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1、第二章 MCS-51单片机硬件结构,2.1 MCS-51单片机的结构及组成,2.1.1 MCS-51单片机结构框图,MCS-51单片机属于总线结构,总线：单片机各部件之间传输信息的公用通道。,2.1.2 MCS-51单片机的组成,一、1个8位的CPU,包括：运算器、控制器以及若干寄存器组成,运算器,定时控制部件,程序计数器PC, PC用来存放即将要执行的指令地址； 共16位，编码范围为0000HFFFFH，即51单片机对ROM的寻址范围为64K。 PC低8位经P0口输出，高8位经P2口输出。,指令寄存器,存放指令代码,二、4k/8k字节程序存储器（ROM）,三、128/256字节数据存储器（R
2、AM）,四、2/3个16位定时/计数器,五、4个8位并行 I/O端口，,六、可寻址64k外部数据存储器（RAM）和64k外部程序存储器（ROM）,七、1个可编程全双工串行口,八、5个中断源、两个优先级嵌套中断结构,2.1.3 MCS-51单片机芯片引脚,ALE的频率： 不访问外部存储器时，ALE以1/6振荡频率输出； 访问外部存储器时，以1/12振荡频率输出。,2.2 MCS-51存储器,片内、片外公用，但不能同时占用,片外专用,一、程序存储器ROM,程序存储器ROM的结构,程序存储器以PC（程序计数器）作为地址指针，可寻址空间为64K字节，范围为0000HFFFFH。,8051/8751/8
3、951单片机内部分别驻留4K字节ROM，范围为0000H0FFFH。,8031没有片内ROM，使用时必须扩展外部ROM。,51系列单片机64K字节统一编址，地址在逻辑上是相连的。,51单片机复位后PC=0000H，系统从0000H地址开始 执行程序。通常在此单元处安排一条跳转指令，因为 0003H0032H单元专用于中断服务程序(入口地址)。,中断服务程序 (入口地址),0003H,000BH,0013H,001BH,0023H,002BH,中断服务程序 首地址,二、数据存储器RAM,数据存储器RAM的结构,片内RAM：,内部RAM低128字节（00H7FH）,通用寄存器区,位寻址区,位寻址区
4、,用户自由使用区(数据缓冲区),8051的堆栈一般设在30H7FH的范围内。,内部RAM高128字节（80HFFH）,特殊功能寄存器,51系列单片机共有21个特殊功能寄存器，每个SFR 占用一个RAM单元，离散地分布在片内RAM高128字节地 址中，并未占满80FFH，对空闲地址的操作无意义。,在21个SFR中，有11个可进行位寻址，共88个位地址，其中5个未用，其余83个位地址离散地分布于80HFFH范围内。,累加器A 地址为：E0H, 累加器A又记作ACC，是最常用特殊功能寄存器, 直接与内部总线相连，一般信息传递和交换都要通过A, 暂存寄存器，用于提供操作数和存放运算结果, 可位寻址,寄
5、存器B 地址为：F0H, 乘法指令两个操作数分别取自A，B，其积的高8位自动放B，低8位自动放A。, 除法指令被除数取自A，除数取自B，其商自动放A，余数自动放B。, 可位寻址，也可作为RAM的一个单元使用。,程序状态控制字PSW 地址为：D0H,Program Status Word,CY 最高位进位标志，8位运算产生进位或借位； CY=1，最高位有进位或借位。,AC 辅助位进位标志，半字节进位标志；,例：78H+97H 0111 1000 +1001 0111 1 0000 1111,有进位 CY=1,没有半进位AY=0,F0 用户定义标志位，作为软件标志，由编程人员决定何时使用。,RS1
6、、RS0 工作寄存器区选址位；,MCS-51单片机默认的是第0组工作寄存器区。,OV 溢出标志位，用于带符号数运算的溢出； OV=D7位进位D6位进位,P 奇偶校验标志位，判别累加器A中1的奇偶性；,“1”的个数为偶数P=0 “1”的个数为奇数P=1,对于带符号数的运算，必须检查OV标志 OV=1，表示溢出，计算结果错误； OV=0，无溢出，计算结果正确。,例：某运算结果A=78H（01111000），则P=0。,堆栈指针SP (Stack Pointer),堆栈, 数据仓库； 数据存取规律为“先进后出”或“后进先出”； 51单片机的堆栈区是向地址增大的方向生成的，一般位于RAM区30H7FH
