2 MCS-51系列单片机的结构和原理(精简)

第2章MCS-51系列单片机的结构和原理第2章MCS-51系列单片机的结构和原理MCS-51系列单片机的内部结构CPU的基本逻辑结构存储空间配置和功能引脚功能I/O端口结构及工作原理时序小结内容导航第2章MCS-51系列单片机的结构和原理AT89C51单片机实物图第2章MCS-51系列单片机的结构和原理§2-1内部结构第2章MCS-51系列单片机的结构和原理第2章MCS-51系列单片机的结构和原理§2-2CPU结构CPU可以分为运算器和控制器两部分。运算器功能部件包括算术逻辑部件(ALU)、累加器(ACC)、暂存寄存器。控制功能部件包括程序计数器(PC)、程序状态字寄存器(PSW)、堆栈指针(SP)、数据指针寄存器(DPTR)以及指令寄存器(IR)、指令译码器(ID)、布尔运算处理器、定时控制逻辑电路等。ALU在定时控制逻辑电路发出的内部控制信号控制下，可以进行算术/逻辑运算以及位处理操作。ACC、PSW、SP、DPTR等寄存器占用内部RAM单元。第2章MCS-51系列单片机的结构和原理1、程序状态字寄存器PSW也称为标志寄存器，存放各有关标志。其结构和定义如下：①Cy—进位标志/位累加器。用于表示加减运算时有否向更高位进位/借位，在位操作中用作累加位。•②RS1、RS0—工作寄存器区选择控制位。•RS1、RS0=00——0区（00H～07H）•RS1、RS0=01——1区（08H～0FH）•RS1、RS0=10——2区（10H～17H）•RS1、RS0=11——3区（18H～1FH）第2章MCS-51系列单片机的结构和原理2、数据指针DPTR3、堆栈指针SP专用于指出堆栈顶部数据的地址。堆栈中数据存取按先进后出、后进先出的原则。堆栈操作分自动方式和指令方式。自动方式是在调用子程序或发生中断时CPU自动将断口地址存人或者取出,指令方式是使用进出栈指令进行操作。16位，由两个8位寄存器DPH、DPL组成。主要用于存放一个16位地址，作为访问外部存储器（外RAM和ROM）的地址指针。第2章MCS-51系列单片机的结构和原理4、程序计数器PC※PC不属于特殊功能寄存器，不可访问，PC不占据RAM单元，在物理结构上是独立的。※PC是一个16位的地址寄存器，用于存放将要从ROM中读出的下一字节指令码的地址，因此也称为地址指针。返回为什么PC和DPTR是16位的，而SP是8位的？第2章MCS-51系列单片机的结构和原理§2-3存储空间配置和功能MCS-51单片机的存储器配置方式与其他常用的微机系统不同，属哈佛结构(注意:什么是哈佛结构?)，哈佛结构将程序存储器和数据存储器分开，各有自己的寻址系统、控制信号和功能。程序存储器用于存放程序和表格常数；数据存储器用于存放程序运行数据和结果。80C51的存储器组织结构可以分为三个不同的存储空间，分别是：⑴64KB程序存储器(ROM),包括片内ROM和片外ROM；⑶256B内部随机存取存储器(内RAM，包括特殊功能寄存器)。⑵64KB外部数据存储器（外RAM）；第2章MCS-51系列单片机的结构和原理MCS-51系列单片机配置一览表系列片内存储器（字节）定时器计数器并行I/O串行I/O中断源片内ROM片内RAM无有ROM有EPROMIntelMCS-51子系列803180C31805180C51(4K字节)875187C51(4K字节)128字节2x164x8位15IntelMCS-52子系列803280C32805280C52(8K字节)875287C52(8K字节)256字节3x164x8位16ATMEL89C系列(常用型)89C51(4K)/89C52(8K)128/2562/33215/6第2章MCS-51系列单片机的结构和原理图2-280C51存储空间配置图RAM、ROM区分，内外部区分。51系列单片机的地址？给每个存储单元（房间）编号第2章MCS-51系列单片机的结构和原理数的表示方法二进制、十进制、十六进制第2章MCS-51系列单片机的结构和原理MCS-51器件有单独的程序存储器和数据存储器。