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1、1,第2章 MCS-51單片機(jī)結(jié)構(gòu)及原理,本章內(nèi)容： （1）MCS-51系列的8051的基本結(jié)構(gòu)； （2）存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)及其配置； （3）P0、P1、P2、P3四個(gè)I/O口的基本工作原理 和操作特點(diǎn)； （4）單片機(jī)的時(shí)序 （5）復(fù)位,2,2.1.1 MCS-51的基本組成 MCS-51單片機(jī)（以8051為例，Intel產(chǎn)品）1個(gè)8位CPU；1個(gè)片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路；128字節(jié)RAM（數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器）；4K字節(jié)ROM（程序存儲(chǔ)器）；2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；32條可編程的I/O線（四個(gè)8位并行I/O端口）；1個(gè)全雙工串行口；5個(gè)中斷源；,2.1 MCS-51單片機(jī)組成及結(jié)構(gòu),3,2.1 MCS-51單片

2、機(jī)組成及結(jié)構(gòu),4,2.1.2 MCS-51單片機(jī)的引腳與功能,邏輯符號(hào),2.1 MCS-51單片機(jī)組成及結(jié)構(gòu),引腳分配,5,（1）電源線 5V供電VCC （40）5V GND （20） 地,2.1.2 MCS-51單片機(jī)的引腳與功能,引腳分配,P0,（2）晶體振蕩器信號(hào)輸入輸出XTAL1（18）晶體振蕩器信號(hào)輸入XTAL1（19）晶體振蕩器信號(hào)輸出,（3）輸入/輸出線 P0.0P0.7 P0口P1.0P1.7 P1口P2.0P2.7 P2口P3.0P3.7 P3口,P1,P2,P3,6,（4）控制信號(hào)線 ALE（30）地址鎖存控制信號(hào) （Address Latch Enable）， ALE用于

3、將地址總線的低八位鎖存。該信號(hào)頻率為晶振頻率 的1/6，可作為外部定時(shí)或時(shí)鐘使用。,2.1.2 MCS-51單片機(jī)的引腳與功能,引腳分配,（29）外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)（ Program Store Enable）該信號(hào)為低電平時(shí)，CPU從外部程序存儲(chǔ)器單元讀取指令。,7,（31）內(nèi)外程序存儲(chǔ)器選擇控制 （External Access Enable） 0，CPU對(duì)程序存儲(chǔ)器的操作僅限于單片機(jī)外部程序存儲(chǔ)器。 1， CPU對(duì)程序存儲(chǔ)器的操作從單片機(jī)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器開始，并可延伸到單片機(jī)的外部程序存儲(chǔ)器。,2.1.2 MCS-51單片機(jī)的引腳與功能,（4）控制信號(hào)線（續(xù)）,引腳分配,RESET（

4、9） 復(fù)位信號(hào)。 RESET持續(xù)2個(gè)機(jī)器周期以上的高電平，單片機(jī)復(fù)位。,8,（5）部分引腳的第二功能(復(fù)用，同一個(gè)引腳被雙重定義),2.1.2 MCS-51單片機(jī)的引腳與功能,9,（5）部分引腳的第二功能程序存儲(chǔ)器固化所需的信號(hào) 編程脈沖 ALE/PROG 編程電壓 /VPP 備用電源引入 RESET/VPD: 當(dāng)電源電壓下降到某個(gè)給定下限時(shí)，備用電源由該引腳向單片機(jī)芯片內(nèi)部RAM供電，以保護(hù)內(nèi)部RAM的內(nèi)容不丟失。,2.1.2 MCS-51單片機(jī)的引腳與功能,10,2.1.3 MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu),11,（一） 中央處理器（CPU） CPU由運(yùn)算器和控制器組成，它是單片機(jī)的核心，完成

