MCS 51 单片机结构及原理[讲稿]

2.2MCS-51单片机微处理器2.3MCS-51单片机存储器组织2.4MCS-51单片机并联I/O及应用2.1MCS-51单片机总体概括第二章MCS-51单片机组成结构下页⑴8位CPU⑵片内128B*3RAM⑶片内8KBROM/EPROM（8031无）⑷特殊功能寄存器区SFR⑸2个优先级的5个中断源结构⑹4个8位并行口：P0、P1、P2、P3一、MCS-52单片机的主要上页下页回目录功能特点⑺3个16位定时器/计数器T/C⑻1个全双工串行口UART⑼布尔处理机——位处理机(10)64KB外部RAM地址空间(11)64KB外部ROM地址空间(12)片内时钟电路及振荡器(13)指令系统(111条)上页下页回目录通用异步收发器半双工——即可接受又可发送，但不同时单工——只接收或只发送可同时接收或发送16条地址线区别：8051/8751单片机中含有ROM/EPROM，而8031中没有，使用时需外接一片EPROM型号ROMEPROMRAMT/CI/OINT803280528KB87528KB256B256B256B333并串444111666二、MCS-51系列单片机的差异51子系列（基本型）上页下页回目录型号ROMEPROMRAMT/CI/OINT803180514KB87514KB128B128B128B222并串44411155580318051基本型803152子系列MCS-51单片机内部结构分析上页下页回目录RAMP0口串行口定时器计数器特殊功能寄存器（SFR）中断系统微处理器ALU控制逻辑P2口P1口P3口ROM/EPROMCPU内部总线VccVssXTAL1XTAL2PSENEAALERESETP2.0~P2.7P0.0~P0.788P1.0~P1.78P3.0~P3.788051/8751面向用户的结构8031共40条引线用户的内特性用户外特性图2-1MCS-51功能框图逻辑结构框图1、中央处理器2、存储器3、I/O口MCS-51单片机有4个8位并行口，1个全双工串行口UART，2个16位的T/C。由运算器和控制逻辑组成。主要功能是产生各种控制信号，控制存储器、I/O端口的数据传送、数据运算、及位处理等操作等。采用SFR集中控制程序存储器ROM/EPROM(8031中没有，需外接)，存放程序和编好的表格及常数等。数据存储器RAM：存放中间结果、数据暂存、缓冲、及存放标志位等。上页下页回目录8051/875140引脚，双列直插式结构上页下页回目录RST/VPDP3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7P3.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7P1.0P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0P2.7P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P0.0RXDTXDINT0INT1T0WRRDT1XTAL1XTAL2VssVccEA/VPPALE/PROGPSEN80318051875140393837363534333231302928272625242322211234567891011121314151617181920MCS-51单片机的引脚功能用户外特性一、51单片机的管脚功能1、按功能分类I/O口线P0、P1、P2、P3共32条电源Vcc、Vss共2条时钟XTAL1、XTAL2共2条上页下页回目录控制口线PSEN、ALE、EA/VPP、RESET共4条2、管脚的功能（1）电源与时钟Vcc：接+5V电源端Vss：接地端XTAL1：片内振荡电路输入端XTAL2：片内振荡电路输出端内时钟方式：在XTAL1、XTAL2上外接定时元件，使其形成自激振荡器。时钟电路：内时钟方式外时钟方式上页下页回目录定时元件采用由石英晶体和电容组成并联谐振电路。晶体和电容尽可能靠近单片机芯片。单片机XTAL1XTAL21918C1C2电容通常选择为30PF左右振荡频率1.2MHz~24MHz晶振内时钟方式电路图上页下页回目录单片机XTAL1XTAL2外时钟方式：XTAL1接地，XTAL2接外部振荡器外时钟方式电路图外部振荡源+5V1918上拉电阻频率低于12MHz上页下页回目录OC门几个概念：振荡周期：Tc=晶振频率fosc（或外加频率）的倒数时钟周期：2个振荡周期状态周期：Ts=1个时钟周期机器周期：Tm=6个状态周期(Ts)=12个振荡周期(Tc)指令周期:Ti:执行一条指令所需的机器周期(Tm)数牢牢记住：振荡周期=晶振频率fosc的倒数；1个机器周期=12个振荡周期；1个指令周期=1、2、4个机器周期复位信号：高电平复位CPU，低电平CPU工作EA/VPPALEPSEN名称功能片外取指信号（片外程序存储器读）输出端低电平有效。通过P0口读回指令或常数。控制的是片外程序存储器RESET⑵控制信号地址锁存信号。ALE低电平时，P0口出现数据信息；ALE高电平时，P0口出现地址信息。程序存储器选择信号上页下页回目录EA=0时，选外部ROM；1，地址小于8k时，选内部ROM地址大于8k时，选外部ROMP0口是数据/地址复用口用下降沿锁存P0口的低8位地址到外部锁存器复位电路手动复位上电自动复位高电平要保持10ms以上RESET高电平有效上页下页回目录+5V10uF10KVccRSTGND上电复位10uF10KVccRSTGND手动&上电复位1K+5V寄存器内容寄存器内容表2-2复位后内部寄存器状态PC0000HACC00HB00HPSW00HSP07HDPTR0000HP0~P30FFHIP×××00000BIE0××00000BTMOD00HTCON00HTH000HTL000HTH100HTL100HSCON00HSBUF不定PCON0××000B上页下页回目录P1口：准双向口读锁存器写锁存器内部总线读引脚DCLQQP1.x锁存器TP1.x引脚Vcc内部上