MCS–51系列单片的基本结构.ppt

第二章第二章 MCS51MCS51系列单片机的系列单片机的基本结构基本结构1.MCS51单片机的外部引脚及功能单片机的外部引脚及功能2.MCS51单片机的内部结构单片机的内部结构3.MCS51单片机的工作方式单片机的工作方式4.MCS51单片机的时钟电路单片机的时钟电路5.MCS51单片机的工作时序单片机的工作时序HOME本章问题1、P0口是如何实现地址口是如何实现地址/数据双总线数据双总线复用的？作为复用的？作为I/0口使用时应注意什么口使用时应注意什么？2、51系列单片机中，内部系列单片机中，内部RAM可以可以起到什么作用？起到什么作用？3、在、在51系列单片机中，外部芯片的地系列单片机中，外部芯片的地址是如何分配的，这样做有什么优点址是如何分配的，这样做有什么优点NEXTHOME2.1 MCS51单片机的外部引脚及功能单片机的外部引脚及功能80518051的构成：的构成：的构成：的构成：8位位CPU、128字节字节RAM存储器、存储器、21个专用寄个专用寄存器（亦称特殊功能寄存器存器（亦称特殊功能寄存器SFR）、）、4K掩膜掩膜ROM存储器、存储器、4个个8位并行口、位并行口、1个全双工的串行口、个全双工的串行口、2个个16位的定时器位的定时器/计计数器、一个处理能力较强的中断系统（数器、一个处理能力较强的中断系统（5个中断源）。个中断源）。时钟电路时钟电路8051CPU4K ROM128 RAM定时定时/记数器记数器逻辑控制逻辑控制并行输入并行输入/出出串行口串行口中断控制中断控制BACKNEXTHOME2.1.1 2.1.1 主电源及时钟引脚主电源及时钟引脚主电源及时钟引脚主电源及时钟引脚 包括包括Vcc（40脚）、脚）、Vss（20脚）、脚）、XTAL1和和XTAL2（18、19脚）。脚）。1主电源引脚主电源引脚 VCC：接接5V电源正端电源正端 VSS：接接5V电源地端电源地端 一般一般VCC和和VSS之间应接高频和低频滤波电容。之间应接高频和低频滤波电容。2外接晶体引脚外接晶体引脚XTAL1：芯片内部振荡电路（单级反相放大器）输入端芯片内部振荡电路（单级反相放大器）输入端XTAL2：芯片内部振荡电路（单级反相放大器）输出端芯片内部振荡电路（单级反相放大器）输出端BACKNEXTHOME3外部振荡器的接法外部振荡器的接法XTAL1XTAL2外接石英晶体振荡器外接石英晶体振荡器XTAL1XTAL2振荡振荡Vcc外接方波振荡信号外接方波振荡信号BACKNEXTHOME2.1.2 2.1.2 逻辑控制及引脚逻辑控制及引脚逻辑控制及引脚逻辑控制及引脚 该部分的引脚主要有两大功能：确定单片机的工作状态该部分的引脚主要有两大功能：确定单片机的工作状态和对外部芯片进行操作。和对外部芯片进行操作。RST/VPD（9脚，输入）：具有上电复位和掉电数据保护功能。脚，输入）：具有上电复位和掉电数据保护功能。复位功能：复位功能：单片机接上工作电源后，该引脚上出现持续单片机接上工作电源后，该引脚上出现持续24个振荡周期（即两个个振荡周期（即两个机器周期）以上的高电平，单片机就可完成复位操作机器周期）以上的高电平，单片机就可完成复位操作。BACKNEXTHOMEtVTVcc1K108051RSTVccRC8051RST上电复位电路上电复位电路带手动复位的带手动复位的上电复位电路上电复位电路掉电数据保护功能：掉电数据保护功能：掉电时内部掉电时内部RAM的备用电源输入端，但一般很少用。的备用电源输入端，但一般很少用。BACKNEXTHOME ALE/PROG（30脚，输入脚，输入/出）：出）：地址锁存允许地址锁存允许/编程脉冲输入。编程脉冲输入。地址锁存允许：地址锁存允许：以一个不变的频率（系统时钟以一个不变的频率（系统时钟 fosc/6)周期性输出正脉冲。周期性输出正脉冲。当单当单片机使用外部存储器时，此信号可作为低八位地址的锁存信号。片机使用外部存储器时，此信号可作为低八位地址的锁存信号。编程脉冲输入：编程脉冲输入：对于自带对于自带EPROM型的单片机型的单片机,此脚用于写入程序时，编程脉冲此脚用于写入程序时，编程脉冲的输入端。的输入端。PSEN（29脚，输出）：脚，输出）：外部程序程序存储器的选通信号。当单外部程序程序存储器的选通信号。当单片机使用外部程序存储器时，此脚在一个机器周期内产生两次负脉片机使用外部程序存储器时，此脚在一个机器周期内产生两次负脉冲。