第2章 MCS-51单片机硬件结构和原理

单片机原理与接口技术(第2版).李晓林.电子工业出版社返回目录115:53单片机原理与接口技术第2章MCS-51单片机硬件结构和原理单片机原理与接口技术(第2版).李晓林.电子工业出版社返回目录215:53(1)熟悉MCS-51单片机CPU内部组成结构和各功能部件的作用。(2)掌握MCS-51单片机引脚功能，包括：P0～P3并行I/O口的定义、控制信号、三总线组成。(3)掌握存储器的组织结构和程序存储器、数据存储器、内部特殊功能寄存器（SFR）的配置情况，熟悉程序状态寄存器（PSW）各位的含义及变化规律。(4)掌握P0～P3并行I/O口结构及其特点，掌握时钟电路、CPU时序和复位电路。本章教学要求单片机原理与接口技术(第2版).李晓林.电子工业出版社返回目录315:53本章目录2.1MCS-51系列单片机分类2.2单片机硬件结构2.2.1单片机的引脚功能2.2.2单片机的内部结构2.3中央处理器（CPU）2.3.1运算器2.3.2控制器2.3.3布尔（位）处理器2.4存储器2.4.1程序存储器2.4.2数据存储器单片机原理与接口技术(第2版).李晓林.电子工业出版社返回目录415:53本章目录2.7单片机的工作方式2.7.1复位方式2.7.2程序执行方式2.7.3低功耗运行方式习题与思考题2.5并行输入/输出端口2.5.1P1口2.5.2P2口2.5.3P3口2.5.4P0口2.5.5并行口的应用2.6时钟电路和时序2.6.1时钟电路2.6.2时序单片机原理与接口技术(第2版).李晓林.电子工业出版社返回目录515:532.1MCS-51系列单片机的分类自从Intel公司于20世纪80年代初推出MCS-51系列单片机以后，所有的51系列单片机都是以Intel公司最早的典型产品8051为核心，增加一定的功能部件后构成的。本章以8051为主阐述MCS-51系列单片机的系统结构、工作原理和应用中的一些技术问题。MCS-51系列可分为两大系列：51子系列和52子系列。51子系列主要有8031、8051和8751三种机型。52子系列主要有8032、8052和8752三种机型。单片机原理与接口技术(第2版).李晓林.电子工业出版社返回目录615:53表2-1MCS-51系列单片机的性能一览表2.1MCS-51系列单片机的分类单片机原理与接口技术(第2版).李晓林.电子工业出版社返回目录715:532.2单片机硬件结构2.2.1单片机的引脚功能MCS-51系列单片机是在一块芯片上集成了CPU、RAM、ROM、定时/计数器和多功能I/O口等基本功能部件的一台计算机。单片机必须配备部分外围元件才能使用，其系统核心是单片机芯片，芯片引脚按功能分为3类，即数据总线、地址总线和控制总线。MCS-51系列单片机的外形采用40条引脚双列直插封装（DIP）或LCC/QFP封装，每条引脚有规定的序号和名称。DIP封装的引脚排列和逻辑符号如图2-1所示。单片机原理与接口技术(第2版).李晓林.电子工业出版社返回目录815:53芯片引脚按功能分成3类，即：----51单片机的引脚功能数据总线地址总线控制总线2.2.1单片机的引脚功能单片机原理与接口技术(第2版).李晓林.电子工业出版社返回目录915:531.主电源引脚Vcc和VssVcc（+5V）电源输入端Vss（GND）共用接地端2.2.1单片机的引脚功能----51单片机电源引脚单片机原理与接口技术(第2版).李晓林.电子工业出版社返回目录1015:532.时钟振荡电路引脚XTAL1和XTAL2XTAL1和XTAL2分别用做晶体振荡电路的反相器输入端和输出端。在使用内部振荡电路时，这两个端子用来外接石英晶体，振荡频率为晶体振荡频率，振荡信号送至内部时钟电路产生时钟脉冲信号。为单片机提供工作节拍，可称为单片机的主频。直接影响单片机指令的执行速度。2.2.1单片机的引脚功能----51单片机时钟引脚单片机原理与接口技术(第2版).