《MCS51单片机结构》PPT课件.ppt

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1、MCS-51系列单片机系统系列单片机系统及应用及应用山东理工大学计算机学院通信工程系上节内容上节内容n n目的：目的：了解单片机的基本概念和发展的基本阶段。n n难点：难点：单片机的基本概念/单片机与PC机的差别。n n重点：重点：了解单片机的基本概念和应用。第二章第二章 MCS-51单片机结构单片机结构n n2.1 MCS-51 单片机的外部特性单片机的外部特性n n2.2 MCS-51 单片机的内部结构单片机的内部结构n n2.3 MCS-51 存储器存储器n n2.4 专用功能寄存器专用功能寄存器n n2.5 中断系统中断系统n n2.6 定时器定时器/计数器计数器n n2.7 串行接口

2、串行接口本节内容本节内容n n重点：重点：重点：重点：MCS51MCS51系列单片机的外部特性：引脚；系列单片机的外部特性：引脚；系列单片机的外部特性：引脚；系列单片机的外部特性：引脚；总线总线总线总线 单片机的内部结构：组成；单片机的内部结构：组成；单片机的内部结构：组成；单片机的内部结构：组成；CPUCPU时序时序时序时序 n n难点：难点：难点：难点：单片机时序单片机时序单片机时序单片机时序n n目的：目的：目的：目的：通过本节课学习，掌握通过本节课学习，掌握通过本节课学习，掌握通过本节课学习，掌握5151单片机的引脚特性，单片机的引脚特性，单片机的引脚特性，单片机的引脚特性，了解单片机

3、的资源，掌握了解单片机的资源，掌握了解单片机的资源，掌握了解单片机的资源，掌握5151单片机的时序。单片机的时序。单片机的时序。单片机的时序。2.1 MCS-51单片机的外部特性n nMCS51系列单片机主要产品：系列单片机主要产品：8051、8031、8751、80C51、80C31等，它们的等，它们的基本结构相同，差别在内部存储器的基本结构相同，差别在内部存储器的配置上。配置上。n n8031：内没有：内没有ROMn n8051：内有：内有4KB的掩模的掩模ROMn n8751：内有：内有4KB的的 EPROM补充：关于ROM的小知识n nROM,PROM,EPROM,EEPROM,ROM

4、,PROM,EPROM,EEPROM,FPEROM FPEROMn n1:1:(掩膜掩膜掩膜掩膜)ROM-ROM-这是标准的这是标准的这是标准的这是标准的ROMROM，用于永久性存储重要数，用于永久性存储重要数，用于永久性存储重要数，用于永久性存储重要数据。当一项科技性产品需要其部份信息不会随着外界等因据。当一项科技性产品需要其部份信息不会随着外界等因据。当一项科技性产品需要其部份信息不会随着外界等因据。当一项科技性产品需要其部份信息不会随着外界等因素的变化而变更时，它们通常都使用此标准的素的变化而变更时，它们通常都使用此标准的素的变化而变更时，它们通常都使用此标准的素的变化而变更时，它们通常

5、都使用此标准的ROMROM模块。模块。模块。模块。在在在在ROMROM中，信息是被永久性的蚀刻在中，信息是被永久性的蚀刻在中，信息是被永久性的蚀刻在中，信息是被永久性的蚀刻在ROMROM单元中的，这单元中的，这单元中的，这单元中的，这使得使得使得使得ROMROM在完成蚀刻工作后是不可能再将其中的信息改在完成蚀刻工作后是不可能再将其中的信息改在完成蚀刻工作后是不可能再将其中的信息改在完成蚀刻工作后是不可能再将其中的信息改变。变。变。变。n nMASK(MASK(掩膜掩膜掩膜掩膜)：单片机掩膜是指程序数据已经做成光刻版，：单片机掩膜是指程序数据已经做成光刻版，：单片机掩膜是指程序数据已经做成光刻版

6、，：单片机掩膜是指程序数据已经做成光刻版，在单片机生产的过程中把程序做进去。优点是：程序可靠、在单片机生产的过程中把程序做进去。优点是：程序可靠、在单片机生产的过程中把程序做进去。优点是：程序可靠、在单片机生产的过程中把程序做进去。优点是：程序可靠、成本低。缺点：批量要求大，每次修改程序就需要重新做成本低。缺点：批量要求大，每次修改程序就需要重新做成本低。缺点：批量要求大，每次修改程序就需要重新做成本低。缺点：批量要求大，每次修改程序就需要重新做光刻板，不同程序不能同时生产，供货周期长。光刻板，不同程序不能同时生产，供货周期长。光刻板，不同程序不能同时生产，供货周期长。光刻板，不同程序不能同时

