哈工大单片机张毅刚课件-第2章

第2章MCS-51单片机的硬件结构片内结构如图2-1所示:介绍图2-1中的各功能部件：1.CPU（微处理器）2.数据存储器（RAM）片内为128个字节（52子系列的为256个字节）3.程序存储器（ROM/EPROM）8031:无此部件；8051:4K字节ROM；8751:4K字节EPROM；89C51/89C52/89C55:4K/8K/20K字节闪存。4.中断系统5.定时器/计数器6.串行口1个全双工的异步串行口，具有四种工作方式。7.P1口、P2口、P3口、P0口为4个并行8位I/O口。8.特殊功能寄存器（SFR）共有21个，是一个具有特殊功能的RAM区。2.2MCS-51的引脚40只引脚双列直插封装（DIP）。44只引脚方形封装方式（4只无用）40只引脚按功能分为3类：（1）电源及时钟引脚:Vcc、Vss；XTAL1、XTAL2。（2）控制引脚：PSEN*、EA*、ALE、RESET（即RST）。（3）I/O口引脚：P0、P1、P2、P3，为4个8位I/O口的外部引脚。2.2.1电源及时钟引脚1．电源引脚（1）Vcc（40脚）：+5V电源；（2）Vss（20脚）：接地。2．时钟引脚（1）XTAL1（19脚）：如果采用外接晶体振荡器时，此引脚应接地。（2）XTAL2（18脚）：接外部晶体的另一端。2.2.2控制引脚提供控制信号，有的引脚还具有复用功能。(1)RST/VPD(9脚)：复位与备用电源。(2)ALE/PROG*（30脚）：第一功能ALE为地址锁存允许，可驱动8个LS型TTL负载。PROG*为本引脚的第二功能。为编程脉冲输入端。(3)PSEN*（29脚）：外部程序存储器的读选通信号。可以驱动8个LS型TTL负载。(4)EA*/VPP(EnableAddress/VoltagePulseofPrograming，31脚)EA*为内外程序存储器选择控制端。EA*=1，访问片内程序存储器，但在PC（程序计数器）值超过0FFFH（对于8051、8751）时，即超出片内程序存储器的4K字节地址范围时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。EA*=0，单片机则只访问外部程序存储器。VPP为本引脚的第二功能。用于施加编程电压（例如+21V或+12V）。对89C51，加在VPP脚的编程电压为+12V或+5V。2.2.3I/O口引脚(1)P0口：双向8位三态I/O口，此口为地址总线（低8位）及数据总线分时复用口，可驱动8个LS型TTL负载。(2)P1口：8位准双向I/O口，可驱动4个LS型TTL负载。(3)P2口：8位准双向I/O口，与地址总线（高8位）复用，可驱动4个LS型TTL负载。(4)P3口：8位准双向I/O口，双功能复用口，可驱动4个LS型TTL负载。注意:准双向口与双向三态口的差别。•当3个准双向I/O口作输入口使用时，要向该口先写“1”。•准双向I/O口无高阻的“浮空”状态。2.3MCS-51的CPU由运算器和控制器所构成2.3.1运算器对操作数进行算术、逻辑运算和位操作。1．算术逻辑运算单元ALU2．累加器A使用最频繁的寄存器，可写为Acc。A的作用：（1）是ALU的输入之一，又是运算结果的存放单元。（2）数据传送大多都通过累加器A。MCS-51增加了一部分可以不经过累加器的传送指令，即可加快数据的传送速度，又减少A的“瓶颈堵塞”现象。A的进位标志Cy同时又是位处理机的位累加器。3．程序状态字寄存器PSW（1）Cy（PSW.7）进位标志位（2）Ac(PSW.6)辅助进位标志位，用于BCD码的十进制调整运算。（3）F0（PSW.5）用户使用的状态标志位。（4）RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）：4组工作寄存器区选择控制位1和位0。RS1RS0所选的4组寄存器000区（内部RAM地址00H～07H）011区（内部RAM地址08H～0FH）102区（内部RAM地址10H～17H）113区（内部RAM地址18H～1FH）（5）OV（PSW.2）溢出标志位指示运算是否产生溢出。各种算术运算指令对该位的影响情况较复杂，将在第3章介绍。（6）PSW.1位:保留位，未用（7）P(PSW.0)奇偶标志位P=1，A中“1”的个数为奇数P=0，A中“1”的个数为偶数2.3.2控制器1．程序计数器PC（ProgramCounter）存放下一条要执行的指令在程序存储器中的地址。基本工作方式有以下几种：（1）程序计数器自动加1（2）执行有条件转移或无条件转移指令时，程序计数器将被置入新的数值，从而使程序的流向发生变化。（3）在执行调用子程序调用或中断调用，完成下列操作：①PC的现行值保护②将子程序入口地址或中断向量的地址送入PC。2．指令寄存器IR、指令译码器及控制逻辑电路2.4MCS-51存储器的结构哈佛（Har-vard）结构存储器空间可划分为5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.特殊功能寄存器SFR-SpecialFunctionRegister4.位地址空间:211个可寻址位。5.外部数据寄存器空间:片外可扩展64K字节RAM。2.4.1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0023H2.4.2内部数据存储器128个，字节地址为00H～7FH。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。2.4.3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。有的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。表2-2SFR的名称及其分布1．堆栈指针SP指示堆栈顶部在内部RAM块中的位置复位后，SP中的内容为07H。（1）保护断点（2）现场保护堆栈向上生长2.数据指针DPTR高位字节寄存器用DPH表示，低位字节寄存器用DPL表示。3.I/O端口P0～P3P0～P3分别为I/O端口P0～P3的锁存器。4.寄存器B为执行乘法和除法操作设置的。在不执行乘、除的情况下，可当作一个普通寄存器来使用。5.串行数据缓冲器SBUF存放欲发送或已接收的数据，一个字节地址，物理上是由两个独立的寄存器组成，一个是发送缓冲器，另一个是接收缓冲器。6.定时器/计数器两个16位定时器/计数器T1和T0，各由两个独立的8位寄存器组成：TH1、TL1、TH0、TL0，只能字节寻址，但不能把T1或T0当作一个16位寄存器来寻址访问。2.4.4位地址空间211个（128个+83个）寻址位。位地址范围为：00H～FFH。内部RAM的可寻址位128个(字节地址20H～2FH)见表2-3（P24）。特殊功能寄存器SFR为83个可寻址位，见表2-4（P24）。2.4.5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)地址的重叠性表2-3内部RAM的可寻址位及位地址表2-4SFR中的位地址分布程序存储器（ROM）与数据存储器（RAM）全部64K字节地址空间重叠)。(2)程序存储器（ROM）与数据存储器（RAM）在使用上是严格区分的。(3)位地址空间共有两个区域。(4)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。2.5并行I/O端口4个双向的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。2.5.1P0端口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。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。2.5.2P1端口字节地址90H，位地址90H～97H。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，所以P1口是准双向口。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。2.5.3P2端口字节地址为A0H，位地址A0H～A7H。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。正因为只作为地址线使用，口的输出用不着是三态的，所以，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。2.5.4P3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口的第二功能定义口引脚第二功能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）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。2.5.5P0～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的一个输入信号为“地址”。（2）在4个口中只有P0口是一个真正的双向口，P1～P3口都是准双向口。原因:P0口作数据总线使用时，为保证数据正确传送，需解决芯片内外的隔离问题，即只有在数据传送时芯片内外才接通；不进行数据传送时，芯片内外应处于隔离状态。为此，P0口的输出缓冲器应为三态门。在