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1、第二章 MCS-51的结构,主要目的：了解MCS-51单片机基本硬件组成、功能部件、外部应用特性，为应用准备好硬件基础。,2,本章主要内容,一、MCS-51系列单片机概况 二、MCS-51单片机基本组成与结构 三、MCS-51单片机的CPU 四、MCS-51单片机的存贮器 五、MCS-51单片机的并行I/O接口 六、MCS-51单片机的工作方式和时序,3,一、MCS-51系列单片机概况,MCS-51系列单片机： 是当今具有事实上的“标准”意义上的单片机； 是最有代表性的一类； 应用最广泛； 学习和辅导资料最全面; MCS-51系列单片机产品分为： 51子系列和52子系列,4,MCS-51系列单
2、片机分类及配置情况表,5,二、MCS-51单片机基本组成与结构,MCS-51系列单片机中8051是最典型的产品，以此为例介绍其基本组成结构,6,7,8051内部硬件资源,基本组成功能部件包括： CPU：计算/处理8位二进制数 内部ROM：4KB程序存储器 内部RAM：128字节用户RAM和21个特殊功能寄存器SFR 并行IO口：4个8位并行IO口(P0,P1,P2,P3) 串行口：一个可编程全双工串行口 定时器/计数器：两个16位T0、T1 中断系统：具有5个中断源，两个优先级，嵌套中断结构 时钟电路：6MHz或12MHz为单片机提供时间基准单位,8,8051外部引脚及功能,8051引脚可分为
3、四类： 1、电源引脚 Vcc +5V Vss地 2、时钟（XTAL1、 XTAL2） 3、 I/O线（P0 P1 P2 P3共32线） 4、控制总线 （1）输入：RST /VPD、EA/VPP （2）输出：PSEN （3）输入/输出：ALE/PROG,9,三 MCS-51单片机的CPU,MCS-51单片机内有一个8位CPU，它是单片机的核心， 主要功能是运算和控制整个系统协调工作；由运算器和控制器两部分组成。,运算器主要实现对数据的算术/逻辑运算和位操作 其本身是复杂的数字时序逻辑电路，主要包括以下部分：,（1）算术逻辑单元ALU 对8位二进制数据进行算术/逻辑运算,（2）累加器ACC/A 8
4、位寄存器，是CPU中使用最频繁的寄存器,（3）寄存器B（8位） 在乘、除运算中，与累加器A配合使用，存放第二操作数,10,（4）程序状态字PSW（8位专用寄存器） 寄存/存贮当前机器指令/程序执行后操作结果的特征状态,D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0,CY AC F0 RS1 RS0 OV P,11,控制器：接受来自程序存储器的指令，并对其进行译码，通过定时和控制电路，按时序规定发出指令功能所需要的各种控制信息，使各部分协调工作，完成相应操作.主要包括以下部分：,（1）程序计数器PC：16位专用寄存器 计数寄存器，存放下一条将要从程序存贮器中取出的指令的地址 控制程序执行的顺序,
5、（2）数据指针寄存器DPTR ：16位专用寄存器 主要用来存放片外数据存贮器或I/O口地址,（3）堆栈指针SP：8位专用寄存器 用来存放当前堆栈操作的位置即地址,（4）指令寄存器和指令译码器 指令寄存器：存放指令代码 指令译码器：对指令译码识别,12,四、MCS-51单片机的存贮器,存贮器记忆功能部件，用来存放程序和数据,存储单元 存放数据和程序的基本单元 ，在其中存放一个基本二进制数据,存贮器：若干个存储单元的集合 三个基本参数： 存储单元个数：存放数据的基本单元个数 存储单元长度：存放数据的二进制位数 存储单元地址：身份识别唯一的编号,13,假设存储器由256个存储单元组成，存储单元长度为
