1、第三章第三章 MCS-51单片机结构和原理单片机结构和原理 1.MCS-51系列单片机的结构系列单片机的结构 2.8051单片机的引脚及其功能单片机的引脚及其功能 3.MCS-51单片机的工作方式单片机的工作方式 4.MCS-51单片机的时序单片机的时序 5.MCS-51单片机外部存储器的扩展单片机外部存储器的扩展2022-11-101单片机技术概述单片机的结构和原理3.1 MCS-51系列单片机的结构系列单片机的结构3.1.1 MCS-51单片机的基本组成单片机的基本组成 中央处理器中央处理器CPU 内部数据存储器内部数据存储器RAM 内部指令存储器内部指令存储器ROM 四个四个8位的并行输
2、入位的并行输入/输出端口输出端口 二个或者三个定时二个或者三个定时/计数器计数器 内部中断控制系统内部中断控制系统 一个串行接口电路一个串行接口电路2022-11-102单片机技术概述单片机的结构和原理2022-11-103单片机技术概述单片机的结构和原理3.1.2 MCS51系列系列片内片内ROM片内片内EPROM外接外接EPROM片内片内ROM片内片内RAM寻址寻址范围范围计数计数器器并行并行口口串行串行口口中断中断源源8051875180314KB128B2*64KB2*164*81580C51 87C51 80C314KB128B2*64KB2*164*8158052875280328
3、KB256B2*64KB3*164*81680C52 87C52 80C328KB256B2*64KB3*164*816片内片内FLASHAT89C528KB256B2*64KB3*164*8162022-11-104单片机技术概述单片机的结构和原理3.1.3 8051单片机的内部结构单片机的内部结构2022-11-105单片机技术概述单片机的结构和原理1.存储器结构存储器结构2022-11-106单片机技术概述单片机的结构和原理 8051片内有片内有256字节数据存储器字节数据存储器RAM,4K字节的程序存储字节的程序存储器器ROM。可在片外扩展可在片外扩展RAM和和ROM，并各有，并各有6
4、4KB的寻址范围。的寻址范围。64K字节的字节的ROM空间中，有空间中，有4K字节地址对于片内字节地址对于片内ROM和片外和片外ROM是公共的。是公共的。EA控制信号用来区分内部控制信号用来区分内部ROM和外部和外部ROM。2022-11-107单片机技术概述单片机的结构和原理 程序存储器程序存储器ROM保留单元：保留单元：00000002单元是所有执行单元是所有执行程序的入口地址。程序的入口地址。0003002AH单元均匀地分为五段，单元均匀地分为五段，用作五个中断服务程序的入口。用作五个中断服务程序的入口。数据存储器数据存储器RAM 256字节被分为两个区域：字节被分为两个区域：007FH
5、是是真正的真正的RAM区，可以读写各种数据，区，可以读写各种数据，80FFH是专门用是专门用作特殊功能寄存器（作特殊功能寄存器（SFR）的区域。）的区域。对于对于007FH还可以分为三个区域：从还可以分为三个区域：从001FH安排了安排了四组工作寄存器；第二个区域是位寻址区，占用地址四组工作寄存器；第二个区域是位寻址区，占用地址202FH；第三个区域就是一般的；第三个区域就是一般的RAM，地址为，地址为307FH。2022-11-108单片机技术概述单片机的结构和原理2022-11-109单片机技术概述单片机的结构和原理 CPU由运算器、控制器和若干特殊功能寄存器组成。由运算器、控制器和若干特
6、殊功能寄存器组成。运算器可完成加、减及各种逻辑运算，还可直接完成乘运算器可完成加、减及各种逻辑运算，还可直接完成乘除运算。除运算。控制器在单片机内部协调各功能部件之间的数据传送、控制器在单片机内部协调各功能部件之间的数据传送、数据运算等操作。数据运算等操作。特殊功能寄存器有特殊功能寄存器有ACC,B,PSW,SP和和DPTR。ACC就是就是累加器，在乘除运算时，累加器，在乘除运算时，B寄存器用来存放一个操作数，寄存器用来存放一个操作数，也用来存放运算后的一部分结果。也用来存放运算后的一部分结果。PSW为标志寄存器。为标志寄存器。SP为堆栈指针。为堆栈指针。DPTR为数据指针。为数据指针。2.C
