MCS-51单片机结构.ppt

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1、第一章MCS-51单片机结构 华中科技大学华中科技大学 生命科学与技术学院生命科学与技术学院 生物医学影像中心生物医学影像中心 张智张智2023/1/281概述概述第一节第一节 MCS-51单片机内部结构单片机内部结构第二节第二节 存储器存储器第三节第三节 特殊功能寄存器特殊功能寄存器第四节第四节 时钟电路与复位电路时钟电路与复位电路第五节第五节 引脚功能引脚功能 生物医学影像中心生物医学影像中心2023/1/282 MC651系列单片机有多种型号的产品，如普通型系列单片机有多种型号的产品，如普通型(51子系列子系列)8051、8031、875l、89C51、89S51等，等，增强型增强型(5

2、2子系列子系列)8032、8052、8752、89S52等。等。它们的结构基本相同，其主要差别反映在存储器的它们的结构基本相同，其主要差别反映在存储器的配置上。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的掩模删程序存储器，的掩模删程序存储器，8751是将是将8051片内的片内的ROM换成换成EPROM，89C51则换成则换成4KB的闪速的闪速EEPROM，MCS-51增强型的存储容量为普通型的增强型的存储容量为普通型的一倍。一倍。生物医学影像中心生物医学影像中心2023/1/2831个个8位位CPU；一个片内振荡器及时钟电路；一个片内振荡器及时钟电路

3、；4KB ROM程序存储器；程序存储器；128B RAM数据存储器；数据存储器；两个两个16位定时器位定时器4数器数器;寻址寻址64KB外部数据存储器和外部数据存储器和64KB外部程序存储空外部程序存储空间的控制电路间的控制电路;32条可编程的条可编程的IO线线(4个个8位并行位并行IO端口端口);一个可编程全双工串行口一个可编程全双工串行口;5个中断源、两个优先级嵌套中断结构。个中断源、两个优先级嵌套中断结构。生物医学影像中心生物医学影像中心 1.1 MCS-51单片机内部结构单片机内部结构2023/1/2841.1.1 概述概述生物医学影像中心生物医学影像中心 51单片机内部结构单片机内部

4、结构2023/1/285生物医学影像中心生物医学影像中心2023/1/286主要包括：主要包括：CPU存储器存储器I/O口口定时器定时器/计数器计数器串行口串行口内部总线内部总线MCS-51内部结构内部结构一.运算器l进行算术运算：加、减、乘、除、加进行算术运算：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l逻辑运算：与、或、异或、求反、循环等逻辑运算：与、或、异或、求反、循环等逻辑操作逻辑操作l位操作：内部有布尔处理器，它以进位标位操作：内部有布尔处理器，它以进位标志位志位C C为位累加器，用来处理位操作。可对为位累加器，用来处理位操作。可对位置位置 “1 1

5、”、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PSW。生物医学影像中心生物医学影像中心1.1.2 CPU2023/1/287 运算器运算器：包括算术逻辑运算部件ALU、累加器A、B寄存器、暂存器TMP1和TMP2、程序状态字PSW、BCD码调整电路。生物医学影像中心生物医学影像中心2023/1/288生物医学影像中心生物医学影像中心程序状态字PSW（字节地址：D0H）2023/1/289 1)四个状态标志位 C：进位标志位(1:有进位或借位)AC：半进位标志位(BCD码加减结果校正)P：奇偶标志位(1:奇数个1;0:偶数个1)OV：

6、溢出标志位(符号运算,溢出为1,同号加或异号减可能发生,OV=D7C异或D6C)2)其他标志位 F0、F1标志位：用户标志位 RS1、RS0：工作寄存器组指针二二.控制器控制器程序计数器PC堆栈指针SP数据指针DPTR指令寄存器指令译码器和CPU定时控制生物医学影像中心生物医学影像中心2023/1/2810 程序地址指示器程序地址指示器程序地址指示器程序地址指示器,由由由由CPUCPU控制，正常情况下不能由控制，正常情况下不能由控制，正常情况下不能由控制，正常情况下不能由程序随意更改。程序随意更改。程序随意更改。程序随意更改。是是16位专用寄存器，其内容表示下位专用寄存器，其内容表示下一条要执

