chap02_MCS-51单片机结构与时序_L.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,2,章,MCS-51,单片机结构与时序,2.1 MCS-51单片机内部结构,2.2 MCS-51单片机引脚功能,2.3 MCS-51单片机工作方式,2.4 MCS-51,单片机时序,2.1 MCS-51单片机内部结构,2.1.1 CPU结构,2.1.2 存储器结构,2.1.3 I/O端口,2.1.4 定时器与计数器,2.1.5 中断系统,2026/5/26 周二,2,2.1 MCS-51,单片机内部结构,MCS-51,系列是美国,Intel,公司的产品,现在生产此系列的单片机主要常用的有,ATMEL,Philips,公司等,.,MCS-51,系列芯片及制造工艺,2026/5/26 周二,3,2.1.1 CPU,结构,由运算器,控制器,(,定时控制部件,),和专用寄存器组等部分组成,.,图,2-1 MCS-51,内部结构框图,2026/5/26 周二,4,图,2-1 MCS-51,内部结构框图,P50,2026/5/26 周二,5,1.,算术逻辑部件,(ALU),进行算术逻辑运算,:,加减乘除,/,与,或,非,异或,还具有数据传送,移位,判断和程序转移等功能,.(,指令系统,),ALU,由一个加法器,两个暂存器,TMP1,TMP2(,内部,对用户不开放,),和一个布尔处理机,(Boolean).,2026/5/26 周二,6,2.,定时控制部件,起控制器的作用,由定时控制逻辑,指令寄存器,IR,指令译码器和振荡器,OSC,等组成,.,OSC(Oscillator,),为控制器提供时钟脉冲,.,2026/5/26 周二,7,3,专用寄存器组,(*),(1),程序计数器,PC(Program,Counter),是一个,16,位寄存器,(register),存放下一条执行指令的地址,能自动,+1.,范围,0000H-FFFFH,程序存储器的寻址空间,64K.,(2),累加器,A(Accumulator),又记作,ACC,是一个,8,位寄存器,.,2026/5/26 周二,8,3专用寄存器组,-,续,(3),通过寄存器,B(General Purpose Register),专门为乘法和除法设置的寄存器,.(+),2026/5/26 周二,9,(4),程序状态字PSW(Program Status Word)(*),反映指令执行后的有关状态,通常是在指令执行过程中自动形成的,也可由用户根据需要用传送指令加以改变,.,标志位的定义,.,PSW7,PSW0,Cy,AC,F0,RS1,RS0,OV,-,P,2026/5/26 周二,10,程序状态字PSW,续,1),进位标志位,Cy(Carry,),表示加减运算过程,(,加,减,移位,),中最高位,D7,有无进位或借位,.2),辅助进位标志位,AC(Auxiliary Carry),表示加减运算时,低,4,位有无向高,4,位进位,/,借位,.,3),用户标志位,F0(Flag Zero),由用户根据需要指定,.,2026/5/26 周二,11,程序状态字PSW,续,4),寄存器选择位,RS1,RS0,作用,?,需要时保护工作寄存器内容,8051,有,8,个工作寄存器,R0-R7,程序设计中常用,.,实际物理地址根据需要来选定,.,MOV PSW,#08H,2026/5/26 周二,12,程序状态字PSW,续,5),溢出标志,OV(Overflow),指示运算过程中是否发生了溢出,运算过程中自动形成,.,累加器A,中运算结果超出了,8,位数能表示的范围,-128,+127,双高位判断法,OV=CP CS,CP:,最高位进位,CS:,次高位进位,6),奇偶标志位,(Parity),若累加器,A,中,1,的个数为奇数,则,P=1;,反之则为,0,(,偶检验,?),2026/5/26 