第2章 MCS-51单片机芯片的硬件结构

null 第二章 单片机芯片的硬件结构 第二章 单片机芯片的硬件结构第五节 单片的复位 第一节 MCS-51系列单片机的结构第二节 存储器结构第三节 输入/输出口（I/O口）第四节 时钟电路及时序 第六节 单片机的低功耗操作方式null第一节 MCS-51系列单片机的结构 一、MCS-51单片机的内部结构 二、MCS-51单片机的引脚功能null一、51单片机的基本结构 MCS-51单片机功能模块框图 null MCS-51芯片内部总体结构框图null下图为MCS-51单片机的引脚配置图 1．主电源引脚VCC和VSS （2根） 2．外接晶振引脚XTAL1和XTAL2 （2根） 3．控制或其他电源复用引脚RST/ VPD、 ALE/PROG、PSEN、和EA/VPP （4根） 4．输入/输出引脚P0、P1、P2、P3 （共32根）二、 MCS-51单片机引脚功能null MCS-51系列单片机引脚图nullnull控制引脚说明： 1 地址锁存控制信号 ALE：访问片外ROM,RAM时，ALE用于控制把P0口输出的低8位地址送入锁存器锁存，实现低位地址和数据的分时传送。不访问片外存储器时，可做为外部时钟使用。2 外部程序存储器读选通信号 PSEN : CPU访问片外ROM时，使 PSEN低电平有效，可实现片外ROM的读操作，其他情况下此引脚为高电平封锁状态。3 访问程序存储器控制信号 EA：当EA信号为低电平时，对ROM的读操作是针对外部ROM的，当EA信号为高电平时，对ROM的操作是从内部ROM开始，并可延续至外部ROM。4 复位信号 RST: 复位即初始化，分自动上电复位和人工开关复位， 复位时，产生一个延续2个机器周期以上的高电平为有效，实现单片机 的复位操作。null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DBABABCBCBnullP3口的第二功能表  P3 口线的第二功能都是单片机重要的控制信号。因此在使用时，总是按需要优先选用他的第二功能，剩下不用的才作为口线使用。null一、数据存储器 二、程序存储器 三、单片机系统存储器结构特点第二节 单片机的存储器结构一、数据存储器 对51子系列，共256字节内部数据存储器，其中低128字节可以让用户使用，高128单元被专用寄存器（SFR）占用，不能让用户使用，所以常说的内部RAM区指的是低128单元； 对52子系列，共有384字节内部数据存储器，低128字节RAM，高128字节RAM和128字节的专用寄存器区，常说的内部RAM为256字节。 对内部数据存储器的访问使用MOV指令。 一、数据存储器 null内部数据存储器地址分配仅52子系列有低128字节RAMNEXTnull 数据缓冲区/堆栈区： 30H～7FH 位寻址区： 字节地址：20H～2FH 位地址为：00H～7FH 工作寄存器区： 字节地址：00H～1FH 1.1 内部数据存储器低128单元(00-7FH)null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,选择哪个工作寄存器组是通过软件对程序状态字寄存器PSW的第3、4位进行设置实现的1.1.1 工作寄存器区1.1.2 位寻址区(位寻址区共16个字节,128位，同时还包括部分专用寄存器区中可位寻址的专用寄存器)1.1.2 位寻址区(位寻址区共16个字节,128位，同时还包括部分专用寄存器区中可位寻址的专用寄存器)8051/8052内部RAM位地址区例：位寻址空间的 使用 MOV 20H,#30H； MOV 20H,C null*:可位寻址的特殊功能寄存器null1.1.3 数据缓冲区数据缓冲区:内部RAM中30H-7FH为80个单元的数据缓冲区，这些单元只能按字节寻址。1.2 内部数据存储器高128单元(80H-0FFH) 1.2 内部数据存储器高128单元(80H-0FFH) 特殊功能寄存器SFR 1）占用字节地址： 80H～FFH 2）可位寻址寄存器： 其字节地址可被8整除 3）专用寄存器： A、B、PSW、DPTR、SP I/O接口寄存器： P0、P1、P2、P3、 SBUF、TMOD、 TCON、SCON …80C51共有22个专用寄存器，离散分布在数据存储器高128字节的80H-FFH中，因为这些存储器的功能已作专门规定，所以称作专用寄存器（SFR）。