）个字节）3.3.程序存储器（程序存储器（ROM/EPROMROM/EPROM）8031:8031:无此部件；无此部件；8051:8051:4K4K字节字节ROMROM；8751:8751:4K4K字节字节EPROM EPROM；89C51/89C52/89C55:89C51/89C52/89C55:4K/8K/20K 4K/8K/20K 字节闪存。字节闪存。4.4.中断系统中断系统 5.5.定时器定时器/计数器计数器6.6.串行口串行口 1 1个全双工的异步串行口，具有四种工作方式。个全双工的异步串行口，具有四种工作方式。7.P17.P1口、口、P2P2口、口、P3P3口、口、P0P0口口 为为4 4个并行个并行8 8位位I/OI/O口。口。8.8.特殊功能寄存器（特殊功能寄存器（SFRSFR）共有共有2121个，是一个具有特殊功能的个，是一个具有特殊功能的RAMRAM区。区。第第1章章 MCS-51单片机结构单片机结构 1.1.2 CPU1.1.2 CPU CPUCPU是单片机的核心部件。它由运算器和控制器等部件组成。是单片机的核心部件。它由运算器和控制器等部件组成。1 1.运算器运算器 运算器的功能是进行运算器的功能是进行算术运算算术运算：加、减、乘、除、加：加、减、乘、除、加1、减、减1、比较、比较、BCD码十进制调整等码十进制调整等逻辑运算逻辑运算：与、或、异或、求反、循环等逻辑操作：与、或、异或、求反、循环等逻辑操作位操作位操作：内部有布尔处理器，它以进位标志位：内部有布尔处理器，它以进位标志位C C为位累加器，为位累加器，用来处理位操作。可对位置用来处理位操作。可对位置“1”“1”、对位清零、对位清零 、位判断等。、位判断等。操作结果的状态信息送至状态寄存操作结果的状态信息送至状态寄存PSWPSW。第第1章章 MCS-51单片机结构单片机结构 2.2.指令寄存器指令寄存器 指令寄存器中存放指令代码。指令寄存器中存放指令代码。CPUCPU执行指令时，由执行指令时，由程序存储器中读取的指令代码送入指令存储器，经指程序存储器中读取的指令代码送入指令存储器，经指令译码器译码后由定时与控制电路发出相应的控制信令译码器译码后由定时与控制电路发出相应的控制信号，完成指令功能。号，完成指令功能。第第1章章 MCS-51单片机结构单片机结构 3 3、累加器、累加器A A 使用最频繁的寄存器，使用最频繁的寄存器，可写为可写为AccAcc。A A的作用：的作用：（1 1）是）是ALUALU的输入之一，又是运算结果的存放单元。的输入之一，又是运算结果的存放单元。（2 2）数数据据传传送送大大多多都都通通过过累累加加器器A A。MCS-51MCS-51增增加加了了一一部部分分可可以以不不经经过过累累加加器器的的传传送送指指令令，即即可可加加快快数数据据的的传传送速度，又减少送速度，又减少A A的的“瓶颈堵塞瓶颈堵塞”现象。现象。A A的进位的进位标志标志CyCy同时又是同时又是位处理机的位累加器。位处理机的位累加器。第第1章章 MCS-51单片机结构单片机结构 4 4程序状态字寄存器程序状态字寄存器PSWPSW （1 1）CyCy（PSW.7PSW.7）进位标志位进位标志位（2 2）Ac(PSW.6)Ac(PSW.6)辅助进位标志位，用于辅助进位标志位，用于BCDBCD码的十码的十 进制调整运算。进制调整运算。（3 3）F0F0（PSW.5PSW.5）用户使用的状态标志位。用户使用的状态标志位。（4 4）RS1RS1、RS0RS0（PSW.4PSW.4、PSW.3PSW.3）：4 4组组工工作作寄寄存存器器区区选选择控制位择控制位1 1和位和位0 0。第第1章章 MCS-51单片机结构单片机结构 RS1 RS0 RS1 RS0 所选的所选的4 4组寄存器组寄存器 0 0 0 0 0 0区（内部区（内部RAMRAM地址地址00H00H07H07H）0 1 1 0 1 1区（内部区（内部RAMRAM地址地址08H08H0FH0FH）1 0 2 1 0 2区（内部区（内部RAMRAM地址地址10H10H17H17H）1 1 3 1 1 3区（内部区（内部RAMRAM地址地址18H18H1FH1FH）（5 5）OVOV（PSW.2PSW.2）溢出标志位）溢出标志位 指示运算是否产生溢出。