周二,13,例,2.1,常考重要知识,设程序执行前,F0=0,RS1,RS0=00,请问执行如下程序后,PSW,中各位的状态,.,MOV A,#0FH ;A,0FH,ADD A,#F8H ;,加运算,OV=1,Cy=1,AC=1,P=1 1100,0001BPSW=C1H,2026/5/26 周二,14,(5),堆栈指针,SP(Stack,Pointer),8,位寄存器,能自动,+1/-1,用来存放堆栈的栈顶地址,.,堆栈是以先进后出,(FILO,First In Last Out),或后进先出,(LIFO,L,ast,in First Out),方式工作的一段内存区域,.(*),范围,00-7FH(,或,00-FFH,256,字节内部,RAM),栈底地址固定不变,由,SP,初始值设定,栈顶地址始终在,SP,中,(,由,SP,指向,).,SP,向上增长,SP,指向存数单元,.,2026/5/26 周二,15,例,MOV SP,#30H?,MOV A,#00H,MOV B,#01H,PUSH ACC,PUSH B对否,),POP ACC,POP B,图示其操作过程,或用课件动画,.,2026/5/26 周二,16,(6),数据指针,DTPR(Data Pointer),数据指针是一个,16,位的寄存器,由两个,8,位寄存器,DPH,和,DPL,组成,DPTR,可用来存放片外,RAM,地址,或片内,/,外,ROM,地址,.,MOV DPTR,#2000H,MOVX A,DPTR,把片外,RAM,地址单元,2000H,的内容读至累加器,.,2026/5/26 周二,17,2.1.2,存储器结构,8051,的存储器有,ROM,和,RAM,之分,还有片内,/,片外之分,.,片内,RAM,ROM,集成在芯片内部,是其一部分,.,片外存储器是专用存储器芯片,单片机通过,AB,DB,CB,三总线与之相联,(,一般通过印刷电路板,),才能使之工作,.,2026/5/26 周二,18,1.,存储器的地址分配,存储器的地址分配有,3,个地址空间,.,ROM,存储器空间,(,片内,/,片外,),地址范围,0000H-FFFFH;,片内,RAM,空间 地址范围,00H-FFH,片外,RAM,地址空间 地址范围,0000H-FFFFH,2026/5/26 周二,19,MCS-51,存储器地址分配,2026/5/26 周二,20,2.,片内,ROM,有的内部没有,ROM,现在内部多数有,2K,4K,8K,或更多闪存,Flash memory.(AT89C51,C52 8KFlash M.),例,片内,4K ROM,0000H-0FFFH,片内,ROM,可以占用,片外,ROM,也可占用,但不能为两者同时占用,.,控制引脚,/EA,/EA,接低地电平,机器使用片外,ROM,/EA,接高电平,先使用片内,ROM,再使用片外,ROM.,(,片内,ROM,保密处理,),2026/5/26 周二,21,4.,片内,RAM,8052,系列内部有,256,字节存储单元,8051,系列内部有,128,字节,.,00-7FH,为片内,RAM,的低,128,字节,80-FFH,为片内,RAM,的高,128,字节,特殊功能寄存器,SFR(Special Function Register),也占有地址,80-FFH,地址重复,采用不同的寻址方式对它们分别存取,.,采用间接寻址存取片内,RAM,的高,128,字节,采用直接寻址方式存取,SFR,00-7FH,低,128,字节,可采用直接,/,间接寻址方式,.,2026/5/26 周二,22,00-7FH,地址空间的区分,2026/5/26 周二,23,00-7FH,地址空间的区分,(,续,),(1),工作寄存区,(00-1FH),这,32,个单元分为四组,每组占,8,个,RAM,单元,代号,R0-R7,实际地址由,RS1,0,的状态决定,.,(2),位寻址区,(20H-2FH),这,16,个单元具有双重功能,a),一般,RAM,单元一样按字节存取,b),也可对每个,RAM,单元中的每一位单独存取,即为位寻址,.,位寻址的地址,00-7FH,例,SETB 