7、； 有栈底和栈顶之分。,栈底, 栈底地址是固定不变的，它决定了堆栈在RAM中的物理位置，由SP的初始值决定。 51单片机中SP的默认值为07H，栈底就是07H，堆栈区的范围就是07H7FH，这是不合理的，编程时必须修改栈底值。,栈顶,栈顶地址始终在SP中，SP是8位寄存器，能自动加1或减1，它决定堆栈中是否存放有数据。当堆栈中无数据时，栈顶和栈底重合，SP中的值一定也是栈底地址。 入栈时，SP先加1，数据再压入SP指向的单元。 出栈时， 先将SP指向单元的数据弹出后，SP再减1。,数据指针DPTR (Data Pointer),16位寄存器，由DPH、DPL拼装而成;,主要用来存放片外RAM的
8、地址，范围为64K。,端口P0P3、寄存器P0P3,端口名和寄存器名一一对应；,可采用直接寻址方式参与操作。,MOV DPTR,#1234H；DPH=12H，DPL=34H,串行数据缓冲器SBUF,存放欲发送或已接收的数据；,只有一个地址单元(99H)，既可以发送也可以接收。,定时器/计数器,两个16位定时/计数器T0、T1；,各有两个8位独立寄存器组成TH0、TL0，TH1、TL1。,2.3 并行I/O端口,一、P0口,1. P0口作通用I/O口,控制信号为0，与门封锁，T1截止，MUX打在下边；,用作输出,可见，P0口作一般I/O口时必须外接上拉电阻。,用作输入 读引脚：读芯片引脚上的数据
9、,反之，若P0.X在用作输入之前刚输出过1，T2截止，此1是由外接上拉电阻来获得； P0.X突然转为输入，则可以正确的检测引脚电平情况。,输入同时加在T2、T3上；,若P0.X在用作输入之前刚输出过0，则T2导通， P0.X的电位就始终被钳制为0；P0.X突然转为输入，此时无论输入0或1，最后通过T3检测出来的电平都是0，使输入的1无法读入，导致输入错误！,可见，P0口用作一般输入口用时，CPU不能直接去读引脚电平。在输入数据之前，应先向口锁存器写1，使T2截止。这是输入之前的一个准备工作，鉴于此，P0口在用作一般I/O口时是属于准双向口。,用作输入 读锁存器,在有些情况下，端口已处于输出状态
10、，CPU的某些操作是先将端口原来的数据读入，经过修改、运算后再写到端口输出，这称为“读-改-写”。,若此时端口负载是一个三极管基极，且原端口输出为1，PN结导通后将端口电平拉低，若此时直接读端口信息，将会把原来的输出1读成0，为此，单片机提供“读锁存器”操作。,51单片机约定： 凡属于“读-改-写”方式的指令，是从锁存器读入信号，其它指令则从端口引脚线上读入信号。,“读-改-写”指令的特点是: 从端口输入(读)信号，在单片机内加以运算(修改)后，再输出(写)到该端口上,2. P0口作地址/数据复用总线口,输出地址/数据信息 控制信号为1，与门打开，MUX打在上边，T1、T2的输入始终相反，构成
11、推拉式的输出结构，交替导通；,输入数据读外部ROM或RAM P0口输出低8位地址信息后，将变为数据总线。 控制信号为0，与门封锁，MUX打在下边，T1截止，类似于作一般I/O口时读引脚的情况，但此时CPU会自动向口锁存器写1，使T2截止，数据由三态缓冲器读入。,小结,P0口既可作通用I/O口使用，又可作地址/数据复用总线口。,P0口作通用I/O口时,P0口作地址/数据复用总线口时 CPU会自动向口锁存器写1，对用户而言，此时P0口是一个真正的双向口。, P0 是一个准双向口，输入前必须先向口锁存器写1。, 输出时，T2为漏极开路，必须接上拉电阻。,二、P1口,只能作通用I/O口使用，每一位都可
12、单独设为输入或输出；,内部已有上拉电阻，不是漏极开路输出口，可以直接输出而无需外接上拉电阻；,准双向口，输入前必须先向口锁存器写1。,P1口特点,三、P2口,P2口特点,1. P2口作通用I/O口,准双向口，输入前必须先向口锁存器写1。,内部已有上拉电阻，不是漏极开路输出口，可以直接输出而无需外接上拉电阻；,2. P2口作地址总线口,当系统外接片外存储器时，输出高8位地址，与P0口输出的低8位地址一起构成16位的地址线。,四、P3口,P3口特点,1. P3口作通用I/O口,准双向口，输入前必须先向口锁存器写1。,内部已有上拉电阻，不是漏极开路输出口，可以直接输出而无需外接上拉电阻。,作通用口使