注意，访问内部数据存储器时，此信号无效。冲。注意，访问内部数据存储器时，此信号无效。BACKNEXTHOME EA/Vdd（31脚，输入）：程序存储器选择端脚，输入）：程序存储器选择端 当此脚加入当此脚加入“1”电平时，单片机首先使用内部程序存储器；当电平时，单片机首先使用内部程序存储器；当EA加入加入“0”电平时，系统只使用外部程序存储器。电平时，系统只使用外部程序存储器。但要特别注意：当在但要特别注意：当在EA=1使用单片机内部的程序存储器时，如使用单片机内部的程序存储器时，如果程序计数器果程序计数器PC的值超过内部程序存储器地址，单片机将自动转向的值超过内部程序存储器地址，单片机将自动转向外部程序存储器开始的单元。外部程序存储器开始的单元。对于自带对于自带EPROM型的单片机，此脚还用于在写入程序时，外部型的单片机，此脚还用于在写入程序时，外部编程电压的输入端。编程电压的输入端。2.1.3 2.1.3 并行输入并行输入并行输入并行输入/输出引脚输出引脚输出引脚输出引脚BACKNEXTHOME 以上介绍了以上介绍了MCS51系列单片机的系列单片机的8位逻辑控制引脚，位逻辑控制引脚，除此之外，剩下的除此之外，剩下的32位引脚组成了位引脚组成了4个个8位并行输入位并行输入/出口，出口，称为称为P0P3口。这口。这4个并行口既可作为普通的输入个并行口既可作为普通的输入/出口，出口，又可以作为单片机与外围芯片进行信息交换的控制、信号又可以作为单片机与外围芯片进行信息交换的控制、信号端，下面将详细加以介绍：端，下面将详细加以介绍：P0端口端口(39-32脚，双向，脚，双向，P0.0P0.7)：输出能力最强的端口，可以输出能力最强的端口，可以带动带动8个个TTL负载。驱动一个负载。驱动一个MOS负载时，应接一个负载时，应接一个10K左右的上拉电左右的上拉电阻。如果系统使用外接存储器时，该口还作为地址（低八位）总线和阻。如果系统使用外接存储器时，该口还作为地址（低八位）总线和数据总线，注意在这种情况下，数据总线，注意在这种情况下，P0口就不能作为通用的口就不能作为通用的I/O端口使用。端口使用。P1端口端口(1 8脚，双向，脚，双向，P1.0P1.7)：任何情况下都通用的任何情况下都通用的I/O端端口使用，负载能力为口使用，负载能力为4个个TTL负载。负载。P2端口端口(21 28脚，双向，脚，双向，P2.0P2.7)：除了做通用除了做通用I/O端口外，端口外，当系统使用外接存储器时，该口还作为地址（高八位）总线，在这种当系统使用外接存储器时，该口还作为地址（高八位）总线，在这种情况下，情况下，P0口就不能作为通用的口就不能作为通用的I/O端口使用。负载能力为端口使用。负载能力为4个个TTL。P3端口端口（10 17脚）：脚）：P3口除了做通用的口除了做通用的I/O端口外，同时它还有第端口外，同时它还有第二功能），负载能力为二功能），负载能力为4个个TTL。口线口线定义定义说明说明口线口线定义定义说明说明P3.0RXD串行数据输入端串行数据输入端P3.4T0计数器外部输入端计数器外部输入端P3.1TXD串行数据输出端串行数据输出端P3.5T1计数器外部输入端计数器外部输入端P3.2INT0外部中断输入端外部中断输入端P3.6/WR外部数据存储器写信号外部数据存储器写信号P3.3INT1外部中断输入端外部中断输入端P3.7/RD外部数据存储器读信号外部数据存储器读信号P3口第二功能表口第二功能表BACKNEXTHOMEMCS-51单片机外型图（单片机外型图（DIP封装）封装）MCS-51单片机的逻辑符号图单片机的逻辑符号图VCCRSTXTAL1 P0口XTAL2/EA/PSENALE P1口P3口RXDTXD/INT0/INT1 P2口T0T1/WR/RDGND87C51EPROM型AT89C51ATMELFLASH型BACKNEXTHOME2.2 MCS51单片机的内部结构单片机的内部结构 按照功能划分，单片机可分为微处理器（按照功能划分，单片机可分为微处理器（CPU）、）、存存储器、储器、I/O端口端口、定时定时/记数器和中断系统等记数器和中断系统等5大部分。大部分。微处理器微处理器CPU存储器存储器I/O端口端口定时定时/记数器记数器中断系统中断系统BACKNEXTHOME2.2.1 MCS-512.2.1 MCS-51单片机微处理器（单片机微处理器（单片机微处理器（单片机微处理器（CPUCPU）微处理器（微处理器（CPU）是整个单片机的大脑，它决定了单是整个单片机的大脑，它决定了单片机的主要功能特性，主要由运算器、控制器和专用寄存片机的主要功能特性，主要由运算器、控制器和专用寄存器等组成。