第2章MCS51系列單片機(jī)

結(jié)構(gòu)及原理2.1

微型計(jì)算機(jī)的組成2.2

MCS-51系列單片機(jī)組成原理2.3

MCS-51單片機(jī)引腳2.4

MCS－51單片機(jī)I/O接口2.5

MCS-51寄存器和存儲(chǔ)器2.6單片機(jī)工作的基本時(shí)序第2章MCS51系列單片機(jī)

結(jié)構(gòu)及原理2.1

2.1微型計(jì)算機(jī)的組成一、硬件結(jié)構(gòu)

2.1微型計(jì)算機(jī)的組成一、硬件結(jié)構(gòu)2[工學(xué)]第2章MCS51系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理課件31.中央處理器CPUCPU（CentralProcessingUnit）是計(jì)算機(jī)的核心部件,它由運(yùn)算器、控制器和寄存器組成,完成計(jì)算機(jī)的運(yùn)算和控制功能。運(yùn)算器，又稱算術(shù)邏輯部件（ALU,ArithmeticalLogicUnit）,主要完成對(duì)數(shù)據(jù)的算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。控制器（Controller），RD,WR信號(hào)。寄存器（Register）,它們的作用是存放運(yùn)算過程中的各種數(shù)據(jù)、地址或其它信息。寄存器種類很多,主要有:通用寄存器、累加器A、程序計(jì)數(shù)器PC等1.中央處理器CPU42.存儲(chǔ)器M

存儲(chǔ)器分為程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，有8位和16位兩種，以8位為主。

程序存儲(chǔ)器：用來存放程序和常數(shù)的，在單片機(jī)執(zhí)行期間其屬于只讀，不可寫。地址總線的位數(shù)決定了可尋址的程序存儲(chǔ)器的空間的大小。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

：用來存放程序在運(yùn)行期間的變量的數(shù)據(jù)，空間位置由地址總線決定。其可讀可寫，有的在掉電后數(shù)據(jù)丟失，有的采用后備電源和FLASH技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的長期保存。2.存儲(chǔ)器M53.輸入/輸出接口（I/O接口）輸入/輸出（I/O）接口由大規(guī)模集成電路組成的I/O器件構(gòu)成,用來連接主機(jī)和相應(yīng)的I/O設(shè)備（如:鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、打印機(jī)等）,使得這些設(shè)備和主機(jī)之間傳送的數(shù)據(jù)、信息在形式上和速度上都能匹配。不同的I/O設(shè)備必須配置與其相適應(yīng)的I/O接口。3.輸入/輸出接口（I/O接口）64.三總線地址總線數(shù)據(jù)總線控制總線地址總線（AddressBusAB）傳輸?shù)刂沸盘?hào)，用來選擇存儲(chǔ)器的地址和I/O口的地址，具有單向性，決定空間的尋址大小。2nn為地址總線寬度。數(shù)據(jù)總線（DataBusDB），用來傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器或I/O口與CPU間數(shù)據(jù)的傳遞，具有雙向性，其決定了CPU的位。控制總線（ControlBusCB），用來傳輸控制信號(hào)或狀態(tài)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)外圍器件與CPU間數(shù)據(jù)的傳遞，具有雙向性。控制總線的位數(shù)與CPU的位數(shù)無關(guān)，與外圍的特性有關(guān)。4.三總線7系統(tǒng)總線的特點(diǎn)：a)在某一時(shí)刻只能有一個(gè)總線主控設(shè)備，否則出現(xiàn)競爭。b)在總線上的多個(gè)設(shè)備，可以同時(shí)從總線上下載數(shù)據(jù)，這叫廣播功能。系統(tǒng)總線的特點(diǎn)：8二、存儲(chǔ)器的分類

1、RAM

隨機(jī)存儲(chǔ)器，通常是指任何快速可寫的易失存儲(chǔ)器,常用來代表數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。2、DRAM動(dòng)態(tài)RAM，其需要周期性的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)刷新，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。單元數(shù)據(jù)將因放電而丟失數(shù)據(jù)，特點(diǎn)是讀寫速度快。3、SRAM靜態(tài)RAM，一旦數(shù)據(jù)被寫入，只要保持供電，數(shù)據(jù)就可一直保存而不丟失，數(shù)據(jù)不需要刷新。二、存儲(chǔ)器的分類1、RAM94、SDRAM

同步動(dòng)態(tài)RAM，數(shù)據(jù)需要同步時(shí)鐘信號(hào)來控制存取。5、NVRAM非易失性靜態(tài)RAM，即使調(diào)電數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失，一般是內(nèi)置了電池的SRAM。6、FRAM鐵電存儲(chǔ)器，不用后備電池，在調(diào)電后數(shù)據(jù)永久保存，數(shù)據(jù)可擦寫1億次，速度快，功耗低（靜態(tài)電流1μA，寫操作150μA）.可代替SRAM、NVRAM、EEPROM、FLASH7、ROM

只讀存儲(chǔ)器，一旦寫入，存儲(chǔ)內(nèi)容便不能再更改，且可掉電保持，常用來代表程序存儲(chǔ)器。4、SDRAM108、EPROM電可編程ROM，可以采用特定的設(shè)備（燒錄器）寫入數(shù)據(jù)，并可用紫外線擦除，可重復(fù)使用。9、EEPROM電可擦除、可編程ROM，可以用電寫入也可用電擦除，與EPROM的存儲(chǔ)方式不同。10、FLASH閃速存儲(chǔ)器，一種可用電寫入和存儲(chǔ)的存儲(chǔ)器，但速度較慢。不用后備電池可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)保持。11、PROM可編程ROM，只可使用一次的ROM8、EPROM112.2

