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当前位置:首页 > 机械/制造/汽车 > 机械/模具设计 > 第2章 MCS-51单片机的结构和原理1
1第2章MCS-51单片机的结构和原理2本章内容2.1MCS-51单片机的基本结构2.2中央处理器CPU2.3MCS-51单片机外部特性2.4MCS-51单片机时序2.5MCS-51单片机存储器分类及配置2.6布尔处理器2.7并行I/O口2.8复位及复位电路作业3本章重点掌握8051中有4个并口、1个串口、2个定时器、5个中断源4个并行接口用法,总线的形成PSW中常用状态位的含义累加器ACC、DPTR和SP存储器(RAM、ROM)的结构复位电路的连接方法4回顾同学们设计过的几个电路3人抢答器如果将3人抢答器改造成表决器有难度吗?有没有简易灵活的方法?5一个典型的单片机最小系统68个按键、8个LED构成的小系统72.1MCS-51单片机的基本结构表2-1MCS-51单片机存储器容量存储器类型单片机系列掩膜ROMEPROMRAMMCS-51-51子系列8031//128B80C514KB128B8751/4KB128B52子系列/256B89S52256B8752/8KB256B89C528KB8KB/(FLASH)/MCS-51单片机的基本组成图2-1MCS-51单片机基本结构示意图时钟电路SFR和RAMROMCPU定时/计数器并行端口中断系统串行端口系统总线时钟源T0T1P0P1P2P3TXDRXDINT0INT1P3还可以提供/WR和/RD10参阅8051datasheet图2-280C51内部结构图11MCS-51单片机内部模块(1)一个8位微处理器CPU。(2)数据存储器RAM和特殊功能寄存器SFR。(3)内部程序存储器ROM。(4)两个定时/计数器,用以对外部事件进行计数,也可用作定时器。(5)四个8位可编程的I/O(输入/输出)并行端口,每个端口既可做输入,也可做输出。(6)一个串行端口,用于数据的串行通信。(7)中断控制系统。(8)内部时钟电路。122.2中央处理器CPU2.2.1、运算器2.2.2、控制器132.2.1运算器功能:运算部件构成:1.算术逻辑单元(ALU);2.累加器(ACC)8位;2.寄存器B(8位)用于乘除法;4.程序状态字(PSW,8位),有进位位Cy等;5.布尔处理器1位它以进位标志(CY)作为累加位进行位操作14CY(PSW.7)进位标志位AC(PSW.6)辅助进位(或称半进位)标志F0(PSW.5)用户标志位RS1和RS0(PSW.4,PSW.3)工作寄存器组选择位OV(PSW.2)溢出标志位P(PSW.0)奇偶标志位(偶校验)程序状态字PSW各位标志的含义CYACF0RS1RS0OV-PPSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.015R1、R0切换工作寄存器组RS1RS0选择工作寄存器组000组(R0~R7)011组(R0~R7)102组(R0~R7)113组(R0~R7)162.2.2控制器程序计数器(PC)16位计数器(完全由CPU根据指令自动控制)PC可通过转移、调用、返回等指令改变其内容,以实现程序的转移。DPTR(外部RAM指针寄存器),16位。如MOVXA,@DPTRSP(堆栈指针),8位,指向片内128字节RAM区,复位后值为0x7,8051堆栈为递增满堆栈。172.3MCS-51单片机外部特性19MCS-51单片机芯片引脚描述图2-7为MCS-51单片机的引脚配置图。1.主电源引脚VCC和GND;2.外接晶振引脚XTAL1和XTAL;2.控制或其他电源复用引脚RST、ALE、EA#和PSEN#等。4.输入/输出引脚P0、P1、P2、P3(共32根)MCS-51单片机的片外总线结构212.4MCS-51单片机时序222.4.1时钟电路XTAL2XTAL1MCS-51C1C2CYS图2-1常用振荡电路单片机时钟电路:振荡电路:MCS-51单片机引脚XTAL1和XTAL与晶体振荡器连接,就构成了内部自激振荡器并产生振荡时钟脉冲(如下图所示)。23P1P2S1P2振荡周期机器周期机器周期指令周期(1~4机器周期)XTAL2(OSC)S2S3S4S5S6S1S2S4S5S3S6P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P2P2P2P2P2P2P2P2P2P2图2-2MCS-51单片机各种周期的相互关系2.4.2CPU工作时序241.振荡周期:为单片机提供时钟信号的振荡源的周期。2.机器周期:通常将完成一个基本操作所需的时间称为机器周期,由12个振荡周期组成。2.指令周期:是指CPU执行一条指令所需要的时间。一个指令周期通常含有1~4个机器周期。