器等组成。运算器：运算器：以算术逻辑单元以算术逻辑单元ALU为核心，含累加器为核心，含累加器ACC、位处理器位处理器、暂存器、程序状态字暂存器、程序状态字PSW、B寄存器等许多部件寄存器等许多部件算术逻辑单元（算术逻辑单元（ALU）：）：能完成带进位位加法、不带进位位加法、能完成带进位位加法、不带进位位加法、带进位位减法、加带进位位减法、加1、减、减1、逻辑与、逻辑或、逻辑异或、循环移位、逻辑与、逻辑或、逻辑异或、循环移位以及数据传送、程序转移等操作。以及数据传送、程序转移等操作。累累加加器器（ACC）：累累加加器器ACC是是最最常常用用的的专专用用寄寄存存器器。进进入入ALU作作算算术术操操作作和和逻逻辑辑操操作作的的操操作作数数很很多多来来自自ACC，操操作作的的结结果果也也常常送送回回ACC。程程序序状状态态字字寄寄存存器器（PSW）：程程序序状状态态字字寄寄存存器器PSW是是一一个个8位位寄存器，它包含了许多程序状态信息，其各位的含义如图所示：寄存器，它包含了许多程序状态信息，其各位的含义如图所示：BACKNEXTHOME P OVRS0RS1 FO AC Cy程序状态字程序状态字进位标志进位标志Cy：加法（减法）时最高位加法（减法）时最高位D7有进（借）位，则有进（借）位，则Cy=1，否否则则Cy=0；位处理时，它起着位处理时，它起着“位累加器位累加器”的作用。的作用。辅助进位标志辅助进位标志AC：加（减）法运算时，如果低半字节的最高位加（减）法运算时，如果低半字节的最高位D3有有进（借）位，则进（借）位，则AC=1，否则否则AC=0；AC在作在作BCD码运算而进行二十码运算而进行二十进制调整时有用。进制调整时有用。用户标志用户标志FO：是用户定义的一个状态标志。可通过软件对它置位、是用户定义的一个状态标志。可通过软件对它置位、清零；在编程时，也常测试其状态进行程序分支。清零；在编程时，也常测试其状态进行程序分支。工作寄存器区选择位工作寄存器区选择位RS1、RS0：可借软件置位或清零，以选定可借软件置位或清零，以选定4个工个工作寄存器区中的一个区投入工作。作寄存器区中的一个区投入工作。溢出标志溢出标志OV：作有符号数加法、减法时由硬件置位或清除，以指示作有符号数加法、减法时由硬件置位或清除，以指示运算结果是否溢出。运算结果是否溢出。奇偶标志奇偶标志P:每执行一条指令，单片机都能根据每执行一条指令，单片机都能根据A中中1的个数的奇偶自的个数的奇偶自动令动令P置位或清零：奇为置位或清零：奇为1，偶为，偶为0。此标志对串行通信的数据传输非常。此标志对串行通信的数据传输非常有用，通过奇偶校验可检验数据传输的正确与否。有用，通过奇偶校验可检验数据传输的正确与否。BACKNEXTHOMEBACKNEXTHOME 控制器：控制器：控制器是控制器是CPU的大脑中枢，它以定时控制逻辑为中心，的大脑中枢，它以定时控制逻辑为中心，还包括指令寄存器还包括指令寄存器IR、译码器、数据指示器、译码器、数据指示器DPTR、程序计数器、程序计数器PC、堆栈指针堆栈指针SP、以及以及RAM地址寄存器、地址寄存器、16位地址缓冲器等。位地址缓冲器等。PC：16位的地址指针，专门用来控制指令执行顺序的寄存器，其中位的地址指针，专门用来控制指令执行顺序的寄存器，其中的内容总是下一条要执行的指令的地址。复位时，的内容总是下一条要执行的指令的地址。复位时，PC=0000H使程序从使程序从0单元开始执行。通常单片机每取一个字节机器码，单元开始执行。通常单片机每取一个字节机器码，PC就自动加就自动加1，从，从而保证了指令的顺序执行。转移指令可强行改变而保证了指令的顺序执行。转移指令可强行改变PC的内容。的内容。DPTR：它是由它是由DPH、DPL两个两个8位专用寄存器组成的位专用寄存器组成的16位的地址指位的地址指针，用于访问单片机外部数据存储器或扩展的针，用于访问单片机外部数据存储器或扩展的I/O口。口。SP：MCS-51单片机的堆栈建在内单片机的堆栈建在内RAM区中，区中，8位地址指针位地址指针SP总是指总是指向栈顶的位置。复位时，（向栈顶的位置。复位时，（SP）=07H，可以通过可以通过MOV指令对指令对SP赋值。赋值。