7、PU2022-11-1010单片机技术概述单片机的结构和原理2022-11-1011单片机技术概述单片机的结构和原理2022-11-1012单片机技术概述单片机的结构和原理3.并行并行I/O口口 8051有四个有四个8位并行输入位并行输入/输出口，记作输出口，记作P0，P1，P2，P3，共，共32根根I/O线，皆为双向通道。基本特性：线，皆为双向通道。基本特性：作为输出口用时，直接和外设相连；作为输出口用时，直接和外设相连；作为输入口时，有读端口和读引脚两种工作方式；作为输入口时，有读端口和读引脚两种工作方式；读端口时实际上并不从外部读入数据，而只是把端读端口时实际上并不从外部读入数据，而只是
8、把端口锁存器中内容对如到内部总线，对引脚时才真正口锁存器中内容对如到内部总线，对引脚时才真正地把从外部加到引脚上的数据读入到内部总线；地把从外部加到引脚上的数据读入到内部总线；对引脚时，要先通过指令，把端口锁存器置对引脚时，要先通过指令，把端口锁存器置1，然后，然后再实行读引脚操作。再实行读引脚操作。2022-11-1013单片机技术概述单片机的结构和原理 四个通道特性上的差别主要是通道四个通道特性上的差别主要是通道0、通道、通道1、通、通道道2、通道、通道3都还有第二功能，而通道都还有第二功能，而通道1则只能用作则只能用作I/O口：口：通道通道0还可作为低还可作为低8位地址总线和位地址总线和
9、8位数据总线使用；位数据总线使用；通道通道2的第二功能是作为高的第二功能是作为高8位地址总线使用；位地址总线使用；通道通道3的每一位都有各自的第二功能，见下表。的每一位都有各自的第二功能，见下表。2022-11-1014单片机技术概述单片机的结构和原理2022-11-1015单片机技术概述单片机的结构和原理 其他：其他：通道通道0作为作为I/O输出时，需要上拉电阻。驱动输出时，需要上拉电阻。驱动MOS电电路时，阻值为路时，阻值为4.7K欧姆，驱动欧姆，驱动LED显示器时为显示器时为470欧欧姆；姆；通道通道0作为数据作为数据/地址线工作时，不需要上拉电阻；地址线工作时，不需要上拉电阻；2022
10、-11-1016单片机技术概述单片机的结构和原理4.定时定时/计数器计数器 8051内部有两个内部有两个16位可编程定时位可编程定时/计数器，最大计数模式计数器，最大计数模式为为216-1。在定时工作时，时钟由单片机内部提供，即系统时钟经在定时工作时，时钟由单片机内部提供，即系统时钟经过过12分频后作为定时器的时钟。分频后作为定时器的时钟。计数工作时，计数脉冲由计数工作时，计数脉冲由T0和和T1输入。输入。2022-11-1017单片机技术概述单片机的结构和原理 8051的中断系统允许接受五个独立的中断源，即两个外的中断系统允许接受五个独立的中断源，即两个外部中断申请，两个定时部中断申请，两个
11、定时/计数器中断以及一个串行口中断。计数器中断以及一个串行口中断。MCS-51单片机可以设置两个中断优先级，即高优先级和单片机可以设置两个中断优先级，即高优先级和低优先级。低优先级。5.中断系统中断系统2022-11-1018单片机技术概述单片机的结构和原理 8051单片机内部有一个可编程的、全双工的串行接口。单片机内部有一个可编程的、全双工的串行接口。串行收发数据存储在特殊功能寄存器中的串行数据缓冲串行收发数据存储在特殊功能寄存器中的串行数据缓冲器器SBUF中，占用内部中，占用内部RAM地址地址99H。6.串行口串行口2022-11-1019单片机技术概述单片机的结构和原理3.2 8051单
12、片机的引脚及其功能单片机的引脚及其功能 Vss：接地：接地 Vcc：电源：电源 P0.0P0.7：通道：通道0，双向，双向I/O口。第二功能用作低口。第二功能用作低8位地位地址线和址线和8位数据线位数据线 P1.0P1.7：通道：通道1，双向，双向I/O口。口。P2.0P2.7：通道：通道2，双向，双向I/O口。第二功能是在访问外口。第二功能是在访问外部存储器的时，输出高部存储器的时，输出高8位地址。位地址。P3.0P3.7：双向：双向I/O口，每一条线都有各自的第二功能。口，每一条线都有各自的第二功能。2022-11-1020单片机技术概述单片机的结构和原理 ALE/PROG：地址锁存允许信