各种算术运算指令对该指示运算是否产生溢出。各种算术运算指令对该位的影响情况较复杂，将在第位的影响情况较复杂，将在第3 3章介绍。章介绍。（6 6）PSW.1PSW.1位位:保留位，未用保留位，未用 （7 7）P(PSW.0)P(PSW.0)奇偶标志位奇偶标志位 P=1P=1，A A中中“1”“1”的个数为的个数为奇数奇数P=0P=0，A A中中“1”“1”的个数为的个数为偶数偶数第第1章章 MCS-51单片机结构单片机结构 5 5、程序计数器、程序计数器PCPC（Program CounterProgram Counter）存放下一条要执行的指令在程序存储器中的地址。存放下一条要执行的指令在程序存储器中的地址。基本工作方式有以下几种：基本工作方式有以下几种：（1 1）程序计数器）程序计数器自动加自动加1 1 （2 2）执执行行有有条条件件转转移移或或无无条条件件转转移移指指令令时时，程程序序计计数数器将被置入新的数值，从而使程序的流向发生变化。器将被置入新的数值，从而使程序的流向发生变化。（3 3）在在执执行行调调用用子子程程序序调调用用或或中中断断调调用用，完完成成下下列列操操作：作：PC PC的现行值保护的现行值保护 将子程序入口地址或中断向量的地址送入将子程序入口地址或中断向量的地址送入PCPC。第第1章章 MCS-51单片机结构单片机结构 6 6、指令译码器及控制逻辑电路、指令译码器及控制逻辑电路第第1章章 MCS-51单片机结构单片机结构 1.2 存存 储储 器器 MCS-51MCS-51的储存器结构与常见的微型计算机的配置方法的储存器结构与常见的微型计算机的配置方法不同不同,它将程序存储器和数据存储器分开它将程序存储器和数据存储器分开,各有自己的寻址各有自己的寻址方式、控制信号和功能。方式、控制信号和功能。程序存储器程序存储器用来存放程序和始终要保留的常数。用来存放程序和始终要保留的常数。数据存储器数据存储器存放程序运行中所需要的常数和变量。存放程序运行中所需要的常数和变量。从从物理空间物理空间看看,MCS-51,MCS-51有四个存储器地址空间：有四个存储器地址空间：片内数据存储器、片外数据存储器片内数据存储器、片外数据存储器片内程序存储器、片外程序存储器片内程序存储器、片外程序存储器 MCS-51 MCS-51存储器物理结构见下图所示：存储器物理结构见下图所示：第第1章章 MCS-51单片机结构单片机结构 外部数据 存储器 (RAM)外部程序 存储器 (ROM)内部程序 存储器内部数据 存储器8XX51 从从逻辑上逻辑上看看,MCS-51,MCS-51有三个存储器空间：有三个存储器空间：片内数据存储器、片外数据存储器片内数据存储器、片外数据存储器 片内、片外统一编址的程序存储器片内、片外统一编址的程序存储器 MCS MCS5151的存储器的存储器逻辑结构逻辑结构如图如图1-21-2所示。所示。MCS-51存储器物理结构第第1章章 MCS-51单片机结构单片机结构 引脚引脚 EA 的接法决定了程序储存器的的接法决定了程序储存器的00000FFFH 4KB地地址范围是在单片机片内还是片外。址范围是在单片机片内还是片外。H00000FFFH 图1-2 MCS-51单片机的存储器逻辑结构FFFFH0000H0FFFH 外部 RAM 外部ROM内部OM (EA=1)H00008031外部OM(EA=0）80511000HFFFFH 特殊功能 寄存器内部数据存储器内部数据存储器 内部数据 RAM7FH80H00HFFH外部数据存储器外部数据存储器 (增强型)程序存储器程序存储器 地址重叠 第第1章章 MCS-51单片机结构单片机结构 程序储存器程序储存器 程序存储器用来存放编制好的始终保留的固定程序和程序存储器用来存放编制好的始终保留的固定程序和表格常数。程序储存器以程序计数器表格常数。