7、生产，供货周期长。n n2:PROM(Programmable ROM2:PROM(Programmable ROM，可编程，可编程，可编程，可编程ROM)-ROM)-此类型的此类型的此类型的此类型的ROMROM的工作原理与的工作原理与的工作原理与的工作原理与CD-RCD-R相似，它允许相似，它允许相似，它允许相似，它允许你一次性地重写其中的数据，请记得：重写你一次性地重写其中的数据，请记得：重写你一次性地重写其中的数据，请记得：重写你一次性地重写其中的数据，请记得：重写(涮新涮新涮新涮新)其中数据的次数其中数据的次数其中数据的次数其中数据的次数只有一次只有一次只有一次只有一次。一旦信息被写入

8、。一旦信息被写入。一旦信息被写入。一旦信息被写入PROMPROM后，数据也将被永久性地蚀刻其中了，之后，数据也将被永久性地蚀刻其中了，之后，数据也将被永久性地蚀刻其中了，之后，数据也将被永久性地蚀刻其中了，之后此块后此块后此块后此块PROMPROM与上面介绍的与上面介绍的与上面介绍的与上面介绍的ROMROM就没什么两样了。就没什么两样了。就没什么两样了。就没什么两样了。n n3 3：EPROM(Erasable Programmable ROMEPROM(Erasable Programmable ROM，可擦，可擦，可擦，可擦去可编程去可编程去可编程去可编程ROM)-ROM)-当然存储在当然

9、存储在当然存储在当然存储在ROMROM中的数据需要中的数据需要中的数据需要中的数据需要抹去或进行重新写入时，抹去或进行重新写入时，抹去或进行重新写入时，抹去或进行重新写入时，EPROMEPROM可以办到。使可以办到。使可以办到。使可以办到。使用紫外线照射此类型的用紫外线照射此类型的用紫外线照射此类型的用紫外线照射此类型的ROMROM可以抹去其中的数据，可以抹去其中的数据，可以抹去其中的数据，可以抹去其中的数据，它还允许将你需要的信息存储入此类它还允许将你需要的信息存储入此类它还允许将你需要的信息存储入此类它还允许将你需要的信息存储入此类ROMROM中。中。中。中。n n4：EEPROM(Ele

10、ctrically Erasable Programmable ROM，电电 可可 擦擦 去去 可可 编编 程程ROM)-此此类类ROM现现在在常常用用于于电电脑脑系系统统的的BIOS，它它与与EPROM非非常常相相似似，EEPROM中中的的信信息息也也同同样样可可以以被被抹抹去去，也也可可以以向向其其中中写写入入新新数数据据。就就如如其其名名字字所所示示，对对于于此此EEPROM我我们们可可以以使使用用电电来来对对其其进进行行擦擦写写，而而不不需需要要紫紫外外线线，这这对对于于主主板板的的BIOS是是非非常有用的。（但一般要使用常有用的。（但一般要使用12V及以上电压）及以上电压）n n5

11、5：FPEROMFPEROMFalsh Programmable and Erasable Falsh Programmable and Erasable Read Only MemoryRead Only Memoryn n单电压芯片，在使用上很类似单电压芯片，在使用上很类似单电压芯片，在使用上很类似单电压芯片，在使用上很类似EPROMEPROM，因此，因此，因此，因此，有些书籍上便把有些书籍上便把有些书籍上便把有些书籍上便把FLASH ROMFLASH ROM作为作为作为作为EPROMEPROM的一种。的一种。的一种。的一种。事实上，二者还是有差别的。事实上，二者还是有差别的。事实上，二者

12、还是有差别的。事实上，二者还是有差别的。FLASH ROMFLASH ROM在擦在擦在擦在擦除时，也要执行专用的刷新程序，但是在删除资除时，也要执行专用的刷新程序，但是在删除资除时，也要执行专用的刷新程序，但是在删除资除时，也要执行专用的刷新程序，但是在删除资料时，并非以料时，并非以料时，并非以料时，并非以ByteByte为基本单位，而是以为基本单位，而是以为基本单位，而是以为基本单位，而是以SectorSector（又（又（又（又称称称称BlockBlock）为最小单位，）为最小单位，）为最小单位，）为最小单位，SectorSector的大小随厂商的不的大小随厂商的不的大小随厂商的不的大小随

