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1、,微机原理及应用,第2章 MCS-51的结构,2.1 MCS-51单片机总体结构 MCS-51系列单片机的典型产品有8051、8751、8031、80C51、80C31等。它们的结构基本相同，其主要差别反映在片内存储器的配置上有所不同。 8051是ROM型单片机，内含4KB的掩膜ROM程序存储器；8751内含4KB的可编程EPROM程序存储器；而8031则为无ROM型单片机，使用时需外接程序存储器。,振荡器和时序 OSC,程序存储器 4KB ROM,数据存储器 4KB RAM,64KB总线 扩展控制器,可编程I/O,可编程全双工串行口,8051 CPU,216位 定时器/计数器,外时钟源,内中
2、断,外中断,控制,并行口,串行通信,外部事件计数,1 MCS-51单片机总体构框图,CPU是单片机内部的核心部件，也叫微处理器，是单片机的指挥和控制中心。包括控制器和运算器两个部分。 控制器主要包括：程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、指令译码器（ID）及定时控制电路等。 程序计数器（PC）是一个16位的专用寄存器，用来存放CPU要执行的存放在程序存储器中的下一条指令的地址，也叫指令地址寄存器。注意：单片机复位后，(PC)=0000H,例： 地址 指令机器码 (PC) 2000H 2001H,指令寄存器（IR）：用来存放当前正在执行的指令。 指令译码器（ID）：IR中的操作码进行分析解释，
3、产生相应的控制信号。 控制器的主要功能是：根据程序计数器（PC）的内容取出指令，然后进行指令译码，并根据译码的内容产生控制信号，协调各部分的工作，完成指令所规定的操作。,运算器的功能：对数据进行算术和逻辑运算。 运算器包括：算术逻辑运算部件ALU、累加器ACC、程序状态字寄存器PSW等组成。 ALU：主要进行算术和逻辑运算，运算结果送ACC而运算结果的状态信息送PSW。 ACC：8位寄存器，用于存放使用次数高的操作数或中间结果。 PSW：用于寄存当前指令执行后的某些状态信息。,程序状态字PSW各位的含义,CY（PSW.7）：进位/借位标志位。 在进行加减运算时，运算结果的最高位 （D7）有进位
4、或借位时，（CY）=1，否 则（CY）=0 AC（PSW.6）：半进位标志位，也叫辅助 进位或借位标志位。 在进行加减运算时，运算结果的低4位 (D3)向高4位有进位或借位时，(AC)=1， 否则(AC)=0,F0（PSW.5）、F1（ PSW.1 ）：用户标 志位。 用户根据需要，自行定义的状态标 志。,RS1（PSW.4）、RS0（PSW.3）： 工作寄存器区选择位。 RS1、RS0与被选的工作寄存器对照表,OV（PSW.2）：溢出标志位。 当有符号两数相加减时，结果超出 -128+127范围时，有溢出，（OV）=1,否则，（OV）=0。 产生溢出的判断条件是：设C为D6向D7的进位或借位
5、 ，Cf为D7向CY的进位或借位，若C Cf，则为溢出。,P（PSW.0）：奇偶标志位。 累加器A中的值为1的个数是奇数，则（P）=1，否则（P）=0,例：已知A=B9H，B=6AH，Cy=0，试分析 执行以下指令后，标志位及累加器A的内 容。,ADD A，B A) 1011 1001 + B) 0110 1010 10010 0011 (A)=23H,(Cy)=1, (AC)=1,(OV)= 0 (P)=1,.,.,.,.,.,ROM：只读存储器，用于存放单片机内部程 序。 RAM：单片机内部数据存储器。 定时器/计数器：用于定时和对外部事件计数。 并行I/O口：P0P3是4个8位并行I/O
6、口，用于 单片机与外部存储器和I/O端口设备交 换信息使用。每个口既可以作为输入， 也可作为输出。 时钟电路OSC：用于产生单片机中最基本的时 间单位。,2 MCS-51引脚功能,3. MCS-51存储器的特点 物理结构上有四个存储空间： 片内程序存储器； 片外程序存储器； 片内数据存储器； 片外数据存储器。,从用户使用的角度，即从逻辑上划分3个存储器地址空间： 片内外统一编址的64KB的程序存储器地址空间；（2168） 片内256B数据存储器地址空间；（ 288 ） 片外64KB的数据存储器地址空间；（ 2168 ）,对于同一 地址信息，可表示不同的存储单元，在访问不同的逻辑存储空间时，MC