13、号：地址锁存允许信号 PSEN：外部程序存储器：外部程序存储器ROM的读选通信号的读选通信号 EA：访问外部存储器控制信号：访问外部存储器控制信号 RST：复位信号输入，当此输入端保持两个机器周期：复位信号输入，当此输入端保持两个机器周期（24个振荡周期）的高电平时，就可以完成复位操作。个振荡周期）的高电平时，就可以完成复位操作。XTAL1和和XTAL2：外接石英晶体和微调电容。：外接石英晶体和微调电容。2022-11-1021单片机技术概述单片机的结构和原理2022-11-1022单片机技术概述单片机的结构和原理MCS-51单片机最小系统举例单片机最小系统举例 拿到一块芯片，想要使用它，首先
14、必须要知道怎样拿到一块芯片，想要使用它，首先必须要知道怎样连线，我们用的一块称之为连线，我们用的一块称之为8751的芯片，下面我们就看的芯片，下面我们就看一下如何给它连线。一下如何给它连线。1、电源：单片机使用的是电源：单片机使用的是5V电源，其中正极接电源，其中正极接40引脚，引脚，负极（地）接负极（地）接20引脚。引脚。2、振蒎电路：单片机是一种时序电路，必须提供脉冲信振蒎电路：单片机是一种时序电路，必须提供脉冲信号才能正常工作，在单片机内部已集成了振荡器，使用号才能正常工作，在单片机内部已集成了振荡器，使用晶体振荡器，接晶体振荡器，接18、19脚。只要买来晶振，电容，连上脚。只要买来晶振
15、，电容，连上就可以了，按下图接上即可。就可以了，按下图接上即可。2022-11-1023单片机技术概述单片机的结构和原理 3、复位引脚：按图中画法连好，至于复位是何含义及为何需、复位引脚：按图中画法连好，至于复位是何含义及为何需要复要复位，在单片机功能中介绍。要复要复位，在单片机功能中介绍。4、EA引脚：引脚：EA引脚接到正电源端。引脚接到正电源端。至此，一个单片机就至此，一个单片机就接好。接好。5、编程并汇编为机器语言，写入、编程并汇编为机器语言，写入8751片内程序存储器。片内程序存储器。6、通电，单片机就开始工作了，即从地址、通电，单片机就开始工作了，即从地址0000开始执行程序。开始执
16、行程序。如要求如要求8个个LED灯间隔轮流亮灭，程序为：灯间隔轮流亮灭，程序为：MOV A,#10101010B ;LOOP:MOV P1,A;(A)(P1)CPL A ;A求反求反 SJMP LOOP ；跳转到；跳转到LOOP2022-11-1024单片机技术概述单片机的结构和原理2022-11-1025单片机技术概述单片机的结构和原理3.1 复位方式复位方式 在复位后，程序计数器在复位后，程序计数器PC的值是的值是0000H，这表明程序，这表明程序的第一条指令必须存入内存的的第一条指令必须存入内存的0000H单元，程序才可能单元，程序才可能在复位后，直接运行。在复位后，直接运行。复位不影响
17、复位不影响RAM的内容。的内容。自动上电复位。自动上电复位。3.3.MCS-51单片机的工作方式单片机的工作方式2022-11-1026单片机技术概述单片机的结构和原理3.2 程序执行方式程序执行方式 单片机的基本工作方式。单片机的基本工作方式。执行的程序可以放在内部执行的程序可以放在内部ROM、外部、外部ROM或者同时放或者同时放在内外在内外ROM中。中。真正的程序一般不可能从真正的程序一般不可能从0000H开始存放，因此需要在开始存放，因此需要在0000H单元可是存放一条转移指令，从而使程序跳转到单元可是存放一条转移指令，从而使程序跳转到真正的程序入口地址。真正的程序入口地址。2022-1