程序储存器以程序计数器 PC PC 作为地址指针，作为地址指针，通过通过1616位地址总线，可寻址的地址空间为位地址总线，可寻址的地址空间为64KB64KB。在在8051/8751/89C51 8051/8751/89C51 片内，分别内置最低地址空间的片内，分别内置最低地址空间的4KB ROM/EPROM4KB ROM/EPROM程序储存器（内部程序储存器），而在程序储存器（内部程序储存器），而在80318031片内，则无内部程序储存器，必须外部扩展片内，则无内部程序储存器，必须外部扩展EPROMEPROM。MCS-51MCS-51单片机中单片机中64KB64KB内、外程序储存器的地址是统一编排的。内、外程序储存器的地址是统一编排的。第第1章章 MCS-51单片机结构单片机结构 8031 8031单片机无内部程序存储器，地址从单片机无内部程序存储器，地址从0000H0000HFFFFHFFFFH都都是外部程序存储空间。是外部程序存储空间。应始终接地，应始终接地，对于内部有对于内部有ROMROM的单片机（的单片机（5151、5252系列）系列），引脚接高引脚接高电平，使程序从内部电平，使程序从内部ROMROM开始执行。当开始执行。当PCPC值超出内部值超出内部ROMROM的容的容量时，会自动转向外部程序存储器空间。外部程序存储器地量时，会自动转向外部程序存储器空间。外部程序存储器地址空间为址空间为1000H1000HFFFFHFFFFH。访问程序存储器使用访问程序存储器使用MOVC指令。指令。EAEA第第1章章 MCS-51单片机结构单片机结构 程序存储器中的几个特殊地址的使用：程序存储器中的几个特殊地址的使用：地址地址 用途用途 0000H 0000H 复位操作后的程序入口复位操作后的程序入口 0003H 0003H 外部中断外部中断0 0服务程序入口服务程序入口 000BH 000BH 定时器定时器0 0中断服务程序入口中断服务程序入口 0013H 0013H 外部中断外部中断1 1服务程序入口服务程序入口 001BH 001BH 定时器定时器1 1中断服务程序入口中断服务程序入口 0023H 0023H 串行口中断服务程序入口串行口中断服务程序入口 由于两入口地址之间的存储空间有限，因此在编程时，通常在这些由于两入口地址之间的存储空间有限，因此在编程时，通常在这些入口地址开始的两三个地址单元中，放入一条转移类指令，已使相应的入口地址开始的两三个地址单元中，放入一条转移类指令，已使相应的程序转到指定的程序存储器区域中执行。程序转到指定的程序存储器区域中执行。第第1章章 MCS-51单片机结构单片机结构 1.2.2 1.2.2 外部数据存储器外部数据存储器 用于存放随机读写的数据。用于存放随机读写的数据。外部外部I/OI/O口地址影像区。口地址影像区。MCS-51 MCS-51单片机的外部数据存储器和外部单片机的外部数据存储器和外部I/OI/O口实行统一编口实行统一编址址 ，并使用相同的，并使用相同的 作选通控制信号，均使用作选通控制信号，均使用 MOVXMOVX 指令访问。指令访问。MCS-51 MCS-51 单片机最多可扩展单片机最多可扩展64KB64KB外部数据存储器外部数据存储器1.2.3 1.2.3 内部数据储存器内部数据储存器 内部数据存储器是使用最多的地址空间，存放随机读写内部数据存储器是使用最多的地址空间，存放随机读写的数据的数据 通用寄存器区通用寄存器区 RD WR第第1章章 MCS-51单片机结构单片机结构 堆栈区堆栈区 运算操作数存放区运算操作数存放区 指令（算术运算、逻辑运算、位操作运算等）的操作数指令（算术运算、逻辑运算、位操作运算等）的操作数只能在此地址空间或特殊功能寄存器地址空间。只能在此地址空间或特殊功能寄存器地址空间。内部数据存储器的地址分配内部数据存储器的地址分配 51 51 系列单片机内部数据存储器系列单片机内部数据存储器地址范围地址范围为为00007FH7FH。各。各区域地址见下表。区域地址见下表。（1 1）地址）地址 0 01FH1FH的前的前3232个单元称为寄存器区个单元称为寄存器区用途：用途：作通用寄存器作通用寄存器R0R0R7R7。