7、S-51提供了不同形式的指令： MOV用于访问内部数据存储器； MOVX用于访问外部数据存储器； MOVC用于访问内、外程序存储器。,MCS-51（8051）存储结构如图所示。,MOV,MOVC,MOVX,内部数据存储器分为高、低128B两大部分如图所示,2.2 位处理器 单片机具有较强的位处理能力。 对于许多控制系统，开关量控制是控制系统的主要对象之一。作为传统的CPU，对于简单的个别开关量进行控制却显得不那么方便，而让MCS-51值得骄傲正是它有效地解决了单一位的控制。,2.3 MCS-51工作方式和时序 1. MCS-51单片机的工作方式包括：复位方式、程序执行方式、节电方式和EPROM
8、的编程和校验方式，在不同的情况下，其工作方式也不相同。,复位方式： 单片机复位后，程序计数器PC=0000H，指向程序存储器0000H单元，使CPU从首地址重新开始执行程序。MCS-51复位时，其内部RAM中的数据保持不变。 程序执行方式： （1）连续执行 （2）单步执行 节电方式：能减少单片机功耗的方式。,时序就是计算机指令执行时各种微操作在时间上的顺序关系。 计算机所执行的每一操作都是在时钟信号的控制下进行的。每执行一条指令，CPU都要发出一系列特定的控制信号，这些控制信号（即CPU总线信号）在时间上的相互关系就是CPU的时序。,2.MCS-51单片机的时序,基本概念：,时钟周期：也叫振荡
9、周期，是晶体振荡器直接产生振荡频率fOSC的倒数，即1/ fOSC，是时序中的最小单位。 例如，晶振频率fOSC=6MHz， 则时钟周期为1/ fOSC166.7ns 状态周期：是时钟周期的2倍，是处理操作的最基本单位。一个状态周期包含了两个节拍，用P1，P2表示。,机器周期：也称为CPU周期。执行一条指令的过程可分为若干阶段，每一阶段完成一个规定的操作，完成这个规定操作的时间称为机器周期。 一个机器周期包括12个时钟周期（6个状态周期，用S1，S2，S3，S4，S5，S6表示）。,指令周期：完成一条指令所需的时间。包括取指令、分析指令和执行指令所需的全部时间。 MCS-51单片机的指令周期通
10、常由14个机器周期组成。 几者关系：一个指令周期由若干个机器周期组成，每个机器周期又由若干个时钟周期组成。,例 ：已知晶振频率为6MHz，试分别计算前面所讲的各种周期。 解：当fOSC=6MHz时， 振荡周期为1/fOSC=1/6us 状态周期为：振荡周期2= 1/fOSC2=1/6us21/3us 机器周期为：状态周期6= 1/3us6=2us 指令周期为：14个机器周期= 2us1=2us 2us4=8us，即28us,存储器的主要参数,存储容量：存储器由许多存储单元组成，每个存储单元又由若干存储元组成，每个存储元存放一位二进制代码。存储容量是表示能存放数据量大小的指标。,例：某存储器芯片
11、有1024个单元，每个存储单元可放4位二进制代码，则该芯片存储容量为10244. 为了便于表示，常以2101024个存储单元为单位，记作1K，这样，上述芯片容量可记为1K4.,一般微型计算机所用存储芯片均可放8位二进制代码，即1个字节（B）,所以微型计算机的内存都是以字节为单位的。 如：某台单片机的片内程序存储器的容量为2128，即40968=410248，则称片内程序存储器的容量为4KB.,芯片存储容量的计算,存储器中包含了许多的存储单元，每个存储单元都有一个唯一的地址，存储单元的地址由地址线提供，若某芯片有一根地址线，那它只能提供0、1两个不同地址，若有两根地址线，那它能提供00、01、10、11四个不同地址，该芯片就拥有4个存储单元。,若某存储器芯片有8根地址线，则可提供28个存储单元，可提供（00FFH）共256个地址。n根地址线，有2n个存储单元。,每个存储单元所能存储的二进制代码的位数与该芯片的数据线有关。某芯片有p根数据线，则每个存储单元可存放p位二进制代码。 例：某芯片有8根数据线（D7D0），15根地址线（A14A0），则该芯片的存储容量为215832KB,