李晓林.电子工业出版社返回目录1115:533.控制信号引脚RST为复位信号输入端VPD为内部RAM的备用电源输入端外部程序存储器的读选通信号ALE地址锁存允许信号2.2.1单片机的引脚功能----复位/外部存储器/地址锁存引脚PSEN单片机原理与接口技术(第2版).李晓林.电子工业出版社返回目录1215:53复位信号输入端RST当RST（RESET）端保持两个机器周期（24个时钟周期）以上的高电平时，单片机完成复位操作。VPD为内部RAM的备用电源输入端。当主电源Vcc一旦发生断电或电压降到一定值时，可通过VPD为单片机内部RAM提供电源，以保护片内RAM中的信息不丢失，使Vcc上电后能继续正常运行。2.2.1单片机的引脚功能----复位引脚单片机原理与接口技术(第2版).李晓林.电子工业出版社返回目录1315:53外部程序存储器的读选通信号。当访问外部ROM时，产生负脉冲作为外部ROM的选通信号。2.2.1单片机的引脚功能----ALE与PSEN引脚地址锁存允许信号ALE在访问外部存储器时，ALE用来锁存P0送出的低8位地址信号。PROG是对8751内部EPROM编程时的编程脉冲输入端。读选通信号PSEN单片机原理与接口技术(第2版).李晓林.电子工业出版社返回目录1415:53外部程序存储器控制信号EAEA=0：访问外部程序存储器。EA=1：访问片内与片外程序存储器。VPP为8751EPROM的21V编程电源输入端。2.2.1单片机的引脚功能----内外程序存储器控制引脚单片机原理与接口技术(第2版).李晓林.电子工业出版社返回目录1515:53----P0端口P0端口（P0.0～P0.7）第一功能：是一个8位漏极开路型的双向I/O口，这时P0口可看成用户数据总线；第二功能：是在访问外部存储器时，分时提供低8位地址和8位双向数据总线，这时先用做地址总线再用做数据总线。引脚时分复用4.P0、P1、P2、P3端口2.2.1单片机的引脚功能单片机原理与接口技术(第2版).李晓林.电子工业出版社返回目录1615:53P1口（P1.0～P1.7）内部带上拉电阻的8位准双向I/O口。P2口（P2.0～P2.7）第一功能：一个内部带上拉电阻的8位准双向I/O口。第二功能：在访问外部存储器时，输出高8位地址。P3口（P3.0～P3.7）第一功能：内部带上拉电阻的8位准双向I/O口。在系统中，这8个引脚都有各自的第二功能。2.2.1单片机的引脚功能----P1、P2和P3端口单片机原理与接口技术(第2版).李晓林.电子工业出版社返回目录1715:532.2.2单片机的内部结构一个8位CPU；4KB程序存储器，采用ROM或EPROM（8031无ROM）；128B通用数据存储器；21个特殊功能寄存器（SFR）；4个8位并行口，其中P0、P2、P3是复用口（P0和P2为地址/数据线，可寻址64KBROM和64KBRAM）；一个可编程全双工串行口；具有5个中断源，两个优先级嵌套结构；两个16位定时/计数器；一个片内振荡器与时钟电路。----51单片机内部主要器件单片机原理与接口技术(第2版).李晓林.电子工业出版社返回目录1815:532.2.2单片机的内部结构----51单片机内部主要部件单片机原理与接口技术(第2版).李晓林.电子工业出版社返回目录1915:532.3中央处理器（CPU）单片机核心部分是CPU由下面三部分组成:运算器控制器布尔（位）处理器单片机原理与接口技术(第2版).李晓林.电子工业出版社返回目录2015:532.3.1运算器运算器——算术逻辑单元（ALU）包括：累加器（ACC）程序状态字（PSW）B寄存器暂存器等部件----运算器的组成单片机原理与接口技术(第2版).李晓林.电子工业出版社返回目录2115:531.累加器累加器是一个8位寄存器。在指令系统中，累加器在直接寻址时的助记符为ACC。除此之外全部用助记符A表示。