7FH;7FH,1,位地址的另一种表示,:,采用字节地址和位数相结合,.,例,位地址,:00H-20H.0 1AH-23H.2,2026/5/26 周二,24,00-7FH,地址空间的区分,(,续,),(3),便笺区,(30H-7FH),80,个,RAM,单元,存放用户数据或作堆栈区,按字节存取,.,2026/5/26 周二,25,3,片外,RAM,片外,RAM,容量,64K,地址,0000-FFFFH,读,/,写命令,MOV,X,A,Ri,;,MOVX A,DPTR,MOVX,Ri,A,MOVX DPTR,A,2026/5/26 周二,26,5.,特殊功能寄存器,SFR(80H-FFH),8051,或,8031,的,SFR,有,21,个,8052,的,SFR,有,26,个,每个,SFR,占有一个,RAM,单元,不为,SFR,占用的,RAM,单元实际上不存在,访问它们是没有意义的,.,在,SFR,中,可以通过直接寻址对其进行字节存取,也可对带有*的,11,个,(12,个,T2CON),字节寄存器的每一位进行位寻址,直接寻址的表示方法有两种,使用物理地址,:,累加器,A(E0H),B(F0H),SP(81H),采用寄存器标号,:,累加器,ACC,B,PSW,这种方法常用,.,2026/5/26 周二,27,SFR(,续,),2026/5/26 周二,28,SFR(,续,),2026/5/26 周二,29,2.1.3 I/O,端口,I/O,端口又称为,I/O,接口,通道,通路,(port),串行,I/O,端口一次只能传送,1,位二进制信息,并行,I/O,端口一次可以传送一组,(8,位,),二进制信息,.,1.,并行,I/O,端口,8051,有,4,个并行,I/O,端口,命名为,P0,1,2,3,每个端口有双向,I/O,功能,输入,/,出,.,每个端口内部有一个数据输出锁存器和一个数据输入缓冲器,4,个数据输出锁存器和端口号,P0-3,同名,皆为特殊功能寄存器,SFR,中的一个,.,输出锁存,输入缓冲,2026/5/26 周二,30,并行,I/O,端口,(,续,),4,个并行,I/O,端口在结构上并不相同,在功能和用途上的差异较大,.,除作为通过,I/O,口使用外,P0,口可以输出片外存储器的低,8,位地址和读写数据,;P2,口可输出片外存储器的高,8,位地址,;P1,口作为通用,I/O,口,;P3,口的第二功能,.,P0,口可带,8,个,LSTTL,门,其余可推动,4,个,LSTTL,门,.,作为通过,I/O,使用时,共有写端口,读端口和读引脚三种操作方式,.(,后续讲,)2026/5/26 周二,31,2.,串行,I/O,端口,8051,有一个全双工的可编程串行,I/O,端口,.TXD,发送,RXD,接收,.,串行发送和接收可单独进行,也可同时进行,.,串行口控制寄存器,SCON,电源及波特率选择寄存器,PCON,和串行数据缓冲器,SBUF,都是,SFR.,此部分不要求,.(,功能强,),2026/5/26 周二,32,P3,口各位的第二功能,2026/5/26 周二,33,2.1.4,定时器,/,计数器,(Timer/Counter),8051,内部有两个,16,位的可编程定时器,/,计数器,T0,T1,由两个,8,位寄存器组成,TH0/TL0,TH1/TL1,加法计数,.,T0,和,T1,有定时器和计数器两种方式,定时器方式选择寄存器,TMOD,定时器控制寄存器,TCON,2026/5/26 周二,34,2.1.5,中断系统,中断指,CPU,暂停原程序执行转为外部设备服务,(,执行中断服务程序,ISR),并在服务完后回到原程序执行的过程,.,中断源指能产生中断请求信号的来源,.,对,5,个中断请求信号进行排队和控制,并响应其中优先权最高的中断请求,.,5,个中断源有内部和外部之分,.,IE,中断允许控制器,(Interrupt