【教学课件】第2章MCS-51单片机的硬件结构.ppt

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1、第第2章章 MCS-51单片机的硬件结构单片机的硬件结构2.1 MCS-51单片机的基本结构单片机的基本结构2.2 MCS-51单片机的引脚及片外总线结构单片机的引脚及片外总线结构2.3 MCS-51单片机的存储器配置单片机的存储器配置2.4 CPU的时序及辅助电路的时序及辅助电路2.1 MCS-51单片机的基本结构单片机的基本结构2.1.1 MCS-51单片机的基本组成单片机的基本组成2.1.2 MCS-51单片机硬件结构特点单片机硬件结构特点2.1.3 MCS-51单片机内部结单片机内部结2.1.4 输入输入/输出（输出（I/O）端口结构）端口结构返回本章首页2.1.1 MCS-51单片机

2、的基本组成单片机的基本组成图2-1MCS-51单片机基本结构示意图时钟电路SFR和RAMROMCPU定时/计数器并行端口中断系统串行端口系统总线时钟源T0T1P0P1P2P3TXDRXDINT0INT1（1）一个）一个8位微处理器位微处理器CPU。（2）数据存储器）数据存储器RAM和特殊功能寄存器和特殊功能寄存器SFR。（3）内部程序存储器）内部程序存储器ROM。（4）两两个个定定时时/计计数数器器，用用以以对对外外部部事事件件进进行行计数，也可用作定时器。计数，也可用作定时器。（5）四四个个8位位可可编编程程的的I/O（输输入入/输输出出）并并行行端口，每个端口既可做输入，也可做输出。端口，

3、每个端口既可做输入，也可做输出。（6）一个串行端口，用于数据的串行通信。）一个串行端口，用于数据的串行通信。（7）中断控制系统。）中断控制系统。（8）内部时钟电路。）内部时钟电路。返回本节2.1.2 MCS-51单片机硬件结构特点单片机硬件结构特点1内内部部程程序序存存储储器器（ROM）和和内内部部数数据据存存储储器器（RAM）容量（）容量（如表如表2-1所示）。所示）。2输入输入/输出（输出（I/O）端口）端口3外外部部程程序序存存储储器器和和外外部部数数据据存存储储器器寻寻址址空空间间4中断与堆栈中断与堆栈5定时定时/计数器与寄存器区计数器与寄存器区6指令系统指令系统 存储器类型单片机系列

4、掩膜ROMEPROMRAMMCS-5151子系列8031/128B80514KB/128B8751/4KB128B52子系列8032/256B80528KB/256B8752/8KB256B表2-1MCS-51单片机存储器容量返回本节2.1.3 MCS-51单片机内部结构单片机内部结构1运算器运算器运算器由运算器由8位算术逻辑运算单元位算术逻辑运算单元ALU（Arithmetic Logic Unit）、）、8位累加器位累加器ACC（Accumulator）、）、8位寄存器位寄存器B、程序状、程序状态字寄存器态字寄存器PSW（Program Status Word）、）、8位暂存寄存器位暂存寄

5、存器TMP1和和TMP2等组成。等组成。2控制器控制器主主要要由由程程序序计计数数器器PC、指指令令寄寄存存器器IR、指指令令译译码码器器ID、堆堆栈栈指指针针SP、数数据据指指针针DPTR、时时钟钟发生器及定时控制逻辑等组成。发生器及定时控制逻辑等组成。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PC驱动器DPTR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 TMODPCONTCONTL0TH1TH0TL1IESB

6、UF(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图2-2MCS-51片内总体结构框图P0.0P0.7P2.0P2.7返回本节2.1.4 输入输入/输出（输出（I/O）端口结构）端口结构正正如如图图2-2所所示示，MCS-51单单片片机机有有4个个双双向向并并行行的的8位位I/O口口P0P3，P0口口为为三三态态双双向向口口，可可驱驱动动8个个TTL电电路路，P1、P2、P3口口为为准准双双向向口口（作作为为输输入入时时，口口线线被被拉拉成成高高电电平平，故故称称为为准准双双向向口口