7、行的指令的一条要执行的指令的16位地址。位地址。CPU总是把总是把PC的的内容送往地址总线，作为选择存储单元的地址，以内容送往地址总线，作为选择存储单元的地址，以便从指定的存储单元中取出指令、译码和执行。便从指定的存储单元中取出指令、译码和执行。系统复位后，系统复位后，PC=0000H。PC具有自动加具有自动加1的功能。的功能。生物医学影像中心生物医学影像中心程序计数器PC2023/1/2811堆栈：内存堆栈：内存RAM中开辟的一个特定的存储区，专中开辟的一个特定的存储区，专门用来暂时存放数据或存放地址，可由程序设置，门用来暂时存放数据或存放地址，可由程序设置，一般在程序初始化时设置一次。设置

8、范围为一般在程序初始化时设置一次。设置范围为（07H7FH）。）。栈底：初始设置栈底、栈顶重合。栈底：初始设置栈底、栈顶重合。栈顶：对堆栈的操作总在栈顶进行。栈顶：对堆栈的操作总在栈顶进行。“后进先出后进先出”原则：进栈时，原则：进栈时，SP先自动加先自动加1，然后，然后数据入栈；出栈时，数据先出，然后数据入栈；出栈时，数据先出，然后SP自动减自动减1。堆栈指针堆栈指针SP(81H)：8位专用寄存器，用来存放栈位专用寄存器，用来存放栈顶地址。顶地址。系统复位后，系统复位后，SP=07H。生物医学影像中心生物医学影像中心堆栈指针SP2023/1/2812数据指针数据指针DPTR：是一个16位地址

9、寄存器，专门用来存放16位地址指针，作间接寄存器使用。DPTR可分为DPH(83H)和DPL(82H)两个独立寄存器。DPTR可指向64K字节范围内的任一存储单元（读程序存储器和读写数据存储器）。生物医学影像中心生物医学影像中心数据指针DPTR2023/1/2813指令寄存器（指令寄存器（IR）：）：存放取指后的指令代码存放取指后的指令代码存放取指后的指令代码存放取指后的指令代码指令译码器（指令译码器（ID）：）：指令经译码器译码后由定时指令经译码器译码后由定时指令经译码器译码后由定时指令经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。与控制电路发出相应的控制信号，完成指令功能

10、。与控制电路发出相应的控制信号，完成指令功能。与控制电路发出相应的控制信号，完成指令功能。生物医学影像中心生物医学影像中心指令寄存器、指令译码器和CPU定时控制2023/1/2814 M051的存储器结构与常见的微型计算机的配置方的存储器结构与常见的微型计算机的配置方法不同，它将程序存储器和数据存储器分开，各有法不同，它将程序存储器和数据存储器分开，各有自己的寻址方式、控制信号和功能。程序存储器用自己的寻址方式、控制信号和功能。程序存储器用来存放程序和始终要保留的常数。数据存储器通常来存放程序和始终要保留的常数。数据存储器通常用来存放程序运行中所需要的常数或变量。用来存放程序运行中所需要的常数

11、或变量。从物理地址空间看，从物理地址空间看，MC551有四个存储器地址有四个存储器地址空间，即片内程序存储器、片外程序存储器、片内空间，即片内程序存储器、片外程序存储器、片内数据存储器和片外数据存储器。从逻辑地址空间看，数据存储器和片外数据存储器。从逻辑地址空间看，它有三个存储器地址空间即片内、外统一编址的程它有三个存储器地址空间即片内、外统一编址的程序存储器，片内数据存储器和片外数据存储器。序存储器，片内数据存储器和片外数据存储器。生物医学影像中心生物医学影像中心1.2 存储器存储器2023/1/2815生物医学影像中心生物医学影像中心存储器结构2023/1/2816程序存储器：用来存放程序