13、厂商的不同而有所不同；只有在写入时，才以同而有所不同；只有在写入时，才以同而有所不同；只有在写入时，才以同而有所不同；只有在写入时，才以ByteByte为最小为最小为最小为最小单位写入；单位写入；单位写入；单位写入；FLASH ROMFLASH ROM芯片的读和写操作都是芯片的读和写操作都是芯片的读和写操作都是芯片的读和写操作都是在单电压下进行，不需跳线，只利用专用程序即在单电压下进行，不需跳线，只利用专用程序即在单电压下进行，不需跳线，只利用专用程序即在单电压下进行，不需跳线，只利用专用程序即可方便地修改其内容可方便地修改其内容可方便地修改其内容可方便地修改其内容 。51系列单片机的封装系列

14、单片机的封装 (1)PDIP (2)PLCC 2.1.1 引脚说明（引脚说明（8051,PDIP）（1）电源引脚）电源引脚 Vcc和和 Vssn n40 pin电源电压，电源电压，5Vn n20 pin电源地电源地（2）时钟电路引脚）时钟电路引脚XTAL1，XTAL2（18pin，19pin）n n单片机是一种时序电路，需要脉冲才能工单片机是一种时序电路，需要脉冲才能工作，在单片机的内部有一个时钟产生电路，作，在单片机的内部有一个时钟产生电路，有两种振荡方式，内部振荡方式和外部振有两种振荡方式，内部振荡方式和外部振荡方式荡方式 n nXTAL1XTAL1（1919）:片内震荡电路的输入端，是外

15、接晶体的一片内震荡电路的输入端，是外接晶体的一片内震荡电路的输入端，是外接晶体的一片内震荡电路的输入端，是外接晶体的一个引脚，当采用外部振荡器时，此引脚接地。个引脚，当采用外部振荡器时，此引脚接地。个引脚，当采用外部振荡器时，此引脚接地。个引脚，当采用外部振荡器时，此引脚接地。n nXTAL2XTAL2（1818）：）：）：）：片内振荡器的输出端，是外接晶体的另一片内振荡器的输出端，是外接晶体的另一片内振荡器的输出端，是外接晶体的另一片内振荡器的输出端，是外接晶体的另一个引脚。当采用外部振荡器时，此引脚接外部震荡源。个引脚。当采用外部振荡器时，此引脚接外部震荡源。个引脚。当采用外部振荡器时，此

16、引脚接外部震荡源。个引脚。当采用外部振荡器时，此引脚接外部震荡源。（3 3）控制引脚）控制引脚）控制引脚）控制引脚 控制引脚共有控制引脚共有控制引脚共有控制引脚共有4 4个，分别是个，分别是个，分别是个，分别是9 9，2929，3030，3131n nRST/VPDRST/VPD（9 9）：复位控制输入）：复位控制输入）：复位控制输入）：复位控制输入/断电时，提断电时，提断电时，提断电时，提供备用电源输入供备用电源输入供备用电源输入供备用电源输入 复位引脚：外接复位电路，在振荡器运行时，复位引脚：外接复位电路，在振荡器运行时，复位引脚：外接复位电路，在振荡器运行时，复位引脚：外接复位电路，在振

17、荡器运行时，此引脚上出现两个时钟周期的高电平就可使此引脚上出现两个时钟周期的高电平就可使此引脚上出现两个时钟周期的高电平就可使此引脚上出现两个时钟周期的高电平就可使单片机复位，使单片机回到初始状态。单片机复位，使单片机回到初始状态。单片机复位，使单片机回到初始状态。单片机复位，使单片机回到初始状态。复位引脚还有数据掉电保护作用，此引脚可复位引脚还有数据掉电保护作用，此引脚可复位引脚还有数据掉电保护作用，此引脚可复位引脚还有数据掉电保护作用，此引脚可接备用电源，当芯片电源低于规定的接备用电源，当芯片电源低于规定的接备用电源，当芯片电源低于规定的接备用电源，当芯片电源低于规定的VccVcc时，时，