MCS-51系列單片機(jī)組成原理

目前51單片機(jī)的生產(chǎn)廠家有：Intel、Atmel、華邦、菲利普等；型號(hào)有：AT89C51,AT89C2051,AT89C52,AT89C55等，它們都有一個(gè)相同的C51內(nèi)核，指令系統(tǒng)完全兼容，只是存儲(chǔ)器和I/O接口的配置有所不同。2.2MCS-51系列單片機(jī)組成原理目前51單片機(jī)12[工學(xué)]第2章MCS51系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理課件13

AT89C51單片機(jī)的組成：8位CPU片內(nèi)4KbytesFLASH128bytesRAM片內(nèi)并行I/O接口P0、P1、P2、P3片內(nèi)2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器片內(nèi)5個(gè)中斷處理系統(tǒng)片內(nèi)全雙工串行接口 AT89C51單片機(jī)的組成：14MCS-51單片機(jī)結(jié)構(gòu)CPUMCS-51單片機(jī)結(jié)構(gòu)CPU151、CPU（1）運(yùn)算器電路運(yùn)算器電路包括ALU（算術(shù)邏輯單元）、ACC（累加器）、B寄存器、狀態(tài)寄存器、暫存器1和暫存器2等部件，運(yùn)算器的功能是進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。

（2）控制器電路控制器電路包括程序計(jì)數(shù)器PC、PC加1寄存器、指令寄存器、指令譯碼器、數(shù)據(jù)指針DPTR、堆棧指針SP、緩沖器以及定時(shí)與控制電路等。控制電路完成指揮控制工作，協(xié)調(diào)單片機(jī)各部分正常工作。

1、CPU162、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器

MCS－51單片機(jī)片內(nèi)有兩個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，即定時(shí)器0和定時(shí)器1。它們可以用于定時(shí)控制、延時(shí)以及對(duì)外部事件的計(jì)數(shù)和檢測等。3、存儲(chǔ)器

MCS－51系列單片機(jī)的存儲(chǔ)器包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器，程序存儲(chǔ)器4KbytesFlash，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器128bytes

RAM。4、并行I/O口

MCS－51單片機(jī)共有4個(gè)8位的I/O口（P0、P1、P2和P3），每一條I/O線都能獨(dú)立地用作輸入或輸出。P0口為三態(tài)準(zhǔn)雙向口，能帶8個(gè)TTL門電路，P1、P2和P3口為準(zhǔn)雙向口，負(fù)載能力為4個(gè)TTL門電路。

2、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器175、串行I/O口

MCS－51單片機(jī)具有一個(gè)采用通用異步工作方式的全雙工串行通信接口，可以同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。6、中斷控制系統(tǒng)8051共有5個(gè)中斷源，即外中斷2個(gè)，定時(shí)/計(jì)數(shù)中斷2個(gè)，串行中斷1個(gè)。7、時(shí)鐘電路

MCS－51芯片內(nèi)部有時(shí)鐘電路，但晶體振蕩器和微調(diào)電容必須外接。時(shí)鐘電路為單片機(jī)產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖序列，振蕩器的頻率范圍為1.2MHz～24MHz，典型取值為12MHz。8、總線系統(tǒng)的地址信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)和控制信號(hào)都是通過總線傳送的，總線結(jié)構(gòu)減少了單片機(jī)的連線和引腳，提高了集成度和可靠性。

5、串行I/O口182.3MCS-51單片機(jī)引腳1、I/O口線功能4個(gè)8位并行I/O接口引腳P0.0～P0.7、P1.0～P1.7、P2.0～P2.7和P3.0～P3.7為多功能引腳，可自動(dòng)切換用作數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線和或I/O接口外部引腳2、控制線ALE：地址鎖存允許信號(hào)端PSEN：外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)端EA/VPP：程序存儲(chǔ)器選擇信號(hào)端和編程電源輸入端2.3MCS-51單片機(jī)引腳1、I/O口線功能193、復(fù)位

RST：復(fù)位信號(hào)端和后備電源輸入端。輸入10ms以上高電平脈沖，單片機(jī)復(fù)位。VPD使用后備電源，可實(shí)現(xiàn)掉電保護(hù)。4、電源工作電源：VCC=5V、VSS單片機(jī)RSTK+5V200Ω1K30μF復(fù)位后各個(gè)寄存器和I/O的狀態(tài)：PC=0000H，PSW=00H,SP=07TH0=TL0=TH1=TL1=00H，P0=P1=P2=P3=0XFFH，IE=00H，A=B=00H3、復(fù)位 RST：復(fù)位信號(hào)端和后備電源輸入端。輸入10m205、時(shí)鐘時(shí)鐘頻率:范圍要求在1.2MHz～24MHz之間。一般從外部振蕩器輸入時(shí)鐘信號(hào)。機(jī)器周期:完成一個(gè)基本操作所需要的時(shí)間。一個(gè)機(jī)器周期由12個(gè)振蕩周期組成。指令周期:一條指令的執(zhí)行時(shí)間。以機(jī)器周期為單位：單周期、雙周期和四周期指令。思考題：設(shè)應(yīng)用單片機(jī)晶振頻率為12MHz，問機(jī)器周期為多少？單指令周期為多少？XTAL1

單片機(jī)

