第2章MCS51单片机硬件结构.ppt

【学习目的和要求学习目的和要求】第二章第二章 MCS-51MCS-51单片机硬件结构单片机硬件结构了解了解MCS-51MCS-51单片机的内部结构、单片机的工作过程；单片机的内部结构、单片机的工作过程；熟炼掌握累加器、程序状态字寄存器、程序计数器、堆栈熟炼掌握累加器、程序状态字寄存器、程序计数器、堆栈指针、数据指针寄存器、特殊功能寄存器的特点及应用；指针、数据指针寄存器、特殊功能寄存器的特点及应用；掌握掌握MCS-51MCS-51单片机的存储器分配、结构特点和引脚功能；单片机的存储器分配、结构特点和引脚功能；熟悉单片机的时钟电路、复位电路及指令时序。熟悉单片机的时钟电路、复位电路及指令时序。CPUCPU运算部件运算部件控制部件控制部件B BRAMRAMP0P0口口P2P2口口ROMROM(EPROM)(EPROM)串行串行 C/TC/T中断中断系统系统SFRSFRP1P1口口8 8P3P3口口8 88 88 8XTALXTAL1 1XTALXTAL2 2PSEN ALEPSEN ALE EA RESET EA RESETVccVccVssVss 按功能可分成按功能可分成8 8个部件，通过片内单一总线连接起来个部件，通过片内单一总线连接起来1.1.微处理器微处理器2.2.数据存储器数据存储器3.3.程序存储器程序存储器4.I/O4.I/O口口5.5.串行口串行口6.6.定时定时/计数器计数器7.7.中断系统中断系统8.8.特殊功能特殊功能寄存器寄存器 控制方式：控制方式：SFRSFR对各功能部件集中控制对各功能部件集中控制2-1第二章第二章 MCS-51MCS-51单片机硬件结构单片机硬件结构MCS-51系列单片机按芯片特性可分为基本型和增强型51子系列是基本型，而52子系列是增强型第二章第二章 MCS-51MCS-51单片机硬件结构单片机硬件结构40个引脚的双列直插式（DIP）封装形式44个引脚方形封装方式（有4个空脚）第二章第二章 MCS-51MCS-51单片机硬件结构单片机硬件结构逻辑符号X1 X2 EA PSEN ALE RST VCC GND 8051 P0 P1 P2 P3 P00P07 P10P17 P20P27 P30P37 控控制制引引脚脚并行并行I/O口引脚口引脚电源及时钟引脚电源及时钟引脚引脚引脚转义引脚转义引脚第二功能说明第二功能说明P3.0P3.0RXDRXD串行数据接收端串行数据接收端P3.1P3.1TXDTXD串行数据发送端串行数据发送端P3.2P3.2INT0INT0外部中断外部中断0 0请求请求P3.3P3.3INT1INT1外部中断外部中断1 1请求请求P3.4P3.4T0T0计数器计数器0 0外部输入外部输入P3.5P3.5T1T1计数器计数器1 1外部输入外部输入P3.6P3.6WRWR外部数据存储器写外部数据存储器写P3.7P3.7RDRD外部数据存储器读外部数据存储器读MCS-51MCS-51单片机单片机P3P3口的第二功能口的第二功能从功能和用途方面内部数据存储器可以分为从功能和用途方面内部数据存储器可以分为3 3个区域：个区域：工作寄存器区、位寻址区、堆栈和数据缓冲器区第二章第二章 MCS-51MCS-51单片机硬件结构单片机硬件结构 RS1 RS0 所选的所选的4组寄存器组寄存器 0 0 0区（内部区（内部RAM地址地址00H07H）0 1 1区（内部区（内部RAM地址地址08H0FH）1 0 2区（内部区（内部RAM地址地址10H17H）1 1 3区（内部区（内部RAM地址地址18H1FH）P0口内部结构Q QQ QD DC CVccVcc控制AD0AD0P0R1P0R1 P0R2P0R2D0D0P0WP0W读锁存器读引脚锁存器锁存器内部总线写锁存器地址/数据P00P00多路开关多路开关BUF2BUF110Vcc P10 Q Q D C P1R1 P1R2 D0 P1W R*图2、P1口内部结构 写数据读端口读锁存器内部总线写寄存器读引脚上拉电阻锁存器第二章第二章 