单片机实用技术第二章.ppt

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1、第二章 第二章第二章 MCS-51MCS-51单片机的基本结构单片机的基本结构及工作原理及工作原理学习目的和要求 学习目的和要求 本章的基本任务是学习 本章的基本任务是学习MCS-51 MCS-51 系列单片机基本结构和基本工作原理等知识，系列单片机基本结构和基本工作原理等知识，为后续章节提供必要的概念基础。为后续章节提供必要的概念基础。学时：学时：8 8；其中：讲课；其中：讲课6 6 学时，录象或研究室讲课 学时，录象或研究室讲课2 2 学时 学时教学内容：教学内容：2-1 MCS 2-1 MCS 51 51 单片机的基本结构 单片机的基本结构2-2 MCS 2-2 MCS 51 51 的存

2、储器结构 的存储器结构 2-3 2-3 专用功能寄存器的 专用功能寄存器的SFR SFR2-4 2-4 单片机的工作方式和最小系统 单片机的工作方式和最小系统 教学要求：教学要求：1 1）掌握）掌握 CPU CPU（运算器和控制器以及（运算器和控制器以及 定时控制部件和时序 定时控制部件和时序、输入输出端 输入输出端口结构及负载能力和接口要求 口结构及负载能力和接口要求、MCS-5l MCS-5l 引脚及功能 引脚及功能。2 2）掌握程序存储器、掌握程序存储器、数据存储器的 数据存储器的 分布和使用。分布和使用。3 3）专用功能寄存器）专用功能寄存器SFR SFR：重点掌握程序状态寄存器的使用

3、。：重点掌握程序状态寄存器的使用。4 4）掌握）掌握 单片机的工作方式与最小应用系统 单片机的工作方式与最小应用系统：单片机的工作方式（复位方：单片机的工作方式（复位方式）、式）、单片机最小应用系统设计 单片机最小应用系统设计 第一节 MCS-51 单片机的基本结构 教学内容：一、MCS-51 单片机内部结构 二、CPU 三、输入输出端口结构 四、端口负载能力和接口要求 五、MCS-5l 引脚及功能 学时：4；其中：讲课3 学时，录象1 学时 教学要求:熟练掌握:MCS 51单片机结构;单片机的工作原理；CPU（运算器和控制器以及定时控制部件和CPU 时序；输入/输出端口的功能、负载能力和接口

4、要求;MCS-5l 引脚及功能。了解：输入/输出端口结构MCS-51 系列典型产品型号及配置：不 同 型 号MCS-51 单 片 机CPU 处 理 能 力 和 指 令 系 统 完 全兼容，只是存储器和I/O 接口的配置有所不同。型号 片内ROM 片内RAMI/O 口线备 注8031无128B+SFR 84 DIP 40 脚8051 掩膜4KB 128B+SFR 84 DIP 40 脚8751 EPROM 4KB 128B+SFR 84 DIP 40 脚89C51 FLASH 4KB 128B+SFR 84 DIP 40 脚89C2051 FLASH 2KB 128B+SFR 15 简化DIP

5、20 脚8XC552 8K 256B+SFR 86增强多功能型80C51GB 8K 256B+SFR 8 4 8 8A/D;PWM硬件配置基本配置：1.8 位CPU2.片内ROM/EPROM、RAM3.片内并行 I/O 接口4.片内16 位定时器/计数器5.片内中断处理系统6.片内全双工串行I/O 口 一、MCS-51 内部结构 图2 1 8051 的功能部件图并行口 并行口 串行通信 串行通信ROM4KB时钟电路RAM256 计数器/定时器8051CPU控制逻辑可编程并行口可编程全双工串行口外部时钟 外部时钟图2.2 MCS-51 单片机内部结构二 CPU 主要功能：产生各种控制信号，去控制

6、存储器、输入输出端口的数据传送、数据的算术运算、逻辑运算以及位操作处理等。(一 一)算术逻辑运算单元 算术逻辑运算单元ALU(8 ALU(8 位 位)组成：运算器由算逻运算部件 组成：运算器由算逻运算部件ALU ALU、累加器、累加器Acc Acc、暂存器、暂存器、程序状态字寄存器 程序状态字寄存器PSW PSW、BCD BCD 码运算调整电路等组成 码运算调整电路等组成。实现 实现+、算术运算，与、或、非、异或 算术运算，与、或、非、异或 逻辑运算、逻辑运算、循环移位、位处理。循环移位、位处理。(二 二)控制器 控制器 组成：由程序计数器 组成：由程序计数器PC PC、指令寄存器、指令译码器