6、8位，其地址编号00H-FFH 其组成结构示意图如下：,FFH FEH 02H 01H 00H,地址,单元中存放的数据,（00H）=10H：表示00H单元中存放数据为10H （02H）=20H ：表示02H单元中存放数据为20H （FFH）=24H ：表示FFH单元中存放数据为24H,14,MCS-51单片机的存贮器组织采用哈佛结构， 将程序存贮器和数据存贮器完全分开： 程序存贮器ROM存放指令代码、表格和常数 数据存贮器RAM存放原始数据、中间及最后结果,在物理结构上， MCS-51单片机有4 个存贮空间： 片内程序存贮器 片外程序存贮器 内部数据存贮器 外部数据存贮器,在逻辑上， MCS-
7、51单片机有3 个存贮空间： 片内片外统一的64KB程序存贮器 片内部数据存贮器 片外64KB的数据存贮器及I/O地址空间,15,8051单片机存贮器组织结构,0FFFH 0FFEH 0001H 0000H,FFFFH FFFEH 1001H 1000H,程序存贮器组织结构,片内程序存贮器4KB （EA=1）,片外程序存贮器60KB,0FFFH 0FFEH 0001H 0000H,片外程序存贮器4KB （EA=0）,16,7FH 7EH 01H 00H,FFH 80H,8051数据存贮器组织结构,片内RAM128,SFR 21个,FFFFH FFFEH 0001H 0000H,片外数据存贮器6
8、4KB,片内数据存贮器,17,8051程序存贮器,程序存贮器用来存放经过调试正确的应用程序、常数 单片机工作的应用程序必预先存放在程序存贮器,1、8051程序存贮器ROM地址范围（0000H-FFFFH） 内部4KB(0000H-0FFFH)(8051内部已有) 外部60KB(1000H-FFFFH)(必须外接存贮器) 由16位程序计数器PC对其地址进行计数,2、8051程序存贮器空间访问控制 即CPU按如何顺序读取程序存贮器中的程序/指令,18,（2）程序计数器PC控制：CPU执行指令/程序的顺序 PC用于存放CPU下一条要执行指令的地址的16位专用寄存器； PC具有自动计数的功能，CPU每
9、取回一字节指令代码，PC自动加1； CPU执行指令的顺序是由PC值来控制的，改变PC值即改变执行顺序,19,8051程序存贮器空间访问,0FFFH 0FFEH 0001H 0000H,FFFFH FFFEH 1001H 1000H,CPU,EA=1,20,程序存贮器特殊存贮单元 内部4KB其中有7个单元具有特殊用途,保留给系统使用,0000H系统启动地址单元即第一条指令位置,0003H INT0中断服务入口地址,000BH T0中断服务入口地址,0013H INT1中断服务入口地址,001BH T1中断服务入口地址,0023H 串行中断服务入口地址,002BH 定时器/计数器2溢出或T2EX（
10、P1.1)入口地址(仅8032/8052特有),21,8051内部数据存贮器,数据存贮器由RAM构成存放原始数据、中间及最后结果 8051片内部数据存贮器RAM配置示意图如下： 内部数据存贮器分为两大部分： 低128字节（00H-7FH）-真正内部RAM区 高128字节（80H-FFH）-SFR,FFH 80H 7FH 30H 2FH 20H 1FH 00H,工作寄存器区 00H-1FH用于R0-R7使用,位寻址区 20H-2FH用于位处理或数据缓冲,用户RAM区 30H-7FH用于数据缓冲或开辟堆栈区,SFR区 80H-FFH 用来管理、控制单片机内部功能电路工作的特殊存贮单元,22,工作寄
11、存器区00H-1FH,内部RAM中00H-1FH共32个单元分为4个工作寄存器组， 每一组分别有8个独立的寄存器,!！注意：工作寄存器只能按字节寻址/操作即每次读写数据为一个字节或8位二进制数,23,当前寄存器工作组： 在任一时刻只有其中一个组工作，这个组称为当前工作组.,当前寄存器工作组选择： CPU当前使用的寄存器工作组是由程序状态字PSW中的RS0和RS1数据位来指定的，可通过修改RS0和RS1状态选择其中的一个工作组作为当前寄存器工作组。,24,位寻址区 20H-2FH,位寻址区 ： 即内部RAM中20H-2FH共16个字节单元共168=128位 每一位都可用于存放各种程序标志和位控制