12、和始终要保程序存储器：用来存放程序和始终要保留的常数；留的常数；数据存储器：存放程序运行中所需要的数据存储器：存放程序运行中所需要的常数和变量；常数和变量；程序存储器和数据存储器是分开的程序存储器和数据存储器是分开的,各各有自己的寻址方式和控制信号。有自己的寻址方式和控制信号。生物医学影像中心生物医学影像中心分类：2023/1/2817生物医学影像中心生物医学影像中心MCS-51MCS-51单片机的存储器逻辑结构单片机的存储器逻辑结构2023/1/2818内部数据存储器内部数据存储器程序存储器程序存储器FFFFH0000H 外部 RAM 外部R OM1000HFFFFH内部数据内部数据 RAM

13、7FH00H0FFFH内部ROM(EA=1)H00008051H00008031外部ROM(EA=0）0FFFH地址重叠 特殊功能特殊功能 寄存器寄存器80HFFH 增强型 RAM80HFFH 程序存储器用来存放编制好的始终保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。程序存留的固定程序和表格、常数。程序存储器以程序计数器储器以程序计数器PC作为地址指针，作为地址指针，通过通过16位地址总线，可寻址的地址空位地址总线，可寻址的地址空间为间为64KB。生物医学影像中心生物医学影像中心1.2.1程序存储器2023/1/281951单片机复位后程序计数器单片机复位后程序计数器PC的内容

14、的内容为为0000H，因此系统从，因此系统从0000H单元开单元开始取值，并执行程序，它是系统执行始取值，并执行程序，它是系统执行程序的起始地址。当系统中有中断程程序的起始地址。当系统中有中断程序时，通常在该单元中存放一条跳转序时，通常在该单元中存放一条跳转指令绕过中断服务程序入口地址，用指令绕过中断服务程序入口地址，用户程序从跳转地址开始存放。户程序从跳转地址开始存放。生物医学影像中心生物医学影像中心2023/1/2820 地址地址 用途用途 0000 0000H H 复位操作后的程序入口复位操作后的程序入口 00030003H H 外部中断外部中断0 0服务程序入口服务程序入口 (INT0

15、)INT0)000 000BH BH 定时定时/计数器计数器0 0中断服务程序入口中断服务程序入口(TO)TO)0013 0013H H 外部中断外部中断1 1服务程序入口服务程序入口 (INT1)INT1)001 001BH BH 定时定时/计数器计数器1 1中断服务程序入口中断服务程序入口(T1)T1)0023 0023H H 串行串行I/OI/O口中断服务程序入口口中断服务程序入口 002BH 002BH 定时定时/计数器计数器2 2中断服务程序入口中断服务程序入口生物医学影像中心生物医学影像中心中断程序入口地址：2023/1/2821 851单片机具有扩展单片机具有扩展64KB外部数据

16、存储器外部数据存储器RAM和和IO端口的能力端口的能力,外部数据存储器和外部数据存储器和外部外部I/O口实行统一编址，并使用相同的选口实行统一编址，并使用相同的选通控制信号、使用相同的指令通控制信号、使用相同的指令MOVX访问，访问，均使用相同的寄存器间接寻址。均使用相同的寄存器间接寻址。生物医学影像中心生物医学影像中心1.2.2 外部数据存储器外部数据存储器2023/1/2822内部数据存储器是使用最多的地址空内部数据存储器是使用最多的地址空间，所有的操作指令间，所有的操作指令(算术运算、逻辑算术运算、逻辑运算、位操作等运算、位操作等)的操作数只能在此地的操作数只能在此地址空间或特殊功能寄存

