第一章MCS-51单片机(改).ppt

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,李芳主编,MCS-51,单片机内部结构,存 储 器,特殊功能寄存器,时钟电路和复位电路,引脚,内 容 提 要,MCS-51,系列单片机有多种型号的产品：,普通型,（,51,子系列）：,4KB,程序存储器,128,字节,RAM,8051,、,8031,、,8751,、,89C51,、,89S51,等。,增强型,（,52,子系列）：,8KB,程序存储器,256,字节,RAM,8032,、,8052,、,8752,、,89C52,、,89S52,等。,多定时,/,计数器,T2,，其它结构,(CPU,、,I/O,口等,),相同,8031,：无程序存储器，,8051,：掩模,ROM,现已少用,8751,：,EPROM,存储器,89C51,：闪速,EEPROM,89S51,：,可在线编程闪速,EEPROM,本课以,8XX51,代表这一系列的单片机。,还有其它厂家的许多增强型,51,系列单片机内部结构,图,1-1 (,图中“,/”,两边分别为基本型和增强型,),P3,P1,P2,可编程,串行,I/O,口,P0,外部中断,基准频率源,控制,128/256B,数据存储器,4KB/8KB,程序存储器,2/3,个,16,位,定时,/,计数器,振荡器及 定时电路,CPU,64KB,总线扩展控制,可编程,并行,I/O,口,内部中断,计数脉冲,串行输出,串行输入,1.1.2 CPU,CPU,是单片机的,核心部件：运算器、控制器,1,.,运算器,功能：,算术运算：加、减、乘、除、加,1,、减,1,、,BCD,调整,逻辑运算：与、或、异或、求反、循环移位,位操作,：内部有,布尔处理器,进位标志位,C,作为,位累加器,位清,0/,置,1/,取反、位逻辑运算、位判断,操作结果的状态信息送至程序状态字,PSW,。,2.,程序计数器,PC 16,位，存放即将要执行的指令地址，可对,64KB,程序存储器直接寻址。低,8,位由,P0,口输出，高,8,位由,P2,口输出。,3.,指令寄存器,对用户透明,存放指令代码。,CPU,执行指令时，由程序存储器中读取的指令代码送入指令寄存器器，经指令译码器译码后由定时与控制电路发出相应的控制信号，完成指令功能。,1.2,存 储,器,哈佛型,：,程序存储器和数据存储器分开,各有自己的寻址方式、控制信号和功能。,程序存储器：,存放程序和始终不变的常数,数据存储器：,存放变量,从,物理空间,看,MCS-51,有四个存储器地址空间：,片内数据存储器、片外数据存储器,片内程序存储器、片外程序存储器,MCS-51,存储器物理结构见下图所示：,外部数据,存储器,(RAM),外部程序,存储器,(ROM),内部程序,存储器,内部数据,存储器,8XX51,从,逻辑上,看,MCS-51,有,三个存储器空间,：,片内数据存储器、片外数据存储器,片内、片外统一编址的程序存储器,MCS,51,的存储器,逻辑结构,如图,1-2,所示。,MCS-51,存储器物理结构,引脚,EA,的接法决定了程序储存器的,0000,0FFFH 4KB,地址范围是在单片机片内还是片外。,H0000,0FFFH,图,1-2 MCS-51,单片机的存储器逻辑结构,FFFFH,0000H,0FFFH,外部,RAM,外部,R O M,内部,ROM,(EA=1),H0000,8031,外部,ROM,(EA=0,）,8051,1000H,FFFFH,特殊功能,寄存器,内部数据存储器,内部数据,RAM,7FH,80H,00H,FFH,外部数据存储器,（增强型）,程序存储器,地址重叠,1.2.1,程序储存器,程序存储器用来存放编制好的始终保留的固定程序和表格常数。程序存储器以程序计数器,PC,作为地址指针，通过,16,位地址总线，可寻址的地址空间为,64KB,。,在,8051/8751/89C51,片内，分别内置最低地址空间的,4KB ROM/EPROM,程序储存器（内部程序储存器），而在,8031,片内，则无内部程序储存器，必须外部扩展,EPROM,。,MCS-51,单片机中,64KB,内、外程序储存器的地址是统一编排的,。