第2章 80C51的结构和原理.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,第,2,章,80C51,的结构和原理,教学内容：,MCS-51,总体结构,MCS-51,时钟及,CPU,工作时序,MCS-51,存储器配置,教学目的：,1,、熟悉,80C51,单片机的结构,2,、掌握,80C51,的内部资源，特别是存储器配置,3,、理解单片机的工作原理和基本时序,教学重点：,1,、,80C51,单片机的结构,2,、,80C51,单片机存储器及,SFR,配置,3,、,80C51,单片机,I/O,口特点,教学难点：,单片机存储器的配置及其工作原理,MCS-51,系列基本产品型号：,8051,、8031,、,8751,称为,51,子系列。,不同型号,MCS-51,单片机,CPU,处理能力和指令系统完全兼容，只是存储器和,I/O,接口的配置有所不同,。,MCS-51,总体结构,MCS-51,单片机基本组成示意图,时钟电路,ROM,SFR,和,RAM,CPU,定时,/,计数器,并行端口,中断系统,串行端口,系 统 总 线,时钟源,T,0,T,1,P0,P1,P2,P3,TXD RXD,INT,0,INT,1,一,、,MCS-51单片机的组成,MCS-51,单片机的基本组成部件,8,位,CPU,，片内振荡器；,4K,字节,ROM,，,128,字节,RAM,；,21,个特殊功能寄存器；,32,根可编程,I,O,口线；,可寻址各,64K,的外部程序存储器、外部数据存储器；,2,个,l6,位的定时器计数器；,中断结构：具有,5,个中断源，,2,个优先级；,一个可编程全双工串行口；,有位寻址功能，适于布尔处理的位处理机。,电源引脚,：,V,cc,(+5V),和,V,ss,(,接地）,外接晶振引脚：,XTAL1,XTAL2,I/O,引脚,P0,、,P1,、,P2,和,P3,控制和复位引脚,ALE,、,、,RET,MCS-51,单片机引脚,40,个引脚分为四类：电源、地,2,条；时钟,2,条；控制,4,条；,I/O,线,32,条。,1,I/O,口线功能,4,个,8,位并行,I/O,接口引脚,:,P0.0,P0.7,（,低,8,位地址、数据、,I/O,口）,P1.0,P1.7,（,准双向口）,P2.0,P2.7,（,高,8,位地址、,I/O,）,P3.0,P3.7,（,I/O,口、第二功能）,为多功能引脚，可自动切换用作数据总线、地址总线、控制总线和或,I/O,接口外部引脚。,MCS-51,单片机引脚,P0.0-P0.7(39-32),：,双向,I/O,口,P0.,第二功能是,在访问外部存储器时,，可分时用作低,8,位地址和,8,位数据线；在对,8751,编程和校验时，用于数据的输人输出。,PO,口能以吸收电流的方式驱动,8,个,LS,型,TTL,负载,Pl.0-Pl.7(1-8),：,双向,I/O,口,Pl,。,P1,口能驱动（吸收或输出电流,)4,个,LS,型,TTL,负载。,在对,EPROM,编程和程序验证时，它接收低,8,位地址。,在,8052,单片机中,P1.0,还用作定时器,2,的计数触发输人端,T2,，,P1.1,还,用作,定时器,2,的外部控制端,T2EX,。,P2.0-P2.7(21-28,）：,双向,I/O,口,P2,。,P2,口可以驱动（吸收或输出电流）,4,个,LS,型,TTL,负载。,第二功能是在访问外部存储器时，输出高,8,位地址。,在对,EPROM,编程和校验时，它接收高位地址。,P3,0-P3.7(10-17,）：,双向,I/O,口,P3,。,P3,口能驱动（吸收或输出电流）,4,个,LS,型,TTL,负载。,P3,口的每条引脚都有各自的第二功能。,表,2.7 P3,口的第二功能,2,控制线,ALE,：,地址锁存允许信号端,PSEN,：,外部程序存储器读选通信号端,EA,/V,PP,：,程序存储器选择信号端和编程电源输入端,MCS-51,单片机引脚,ALE/,（,30,）：,ALE,是地址锁存允许信号端，一般常用来连接外接地址锁存器芯片的锁存引脚,在访问外部存储器时，,用来锁存由,PO,口送出的低,8,位地址信号。,在不访问外部存储器时，,ALE,以振荡频率,1,6,的固定速率输出脉冲信号。,因此它可用作对外输出的时钟。但要注意，当对片外,RAM,进行读,/,写时,ALE,信号不是周期性的。,第二功能 是作为编程写入（固化程序）编程脉冲输人端。,它是外部程序存储器,ROM,的读选通信号，一般连接程序存储器的选通信号引脚。,在执行访问外部,ROM,指令时，会自动产生,PSEN,信号；而在访问外部数据存储器,RAM,或访问内部,ROM,时，不产生,PSEN,信号。