17、器地址空间。址空间或特殊功能寄存器地址空间。生物医学影像中心生物医学影像中心1.2.3内部数据存储器内部数据存储器2023/1/2823特殊功能特殊功能 寄存器寄存器 SFR 内部内部 RAM851（基本型）（基本型）.FFH80H.7FH00H.FFH.7FH80H.00H 内部内部 RAM 内部内部 RAM特殊功能特殊功能 寄存器寄存器 SFR.FFH80H.地址重合地址重合852（增强型）（增强型）生物医学影像中心生物医学影像中心2023/1/2824特特殊殊功功能能寄寄存存器器通用通用RAM区区位位 寻寻 址址区区00H1FH20H2FH30H7FH80HFFH80H88H90H98H

18、A0HA8HB0HB8HD0HE0HF0H特特殊殊功功能能寄寄存存器器中中位位寻寻址址外部外部ROM内部内部ROM(EA=1)外部外部ROM(EA=0)0000H0000H0FFFH0FFFH1000HFFFFH外外 部部RAM(I/O口口地址地址)0000HFFFFH内部数据存储内部数据存储器器（a）外部数据存储外部数据存储器器（b）程序存储器程序存储器（c）工作寄工作寄存器区存器区RS1RS0选寄存器组选寄存器组000组011组102组113组生物医学影像中心生物医学影像中心2023/1/2825寄存器的选组由程序状态字寄存器的选组由程序状态字PSW的的RS1和和RS0位位决定：决定：生物

19、医学影像中心生物医学影像中心2023/1/2826内部内部RAM51单片机共有单片机共有21个字节的特殊功能奇存器个字节的特殊功能奇存器SFR，起，起着专用寄存器的作用，用来设置片内电路的运行方着专用寄存器的作用，用来设置片内电路的运行方式，记录电路的运行状态，并表明有关标志等。式，记录电路的运行状态，并表明有关标志等。21个特殊功能寄存器不连续地分布在个特殊功能寄存器不连续地分布在128个字节的个字节的SFR存储空间中，地址空间为存储空间中，地址空间为80H-FFH。如下表：。如下表：生物医学影像中心生物医学影像中心 1.3 特殊功能寄存器特殊功能寄存器2023/1/2827生物医学影像中心

20、生物医学影像中心2023/1/2828A累加器，累加器，A=0则则Z=1；A 0，则，则Z=0。B寄存器。寄存器。PSW程序状态字。程序状态字。CY：加法为进位、减法为借位。有进、借位时，：加法为进位、减法为借位。有进、借位时，CY1；无进、借位时，；无进、借位时，CY0。AC：辅助进、借位：辅助进、借位(高半字节与低半字节间的进、高半字节与低半字节间的进、借位借位)。有进、借位，。有进、借位，AC1；无进、借位，；无进、借位，AC0。生物医学影像中心生物医学影像中心主要特殊功能寄存器的名称和主要功能2023/1/2829F0：用户标志位。可由用户没定其含义。：用户标志位。可由用户没定其含义。

21、RS1、RS0：工作寄存器组选择位。：工作寄存器组选择位。OV：溢出标志位。补码运算的运算结果有溢出：溢出标志位。补码运算的运算结果有溢出0V=1，无溢出，无溢出0V=0。：无效位。：无效位。P：奇：奇/偶标志位。运算结果有奇数个偶标志位。运算结果有奇数个“1”，P=1；运算结果有偶数个；运算结果有偶数个“1”，P=0。生物医学影像中心生物医学影像中心2023/1/2830 SP-堆栈指针堆栈指针，851单片机的堆栈设在片内单片机的堆栈设在片内RAM中，对堆栈的操作包括压入中，对堆栈的操作包括压入(PUSH)和弹出和弹出POP)两两种方式，并且遵循后进先出原则，但在堆栈生成的种方式，并且遵循后