R0 R0与与R1R1可作间址寄存器使用。可作间址寄存器使用。第第1章章 MCS-51单片机结构单片机结构 第第1章章 MCS-51单片机结构单片机结构 使用时应注意使用时应注意：(1)(1)3232个单元的寄存器区分为四组，使用时只能选其中一组寄存器。个单元的寄存器区分为四组，使用时只能选其中一组寄存器。寄存器的选组由程序状态字寄存器的选组由程序状态字PSWPSW的的RS1RS1和和RS0RS0位定。位定。RS1 RS0 RS1 RS0 选寄存器组选寄存器组 0 0 0 0 0 0组组 0 1 1 0 1 1组组 1 0 2 1 0 2组组 1 1 3 1 1 3组组 初始化时或复位时，自动选中初始化时或复位时，自动选中0 0组。组。一旦选中一组，其它三组只能作为数据存储器使用，而不能作为寄存一旦选中一组，其它三组只能作为数据存储器使用，而不能作为寄存器使用。器使用。设置多组寄存器可以方便保护现场。设置多组寄存器可以方便保护现场。第第1章章 MCS-51单片机结构单片机结构 （2 2）20H20H2FH2FH为位地址区为位地址区 共共1616个单元，每单元有八个位，每位有一个位地址，共个单元，每单元有八个位，每位有一个位地址，共128128位，位地址范围为位，位地址范围为00H00H7FH7FH，该区既可位寻址，又可字节寻，该区既可位寻址，又可字节寻址。址。如如 MOV 20HMOV 20H，C C(这里这里C C是是CyCy进位标志位），该指令是将进位标志位），该指令是将CyCy内内容送容送20H20H位位,如果如果CyCy1 1，位，位20H20H值为值为“1”“1”。（3 3）除选中的寄存组以外的存储器均可以作为通用）除选中的寄存组以外的存储器均可以作为通用RAMRAM区区。（4 4）堆栈区）堆栈区 8XX51 8XX51单片机的堆栈设在内部单片机的堆栈设在内部RAMRAM区，深度不大于区，深度不大于128128字字节，初始化时节，初始化时SPSP指向指向07H07H。注：注：对对5151基本型单片机只有基本型单片机只有00H-7FH00H-7FH单元单元128128字节的字节的RAMRAM区。对区。对5252增强型的单片机还有增强型的单片机还有80H-FFH80H-FFH组成的高组成的高128128字节字节RAMRAM区（共区（共256256字节字节RAM RAM）。）。第第1章章 MCS-51单片机结构单片机结构 1.3特殊功能寄存器特殊功能寄存器 MCS-51MCS-51单片机共有单片机共有2121个字节的特殊功能寄存器用英文缩个字节的特殊功能寄存器用英文缩写写SFR SFR（Special Fuction RegisterSpecial Fuction Register）表示。）表示。1.1.用途：用途：A A 累加器、状态标志寄存器累加器、状态标志寄存器单片机内部各部件专用的控制、状态寄存器单片机内部各部件专用的控制、状态寄存器并行口、串行口影射寄存器并行口、串行口影射寄存器2.2.地址空间：地址空间：2121个特殊功能器不连续的分布在个特殊功能器不连续的分布在80H80HFFH 128FFH 128个字节地个字节地址空间，见表址空间，见表1-21-2。地址为地址为X0HX0H和和X8HX8H是可位寻址的寄存器，表是可位寻址的寄存器，表1-21-2中用中用“*”“*”表示。表示。第第1章章 MCS-51单片机结构单片机结构 第第1章章 MCS-51单片机结构单片机结构 表表1-21-2中还标注了各中还标注了各SFRSFR的名称、字节地址、可寻址位的位的名称、字节地址、可寻址位的位地址和位名称。地址和位名称。2121个特殊功能寄存器的名称及主要功能介绍如下，详细的个特殊功能寄存器的名称及主要功能介绍如下，详细的用法见后面各节的内容。用法见后面各节的内容。A A累加器，自带有全零标志累加器，自带有全零标志Z Z，A=0A=0则则Z=1Z=1；A0A0则则Z=0Z=0。该标志常用于程序分支转移的判断条件。该标志常用于程序分支转移的判断条件。