13、用时第二功能应为1。,2. P3口作第二功能,小结,1. P0口：低8位地址与数据线分时使用端口,2. P1口：可按位操作的通用输入/输出口,3. P2口：高8位地址输出口,4. P3口：双功能口,5. 按三总线划分：,地址线：P0低8位地址，P2高8位地址；,数据线：P0输入/输出8位数据；,1、数据总线（DB）： 传送数据，双向，CPU的位数和外部数据总线的位数一致。而数据可能是指令代码、状态量或控制量，也可能是真正的数据。 2、地址总线（AB）： 传送CPU发出的地址信息，单向，宽度（线数目）决定了CPU的可寻址范围。 例如：2根地址线，可寻址22=4个字节单元； 16根地址线，可寻址2
14、16=64K字节单元； 3、控制总线（CB）： 传送使微机协调工作的定时、控制信号，双向，但对于每一条具体的控制线，都有固定的功能。控制线数目受芯片引脚数量的限制。,2.4 振荡电路和时序,单片机顺序地从ROM中取出指令一条条执行，然后进行一系列的微操作控制来完成各种指定的动作。 单片机在协调内部的各种动作时必须要有一定的顺序，即所有的操作控制在时间上要有个严格的先后次序，这种次序就是时序。,一. 振荡电路,振荡有两种方式：内部，外部,晶振的常用值为：6MHz、12MHz、11.0592MHz。,C1、C2 47pF，典型值为30pF。,二. 几个时序周期,1、振荡周期（时钟周期） 是振荡源的
15、周期，就是振荡电路中所使用的晶振周期。,振荡周期是单片机中最基本、最小的时间单位。,若晶振的振荡频率为fosc，则振荡周期Tosc=1/fosc。 例如：fosc=6MHz，Tosc=1/(6M)=1/6us。,2、机器周期,CPU完成一个基本操作所需的时间;,一个机器周期包含12个振荡周期;,一个机器周期分为6个状态：S1S6； 每个状态又分为两拍：P1和P2,若晶振的振荡频率fosc=6MHz，则机器周期为2us；,若晶振的振荡频率fosc=12MHz，则机器周期为1us。,ALE信号,振荡信号的6分频； 一个机器周期两次出现，分别是S1P2、S2P1及S4P2、S5P1期间； 有效宽度为
16、一个状态，即2个振荡周期； 当ALE正跳变时，单片机进行一次读指令操作。,3、指令周期,执行一条指令所需要的时间，可包含14个机器周期,上述时序的语言描述：,单字节单周期指令：INC A 指令只有一个字节，只需进行一次读指令操作。当第 二个ALE有效时，由于PC没有加1，读出的还是原指令，属于一次无效操作。,双字节单周期指令：ADD A，# data ALE两次读操作都有效，第一次读操作码(指令第一字节)，第二次读立即数(指令第二字节)。,单字节双周期指令：INC DPTR 两个机器周期共进行四次读指令操作，但其后三次的读操作都是无效的。,2.5 51单片机的复位,一、复位及复位电路,单片机执
17、行程序时总是从地址0000H开始的，进入系统时必须对CPU进行复位，也叫初始化；,由于程序运行中的错误或操作失误使系统处于死锁状态时，为了摆脱这种状态，需要进行复位。,复位方法,在RST引脚(9脚)上加一个持续时间为两个机器周期的高电平。,复位电路,课堂练习： 若使用频率为6MHz的晶振， 则复位信号持续时间应超过_才能完成复位操作。,fosc=6MHz MC=12/fosc=12/6MHz =2 s t=4 s,上电复位仿真图,按键复位仿真图,10k,二、单片机复位后的状态,PC=0000H，单片机从0000H地址单元开始执行程序； P0P3=FFH，各口可用于输出，也可用于输入； SP=07H，第一个入栈内容将写入08H单元； IP、IE和PCON的有效位为0，各中断源处于低优先级且均被关断、串行通讯的波特率不加倍； PSW=00H，当前工作寄存器为第0组； A=00H，表示累加器已被清零。,