,8031,单片机无内部程序存储器，地址从,0000H,FFFFH,都是外部程序存储空间。应始终接地。,对于内部有,ROM,的单片机（,51,、,52,系列）,，引脚接高电平，使程序从内部,ROM,开始执行。当,PC,值超出内部,ROM,的容量时，会自动转向外部程序存储器空间。外部程序存储器地址空间为,1000H,FFFFH,。,若,EA,接地，则内部,ROM,无用,。,访问程序存储器使用,MOVC,指令。,EA,EA,程序存储器中的几个特殊地址的使用：,地址 用途（,中断矢量,）,0000H,复位操作后的程序入口,0003H,外部中断,0,服务程序入口,000BH,定时器,0,中断服务程序入口,0013H,外部中断,1,服务程序入口,001BH,定时器,1,中断服务程序入口,0023H,串行口中断服务程序入口,002BH,定时器,2,中断服务程序入口,在中断入口地址中通常用一条无条件转移指令，转到中断处理子程序。,1.2.2,外部数据存储器,用于存放随机读写的数据；,外部,I/O,口,地址,影像,区；,外部数据存储器和外部,I/O,口,统一编址,，,控制信号 相同，均、,仅,使用,MOVX,指令访问。,最多可扩展,64KB,外部数据存储器,1.2.3,内部数据储存器,内部数据存储器是,使用最多,的地址空间，,存放,经常操作,的数据。,通用寄存器区,RD WR,堆栈区,运算操作数存放区,运算指令的操作数只能在此地址空间或特殊功能寄存器地址空间。,内部数据存储器的地址分配：,00,7FH,（,1,）,0,1FH,的,32,个单元为寄存器区,用途：,作通用寄存器,R0,R7,。,R0,与,R1,可作间址寄存器使用。,使用时应注意,：,32,个单元的寄存器区分为四组，使用时只能选其中一组寄存器。,寄存器的选组由程序状态字,PSW,的,RS1,和,RS0,位定。,RS1 RS0,选寄存器组,0 0 0,组,0 1 1,组,1 0 2,组,1 1 3,组,初始化时或复位时，自动选中,0,组。,一旦选中一组，其它三组只能作为数据存储器使用，而不能作为寄存器使用。,设置多组寄存器可以方便保护现场。,（,2,）,20H,2FH,为位寻址区,共,16,个单元，每单元,8,位，共,128,位，每位有一个位地址，范围,00H,7FH,，也可按字节寻址。,如,MOV 20H,，,C,(C,是,Cy,进位,标志位），,将,Cy,内容送,20H,位,（,3,）除选中的寄存组以外的存储器均可以作为通用,RAM,区,（,4,）堆栈区,在内部,RAM,区，最大,128,字节，初始化时,SP=07H,注：,52,增强型单片机还有,80H,FFH,组成的高,128,字节,RAM,区,（共,256,字节,RAM,）。,1.3,特殊功能寄存器,共有,21,个,8,位的特殊功能寄存器，,SFR,（,Special,Fuction,Register,）,1.,用途：,累加器、状态标志寄存器,单片机内部各部件专用的控制、状态寄存器,并行口、串行口映射寄存器,2.,地址空间：,不连续分布在,80H,FFH,地址空间中，见表,1-2,。,字节地址为,X0H,和,X8H,是可位寻址的寄存器，加“*”。,表,1-2,中还标注了各,SFR,的名称、字节地址、可寻址位的位地址和位名称。,特殊功能寄存器的名称及主要功能,（,详细用法见后面各节内容）：,A,累加器，自带有全零标志,Z,，,A=0,则,Z=1,；,A0,则,Z=0,。,该标志用于判,0,跳转。,B,寄存器，常用于乘除法运算（见第,2,章）。,PSW,程序状态字，,8,个标志位定义见表,1-3,。,CY,：进,/,借位标志,反映最高位的进位借位情况，加法为进位、减 法为借位。,CY=1,，,有进,/,借位,；,CY=0,，,无进,/,借位。,AC,：,辅助进,/,借位标志,反映高半字节与低半字节之间的进,/,借位，,AC=1,有进,/,借位,；,AC=0,无进,/,借位,。,FO,：,用户标志位,。可由用户设定其含义。,RS,1,，,RS,0,：,工作寄存器组选择位,。