B B寄存器，常用于乘除法运算（见第寄存器，常用于乘除法运算（见第2 2章）。章）。PSWPSW程序状态字。主要起着标志寄存器的作用，其程序状态字。主要起着标志寄存器的作用，其8 8位定位定义见表义见表1-31-3。第第1章章 MCS-51单片机结构单片机结构 其中其中 CY CY：进：进/借位标志借位标志 反映最高位的进位借位情况，加法为进位、减反映最高位的进位借位情况，加法为进位、减 法法为借位。为借位。CY=1 CY=1，有进，有进/借位借位 ；CY=0 CY=0，无进，无进/借位。借位。AC AC：辅助进：辅助进/借位标志借位标志 反映高半字节与低半字节之间的进反映高半字节与低半字节之间的进/借位，借位，AC=1 AC=1有进有进/借位；借位；AC=0 AC=0无进无进/借位借位 。FO FO：用户标志位。可由用户设定其含义。：用户标志位。可由用户设定其含义。RS1 RS1，RS0RS0：工作寄存器组选择位。：工作寄存器组选择位。D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 CY AC F0RS1RS0OV P位地址位名称第第1章章 MCS-51单片机结构单片机结构 OVOV：溢出标志：溢出标志 反映补码运算的运算结果有无溢出反映补码运算的运算结果有无溢出 有溢出有溢出 OV=1 OV=1，无溢出，无溢出OV=0OV=0。-：无效位。：无效位。P P：奇偶标志：奇偶标志 运算结果有奇个运算结果有奇个“1”“1”，P=1P=1；运算结果有偶个；运算结果有偶个“1”“1”，P=0P=0。影响标志位的指令及其影响方式见第影响标志位的指令及其影响方式见第2 2章。章。SPSP堆栈指针。堆栈指针。8XX518XX51单片机的堆栈设在片内单片机的堆栈设在片内RAMRAM，对堆栈的操作包括压入（对堆栈的操作包括压入（PUSHPUSH）和弹出（）和弹出（POPPOP）两种方式，）两种方式，并且遵循后进先出的原则，但在堆栈生成的方向上，与并且遵循后进先出的原则，但在堆栈生成的方向上，与80868086正好相反正好相反8XX518XX51单片机的堆栈操作遵循先加后压，先弹单片机的堆栈操作遵循先加后压，先弹后减的顺序，按字节进行操作。后减的顺序，按字节进行操作。第第1章章 MCS-51单片机结构单片机结构 DPTRDPTR数据指针寄存器数据指针寄存器 用来存放用来存放1616位地址值，以便用间接寻址或变址寻址片位地址值，以便用间接寻址或变址寻址片外存储器。外存储器。DPTRDPTR可分成可分成DPLDPL和和DPHDPH两个两个8 8位寄存器分别使用。位寄存器分别使用。P0 P1 P2 P3P0 P1 P2 P3I/OI/O端口寄存器端口寄存器 是四个并行是四个并行I/OI/O端口映射入端口映射入SFRSFR中的寄存器。通过对该中的寄存器。通过对该寄存器的读寄存器的读/写，可实现从相应写，可实现从相应I/OI/O端口的输入端口的输入/输出。输出。例如：指令例如：指令 MOV P1 MOV P1，A A实现了把实现了把A A累加器中的内容从累加器中的内容从P1P1端口端口输出的操作。指令输出的操作。指令MOV AMOV A，P3P3实现了把实现了把P3P3端口线上的信息输端口线上的信息输入到入到A A中的操作。中的操作。第第1章章 MCS-51单片机结构单片机结构 此外还有如下寄存器，它们将在后面章节介绍：此外还有如下寄存器，它们将在后面章节介绍：IPIP中断优先级控制寄存器。中断优先级控制寄存器。IEIE中断允许控制寄存器。中断允许控制寄存器。TMODTMOD定时器定时器/计数器方式控制寄存器。计数器方式控制寄存器。TCONTCON定时器定时器/计数器控制寄存器。计数器控制寄存器。TH0TH0，TL0TL0定时器定时器/计数器计数器0 0。TH1TH1，TH1TH1定时器定时器/计数器计数器1 1。SCONSCON串行端口控制寄存器。串行端口控制寄存器。SBUFSBUF串行数据缓冲器。串行数据缓冲器。PCONPCON电源控制寄存器。电源控制寄存器。