MCS-51单片机的堆栈是向上生成的：压栈时，使单片机的堆栈是向上生成的：压栈时，使SP的内容增的内容增1后作压后作压入操作；出栈时，先把栈顶的数据弹出，然后使入操作；出栈时，先把栈顶的数据弹出，然后使SP的内容减的内容减1。指令寄存器指令寄存器IR用于存放从程序存储器中取出的指令码用于存放从程序存储器中取出的指令码.专用寄存器：专用寄存器：主要是用于表示单片机当前运行状态的一组寄存器主要是用于表示单片机当前运行状态的一组寄存器,包括程序计数器包括程序计数器PC、累加器累加器ACC、通用寄存器、通用寄存器B、状态状态寄存器寄存器PSW、堆、堆栈指针栈指针SP和数据指针和数据指针DPTR.BACKNEXTHOME通用寄存器通用寄存器B：它是一个：它是一个8位寄存器，是专门为乘法和除法设置的寄位寄存器，是专门为乘法和除法设置的寄存器。存器。2.2.2 MCS-512.2.2 MCS-51单片机的存储器结构单片机的存储器结构单片机的存储器结构单片机的存储器结构BACKNEXTHOME MCS-51单片机存贮器结构特点单片机存贮器结构特点 u程程序序存存贮贮器器和和数数据据存存贮贮器器的的地地址址空空间间严严格格分分开开，用用不不同同的的地地址址指指针针、寻址方式、控制信号将这两种存储空间分开。寻址方式、控制信号将这两种存储空间分开。u存在存在4个物理上相互独立的存贮器空间：内、外程序存贮器，内、外个物理上相互独立的存贮器空间：内、外程序存贮器，内、外数据存贮器。数据存贮器。u从逻辑上看，存在三个独立的空间：片内片外的程序存贮器在同一从逻辑上看，存在三个独立的空间：片内片外的程序存贮器在同一逻辑空间中，地址从逻辑空间中，地址从0000HFFFFH，共有共有64K字节范围；片内、片字节范围；片内、片外的数据存贮器各占一个逻辑空间，其中片内数据存贮器为外的数据存贮器各占一个逻辑空间，其中片内数据存贮器为00HFFH，而片外为而片外为0000HFFFFH。BACKNEXTHOME 程序存贮器程序存贮器u程程序序存存贮贮器器用用来来存存放放程程序序，其其地地址址指指针针PC是是16位位的的寄寄存存器器，所所以以可可寻寻址址的的空空间间有有64K字字节节，但但片片内内的的容容量量比比较较有有限限，对对于于51系系列列的的8051/8751片内只有片内只有4K字节字节ROM/EPROM，8031内部无程序存储器。内部无程序存储器。u如果要让单片机执行片内如果要让单片机执行片内ROM/EPROM中的程序（地址在中的程序（地址在00000FFFH之间），必须将单片机的之间），必须将单片机的EA引脚接高电平，否则当引脚接高电平，否则当PC1000H时，单片机只会到片外程序存储器中取指。时，单片机只会到片外程序存储器中取指。u单片机到片外程序存储器中取指时，以单片机到片外程序存储器中取指时，以PC的内容作为地址，以的内容作为地址，以PSEN作为控制信号，读取相应单元的指令码，经数据总线传送到指令作为控制信号，读取相应单元的指令码，经数据总线传送到指令寄存器。寄存器。BACKNEXTHOME注意：如果注意：如果注意：如果注意：如果EA=1EA=1（使用片内的程序存储器时），程序从（使用片内的程序存储器时），程序从（使用片内的程序存储器时），程序从（使用片内的程序存储器时），程序从0000H0000H开始执开始执开始执开始执行。在这种情况下，如果程序计数器的指针行。在这种情况下，如果程序计数器的指针行。在这种情况下，如果程序计数器的指针行。在这种情况下，如果程序计数器的指针PCPC值超过值超过值超过值超过0FFFH0FFFH（4K4K）时，单片机就要自动的转向片外的）时，单片机就要自动的转向片外的）时，单片机就要自动的转向片外的）时，单片机就要自动的转向片外的ROMROM存储器（尽存储器（尽存储器（尽存储器（尽管管管管EA=1EA=1），且从片外），且从片外），且从片外），且从片外ROMROM的的的的1000H1000H单元开始执行程序。但单片机单元开始执行程序。但单片机单元开始执行程序。但单片机单元开始执行程序。但单片机是无法使用片外是无法使用片外是无法使用片外是无法使用片外ROMROM的的的的0000H-0FFFH0000H-0FFFH这这这这4K4K单元。单元。单元。单元。内部数据内部数据RAM uMCS-51单片机有单片机有128/256字节字节RAM存储器，地址从存储器，地址从007FH/FFH，可供可供CPU随机按字节读写操作，可作为数据缓冲区、堆栈区使用。