7、），其其负负载载能能力力为为4个个TTL电电路。路。1P0口的结构口的结构VCCP0.X锁存器读锁存器地址/数据控制D读引脚写锁存器内部总线QQMUXT2P0.XT1CL图2-3P0口的一位结构图2P1口的结构VCCP1.X锁存器读锁存器D读引脚写锁存器内部总线QQTP1.X内部上拉电阻CL图2-4P1口的一位结构图3P2口的结构口的结构图2-5P2口的一位结构图VCCP2.X锁存器读锁存器地址控制D读引脚写锁存器内部总线QQMUXTP2.X内部上拉电阻CL4P3口的结构口的结构图2-6P3口的一位结构图VCCP3.X锁存器读锁存器第二输出功能D读引脚写锁存器内部总线QQTP3.X内部上拉电阻

8、第二输入功能CLP3.6P3.7表2-2P3口的第二功能表P3.2P3.3P3.6P3.7位线引脚第二功能P3.010RXD（串行输入口）P3.111TXD（串行输出口）12INT0（外部中断0）13INT1（外部中断1）P3.414T0（定时器0的计数输入）P3.515T1（定时器1的计数输入）16WR（外部数据存储器写脉冲）17RD（外部数据存储器读脉冲）P3.7P3.6返回本节2.2 MCS-51单片机的引脚及片外总线结构单片机的引脚及片外总线结构2.2.1 MCS-51单片机芯片引脚描述单片机芯片引脚描述2.2.2 MCS-51单片机的片外总线结构单片机的片外总线结构返回本章首页2.2

9、.1 MCS-51单片机芯片引脚描述单片机芯片引脚描述图图2-7为为MCS-51单片机的引脚配置图。单片机的引脚配置图。1主电源引脚主电源引脚VCC和和VSS2外接晶振引脚外接晶振引脚XTAL1和和XTAL23控控制制或或其其他他电电源源复复用用引引脚脚RST/VPD、ALE/、和和/VPP4输入输入/输出引脚输出引脚P0、P1、P2、P3（共（共32根）根）图2-7MCS-51单片机的引脚配置图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.

10、7XTAL2XTAL1VSS12345678910111213141516171819208031805187514039383736353433323130292827262521222324VCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VppALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0返回本节2.2.2 MCS-51单片机的片外总线结构单片机的片外总线结构地址锁存器CBI/OA15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0D7D6D5D4D3D2D1D0DBABP1.0P1.1P1.2P1

11、.3P1.4P1.5P1.6P1.7RESETP3.0P3.1P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7VSSVCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.5P0.6P0.7EAALEPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0P3.2图2-8MCS-51片外总线结构示意图微型计算机中的总线通常分为：微型计算机中的总线通常分为：（1）地地址址总总线线（AB）：地地址址总总线线宽宽度度为为16位位，由由P0口口经经地地址址锁锁存存器器提提供供低低8位位地地址址（A0-A7）；P2口口直直接接提提供供高高8位位地地址址（A8A15）。地地址址信信号是由号是由CPU发出的，故

12、地址总线是单方向的。发出的，故地址总线是单方向的。（2）数数据据总总线线（DB）：数数据据总总线线宽宽度度为为8位位，用于传送数据和指令，由用于传送数据和指令，由P0口提供。口提供。（3）控制总线（）控制总线（CB）：控制总线随时掌握各）：控制总线随时掌握各种部件的状态，并根据需要向有关部件发出命种部件的状态，并根据需要向有关部件发出命令。令。返回本节2.3 MCS-51单片机的存储器配置单片机的存储器配置2.3.1 片内数据存储器片内数据存储器2.3.2 片外数据存储器片外数据存储器2.3.3 程序存储器程序存储器返回本章首页2.3.1 片内数据存储器片内数据存储器片片内内数数据据存存储储器