第第1章章 MCS-51单片机结构单片机结构 注：注：在在5252子系列中，高子系列中，高128128字节字节RAMRAM和和SFRSFR的地的地址是重叠的，究竟访问哪一块可通过不同的寻址是重叠的，究竟访问哪一块可通过不同的寻址方式加以区分，访问高址方式加以区分，访问高128128字节字节RAMRAM采用寄存采用寄存器间址，访问器间址，访问SFRSFR则只能采用直接寻址，访问低则只能采用直接寻址，访问低128128字节字节RAMRAM时，两种寻址均可采用。时，两种寻址均可采用。第第1章章 MCS-51单片机结构单片机结构 1.4 时钟电路与复位电路时钟电路与复位电路1.4.1 1.4.1 时钟电路时钟电路时钟电路时钟电路 与时序与时序与时序与时序 1、时钟电路、时钟电路 时钟频率直接影响单片机的时钟频率直接影响单片机的速度速度，电路的质量直接影响系，电路的质量直接影响系统的统的稳定性稳定性。常用的时钟电路有两种方式：。常用的时钟电路有两种方式：内部时钟内部时钟方式和方式和外外部时钟部时钟方式。方式。1 1）内部时钟方式）内部时钟方式 内部有一个用于构成振荡器内部有一个用于构成振荡器的的高增益反相放大器高增益反相放大器，反相，反相放大器的输入端为芯片引脚放大器的输入端为芯片引脚XTAL1XTAL1，输出端为引脚，输出端为引脚XTAL2XTAL2。第第1章章 MCS-51单片机结构单片机结构 C1C1和和C2C2典型值通常选择为典型值通常选择为30pF30pF左右。左右。晶体的振荡频率晶体的振荡频率在在1.2MHz1.2MHz12MHz12MHz之间。某些高速单片机芯之间。某些高速单片机芯片的时钟频率已达片的时钟频率已达40MHz40MHz。2 2）外部时钟方式）外部时钟方式 常用于多片常用于多片MCS-51MCS-51单片机同时工作。单片机同时工作。第第1章章 MCS-51单片机结构单片机结构 3）时钟信号的输出）时钟信号的输出 为应用系统中的其它芯片提供时钟，但需增加驱动能为应用系统中的其它芯片提供时钟，但需增加驱动能力。力。第第1章章 MCS-51单片机结构单片机结构 2 2、机器周期、指令周期与指令时序机器周期、指令周期与指令时序单片机执行的指令的单片机执行的指令的各种时序均与时钟周期各种时序均与时钟周期有关有关一、时钟周期一、时钟周期单片机的单片机的基本时间单位基本时间单位。若时钟的晶体的振荡频率为。若时钟的晶体的振荡频率为foscfosc，则时钟周期，则时钟周期Tosc=1/foscTosc=1/fosc。如。如fosc=6MHzfosc=6MHz，Tosc=166.7nsTosc=166.7ns。二、机器周期二、机器周期CPUCPU完完成成一一个个基基本本操操作作所所需需要要的的时时间间称称为为机机器器周周期期。执执行行一一条条指指令令分分为为几几个个机机器器周周期期。每每个个机机器器周周期期完完成成一一个个基基本本操操作作。MCS-51MCS-51单单片片机机每每1212个个时时钟钟周周期期为为一一个个机机器器周周期期，一一个个机机器器周周期期又又分分为为6 6个个状状态态：S1S1S6S6。每每个个状状态态又又分分为为两两拍拍：P1P1和和P2P2。因因此此，一一个个机机器器周周期期中中的的1212个个时时钟钟周周期表示为：期表示为：S1P1S1P1、S1P2S1P2、S2P1S2P1、S2P2S2P2、S6P2S6P2。第第1章章 MCS-51单片机结构单片机结构 三、指令周期三、指令周期执行任何一条指令时，都可分为执行任何一条指令时，都可分为取指令阶段取指令阶段和和指令执行阶段指令执行阶段 。取指令阶段取指令阶段，PCPC中地址送到程序存储器，并从中取出需要执行指令的操作码和操作中地址送到程序存储器，并从中取出需要执行指令的操作码和操作数。数。指令执行阶段指令执行阶段，对指令操作码进行译码，以产生一系列控制信号完成指令的执行。，对指令操作码进行译码，以产生一系列控制信号完成指令的执行。