18、时，时，该引脚向内部该引脚向内部该引脚向内部该引脚向内部RAMRAM提供备用电源，保持片内提供备用电源，保持片内提供备用电源，保持片内提供备用电源，保持片内的的的的RAMRAM不会丢失数据。不会丢失数据。不会丢失数据。不会丢失数据。n nALE/PROGALE/PROG（3030）允许地址锁存输出允许地址锁存输出允许地址锁存输出允许地址锁存输出/编程输入引脚编程输入引脚编程输入引脚编程输入引脚ALEALE：当访问外部器件时，：当访问外部器件时，：当访问外部器件时，：当访问外部器件时，ALEALE用于锁存地址的低位字节。用于锁存地址的低位字节。用于锁存地址的低位字节。用于锁存地址的低位字节。对于

19、对于对于对于87518751（EPROMEPROM型单片机），此引脚用作编程脉冲的输型单片机），此引脚用作编程脉冲的输型单片机），此引脚用作编程脉冲的输型单片机），此引脚用作编程脉冲的输入。入。入。入。地址锁存有效信号输出端。地址锁存有效信号输出端。地址锁存有效信号输出端。地址锁存有效信号输出端。ALEALE在每个机器周期内输出两个在每个机器周期内输出两个在每个机器周期内输出两个在每个机器周期内输出两个脉冲（震荡频率的脉冲（震荡频率的脉冲（震荡频率的脉冲（震荡频率的1/61/6）。在访问片外程序存储器期间，）。在访问片外程序存储器期间，）。在访问片外程序存储器期间，）。在访问片外程序存储器期间

20、，下降沿用于控制锁存下降沿用于控制锁存下降沿用于控制锁存下降沿用于控制锁存P0P0输出的低输出的低输出的低输出的低8 8位地址；在不访问片外位地址；在不访问片外位地址；在不访问片外位地址；在不访问片外程序存储器期间，可作为对外输出的时钟脉冲或用于定程序存储器期间，可作为对外输出的时钟脉冲或用于定程序存储器期间，可作为对外输出的时钟脉冲或用于定程序存储器期间，可作为对外输出的时钟脉冲或用于定时目的。时目的。时目的。时目的。但要注意，在访问片外数据存储器期间，但要注意，在访问片外数据存储器期间，但要注意，在访问片外数据存储器期间，但要注意，在访问片外数据存储器期间，ALEALE脉冲会跳空一个，此时

21、作为时钟输出就不妥了脉冲会跳空一个，此时作为时钟输出就不妥了脉冲会跳空一个，此时作为时钟输出就不妥了脉冲会跳空一个，此时作为时钟输出就不妥了。对于片内含有对于片内含有对于片内含有对于片内含有EPROMEPROM的机型，在编程期间，该引脚用作编的机型，在编程期间，该引脚用作编的机型，在编程期间，该引脚用作编的机型，在编程期间，该引脚用作编程脉冲程脉冲程脉冲程脉冲PROGPROG的输入端。的输入端。的输入端。的输入端。n nPSEN（29）：）：片外（片外（ROM）程序存储器读选通输出信号，）程序存储器读选通输出信号，低电平有效。当从外部程序存储器读取指低电平有效。当从外部程序存储器读取指令或常数

22、期间，每个机器周期该信号两次令或常数期间，每个机器周期该信号两次有效，以通过数据总线有效，以通过数据总线P0口读回指令或常口读回指令或常数。在访问片外数据存储器期间，数。在访问片外数据存储器期间，PSEN信信号将不出现。号将不出现。n nEA/Vpp（31）EA：此引脚主要用于区分片内片外程序存储：此引脚主要用于区分片内片外程序存储器。器。当当EA为高电平时，访问片内程序存储器为高电平时，访问片内程序存储器当当EA为低电平时，访问片外程序存储器为低电平时，访问片外程序存储器在对在对EPROM的器件进行编程时，该引脚接收的器件进行编程时，该引脚接收编程电压（编程电压（21V）。）。n n（4 4

