第2讲MCS-51单片机的结构和原理

单片机技术第2讲MCS-51单片机的结构和原理第2讲MCS-51单片机的结构和原理单片机技术第2讲MCS-51单片机的结构和原理2.3MCS-51存储器配置哈佛（Har-vard）结构存储器空间可划分为3类：1.程序存储器空间8031无内部程序存储器。2.内部数据存储器空间3.外部数据寄存器空间:片外可扩展64K字节RAM。单片机技术第2讲MCS-51单片机的结构和原理2.3.1程序存储器存放应用程序和表格之类的固定常数。分为片内和片外两部分，由EA引脚上所接的电平确定。程序存储器中的0000H地址是系统程序的启动地址5个单元具有特殊用途表2-15种中断源的中断入口地址外中断00003H定时器T0000BH外中断10013H定时器T1001BH串行口0023H单片机技术第2讲MCS-51单片机的结构和原理2.3.2内部数据存储器可供用户支配的RAM为128个字节，字节地址为00H～7FH。单片机技术第2讲MCS-51单片机的结构和原理00H～1FH：32个单元，是4组通用工作寄存器区20H～2FH：16个单元，可进行128位的位寻址30H～7FH：用户RAM区，只能进行字节寻址，用作数据缓冲区以及堆栈区。2.3.3特殊功能寄存器（SFR）CPU对各种功能部件的控制采用特殊功能寄存器集中控制方式，共21个。其中有11个SFR可进行位寻址。表2-2(P21)是SFR的名称及其分布。其字节地址的末位是0H或8H。下面介绍SFR块中的某些寄存器。单片机技术第2讲MCS-51单片机的结构和原理表2-1内部RAM的可寻址位及位地址位地址字节地址D7D6D5D4D3D2D1D02FH7FH7EH7DH7CH7BH7AH79H78H2EH77H76H75H74H73H72H71H70H2DH6FH6EH6DH6CH6BH6AH69H68H2CH67H66H65H64H63H62H61H60H2BH5FH5EH5DH5CH5BH5AH59H58H2AH57H56H55H54H53H52H51H50H29H4FH4EH4DH4CH4BH4AH49H48H28H47H46H45H44H43H42H41H40H27H3FH3EH3DH3CH3BH3AH39H38H26H37H36H35H34H33H32H31H30H25H2FH2EH2DH2CH2BH2AH29H28H24H27H26H25H24H23H22H21H20H23H1FH1EH1DH1CH1BH1AH19H18H22H17H16H15H14H13H12H11H10H21H0FH0EH0DH0CH0BH0AH09H09H20H07H06H05H04H3H02H01H00H单片机技术第2讲MCS-51单片机的结构和原理表2-2SFR的名称及其分布单片机技术第2讲MCS-51单片机的结构和原理表2-3SFR中的位地址分布单片机技术第2讲MCS-51单片机的结构和原理1.累加器A2.寄存器B3.程序状态寄存器PSW表2-4PSW的位地址及位定义PSW位PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0位地址D7HD6HD5HD4HD3HD2HD1HD0H位内容CYACF0RS1RS0OV－P4.堆栈指针SP5.数据指针DPTR6.I/O端口P0～P3单片机技术第2讲MCS-51单片机的结构和原理2.3.5外部数据存储器最多可外扩64K字节的RAM或I/O。使用各类存储器，注意几点：(1)地址的重叠性程序存储器（ROM）与数据存储器（RAM）全部64K字节地址空间重叠。程序存储器（ROM）与数据存储器（RAM）在使用上是严格区分的。(2)位地址空间共有两个区域。(3)片外数据存储区中，RAM与I/O端口统一编址。所有外围I/O端口的地址均占用RAM单元地址，使用与访问外部数据存储器相同的传送指令。图2-6为各类存储器在存储器空间的位置的总结。单片机技术第2讲MCS-51单片机的结构和原理单片机技术第2讲MCS-51单片机的结构和原理2.4CPU时序时钟电路用于产生MCS-51单片机工作所必需的时钟控制信号。