ALEALE信号是为地址锁存而定义的信号是为地址锁存而定义的，以时钟脉冲，以时钟脉冲1/61/6的频率出现，在一个机器周期中，的频率出现，在一个机器周期中，ALEALE信号两次有效（注意，在执行访问外部数据存储器的指令信号两次有效（注意，在执行访问外部数据存储器的指令MOVXMOVX时，将会丢失时，将会丢失一个一个ALEALE脉冲）脉冲）例例：单片机外接晶振频率：单片机外接晶振频率12MHZ12MHZ时的各种时序单位：时的各种时序单位：振荡周期振荡周期=1/fosc=1/12MHZ=0.0833us=1/fosc=1/12MHZ=0.0833us 状态周期状态周期=2/fosc=2/12MHZ=0.167us=2/fosc=2/12MHZ=0.167us 机器周期机器周期=12/fosc=12/12MHZ=1us=12/fosc=12/12MHZ=1us 指令周期指令周期=(1=(14)4)机器周期机器周期=1=14us4us 第第1章章 MCS-51单片机结构单片机结构 复位操作与复位电路复位操作与复位电路1、复位操作、复位操作 单片机的初始化操作，摆脱死锁状态。单片机的初始化操作，摆脱死锁状态。引脚引脚RSTRST加上加上大于大于2 2个机器周期（即个机器周期（即2424个时钟振荡周期）个时钟振荡周期）的高电平就可使的高电平就可使MCS-51MCS-51复位。复位。复位时，复位时，PCPC初始化为初始化为0000H0000H，使，使MCS-51MCS-51单片机从单片机从0000H0000H单元开始执行程序。单元开始执行程序。除除PCPC之外，复位操作还对其它一些寄存器有影响，见下之外，复位操作还对其它一些寄存器有影响，见下表表。SP=07H SP=07H，P0-P3P0-P3的引脚均为高电平的引脚均为高电平。在复位有效期间，在复位有效期间，ALEALE脚脚和和PSENPSEN*脚脚均为高电平，内部均为高电平，内部RAMRAM的状态不受复位的影响。的状态不受复位的影响。第第1章章 MCS-51单片机结构单片机结构 第第1章章 MCS-51单片机结构单片机结构 2 2、复位电路、复位电路 片内复位结构：片内复位结构：第第1章章 MCS-51单片机结构单片机结构 复位电路通常采用复位电路通常采用上电自动复位上电自动复位和和按钮复位按钮复位两种方式。两种方式。最简单的上电自动复位电路最简单的上电自动复位电路:第第1章章 MCS-51单片机结构单片机结构 按键手动复位，有按键手动复位，有电平方式电平方式和和脉冲方式脉冲方式两种。两种。电平方式：电平方式：第第1章章 MCS-51单片机结构单片机结构 脉冲方式：脉冲方式：第第1章章 MCS-51单片机结构单片机结构 两种实用的兼有上电复位与按钮复位的电路。两种实用的兼有上电复位与按钮复位的电路。图中（图中（b）的电路能输出高、低两种电平的复位控制信号，的电路能输出高、低两种电平的复位控制信号，以适应外围以适应外围I/O接口芯片所要求的不同复位电平信号。接口芯片所要求的不同复位电平信号。74LS122为单稳电路，实验表明，为单稳电路，实验表明，电容电容C的选择约为的选择约为0.1 F较较好。好。第第1章章 MCS-51单片机结构单片机结构 1.5 引脚功能引脚功能各个引脚的功能说明如下：各个引脚的功能说明如下：VssVss:接地端。接地端。VccVcc:电源端，接电源端，接+5V+5V。XTAL1XTAL1，XTAL2XTAL2:接外部晶体或外部时钟。接外部晶体或外部时钟。RST/VPDRST/VPD：复位信号输入。复位信号输入。接备用电源，当接备用电源，当VCCVCC掉电后，在低功掉电后，在低功耗条件下保持内部耗条件下保持内部RAMRAM中的数据。中的数据。8XX51单片机有单片机有44引脚的引脚的方形封装形式和方形封装形式和40个引脚的双个引脚的双列直插式封装形式，最常用的列直插式封装形式，最常用的40个引脚封装，见图个引脚封装，见图1-6.图1-6第第1章章 MCS-51单片机结构单片机结构 ALE/PROGALE/PROG：ALE ALE 地址锁存允许。地址锁存允许。ALE ALE输出脉输出脉冲的频率为振荡频率的冲的频率为振荡频率的1/61/6。