MCS-51单片机的结构与工作原理 中央处理单元与时序 存储器配置 并行I/O端口 复位及复位电路第二章 MCS-51单片机的硬件结构与原理一、 运算器和控制器1. 运算器（1）算数逻辑单元ALU：完成基本的算术运算；（2）累加器A（ACC）：专门用来存放操作数和运算结果；（3）暂存寄存器：暂存数据和状态，便于传送和运算；（4）B寄存器：用于乘法和除法的8位寄存器；（5）程序状态字（Program Status Word PSW ）：存放指令执行后的状态信息：第二节 中央处理单元与时序位序PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0标志CYACF0RS1RS0OV-P CY（C）：进位标志位 AC：辅助进位位 F0：用户标志位 RS1、RS0：工作寄存器选择位，用来决定R0R7的物理地址RS1RS0选中的工作寄存器组R0R7地址 000组00-07H 011组08-0FH 102组10-17H 113组18-1FH OV：溢出标志位 P：奇偶标志位（6）布尔处理器：也称为位处理器。2. 控制器（1）程序计数器PC：是一个16位专用寄存器，用来存放将要执行的下一条指令的地址；（2）指令寄存器IR和指令译码器ID：存放代码及译码；（3）定时控制电路：产生CPU的操作时序。1. 时钟周期 又称振荡周期，是一个振荡脉冲的周期，也是时序中最小的时间单位。2. 机器周期 MCS-51单片机中，每个机器周期都包含12个时钟周期，分为6个状态S1S6，每个状态又分为2个节拍P1和P2。3. 指令周期 执行一条指令所用的时间称为指令周期，用机器周期的个数来表示。三、机器周期与指令周期程序存储器 内部数据存储器 外部数据存储器 第三节 存储器配置程序存储器ROM存放编制好的固定程序和表格，以16位的程序计数器做地址指针，可寻址64KB空间。 一、程序存储器（1）0000H-0002H：存放复位后初始化引导程序（2）0003H-002AH：中断地址区0003H002AH共40个单元是中断服务程序地址区中断源入口地址 外部中断00003H 定时器0溢出中断000BH 外部中断10013H 定时器1溢出中断001BH 串行口中断0023H二、数据存储器内部RAM（00H-FFH）外部RAM（0000H-FFFFH）数据 存储器真正RAM区（00H-7FH）特殊功能寄存器区（7FH-FFH）00H20H2FH7FH1FH30H80HFFH 特殊功能 寄存器区用户RAM区位寻址区工作寄存器区内部RAM（00H-FFH）（1）工作寄存器区（00H1FH） 地址范围在00H1FH的32个单元，可分成4个工作寄存器组，每组占8个字节。第0组工作寄存器：地址范围为00H07H第1组工作寄存器：地址范围为08H0FH第2组工作寄存器：地址范围为10H17H第3组工作寄存器：地址范围为18H1FH1、真正RAM区（2） 位寻址区（20H2FH） 与工作寄存器相连的16个字节地址单元20H2FH为位寻址区，可以对每个RAM单元中的任何一个位进行位操作。（3） 堆栈和数据缓冲区30H-7FH共80个RAM单元，用来存放用户数据和堆栈操作使用，称为用户RAM区，该区是按字节存取的。2、特殊功能寄存器（SFR Special Function Registers ） 8051单片机中设置了21个特殊功能寄存器，它们不连续地分布在地址为80H-FFH的128个字节的存储空间中。 21个SFR只能采用直接寻址方式，但是字节地址能被8整除（16进制的地址码尾数为0或8）的11个单元均具有位寻址能力。可位寻址MCS-51共有4个8位准双向并行I/O端口P0P3，共32根I/O口线，每根都可以独立作为输入和输出。这四个端口是单片机对外部实现控制及信息交换的输入输出通道。P0：作为外部扩展存储器时的地址/数据线P1：普通I/O口P2：作为外部扩展存储器时的地址线P3：除作为I/O口外，每根口线都有第二功能。第四节 并行I/O端口一、 P0端口由两只场效应管组成的输出驱动电路；各由一个与门、反向器和多路转换开关MUX组成输出控制电路 MUX的位置由CPU的控制信号确定，当控制信号为低电平时，P0口用作一般I/O口；反之为高电平时，P0口用作地址/数据总线。P0.X1、用作I/O口：控制信号为低电平，V1截至，输出极为漏极开路电路，应接上拉电阻。输出时：内部总线上的数据在写信号控制下，先写入锁存器，经 反相端反相，再经V2反相，使输出数据正好出现在P0口引脚上。输入时：先向锁存器写1，令V1，V2截至，读引脚信号把三态缓冲器打开，则端口上的数据经三态缓冲器输入到内部总线。P0.X为什么输入时要先向锁存器写1 ？由于输出驱动V2并接在引脚上，如果V2导通会把引脚的高电平拉成低电平，从而产生误读，所以输入时必须先向锁存器写1。P0口在做普通I/O口时，是一个准双向口。