,D7,D6,D5,D4,D3,D2,D1,D0,CY,AC,F0,RS1,RS0,OV,P,位,地址,位,名称,OV,：,溢出标志,反映补码运算的运算结果有无溢出,有溢出,OV=1,，,无溢出,OV=0,。,-,：,无效位。,在,52,中可作为用户标志,。,P,：,奇偶标志,运算结果有奇个“,1”,，,P=1,；,运算结果有偶个“,1”,，,P=0,。,影响标志位的指令及其影响方式见第,2,章。,SP,堆栈指针。堆栈操作按字节进行。,入栈（,PUSH,）时，先加后压；,出栈（,POP,）时，先弹后减。,堆栈生成方向，称为上推式。,DPTR,数据指针。,存放,16,位,程序存储器,或片外,RAM,的地址值；,间接寻址或变址寻址；,可分成,DPL,和,DPH,两个,8,位寄存器。,P0 P1 P2 P3,I/O,端口寄存器,四个并行,I/O,端口的,SFR,。,对该寄存器读,/,写，即是从相应,I/O,端口的输入,/,输出。,例：,MOV P1,，,A,；,A,内容从,P1,端口输出；,MOV A,，,P3,；,P3,端口上的信息输入到,A,中。,此外还有如下寄存器，它们将在后面章节介绍：,IP,中断优先级控制寄存器。,IE,中断允许控制寄存器。,TMOD,定时器,/,计数器方式控制寄存器。,TCON,定时器,/,计数器控制寄存器。,TH,0,，,TL,0,定时器,/,计数器,0,。,TH,1,，,TH,1,定时器,/,计数器,1,。,SCON,串行端口控制寄存器。,SBUF,串行数据缓冲器。,PCON,电源控制寄存器。,注：,在,52,子系列中，高,128,字节,RAM,和,SFR,的地址是重叠的，究竟访问哪一块可通过不同的寻址方式加以区分，,访问高,128,字节,RAM,采用寄存器间址，访问,SFR,则只能采用直接寻址,，访问低,128,字节,RAM,时，两种寻址均可采用。,1.4,时钟电路与复位电路,内部振荡方式,：,(,图,1-3),在引脚,XTAL,1,和,XTAL2,外接晶体振荡器,(,简称晶振,),。,电容器,C01,、,C02,起稳定振荡频率、快速起振的作用。电容值一般为,5,30PF,。,XTAL1,XTAL2,GND,8XX51,C01,C02,图,1-3,内部振荡方式,1.4.1,时钟电路,时钟信号用来提供单片机内各种微操作时间基准，,8XX51,单片机的时钟信号通常有两种电路形式：,内部振荡方式,和,外部振荡方式,。,单片机内部有一个高增益运算放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。,8XX51,外部振荡方式,(,图,1-4),是把已有的时钟信号引入单片机。这种方式适宜用于使单片机的时钟与外部信号保持一致。,对,HMOS,的单片机（,8031,、,8031AH,等）外部时钟信号由,XTAL2,引入，对于,CHMOS,的单片机（,8XCXX,），,外部时钟由,XTAL1,引入。,外部时钟,XTAL1,XTAL2,GND,8XX51,悬空,外部时钟,XTAL1,XTAL2,GND,悬空,CHMOS,HMOS,图,1,4,外部振荡方式,8XX51,1.4.2,基本时序单位,振荡周期,：,晶振的振荡周期，又称时钟周期，为最小的时序单位。,节拍,状态周期,：振荡频率经单片机内的二分频器分频后提供给片内,CPU,的时钟周期。因此，一个状态周期包含,2,个振荡周期。,机器周期（,MC,）,：,1,个机器周期由,6,个状态周期,即,12,个振荡周期组成。是计算机执行一种基本操作的时间单位。,指令周期,执行一条指令所需的时间,=1,4,个机器周期,振荡周期和机器周期是计算其他时间值,(,波特率、定时器的定时时间等,),的基本时序单位。,例：单片机外接晶振频率,12MHZ,时：,振荡周期,=1/fosc=1/12MHZ=0.0833us,状态周期,=2/fosc=2/12MHZ=0.167us,机器周期,=12/fosc=12/12MHZ=,1us,指令周期,=(1,4),机器周期,=1,4us,1.4.3,复位电路,复位操作则使单片机的片内电路初始化，使单片机从一种确定的状态开始运行。,当,MCS-51,系列单片机的复位引脚,RST,出现,5,ms,以上的高电平时，单片机就完成了复位操作。