22、进先出原则，但在堆栈生成的方式上，方式上，8XX51单片机的堆栈操作遵循先加后压，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。先弹后减的顺序，按字节进行操作。DPTR-16位寄存器位寄存器，可分成，可分成DPL(低低8位位)和和DPH(高高8位位)两个寄存器。用来存放两个寄存器。用来存放16位地址值，以便用间位地址值，以便用间接寻址或变址寻址的方式对片外数据接寻址或变址寻址的方式对片外数据RAM或程序或程序存储器进行存储器进行64KB范围内的数据操作。范围内的数据操作。生物医学影像中心生物医学影像中心2023/1/2831P0-P3-IO端口寄存器，是端口寄存器，是4个并行个

23、并行IO端口映端口映射入射入SFR中的寄存器。通过对该寄存器的读中的寄存器。通过对该寄存器的读/写，写，可实现从相应可实现从相应IO端口的输入端口的输入/输出。例如输出。例如MOV Pl，A；实现；实现A累加器中的内容从累加器中的内容从P1端口输出端口输出的操作的操作MOV A，P3；实现；实现P3端口线上的信息输入到端口线上的信息输入到A中中的操作。的操作。生物医学影像中心生物医学影像中心2023/1/2832生物医学影像中心生物医学影像中心2023/1/2833IP中断优先级控制寄存器。中断优先级控制寄存器。IE中断允许控制寄存器。中断允许控制寄存器。TMOD定时定时/计数器方式控制寄存器

24、。计数器方式控制寄存器。TCON定时定时/计数器控制寄存器。计数器控制寄存器。TH0，TL0定时定时/计数器计数器0。TH1，TL1定时定时/计数器计数器0。SCON串行端口控制寄存器。串行端口控制寄存器。SBUF串行数据缓冲器。串行数据缓冲器。PCON电源控制寄存器。电源控制寄存器。内部振荡方式和外部振荡方式。内部振荡方式和外部振荡方式。生物医学影像中心生物医学影像中心1.4 时钟电路与复位电路时钟电路与复位电路2023/1/2834 1.4.1 时钟电路时钟电路振荡周期振荡周期状态周期状态周期机器周期机器周期指令周期指令周期生物医学影像中心生物医学影像中心1.4.2 单片机的时序单位单片机

25、的时序单位2023/1/2835单片机外接晶振频率12MHz时的各种时序单位的大小复位引脚复位引脚RST出现出现5ms以上的高电平时单片机就完以上的高电平时单片机就完成了复位操作。成了复位操作。如果如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状持续为高电平，单片机就处于循环复位状态，而无法执行程序。态，而无法执行程序。复位操作：上电复位、开关复位。复位操作：上电复位、开关复位。生物医学影像中心生物医学影像中心1.4.3 复位电路复位电路2023/1/2836生物医学影像中心生物医学影像中心2023/1/283722FC1RSTR11K+5V22FC1RST+5VR2200RSTR1+5VC22

26、2F803180518751803180518751803180518751（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R11K上电后，由于电容充电，上电后，由于电容充电，使使RST持续一段高电平持续一段高电平时间。当单片机已在运行之中时，按下复位键也能时间。当单片机已在运行之中时，按下复位键也能使使RST持续一段时间的高电平。持续一段时间的高电平。生物医学影像中心生物医学影像中心2023/1/2838生物医学影像中心生物医学影像中心2023/1/2839生物医学影像中心生物医学影像中心1.5 引脚功能引脚功能2023/1/2840单片机的引脚单片机的引脚电源引脚VCCVSS2时钟引脚XTAL1XTAL22数据线引脚P0地址线引脚P0低8位P2高8位控制线引脚RSTALEPSENEA4RDWR(P3.63.7)并行口引脚P0P1P2P3(各8个引脚)32串行口引脚TXDRXD(P3.0P3.1)外部中断INT0INT1(P3.2P3.3)定时器外部输入T0T1(P3.4P3.5)(弄清每个引脚的主要作用)引脚共40个生物医学影像中心生物医学影像中心引脚功能：2023/1/2841 谢谢！谢谢！生物医学影像中心生物医学影像中心2023/1/2842