随机按字节读写操作，可作为数据缓冲区、堆栈区使用。RAM空间分配示意图空间分配示意图BACKNEXTHOMEu工工作作寄寄存存器器区区：001FH共共32个个单单元元还还作作为为工工作作寄寄存存器器区区，划划分分为为四四个个小小区区，每每个个小小区区有有8个个工工作作寄寄存存器器R0R7，某某一一时时刻刻用用户户使使用用其其中中的的一一个个小小区区，可可以以通通过过设设置置程程序序状状态态字字PSW中中的的RS0和和RS1 的的状状态态确确定定使使用哪一个小区。用哪一个小区。BACKNEXTHOMEu位地址区：位地址区：202FH共共16个字节，个字节，CPU可按字节访问，也可按位寻址，可按字节访问，也可按位寻址，其位地址为其位地址为007FH。u特特殊殊功功能能寄寄存存器器SFR：MCS-51单单片片机机有有21/26个个SFR，用用来来管管理理单单片片机机内内部部各各个个功功能能部部件件。它它们们离离散散地地分分布布在在80HFFH地地址址范范围围内内。它它们们有有些些反反映映有有关关逻逻辑辑部部件件的的工工作作状状态态，有有些些则则是是有有关关功功能能单单元元的的控控制制命命令令字字，这这些些SFR均均可可由由单单片片机机按按字字节节地地址址访访问问，而而其其中中一一部部分分（凡是字节地址能被（凡是字节地址能被8整除）则可按位寻址。整除）则可按位寻址。u数据缓冲区：数据缓冲区：307FH共共80个个RAM单元单元，用于存放用户数据或做堆用于存放用户数据或做堆栈操作使用栈操作使用BACKNEXTHOME外部数据存储器外部数据存储器u在片内在片内RAM不能满足需要时，就要外接不能满足需要时，就要外接RAM。P0、P2作为外部作为外部RAM的地址和数据总线。的地址和数据总线。MCS-51对外部数据存储器的扩展能力为对外部数据存储器的扩展能力为64KB。除了硬件电路外，系统主要是靠专门的指令来访问外部数据。除了硬件电路外，系统主要是靠专门的指令来访问外部数据存储器。存储器。注意：片内注意：片内RAM和外接和外接RAM在物理地址上是可以相同的，片内在物理地址上是可以相同的，片内RAM的地址为的地址为8位，而片外位，而片外RAM的地址为的地址为16位，二者的区别是由于寻址方位，二者的区别是由于寻址方式的不同。式的不同。2.2.3 I/O2.2.3 I/O端口端口端口端口 MCS-51MCS-51单片机共有四个端口单片机共有四个端口单片机共有四个端口单片机共有四个端口P0P0P3P3，都是具有输出锁存功能的双，都是具有输出锁存功能的双，都是具有输出锁存功能的双，都是具有输出锁存功能的双向端口，这些锁存器的位置都在向端口，这些锁存器的位置都在向端口，这些锁存器的位置都在向端口，这些锁存器的位置都在SFRSFR中，其地址分别为中，其地址分别为中，其地址分别为中，其地址分别为:80H:80H、90H90H、A0H A0H、B0H.B0H.出于系统的考虑出于系统的考虑出于系统的考虑出于系统的考虑,在硬件设计上对每一个端口都有不同的要在硬件设计上对每一个端口都有不同的要在硬件设计上对每一个端口都有不同的要在硬件设计上对每一个端口都有不同的要求，所以每一个端口又具有不同的特点求，所以每一个端口又具有不同的特点求，所以每一个端口又具有不同的特点求，所以每一个端口又具有不同的特点.P0口：口：“通用数据通用数据I/O端口端口”和和“地址、数据复用总线地址、数据复用总线”端端口。口。u在作为通用数据在作为通用数据I/O端口时，具有较强的驱动能力端口时，具有较强的驱动能力(8个个TTL负载负载)，三态输出，与负载连接时，需要外接一个上拉电阻。三态输出，与负载连接时，需要外接一个上拉电阻。u作为作为“地址、数据复用总线地址、数据复用总线”使用时，使用时，P0口首先输出外部存储器口首先输出外部存储器的低八位地址，然后再变为数据总线进行数据的输入或输出此时，的低八位地址，然后再变为数据总线进行数据的输入或输出此时，P0口不能再作为通用口不能再作为通用I/O口。口。BACKNEXTHOMEP0口的位结构图口的位结构图D Q 锁存器锁存器CL /QP0.x引脚引脚Vcc地址地址/数据数据1/0控制控制(=0时时)读读锁存器锁存器读读引脚引脚内部总线内部总线写锁存器写锁存器MUX (控制控制=0时时)VccBACKNEXTHOME硬件组成：硬件组成：1，一个输出锁存器（，一个输出锁存器（D型触发器）；型触发器）；2，二个三态门（控制读引脚或读锁存器）；，二个三态门（控制读引脚或读锁存器）；3，与门和，与门和MUX等元件组成的输出控制电路；等元件组成的输出控制电路；4，一对场效应晶体管，一对场效应晶体管FET构成的输出电路。