XTAL25、時(shí)鐘時(shí)鐘頻率:范圍要求在1.2MHz～24MHz之間。21[工學(xué)]第2章MCS51系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理課件222.4MCS－51單片機(jī)輸入/輸出（I/O）口2.4.1P0口下圖給出了P0口的邏輯結(jié)構(gòu)，它由一個(gè)鎖存器、兩個(gè)三態(tài)輸入緩沖器、一個(gè)多路復(fù)用開關(guān)以及控制電路和驅(qū)動(dòng)電路等組成。

圖

P0口的邏輯結(jié)構(gòu)012.4MCS－51單片機(jī)輸入/輸出（I/O）口圖23

P0口可以作為輸入輸出口，在實(shí)際應(yīng)用中它通常作為地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線。（1）I/O口使用：外部要加上拉電阻。輸出 輸入

準(zhǔn)雙向I/O口：先置1，再讀。（2）地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用P0口可以作為輸入輸出口，在實(shí)際應(yīng)用中它通常作為地24

P0口可以作為輸入輸出口，在實(shí)際應(yīng)用中它通常作為地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線。作為通用I/O口使用時(shí)，P0口為準(zhǔn)雙向口。

2.4.2P1口

P1口是一個(gè)準(zhǔn)雙向口，通常作為I/O口使用，其位結(jié)構(gòu)如圖。由于在其輸出端接有上拉電阻，故可以直接輸出而無需外接上拉電阻。圖P1口位結(jié)構(gòu)圖P0口可以作為輸入輸出口，在實(shí)際應(yīng)用中它通常作為地252.4.3P2口

P2口位結(jié)構(gòu)圖如圖。P2通用為一個(gè)準(zhǔn)雙向口，其位結(jié)構(gòu)與P0口相似。對(duì)于8031單片機(jī)來說，P2口通常用作高8位地址信號(hào)輸出。

圖

P2口位結(jié)構(gòu)圖2.4.3P2口圖P2口位結(jié)構(gòu)圖262.4.4P3口

P3口的位結(jié)構(gòu)圖如圖。P3口為雙功能口，當(dāng)P3口作為通用I/O口使用時(shí)，它為準(zhǔn)雙向口，且每位都可定義為輸入或輸出口，其工作原理同P1口類似。

圖

P3口的位結(jié)構(gòu)圖2.4.4P3口圖P3口的位結(jié)構(gòu)圖27

P3口還具有第二功能，其引腳描述如表。表P3口特殊功能口線特殊功能信號(hào)名稱P3.0RXD串行輸入口P3.1TXD串行輸出口P3.2外部中斷0輸入口P3.3外部中斷1輸入口P3.4T0定時(shí)器0外部輸入口P3.5T1定時(shí)器1外部輸入口P3.6WR寫選通輸出口P3.7RD讀選通輸出口P3口還具有第二功能，其引腳描述如表。口線特殊功能信號(hào)名282.5

MCS-51寄存器和存儲(chǔ)器MCS－51的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)如圖所示。存儲(chǔ)器分為：程序存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。另外它們分別又分為內(nèi)部和外部。可尋址能力都為64Kbytes。內(nèi)部2.5MCS-51寄存器和存儲(chǔ)器MCS－29[工學(xué)]第2章MCS51系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理課件30一、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

2.5.1數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

MCS－51數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的尋址空間能夠達(dá)到64K，它們內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）空間一般為128，外部可擴(kuò)展為64K。一、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器2.5.1數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器311.內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器低128單元（00H~7FH） 工作寄存器區(qū)： 00H～1FH 位尋址區(qū)：

20H～2FH 用戶RAM區(qū)： 30H～7FH2.

內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器高128單元（80H~FFH）專用寄存器區(qū),也稱作特殊功能寄存器區(qū)（SFR）,其它預(yù)留區(qū)。

1.內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器低128單元（00H~7FH）2.

32表專用寄存器區(qū)表專用寄存器區(qū)33累加器ACC

累加器為8位寄存器，助記符為A。加、減乘和除等算術(shù)運(yùn)算指令的運(yùn)算結(jié)果都存放在累加器A或AB寄存器中，在變址尋址方式中累加器被作為變址寄存器使用。

B寄存器

B寄存器為8位寄存器，主要用于乘除指令中。乘法指令的兩個(gè)操作數(shù)分別取自累加器A和寄存器B，其中B為乘數(shù)，乘法結(jié)果的高8位存放于寄存器B中。除法指令中，被除數(shù)取自A，除數(shù)取自B，除法的結(jié)果商數(shù)存放于A，余數(shù)存放于B中。在其它指令中，B寄存器也可作為一般的數(shù)據(jù)單元來使用。程序狀態(tài)字PSW

程序狀態(tài)字是一個(gè)8位寄存器，它包含程序的狀態(tài)信息。PSW的各位定義如表。

累加器ACC34表PSW的各狀態(tài)位定義

(1)CY：進(jìn)位標(biāo)志位在執(zhí)行某些算術(shù)和邏輯指令時(shí)，可以被硬件或軟件置位或清零。在算術(shù)運(yùn)算中它可作為進(jìn)位標(biāo)志，在位運(yùn)算中，它作累加器使用，在位傳送、位與和位或等位操作中，都要使用進(jìn)位標(biāo)志位。(2)

AC：輔助進(jìn)位標(biāo)志進(jìn)行加法或減法操作時(shí)，當(dāng)發(fā)生低四位向高四位進(jìn)位或借位時(shí)，AC由硬件置位，否則AC位被置“0”。在進(jìn)行十進(jìn)制調(diào)整指令時(shí)，將借助AC狀態(tài)進(jìn)行判斷。