对没有被专用寄存器使用的空闲地址的操作是无意义的 null 2）寄存器B (8位) 与A累加器配合执行乘、除运算。也可用作通用寄存器。乘法时：B为乘数并存放乘积的高八位；除法时：B为除数并存放余数。 MUL AB DIV AB 1）累加器Acc (8位) A 需要ALU处理的数据和计算结果多数要经过A累加器，相当于十字路口的警察。累加器在算术运算中存放操作数和运算结果；在一些运算中作为源或目的操作数;在变址方式中作为变址寄存器。 MOV A，#03 ADD A，#05H 3) 程序计数器PC (16位) 将要执行的指令地址。PC是唯一不可寻址的寄存器，用户不可对其进行读、写。在执行转移、调用、返回的指令时能自动改变其 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 ，以改变程序的执行顺序。复位时：PC=0000H，程序从此单元开始执行，访问范围：0000~FFFFH即64K。1.2.1 相关专用寄存器介绍null4）程序状态字PSW(8位) 存放ALU运算过程的标志状态，用来存放程序状态信息，而且某些指令的执行结果会自动影响到PSW的有关标志位，有些标志位可用指令来设置。null 例:设程序执行前,F0=0 RS1,RS0=00,则执行下述后PSW的各位状态？ MOV A , ＃0FH ADD A, #F8H 执行后，PSW各位的状态为： 1 1 0 0 0 0 x 1 B 用十六进制表示为 ：0C1H或0C3H 0 0 0 0 1 1 1 1 CY=1(A7有进位) CS=1(A6有进位） OV=CY+CS=1+1=0 + 1 1 1 1 1 0 0 0 AC=1(A3有进位)，F0=0 , RS1,RS0=00 1 0 0 0 0 0 1 1 1 P=1(数据位有3个1，不算进位位的1)CY CSnull5）数据指针DPTR(16位) 由高位字节DPH和低位字节DPL 组成，主要用于存放片外存储器16位地址，作为片外存储器的指针。既可作为一个16位寄存器来使用，也可作为2个独立的8位寄存器DPH （DPTR高8位字节）和DPL （DPTR低8位字节）来使用。 DPH： 8bit 0----255 DPL： 8bit 0----255 DPTR：16bit 0----65535null6）堆栈指针SP (8位) 堆栈是一种数据结构,专门存放向上生长堆栈的栈顶位置。 遵循“先进后出，后进先出”的原则进行数据存取的一种工作方式。 主要用于子程序调用及返回和中断处理断点的保护及返回。 初始化时， SP＝07H。 堆栈区一般设置在内部RAM的高端区域(建议在30H-7FH) 。例： MOV A , ＃35H MOV SP , ＃30H PUSH A ; SP+1 SP #35H (SP) 指令执行后（31H）=35H，SP=31H POP A; (SP) A, SP-1 SP 指令执行后 A=35H，SP=30Hnull30HSP栈底31H353AH10H栈顶…………入栈操作：先SP加1，后写入数据 出栈操作：先读出数据，后SP减1入栈操作示意图1.2.2 堆栈操作 null1、堆栈的功能： 保护断点，存储16位的PC值，自动执行。 保护现场，存储寄存器的值，人工（手动）执行。 2、堆栈的开辟： 只开辟在芯片内部的数据存储器中，速度快。 3、堆栈的指示器： 8bit的SP 堆栈是按“先进后出”原则存取数据的存储区。 数据入栈/出栈时，SP自动加1/减 1，其内容始终为栈顶地址。 复位时 SP=07Hnull1.2.3 专用寄存器的字节寻址和位寻址 21个可寻址的专用寄存器中，有11个寄存器可以位寻址，有83个可寻址位。 位寻址区：128个通用位。 可位寻址的共有211位，null1.3 外部数据存储器 外部数据存储器一般由静态RAM构成，其容量大小由用户根据需要而定, 最大可扩展到 64 KB RAM , 地址是 0000H~0FFFFH。 对外部数据存储器的访问使用MOVX指令null 二、 程序存储器 片内加片外共有64K的ROM寻址空间，内部ROM地址0000H~0FFFH中有一块特殊区间0000H-002AH: 0000H—0002H  系统的启动单元，单片机复位后，PC＝0000H，程序从0000H单元开始取指令。 0003H—000AH  外部中断0中断地址区。 000BH—0012H  定时/计数器0中断地址区。 