,(29),：,外部程序存储器地址允许输入端,/,固化编程电压输入端，它是访问外部存储器的控制信号。,当,EA,高电平时，访问内部程序存储器；但当程序计数器,PC,的值超过,OFFFH,（对,8051/80051/8751),或,1 FFFH,（对,8052),时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。,当,EA,保持低电平时，只访问外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器。,第二功能,V,PP,，,对于片内有,EPROM,的芯片固化编程时，它作为施加较高编程电压（一般,12,21V,）的输入端。,（31)：,RST/V,PD,（,9,）：,RST,是复位信号输人端。,当此输人端保持两个机器周期,(24,个振荡周期）的高电平时，就可以完成复位操作。,第二功能是,V,PD,，,即备用电源输人端。,当主电源发生故障，降低到规定的低电平以下时。将为片内,RAM,提供备用电源，以保证存储在,RAM,中的信息不丢失。,单片机的复位操作使单片机进入初始化状态，其中包括使程序计数器,PC,0000H,，,这表明程序从,0000H,地址单元开始执行。,21,个特殊功能寄存器复位后的状态为确定值。,XTALl,（,19,）：,接外部晶体的一个引脚。,当单片机采用外部时钟信号时，此脚应接地。,XTAL2,（,18,）,：,接外部晶体的一个引脚。当单片机采用外部时钟信号时，外部时钟信号由此引脚接入,。,使用单片机内部振荡电路时，用来接外部晶体的两端和微调电容。当单片机采用外部时钟信号时，则用来输入时钟脉冲。,Vss,（,20,）：,接地端。,Vcc,（,40,）：,电源端，接十,5V,。,MCS-51,单片机内部结构,(,图,),中央处理器,CPU,一、CPU,内部结构,1.,算术逻辑运算单元,ALU(8,位,),+,、,、,、,算术运算，与、或、非、异或 逻辑运算、循环移位、位处理。,2.,寄存器阵列,(1),工作寄存器,R,0,R,7,（,8,位）（暂存寄存器）,暂存运算数据和中间结果。,4,个工作寄存器区，工作寄存器,0,区,3,区,。每个区均含,8,个寄存器,R,0,R,7,，,占用,32,个片内,RAM,单元。,用,PSW,中的两位,PSW.4,和,PSW.3,来切换工作寄存器区，选用一个工作寄存器区进行读写操作,。,(2),累加器,Acc,(8,位,),需要,ALU,处理的数据和计算结果多数要经过,A,累加器,。,(3),寄存器B,(8,位,),与,A,累加器配合执行乘、除运算。亦可作通用寄存器。,(4),程序状态字,PSW,(8,位,),（,P23),存放,ALU,运算过程的标志状态,Cy AC F0 RS1 RS0 OV P,进位,/,辅助进位,/,用户定,/,选工作寄,/,溢出标志,/,奇偶标志,P,：奇偶标志位，存于,ACC,中的运算结果有奇数个“,1”,时，,P=1,否则为,0.,(5),数据指针,DPTR,(16,位,),（,P23),存放片外存储器地址，作为片外存储器的指针,。可分成两个,8,位寄存器,DPH,、,DPL,使用,。,(6),堆栈指针,SP(8,位,),按,“先进后出、后进先出”,的原则存取数据的存储区。,MCS-51,堆栈设在片内,RAM,区（一般是,30H,7FH,）。数据入栈,/,出栈时，,SP,自动加,1/,减,1,，其内容始终为栈顶地址。,入栈：,SP+1 SP,，数据再压入,SP,所指的单元；,出栈：数据先弹出，,SP-1 SP,。,总结：,80C51,单片机的堆栈区是向地址增大的方向生成的。,复位时：,SP=07H,。,(7),程序计数器,PC(16,位,),（注：不属于特殊功能寄存器,SFR,区）,CPU,总是按,PC,的指示读取程序。,PC,可自动加,1,。因此,CPU,执行程序一般是顺序方式。当发生转移、子程序调用、中断和复位等操作，,PC,被强制改写，程序执行顺序也发生改变。,复位时,：,PC=0000H,。,2.1.3 MCS-51,单片机的片外总线结构,三,总线结构,：,1.,地址总线,(,Adress,Bus),总线宽度为,16,位，可访问,64K,外部存储器。,A0A7 P0,口,(,经锁存器,),A8A15P2,口,2.,数据总线,(Data Bus),总线宽度为,8,位,(P0),3.,控制总线,(Control Bus),由,P3,口和,4,根独立控制线组成,2.2.1 MCS-51,时钟,时钟频率范围要求在,1.2MHz,12MHz,之间。