第二章 MCS-51单片机的硬件结构与工作原理.ppt

第二章 MCS-51 单片机的硬件结构 与工作原理,2.1 MCS-51单片机的片内结构 2.2 MCS-51的封装与引脚 2.3 MCS-51单片机的CPU 2.4 MCS-51存储器的结构 2.5 复位电路 2.6 时钟电路 2.7 MCS-51单片机最小系统,2.1 MCS-51单片机的片内结构,MCS-51单片机的组成部件：微处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM/EPROM）、I/O并行口（P0口、P1口、P2口、P3口）、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存（SFR） MCS-51单片机片内结构图,结构特点：单一总线连接，CPU加外围芯片的传统结构模式，采用SFR对各功能部件进行集中控制。,各功能部件说明：,1.数据存储器（RAM）：片内有128个字节（单元），片外最多可外扩至64K字节。 2. 程序存储器（ROM/EPROM/EEPROM）：8031无此部件；8051为4K ROM；8751为4K EPROM。片外最多可外扩至64K字节。 3.中断系统：具有5个中断源，2级中断优先权。 4.定时器/计数器：2个16位的定时器/计数器，具有四种工作方式。,精确定时、对外部事件计数的需要 、,MCS-51 CPU中的位处理器，是一个完整的1位微计算机，它有自己的CPU、位寄存器、I/O口和指令集。这个1位机在开关决策、逻辑电路仿真 、工业控制方面很有效；而8位机在数据采集、运算处理有优势。二者相辅相成，是单片机技术上的1个突破。,返回,2.2 MCS-51单片机的封装与引脚,制造工艺为CHMOS的80C51/80C31除采用DIP封装外，还采用方形封装方式，为44只引脚。,制造工艺为HMOS的MCS-51的单片机都采用40只引脚的双列直插封装(DIP）方式，目前大多数为此类封装方式。,2.2.1 MCS-51单片机的封装形式,3.I/O口引脚： P0、P1、P2、P3为4个8位I/O口的外部引脚.,40只引脚按其功能来分，可分为三部分：,1.电源及时钟引脚： Vcc、Vss；XTAL1、XTAL2,2.2.1 电源及时钟引脚,电源引脚 : Vcc（40脚）：5V电源； Vss（20脚）：接地。,(2) 时钟引脚: 时钟引脚外接晶体与片内的反相放大器构成了一个振荡器，它提供单片机的时钟控制信号。时钟引脚也可外接晶体振荡器。,XTAL2（18脚）：在单片机内部，接至内部反相放大器的输出端。当采用外接晶体振荡器时，该引脚应悬空。,XTAL1（19脚）：在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端。这个放大器构成片内振荡器。当采用外接晶体振荡器时，此引脚应接收振荡器的信号。,内部时钟方式,机器周期、指令周期与指令时序,ALE,时钟,一个机器周期=12时钟周期,机器周期、指令周期与指令时序,ALE,时钟,一个机器周期=12时钟周期,指令周期：,定义：执行一条指令所需时间。,指执行令所需时间：14机器周期。,fosc=6MHz，,fcy=fosc/12，Tcy=2us；,fosc=12MHz，,fcy=fosc/12，Tcy=1us,2.2.2 控制引脚,RST/VPD（9脚） RST:单片刚接上电源时，其内部各寄存器处于随机状态，在此脚输入24个时钟周期宽度以上的高电平将使单片机复位。单片机正常工作时，此脚应为0.5V低电平。 VPD:备用电源输入端。当Vcc下降到低于规定的值，而VPD在其规定的电压范围内（5±0.5V）时，VPD就向内部RAM提供备用电源以保持内部RAM的数据。,ALE引脚输出为地址锁存允许信号,当单片机上电工作 后,ALE引脚不断输出正脉冲信号.,当访问片外RAM存储器时，ALE(地址锁存允许信号)输出脉冲的负跳沿用于16位地址的低8位锁存信号。,不访问片外存储器，ALE端以时钟振荡器频率的1/6固定输出正脉冲。在访问外部数据存储器时（执行MOVX指令），ALE会丢失一个ALE脉冲。