构成的输出电路。BACKNEXTHOME P1口：口：通用通用I/OI/O端口端口。u负载能力为负载能力为4个个TTL输入。与输入。与P0口的区别在于内部具有上拉电阻，所口的区别在于内部具有上拉电阻，所以输出时不用外接上拉电阻。以输出时不用外接上拉电阻。D Q 锁存器锁存器CL /QP1.x引脚引脚Vcc读读锁存器锁存器读读引脚引脚内部总线内部总线写锁存器写锁存器内部上拉电阻内部上拉电阻P1口的位结构图口的位结构图BACKNEXTHOME P2口：口：“通用数据通用数据I/O端口端口”和和“高八位地址总线高八位地址总线”端口端口u与与P0口类似，口类似，P2口在作为通用数据口在作为通用数据I/O端口时，具有较强的驱动能力，端口时，具有较强的驱动能力，与与MOS负载连接时负载连接时,需要外接一个上拉电阻。而当系统使用外部存储器需要外接一个上拉电阻。而当系统使用外部存储器时，做高八位的地址总线，时，做高八位的地址总线，D Q 锁存器锁存器CL /QP2.x引脚引脚Vcc地址地址/数据数据1/0控制控制读读锁存器锁存器读读引脚引脚内部总线内部总线写锁存器写锁存器MUX (地址地址/数据数据=0)内部上拉电阻内部上拉电阻P2P2口的位结构图口的位结构图注意：当单片机仅使用注意：当单片机仅使用256KB以下的外部数据存储器时，以下的外部数据存储器时，P2口无用，口无用，这时仍可以当成通用这时仍可以当成通用I/O端口使用。而外部数据存储器的容量大于端口使用。而外部数据存储器的容量大于256KB时，时，P2口必须作为外存储器的高八位地址总线。口必须作为外存储器的高八位地址总线。P3口：口：通用通用I/O端口、多用途端口端口、多用途端口u在多用途情况下，在多用途情况下，P3口分别作为串行口、外中断输入、外部计数输口分别作为串行口、外中断输入、外部计数输入和系统扩展时使用的入和系统扩展时使用的WR和和RD信号的端口。在这种情况下，锁存器信号的端口。在这种情况下，锁存器Q端为端为“1”电平以保证与门是打开的。电平以保证与门是打开的。u在通用在通用I/O模式下，模式下，“替代输出功能替代输出功能”端为端为“1”电平，以保证与门电平，以保证与门打开。打开。BACKNEXTHOMED Q 锁存器锁存器CL /QP3.x引脚引脚替代输出功能替代输出功能读读锁存器锁存器读读引脚引脚内部总线内部总线写锁存器写锁存器MUX (地址地址/数据数据=0)VccP3口的位结构图口的位结构图BACKNEXTHOME替代输入功能替代输入功能2.2.4 定时器定时器/计数计数器器u8051单片机内部有单片机内部有2个可编程的个可编程的16位定时器位定时器/计数器计数器T0、T1。u它是由它是由6个专用寄存器构成的：其中个专用寄存器构成的：其中TH0、TL0构成构成16位计数器位计数器T0，TH1、TL1构成构成16位计数器位计数器T1，而，而TMOD、TCON为两个定时器共用，为两个定时器共用，用来选择工作方式和控制启停。用来选择工作方式和控制启停。BACKNEXTHOMEN位位+1计数器计数器TFN位初值寄存器位初值寄存器系统内部系统内部时钟时钟fosc外部脉冲外部脉冲定时定时/计数计数控制控制C/T计数器溢出计数器溢出中断信号中断信号计数脉冲计数脉冲CP定时器定时器/计数器功能框图计数器功能框图2.2.5 2.2.5 中断系统中断系统中断系统中断系统中断的概念：中断的概念：uCPU中止正在运行的程序，转向为外部设备服务的过程称为中断。中止正在运行的程序，转向为外部设备服务的过程称为中断。当完成中断后，当完成中断后，CPU再回到原来的再回到原来的“断点断点”继续原来的程序。继续原来的程序。u中断源是由内部或外部产生，具有随机性、不可知性。中断源是由内部或外部产生，具有随机性、不可知性。MCS-51单片机有单片机有5个中断源，个中断源，2个中断优先级，个中断优先级，它的中断处理程序可实现两级嵌套，有较强的中断处理能力。它的中断处理程序可实现两级嵌套，有较强的中断处理能力。单片机对中断系统的管理是通过相关的专用寄存器来实现的。单片机对中断系统的管理是通过相关的专用寄存器来实现的。