单片微型计算机原理及应用,第2章 MCS51单片机的基本硬件结构,第2章 MCS51单片机的基本硬件结构,2.1 MCS51单片机内部总体结构 2.2 MCS51单片机的引脚及片外总线结构 2.3 中央处理器CPU 2.4 MCS51单片机的存储器 2.5 MCS51单片机的复位,2.1 MCS51单片机内部总体结构,图2-1 MCS51单片机内部结构框图,2.2 MCS51单片机的引脚及片外总线结构,2.2.1 MCS51单片机的引脚功能 MCS51系列单片机的引脚图如图22所示，其中图22a是引脚排列图，图22b是输入输出逻辑示意图。,图2-2 MCS51单片机引脚图 a)引脚排列图 b)输入输出逻辑示意图,2.2 MCS51单片机的引脚及片外总线结构,(1)VCC (21脚) 接+5V电源。 (2)GND (20脚) 接地端。 (3)RST/VPD (9脚) 复位信号输入端/备用电源输入端。 (4)/VPP (5)XTAL1 (19脚) 芯片内部振荡电路的输入端。 (6) (32脚) 读片外程序存储器选通信号输出端。 (7)ALE/ (31脚) 低8位地址锁存允许信号输出端/编程脉冲输入引脚。 (8)并行双向I/O口引脚 8051单片机有4个8位双向输入/输出端口，每个端口既可以按字节输入输出，也可以按位进行输入输出。,2.2 MCS51单片机的引脚及片外总线结构,1)P0口的P0.0P0.7引脚(2229脚)，既可以作为输入/输出端口使用，又可以在访问外部存储器和I/O设备时作为地址/数据总线使用。 2)P1口的P1.0P1.7引脚(18脚)，唯一的一个单功能口，只能作为通用的数据输入/输出口。 3)P2口的P2.0P2.7引脚(4033脚)，既可以作为通用输入/输出口使用，又可以在访问外部存储器和I/O设备时作为高8位地址线，与P0口的低8位地址线一起构成16位的地址总线。 4)P3口的P3.0P3.7引脚(1017脚)，具有两种功能的端口，第一功能是通用的输入/输出口，作为第二功能使用时，各引脚定义如下：,2.2 MCS51单片机的引脚及片外总线结构,图2-3 系统总线构造结构图,2.2.2 MCS51单片机的片外三总线结构,2.2 MCS51单片机的引脚及片外总线结构,(1)地址总线AB (Address Bus) 共有16位地址线A0A15，其中高8位地址线A8A15由P2口提供，低8位地址线A0A7由P0口经地址锁存器提供。 (2)数据总线DB (Data Bus) 共有8位数据线D0D7，全由P0口提供。 (3)控制总线 (Control Bus) 控制总线由P3口的第二功能、和3根独立的控制总线、ALE、组成。,2.3 中央处理器CPU,2.3.1 CPU的组成 CPU由运算器、控制器、若干特殊功能寄存器和时钟电路组成。 2.3.2 指令的执行过程 单片机的工作过程实质上是执行程序的过程，而执行程序的过程又可归纳为执行一有序指令集的过程，执行指令集的过程又是取指令和执行指令的周而复始的过程。 1)程序计数器PC是一个16位专用寄存器，用来存放CPU要执行的下一条指令的地址，且具有自动加1功能。 2)程序状态字寄存器PSW是一个8位的专用寄存器，用来存放指令执行及指令执行结果的状态，详见本章2.4.5节。,2.3 中央处理器CPU,2.3.3 时钟电路 同计算机一样，CPU执行指令的一系列动作都是在时钟电路的控制下一拍一拍地进行的，如从程序存储器中取一条指令代码，然后执行此指令所规定的操作，完成后再取下一条指令代码等，因此CPU的工作需要精确定时。