13、器结结构构如如图图2-9（a）所所示示；其其具具体体位位地地址址单单元元如如表表2-3所所示示；专专用用寄寄存存器器的的地地址址映像如表映像如表2-4所示。所示。1累加器累加器累累加加器器是是一一个个最最常常用用的的专专用用寄寄存存器器，其其自自身身带带有有全全零零标标志志Z，若若A=0则则Z=1；若若A0则则Z0。该标志常用作程序分支的判断条件。该标志常用作程序分支的判断条件。特殊功能寄存器通用RAM区位寻址区00H1FH20H2FH30H7FH80HFFH80H88H90H98HA0HA8HB0HB8HD0HE0HF0H特殊功能寄存器中位寻址外部ROM内部ROM(EA=1)外部ROM(EA

14、=0)0000H0000H0FFFH0FFFH1000HFFFFH外部RAM(I/O口地址)0000HFFFFH内部数据存储器（a）外部数据存储器（b）程序存储器（c）工作寄存器区图2-9MCS-51单片机存储器结构表2-3内部数据存储器中的位地址表2-4特殊功能寄存器地址及功能表2寄存器寄存器（1）PSW：程程序序状状态态字字寄寄存存器器。定定义义格格式式如如右右上上边边。其其中中，CY：进进借借位位标标志志；AC：辅辅助助进进借借位位标标志志；F0：用用户户标标志志；RS1、RS0：工工作作寄寄存存器器组组选选择择（如如表表2-5所示）。所示）。（2）SP：堆栈指针。：堆栈指针。（3）DP

15、TR：数数据据地地址址指指针寄存器。针寄存器。D7D6D5D4D3D2D1D0CYACF0RS1RS0OVXPRS1 RS0选择工作寄存器组000组（00H07H）011组（08H0FH）102组（10H17H）113组（18H1FH）表2-5工作寄存器组选择控制表返回本节2.3.2 片外数据存储器片外数据存储器外部数据存储器又称外部外部数据存储器又称外部RAM，当片内，当片内RAM不能满足数量上的要求时，可通过总线端口和不能满足数量上的要求时，可通过总线端口和其他其他I/O口扩展外部数据口扩展外部数据RAM，其最大容量可，其最大容量可达达64K字节，其结构如图字节，其结构如图2-9（b）所示

16、。）所示。在片外数据存储器中，数据区和扩展的在片外数据存储器中，数据区和扩展的I/O口是口是统一编址的，使用的指令也完全相同，因此，统一编址的，使用的指令也完全相同，因此，用户在应用系统设计时，必须合理地进行外部用户在应用系统设计时，必须合理地进行外部RAM和和I/O端口的地址分配，并保证译码的唯端口的地址分配，并保证译码的唯一性。一性。返回本节2.3.3 程序存储器程序存储器程程序序存存储储器器的的结结构构如如图图2-9（c）所所示示，包包括括片片内内和和片片外外程程序序存存储储器器两两个个部部分分。其其主主要要用用来来存存放放编编好好的的用用户户程程序序和和表表格格常常数数，它它以以16位

17、位的的程程序序计计数数器器PC作作为为地地址址指指针针，故故寻寻址址空空间间为为64KB。返回本节2.4 CPU的时序及辅助电路的时序及辅助电路2.4.1 单片机的时钟电路单片机的时钟电路2.4.2 振荡周期、时钟周期、机器周期和指令振荡周期、时钟周期、机器周期和指令周期周期2.4.3 MCS-51单片机指令的取指和执行时单片机指令的取指和执行时2.4.4 单片机复位电路及复位状态单片机复位电路及复位状态返回本章首页2.4.1 单片机的时钟电路单片机的时钟电路单片机时钟电路通常有两种形式：单片机时钟电路通常有两种形式：1内内部部振振荡荡方方式式：MCS-51单单片片机机片片内内有有一一个个用用

18、于于构构成成振振荡荡器器的的高高增增益益反反相相放放大大器器，引引脚脚XTAL1和和XTAL2分分别别是是此此放放大大器器的的输输入入端端和和输输出出端端。把把放放大大器器与与作作为为反反馈馈元元件件的的晶晶体体振振荡荡器器或或陶陶瓷瓷谐谐振振器器连连接接，就就构构成成了了内内部部自自激激振振荡荡器器并产生振荡时钟脉冲（如图并产生振荡时钟脉冲（如图2-10所示）。所示）。2外外部部振振荡荡方方式式：外外部部振振荡荡方方式式就就是是把把外外部部已有的时钟信号引入单片机内（如图已有的时钟信号引入单片机内（如图2-11所示）。所示）。XTAL2XTAL1MCS-51C1C2CYSXTAL2XTAL1