2.4.1片内振荡器及时钟信号产生时钟频率直接影响单片机的速度，电路的质量直接影响系统的稳定性。常用的时钟电路有两种方式：内部时钟方式和外部时钟方式。一、内部时钟方式内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，反相放大器的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。单片机技术第2讲MCS-51单片机的结构和原理C1和C2典型值通常选择为30pF左右。晶体的振荡频率在1.2MHz～12MHz之间。某些高速单片机芯片的时钟频率已达40MHz。二、外部时钟方式常用于多片MCS-51单片机同时工作。单片机技术第2讲MCS-51单片机的结构和原理2.4.2机器周期、指令周期与指令时序单片机执行的指令的各种时序均与时钟周期有关一、时钟周期单片机的基本时间单位。为震荡周期的2倍，若时钟的晶体的振荡频率为fosc，则时钟周期Tosc=2/fosc。如fosc=6MHz，Tosc=333.3ns。二、机器周期CPU完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期。执行一条指令分为1-4个机器周期。每个机器周期完成一个基本操作。MCS-51单片机每12个振荡周期为一个机器周期，一个机器周期又分为6个状态：S1～S6。每个状态又分为两拍：P1和P2。因此，一个机器周期中的12个时钟周期表示为：S1P1、S1P2、S2P1、S2P2、…、S6P2。单片机技术第2讲MCS-51单片机的结构和原理单片机技术第2讲MCS-51单片机的结构和原理三、指令周期执行任何一条指令时，都可分为取指令阶段和指令执行阶段。取指令阶段，PC中地址送到程序存储器，并从中取出需要执行指令的操作码和操作数。指令执行阶段，对指令操作码进行译码，以产生一系列控制信号完成指令的执行。指令可由单字节、双字节和三字节组成。单字节、双字节可能是单周期或双周期，而三字节指令都是双周期的。只有乘除指令占四个周期。单片机技术第2讲MCS-51单片机的结构和原理单片机技术第2讲MCS-51单片机的结构和原理2.5复位操作和复位电路2.5.1复位操作单片机的初始化操作，摆脱死锁状态。引脚RST加上大于2个机器周期（即24个时钟振荡周期）的高电平就可使MCS-51复位。复位时，PC初始化为0000H，使MCS-51单片机从0000H单元开始执行程序。除PC之外，复位操作还对其它一些寄存器有影响，见表2-6(P34)。SP=07H，P1-P3的引脚均为高电平。在复位有效期间，ALE脚和PSEN脚均为高电平，内部RAM的状态不受复位的影响。单片机技术第2讲MCS-51单片机的结构和原理表2-6复位时个寄存器状态寄存器内容寄存器内容PC0000HTMOD00HACC00HTCON00HB00HTH000HPSW00HTL000HSP07HTH100HDPTR0000HTL100HP0~P3FFHSCON00HIPXX000000BSBUFXXXXXXXBIE0X000000BPCON0XXX0000B(CHMOS)0XXXXXXB(HMOS)单片机技术第2讲MCS-51单片机的结构和原理2.5.2复位电路片内复位结构：单片机技术第2讲MCS-51单片机的结构和原理复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。最简单的上电自动复位电路单片机技术第2讲MCS-51单片机的结构和原理按键手动复位，有电平方式和脉冲方式两种。电平方式：单片机技术第2讲MCS-51单片机的结构和原理脉冲方式：单片机技术第2讲MCS-51单片机的结构和原理2.6并行I/O端口4个准双向的8位并行I/O端口(Port)，记作P0～P3，属于特殊功能寄存器，还可位寻址。2.6.1P0端口单片机技术第2讲MCS-51单片机的结构和原理P0口某一位的电路包括：(1)一个数据输出锁存器，用于数据位的锁存；(2)两个三态的数据输入缓冲器；(3)一个多路转接开关MUX，使P0口可作通用I/O口或地址/数据线口。