位序PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0位標(biāo)志CYACF0

RS1RS0

OV/ P表PSW的各狀態(tài)位定義 (1)CY：進(jìn)位標(biāo)志35(3)用戶標(biāo)志位F0該位為用戶定義的狀態(tài)標(biāo)記，用戶根據(jù)需要用軟件對(duì)其置位或清零，也可以用軟件測試F0來控制程序的跳轉(zhuǎn)。(4)RS1和RS0：寄存器區(qū)選擇控制位該兩位通過軟件置“0”或“1”來選擇R0~R7所在的當(dāng)前工作寄存器區(qū)。

RS1RS0寄存器區(qū)地址00000～07H01108～0FH

10210～17H

11318～1FH(5)OV：溢出標(biāo)志位OV＝1表示運(yùn)算結(jié)果超出了累加器A所能表示的符號(hào)數(shù)有效范圍（0～255），即運(yùn)算結(jié)果是錯(cuò)誤的，反之，OV＝0表示運(yùn)算正確，即無溢出產(chǎn)生。OV=CY7CY6(3)用戶標(biāo)志位F036(6)P：奇偶標(biāo)志位每個(gè)指令周期由硬件來置位或清零用以表示累加器A中1的個(gè)數(shù)的奇偶性，若累加器中1的個(gè)數(shù)為奇數(shù)則P＝1，否則P＝0。數(shù)據(jù)指針DPTR

數(shù)據(jù)指針DPTR為一個(gè)16位的專用寄存器，其高位用DPH表示，其低位用DPL表示，它即既可以作為一個(gè)16位的寄存器來使用，也可作為兩個(gè)8位的的寄存器DPH和DPL使用。DPTR在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)既可用來存放16位地址，也可作地址指針使用。如MOVX@DPTR，A。I/O端口P0～P3

P0～P3為四個(gè)8位的特殊功能寄存器，分別是四個(gè)并行I/O端口的鎖存器，當(dāng)I/O端口的某一位用作輸入時(shí)，對(duì)應(yīng)的鎖存器必須先置“1”。(6)P：奇偶標(biāo)志位37

定時(shí)器/計(jì)數(shù)器在MCS－51中，除8032/8052外都只有兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0和T1，它們由兩個(gè)相互獨(dú)立的8位寄存器組成TH和TL，共有四個(gè)獨(dú)立的寄存器TH0、TL0、TH1和TL1，只可對(duì)這四個(gè)寄存器獨(dú)立尋址，而不能作為一個(gè)16位寄存器來尋址。

串行數(shù)據(jù)緩沖寄存器串行數(shù)據(jù)緩沖器SBUF用于存放將要發(fā)送或已接收的數(shù)據(jù)，它由發(fā)送緩沖器和接收緩沖器組成，將要發(fā)送的數(shù)據(jù)被送入SBUF時(shí)進(jìn)入發(fā)送緩沖器，反之進(jìn)入接收緩沖器。二、外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器在MCS－51中，其片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和I/O口與片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間0000FH～FFFFH是重疊的。在8051單片機(jī)中采用MOV和MOVX兩種指令來區(qū)分片內(nèi)外RAM空間，其中片內(nèi)RAM使用MOV指令，片外RAM和I/O口使用MOVX指令。定時(shí)器/計(jì)數(shù)器38在MCS－51系列中，程序存儲(chǔ)器被用來存放程序、常數(shù)或表格等。在8051中，其片內(nèi)有4K字節(jié)的ROM存儲(chǔ)單元，地址為0000H～0FFFH。8751有4K字節(jié)的EPROM，而8052和8752則有8K字節(jié)的片內(nèi)存儲(chǔ)器。8031和8032無片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，所以片內(nèi)程序存儲(chǔ)器的有無是區(qū)分芯片的主要標(biāo)志。在程序存儲(chǔ)器中，以下6個(gè)中斷向量：0000H：單片機(jī)復(fù)位后，PC＝0000H，程序從0000H開始執(zhí)行指令。0003H：外部中斷0入口地址。000BH：定時(shí)器0中斷入口地址。

0013H：外部中斷1入口地址。

001BH：定時(shí)器1中斷入口地址。

0023H：串行口中斷入口地址。

2.5.2程序存儲(chǔ)器

在系統(tǒng)中斷相應(yīng)之后，將自動(dòng)跳轉(zhuǎn)各中斷入口地址處執(zhí)行程序，而中斷服務(wù)程序一般無法存放于幾個(gè)單元之內(nèi)，因此在中斷入口地址處往往存放一條無條件轉(zhuǎn)移指令進(jìn)行跳轉(zhuǎn)，以便執(zhí)行中斷服務(wù)程序。

在MCS－51系列中，程序存儲(chǔ)器被用來存放程序、常數(shù)39一、程序存儲(chǔ)器空間的分配EA（ExternalAccess）是用來選擇片內(nèi)還是片外程序存儲(chǔ)器中執(zhí)行程序。

1）EA＝1，

單片機(jī)復(fù)位后首先從片內(nèi)執(zhí)行，當(dāng)PC執(zhí)行到0XFFFH(4K)時(shí)，開始選擇從外部執(zhí)行程序。即從1000H開始都是從外部程序存儲(chǔ)器中執(zhí)行。如圖EA＝1程序執(zhí)行一、程序存儲(chǔ)器空間的分配EA＝1程序執(zhí)行40