5、運(yùn)算和控制操作。,2.1.3 MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu),1. 運(yùn)算器組成： 算術(shù)邏輯運(yùn)算器ALU，算術(shù)累加器ACC，寄存器B，暫存器TMP1，暫存器TMP2，布爾累加器Cy等功能：進(jìn)行移位、算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算；MCS-51運(yùn)算器還包含有一個(gè)布爾（位）處理器,用來處理位操作。,12,（1）累加器A（8位） 功能：暫存操作數(shù)及保存運(yùn)算結(jié)果； A是MCS-51單片機(jī)中最繁忙的寄存器； （2）寄存器B（8位） 功能：用于乘法、除法運(yùn)算，對(duì)于其它指令可作為一個(gè)寄存器使用； （3 ）程序狀態(tài)字寄存器PSW（8位） 功能：存放累加器A在運(yùn)算過程標(biāo)志位（P，OV，AC，Cy）的狀態(tài)；指出CPU所使用的當(dāng)前

6、工作寄存器組。,2.1.3 MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu),13,CY,AC,F0,RS0,OV,P,RS1,PSW.7,PSW.0,CY (PSW.7) 進(jìn)位/借位標(biāo)志位。 若ACC在運(yùn)算過程中發(fā)生了進(jìn)位或借位，則CY=1；否則=0。它也是布爾處理器的位累加器，可用于布爾操作。,AC(PSW.6)半進(jìn)位/借位標(biāo)志位。 若ACC在運(yùn)算過程中，D3位向D4位發(fā)生了進(jìn)位或借位，則CY=1,否則=0。機(jī)器在執(zhí)行“DA A”指令時(shí)自動(dòng)要判斷這一位，我們可以暫時(shí)不關(guān)心它。,F0 (PSW.5) 用戶標(biāo)志位。,PSW.6,PSW.5,2.1.3 MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu),PSW,14,2.1.3 MCS

7、-51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu),PSW.7,PSW.0,RS1(PSW.4)、RS0(PSW.3)工作寄存器組選擇位。,RS1，RS0 = 0 1 則選擇了工作寄存器組 1 區(qū)R0R7分別代表08H 0FH單元。,RS1，RS0 = 1 0 則選擇了工作寄存器組 2 區(qū) R0R7分別代表10H 17H單元。,RS1，RS0 = 1 1 則選擇了工作寄存器組 3 區(qū)R0R7分別代表18H 1FH單元。,PSW.4 PSW.3,RS1，RS0 = 0 0 則選擇了工作寄存器組 0 區(qū)R0R7分別代表08H 0FH單元。,PSW,15,CY,AC,F0,RS0,OV,P,RS1,PSW.7,PSW.0,OV

8、 (PSW.2)溢出標(biāo)志位。 OV=1時(shí)特指累加器在進(jìn)行帶符號(hào)數(shù)(-128+127)運(yùn)算時(shí)出錯(cuò)（超出范圍）；OV=0時(shí)未出錯(cuò)。,PSW.1 未定義。,P (PSW.0)奇偶標(biāo)志位。 P=1表示累加器中“1”的個(gè)數(shù)為奇數(shù) P=0表示累加器中“1”的個(gè)數(shù)為偶數(shù) CPU隨時(shí)監(jiān)視著ACC中的“1”的個(gè)數(shù),并反映在PSW中,PSW.2,PSW.1,2.1.3 MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu),PSW,16,（4）布爾處理器Cy 實(shí)現(xiàn)各種位邏輯運(yùn)算和傳送；MCS-51具有一個(gè)位尋址空間。 （5） TMP1和TMP2為8位暫存寄存器 存放參與預(yù)算的操作數(shù)。,2.1.3 MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu),MCS-51