,2.3 中央处理器CPU,图2-4 MCS51的振荡电路,2.3 中央处理器CPU,图2-5 MCS51外部时钟源的接法,2.3 中央处理器CPU,1)以上外部时钟源的接法是针对HMOS型的单片机，对CHMOS型的单片机，因内部时钟发生器的信号取自放大器的输入端，故采用外部时钟源时，接线方法与HMOS型有所不同，其外部振荡信号应接至XTAL1，XTAL2悬空不用。 2)振荡电路产生的振荡脉冲并不直接使用，而是经片内的一个时钟发生器二分频后才作为系统的时钟信号，请注意振荡脉冲和时钟脉冲之间的二分频关系。 2.3.4 CPU时序,2.3 中央处理器CPU,所谓时序，是指在指令执行过程中，CPU的控制器所发出的一系列特定的控制信号在时间上的相互关系。 (1)振荡周期 振荡周期是指单片机提供定时信号的振荡脉冲的周期，又称为拍节，用“P”表示。 (2)时钟周期 时钟周期是振荡周期的两倍。 (3)机器周期 规定一个机器周期为 6个状态，相当于12个拍节，即12个振荡脉冲的周期，可分别用S1S6来表示状态，用“S1P1、S1P2、S2P1、S2P2、S6P2”来表示拍节。 (4)指令周期 指令周期是指执行完成一条指令所占用的全部时间，通常为14个机器周期。,2.3 中央处理器CPU,图2-6 单片机的时序定时单位,2.4 MCS51单片机的存储器,2.4.1 存储器概述 在计算机基础类课程中已经学习过，存储器按其存储方式可以分成两大类，一类叫随机存储器(RAM)，一类叫只读存储器(ROM)。随机存储器中的信息在关闭电源后会丢失，是易失性的存储器件，所以只能用来存放暂时性的输入/输出数据、运算中间的结果等，单片机中常用它作为数据存储器；而只读存储器是一种写入数据后不能改写只能读出的存储器，断电后其中的信息保留不变，是非易失性的存储器件，所以只读存储器常用来存储固定的程序或数据，如系统的管理程序、常数、表格等，单片机中常用它作为程序存储器。,2.4 MCS51单片机的存储器,(1)掩膜型ROM (MROM) 制造商在生产过程中使用掩膜工艺，使编程时用户仅能读出，不能修改，适合大批量生产，成本较低，常在单片机应用系统定型后作为其片内ROM。 (2)可编程ROM (PROM) 此类芯片出厂时为空白，但仅能进行一次性编程，程序一旦写入则不能修改，故又称为OTPROM，和MROM一样，也常在单片机应用系统定型后作为其片内ROM。 (3)电可写、光可擦ROM (EPROM) 此类芯片出厂时为空白，用户可采用电写的方法对其编程，若修改只需用紫外线照射擦除后重写即可。 (4)电可擦可编程ROM (E2PROM) 该类芯片的编程与擦除均采用电信号方法进行，其读写操作几乎与RAM相同，可在线读写，不过速度较慢。,2.4 MCS51单片机的存储器,(5)闪烁型快写ROM (Flash ROM) 和E2PROM芯片特点相仿，不同点是其读写速度很快，而且存储容量较大，可达216KB，典型的Flash ROM芯片有28F256、28F512等。 2.4.2 MCS51单片机的存储器结构及地址空间 MCS51单片机的存储器结构与一般的微型计算机不同，它把程序存储器与数据存储器截然分开，各有各的寻址系统，控制信号和功能。 1)片内、片外统一编址的64KB程序存储器地址空间(用16位地址)。 2)片内数据存储器与特殊功能寄存器统一编址的256B内部数据存储器地址空间(用8位地址)。 3)片外64KB的数据存储器地址空间(用16位地址)。,2.4 MCS51单片机的存储器,图2-7 MCS51的存储器空间分布图,2.4.3 MCS51单片机的内部程序存储器,2.4 MCS51单片机的存储器,程序存储器用来存放编写的程序和程序运行时的固定常数及表格数据。