7、、定时、指令寄存器、指令译码器、定时控制与条件转移逻辑电路等组成。控制与条件转移逻辑电路等组成。功能：对来自存储器中的指令进行译码，通过定时控制电 功能：对来自存储器中的指令进行译码，通过定时控制电路，在规定的时刻发出各种操作所需的全部内部和外部控 路，在规定的时刻发出各种操作所需的全部内部和外部控制信号，协调各功能元件的工作，完成指令所规定的功能。制信号，协调各功能元件的工作，完成指令所规定的功能。1 程序计数器PC(Program Counter)一个16 位的专用寄存器，用来存放下一条指令的地址。它具有自动加1 的功能。2 指令寄存器 一个8 位的寄存器，用于暂存待执行的指令，等待译码。

8、3 指令译码器 对指令寄存器中的指令进行译码，将指令转变为执行此指令所需要的电信号。4 数据指针DPTR 是一个16 位的专用地址指针寄存器。它主要用来存放16 位地址，作间址寄存器使用。DPTR 也可以拆成两个独立8 位寄存器，即DPH(高8 位字节)和DPL(低8 位字节)，分别占据83H和82H 两个地址。5.定时控制部件与时序 功能：在规定的时刻发出各种操作所需的全部内部和外部的控制信号，协调各功能元件工作，完成指令所规定的功能。主要任务：产生一个工作时序，其工作需要时钟电路提供一个工作频率。(1)时钟电路设计（震荡器与时钟电路）震荡器与时钟电路）MCS-51 内部有一个用于构成振荡器

9、的高增益反相放大器，此放大器的输入和输出端分别是引脚XTAL1 和XTAL2，在XTAL1 和XTAL2 上外接时钟源即可构成时钟电路。单片机的生产工艺不同，时钟的产生方式也不同。有内部和外部两种时钟产生方式。见图2-3内部时钟产生方式：在XTALl 和XTAL2 两端接晶体或陶瓷谐振器，与内部反向器构成稳定的自激振荡器。参数选取：C1、C2 微调时钟频率。外接晶振时：Cl 和C2 选择10 30pF。外接陶瓷谐振器时：C1 和C2 的典型值约为4010pF。设计印刷电路板时，晶体或陶瓷谐振器和电容应尽可能安装在单片机芯片附近，以减少寄生电容，保证振荡器稳定和可靠工作。为了提高温度稳定性，应采

10、用NPO 电容。振荡频率范围一般是1.2MHz 12MHz，有的可达40MHz。外部时钟产生方式：时钟脉冲完全由外部电路产生。CMOS 与CHMOS 型的外部时钟源的接法不同（2）MCS-51单片机的时序 1）基本概念 时钟周期 T:时序中最小的时间单位。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。例如:在单片机外接1MH 的晶体,则单片机的系统时钟的频率为1M,时钟周期为1us。机器周期：完成特定功能所需要的时间,在MCS-51 单片机中机器周期由12 个时钟周期构成,并分为6 个状态(S1-S6),每个状态又分为P1 和P2 两拍（两个震荡周期)。这样一个机器周期的12

11、个震荡周期可以表示为:S1P1,S1P2,S2P1,S2P2,S3P1,S3P2 S6P1,S6P2 将12 个震荡周期用6 个状态和2 拍来替代。P2 P2S1 S1 S6 S5 S4 S3机器周期P1 P1 指令周期：这是时序图中最大的时间单位,既执行一条指令所需要的时间。在MCS-51 系统中,不同的指令它所包含的机器周期数不同.它们分别是:单机器周期指令;双机器周期指令;四机器周期指令 前已介绍：一个机器周期包含了12 个震荡周期。如果我们使用一个12M 的晶体震荡器,那么:一个机器周期为1us,两个机器周期为2us,四个机器周期为4us.由此，可见一条指令的运算速度与它所包含的机器周期数有关。机器周期数越少,执行的速度就越快。在MCS-51 单片机的指令系统中,除了乘、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。