MCS-51单片机的结构和原理

2020/3/11MCS-51单片机的结构和原理2020/3/12主要掌握基本组成（内部资源）存储器的配置I/O口的应用功能时序及电路2020/3/13MCS51系列产品ROM型无ROM型EPROME2PROMROMRAM定时器串行口中断引脚8051803187514KB128B2UART5408051AH8031AH8751H4KB128B2UART5408052AH8052AH8752BH89528KB256B3UART54080C51BH80C31BH87C51AT89C514KB128B2UART540AT89C10511KB64B1UART520AT89C20512KB128B2UART52083C51FA80C51FA87C51FA8KB2563UART74083C51FB80C51FB87C51FB16KB2563UART74083C51FC80C51FC87C51FC32KB2563UART74083C51GB80C51GB87C51GB8KB2563UART15682020/3/14第一节MCS-51系列单片机的结构以8051为代表讲解基本组成内部结构特殊功能寄存器2020/3/15一基本组成框图(基本资源）2020/3/16二8051的内部结构算术逻辑部件ALU定时控制部件寄存器组框图见下页2020/3/172020/3/18MCS51的封装各类单片机均兼容，只是功能引脚略有差异。封装40脚塑封双列直插：PDIP44脚方形(需插槽转接)：PLCC/LCC44脚扁平封装(贴片焊接)：PQFP/TQFP封装2020/3/19PLCC封装形式2020/3/110PLCC封装形式2020/3/111QFP封装形式2020/3/1122020/3/113MCS51的引脚功能管脚功能逻辑符号图片外三总线AB：P0口经地址锁存后提供低8位地址，P2口直接提供高8位地址DB：P0口提供8位数据CB：/EA，ALE，/PSEN，/RD，/WR，RST等2020/3/114INT1/P3.3ALE/PROGINT0/P3.2WR/P3.61208051875180314021P1.7P1.0P3.0P3.7PSENEAALERESETP2.7P2.0P0.7P0.0ALE（AB）（AB）A15A1A0D7D1D0控制总线（CB）P1.0P1.1P1.7RST/VPDRXD/P3.0TXD/P3.1T0/P3.4T1/P3.5RD/P3.7XTAL2XTAL1VCCP0.0P0.1P0.7EA/VPPPSENP2.7P2.1P2.0805187518031+5VG数据总线地址总线地址锁存器用户I/OVSSA8A72020/3/115片外三总线2020/3/116常用寄存器（PC、ACC、B）PC：程序地址寄存器，16位，执行指令后自动加一，常将PC值设置成程序第一条指令的内存地址。访问范围：0000~0FFFFHACC：累加器，8位，特殊用途的寄存器，专门存放操作数或运算结果。MOVA，#03HADDA，#05HB：8位，专门为乘除法而设置的寄存器MULAB2020/3/117常用寄存器（PSW、SP）PSW：程序状态字，8位，存放指令执行后的有关状态SP：堆栈指针，8位，专门存放向上生长堆栈的栈顶位置（书上示意图）。遵循“先进后出”的原则。注意：禁止用传送指令存放数据。通常初始化（sp＝07H)时，修改堆栈指针的值，将堆栈区设置在内部RAM的高端区域。例：MOVSP,＃70HPUSHACC；(ACC)=35H指令执行后（71H）=35H，SP=71HCyACF0RS1RS0OV…PD7D6D5D4D3D2D1D02020/3/118常用寄存器DPTRDPTR：数据地址指针，16位，存放程序存储器的地址和外部数据存储器的地址。可分DPH和DPL两个独立8位寄存器使用,通常在压栈时将DPTR分开用。例：PUSHDPHPUSHDPLMOVDPTR,#1000H；(1000H)=7FHMOVXA,@DPTRMOVCA,@A+DPTR2020/3/119程序执行前，PSW中的F0=1，RS0RS1=00问执行下列指令后PSW中的各位的状态？MOVA，#0FHADDA，#0F8H0000111111111000（+——————100000111CY=1，AC=1，P=1OV=CP+CS=1+1=02020/3/120第二节存储器配置5个存储空间（配置图见下页）：片内/片外程序存储器64K（0000~0FFFFH）128B的片内数据存储器（00~7FH）128B特殊功能寄存器SFR（80~0FFH离散分布）位寻址空间（20H~2FH）和部分SFR片外数据存储器64K（0000~0FFFFH）2020/3/1212020/3/122MCS-51单片机存储器容量存储器类型单片机系列掩膜ROME2PROM(EPROM)RAMMCS-5151子系列8031//128B80514KB/128B89(7)51/4KB128B52子系列8032//256B80528KB/256B89(7)52/8KB256B2020/3/123例：位寻址空间的使用MOV20H,#30H；MOV00H,C2020/3/124位寻址区内部数据存储器低128单元2020/3/125通用寄存器区的使用内部RAM的00~1FH分为4个区，每个区有8个单元，分别用R0~R7来表示：RS1：RS0=00时：(R0)=00HRS1：RS0=01时：(R0)=08HRS1：RS0=10时：(R0)=10HRS1：RS0=11时：(R0)=18HRS1RS0寄存器组片内PAM地址通用寄存器名称000区00H~07HR0~R7011区08H~0FHR0~R7102区10H~17HR0~R7013区18H~1FHR0~R7例如：MOVR0,#30H；SETBPSW.3；MOVR0,#30H