对于准双向口，在做输入口时，应先向锁存器写入1，使2个FET都截至，引脚处于悬浮状态，可作高阻态输入。因为引脚上的信号是加在输出极FET的漏极上，当它导通时，会把引脚上的电位拉为低电平。2、用作地址/数据总线：控制信号为高电平，输出的地址/数据信号经反相器驱动V2，同时通过与门驱动V1。CPU先输出地址信息，在ALE的下降沿锁存低8位地址，然后转为数据传输线。P0口用作地址/数据总线时，便不能再用作I/O口。P0.Xl P1口只能传送数据，不能作为地址/数据口；l在输出驱动部分接有内部上拉电阻；l P1口作为输出口时，输出状态与写入锁存器状态相同； P1口作为输入口时，要先向锁存器写1。二、 P1端口三、 P2端口P2口与P0口的区别： 用上拉电阻代替上拉场效应管； MUX的一个输入口是地址。1、用作地址线 对于有片外存储器的系统，CPU访问片外存储器时，MUX在控制信号控制下，把地址线和反向器3相连，由此输出高8位地址。此时只能作为地址总线不能作为数据总线。2、 用作I/O口如果外部没有扩展存储器，或者只扩展小于256B的RAM，此时可以使用MOV Ri, A或MOV A，Ri指令访问片外RAM，这时只需要提供低8位地址，P2口的MUX接锁存器Q端不动，用作普通I/O口。四、P3端口1. P3口比P1口多了一个与非门3和一个输入缓冲器4，既可以作为一般I/O口，也可以作为第二功能口；2. 作一般I/O口，第二功能输出信号为高电平，与非门打开，过程与其它口相同。 3. 实际应用中，P3口基本用作第二功能，此时应首先向锁存器写1，打开与非门，第二功能输出；第二功能输入时，第二功能输出自动置1，V1截至，信号由三态缓冲器输入。五、 I/O端口小结1、 P0P3均可作为I/O口，但P0、P2多用作地址/数据总线，P3多用作第二功能，P1真正作为I/O口；2、 P0为真正的双向口，P1P3为准双向口，只有P0可用作系统的数据总线；3、 作为I/O口，P0应接上拉电阻，P1P3没必要，但是P0用作地址/数据总线时，不用接上拉电阻；4、 P0P3作为输入口时，必须首先向端口锁存器写1，P3作为第二功能口输出或输入时，也要先锁存器写1；5、P0口的每1位输出能驱动8个LS型TTL负载； P1、 P2、 P3口的每一位输出能驱动4个LS型TTL负载。6、单片机内部的I/O口只有数据锁存和缓冲功能，无控制功能，只能实现简单的功能。一、 单片机复位复位是单片机的初始化操作，使单片机处于一个固定的初始状态，并从此状态开始运行。在运行中，当单片机的程序受外界因素干扰陷入死循环或跑飞时，为摆脱困境，可将单片机复位，重新启动。MCS-51单片机的RST引脚为复位端，该引脚保持两个机器周期以上的高电平便可以实现单片机复位。第五节 复位及复位电路P0P3的端口锁存器被设置成FFH；堆栈指针SP设置成07H；串行口的SBUF无确定值；其它各专用寄存器包括程序计数器PC均被设置成00H；片内RAM不受复位的影响。单片机复位后：（1）上电自动复位上电复位按键脉冲复位按键电平复位二、单片机的复位电路脉冲复位电平复位（2）按键手动复位内部复位电路外部复位电路复位电路 复位完成后，如果RST端继续保持高电平，则单片机一直处于复位状态，只有RST端恢复低电平后，单片机才能进入其他工作状态。 复位电路虽然简单，但是其作用非常重要。一个单片机系统能否正常工作，首先要检查其是否能复位成功。说明1、若不使用MCS-51片内ROM，引脚EA必须 （ ） 。 2、当MCS-51的引脚ALE信号有效时，表示从P0口稳定的送出了（ ）。 3、MCS-51中凡是（ ） 的特殊功能寄存器可以位寻址。4、当MCS-51的引脚PSEN信号有效时，表示CPU要从（ ） 读取信息。5、MCS-51片内RAM的20H2FH，既可以（ ）寻址又可以（ ）寻址。接地低8位地址字节地址能被8整除外部程序存储器字节位练习题：6、A中的内容为63H，P标志位的值为（ ）。7、如果手中只有一台示波器，可通过观察（ ）引脚的状态来大致判断MCS-51单片机正在工作。0ALE8、判断下列关于DPTR和PC的说法是否正确。A、DPTR是可以访问的，PC是不能访问 （ ）B、它们都是16位的寄存器（ ）C、它们都具有加1的功能 （ ）D、复位后PC内容为0000H，而DPTR内容不确定 （ ）1、当MCS51复位时，下面说法正确的是（ ）。A、PC=0000H B、SP=00H C、SUBF=00H 2、若某存储器芯片地址线为12根，那么它的存储容量为（ ）。A、1KB B、2KB C、4KB D、8KB3、PSW18H，则当前工作寄存器组是（ ）。 A、0组 B、1组 C、2组 D、3组4、PC中存放的是（ ）。A、下一条指令的地址 B、当前正在执行的指令C、当前正在执行的指令的地址 D、下一条要执行的指令5、MCS-51外扩存储器时，它的数据总线是（ ）。A、P0口 B、 P1口 C、 P2口 D、 P3口 ACDAA思考题：41页