BACKNEXTHOME中断优先级别从高到低的顺序是：中断优先级别从高到低的顺序是：INT0T0INT1T1ES/int0T0/int1T1ES中断源中断源标识符标识符高优先级高优先级中断请求中断请求中断矢量中断矢量中断源中断源标识符标识符低优先级低优先级中断请求中断请求中断矢量中断矢量中断请求中断请求寄存器寄存器中断允许寄存器中断允许寄存器中断优先级中断优先级寄存器寄存器源允许源允许总允许总允许EAMCS-51的中断系统结构图的中断系统结构图BACKNEXTHOME2.2.6 布尔（位）处理器布尔（位）处理器 布布尔尔处处理理器器是是单单片片机机CPU中中运运算算器器的的一一个个重重要要组组成成部部分分。它它有有相相应应的的指指令令系系统统，可可提提供供17条条位位操操作作指指令令，硬硬件件有有自自己己的的“累累加加器器”（进进位位位位C）和和自自己己的的位位寻寻址址RAM和和I/O空空间间，所所以以是是一一个个独独立立的的位位处处理理机机，8051系系列列单单片片机机把把8位位计计算算机机和和布布尔尔处处理理器器的的硬硬件件资资源源复复合合在在一一起起给给实实际际应应用用带带来来了了极极大大方方便便,这这是是51系系列列单单片片机机的的突突出出优优点点之之一。一。BACKNEXTHOME2.3 MCS51单片机的工作方式单片机的工作方式BACKNEXTHOMEMCS-51系列单片机共有四种工作方式系列单片机共有四种工作方式,即复位方式、程即复位方式、程序执行方式、省电方式和序执行方式、省电方式和EPROM的编程校验方式的编程校验方式2.3.1 复位方式复位方式u当电源接通或时钟电路工作后，当电源接通或时钟电路工作后，RST/VPD引脚引脚(9脚脚)上出现高电平时，上出现高电平时，单片机进入复位工作方式。单片机进入复位工作方式。u高电平持续高电平持续24个振荡周期（即两个机器周期）以上，并转为低电平个振荡周期（即两个机器周期）以上，并转为低电平后，单片机就完成复位操作后，单片机就完成复位操作。u完成复位后，完成复位后，RAM内容不确定，程序计数器和特殊功能寄存器则被内容不确定，程序计数器和特殊功能寄存器则被设置成固定状态。设置成固定状态。特殊功能寄存器特殊功能寄存器初始状态初始状态特殊功能寄存器特殊功能寄存器初始状态初始状态ACC00HTCON00HB00HTH000HPSW00HTL000HSP07HTH100HDPL00HTL100HDPH00HSCON00HP0P30FFHSBUF不定不定IPXXX00000BPCON0XXXXXXXBIE0XX00000BTMOD00HPC0000HBACKNEXTHOMEMCS-51复位后特殊功能寄存器状态复位后特殊功能寄存器状态BACKNEXTHOME复位电路复位电路:VccRC8051RST上电复位电路上电复位电路Vcc1K108051RST带手动复位的带手动复位的上电复位电路上电复位电路8051RST看门狗看门狗复位电路复位电路看门狗看门狗BACKNEXTHOME2.3.2 程序执行方式程序执行方式是指单片机处于正常工作状态，按照用户程序执行工作任务。是指单片机处于正常工作状态，按照用户程序执行工作任务。2.3.3 省电方式省电方式 MCS-51系列单片机有两种省电方式：空闲模式和掉电模式。它系列单片机有两种省电方式：空闲模式和掉电模式。它们比正常运行方式的功耗大大降低，低功耗方式是由电源控制寄存器们比正常运行方式的功耗大大降低，低功耗方式是由电源控制寄存器PCON控制的。控制的。PCON格式如下：格式如下：“1”波特率加倍波特率加倍“1”进入空闲方式进入空闲方式“1”进入掉电方式进入掉电方式通用标志位通用标志位0IDLDDGF0GF1SMOD通用标志位通用标志位1BACKNEXTHOME 空闲模式空闲模式的进入：用指令使的进入：用指令使PCON中的中的IDL位置位置1，单片机便进，单片机便进入空闲模式，入空闲模式，CPU停止工作，其它部分正常运行停止工作，其它部分正常运行，振荡器向中断系振荡器向中断系统串行口、定时器提供时钟；片内统串行口、定时器提供时钟；片内RAM和所有特殊功能寄存器内容和所有特殊功能寄存器内容维持不变。维持不变。空闲模式空闲模式的退出：退出的退出：退出空闲模式空闲模式有中断和硬件复位两种方法。有中断和硬件复位两种方法。任何已开放的中断提出中断请求，都会引起硬件对任何已开放的中断提出中断请求，都会引起硬件对IDL位清位清“0”，从而结束从而结束空闲模式空闲模式。