Enable),IP,中断优先级控制器,(Interrupt priority),2026/5/26 周二,35,中断源,2026/5/26 周二,36,2.2 MCS-51单片机引脚功能,2.2.1 MCS-51,单片机引脚及其功能,2.2.2 8031对片外存储器的连接,2026/5/26 周二,37,两种封装,双列直插式封装,DIP NC:not connect,方形封装,PLCC,2026/5/26 周二,38,2.2.1 MCS-51,单片机引脚及其功能,8051,有,40,个引脚,共分为端口线,电源线和控制线三类,.,1.,端口线,(4*8=32,个,),Pi.0-Pi.7,(i=0,1,2,3),2.,电源线,(2,条,),VCC,为,+5V,电源线,VSS,为接地线,3.,控制线,(6,条,),2026/5/26 周二,39,3.,控制线,(6,条,),(1)ALE+/PROG,地址锁存允许,/,编程线,配合,P0,口的第二功能使用,.,引脚复用,.,在访问片外存储器时,在,P0,口输出片外存储器低,8,位地址时,在,ALE,上输出一个高电平脉冲,其下降沿将低,8,位地址锁存到外部专用地址锁存器,P0,口再传送随后而来的读来数据,.,P0,口既传送地址,又传送数据,.,/PROG,功能不要求,.,一般情况下,ALE,输出,fosc/6,的脉冲序列,可作为外部定时或时钟用,.,2026/5/26 周二,40,控制线,(,续,),(2)/,EA+Vpp,允许访问片外存储器,/,编程电源,/EA=0,使用片外,ROM,/EA=1,使用片内,ROM,超出片内,ROM,地址,再访问片外,ROM,Vpp,部分不要求,.,2026/5/26 周二,41,控制线,(,续,),(3)/PSEN,片外,ROM,读选通,从外部存储器执行指令时,每个机器周期两次有效,.,做片外,ROM,的读选通信号,.,2026/5/26 周二,42,控制线,(,续,),(4)RST+VPD,复位,/,备用电源线,当此引脚上出现两个机器周期的高电平时,芯片复位,.,上电复位和开关复位两种,.,VPD,不要求,.,2026/5/26 周二,43,复位电路,2026/5/26 周二,44,(5)XTAL1,2,外接石英晶体和电容,形成时钟信号,.,典型时钟频率,6MHZ,12MHZ,11.0592MHZ,两个电容值为,30pF.,其他形式不要求,2026/5/26 周二,45,2.2.2 8031,对片外存储器的连接,8031,片内无程序存储器,片内,RAM,只有,128,字节,为了扩大单片机的存储容量,可以外接片外存储器,.,(,分析控制信号的作用,),2026/5/26 周二,46,1.8031,对片外,ROM,的读操作,MOVC A,A+DPTR,A=0,DPTR=2050H,(1),把,A,和,DPTR,的内容相加得到地址,2050H,把高,8,位,20H,送至,P2.7-P2.0,把,50H,送到,P0.7-P0.0,(2)PO,口的低,8,位地址稳定后,ALE,引脚发出正脉冲,其下降沿把低,8,位地址锁存到,74LS373,中,(3),由于是读片外,ROM,/PSEN,变成低电平,/RD,和,/WR,为高电平,1#,芯片可进行读操作,2#,芯片被封锁,.,(4)1#,芯片在地址信号,2050H,读控制信号的作用下,从中读出该单元的内容,经,P0,口送至累加器,A.,2026/5/26 周二,47,2.8031,对片外,RAM,的写操作,MOVX DPTR,A;(A),(DPTR)(2050H),1),把,DPTR,中的内容分送到,P2,和,P0,口,;,2)ALE,把,P0,口中低,8,位地址锁存到,373,芯片中,3),执行,MOVX,指令时,PSEN,为高电平,封锁了,1#,芯片,写信号有效,/WR=0,/RD=1,把累加器,A,中的数据经,P0,口送至,2#,芯片的,2050H,单元,.,完成写操作,.,2026/5/26 周二,48,2.3 