(4)数据输出的驱动和控制电路，由两只场效应管（FET）组成，上面的场效应管构成上拉电路。P0口传送地址或数据时，CPU发出控制信号为高电平，打开上面的与门，使多路转接开关MUX打向上边，使内部地址/数据线与下面的场效应管处于反相接通状态。此时输出驱动电路由于上下两个FET处于反相，形成推拉式电路结构，大大提高负载能力。单片机技术第2讲MCS-51单片机的结构和原理P0口作通用的I/O口使用。这时，CPU发来的“控制”信号为低电平，上拉场效应管截止，多路转接开关MUX打向下边，与D锁存器的Q端接通。（1）P0作输出口使用来自CPU的“写入”脉冲加在D锁存器的CP端，内部总线上的数据写入D锁存器，并向端口引脚P0.x输出。注意：由于输出电路是漏极开路（因为这时上拉场效应管截止），必须外接上拉电阻才能有高电平输出。（2）P0作输入口使用区分“读引脚”和“读锁存器”。“读引脚”信号把下方缓冲器打开，引脚上的状态经缓冲器读入内部总线；“读锁存器”信号打开上面的缓冲器把锁存器Q端的状态读入内部总线。注意准双向I/O口问题。单片机技术第2讲MCS-51单片机的结构和原理2.4.2P1端口字节地址90H，位地址90H～97H。单片机技术第2讲MCS-51单片机的结构和原理P1口只作通用的I/O口使用，在电路结构上与P0口有两点区别：（1）因为只传送数据，不再需要多路转接开关MUX。（2）由于P1口用来传送数据，因此输出电路中有上拉电阻，这样电路的输出不是三态的。因此：（1）P1口作为输出口使用时，外电路无需再接上拉电阻。（2）P1口作为输入口使用时，应先向其锁存器先写入“1”，使输出驱动电路的FET截止。单片机技术第2讲MCS-51单片机的结构和原理2.6.3P2端口字节地址为A0H，位地址A0H～A7H。单片机技术第2讲MCS-51单片机的结构和原理在实际应用中，因为P2口用于提供高位地址，有一个多路转接开关MUX。但MUX的一个输入端不再是“地址/数据”，而是单一的“地址”，因为P2口只作为地址线使用。当P2口用作为高位地址线使用时，多路转接开关应接向“地址”端。P2口也是一个准双向口。P2口也可以作为通用I/O口使用，这时，多路转接开关接向锁存器Q端。单片机技术第2讲MCS-51单片机的结构和原理2.6.4P3端口P3口的字节地址为B0H，位地址为B0H～B7H。P3口的第二功能定义，应熟记。表2-2P3口的第二功能定义引脚第二功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2INT0*（外部中断0）P3.3INT1*（外部中断1）P3.4T0（定时器0外部计数输入）P3.5T1（定时器1外部计数输入）P3.6WR*（外部数据存储器写选通）P3.7RD*（外部数据存储器读选通）单片机技术第2讲MCS-51单片机的结构和原理单片机技术第2讲MCS-51单片机的结构和原理第二功能信号有输出和输入两类：（1）作通用的I/O输出，“第二输出功能”线应保持高电平，与非门开通，使锁存器Q端输出畅通。作第二功能信号输出，锁存器预先置“1”，使与非门对“第二输出功能”信号的输出是畅通的。（2）作第二功能信号输入，在口线引脚的内部增加了一个缓冲器，输入的信号就从这个缓冲器的输出端取得。而作为通用I/O输入，仍取自三态缓冲器的输出端。P3口无论作哪种输入，锁存器输出和“第二输出功能”线都应保持高电平。单片机技术第2讲MCS-51单片机的结构和原理2.4.5P0～P3端口功能总结使用中应注意的问题：（1）P0～P3口都是并行I/O口，但P0口和P2口，还可用来构建系统的数据总线和地址总线，所以在电路中有一个MUX，以进行转换。而P1口和P3口无构建系统的数据总线和地址总线的功能，因此，无需转接开关MUX。由于P0口可作为地址/数据复用线使用，需传送系统的低8位地址和8位数据，因此MUX的一个输入端为“地址/数据”信号。而P2口仅作为高位地址线使用，不涉及数据，所以MUX的一个