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1、MCS-51单片机系统结构,2,1.1 单片微型计算机,一、单片机的发展历史 第一阶段（1976-1978）：单片机的探索阶段。探索计算机的单芯片集成，单片机（Single Chip Microcomputer）的定名即缘于此。产品以Intel公司的MCS-48为代表。 第二阶段（1978-1982）：单片机的完善阶段。体现工控特性的位地址空间及位操作方式；增加了许多突出控制功能的指令。产品以Intel公司的MCS-51为代表。 第三阶段（1982-1990）：8位单片机的巩固发展及16位单片机的推出阶段，也是单片机向微控制器发展的阶段。 第四阶段（1990-）：微控制器全面发展阶段。在各领域
2、广泛应用，出现高速、大寻址范围、强运算能力的通用型单片机及小型廉价的专用单片机。,3,二、单片机的主要特点 集成度高 控制功能强 可靠性高 低功耗、低电压 外部总线丰富 功能扩展性强 体积小、成本低 性价比高,4,三、单片机的分类 按单片机数据处理位数来划分 4位单片机 8位单片机 16位单片机 32位单片机 按单片机适用范围来划分 通用型单片机 专用型单片机 按单片机并行总线来划分 总线型单片机（如8051、AT89C51 ） 非总线型单片机（如AT89C2051 ）,5,四、单片机的发展趋势 CMOS化单片机将具有更低的功耗、更低的电压。 高性能化精简指令集(RISC)结构和流水线技术将得
3、到广泛应用 。 高可靠性提高单片机的抗电磁干扰能力 。 大容量化扩大片内存储器容量。 多功能化把众多的各种外围功能器件集成在片内，如模/数转换器、数/模转换器、液晶显示驱动器 等。 串行扩展技术 SPI、I2C、Microwire、1-Wire等串行总线的引入，可以使单片机的引脚设计得更少，单片机系统结构更加简化。,6,五、单片机的应用 单片机在智能仪表中的应用：单片机广泛应用于各种仪器仪表，使仪器仪表智能化，提高测量的自动化程度和精度。 单片机在机电一体化中的应用：机电一体化是机械工业发展的方向。机电一体化产品是指集机械技术、微电子技术、计算机技术于一体，具有智能化特征的机电产品，如数控机车
4、。单片机作为控制器，可提高产品的自动化、智能化程度。 单片机在实时控制中的应用：如工业测控、航空航天、机器人。 单片机在分布式多机系统中的应用。 单片机在人类生活中的应用：如各种家用电器、玩具。 单片机在计算机外围设备、网络产品的应用。,7,1.2 8051单片机的基本组成,8,8051单片机在一块芯片上集成了一个微型计算机的主要部件，它包括以下几部分： 1个8位微处理器(CPU)。 1个时钟电路。 4KB程序存储器。 256B数据存储器。 2个16位定时/计数器。 64KB扩展总线控制电路。 4个8位并行I/O接口P0P3。 1个全双工串行I/O接口。 5个中断源，其中包括2个优先级嵌套中断
5、。,9,2.1 8051单片机的引脚功能说明,MCS-51单片机的封装形式有两种，一种是双列直插式(DIP)封装，另一种是方形封装。 8051的40个引脚可分为： 电源引脚2根 时钟引脚2根 控制引脚4根 I/O引脚32根 由于8051单片机是高性能的单片机，同时受到引脚数目的限制，采用引脚复用技术，部分引脚具有第二功能。,10,8051单片机引脚图,DIP引脚图 逻辑符号,11,8051引脚的功能描述（一）,电源引脚(2根) VCC(40脚)：电源端，接+5V电源。 VSS(20脚)：接地端。 时钟引脚(2根) XTAL1(19脚)：接外部晶振和微调电容的一端。采用外部时钟电路时，对HMOS
6、型工艺的单片机，此引脚应接地；对CHMOS型而言，此引脚应接外部时钟的输入端。 XTAL2(18脚)：接外部晶振和微调电容的另一端。使用外部时钟时，对HMOS型工艺的单片机，此引脚应接外部时钟的输入端；对CHMOS型而言，此引脚悬空。,12,8051引脚的功能描述 （二）,控制引脚(4根) RST/VPD(9脚)：复位信号/备用电源输入引脚。 当RST引脚保持两个机器周期的高电平后，就可以使8051完成复位操作。该引脚的第二功能是VPD，即备用电源的输入端，具有掉电保护功能。若在该引脚接+5V备用电源，在使用中若主电源VCC掉电，可保护片内RAM中的信息不丢失。 ALE/PROG(-) (30