,1,内部时钟方式：内部一个高增益反相放大器与片外石英晶体或陶瓷谐振器构成了一个自激振荡器。,晶体振荡器的振荡频率决定单片机的时钟频率。,XTAL1,单片机,XTAL2,2,外部时钟方式：外部振荡器输入时钟信号。,振荡周期：,为单片机提供定时信号的振荡源周期。,时钟周期：,又称状态周期或,S,周期。时钟周期是振,荡周期的两倍,。,机器周期：,完成一个基本操作所需要的时间。,一个机器周期由,6,个时钟周期组成。,指令周期：,一条指令的执行时间。,以机器周期为单位可分为：,单周期,、,双,周期,和,四周期,指令。,若外接晶振为,12MHz,时，,MCS-51,单片机的四个周,期的具体值为：,振荡周期,1,12 us,；,时钟周期,1,6 us,；,机器周期,1 us,；,指令周期,14 us,；,2.2.2 MCS-51,工作时序,P,1,P,2,S,1,P2,振荡周期,时钟周期,机器周期,机器周期,指令周期,XTAL,2,(OSC),S,2,S,3,S,4,S,5,S,6,S,1,S,2,S,4,S,5,S,3,S,6,P,1,P,1,P,1,P,1,P,1,P,1,P,1,P,1,P,1,P,1,P,1,P,2,P,2,P,2,P,2,P,2,P,2,P,2,P,2,P,2,P,2,MCS-51,单片机各种周期的相互关系,2.3 MCS-51,单片机存储器空间结构图,图（,a,）,是程序存储器，图（,b,）,是内部数据存储器，,图（,c,）,是外部数据存储器,五个独立的存储空间,1,64KB,程序存储器空间,(0,0FFFFH),2.,256B,片内数据存储器空间,(00FFH),3.,128B,片内特殊功能寄存器空间,(800FFH),4.,位寻址空间,(,00,H07F),5.,64KB,外部数据存储器空间,(0,0FFFFH),2.3.1,程序存储器,程序存储器,的结构如图所示，包括片内和片外程序存储器两个部分。,其主要用来存放编好的用户程序和表格常数，它以,16,位的程序计数器,PC,作为地址指针，故寻址空间为,64KB,，也即是,8051,单片机外部可扩展最多达,64KB,的,EPROM,。,EA,接高电平：,CPU,首先从片内,0000H,字节单元取取指令；超过,0FFFH,后转向片外扩展的,EPROM,对应单元。,EA,接低电平：复位后,CPU,直接从片外,EPROM,的,0000H,单元开始取指令执行。,FFFFH,外部,ROM,内部,ROM,(EA=1),外部,ROM,(EA=0),0000H,0000H,0FFFH,0FFFH,1000H,程序存储器,MCS-51,存储器配置,2.3.1,程序存储器,内部,4KB,程序存储器资源分布如下图所示：,注意：程序存储器的某些单元是专门预留给系统专用的，详细请见表,2-2.,2.3.2,数据存储器,数据存储器,的结构如图所示，包括片内和片外数据存储器两个部分,。,1,、片外数据存储器,8051,片外最大可以扩展数据存储器的容量是,64KB,。地址范围为,0000HFFFFH,。,2,、片内数据存储器,8051,片内有数据存储器,256,个字节单元，地址范围为,00H0FFH,分为低,128B,（,00H,7FH,）数据存储区和高,128B,（,80H,0FFH,）的特殊功能寄存器区（,SFR,区）,（,1,）位寻址区,地址为,20H,2FH,的,16,个字节单元中共,128,位，,每一位都有相应的位地址，可用位寻址方式对其进行置位、复位、内容传送、逻辑运算等操作,。,128,位的位地址定义为,00H,7FH,，其位地址分布如下表所示。,注意：程序状态字位和位控制变量一般设在位寻址区。,（,2,）用户,RAM,区,地址范围为,30H7,FH,作为数据缓冲器使用，可用于原始数据及运算结果的存储。,注意：堆栈一般设在此区域内,（,3,）特殊功能寄存器区（,SFR,区）,此区离散地分布着,21,个特殊功能寄存器。这些特殊功能寄存器的符号、名称及地址如右表所示。,（,3,）特殊功能寄存器区（,SFR,区）,注意：上表中标有*,标记的,11,个特殊功能寄存器都是位寻址寄存器，其特点是它们的字节地址正好被,8,整除。它们字节单元的每一位可以按位寻址操作。,（,4,）数据指针,DPTR,注意：,DPTR,既可以作为一个,16,位寄存器来处理，也可以作为两个独立的,8,位寄存器,DPH(,字节单元地址,83H,）和,DPL,（字节单元地址,82H,）进行分别使用。,本章小结,本章主要介绍了,80C51,单片机的硬件结构，从其内部剖析,80C51,运作时的工作原理，紧接着将其每个引脚的功能从其应用的角度作了详细的讲解，最后详细讲解了,80C51,存储器配置。,