9、僅能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)8位二進(jìn)制數(shù)的算術(shù)邏輯運(yùn)算！,17,2. 控制器組成： 定時(shí)與控制部件，復(fù)位電路，程序計(jì)數(shù)器（PC），指令寄存器、指令譯碼器，數(shù)據(jù)指針（DPTR）,堆棧指針（SP）等作用：產(chǎn)生計(jì)算機(jī)所需的時(shí)序，控制程序自動(dòng)執(zhí)行。,2.1.3 MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu),18,程序計(jì)數(shù)器PC（16位）程序計(jì)數(shù)器PC用來存放即要執(zhí)行的指令地址，共16位，低8位經(jīng)P0 口輸出，高8位經(jīng)P2口輸出。CPU每取一次機(jī)器碼，PC內(nèi)容自動(dòng)加一， CPU執(zhí)行一條指令，PC內(nèi)容自動(dòng)增加該指令的長(zhǎng)度。CPU復(fù)位后，PC內(nèi)容為0000H，它標(biāo)志著程序從頭開始執(zhí)行。 PC的內(nèi)容變化決定程序的流向。指令寄存器（8位） 指

10、令寄存器中存放將要執(zhí)行的指令代碼，通過指令譯碼器，將指令代碼轉(zhuǎn)化為電信號(hào)控制信號(hào)ALE等。,2.1.3 MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu),19,2.1.3 MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu),數(shù)據(jù)指針DPTR（16位） 用于訪問外部RAM或外部I/O口，提供十六位地址。用于程序存儲(chǔ)器的查表和程序散轉(zhuǎn)指令，作為基地址寄存器，提供十六位基地址。,堆棧指針寄存器SP（8位） 用于管理對(duì)棧，指出棧頂位置。 MCS-51單片機(jī)復(fù)位后, (SP)=07H,20,2.1.3 MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu),（二）存儲(chǔ)器 1.內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器單片機(jī)的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器由RAM地址寄存器、地址譯碼器以及128個(gè)單元的RAM構(gòu)成，

11、用于存放可讀寫的數(shù)據(jù)。2. 內(nèi)部程序存儲(chǔ)器 MCS-51系列單片機(jī)（8031除外）的內(nèi)部程序存儲(chǔ)器由程序地址寄存器、地址譯碼器以及4K（4096）個(gè)單元的ROM構(gòu)成，用于存放程序的機(jī)器代碼和常數(shù)。 2 . 特殊功能寄存器（Special Function Register，SFR） MCS-51系列單片機(jī)有21個(gè)可以尋址的特殊功能寄存器，包括單片機(jī)內(nèi)的I/O口、串行口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)等相關(guān)的數(shù)據(jù)寄存器（或緩沖器）以及控制寄存器和狀態(tài)寄存器，用于存放相應(yīng)功能部件的控制命令、狀態(tài)和數(shù)據(jù)。,21,2.1.3 MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu),（三）并行口（Parallel Port） 有4個(gè)并行

12、的I/O口：P0、P1、P2、P3，每根口線都可獨(dú)立地用作輸入或輸出。（四）串行口（Serial Port） 有1個(gè)全雙工的串行口，用于串行通信。串行口由發(fā)送緩沖器SBUF、接收緩沖器SBUF、移位寄存器和串行口控制邏輯等部分組成。（五） 定時(shí)/計(jì)數(shù)器（Timer/Counter） 有2個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0和T1，T0由TH0和TL0構(gòu)成，T1由TH1和TL1構(gòu)成，定時(shí)/計(jì)數(shù)器方式寄存器TMOD選擇定時(shí)/計(jì)數(shù)器的工作模式和方式，定時(shí)/計(jì)數(shù)器控制寄存器TCON控制T0和T1的啟動(dòng)和停止，同時(shí)反映T0和T1的溢出狀態(tài)。（六）中斷系統(tǒng)（Interrupt System） 有5個(gè)中斷源，分別為2