硬件复位也将结束。硬件复位也将结束空闲模式空闲模式。1、空闲模式、空闲模式2、掉电模式、掉电模式 掉电方式的进入：掉电方式的进入：PCON中的中的DD位置位置“1”，单片机进入掉电方，单片机进入掉电方式，此时单片机的一切工作停止，只有内部式，此时单片机的一切工作停止，只有内部RAM的内容被保存。的内容被保存。掉电方式的退出：唯一的方法是复位。掉电方式的退出：唯一的方法是复位。2.3.4 EPROM的编程和校验方式的编程和校验方式BACKNEXTHOMEuMCS-51内部有一个用内部有一个用于构成震荡器的高增益于构成震荡器的高增益反相放大器反相放大器.在单片机引在单片机引脚的脚的XTAL1和和XTAL2分分别是此放大器的输入和别是此放大器的输入和输出端输出端.与作为反馈元件与作为反馈元件的晶体或陶瓷谐振器一的晶体或陶瓷谐振器一起构成了一个自激震荡起构成了一个自激震荡器器XTAL1XTAL220P20PXTAL2XTAL1NC外时钟外时钟u如果使用外部震荡器信如果使用外部震荡器信号号,其外来的信号加在其外来的信号加在XTAL1的引脚上的引脚上2.4 MCS51单片机的时钟电路单片机的时钟电路BACKNEXTHOME 单片机的工作时序就是指单片机在执行用户程序时单片机的工作时序就是指单片机在执行用户程序时CPU产生控制产生控制信号的时间顺序，分为片内和片外两类。信号的时间顺序，分为片内和片外两类。2.5.1 机器周期和指令周期机器周期和指令周期u时钟周期时钟周期T：时序中最小的时间单位时序中最小的时间单位.其值由外接晶体或外输入时钟其值由外接晶体或外输入时钟来决定，其值为石英振荡器频率的倒数。来决定，其值为石英振荡器频率的倒数。u机器周期：机器周期：完成特定功能所需要的时间完成特定功能所需要的时间,在在MCS-51单片机中机器周单片机中机器周期由期由12个时钟周期构成个时钟周期构成,并分为并分为6个状态个状态(S1-S6),每个状态又分为每个状态又分为P1和和P2两拍两拍.这样一个机器周期的这样一个机器周期的12个震荡周期可以表示为个震荡周期可以表示为:S1P1,S1P2 S6P1,S6P2 将将12个震荡周期用个震荡周期用6个状态和个状态和2拍来替代。拍来替代。TS1S1S6S5S4S3机器周期机器周期2.5 MCS51单片机的工作时序单片机的工作时序u指令周期：指令周期：这是时序图中最大的时间单位这是时序图中最大的时间单位,既执行一条指令所需要既执行一条指令所需要的时间的时间.在在MCS-51系统中系统中,不同的指令它所包含的机器周期数不同不同的指令它所包含的机器周期数不同.它它们分别是们分别是:1,单机器周期指令单机器周期指令;2,双机器周期指令双机器周期指令;3,四机器周期指令四机器周期指令BACKNEXTHOME 我们知道，一个机器周期包含了我们知道，一个机器周期包含了12个震荡周期个震荡周期.如果我们使用一如果我们使用一个个12M的晶体震荡器的晶体震荡器,那么那么:一个机器周期为一个机器周期为1us，两个机器周期为，两个机器周期为2us，四个机器周期为，四个机器周期为4us.可见一条指令的运算速度与它所包含的机器周期数有关可见一条指令的运算速度与它所包含的机器周期数有关.机器周机器周期数越少期数越少,执行的速度就越快执行的速度就越快.在在MCS-51单片机的指令系统中单片机的指令系统中,除了乘、除了乘、除法指令为四个机器周期外除法指令为四个机器周期外,其余都是单周期和双周期指令。其余都是单周期和双周期指令。u指令的字节数与指令周期之间的关系：指令的字节数与指令周期之间的关系：在在MCS-51单片机的指令系统单片机的指令系统中有：中有：单字节指令；单字节指令；双字节指令；双字节指令；三字节指令。三字节指令。2.5.2 MCS-51单片机指令的取指单片机指令的取指/执行时序执行时序BACKNEXTHOME在在MCS-51的的111条指令中条指令中,可以分为六种基本的时序可以分为六种基本的时序:1,单字节单周期指令单字节单周期指令;4,双字节单周期指令双字节单周期指令;2,单字节双周期指令单字节双周期指令;5,双字节双周期指令双字节双周期指令;3,单字节四周期指令单字节四周期指令;6,三字节双周期指令三字节双周期指令.1.单字节单周期指令的时序单字节单周期指令的时序:指令特点：在程序存储器指令特点：在程序存储器ROM中仅占一个存储单元。中仅占一