MCS-51单片机工作方式,2.3.1,复位方式,2.3.2,程序执行方式,2.3.3,节电工作方式,(,不要求,),2.3.4,编程和校验方式,(,不要求,),2026/5/26 周二,49,2.3.1,复位方式,开机时需要复位,以使,CPU,以及其他功能部件处于一个确定的初始状态,.,复位信号是高电平有效,持续时间24,个时钟周期以上,SP=07H,ALE,/PSEN,P0-P3,各引脚为高电平,.,2026/5/26 周二,50,复位后内部寄存器状态,2026/5/26 周二,51,2.3.2,程序执行方式,单步执行,软件单步执行,硬件单步执行,(,暂不要求,),连续执行方式,被执行程序放在片内,/,外,ROM,中,单片机复位,PC=0000H,在此放一条转换指令,以跳转到,0000H-FFFFH,的任何地方执行程序,.,2026/5/26 周二,52,不要求部分,2.3.3,节电工作方式,2.3.4,编程和校验方式,2026/5/26 周二,53,2.4 MCS-51,单片机时序,2.4.1,机器周期和指令周期,2.4.2 MCS-51,指令的取指,/,执行时序,2.4.3,访问片内,ROM/RAM,的指令时序,2026/5/26 周二,54,2.4 MCS-51,单片机时序,单片机时序就是,CPU,在执行指令时所需控制信号的时间顺序,.,微处理器,(CPU),按严格的时序来完成每条指令的动作，取指令,(fetch),，译码,(decode),，执行,(execute),，就整个系统而言，为使各部分的动作协调一致，必须为系统提供统一的时钟信号和控制信号。,所谓,定时,/,时序,(timing),，指时钟信号和总线上的各种信号,(,包括地址、数据、控制信号,),及各种内部操作之间的相对时间关系。,2026/5/26 周二,55,CPU,发出的时序信号有两类,一类用于片内各功能部件的控制,.,一类用于片外存储器或,I/O,端口的控制,通过器件的控制引脚送到片外,.(,重要,),单片机的时序通常比微处理器简单一些,.,CPU,存储器,定时器,/,计数器,中断系统和,I/O,端口电路等集成在同一块芯片上,.,2026/5/26 周二,56,2.4.1,时钟,机器,指令周期,1.,时钟周期,T,又称为振荡周期,为时钟脉冲频率的倒数,是时序中最小,/,最基本的时间单位,.,常用的时钟频率,6MHZ,12MHZ,11.0592MHZ,2026/5/26 周二,57,2.,机器周期,由,12,个时钟周期组成,分为,6,个状态,(S1-S6),每个状态分为,P1,P2,两拍,.,12,个时钟周期分为,S1P1,S1P2,S6P1,S6P2,2026/5/26 周二,58,3.,指令周期,执行一条指令所需的时间,分单周期,(,机器周期,),双周期指令和四周期指令,(,乘,/,除指令,),2026/5/26 周二,59,2.4.2 MCS-51,指令的取指,/,执行时序,ALE,引脚出现的信号是周期性,每个周期出现两次,S1P2,和,S4P2,持续时间为一个状态,S.,ALE,信号每出现一次,CPU,就进行一次取指操作,?,1.,单字节单周期指令时序,2.,双字节单周期指令时序,3.单字节双周期指令时序,2026/5/26 周二,60,MCS-51,指令的取指,/,执行时序,2026/5/26 周二,61,2.4.3,访问片外,ROM/RAM,的指令时序,访问片外存储器,读片外,ROM,读片外,RAM,除,ALE,引脚外,还与,/PSEN,P0,P2,和,/RD,/WR,引脚有关,2026/5/26 周二,62,1.,读片外,ROM,指令时序,MOVC A,A+DPTR,2026/5/26 周二,63,2.,读外部,RAM,指令时序,MOVX A,DPTR,2026/5/26 周二,64,思考题,-P77,2.3,2.4,2.7,2.11,2.13,2.16,2026/5/26 周二,65,第,2,章 本章结束!,2026/5/26 周二,66,