2）EA=0,此時(shí)將不訪問片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，而只訪問片外程序存儲(chǔ)器。即0000～FFFFH都在片外。如圖EA＝0程序執(zhí)行2）EA=0,此時(shí)將不訪問片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，而只訪問片412.6

單片機(jī)工作的基本時(shí)序

所謂時(shí)序就是CPU總線信號(hào)在時(shí)間上的順序關(guān)系。

CPU控制器實(shí)際上是復(fù)雜的同步時(shí)序電路，所有的工作都是在時(shí)鐘信號(hào)的控制下進(jìn)行的。每執(zhí)行一條指令，CPU控制器都要發(fā)出一系列特定的控制信號(hào)，這些控制信號(hào)在時(shí)間上的相互關(guān)系就是CPU的時(shí)序。一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)要想正常工作，除了要做到電平匹配、功率匹配外，還必須做到時(shí)序匹配。電路在硬件調(diào)試過程中大部分時(shí)間都是用在了時(shí)序調(diào)試上。2.6單片機(jī)工作的基本時(shí)序所謂時(shí)序就是CPU總線421、振蕩周期振蕩周期指為單片機(jī)提供定時(shí)信號(hào)的振蕩源的周期或外部輸入時(shí)鐘的周期。2、時(shí)鐘周期時(shí)鐘周期又稱作狀態(tài)周期或狀態(tài)時(shí)間S，它是振蕩周期的兩倍，它分為P1節(jié)拍和P2節(jié)拍，通常在P1節(jié)拍完成算術(shù)邏輯操作，在P2節(jié)拍完成內(nèi)部寄存器之間的傳送操作。3、機(jī)器周期一個(gè)機(jī)器周期由6個(gè)狀態(tài)組成，如果把一條指令的執(zhí)行過程分作幾個(gè)基本操作，則將完成一個(gè)基本操作所需的時(shí)間稱作機(jī)器周期。一個(gè)機(jī)器周期等于12個(gè)振蕩周期，單片機(jī)的單周期指令執(zhí)行時(shí)間就為一個(gè)機(jī)器周期。4、指令周期指令周期即執(zhí)行一條指令所占用的全部時(shí)間，通常為1～4個(gè)機(jī)器周期1、振蕩周期435、讀寫時(shí)序（1）訪問外部ROM的時(shí)序圖2.8讀外部程序ROM時(shí)序5、讀寫時(shí)序圖2.8讀外部程序ROM時(shí)序44（2）讀外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM時(shí)序圖讀外部數(shù)據(jù)RAM時(shí)序（2）讀外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM時(shí)序圖讀外部數(shù)據(jù)RAM時(shí)序45（3）寫外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM時(shí)序圖寫外部數(shù)據(jù)RAM時(shí)序（3）寫外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM時(shí)序圖寫外部數(shù)據(jù)RAM時(shí)序46第2章MCS51系列單片機(jī)

結(jié)構(gòu)及原理2.1

微型計(jì)算機(jī)的組成2.2

MCS-51系列單片機(jī)組成原理2.3

MCS-51單片機(jī)引腳2.4

MCS－51單片機(jī)I/O接口2.5

MCS-51寄存器和存儲(chǔ)器2.6單片機(jī)工作的基本時(shí)序第2章MCS51系列單片機(jī)

結(jié)構(gòu)及原理2.47

2.1微型計(jì)算機(jī)的組成一、硬件結(jié)構(gòu)

2.1微型計(jì)算機(jī)的組成一、硬件結(jié)構(gòu)48[工學(xué)]第2章MCS51系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理課件491.中央處理器CPUCPU（CentralProcessingUnit）是計(jì)算機(jī)的核心部件,它由運(yùn)算器、控制器和寄存器組成,完成計(jì)算機(jī)的運(yùn)算和控制功能。運(yùn)算器，又稱算術(shù)邏輯部件（ALU,ArithmeticalLogicUnit）,主要完成對(duì)數(shù)據(jù)的算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。控制器（Controller），RD,WR信號(hào)。寄存器（Register）,它們的作用是存放運(yùn)算過程中的各種數(shù)據(jù)、地址或其它信息。寄存器種類很多,主要有:通用寄存器、累加器A、程序計(jì)數(shù)器PC等1.中央處理器CPU502.存儲(chǔ)器M

存儲(chǔ)器分為程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，有8位和16位兩種，以8位為主。

程序存儲(chǔ)器：用來存放程序和常數(shù)的，在單片機(jī)執(zhí)行期間其屬于只讀，不可寫。地址總線的位數(shù)決定了可尋址的程序存儲(chǔ)器的空間的大小。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