18、1-1027单片机技术概述单片机的结构和原理3.3 单步执行方式单步执行方式 按一次键，执行一条指令。按一次键，执行一条指令。可以利用可以利用MCS-51的中断控制来实现。的中断控制来实现。一般用于调试。一般用于调试。2022-11-1028单片机技术概述单片机的结构和原理3.4 掉电和节电方式掉电和节电方式 在掉电方式下，片上的时钟振荡电路停止工作，在掉电方式下，片上的时钟振荡电路停止工作，CPU也也停止各种活动。停止各种活动。在节电方式下，内部时钟并不停止工作，只是去在节电方式下，内部时钟并不停止工作，只是去CPU的的路径被门电路切断，但仍然供应中断电路、定时器和串路径被门电路切断，但仍然
19、供应中断电路、定时器和串行口。可产生中断来结束节电方式。行口。可产生中断来结束节电方式。2022-11-1029单片机技术概述单片机的结构和原理 CPU的所有工作都是在时钟信号控制下进行的。的所有工作都是在时钟信号控制下进行的。CPU发出的控制信号有两类：一类是用于发出的控制信号有两类：一类是用于CPU内部的；内部的；另一类通过控制总线送到片外。另一类通过控制总线送到片外。4.MCS-51单片机的时序单片机的时序2022-11-1030单片机技术概述单片机的结构和原理3.4.1 机器周期和指令周期机器周期和指令周期 在讨论时序时，以机器周期作为单位。在讨论时序时，以机器周期作为单位。MCS-5
20、1的一个机器周期包括的一个机器周期包括12个振荡周期（时钟周期），个振荡周期（时钟周期），分为分为6个个S状态：状态：S1S6。每个状态又分为两拍，称为。每个状态又分为两拍，称为P1和和P2。每条指令都由一个或几个机器周期组成，在每条指令都由一个或几个机器周期组成，在MCS-51Hong，有单周期指令、双周期指令和四周期指令。，有单周期指令、双周期指令和四周期指令。2022-11-1031单片机技术概述单片机的结构和原理3.4.2 MCS-51指令的取指指令的取指/执行时序执行时序2022-11-1032单片机技术概述单片机的结构和原理3.4.3访问外部访问外部ROM和外部和外部RAM的时序的
21、时序2022-11-1033单片机技术概述单片机的结构和原理2022-11-1034单片机技术概述单片机的结构和原理 对对MCS-51系统的存储器扩展，有以下几点需要注意：系统的存储器扩展，有以下几点需要注意：（1）存储器芯片。）存储器芯片。ROM和和RAM都有独立的数据线、地址都有独立的数据线、地址线和若干控制线，而线和若干控制线，而MCS-51芯片则没有。因此需要锁存芯片则没有。因此需要锁存器来形成器来形成16位地址。位地址。3.5.MCS-51单片机外部存储器的扩展单片机外部存储器的扩展2022-11-1035单片机技术概述单片机的结构和原理（2）在扩展外部）在扩展外部ROM时，用控制信
22、号时，用控制信号PSEN，而在扩展，而在扩展外部外部RAM时，用控制信号时，用控制信号RD和和WR。（3）在选用外接存储器时，应注意）在选用外接存储器时，应注意ALE信号与锁存器选信号与锁存器选通信号的配合。通信号的配合。2022-11-1036单片机技术概述单片机的结构和原理3.5.1 程序存储器的扩展程序存储器的扩展2022-11-1037单片机技术概述单片机的结构和原理3.5.2 数据存储器的扩展数据存储器的扩展2022-11-1038单片机技术概述单片机的结构和原理 8031和和AT29LV040A的连接的连接 512KB分为分为8个个64KB,使用使用P1的的3根口线来选择根口线来选
23、择 FLASH既作程序存储器（既作程序存储器（PSEN),地址为地址为0000FFFFH(64KB),又作数据存储器又作数据存储器(RD和和ER),地址为地址为10000FFFFFH(448KB)3.5.3 单片机和单片机和FLASH存储器的连接存储器的连接2022-11-1039单片机技术概述单片机的结构和原理 8031和和AM29F016B的连接的连接 AM29F016容量为容量为2MB,地址线地址线21根，分为根，分为32K一段，段内一段，段内使用使用A0A14。共分为。共分为64段，段，,由由P2.7的高脉冲选通的高脉冲选通74374锁锁存器，存器，P0口送段地址口送段地址A15A20。2022-11-1040单片机技术概述单片机的结构和原理