23、）输入）输入）输入）输入/输出引脚（输出引脚（输出引脚（输出引脚（I/OI/O）：）：）：）：P0P0口，口，口，口，P1P1口，口，口，口，P2P2口，口，口，口，P3P3口口口口 共共共共32pin32pin n nP0P0：32-39pin32-39pinn n8 8位三态位三态I/OI/O口，一般用作地址线（低口，一般用作地址线（低8 8位），数据线位），数据线（分时复用）（分时复用）n n每条线可以驱动每条线可以驱动8 8个个 TTLTTL门电路门电路n nP1P1口，口，1-8pin1-8pinn n8 8位准双向口。输出没有高阻态，输入不能锁存位准双向口。输出没有高阻态，输入不能

24、锁存（4TTL4TTL）n nP2P2口，口，21-28pin21-28pinn n8 8位准双向口，一般用作地址的高位准双向口，一般用作地址的高8 8位（位（4TTL4TTL）n nP3P3口，口，口，口，101017pin17pinn n8 8位准双向口，可以用作普通的位准双向口，可以用作普通的位准双向口，可以用作普通的位准双向口，可以用作普通的I/OI/O口口口口n n第二功能使用第二功能使用第二功能使用第二功能使用2.1.2 外部总线外部总线地址总线地址总线数据总线数据总线控制总线控制总线2.2 MCS-51 单片机内部结构单片机内部结构一个一个8位位CPU一个片内振荡器和时钟电路一个

25、片内振荡器和时钟电路4KB ROM128B RAM32条条I/O线线两个两个16位定时器位定时器/计数器计数器1个可编程全双工串行接口个可编程全双工串行接口5个中断源、个中断源、2个中断优先级个中断优先级片内振荡器及时钟片内振荡器及时钟外寻址的控制电路外寻址的控制电路2.2.1 MCS-51 组成组成2.2.2 CPUn n单片机的核心部件，由运算器和控制器部件等组成。（一）运算部件 运算部件以算术逻辑单元ALU为核心，包括累加器ACC、寄存器B、暂存器、程序状态字等许多部件。它能实现数据的算术逻辑运算、位变量处理和数据传输操作。操作结果的状态信息送到状态寄存器PSW。1 1运算器运算器 n

26、n算术运算算术运算n n对半字节、单字节等数据进行运算。加、减、乘、除、加一、减对半字节、单字节等数据进行运算。加、减、乘、除、加一、减一、一、BCDBCD码十进制调整、比较等码十进制调整、比较等n n逻辑运算逻辑运算n n与，或，异或、求补等与，或，异或、求补等n n移位功能移位功能n n对某一数进行左移、右移、循环移位等功能对某一数进行左移、右移、循环移位等功能n n布尔运算布尔运算n n对直接寻址的位对直接寻址的位(bit)(bit)变量进行位处理，如置位、清零、取反、测试变量进行位处理，如置位、清零、取反、测试转移以及逻辑转移以及逻辑 与与、或或 等位操作，等位操作，2、程序计数器PC

27、 用来存放即将执行的指令的地址。16bit（64KB寻址）3、指令寄存器 用于存放指令代码。CPU执行指令时，由程序存储器中读出的指令代码送入指令寄存器，经编译器译码后由定时与控制电路产生相应的控制信号，完成指令功能。（二）定时与控制部件1）时钟电路 外部时钟和内部时钟2）时序（重点 难点）时序是用定时单位来描述的，MCS-51的时序单位有四个，它们分别是节拍、状态、机节拍、状态、机器周期和指令周期器周期和指令周期 节拍与状态：节拍与状态：n n 我们把振荡脉冲的周期定义为节拍（为方便描述，用P表示），振荡脉冲经过二分频后即得到整个单片机工作系统的时钟信号，把时钟信号的周期定义为状态（用S表示

28、），这样一个状态就有两个节拍，前半周期相应的节拍我们定义为SP1，后半周期对应的节拍定义为SP2。机器周期机器周期：MCS-51有固定的机器周期，规定一个机器周期有6个状态，分别表示为S1-S6，而一个状态包含两个节拍，那么一个机器周期就有12个节拍，我们可以记着S1P1、S1P2S6P1、S6P2，一个机器周期共包含12个振荡脉冲，即机器周期就是振荡脉冲的12分频，显然，如果使用12MHz的时钟频率，一个机器周期就是1us。指令周期：指令周期：执行一条指令所需要的时间称为指令周期，MCS-51的指令有单字节、双字节和三字节的，所以它们的指令周期不尽相同，也就是说它们所需的机器周期不相同，可能包括一到四个不等的机器周期。The endn n作业：n nP44：2-1