：用來存放程序在運(yùn)行期間的變量的數(shù)據(jù)，空間位置由地址總線決定。其可讀可寫，有的在掉電后數(shù)據(jù)丟失，有的采用后備電源和FLASH技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的長期保存。2.存儲(chǔ)器M513.輸入/輸出接口（I/O接口）輸入/輸出（I/O）接口由大規(guī)模集成電路組成的I/O器件構(gòu)成,用來連接主機(jī)和相應(yīng)的I/O設(shè)備（如:鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、打印機(jī)等）,使得這些設(shè)備和主機(jī)之間傳送的數(shù)據(jù)、信息在形式上和速度上都能匹配。不同的I/O設(shè)備必須配置與其相適應(yīng)的I/O接口。3.輸入/輸出接口（I/O接口）524.三總線地址總線數(shù)據(jù)總線控制總線地址總線（AddressBusAB）傳輸?shù)刂沸盘?hào)，用來選擇存儲(chǔ)器的地址和I/O口的地址，具有單向性，決定空間的尋址大小。2nn為地址總線寬度。數(shù)據(jù)總線（DataBusDB），用來傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器或I/O口與CPU間數(shù)據(jù)的傳遞，具有雙向性，其決定了CPU的位。控制總線（ControlBusCB），用來傳輸控制信號(hào)或狀態(tài)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)外圍器件與CPU間數(shù)據(jù)的傳遞，具有雙向性。控制總線的位數(shù)與CPU的位數(shù)無關(guān)，與外圍的特性有關(guān)。4.三總線53系統(tǒng)總線的特點(diǎn)：a)在某一時(shí)刻只能有一個(gè)總線主控設(shè)備，否則出現(xiàn)競爭。b)在總線上的多個(gè)設(shè)備，可以同時(shí)從總線上下載數(shù)據(jù)，這叫廣播功能。系統(tǒng)總線的特點(diǎn)：54二、存儲(chǔ)器的分類

1、RAM

隨機(jī)存儲(chǔ)器，通常是指任何快速可寫的易失存儲(chǔ)器,常用來代表數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。2、DRAM動(dòng)態(tài)RAM，其需要周期性的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)刷新，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。單元數(shù)據(jù)將因放電而丟失數(shù)據(jù)，特點(diǎn)是讀寫速度快。3、SRAM靜態(tài)RAM，一旦數(shù)據(jù)被寫入，只要保持供電，數(shù)據(jù)就可一直保存而不丟失，數(shù)據(jù)不需要刷新。二、存儲(chǔ)器的分類1、RAM554、SDRAM

同步動(dòng)態(tài)RAM，數(shù)據(jù)需要同步時(shí)鐘信號(hào)來控制存取。5、NVRAM非易失性靜態(tài)RAM，即使調(diào)電數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失，一般是內(nèi)置了電池的SRAM。6、FRAM鐵電存儲(chǔ)器，不用后備電池，在調(diào)電后數(shù)據(jù)永久保存，數(shù)據(jù)可擦寫1億次，速度快，功耗低（靜態(tài)電流1μA，寫操作150μA）.可代替SRAM、NVRAM、EEPROM、FLASH7、ROM

只讀存儲(chǔ)器，一旦寫入，存儲(chǔ)內(nèi)容便不能再更改，且可掉電保持，常用來代表程序存儲(chǔ)器。4、SDRAM568、EPROM電可編程ROM，可以采用特定的設(shè)備（燒錄器）寫入數(shù)據(jù)，并可用紫外線擦除，可重復(fù)使用。9、EEPROM電可擦除、可編程ROM，可以用電寫入也可用電擦除，與EPROM的存儲(chǔ)方式不同。10、FLASH閃速存儲(chǔ)器，一種可用電寫入和存儲(chǔ)的存儲(chǔ)器，但速度較慢。不用后備電池可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)保持。11、PROM可編程ROM，只可使用一次的ROM8、EPROM572.2

MCS-51系列單片機(jī)組成原理

目前51單片機(jī)的生產(chǎn)廠家有：Intel、Atmel、華邦、菲利普等；型號(hào)有：AT89C51,AT89C2051,AT89C52,AT89C55等，它們都有一個(gè)相同的C51內(nèi)核，指令系統(tǒng)完全兼容，只是存儲(chǔ)器和I/O接口的配置有所不同。2.2MCS-51系列單片機(jī)組成原理目前51單片機(jī)58[工學(xué)]第2章MCS51系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理課件59

AT89C51單片機(jī)的組成：8位CPU片內(nèi)4KbytesFLASH128bytesRAM片內(nèi)并行I/O接口P0、P1、P2、P3片內(nèi)2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器片內(nèi)5個(gè)中斷處理系統(tǒng)片內(nèi)全雙工串行接口 AT89C51單片機(jī)的組成：60MCS-51單片機(jī)結(jié)構(gòu)CPUMCS-51單片機(jī)結(jié)構(gòu)CPU611、CPU（1）運(yùn)算器電路運(yùn)算器電路包括ALU（算術(shù)邏輯單元）、ACC（累加器）、B寄存器、狀態(tài)寄存器、暫存器1和暫存器2等部件，運(yùn)算器的功能是進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。

（2）控制器電路控制器電路包括程序計(jì)數(shù)器PC、PC加1寄存器、指令寄存器、指令譯碼器、數(shù)據(jù)指針DPTR、堆棧指針SP、緩沖器以及定時(shí)與控制電路等。控制電路完成指揮控制工作，協(xié)調(diào)單片機(jī)各部分正常工作。

1、CPU622、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器

MCS－51單片機(jī)片內(nèi)有兩個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，即定時(shí)器0和定時(shí)器1。它們可以用于定時(shí)控制、延時(shí)以及對(duì)外部事件的計(jì)數(shù)和檢測等。3、存儲(chǔ)器

MCS－51系列單片機(jī)的存儲(chǔ)器包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器，程序存儲(chǔ)器4KbytesFlash，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器128bytes

RAM。4、并行I/O口

MCS－51單片機(jī)共有4個(gè)8位的I/O口（P0、P1、P2和P3），每一條I/O線都能獨(dú)立地用作輸入或輸出。P0口為三態(tài)準(zhǔn)雙向口，能帶8個(gè)TTL門電路，P1、P2和P3口為準(zhǔn)雙向口，負(fù)載能力為4個(gè)TTL門電路。