,PROG为本引脚的第二功能,对于EPROM型 单片机（8751），在EPROM编程期间，此引脚用来输入编程脉冲。,思考：ALE能用做时钟源或做定时吗，为什么？,VPP: 8751片内EPROM固化编程时，用于施加较高的编程电压。,2.2.3 I/O口引脚,P0口：双向8位三态I/O口，此口为地址总线（低8位）及数据总线分时复用口，可带8个LSTTL负载。 P1口：8位准双向I/O口，可带4个 LSTTTL负载。 P2口：8位准双向I/O口，与地址总线 （高8位）复用。 P3口：8位准双向I/O口，双功能复用口。,返回,2.3 MCS-51单片机的CPU,ALU（算术逻辑运算单元）、位处理器、累加器A、寄存器B暂存器以及程序状态字寄存器PSW和BCD码修正电路。,实现数据的算术、逻辑运算，位变量处理和数据传输。,2.3.1 MCS-51单片机CPU的组成,、运算器 包含部件：,功能：,1) ALU,增加不经过累加器A的传送指令，既可以加快数据的传送速度，同时又可减少“瓶颈”现象的发生。,数据存送大都通过通过A，易形成“瓶颈”。,2)累加器A（ACC）,8位的累加器，也是CPU中使用最频繁的 寄存器。它的进位标志Cy是特殊的，因为 它同时是位处理器的一位累加器。,思考：如何减少“瓶颈”现象的发生？,是为执行乘法和除法操作设置的，在不执行乘法、除法操作的情况下，可作普通寄存器使用。 乘法：A、B存放乘数和被乘数，乘积存放在BA寄存器对中。B中放乘积的高8位，A中放乘积的低8位。 除法: 被除数取自A,除数取自B，商存放在A,余数存放于B。,3)寄存器B,4) 程序状态寄存器PSW（Program Status Word）,8位可读写的寄存器。其各位的定义如下：,1)Cy:,进位标志位.,在执行算数和逻辑指令时，有进位/借位时，Cy=1，否则Cy=0. 在位处理器中，它是位累加器。,2)AC：,辅助进位标志位,当进行加法或减法操作而产生由低4位进位或借位时，AC被硬件置1，否则被清除。,3) F0：,用户设定标志位,4)RS1、RS0:,4组工作寄存器区选择控制位1和位0.这两位用来选择片内RAM区中的4组工作寄存器区中的哪一组为当前工作寄存器，对应关系如下：,OV（PSW.2）溢出标志位:当执行算术指令时，由硬件置1或清0，以指示是否溢出。 P（PSW.0）奇偶标志位:每个指令周期都由硬件来置位或清除，以表示累加器A中值为1的位数的奇偶数。 P=1，则A中1的个数为奇数。 P=0，则A中1的个数为偶数。 此标志位对串行口通讯中的数据传输有重要的意义，常用奇偶检验的方法来检验数据传输的可靠性。,(A)=10101011 P=1还是0?,2.3.2 控制器,控制器是单片机的神经中枢。单片机执行指令是在控制器下进行的。 一条指令的执行过程： 取指令分析指令（指令译码）执行指令 包含部件：指令部件、时序部件和微操作控制部件。,指令部件介绍,程序计数器PC PC中存放的内容：下一条将要执行的指令在程序存储器中的地址。 PC的位数决定了单片机对程序存储器可以直接寻址的范围。 思考：MCS-51系列单片机，寻址范围是多少？,PC是一个16位的计数器，所以寻址范围为64KB(216=65536).,程序计数器的基本工作方式： （1）顺序执行时，PC自动加1。 （2）执行转移指令时，PC被置入新值，从而使程序流向改变。 （3）执行子程序调用或响应中断时，单片机自动完成下列操作： PC的现行值（断点值），自动压入堆栈。 将子程序入口地址或中断向量的地址送入PC,程序改变流向，转向执行子程序或中断服务程序。执行完毕后，遇到RET或RETI时，将堆栈中保存的断点值弹到PC中，程序又返回到断点处继续执行未完成的部分。,指令寄存器IR IR: 存放指令操作码。,控制器的功能可总结为：接受来自存储器的指令，进行指令译码，根据指令的性质控制单片机各功能部件，保证单片机各部分协调工作，完成指令做规定的各种操作。,CPU时序及时钟电路,单片机的时序就是CPU在执行指令时所需控制信号的时间顺序。单片机运行时是以主振频率为基准的，控制器控制CPU的时序，对指令进行译码，然后发出各种控制信号，将各个硬件环节组织在一起，这种严格的时序保证了各部件间的同步工作。 