PROG PROG 对对87518751单片机片内单片机片内 EPROM EPROM 编程时，编程脉冲由该引脚引入。编程时，编程脉冲由该引脚引入。PSENPSEN：程序存储器允许。输出读外部：程序存储器允许。输出读外部程序存储器的选通信号。程序存储器的选通信号。EA/VPPEA/VPP：EA=0 EA=0，单片机只访问外部程序，单片机只访问外部程序存储器。存储器。EA=1 EA=1，单片机访问内部程序存，单片机访问内部程序存储器。储器。在在87518751单片机片内单片机片内EPROMEPROM编程期间，编程期间，此引脚引入此引脚引入21V21V编程电源编程电源VPPVPP。图1-6第第1章章 MCS-51单片机结构单片机结构 P0.0P0.0P0.7P0.7：P0P0口，数据口，数据/低八位地址复用总线端口。低八位地址复用总线端口。P1.0P1.0P1.7P1.7：P1P1口，静态通用端口。口，静态通用端口。P2.0P2.0P2.7P2.7：P2P2口，高八位地址总线端口。口，高八位地址总线端口。P3.0P3.0P3.7P3.7：P3P3口，双功能静态端口。口，双功能静态端口。在增强型的在增强型的52系列单片机中，系列单片机中，P1.0、P1.1除为端口除为端口线外，还为定时线外，还为定时/计数器计数器2的外部引脚的外部引脚 T2和和T2EX。第第1章章 MCS-51单片机结构单片机结构 图图1-7在在51系列单片机的系列单片机的2051/1051型号中因无型号中因无P0口和口和P2口总线口总线引脚，因此只有引脚，因此只有20个引脚（见个引脚（见图图1.7），由于不能进行外部），由于不能进行外部扩展，因此无扩展，因此无PSEN引脚，它引脚，它们内部有一个模拟比较器，相们内部有一个模拟比较器，相比较的模拟信号由比较的模拟信号由P1.0（AIN0）和）和P1.1（AIN1）输入，而模拟）输入，而模拟比较器的输出接比较器的输出接P3.6，在内部，在内部已连接，因此外部无已连接，因此外部无P3.6引脚。引脚。第第1章章 MCS-51单片机结构单片机结构 4444只引脚方形封装方式（只引脚方形封装方式（4 4只无用）只无用）第第1章章 MCS-51单片机结构单片机结构 1.6 小 结 单片机是集单片机是集CPUCPU、存储器、存储器、I/OI/O接口于一体的大规模集成电接口于一体的大规模集成电路芯片。路芯片。MCS-51MCS-51系列单片机是目前市场上应用最广泛的单片系列单片机是目前市场上应用最广泛的单片机机型。机机型。本章重点是单片机的内部结构和存储器结构本章重点是单片机的内部结构和存储器结构 51系列系列单片机内部包含：单片机内部包含：F 一个一个8 8位的位的CPUCPU。F 4KB4KB程序存储器程序存储器ROMROM（视不同产品型号不同：视不同产品型号不同：80318031内部无内部无ROMROM；80518051内部为掩模式内部为掩模式ROMROM；87518751为为EPROMEPROM；89C5189C51内部为内部为FLASH EEPROMFLASH EEPROM）。）。F 128128字节字节RAMRAM数据存储器。数据存储器。第第1章章 MCS-51单片机结构单片机结构 F两个两个1616位定时器位定时器/计数器计数器。F可寻址可寻址64KB64KB外部数据存储器和外部数据存储器和64KB64KB外部程序存储器空间的控外部程序存储器空间的控制电路。制电路。F3232条可编程的条可编程的I/OI/O线（四个线（四个8 8位并行位并行I/OI/O端口）。端口）。F一个可编程全双工串行口。一个可编程全双工串行口。F具有两个优先级嵌套中断结构的五个中断源。具有两个优先级嵌套中断结构的五个中断源。掌握掌握51系列单片机各存储空间的地址分配，使用特点及数系列单片机各存储空间的地址分配，使用特点及数据操作方法。现将此内容归纳于教材表据操作方法。现将此内容归纳于教材表1-5中，此表是编程中，此表是编程和硬件扩展的基础，相当重要，务必要熟记和掌握。和硬件扩展的基础，相当重要，务必要熟记和掌握。