2、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器635、串行I/O口

MCS－51單片機(jī)具有一個(gè)采用通用異步工作方式的全雙工串行通信接口，可以同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。6、中斷控制系統(tǒng)8051共有5個(gè)中斷源，即外中斷2個(gè)，定時(shí)/計(jì)數(shù)中斷2個(gè)，串行中斷1個(gè)。7、時(shí)鐘電路

MCS－51芯片內(nèi)部有時(shí)鐘電路，但晶體振蕩器和微調(diào)電容必須外接。時(shí)鐘電路為單片機(jī)產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖序列，振蕩器的頻率范圍為1.2MHz～24MHz，典型取值為12MHz。8、總線系統(tǒng)的地址信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)和控制信號(hào)都是通過總線傳送的，總線結(jié)構(gòu)減少了單片機(jī)的連線和引腳，提高了集成度和可靠性。

5、串行I/O口642.3MCS-51單片機(jī)引腳1、I/O口線功能4個(gè)8位并行I/O接口引腳P0.0～P0.7、P1.0～P1.7、P2.0～P2.7和P3.0～P3.7為多功能引腳，可自動(dòng)切換用作數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線和或I/O接口外部引腳2、控制線ALE：地址鎖存允許信號(hào)端PSEN：外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)端EA/VPP：程序存儲(chǔ)器選擇信號(hào)端和編程電源輸入端2.3MCS-51單片機(jī)引腳1、I/O口線功能653、復(fù)位

RST：復(fù)位信號(hào)端和后備電源輸入端。輸入10ms以上高電平脈沖，單片機(jī)復(fù)位。VPD使用后備電源，可實(shí)現(xiàn)掉電保護(hù)。4、電源工作電源：VCC=5V、VSS單片機(jī)RSTK+5V200Ω1K30μF復(fù)位后各個(gè)寄存器和I/O的狀態(tài)：PC=0000H，PSW=00H,SP=07TH0=TL0=TH1=TL1=00H，P0=P1=P2=P3=0XFFH，IE=00H，A=B=00H3、復(fù)位 RST：復(fù)位信號(hào)端和后備電源輸入端。輸入10m665、時(shí)鐘時(shí)鐘頻率:范圍要求在1.2MHz～24MHz之間。一般從外部振蕩器輸入時(shí)鐘信號(hào)。機(jī)器周期:完成一個(gè)基本操作所需要的時(shí)間。一個(gè)機(jī)器周期由12個(gè)振蕩周期組成。指令周期:一條指令的執(zhí)行時(shí)間。以機(jī)器周期為單位：單周期、雙周期和四周期指令。思考題：設(shè)應(yīng)用單片機(jī)晶振頻率為12MHz，問機(jī)器周期為多少？單指令周期為多少？XTAL1

單片機(jī)

XTAL25、時(shí)鐘時(shí)鐘頻率:范圍要求在1.2MHz～24MHz之間。67[工學(xué)]第2章MCS51系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理課件682.4MCS－51單片機(jī)輸入/輸出（I/O）口2.4.1P0口下圖給出了P0口的邏輯結(jié)構(gòu)，它由一個(gè)鎖存器、兩個(gè)三態(tài)輸入緩沖器、一個(gè)多路復(fù)用開關(guān)以及控制電路和驅(qū)動(dòng)電路等組成。

圖

P0口的邏輯結(jié)構(gòu)012.4MCS－51單片機(jī)輸入/輸出（I/O）口圖69

P0口可以作為輸入輸出口，在實(shí)際應(yīng)用中它通常作為地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線。（1）I/O口使用：外部要加上拉電阻。輸出 輸入

準(zhǔn)雙向I/O口：先置1，再讀。（2）地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用P0口可以作為輸入輸出口，在實(shí)際應(yīng)用中它通常作為地70

P0口可以作為輸入輸出口，在實(shí)際應(yīng)用中它通常作為地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線。作為通用I/O口使用時(shí)，P0口為準(zhǔn)雙向口。

2.4.2P1口

P1口是一個(gè)準(zhǔn)雙向口，通常作為I/O口使用，其位結(jié)構(gòu)如圖。由于在其輸出端接有上拉電阻，故可以直接輸出而無需外接上拉電阻。圖P1口位結(jié)構(gòu)圖P0口可以作為輸入輸出口，在實(shí)際應(yīng)用中它通常作為地712.4.3P2口

P2口位結(jié)構(gòu)圖如圖。P2通用為一個(gè)準(zhǔn)雙向口，其位結(jié)構(gòu)與P0口相似。對(duì)于8031單片機(jī)來說，P2口通常用作高8位地址信號(hào)輸出。

圖

P2口位結(jié)構(gòu)圖2.4.3P2口圖P2口位結(jié)構(gòu)圖722.4.4P3口

P3口的位結(jié)構(gòu)圖如圖。P3口為雙功能口，當(dāng)P3口作為通用I/O口使用時(shí)，它為準(zhǔn)雙向口，且每位都可定義為輸入或輸出口，其工作原理同P1口類似。

圖

P3口的位結(jié)構(gòu)圖2.4.4P3口圖P3口的位結(jié)構(gòu)圖73

P3口還具有第二功能，其引腳描述如表。表P3口特殊功能口線特殊功能信號(hào)名稱P3.0RXD串行輸入口P3.1TXD串行輸出口P3.2外部中斷0輸入口P3.3外部中斷1輸入口P3.4T0定時(shí)器0外部輸入口P3.5T1定時(shí)器1外部輸入口P3.6WR寫選通輸出口P3.7RD讀選通輸出口P3口還具有第二功能，其引腳描述如表。口線特殊功能信號(hào)名742.5