0013H—001AH  外部中断1中断地址区。  001BH—0022H  定时/计数器1中断地址区。  0023H—002AH  串行中断地址区。 EA高电平，从片内程序存储单元读起并可一直延伸到片外, EA低电平，从片外程序存储单元读对程序存储器的访问都是用MOVC指令三、MCS-51存储结构特点 补充三、MCS-51存储结构特点 补充普林斯顿结构：程序和数据共用一个存储 器逻辑空间，统一编址。 哈佛结构： 程序\数据分为两个独立存 储器逻辑空间，分开编址。null MCS-51在物理上有四个存储空间： 1、片内程序存储器 2、片外程序存储器、 3、片内数据存储器 4、片外数据存储器。MCS-51采用哈佛结构从逻辑上划分有三个存储器地址空间： 1、片内外统一编址的64K字节程序存储器（0000H~0FFFFH） 2、内部256字节数据存储器地址空间（包括 128字节片内RAM和128字节的SFR） 3、外部64K字节数据存储器地址空间（0000H~0FFFFH）null51子系列总 结null内部ROM外部ROM/EA=1/EA=0外部ROM外部ROM51子系列总 结null第三节 并行输入/输出端口结构（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。 P0、P1、P2、P3，属于专用寄存器 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。 可以按字节寻址，也可以按位寻址。null1.1 P0口作为一般I/O口输出(要外加上拉电阻)P0.n锁存器P0.nQQD读锁存器写锁存器内部总线读引脚T2MUX地址/数据控制T1VCC0VCC100－200ΩP0口的位结构 一、 P0口结构nullP0口的位结构1.2 P0口作为输入（先把p0口置1，使T1,T2截止）P0.nT2地址/数据控制T1VCCP0.n锁存器QQD读锁存器写锁存器内部总线读引脚MUX1000ORL P0 , #FFH MOV A, P0nullP0口的位结构1.3 P0口作为A/D总线输出(接外部扩展存储器)null1、注意读引脚和读锁存器的区别。 2、输出时接上拉电阻。 3、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”,才能正确输入数据，称为准双向口。 4、作A/D总线时，分时输出A0~A7 和D0~D7, MUX当程序中出现MOVX语句时自动切向上方，扩展使用作为D0~D7 / A0~A7 ；不出现MOVX语句则作为普通IO口。 P0口 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf null 二、 P1口结构 1、注意读引脚和读锁存器的区别。 2、普通IO输入时，必须把P1相应位置1，使FET关断，使引脚悬浮成为高阻，才能正确输入数据，称为准双向口。null三、 P2口结构 1、注意读引脚和读锁存器的区别。 2、普通IO输入时，必须把P2相应位置1，使FET关断，使引 脚悬浮成为高阻，才能正确输入数据，称为准双向口。 3、 MUX当程序中出现MOVX A，@DPTR（16bit）语句时 自动切向上方，输出高8位地址 ；而执行MOVX A，@Ri （8bit），时不切换，仍作为普通IO口使用。 null四、 P3口结构 1、注意读引脚和读锁存器的区别。 2、普通IO输入时，必须把P3相应位置1，使FET关断，使引脚悬浮成为高阻，才能正确输入数据，称为准双向口。 3、启动第二功能口，应将锁存器置1，控制端为1，FET截止 I/O口电路小结 1. P0口： 通用双向并行I/O口或低8位地址/数据传送分时复用。 I/O口电路小结 1. P0口： 通用双向并行I/O口或低8位地址/数据传送分时复用。2.P1口： 最简单的I/O通用双向并行接口。3. P2口： 通用双向并行I/O接口或高8位地址总线AB8～154. P3口： 通用双向并行接口和第二功能口： 串行接口引脚： TXD、RXD 中断输入引脚： INT0、INT1 定时器输入引脚：T0、 T1 读写控制线： RD、 WRnull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 ORL P1，#0FFH；读锁存器（目的操作数必须是一个I/O口或I/O口的某一位） MOV A，P1 ； 读引脚 （源操作数是一个I/O口或I/O口的某一位） 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”。