MCS-51单片机硬件结构和原理

张兴忠制作：单片机原理与接口技术太原理工大学电子工业出版社第2章MCS-51单片机硬件结构和原理制作张兴忠修审牛昱光张兴忠制作：熟悉MCS-51单片机CPU内部组成结构、各功能部件的作用；掌握MCS-51单片机引脚功能；掌握存储器的组织结构；掌握P0～P3并行I/O口结构；掌握时钟电路、CPU时序和复位电路。本章教学要求张兴忠制作：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数据存储器张兴忠制作：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时序张兴忠制作：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。张兴忠制作：表2-1MCS-51系列单片机的性能一览表2.1MCS-51系列单片机的分类张兴忠制作：单片机硬件结构芯片引脚按功能分成3类，即：2.2.1单片机的引脚功能51单片机的引脚功能数据总线地址总线控制总线张兴忠制作：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单片机电源引脚张兴忠制作：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。2.2.1单片机的引脚功能51单片机时钟引脚张兴忠制作：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PSEN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/地址锁存引脚张兴忠制作：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张兴忠制作：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张兴忠制作：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张兴忠制作：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。4.P0、P1、P2、P3端口2.2.1单片机的引脚功能张兴忠制作：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端口张兴忠制作：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张兴忠制作：单片机的内部结构51单片机内部主要部件张兴忠制作：中央处理器（CPU）单片机的核心部分是CPU，由运算器、控制器和布尔（位）处理器组成。张兴忠制作：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）暂存器B寄存器等部件运算器的组成张兴忠制作：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运算器累加器张兴忠制作：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/逻辑部件张兴忠制作：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.程序状态字寄存器张兴忠制作：、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张兴忠制作：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运算器寄存器张兴忠制作：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：张兴忠制作：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控制器程序计数器张兴忠制作：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控制器堆栈指针张兴忠制作：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，即把指令转变成所需的电平信号，CPU根据译码输出的电平信号，使定时控制电路产生执行该指令所需的各种控制信号，以便计算机能正确地执行指令所要求的操作。2.3.2控制器指令寄存与译码张兴忠制作：数据指针由于8051系列单片机可以外接64KB的数据存储器和I/O接口电路，故在单片机内设置了l6位的数据指针寄存器（DataPointer，DPTR）。它可以对64KB的外部数据存储器和I/O进行寻址，DPTR可分为高8位数据指针寄存器（DPH）和低8位数据指针寄存器（DPL），地址分别为83H和82H。2.3.2控制器数据指针张兴忠制作：布尔（位）处理器在8051单片机系统中，与字节处理器相对应，还特别设置布尔（位）处理器。Cy：进位标志位位寻址寄存器位寻址的并行I/O口位操作指令系统2.3.2控制器位处理器张兴忠制作：存储器8051在物理结构上有4个存储空间：片内程序存储器片外程序存储器(ROM)片内数据存储器片外数据存储器(RAM)从用户使用的角度上，MSC-51有3个存储空间：片内外统一编址的64KB程序存储器空间（用16位地址）256B片内数据存储器空间（用8位地址）64KB片外数据存储器地址空间51单片机存储器布局张兴忠制作：存储器结构2.4存储器张兴忠制作：程序存储器程序存储器用于存放编好的程序或表格常数。51子系列片内有4KBROM，52子系列片内有8KBROM，二者片外地址线均为16位，最多可扩展64KBROM，片内片外统一编址。若EA端保持低电平，则所有取指令操作均在片外程序存储器中进行，0000H地址在片外。若EA端保持高电平，0000H地址在片内，所有取指令操作均在片内程序存储器中进行。程序存储器的用途张兴忠制作：程序存储器在程序存储器的开始部分，定义了一段具有特殊功能的地址段，用作程序起始和各种中断的入口。2.4.1程序存储器程序入口地址张兴忠制作：数据存储器数据存储器用于存放中间运算结果、数据暂存和缓冲、标志位等。MCS-51系列单片机的片内数据存储器除RAM块外，还有特殊功能寄存器（SFR）块。片内数据存储器的容量很小，常需要扩展片外数据存储器。MCS-51系列单片机有一个数据指针寄存器，可用于寻址程序存储器或数据存储器单元，它有16位，寻址范围可达64KB。数据存储器分为片外数据存储器、片内数据存储器、特殊功能存储器，以下分别加以介绍。