；2020/3/126特殊功能寄存器功能名称地址（初态）ACC累加器E0H（00H）BB寄存器F0H（00H）PSW程序状态字D0H（00H）SP栈指针81H（07H）DPTR数据指针(包括指针高位DPH和低位DPL)83H(高位)（00H）82H低位)（00H）P0P0口锁存寄存器80H（0FFH）P1P1口锁存寄存器90H（0FFH）P2P2口锁存寄存器A0H（0FFH）P3P3口锁存寄存器B0H（0FFH）IP中断优先级控制寄存器B8H（xxx00000B）IE中断允许控制寄存器A8H（0xx00000B）TMOD定时／计数器工作方式、状态寄存器89H（00H）2020/3/127特殊功能寄存器功能名称地址（初态）+T2CON定时／计数器2控制寄存器C8H（00H）TCON定时／计数器控制寄存器88H（00H）TH0定时／计数器0(高字节)8CH（00H）TL0定时／计数器0(低字节)8AH（00H）TH1定时／计数器1(高字节)8DH（00H）TL1定时／计数器1(低字节)8BH（00H）+TH2定时／计数器2(高字节)CDH（00H）+TL2定时／计数器2(低字节)CCH（00H）+RCAP2H定时／计数器2记录寄存器(高字节)CBH（00H）+RCAP2L定时／计数器2记录寄存器(低字节)CAH（00H）SCON串行口控制寄存器98H（00H）SBUF串行数据缓冲器99H（不定）PCON电源控制寄存器97H（0xx0000B）2020/3/128第三节输入/输出口（I/O口）四个双向8位I/O口，共32根I/O口线，每个I/O线均由锁存器，输出电路和输入缓冲器组成。每个I/O既可作输入又可作输出，每一条口线可独立用作输入又可用作输出，作输出时可锁存数据，作输入时可缓冲数据。2020/3/129P0口输出输入读--修改-写操作P0作A/D总线（AddressBus/DataBus）2020/3/130P0口组成结构VCC地址/数据控制锁存器P0.XDCPQQMUXV1V2P0.X引脚读锁存器写锁存器内部总线读引脚&12020/3/131P0口输出时接上拉电阻P0口作输入时，应使输出两个驱动场效应管截止而呈现悬浮的高阻态，所以需先向锁存器写“1”可驱动8个LSTTL负载作A/D总线时，分时输出A0~A7和D0~D72020/3/132P1口组成结构VCC锁存器P1.XDCPQQP1.X引脚读锁存器写锁存器内部总线读引脚内部上拉电阻2020/3/133P2口组成结构锁存器P2.XDCPQQ读锁存器写锁存器内部总线读引脚VCCP2.X引脚内部上拉电阻1地址控制MUX2020/3/134P3口组成结构锁存器P3.XDCPQQ读锁存器写锁存器内部总线读引脚VCCP3.X引脚内部上拉电阻&第二输出功能第二输入功能2020/3/135I/O口小结：从应用功能上P0：系统扩展；一般I/O口（输出时，需接上拉电阻。）P1：专供用户使用的I/O口P2：系统扩展；通用I/O口P3：功能口，每位独立定义；通用I/O口。2020/3/136I/O口小结：负载能力P0驱动8个LSTTL负载P1~P3驱动3~4个LSTTL负载2020/3/137I/O口小结：读入方式每个I/O口均有两种读入方式（用命令区分）读锁存器读引脚ANLA，#0FHMOVA，P1注意：读引脚时，需先向锁存器写“1”。系统复位时，所有口锁存器均置“1”。2020/3/138说明双向口：可使引脚悬浮作高阻输入准双向口：其引脚具有内部拉高电阻，其特点：当外部维持在低电平时，准双向口输入要能提供源电流，而外部低电平消失时，又会自动地使自己拉向高电平。2020/3/139第四节时钟电路及时序时钟电路：内部方式（需外接晶体）外部方式（需外部提供时钟源）2020/3/140XTAL2XTAL1MCS-51C1C2CYSXTAL2XTAL1MCS-51+5VVSSTTL外部时钟源外部振荡方式内部振荡方式：MCS-51单片机片内有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。把放大器与作为反馈元件的晶体振荡器或陶瓷谐振器连接，就构成了内部自激振荡器并产生振荡时钟脉冲外部振荡方式就是把外部已有的时钟信号引入单片机内2020/3/141时序P1P2S1P2振荡周期时钟周期机器周期机器周期指令周期XTAL2(OSC)S2S3S4S5S6S1S2S4S5S3S6P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P2P2P2P2P2P2P2P2P2P2MCS-51单片机各种周期的相互关系时钟周期、机器周期、指令周期2020/3/142时序时序：注意ALE的地址锁存取指令执行指令2020/3/1432020/3/1442020/3/145第五节单片机工作方式复位工作方式正常工作方式单步工作方式编程工作方式省电工作方式（低功耗）2020/3/146复位工作方式正常操作时，RST引脚保持两个机器周期以上的高电平复位电路上电复位电路外部复位电路外部上电复位电路抗干扰复位电路2020/3/147复位工作方式22μFC1RSTR11KΩ+5V22μFC1RST+5VR2200ΩRSTR1+5VC222μF80318051875189518031805187518951803180518751（a）上电复位电路（c）按键脉冲复位电路（b）按键电平复位电路R11KΩ22μFC11KΩR21KΩ2020/3/148MCS-51单片机复位电路2020/3/149MCS-51实用的复位电路2020/3/150掉电保护方式数据转存；接通备用电源。复位电路片内RAM施密特触发器RST/VPDVCCVSS复位电路逻辑图2020/3/151低功耗方式待机方式：振荡器工作，CPU不工作；掉电保护方式：单片机一切工作都停止，只有内部RAM单元的