为了便于对CPU时序进行分析，我们将指令的执行过程规定了以下几种周期，即时钟周期、机器周期和指令周期。,1. 时钟周期(振荡周期) 时钟周期是计算机中最基本的、最小的时间单位。它定义为时钟脉冲频率的倒数。在80C51单片机中将一个时钟周期定义为1个节拍。 即 TOSC = 1/f OSC 若 f OSC= 1 MHz, TOSC = 1µS 对于8051单片机而言，时钟频率范围是1.212 MHz。,2. 机器周期 一条指令的指令过程划分为若干个阶段，每一阶段完成一项基本操作，例如取指令、读存储器、写存储器等，我们将CPU完成这每一个基本操作所需的时间定义为机器周期。 每个机器周期（12个振荡周期）由6个状态周期组成，即S1、S2、S6，而每个状态周期由两个时相P1,P2组成（即为2个主振振荡周期）。所以一个机器周期可依次表示为S1P1、S1P2、S2P1、S2P2S6P1、S6P2。,从上图可以看到，一个机器周期中通常出现两次ALE信号，即从ROM中取两次操作码，读入指令寄存器，指令周期的执行开始于S1P1时刻，而总是结束于S6P2时刻 。 提示：访问片外数据存储器（MOVX）时，将会丢失1个ALE脉冲。,3. 指令周期 定义：执行一条指令所需的时间。 MCS-51的指令周期一般只有12个机器周期，只有乘、 除两条指令占4个机器周期。当用12MHz晶体作主振频率时，执行一条指令的时间，也就是一个指令周期为1us、2us及4us。,返回,2.4 MCS-51存储器的结构,MCS-51单片机存储器采用的是哈佛结构，即程序存储器空间和数据存储器空间是分开的。,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 片内数据存储器 片外数据存储器,8051在逻辑结构（用户角度）有3个存储空间： 1.片内外统一编址的64K字节程序存储器地址空间（用16位地址）； 2.片内256字节RAM； 3.片外64KBRAM,提示：访问不同的逻辑空间时，应采用不同的指令。 但是，为了对MCS-51的存储器讲述的更清楚，下面分五类加以介绍：程序存储器、内部数据存储器、特殊功能寄存器、位地址空间和外部数据存储器。,2.4.1 程序存储器,程序存储器用于存放应用程序和表格之类的固定常数。上一小节我们已经了解了由于程序计数器PC是16位的（地址总线为16根），所以程序存储器最多可扩展至64KB的。,(2)程序存储器的某些单元被固定用于各中断源的中断服务程序(ISR-Interrupt Service Routine)的入口地址。,2.4.2 内部数据存储器,MCS-51 RAM在物理上和逻辑上分为两个地址空间。 片内RAM：128字节，用MOV指令访问。 （从广义上来说，应该有256B。） 片外RAM：可扩展64K字节，用MOVX指令访问。,2.4.3 特殊功能寄存器（SFR）,SFR的实质是一些具有特殊功能的片内RAM单元。个数的总数为21个，字节地址范围为80HFFH。离散地分布在该区域中。其中有些SFR还可以进行位寻址。,在上述表中，打*SFR是可以位寻址的。我们可以发现一个规律，那就是其字节地址的末尾是0H或是8H(字节地址能被8整除)。,对于尚未定义的字节地址单元，用户不能作普通寄存器使用，若访问没有定义的单元，将得到一个不确定的随机数。,下面将简单介绍几个常用的SFR。 1. 堆栈指针SP SP是一个8位的SFR, 堆栈的实质是一个特殊的RAM区，主要功能是暂放数据和地址。堆栈的具体功能为： （1） 保护断点：子程序调用以及中断时，最终都要返回主程序。为了保证程序能正确返回，应该在堆栈中预先将主程序的断点保护起来。 （2） 现场保护： 单片机执行子程序或ISR之后，很可能要用到单片机中的一些寄存器，为了不破坏寄存器中的原有内容，可以把有关寄存器的内容保存起来，送入堆栈。,堆栈的特点： 先进后出。 堆栈的操作：进栈（PUSH），出栈（POP）。第一个进栈的数据所在的单元称为栈底，然后逐次进栈，最后进栈的数据所在的存储单元称为栈顶。,堆栈的操作有两种方式： （1）指令方式，使用堆栈操作指令进行进栈/出栈操作。 （2） 自动方式，在调用子程序或产生中断时，返回地址（断点）自动进栈。程序返回时，断点地址再自动弹回PC。这种堆栈操作不需要干预，是通过硬件自动实现的。 提示：系统复位后,SP初始化为07H，使得堆栈事实上由08H开始。因为08H-1FH单元为工作寄存器区1-3, 20H-2FH为位寻址区，在程序设计很可能要用到这些区，所以用户在编程时最好把SP初值设为2FH或更大值，当然同时还要顾及其允许的深度。要防止设置不当，引起内部RAM单元冲突。,2.数据指针DPTR 16位的SFR，高位字节寄存器用DPH表示，低位字节寄存器用DPL表示。DPTR既可以作为1个16位寄存器DPTR来用，也可以作为2个独立的8位寄存器DPH和DPL来用。 3.I/O端口P0-P3 特殊功能寄存器P0-P3分别为I/O端口P0-P3的锁存器。 在MCS-51中，I/O端口和RAM是统一编址的，所有访问RAM单元的指令，都可用来访问I/O端口。 4.串行数据缓冲器SBUF 用于存放欲发送或已接受的数据，它在SFR块中只有一个字节地址，但是物理上是由两个独立的寄存器组成的，一个发送缓冲器，另一个是接收缓冲器。 5.定时器/计数器 MCS-51单片机有2个16位定时器/计数器T1和T0,它们各由2个独立的8位寄存器组成，共有4个独立的寄存器：TH1、TL1、TH0、TL0，可以分别对这4个寄存器进行字节寻址，但不能把T1或T0当作1个16位寄存器来寻址访问。,2.4.4 位地址空间,MCS-51有一个功能很强的位处理器，指令系统中有着丰富的位操作指令，这些指令构成了位处理机的指令机。 在RAM和SFR中共有211个可寻址位的位地址 128位 20H-2FH 211个寻址位的位地址 83位 80H-FFH 可位寻址的SFR有11个，共有位地址88个,其中5个未使用，其余83位离散地分布在片内字节地址范围80H-FFH中。,MCS-51内部RAM的可寻址位及其位地址表,2.4.5 外部数据存储器,当MCS-51片内的128B的RAM不够用时，需要通过外扩存储器，最多可扩展64KB,这对许多应用场合已是足够使用的。,下面就MCS-51存储器的结构简要进行小结： 地址的重叠性 存在3处重叠性，但是尽管有这些重叠，却不会产生操作的混乱。这是因为MCS-51采用了不同的操作指令及EA的控制选择来自动区分这些重叠的空间。具体的区分方法： （1） 程序存储器和数据存储器全部64k重叠。 访问程序存储器使用MOVC类指令。 访问数据存储器使用MOV和MOVX类指令。 （2） 数据存储器片内和片外低128B重叠 访问片内数据存储器使用MOV类指令。 访问片外数据存储器使用MOVX类指令。 （3） 程序存储器片内和片外低4KB重叠 EA接高电平, 执行片内ROM中的程序，PC0FFFH，CPU自动访问片外。 EA接低电平，只执行片外程序存储器中的程序。,2. 程序存储器与数据存储器在使用上的严格区分 程序存储器存放指令及常数表格，其操作指令不分片内与片外。 数据存储器存放数据，访问片内与片外的指令是不同的。 3. 位地址共有2个区域。 一个为20H-2FH单元中128位,另一个为SFR中被8整除的字节地址单元中的位. 4. 片外数据存储区中，RAM存储单元与MCS-51外扩的I/O口是统一编址的。因此，应用系统中所有外围I/O端口的地址均占用RAM地址单元。,返回本章,2.5 复位与复位电路,2.5.1 复位操作 复位是单片机的初始化操作，只需要在复位引脚RST（RESET）加上大于两个机器周期的高电平就可使MCS-51复位。复位时，PC初始化为0000H,所以单片机是从0000H单元开始执行程序。复位时片内个寄存器的状态：,2.5.2 复位电路,上电复位的原理: 利用电容充电来实现。上电瞬间，RC电路充电，RST引脚端出现正脉冲。只要RST引脚端保持10ms以上高电平，就能使单片机有效地复位。 MCS-51的复位是由外部的复位电路来实现的。,复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。,2.7 MCS-51单片机最小系统,