2.3.1运算器----累加器单片机原理与接口技术(第2版).李晓林.电子工业出版社返回目录2215:53----算术/逻辑部件算术/逻辑部件ALU是用于对数据进行算术运算和逻辑操作的执行部件，由加法器和其他逻辑电路（移位电路和判断电路等）组成。在控制信号的作用下，完成算术加、减、乘、除和逻辑与、或、异或等运算，以及循环移位操作、位操作等功能。2.3.1运算器2.算术/逻辑部件单片机原理与接口技术(第2版).李晓林.电子工业出版社返回目录2315:53----程序状态字寄存器程序状态字寄存器PSW是一个8位寄存器，用来存放运算结果的一些特征。进位标志位半进位标志位用户自定义标志位工作寄存器组选择位溢出标志位奇偶校验标志位2.3.1运算器3.程序状态字寄存器单片机原理与接口技术(第2版).李晓林.电子工业出版社返回目录2415:53Cy（PSW.7）：进位标志位。在执行加、减法指令时，若运算结果的最高位（D7位）有进位或借位，则Cy位被置1，否则清零。Cy既可以作为条件转移指令中的条件，也可用于十进制调整。AC（PSW.6）：半进位标志位。在执行加、减法指令时，如果其低半字节向高半字节有进位或借位（D3位向D4位），则AC位被置1，否则清零。AC也可用于十进制调整。F0（PSW.5）：用户自定义标志位。用户可用软件对F0赋以一定的含义，决定程序的执行转向。RS1（PSW.4）和RS0（PSW.3）：工作寄存器组选择位。表2-2所示为RS1和RS0与片内工作寄存器组的对应关系。----程序状态字寄存器2.3.1运算器单片机原理与接口技术(第2版).李晓林.电子工业出版社返回目录2515:53OV（PSW.2）：溢出标志位。当补码运算的结果超出-128～+127的范围（溢出）时，OV位被置1，若无溢出，则OV位为0。OV也可以作为条件转移指令中的条件。PSW.1：未定义位。P（PSW.0）：奇偶校验标志位。单片机在指令执行后，根据ACC中1的个数的奇偶性，自动将该标志位置1或清零。若1的个数为奇数，则P=1，否则P=0。P也可以作为条件转移指令中的条件。----程序状态字寄存器2.3.1运算器单片机原理与接口技术(第2版).李晓林.电子工业出版社返回目录2615:53RS1、RS0与片内工作寄存器组的对应关系2.3.1运算器----片内四组工作寄存器的选择单片机原理与接口技术(第2版).李晓林.电子工业出版社返回目录2715:534.B寄存器在进行乘法、除法运算时，B寄存器作为ALU的输入之一，与ACC配合完成运算，并存放运算结果。在无乘除运算时，它可作为内部RAM的一个单元。2.3.1运算器----寄存器单片机原理与接口技术(第2版).李晓林.电子工业出版社返回目录2815:532.3.2控制器定时控制逻辑指令寄存器数据指针（DPTR）程序计数器（PC）堆栈指针（SP）地址寄存器地址缓冲器----控制器的组成控制器是CPU的大脑中枢，它包括：单片机原理与接口技术(第2版).李晓林.电子工业出版社返回目录2915:531.程序计数器程序计数器（ProgramCounter，PC）用来存放下一条要执行的指令的地址。当按照PC所指的地址从存储器中取出一条指令后，PC会自动加l，即指向下一条指令。2.3.2控制器----程序计数器单片机原理与接口技术(第2版).李晓林.电子工业出版社返回目录3015:532.堆栈指针堆栈指针（StackPointer，SP）是指在片内RAM的l28B（52子系列为256B）空间中开辟的堆栈区的栈顶地址，并随时跟踪栈顶地址变化。堆栈是按先进后出的原则存取数据的，开机复位后，单片机栈底地址为07H。2.3.2控制器----堆栈指针单片机原理与接口技术(第2版).李晓林.电子工业出版社返回目录3115:533.指令寄存器和指令译码器指令寄存器和指令译码器（InstructionRegister，IR）的功能是对将要执行的指令进行存储和译码。当指令送入指令寄存器后，对该指令进行译码