13、個(gè)外部中斷、2個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器溢出產(chǎn)生的中斷、1個(gè)串行口接收/發(fā)送產(chǎn)生的中斷，提供2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)。,22,2.2 MCS51單片機(jī)的存儲(chǔ)器,MCS-51單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開設(shè)置，地址空間相互獨(dú)立。MCS51存儲(chǔ)器地址空間可分為以下5類：（1）程序存儲(chǔ)器，最大空間64K；（2）片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，128個(gè)單元；（3）特殊功能寄存器，共21個(gè)；（4）位尋址空間，211位；（5）外部數(shù)據(jù)寄存器，最大空間64K。這些資源與單片機(jī)應(yīng)用的關(guān)系密切，下面我們介紹上述5類存儲(chǔ)空間的功能。,23,2.2.1 程序存儲(chǔ)器,程序存儲(chǔ)器用來存放程序和常數(shù)，最大尋址空間64K單元。MCS51系列產(chǎn)品按程序存儲(chǔ)器

14、配置類型分為3類：8051芯片含有4k個(gè)單元的ROM；8751芯片含有4k個(gè)單元的EPROM；8031中無程序存儲(chǔ)器，需要擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器。,在實(shí)際應(yīng)用中，用戶既可使用芯片內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器，也可以使用芯片外部的程序存儲(chǔ)器，但最大空間為64k，程序存儲(chǔ)器的地址空間構(gòu)成與引腳的 接法有關(guān)。,24,2.2.1 程序存儲(chǔ)器,（1）芯片內(nèi)部含有程序存儲(chǔ)器的單片機(jī)（ 8051/8751 ）當(dāng) =1（接高電平）時(shí)，8051/8751的程序存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)如圖：,程序存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu),程序存儲(chǔ)器連接電路,25,2.2.1 程序存儲(chǔ)器,（1）芯片內(nèi)部含有程序存儲(chǔ)器的單片機(jī)（8051/8751）當(dāng) =0（接低電平）時(shí)，8051

15、/8751的程序存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)如圖：,程序存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu),程序存儲(chǔ)器連接電路,26,2.2.1 程序存儲(chǔ)器,（1）芯片內(nèi)部不含有程序存儲(chǔ)器的單片機(jī)（ 8031 ） 必須接地，8031的程序存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)如圖：,程序存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu),不論哪一種MCS-51單片機(jī)，如果 接地，其內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器將被CPU忽略。,27,2.2.1 程序存儲(chǔ)器,在單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器中，有5個(gè)特殊的單元地址被定義為中斷入口地址，分別為：外部中斷入口地址0003H，外部中斷入口地址0013H，定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0入口地址000BH，定時(shí)/計(jì)數(shù)器T1入口地址001BH，串行口中斷入口地址0023H。,中斷入口地址映射,28,2.2.2 片內(nèi)數(shù)據(jù)

16、存儲(chǔ)器,MCS-51單片機(jī)的片內(nèi)RAM按照功能可分為3個(gè)區(qū)域：001FH：32個(gè)單元為工作寄存器區(qū)202FH：16個(gè)單元為位尋址區(qū)307FH：80個(gè)單元為數(shù)據(jù)緩沖區(qū),片內(nèi)RAM分區(qū)示意圖,29,（一）工作寄存器區(qū)（Register Bank）（00-1FH）,工作寄存器組分區(qū),工作寄存器區(qū)也稱為通用寄存器區(qū)。工作寄存器區(qū)包含4個(gè)工作寄存器組，每個(gè)工作寄存器組中包含8個(gè)工作寄存器R0R7： BANK0（0007H） BANK1（080FH） BANK2（1017H） BANK3（181FH）,2.2.2 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,30,表工作寄存器組的工作寄存器R0R7與內(nèi)RAM單元的對(duì)應(yīng)關(guān)系,2.2.2 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,31,2.2.2 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,（二）位尋址區(qū)（Bit Addressable Area）（202FH） MCS-51單片機(jī)的片內(nèi)RAM中， 202FH單元被開辟為位尋址區(qū)；這些單元的每一位都具有一個(gè)自己的位地址，共168128位。位尋址區(qū)位地址范圍為007FH，CPU可以對(duì)每一位直接操作。,32,2.2.2 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,內(nèi)部RAM中202FH的位地址映射,33,202F單