外部程序存储器和数据存储器都可以64K寻址。程序存储器：如果EA引脚接地，程序读取只从外部存储器开始。对于89C51，如果EA接VCC，程序读写先从内部存储器（地址为0000H～0FFFH）开始，接着从外部寻址，寻址地址为：1000H~FFFFH。对于89C52，数据存储器：AT89C51有256字节片内RAM，其中128字节片内数据存储器（地址为00H～7FH），另外128字节片内RAM用作特殊功能寄存器（SFR，地址为80H～FFH）。第2章MCS-51系列单片机的结构和原理2.3.1程序存储器（ROM）如果EA引脚接地，程序读取只从外部存储器开始。如果EA接VCC，对于89C51，程序读写先从内部存储器（地址为0000H～0FFFH）开始，接着从外部寻址，寻址地址为：1000H~FFFFH；对于89C52，程序读写先从内部存储器（地址为0000H～1FFFH）开始，接着从外部寻址，寻址地址为：2000H~FFFFH。地址范围：0000H～FFFFH共64KB。读写ROM用MOVC指令。第2章MCS-51系列单片机的结构和原理2.3.2内部数据存储器（内RAM）从广义上讲，80C51内RAM（128B）和特殊功能寄存器（128B）均属于片内RAM空间，但为加以区别，内RAM通常指00H～7FH的低128B空间。读写指令均用MOV指令。第2章MCS-51系列单片机的结构和原理80C51内RAM（128B）又可分成三个物理空间：工作寄存器区、位寻址区和数据缓冲区。地址区域功能名称00H～1FH00H～07H工作寄存器0区08H～0FH工作寄存器1区10H～17H工作寄存器2区18H～1FH工作寄存器3区20H～2FH位寻址区30H～7FH数据缓冲区第2章MCS-51系列单片机的结构和原理⒈工作寄存器区作用：工作寄存器区分为4个区：0区、1区、2区、3区。每区有8个寄存器：R0～R7，寄存器名称相同。但是，当前工作的寄存器区只能有一个，由PSW中的D4、D3位决定。工作寄存器读写速度比一般的片内RAM要快，指令字节比一般直接寻址指令要短，还具有间接寻址功能，能给编程和应用带来方便。第2章MCS-51系列单片机的结构和原理⒉位寻址区⑴地址:从20H～2FH共16字节（Byte，缩写为英文大写字母B）。每B有8位（bit，缩写为小写b），共128位，每一位均有一个位地址，可位寻址、位操作。即按位地址对该位进行操作。⑵用途：存放各种标志位信息和位数据。⑶注意事项:位地址与字节地址编址相同，容易混淆。区分方法:位操作指令中的地址是位地址;字节操作指令中的地址是字节地址。第2章MCS-51系列单片机的结构和原理位寻址区的位地址映象表字节地址位地址D7D6D5D4D3D2D1D02FH7FH7EH7DH7CH7BH7AH79H78H2EH77H76H75H74H73H72H71H70H2DH6FH6EH6DH6CH6BH6AH69H68H2CH67H66H65H64H63H62H61H60H2BH5FH5EH5DH5CH5BH5AH59H58H2AH57H56H55H54H53H52H51H50H29H4FH4EH4DH4CH4BH4AH49H48H28H47H46H45H44H43H42H41H40H27H3FH3EH3DH3CH3BH3AH39H38H26H37H36H35H34H33H32H31H30H25H2FH2EH2DH2CH2BH2AH29H28H24H27H26H25H24H23H22H21H20H23H1FH1EH1DH1CH1BH1AH19H18H22H17H16H15H14H13H12H11H10H21H0FH0EH0DH0CH0BH0AH09H08H20H07H06H05H04H03H02H01H00H第2章MCS-51系列单片机的结构和原理⒊数据缓冲区内RAM中30H～7FH为数据缓冲区，用于存放各种数据和中间运算结果，起到数据缓冲的作用。数据缓冲区一般作为堆栈使用，此时遵守“后进先出”或“先进后出”的数据处理规则。