null第四节 时钟电路及时序一、时钟电路单片机时钟电路通常有两种形式： 1．内部振荡方式：引脚XTAL1和XTAL2分别接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，以及两个电容连接，就构成了内部自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。 晶体振荡器频率即为系统的振荡频率。通常为1.2MHz-12MHz，晶振频率越高，单片机运行速度就越快。 2．外部振荡方式：外部振荡方式就是把外部已有的时钟信号引入单片机内。 外部振荡方式常用于多块芯片同时工作，以便于同步。 null内部振荡方式 外部振荡方式XTAL2XTAL1MCS-51C1C2CYSXTAL2XTAL1MCS-51+5VVSSTTL外部时钟源至内部时钟HMOS型null时序研究的是指令执行中各信号之间的相互时间关系。下面是有关CPU时序的几个概念。二、时序1．振荡周期：为单片机提供时钟信号的振荡源的周期。也称拍节，用P表示。 如果为内部时钟方式，振荡周期即为石英晶体的振荡周期。 2．时钟周期：是振荡源信号经二分频后形成的时钟脉冲信号。也称状态周期用S表示。也就是一个时钟周期是振荡周期的2倍。 3．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。MCS-51一个机器周期含6个时钟周期。 4．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。nullP1P2 S1P2振荡周期也称节拍P时钟周期也称状态S机器周期机器周期指令周期XTAL2 (OSC)S2 S3 S4 S5 S6 S1 S2 S4 S5 S3 S6 P1 P1 P1 P1 P1 P1 P1 P1 P1 P1 P1 P2 P2 P2 P2 P2 P2 P2 P2 P2 P2 MCS-51单片机各种周期的相互关系振荡周期、时钟周期、机器周期、指令周期null 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 时钟周期＝1/6μs＝0.167μs 机器周期＝1μs 指令周期＝1～4μsnullnullCPU执行程序的简要过程： 1）PC给出当前指令的存储地址。PC=PC=PC= 2）CPU到存储器取指令，PC+1 3）指令译码器对指令译码， CPU执行指令。 4）CPU到存储器取指令， PC=PC+1。 5）CPU执行下一条指令，…指令寄存器null第五节 单片机的复位1、单片机为什么需要复位： 复位是单片机的初始化操作，把PC初始化为0000H，使得单片机从0000H单元开始执行程序。使CPU和各个部件处在一个确定的初始状态，并从这个状态由用户程序开始引导工作。。2、什么时候需要复位： 冷启动——当系统初始加电的时候——上电复位 热启动——当程序运行死机的时候——按钮复位3、单片机复位的条件： 在振荡器运行时，RST端至少保持2个机器周期的高电平4、实现单片机复位的具体电路（复位方式）4、实现单片机复位的具体电路（复位方式）RSTVSS+5VRSTVSS+5V8.2K8.2K100Ω22uFnullnullP0 P1P2P3+5V+5VEA80518751XTAL1XTAL28888 8051/8052最小应用系统MCS－51单片机最小应用系统 30p30p22u10010kRST8951VCC+5VVSS第六节 单片机的低功耗操作方式第六节 单片机的低功耗操作方式1、为什么需要低功耗操作： 节能、特别是在便携式电池供电方式下。 2、怎样进行低功耗操作： 对PCON的相应位进行置高或置低。如 SETB IDL 等同于 SETB PCON.0 3、低功耗工作模式及耗电量： 1)待机方式：从正常工作24mA降为3.7mA。 2) 掉电方式：从待机3.7mA降为50uA。null思考题1、MCS-51单片机的EA信号有何功能？使用8031时EA信号引脚如何处理？ 2、内部RAM低128单元如何划分？ 3、8051存储器空间在物理上和逻辑上如何划分？ 4、程序计数器PC的内容以及特点是什么？ 5、堆栈的功能及 特点？