MCS-51MCS-51单片机硬件结构单片机硬件结构Q Q D C Vcc 控制 地址 P2R1 P2R2 D0 P2W P20 图3、P2口内部结构 R*读锁存器内部总线写寄存器读引脚R上拉电阻锁存器Q Q D C Vcc 变异输出 P3R1 P3R2 D0 P3W P30 图3、P3口内部结构 R*变异输入 1输出输出I/O口口1读I/O口1 1P0P0P3P3端口功能总结端口功能总结使用中应注意的问题：使用中应注意的问题：P0P0P3P3口都是并行口都是并行I/OI/O口，但口，但P0P0口和口和P2P2口口还可用来构建还可用来构建 数据总线和地址总线，故数据总线和地址总线，故电路中有一个电路中有一个MUXMUX，进行转换，进行转换 而而P1P1口和口和P3P3口口无构建系统的数据总线和地址总线的功能无构建系统的数据总线和地址总线的功能 因此，因此，无需转接开关无需转接开关MUXMUX只有只有P0P0口口是一个真正的是一个真正的双向口双向口，P1P1P3P3口口都是都是准双向口准双向口 原因原因:P0P0口作数据总线使用时，为保证数据正确传送，口作数据总线使用时，为保证数据正确传送，需解决芯片内外的隔离问题，需解决芯片内外的隔离问题，即只有在数据传送时芯片内即只有在数据传送时芯片内 外才接通；否则应处于隔离状态。为此，外才接通；否则应处于隔离状态。为此，P0P0口的输出缓冲口的输出缓冲 器应为三态门。器应为三态门。P3P3口具有第二功能。因此在口具有第二功能。因此在P3P3口电路增加了第二功能控口电路增加了第二功能控 制逻辑。这是制逻辑。这是P3P3口与其它各口的不同之处口与其它各口的不同之处。时钟电路时钟电路是单片机的心脏，它用于产生单片机工作所需要的时钟信号，使电路应在统一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。时序时序是指令执行过程中各信号之间的相互时间关系。第二章第二章 MCS-51MCS-51单片机硬件结构单片机硬件结构内部时钟方式内部时钟方式外部时钟方式外部时钟方式大多数单片机应用系统采用内部时钟方式第二章第二章 MCS-51MCS-51单片机硬件结构单片机硬件结构8051X2X2X1X1VssVssTTLTTL外接时钟源外接时钟源VccVccX1X1X2X2C2C2 C1C1X X 8051振荡电路振荡电路内部时钟方式内部时钟方式内部有一个用于构成振荡器的内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器高增益反相放大器其输入端：其输入端：XTAL1XTAL1，输出端：，输出端：XTAL2XTAL2。C1C1和和C2C2典型值通常选择为典型值通常选择为30pF30pF左右。左右。晶体的振荡频率晶体的振荡频率在在1.2MHz1.2MHz12MHz12MHz之间。之间。第二章第二章 MCS-51MCS-51单片机硬件结构单片机硬件结构内部时钟外部时钟方式外部时钟方式常用于多片MCS-51单片机同时工作。HMOS和CHMOS两种单片机的外部时钟信号接入不同：外部振荡信号源接XTAL1，不接XTAL2；CMOS芯片可在软件的控制下使振荡器停振，芯片处于失电保持状态。第二章第二章 MCS-51MCS-51单片机硬件结构单片机硬件结构HMOS型单片机的外部脉冲源接入法CHMOS型单片机的外部脉冲源接入法1 1、时钟周期、时钟周期单片机的基本时间单位。若时钟的晶体的振荡频率为fosc，则时钟周期 Tosc=1/fosc。如fosc=6MHz，Tosc=166.7ns。2 2、机器周期、机器周期CPU完成一个基本操作所需要的时间是衡量指令或程序执行速度的最小单位，每个机器周期完成一个基本操作。MCS-51单片机每12个时钟周期为一个机器周期。一个机器周期又分为一个机器周期又分为6 6个状态：个状态：S1S1S6S6。每个状态又分为两拍：每个状态又分为两拍：P1P1和和P2P2。