7、脚)：地址锁存允许信号输出/编程脉冲输入引脚。当CPU访问片外存储器时，ALE输出信号控制锁存P0口输出的低8位地址，从而实现P0口数据与低位地址的分时复用。当8051上电正常工作后，自动在ALE端输出频率为fosc/6的脉冲序列(fosc代表振荡器的频率)。 该引脚的第二功能PROG是对8751内部4KB EPROM编程写入时，作为编程脉冲的输入端。 VPP/EA(-)(31脚)：外部程序存储器地址允许输入端/编程电压输入端。 当EA(-)接高电平时，CPU执行片内ROM指令，但当PC值超过0FFFH时，将自动转去执行片外ROM指令；当EA(-)接低电平时，CPU只执行片外ROM指令。对于8
8、031，由于其无片内ROM，故其EA(-)必须接低电平。 该引脚的第二功能VPP是对8751片内EPROM编程写入时，作为21V编程电压的输入端。 PSEN(-)(29脚)：片外ROM读选通信号端。在读片外ROM时，PSEN(-)有效，为低电平，以实现对片外ROM的读操作。,13,8051引脚的功能描述 （三）, I/O引脚(48=32根) P0.0P0.7(3932脚)：P0口的8位双向I/O口线。 P0口即可作地址/数据总线使用，又可作通用的I/O口使用。当CPU访问片外存储器时，P0口分时先作低8位地址总线，后作双向数据总线，此时，P0口就不能再作I/O口使用了。 P1.0P1.7(18
9、脚)：P1口的8位准双向I/O口线。 P1口作为通用的I/O口使用。 P2.0P2.7(2128脚)：P2口的8位准双向I/O口线。 P2口即可作为通用的I/O口使用，也可作为片外存储器的高8位地址总线，与P0口配合，组成16位片外存储器单元地址。 P3.0P3.7(1017脚)：P3口的8位准双向I/O口线。 P3口除了作为通用的I/O口使用之外，每个引脚还具有第二功能。,14,P3口第二功能,15,2.2 振荡器、时钟电路及时序,一、 CPU时序 CPU时序就是CPU在执行指令时所需控制信号的时间顺序。 单片机的时序定时单位从小到大依次为：时钟周期、状态周期、机器周期和指令周期。 MCS-
10、51单片机共有111条指令，按照指令字节数和机器周期数可分为六类，即单字节单周期指令、单字节双周期指令、单字节四周期指令、双字节单周期指令、双字节双周期指令和三字节双周期指令。,16,典型指令的取指、执行时序,时钟周期为单片机提供定时信号的振荡源的周期或外部输入时钟信号的周期，也称为振荡周期（Tosc) 。 状态周期(或状态S)是振荡周期的两倍，它分为P1节拍和P2节拍。 一条指令的执行过程分作几个基本操作，完成一个基本操作所需的时间称作机器周期（TM）。 执行一条指令所需的时间称为指令周期。,17,二、时钟电路, 8051单片机的时钟信号通常由两种方式产生：一是内部振荡 方式，二是外部时钟方
11、式。 (a) 内部方式时钟电路 (b) 外部方式时钟电路,内部振荡方式 内部振荡方式是在XTAL1和XTAL2引脚两端跨接石英晶体振荡器和两个电容构成稳定的自激振荡电路。 电容C1和C2通常取30pF。晶振频率fosc=1.2MHz12MHz。,18,2.3 复位电路,一、复位功能 复位是单片机的初始化操作。 复位功能是把PC初始化为0000H，使CPU从0000H单元开始执行程序；复位操作同时还对其他一些寄存器有影响，但内部RAM的数据是不变的。 除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需要按复位键重新启动。,19,部分特殊功能寄存器的复位状态,说明：表中符号状为随机态。,20,二、复位电路,单片机的复位引脚RST出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。 常见的复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式 。 上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。 按键手动复位是通过复位端经电阻与电源VCC接通而实现的，它兼备上电复位功能。 (a) 上电自动复位 (b) 按键手动复位,