25若MCS-51单片机外接晶振为12MHz时,则单片机的四个周期的具体值为:振荡周期=1/12MHz=1/12μs=0.0833μs机器周期=1μs指令周期=1~4μs26MCS-51单片机指令的取指和执行时序图2-3MCS-51单片机典型指令的取指和执行时序再读下一条指令再读下一条指令XTAL2(OSC)P2S1ALE读操作码读下一个操作码(丢弃)读第二字节(a)单字节,单周期指令例:MOVA,R1(d)单字节,双周期指令,如MOVXP1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P2S5P2S6P2S1P1P1P1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P2S6P2S1S2P1P1P1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S1读操作码P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1读下一个操作码(丢弃)(b)双字节,单周期指令例:ADDA,dir(c)单字节,双周期指令例:INCDPTR读操作码(MOVX)读下一个操作码(丢弃)无取指无ALE无取指地址数据(DATA)访问外部存储器P2S1读操作码P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S2P1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S2P1272.5MCS-51单片机存储器分类及配置282.5.1程序存储器程序存储器的结构如图2-4(c)所示,包括片内和片外程序存储器两个部分。最大空间为64KB。292.5.2片内数据存储器片内数据存储器结构如图2-4(a)所示,主要用于保存字节变量、位变量。302.5.3片外数据存储器外部数据存储器又称外部RAM,可通过总线端口扩展外部数据RAM,其最大容量可达64K字节,其结构如图2-4(b)所示,用于保存字节变量。注意:外设与片外RAM统一编址,必须合理地进行外部RAM和I/O端口的地址分配,并保证译码的唯一性。外部ROM内部ROM(EA=1)外部ROM(EA=0)0000H0000H0FFFH0FFFH1000HFFFFH外部RAM(I/O口地址)0000HFFFFH内部数据存储器(a)外部数据存储器(b)程序存储器(c)图2-4MCS-51单片机存储器结构特殊功能寄存器字节寻址区00H1FH20H2FH30H7FH80HFFH80H88H90H98HA0HA8HB0HB8HD0HE0HF0H特殊功能寄存器中位寻址工作寄存器区位寻址区表2-1内部数据存储器中的位地址表2-2特殊功能寄存器地址及功能表342.6布尔处理器2.6.1布尔处理器内含1位二进制数处理器2.6.2布尔处理器资源累加器Cy20H~2FHRAM单元SFR中的可寻址位352.7并行I/O口4个并行口P0、P1、P2、P3362.7.1输入/输出端口P0~P3带载能力P0口为三态双向口(作为输入时,先向P0写0xFF),可驱动8个TTL电路。P1、P2、P3口为准双向口(作为输入时,先向P1~3写0xFF),其负载能力为4个TTL电路。P0~P3特殊用法P0、P2可作为数据和地址总线。P3口具有第二功能。表2-3P3口的第二功能表P2.2P2.3位线引脚第二功能P2.010RXD(串行输入口)P2.111TXD(串行输出口)12INT0(外部中断0)13INT1(外部中断1)P2.414T0(定时器0的计数输入)P2.515T1(定时器1的计数输入)16WR(外部数据存储器写脉冲)17RD(外部数据存储器读脉冲)P2.7P2.6P3口第二功能382.8复位及复位电路1.复位电路高电平复位,复位电路需维持两个机器周期时间。常见复位电路如图2-14所示。2.单片机复位后的状态单片机21个SFR(特殊功能寄存器)复位后的状态为确定值,如表2-6所示。22μFC1RST+5VR2200Ω+5V8051R11KΩ图2-14手动按键电平复位电路特殊功能寄存器初始状态特殊功能寄存器初始状态A00HTMOD00HB00HTCON00HPSW00HTH000HSP07HTL000HDPL00HTH100HDPH00HTL100HP0~P3FFHSBUF××××××××BIP×××00000BSCON00HIE0××00000BPCON0×××××××B表2-4单片机复位后特殊功能寄存器的状态41本章总结通过1个单片机最小系统,掌握8051结构原理、内部SFR、存储结构。42作业1、描述8051中的DPTR、SP、CY的作用。2、8051的读、写控制线由那个管脚提供?数据、地址总线由哪些管脚提供?3、简述8051的存储结构?程序员编写1KB的程序通常存放在什么区域?
本文标题:第2章 MCS-51单片机的结构和原理1
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