19、MCS-51+5VVSSTTL外部时钟源图2-10内部振荡方式图2-11外部振荡方式返回本节P1P2S1P2振荡周期时钟周期机器周期机器周期指令周期XTAL2(OSC)S2S3S4S5S6S1S2S4S5S3S6P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P2P2P2P2P2P2P2P2P2P2P2图2-12MCS-51单片机各种周期的相互关系2.4.2 振荡周期、时钟周期、机器周期和指令周期振荡周期、时钟周期、机器周期和指令周期1振振荡荡周周期期：为为单单片片机机提提供供时时钟钟信信号号的的振振荡荡源的周期。源的周期。2时时钟钟周周期期：是是振振荡荡源源信信号号经经二二分分频频后后形形成成的

20、时钟脉冲信号。的时钟脉冲信号。3机机器器周周期期：通通常常将将完完成成一一个个基基本本操操作作所所需需的时间称为机器周期。的时间称为机器周期。4指指令令周周期期：是是指指CPU执执行行一一条条指指令令所所需需要要的的时时间间。一一个个指指令令周周期期通通常常含含有有14个个机机器器周周期。期。若若MCS-51单单片片机机外外接接晶晶振振为为12MHz时时，则则单单片机的四个周期的具体值为：片机的四个周期的具体值为：振荡周期振荡周期1/12MHz1/12s0.0833s时钟周期时钟周期1/6s0.167s机器周期机器周期1s指令周期指令周期14s返回本节2.4.3 MCS-51单片机指令的取指和

21、执行时序单片机指令的取指和执行时序图2-13MCS-51单片机典型指令的取指和执行时序返回本节再读下一条指令再 读 下 一条指令XTAL2(OSC)P2S1ALE读操作码读下一个操作码（丢弃）读第二字节（a）单字节，单周期指令例：MOVAR1（d）单字节，双周期指令，如MOVXP1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P2S5P2S6P2S1P1P1P1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P2S6P2S1S2P1P1P1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S1读操作码P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P

22、2S1P1读下一个操作码（丢弃）（b）双字节，单周期指令例：ADDAdir（c）单字节，双周期指令例：INCDPTR读 操 作 码（MOVX）读下一个操作码（丢弃）无取指无ALE无取指地址数据（DATA）访问外部存储器P2S1读操作码P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S2P1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S2P12.4.4 单片机复位电路及复位状态单

23、片机复位电路及复位状态1复位电路复位电路单片机复位电路包括片内、片外两部分。外部单片机复位电路包括片内、片外两部分。外部复位电路就是为内部复位电路提供两个机器周复位电路就是为内部复位电路提供两个机器周期以上的高电平而设计的。期以上的高电平而设计的。MCS-51单片机通单片机通常采用上电自动复位和按键手动复位两种方式。常采用上电自动复位和按键手动复位两种方式。如图如图2-14所示。所示。2单片机复位后的状态单片机复位后的状态单片机运行出错或进入死循环时，可按复位键单片机运行出错或进入死循环时，可按复位键重新运行。重新运行。21个特殊功能寄存器复位后的状态个特殊功能寄存器复位后的状态为确定值，如表

24、为确定值，如表2-6所示。所示。22FC1RSTR11K+5V22FC1RST+5VR2200RSTR1+5VC222F803180518751803180518751803180518751（a）上电复位电路（c）按键脉冲复位电路（b）按键电平复位电路R11K22FC11KR21K图2-14几种复位电路特殊功能寄存器初始状态特殊功能寄存器初始状态A00HTMOD00HB00HTCON00HPSW00HTH000HSP07HTL000HDPL00HTH100HDPH00HTL100HP0P3FFHSBUFBIP00000BSCON00HIE000000BPCON0B表2-6单片机复位后特殊功能寄存器的状态返回本节THANK YOU VERY MUCH！本章到此结束，本章到此结束，谢谢您的光临！谢谢您的光临！结束放映返回本章首页