如果,RST,持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。,复位操作通常有,2,种基本形式：,上电复位；,开关复位。,上电后，由于电容充电，使,RST,持续一段高电平时间。当单片,机已在运行过程中时，按下复位键,也能使,RST,持续一段时间的高电平，从而实现上电且开关复位的操作。通常选择,C=10,f,R=10K,。,RST,8XX51,R,C,VCC,上电复位,要求接通电源后，自动实现复位。,开关复位,要求在电源接通的条件下，在单片机运行期间，用接钮开关操作使单片机复位。,常用的上电且开关复位电路如 图,1-5,所示。,图,1-5,复位电路,单片机的复位操作是使,SFR,寄存器进入初始化，不改变片内,RAM,区中的内容。,几个主要特殊功能寄存器复位状态：,PC=0000H,程序从,0000H,地址单元开始执行。,A=00H,表明累加器已被清零。,PSW=00H,表明选寄存器,0,组为工作寄存器组。,SP=07H,表明堆栈指针指向片内,RAM 07H,单元，根据堆栈操作的先加后压法则，第一个被压入的数据被写入,08H,单元中。,P0,P3=FFH,表明已向各端口线写入，,此时各端口既可用于输入又可用于输出。,记住一些特殊功能寄存器复位后的主要状态，对于熟悉单片机操作，减短应用程序中的初始化部分是十分必要的,。,教材表,1-4,：特殊功能寄存器复位状态。,1.5,引脚功能,各个引脚的功能如下：,Vss,:,接地端。,Vcc,:,电源端，接,+5V,。,XTAL1,，,XTAL2,:,接外部晶体或外部时钟。,RST/VPD,：,复位信号输入。,8,XX,51,单片机有,44,引脚的,方形封装和,40,个引脚的双列直插式封装形式，最常用的,40,个引脚,DIP,封装，见图,1-6,。,图1-6,接备用电源，当,VCC,掉电后，在低功耗条件下保持,内部,RAM,中的数据。,ALE/PROG,：,ALE,地址锁存允许输出，频率为振荡频率的,1/6,。,PROG,对,8751,片内,EPROM,编程时，输入编程脉冲。,PSEN,：外部程序存储器选通输出信号。,EA/VPP,：输入,EA=0,，,单片机只访问外部程序存储器；,EA=1,，,单片机访问内部、,外部,程序存储器。,在,8751,内,EPROM,编程时，输入,21V,编程电源,VPP,。,P0.0,P0.7,：,P0,口，双向，数据,/,低八位地址,/,通用,P1.0,P1.7,：,P1,口，双向，通用,P2.0,P2.7,：,P2,口，双向，高八位地址,/,通用,P3.0,P3.7,：,P3,口，双向，第二功能,/,通用,在增强型的,52,系列单片机中，,P1.0,、,P1.1,除为端口线外，还为定时,/,计数器,2,的外部引脚,T2,和,T2EX,。,图1-7,51,系列的,AT2051/1051,只有,20,个引脚,(,图,1.7),，无,P0,口和,P2,口，由于不能进行外部扩展，因此无,PSEN,引脚，它们内部有一个模拟比较器，相比较的模拟信号由,P1.0,（,AIN0,）,和,P1.1,（,AIN1,）,输入，而模拟比较器的输出接,P3.6,，,在内部已连接，因此外部无,P3.6,引脚。,1.6,小 结,单片机是集,CPU,、,存储器、,I/O,接口于一体的,超,大规模集成电路，,MCS-51,应用最广泛,。,本章重点是单片机的内部结构和存储器结构,51,系列,单片机内部包含：,一个,8,位的,CPU,。,程序存储器：,0/4KB,，,掩模,ROM/EPROM/FLASH EEPROM,128,字节,RAM,数据存储器。,两个,16,位,可编程,定时器,/,计数器。,可寻址,64KB,外部数据存储器和,64KB,外部程序存 储器空间的控制电路。,32,条可编程的,I/O,线（四个,8,位并行,I/O,端口）。,一个可编程全双工串行口。,具有两个优先级嵌套中断结构的五个中断源。,掌握,51,系列单片机各存储空间的地址分配、使用特点及数据操作方法,(,教材,P26,表,1-5,),，此表是编程和硬件扩展的基础，相当重要，务必要,熟记和掌握,。,