第2章-MCS-51单片机指令系统单片机硬件结构和原理

第2章单片机的硬件结构和原理本章内容2.1MCS-51单片机的内部结构2.2MCS-51单片机的引脚及功能2.3CPU2.4存储器2.5时钟电路与指令的时序2.6单片机的复位方式及电路2.7I/O端口电路与电气特性2.8单片机的低功耗工作方式2.9单片机的最小系统2.1MCS-51单片机的内部结构P0口驱动器P2口驱动器P1口驱动器P3口驱动器RAM地址寄存器RAMP0口锁存器P2口锁存器ROM堆栈指针地址锁存器缓冲器PC增量器程序计数器数据指针寄存器BTMP2TMP1ACCPSWALU定时和控制指令寄存器OSCP1口寄存器P3口寄存器P1.0-P1.7P3.0-P3.7P0.0-P0.7P2.0-P2.7VccGNDPSENALE/PROGEA/VppRSTSCONTMODTMODPCONTH0TL0TH1TL1SBUF(TX)SBUF(RX)IPIE中断、串行口和定时器模块8051单片机内部总体结构MCS-51单片机内部的基本结构框图TXD中断控制CPU(8位)时钟ROM(4KB)片外地址总线扩展控制器(64KB)RAM(128B)定时器/计数器T0和T1串行口I/O接口P0P1P2P3RXD中断输入MCS-51硬件基本配置8位CPU，片内振荡器4KB/8KB字节程序存储器ROM128B/256B字节数据存储器RAM2/3个16位定时器/计数器32个可编程的I/O线（四个8位并行I/O端口）一个可编程全双工串行口5/6个中断源，两个中断优先级可寻址64KB外部数据存储器空间、64KB外部程序存储器空间的控制电路有位寻址功能，适于布尔处理机的位处理机核内=片内2.2MCS-51单片机的引脚及功能12345678910111213141516171819204039383736353433323130292827262524232221P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/VPDP3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RDXTAL2XTAL1VSSVCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VPPALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0AT89C51标准的40脚DIP封装1.电源2个2.外接晶体振荡器2个3.I/O引脚32个4.控制信号引脚4个2.2.1主电源引脚12345678910111213141516171819204039383736353433323130292827262524232221P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/VPDP3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RDXTAL2XTAL1VSSVCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VPPALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0AT89C51Vcc：接＋5V电源（低功耗的为+3.3V/2.7V）Vss：接地端2.2.2外接晶体振荡器引脚XTAL1：芯片内部振荡电路输入端XTAL2：芯片内部振荡电路输出端振荡频率为晶振频率（1.2～12MHz），另外需两个30pF左右的电容以微调频率12345678910111213141516171819204039383736353433323130292827262524232221P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/VPDP3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RDXTAL2XTAL1VSSVCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VPPALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0AT89C512.2.3I/O引脚P0口作普通I/O8位准双向I/O输入时，先写“1”扩展片外RAM或ROM标准的双向I/O接口分时复用，作低8位地址线和8位双向数据总线12345678910111213141516171819204039383736353433323130292827262524232221P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/VPDP3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RDXTAL2XTAL1VSSVCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VPPALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0AT89C51MCS-51可寻址64KB外部数据存储器空间64KB外部程序存储器空间P2口作普通I/O8位准双向I/O接口输入时，先写“1”扩展片外RAM或ROM作高8位地址线12345678910111213141516171819204039383736353433323130292827262524232221P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/VPDP3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RDXTAL2XTAL1VSSVCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VPPALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0AT89C51MCS-51可寻址64KB外部数据存储器空间64KB外部程序存储器空间P3口8位准双向I/O接口输入时，先写“1”每个引脚有第二功能（多使用第二功能）12345678910111213141516171819204039383736353433323130292827262524232221P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/VPDP3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RDXTAL2XTAL1VSSVCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VPPALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0AT89C51MCS-51配有2/3个16位定时器/计数器一个可编程全双工串行口5/6个中断源，两个中断优先级P1口仅用作I/O8位准双向I/O接口输入时，先写“1”12345678910111213141516171819204039383736353433323130292827262524232221P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/VPDP3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RDXTAL2XTAL1VSSVCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VPPALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0AT89C512.2.4.控制信号引脚4个ALE：地址锁存允许信号端/PSEN:外部程序存储器读选通信号端；EA/VPP：程序存储器选择信号端和编程电源输入端；EA=0:只访问片外程序存储器；EA=1:先访问片内程序存储器再片外;RST/VPD：复位信号端和后备电源输入端。12345678910111213141516171819204039383736353433323130292827262524232221P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/VPDP3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RDXTAL2XTAL1VSSVCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VPPALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0AT89C51引脚总图——三总线锁存器GP270P070ALEP170P370P1：通用I/O接口P3：通用I/O接口或第二功能A15A8A7A0D7D0地址总线AB数据总线DBRST复位EAXTAL1晶振XTAL2Vcc电源GND片外程序存储器选择PSEN片外程序存储器读选通控制总线CB805187518031MCS-51的总线数据总线(8位)P0地址总线(16位)A0～A7：P0（经地址锁存器）A8～A15：P2外部存储单元直接寻址范围：控制总线P3口的第二功能状态4根独立控制线RST、ALE、/EA和/PSEN64KB(216B)P0（经地址锁存器）P2[例]80C31对片外ROM的扩展OE27256A7::A0CED0～D774LS373OEGALED7::D0::Q0PSENEAP2.0~P2.6P0A8~A1480C31Q7扩展16K字节的EPROM的方法[例]80C31对片外RAM的扩展OE62256A7::A0A8~A14D0～D774LS373OEGALE80C31D7::D0Q7::Q0RDEAP2.0~P2.6P0WEWRP2.7CE数据存储器的基本扩展电路2.3CPU核心部件（8位数据宽度）控制、指挥和调度、运算和控制输入输出组成运算器ALU、累加器A、寄存器B、暂存器、PSW等控制器PC、IR、ID、DPTR、SP、RAM地址寄存器、时钟发生器、定时控制逻辑等位处理器（布尔处理器）每次处理一位数据2.4存储器存储器空间存放……程序、数据存储器空间分类根据作用分类程序存储器ROM、数据存储器RAM根据位置分类片内存储器、片外存储器核内=片内核外=片外存储器编址方法2种冯.诺依曼结构程序存储器和数据存储器统一编址哈佛结构程序存储器和数据存储器分别编址MCS-51系列单片机程序存储器(ROM)和数据存储器(RAM)寻址空间相互独立，物理结构不相同数据存储器：片外、片内PC机资源配置子系列片内ROM形式片内ROM容量片内RAM容量无ROMEPROMFPEROM51子系列8031805187514KB128B80C3180C5187C5189C514KB128B52子系列8032805287528KB256B80C3280C5287C5289C528KB256B0000H~0FFFH0000H~1FFFH00～7FH00～FFH片外ROM扩展最多64K片外ROM根据EA引脚状态地址：0000H～0FFFFH或者1000H（2000H）～FFFFH片外RAM扩展地址：0000H～0FFFFH程序存储器配置图0000H0FFFH1000HFFFFHEA=1内部EA=0外部PSEN0000HFFFFHROM0003H000BH0013H001BH0023H复位入口INT0中断入口T0中断入口INT1中断入口T1中断入口串口中断入口ROMPSEN数据存储器配置图工作寄存器区位寻址区通用RAM区1FH30H7FH32个字节16个字节80个字节80HFFHSFR区直接寻址访问间接寻址访问52子系列附加RAM区外部RAM（或I/O）64K0000HFFFFHRDWR00H直接&间接寻址区分存储器空间的方法指令使用MOV、MOVX、MOVC三个不同的指令控制引脚片外ROM：控制