因此，一个机器周期中的因此，一个机器周期中的1212个时钟周期表示为：个时钟周期表示为：S1P1S1P1、S1P2S1P2、S2P1S2P1、S2P2S2P2、S6P2S6P2。3 3、指令周期、指令周期CPUCPU取一条指令至该指令执行完取一条指令至该指令执行完所需时间所需时间执行一条指令时，可分为执行一条指令时，可分为取指令阶段取指令阶段和和指令执行阶段指令执行阶段 取指令阶段取指令阶段，PCPC中地址送到程序存储器，并从中取出需中地址送到程序存储器，并从中取出需要执行指令的操作码和操作数。要执行指令的操作码和操作数。指令执行阶段指令执行阶段，对指令操作码进行译码，以产生一系列，对指令操作码进行译码，以产生一系列控制信号完成指令的执行。控制信号完成指令的执行。ALEALE信号是为地址锁存而定义的信号是为地址锁存而定义的，以时钟脉冲，以时钟脉冲1/61/6的频率的频率出现，在一个机器周期中，出现，在一个机器周期中，ALEALE信号两次有效（注意，信号两次有效（注意，在执行访问外部数据存储器的指令在执行访问外部数据存储器的指令MOVXMOVX时，将会丢失时，将会丢失一个一个ALEALE脉冲）脉冲）若外接晶振为若外接晶振为12MHz，则单片机的四个周期的具体值为：，则单片机的四个周期的具体值为：时钟周期时钟周期1/12MHz1/12s0.0833s 状态周期状态周期1/6s0.167s 机器周期机器周期1s 指令周期指令周期14s用于计算指令、程序的执行时间，以及定时器的定时时间用于计算指令、程序的执行时间，以及定时器的定时时间S1S2S3S4S5S6S1S2P1 P2 P1 P2 P1 P2P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2fosc一个状态周期一个状态周期一个机器周期一个机器周期T=12T=12*(1/fosc)(1/fosc)X2CPUCPU的时序（时钟周期、的时序（时钟周期、状态周期、机器周期）状态周期、机器周期）MCS-51单片机共有111条指令，全部指令按其指令长度可分为单字节指令、双字节指令和三字节指令。执行这些指令所需的机器周期数目是不同的，概括起来共有以下几种情况：单字节单机器周期指令、单字节双机器周期指令双字节单机器周期指令、双字节双机器周期指令三字节双机器周期指令和单字节四机器周期指令第二章第二章 MCS-51MCS-51单片机硬件结构单片机硬件结构复位复位程序执行程序执行单步执行单步执行掉电保护掉电保护低功耗低功耗EPROMEPROM编程和效验编程和效验第二章第二章 MCS-51MCS-51单片机硬件结构单片机硬件结构第二章第二章 MCS-51MCS-51单片机硬件结构单片机硬件结构1.1.复位操作的作用复位操作的作用单片机的初始化操作，摆脱死锁状态。复位时，PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除使PC清零外，复位操作还对其它一些专用寄存器有影响另外，复位操作还对单片机的个别引脚有影响，例如会把ALE和 PSEN变为无效状态，即使ALE=0，PSEN=0。RST变为低电平后，退出复位状态，CPU从初始状态开始工作MCS-51单片机各寄存器的复位状态单片机各寄存器的复位状态 00H00HTCONTCON0000H0000HPCPC00H00HTMODTMOD0 00000B0000BPCONPCON 0 0000000B000000BIEIE不定不定SBUFSBUF 000000B000000BIPIP00H00HSCONSCON0FFH0FFHP P0 0PP3 300H00HTHTH1 10000H0000HDPTRDPTR00H00HTLTL1 107H07HSPSP00H00HTHTH0 000H00HPSWPSW00H00HTLTL0 000H00HACCACC复位状态复位状态寄存器寄存器复位状态复位状态寄存器寄存器MCS-51MCS-51单片机的复位操作有两种方式：单片机的复位操作有两种方式：上电复位上电复位和和上电按钮复位上电按钮复位。最简单的上电自动