8051/8751具有4KB的ROM/EPROM，8031片内则无程序存储器。程序存储器在物理上分为片内ROM和片外ROM，但在逻辑上两者是统一编址的，可寻址范围最大可达64KB。 2.4.4 MCS51单片机内部的数据存储器,图2-8 8051单片机片内RAM地址空间,2.4 MCS51单片机的存储器,表2-1 状 态 组 合,1.工作寄存器区 1)RS1、RS0的状态可由写指令来进行设置，以选取不同的工作寄存器组。 2)单片机复位时自动选中第0组工作寄存器。 3)当从某一组工作寄存器切换至另一组时，原工作寄存器组中寄存器内容被屏蔽保护。,2.4 MCS51单片机的存储器,4)工作寄存器有两种表示形式，一是寄存器符号，二是对应存储单元的字节地址。 2.位寻址区,表2-2 RAM位寻址区地址表,2.4 MCS51单片机的存储器,3.通用RAM区 2.4.5 特殊功能寄存器SFR 特殊功能寄存器实质上是单片机内部的寄存器或I/O口，只是按统一编址的原则，把它们的地址划定在80H0FFH，所以这一区域被定义为特殊功能寄存器区，它不用于存储一般的数据，而是用于实现某种特殊功能，如片内I/O接口、定时接口、串行口缓冲区等等。而且从表23可以看出，寄存器地址并不连续，一部分尚未作具体定义，没有定义的实际上也不存在。,2.4 MCS51单片机的存储器,表2-3 各特殊功能寄存器的符号及地址,2.4 MCS51单片机的存储器,表2-3 各特殊功能寄存器的符号及地址,2.4 MCS51单片机的存储器,表2-3 各特殊功能寄存器的符号及地址,(1)累加器A 累加器A，或叫ACC(Accumulator)，是一个8位的寄存器，地址为E0H，它是CPU工作中使用最频繁的寄存器，用于向ALU提供操作数，存放一个操作数或中间结果。 (2)寄存器B 寄存器B是一个8位的寄存器，地址为F0H，它主要用于乘、除运算，也可以作为一般寄存器使用。,2.4 MCS51单片机的存储器,(3)程序状态字寄存器PSW 程序状态字寄存器PSW是一个8位的寄存器，地址为D0H，用于存放程序运行中的各种状态信息，供程序查询和判断之用。,表2-4 PSW各位的定义,1)CY(PSW.7)：进位/借位标志。 2)AC(PSW.6)：辅助进位标志。 3)F0(PSW.5)：用户标志，由用户自行设定其含义。 4)RS1、RS0(PSW.4、PSW.3)：工作寄存器组选择标志，用于选择CPU当前的工作寄存器组。 5)OV(PSW.2)：溢出标志。 6)P(PSW.0)：奇偶标志。,2.4 MCS51单片机的存储器,(4)数据指针寄存器DPTR (Data Pointer) DPTR由高字节DPH和低字节DPL两个8位的特殊功能寄存器组成，地址分别是83H和82H。 2.4.6 堆栈及特性 1.堆栈的概念及特性 1)数据只能从堆栈区的一端读出或写入，这一端叫做栈顶，相应的另一端叫做栈底。 2)习惯上把数据写入堆栈称为入栈(PUSH)，把数据从堆栈中读出称为出栈(POP)。 3)由于只允许数据在堆栈的一端进出，所以对其进行入栈和出栈操作必定遵从“先进后出，后进先出”原则。 2.堆栈指针SP(Stack,2.4 MCS51单片机的存储器,3.入栈和出栈操作,图2-9 入栈、出栈操作示意 a)入栈 b)出栈,2.4 MCS51单片机的存储器,4.堆栈的开辟 5.堆栈的类型,2.5 MCS51单片机的复位,2.5.1 复位电路,图2-10 复位电路,2.5 MCS51单片机的复位,表2-5 复位时片内各寄存器的状态,2.5.2 复位后寄存器的状态 单片机复位后各寄存器的状态见表25。,