拉电阻010101输出输入上页下页回目录“读引脚”P1口位结构作通用I/O口输出时：将“1”写入锁存器输出高电平将“0”写入锁存器Q＝1，T导通输出低电平作通用I/O口输入时：口锁存器必须写“1”先将“1”写入锁存器，使T截止，口线上的数据取决于外部输入Q＝0，T截止P1口的驱动能力：驱动4个TTL门上页下页回目录内部总线为引脚为“高电平”“低电平”“1”“0”“读”准双向口⑶I/O口P0口：双向复用口地址/数据控制读锁存器写锁存器DCLQQP0.x锁存器T0T1MUXP0.x引脚内部总线读引脚P0口位结构Vcc11001“读”01100P0口作地址/数据复用总线上页下页回目录D0~D7A0~A7P0口作地址/数据复用总线从P0口输出数据或地址信息的过程：控制端高电平MUX接反相器输出端输出级T1连接与门开锁信号驱动T0驱动电路接通P0口输出数据/地址信息从P0口输入数据信息：引脚信号从输入三态缓冲器进入内部总线上页下页回目录“读”P0口：作通用I/O口使用地址/数据控制读锁存器写锁存器DCLQQP0.x锁存器T0T1MUXP0.x引脚内部总线读引脚P0口位结构Vcc外接上拉电阻0100写读－修改－写功能上页下页回目录1ANLP0，A（P0）&(A)P0“读”Vcc控制端低电平与门输出低电平T0截止输出漏级开路外接上拉电阻MUX接锁存器Q端P0口作通用I/O口使用输出时：P0口作通用I/O口使用输入时：先将锁存器写“1”T0、T1截止读引脚信号P0～P3口线上的“读－修改－写”是通过上面一个三态门实现的。P0的驱动能力:驱动8个TTL门上页下页回目录锁存器Q与T1连接P0口作通用I/O口端口操作：51单片机的4个8位的I/O口P0.0—P0.7:8位数据口和输出低8位地址复用口(复用时是双向口；不复用时也是准双向口)P1.0—P1.7:通用I/O口（准双向口）P2.0—P2.7:输出高8位地址（用于寻址时是输出口；不寻址时是准双向口）P3.0—P3.7:具有特定的第二功能（准双向口）注意：在不外扩ROM/RAM时，P0～P3均可作通用I/O口使用，而且都是准双向I/O口(例如:AT89C51)！小结ALEP3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7P3.0EAPSENRST803180518751VccVssP1口P2口P0口373GE+5VA0~A7A8~A15D0~D7I/OXTAL1XTAL2RXDTXDINT0INT1T0T1WRRD控制总线CB二、51单片机的三总线结构数据总线DB地址总线AB利用三条总线,可方便地进行系统扩展晶振1.2~12MHZ上页下页回目录8031地址总线AB（A0~A15）宽16位片外寻址64KBP0.0~P0.7ALE锁存到锁存器373A0~A7P2.0~P2.7A8~A15数据总线DB（D0~D7）宽8位双向、三态P0.0~P0.7D0~D7控制总线CB宽12位P3口的第二功能状态加上控制线PSENEAALERESET上页下页回目录§2.3MCS-51的存储器组织存储器数据存储器程序存储器对单片机来讲，ROM和RAM的寻址机构和寻址方式是分开的。上页下页回目录ROM、EPROME2ROM或FLASHRAM单片机常驻普林斯顿结构哈佛结构普林斯顿结构区别：8051/8751单片机中含有ROM/EPROM，而8031中没有，使用时需外接一片EPROM型号ROMEPROMRAMT/CI/OINT803280528KB87528KB256B256B256B333并串444111666MCS-51系列单片机的存储器差异51子系列（基本型）上页下页回目录型号ROMEPROMRAMT/CI/OINT803180514KB87514KB128B128B128B222并串444111555基本型52子系列从物理上分，MCS-51分为4个存储空间·片内程序存储器ROM·片内数据存储器RAM·片外程序存储器ROM·片外数据存储器RAM（I/O）从逻辑上分，MCS-51分为3个逻辑空间·片内、外统一编址的程序存储器地址空间·256B或384B片内数据存储器地址空间·64KB片外数据存储器或I/O地址空间上页下页回目录片内固有需要扩展需要扩展PC从功能上分，MCS-51分为5个地址空间·程序存储器ROM·片内数据存储器RAM·特殊功能寄存器区SFR·位寻址区·外部扩展的数据存储器RAM（I/O）区上页下页回目录一、程序存储器8051/8751内部有4KBROM/EPROM地址：0000H~0FFFH8051/8751外部的ROM/EPROM地址：1000H~FFFFH8031/8032内部没有ROM/EPROM需要片外扩展，使用时接成低电平EA地址：0000H~FFFFH上页下页回目录52子系列内部有8KBROM/EPROM地址：0000H~1FFFH52：2000H~FFFFH接地上页下页回目录EA=1内部外部EA=00000H1FFFH1FFFH0000H2000H外部FFFFH8052803151系列程序存储器配置图4KB接地EA=1内部外部EA=00000H1FFFH1FFFH0000H2000H外部FFFFH8052/875252系列程序存储器配置图接地8KB上页下页回目录二、内部数据存储器RAM地址:00H~FFH内部数据存储器从物理上分为几个不同的块：MCS-51128BRAM（地址00H~7FH）128BSFR（地址80H~FFH）MCS-52128BRAM（地址00H~7FH）128BSFR(地址80H~FFH）上页下页回目录256B384B间接寻址直接寻址128BRAM（地址80H~FFH）间接直接皆可SFR特殊功能寄存器FFH80H上页下页回目录内部RAMSFR特殊功能寄存器7FH00HFFH80H7FH00HFFH80HMCS-51内部RAM配置52系列内部RAM配置直接寻址内部数据存储器配置图地址重叠256B384B内部RAM内部RAM间接寻址仅52系列有1、内部RAM区（MCS-51）MCS-51内部RAM只有128B内部RAM区分为三部分地址：00