MCS-51寄存器和存儲(chǔ)器MCS－51的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)如圖所示。存儲(chǔ)器分為：程序存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。另外它們分別又分為內(nèi)部和外部。可尋址能力都為64Kbytes。內(nèi)部2.5MCS-51寄存器和存儲(chǔ)器MCS－75[工學(xué)]第2章MCS51系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理課件76一、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

2.5.1數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

MCS－51數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的尋址空間能夠達(dá)到64K，它們內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）空間一般為128，外部可擴(kuò)展為64K。一、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器2.5.1數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器771.內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器低128單元（00H~7FH） 工作寄存器區(qū)： 00H～1FH 位尋址區(qū)：

20H～2FH 用戶RAM區(qū)： 30H～7FH2.

內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器高128單元（80H~FFH）專用寄存器區(qū),也稱作特殊功能寄存器區(qū)（SFR）,其它預(yù)留區(qū)。

1.內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器低128單元（00H~7FH）2.

78表專用寄存器區(qū)表專用寄存器區(qū)79累加器ACC

累加器為8位寄存器，助記符為A。加、減乘和除等算術(shù)運(yùn)算指令的運(yùn)算結(jié)果都存放在累加器A或AB寄存器中，在變址尋址方式中累加器被作為變址寄存器使用。

B寄存器

B寄存器為8位寄存器，主要用于乘除指令中。乘法指令的兩個(gè)操作數(shù)分別取自累加器A和寄存器B，其中B為乘數(shù)，乘法結(jié)果的高8位存放于寄存器B中。除法指令中，被除數(shù)取自A，除數(shù)取自B，除法的結(jié)果商數(shù)存放于A，余數(shù)存放于B中。在其它指令中，B寄存器也可作為一般的數(shù)據(jù)單元來使用。程序狀態(tài)字PSW

程序狀態(tài)字是一個(gè)8位寄存器，它包含程序的狀態(tài)信息。PSW的各位定義如表。

累加器ACC80表PSW的各狀態(tài)位定義

(1)CY：進(jìn)位標(biāo)志位在執(zhí)行某些算術(shù)和邏輯指令時(shí)，可以被硬件或軟件置位或清零。在算術(shù)運(yùn)算中它可作為進(jìn)位標(biāo)志，在位運(yùn)算中，它作累加器使用，在位傳送、位與和位或等位操作中，都要使用進(jìn)位標(biāo)志位。(2)

AC：輔助進(jìn)位標(biāo)志進(jìn)行加法或減法操作時(shí)，當(dāng)發(fā)生低四位向高四位進(jìn)位或借位時(shí)，AC由硬件置位，否則AC位被置“0”。在進(jìn)行十進(jìn)制調(diào)整指令時(shí)，將借助AC狀態(tài)進(jìn)行判斷。

位序PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0位標(biāo)志CYACF0

RS1RS0

OV/ P表PSW的各狀態(tài)位定義 (1)CY：進(jìn)位標(biāo)志81(3)用戶標(biāo)志位F0該位為用戶定義的狀態(tài)標(biāo)記，用戶根據(jù)需要用軟件對(duì)其置位或清零，也可以用軟件測試F0來控制程序的跳轉(zhuǎn)。(4)RS1和RS0：寄存器區(qū)選擇控制位該兩位通過軟件置“0”或“1”來選擇R0~R7所在的當(dāng)前工作寄存器區(qū)。

RS1RS0寄存器區(qū)地址00000～07H01108～0FH

10210～17H

11318～1FH(5)OV：溢出標(biāo)志位OV＝1表示運(yùn)算結(jié)果超出了累加器A所能表示的符號(hào)數(shù)有效范圍（0～255），即運(yùn)算結(jié)果是錯(cuò)誤的，反之，OV＝0表示運(yùn)算正確，即無溢出產(chǎn)生。OV=CY7CY6(3)用戶標(biāo)志位F082(6)P：奇偶標(biāo)志位每個(gè)指令周期由硬件來置位或清零用以表示累加器A中1的個(gè)數(shù)的奇偶性，若累加器中1的個(gè)數(shù)為奇數(shù)則P＝1，否則P＝0。數(shù)據(jù)指針DPTR

數(shù)據(jù)指針DPTR為一個(gè)16位的專用寄存器，其高位用DPH表示，其低位用DPL表示，它即既可以作為一個(gè)16位的寄存器來使用，也可作為兩個(gè)8位的的寄存器DPH和DPL使用。DPTR在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)既可用來存放16位地址，也可作地址指針使用。如MOVX@DPTR，A。I/O端口P0～P3

P0～P3為四個(gè)8位的特殊功能寄存器，分別是四個(gè)并行I/O端口的鎖存器，當(dāng)I/O端口的某一位用作輸入時(shí)，對(duì)應(yīng)的鎖存器必須先置“1”。(6)P：奇偶標(biāo)志位83

定時(shí)器/計(jì)數(shù)器在MCS－51中，除8032/8052外都只有兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0和T1，它們由兩個(gè)相互獨(dú)立的8位寄存器組成TH和TL，共有四個(gè)獨(dú)立的寄存器TH0、TL0、TH1和TL1，只可對(duì)這四個(gè)寄存器獨(dú)立尋址，而不能作為一個(gè)16位寄存器來尋址。

串行數(shù)據(jù)緩沖寄存器串