12、变量 位地址：00H-7FH 其中的每一位都有一个所谓地址，以便于对其读写,!注：位寻址区16个字节单元可位操作或字节操作,25,用户RAM区 30H-7FH,用户RAM区 30H-7FH共80个单元是内部数据缓冲区， 用于存放用户数据,只能按字节寻址. 另有一部分用于开辟堆栈区,堆栈：特殊的内部RAM区，先进后出，且只允许在一端 写入和取出数据即堆栈操作：压入和弹出 堆栈指针SP：指明堆栈当前操作单元，对堆栈实现管理 堆栈的建立：初始设置SP值即栈底位置 堆栈功用： 为子程序调用和中断而设：保护断点和保护现场,26,特殊功能寄存器SFR区,8051共128个SFR地址80H-FFH 只用其中
13、21个字节 存贮单元的其它单元不用，也即不存在,其它SFR详情参见书上： （1） SP、DPTR 、B、ACC已介绍； （2）其它SFR在后述相应内容中介绍； （3）表中有位地址的表示可进行位寻址操作。,27,五 MCS-51单片机的并行I/O接口,I/O接口 I/O外设与主机（CPU）之间的桥梁 I/O外设可实现人机对话和交流，但I/O外设不能直接与CPU相接，而必须通过I/O接口的中间转换,CPU,I/O外设,I/O接口,I/O接口按每次传送数的位数可分为： 并行I/O接口：一次传送多位如8位二进制数 串行I/O：一次只传送一位二进制数,28,8051并行I/O接口,8051并行I/O接口
14、： （1）4个准双向、三态8位I/O P0、 P1、P2、P3 （2）字节操作和位操作均可 （3）基本I/O方式：输入、输出和读修改写 （4）输入时，数据可缓冲；输出时，数据可锁存,1.P0口应用(漏极开路) （1）通用I/O并行接口功能准双向三态I/O口 （2）数据/低8位地址总线分时复用功能 系统外部扩展时用,29,2 P1口应用：用户专用准双向三态8位I/O口 可直接连接I/O外设,P2口应用 1）准双向三态8位I/O口：可直接连接I/O外设 2）高8位地址总线：系统外部扩展时用,4 P3口应用 1）准双向8位I/O口 2）第二功能,30,4）I/O口驱动特性/能力（输出电流大小） P0
15、口：8个LSTTL负载 P1、P2、P3：各4个LSTTL负载 负载不能超过限定个数，否则端口工作不稳定,5）系统外部扩展时 P0数据/低8位地址总线分时复用 P2高8位地址总线 P1专用I/O口 P3优先作第二功能,3）端口复用的识别：由系统自动选 择,31,多路开关 功能：用于控制选通I/O方式还是地址/数据输出方式 方式控制：由内部控制信号产生,输入锁存器,两个输入缓冲器(BUF1和BUF2),推拉式I/O驱动器,并行I/O结构及操作,8051共有4个8位双向I/O口，共32口线。每位均有自己的锁存器(SFR)，输出驱动器和输入缓冲器。,（一）P0口内部结构,5、P0R2为读引脚信号，执
16、行“MOV A,P0”时该信号有效 6、读引脚（端口）时，输出锁存器应为“1”,说明： 1、当控制信号为0时，P0口做双向I/O口，为漏极开路（三态） 2、控制信号为1时，P0口为地址/数据复用总线（用于口扩展） 3、P0W为端口输出写信号，用于锁存输出状态 4、P0R1为读锁存器信号，执行“ANL P0,#0FH”时该信号有效,1,0,32,（二）P1口内部结构,P1口内部结构如图所示 输出部分有内部上拉电阻R*约为20K。 其他部分与P0端口使用相类似。,写数据,读端口,33,（二）P2口内部结构,2、当控制信号为1时 P2口输出地址信息， 此时单片机完成外部的取指操作或对外部数据存储器1
17、6位地址的读写操作。 3、当P2口作为普通I/O口使用时 用法和P1口类似。,说明： 1、P2可以作为通用的I/O，也可以作为高8位地址输出。,34,（三）P3口内部结构,说明： 1、做普通端口使用时，第二功能应为“1”。,2、使用第二功能时，输出端口锁存器应为“1”。 3、第二功能 P3.0 TXD P3.4 T0 P3.1 RXD P3.5 T1 P3.2 INT0 P3.6 WR P3.3 INT1 P3.7 RD,35,并行I/O口应用特性,在使用MCS-51单片机并行I/O时要注意以下应用特性：,1）准双向口的使用 输出时，直接向I/O口进行写入操作； 输入时，应先置其为1即输入状态