返回第2章MCS-51系列单片机的结构和原理2.3.3特殊功能寄存器（SFR）特殊功能寄存器地址映象表（一）第2章MCS-51系列单片机的结构和原理特殊功能寄存器地址映象表（二）第2章MCS-51系列单片机的结构和原理特殊功能寄存器地址映象表（三）注：带括号的字节地址表示每位有位地址可位操作。80C51单片机共有21个特殊功能寄存器SFR，可位寻址的SFR有11个。表2-3中，字节地址能被8整除的SFR可位寻址，此时SFR的字节地址是位地址的起始地址。第2章MCS-51系列单片机的结构和原理2.3.4外部数据存储器（外RAM）地址范围：0000H～FFFFH共64KB。读写外RAM用MOVX指令。一般情况下，只有在内RAM不能满足应用要求时，才外接RAM。返回第2章MCS-51系列单片机的结构和原理图2-3MCS-51单片机管脚图及引脚功能分类P0P2ALEPSENEARSTVCCGNDP1P3X2X1IO口线控制线电源时钟IO口线§2-3引脚功能第2章MCS-51系列单片机的结构和原理40个引脚双排直插DIP封装,大致可分为4类：电源、时钟、控制和I/O引脚。⒈电源:⑴VCC–40，芯片电源，接+5V/3.3V/2.7V；⑵VSS-20，接地端；第2章MCS-51系列单片机的结构和原理15～45pf0～24MHz（Atmel-89C）XTAL2XTAL1也可以由XTAL2端接入外部时钟，此时应将XTAL1接地：XTAL1XTAL2外部时钟通常外接一个晶振两个电容⒉时钟:XTAL1、XTAL2-晶体振荡电路反相输入端和输出端。图2-4时钟端口第2章MCS-51系列单片机的结构和原理⒊控制引脚⑴RST:9，复位。Reset功能：复位信号输入端,对单片机实现复位操作。复位条件：RST引脚保持2个机器周期以上的高电平。第2章MCS-51系列单片机的结构和原理图2-5MCS-51单片机的复位电路上电复位电路。RC构成微分电路，在上电瞬间，产生一个微分脉冲，其宽度若大于2个机器周期，80C51将复位。为保证微分脉冲宽度足够大，RC时间常数应大于两个机器周期。按键复位电路。按下复位按键，系统复位。复位电路第2章MCS-51系列单片机的结构和原理复位后重要寄存器的状态•PC：0000HTMOD：00H•Acc：00HTCON：00H•B：00HTH0：00H•PSW：00HTL0：00H•SP：07H？TH1：00H•DPTR：0000HTL1：00H•P0～P3：FFH？SCON：00H•IP：×××00000BSBUF：不定•IE：0××00000BPCON：0×××0000B返回第2章MCS-51系列单片机的结构和原理(2)EA/Vpp:31，内外ROM选择/片内EPROM编程电源。①EA功能：内外ROM选择端。80C51单片机ROM寻址范围为64KB，其中4KB在片内，60KB在片外(80C31芯片无内ROM，全部在片外)。当EA保持高电平时，先访问内ROM，但当PC(程序计数器)值超过4KB(0FFFH)时，将自动转向执行外ROM中的程序。当EA保持低电平时，则只访问外ROM，不管芯片内是否有ROM。对80C31芯片，片内无ROM，因此EA必须接地。②Vpp功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。第2章MCS-51系列单片机的结构和原理(3)ALE/PROG:地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲①ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址;②PROG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。第2章MCS-51系列单片机的结构和原理(4)PSEN:外ROM读选通信号。PSEN：寻址外部程序存储器时选通外部EPROM的读控制端（OE）,低有效。图2-6外部ROM选通示意图单片