18、，然后再进行读操作 （复位后即初始时P0-P3为FFH即为输入状态）,2）P0口作I/O用 P0作输出时必须外加4-10k的上拉电阻,36,六 MCS-51的工作方式和时序,（一）MCS-51的工作方式,MCS-51的工作方式包括：复位方式、程序执行方式、节电方式和EPROM的编程和校验方式。,（1）复位电路 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期以上的高电平而设计的。MCS-51单片机通常采用上电自动复位和按键手动复位两种方式。如图2-7所示。,1.复位方式,37,图2-7 几种复位电路,38,（2）单片机复位后的状态 单片机运行出错或进入死循环时
19、，可按复位键重新运行。21个特殊功能寄存器复位后的状态为确定值，如表2-5所示。,表2-5 单片机复位后特殊功能寄存器的状态,39,2.程序执行工作方式,程序执行方式是单片机的基本工作方式，可分为连续执行和单步执行两种工作方式,（1）连续执行 连续执行方式是所有单片机执行工作程序所需要的一种工作方式。,（2）单步执行 为用户调试程序而设计的一种工作方式。 单步执行是利用单片机外部中断的功能实现的。,40,3.节电工作方式,节电工作方式是一种能减少单片机功耗的工作方式，可分为空闲方式和掉电方式两种工作方式。只有CHMOS型器件才有这种工作方式。,CHMOS型单片机的节电工作方式是由特殊功能寄存器
20、PCON控制的。PCON各位定义为：,通用标志位,掉电控制位，PD=1进入掉电方式,空闲控制位，IDL=1进入空闲方式,串行口波特率倍率控制位,注：当PD和IDL同时为1时，进入掉电控制方式,41,（二）MCS-51单片机的时序,时序：计算机指令执行各种微操作的时间顺序。,1. 时钟电路,计算机执行指令分三个步骤：取指令、分析指令和执行指令。每个指令由多个微操作组成，而这些微操作又在一个时钟的统一控制下按顺序执行。 单片机时钟电路通常有两种形式： (1)内部振荡方式：MCS-51片内有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。把放大器与作为
21、反馈元件的晶体振荡器或陶瓷谐振器连接，就构成了内部自激振荡器并产生振荡时钟脉冲（如图2-8a所示）。,42,图2-8a 内部振荡方式,图2-8b 外部振荡方式,(2)外部振荡方式：外部振荡方式就是把外部已有的时钟信号引入单片机内（如图2-8b所示）。,43,1振荡周期：是振荡器的振荡频率的倒数，是时序中的最小时间单位。 2. 时钟（状态）周期：用于单片机内部各功能部件按序协调工作的控制信号，是振荡周期的2分频。 3机器周期：通常将完成一个基本操作所需的时间称为机器周期。 4指令周期：是指CPU执行一条指令所需要的时间。一个指令周期通常含有14个机器周期。 MCS-51单片机各种周期的相互关系如
22、图2-9 所示。,2. CPU时序,44,S5,S4,P1,P1,P2,S1,P2,XTAL2 (OSC),S2,S3,S5,S6,S1,S2,S4,S3,S6,P1,P1,P1,P1,P1,P1,P1,P1,P1,P1,P2,P2,P2,P2,P2,P2,P2,P2,P2,P2,图2-9 MCS-51单片机各种周期的相互关系,45,若MCS-51单片机外接晶振为12MHz时，则单片机的四个周期的具体值为： 振荡周期1/12MHz1/12s0.0833s 时钟周期=1/6s 机器周期1s 指令周期14s,46,4. MCS-51单片机指令的取指和执行时序,图2-10 MCS-51单片机典型指令的取指和执行时序,地址锁存使能：每个机器周期出现两次正脉冲，第一次在S1P2和S2P1期间，第二次在S4P2和S5P1期间。ALE每有效一次，CPU进行一次读指令操作。,