单片微型计算机原理及结构

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1、,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,*,第二章,MCS_51,单片机的结构原理,本章主要介绍,MCS_51,系列的8051的基本结构、工作原理、存储器结构、,P,0,、P,1,、P,2,、P,3,四个,I/O,口的基本工作原理和操作特点。单片机的 各种工作方式、单片机的时序等。,2.1,概 述,MCS_51,系列单片机是,Intel,公司于是,1980,年推出的高档,8,位机。由于其优秀的性能价格获得了广泛的应用，也成为我国单片机市场的主流产品。,目前广泛使用的,MCS-51,系列单片机有三个版本：,8031,、,8051,、,8751,。,8

2、051,：,8,位,CPU,、,128B RAM,、,4KB ROM,、,23,个特殊功能寄存器、,4,个,8,位并行口、,1,个全双工串行口、,2,个别,16,位定时,/,计数器。,8751,：,仅改进来,8051,的掩模式的,4,KB ROM,为,4,KB,的,EPROM,。,8031,：,较,8051,不包含,ROM,。,严格说来，,8031,不是完全的单片机。,单片机的发展非常迅速，世界上一些著名的器件公司如,Motorola,公司、,Zilog,公司等也竞相推也新产品。,1983,年，,Intel,公司又推出了高性能的,16,位,MCS-96,系列单片机。,INTEL,公司将,MCS

3、51,的核心技术授权给了很多其它公司，所以有很多公司在做以8051为核心的单片机，当然，功能或多或少有些改变，以满足不同的需求，其中89,C51,就是这几年在我国非常流行的单片机，它是由美国,ATMEL,公司开发生产的。以后我们将用89,C51,来完成一系列的实验。,表,2.1,MCS-51,系列型号,型 号,制造技术,片内程序存储器,片内数据存储器,8051,AH,H MOS,ROM(4k),128字节,8031,AH,AH MOS,无,128字节,8751,H,H MOS,EPROM（4K）,128字节,80,C51,CHMOS,ROM（4K）,128字节,80,C31,CHMOS,无,1

4、28字节,8052,H MOS,ROM（8K）,256字节,8032,H MOS,无,256字节,2.2,MCS_51,单片机内部结构及引脚,图 21,MCS-51,单片机的基本结构,图,22 8051,的内部结构框图,通道,0,驱动器,通道,2,驱动器,RAM,地址锁存器,RAM,通道,0,锁存器,通道,2,锁存器,ROM/,EPROM,B,寄存器,程序地址寄存器,缓冲器,PC,递增器,程序计数器,PC,驱动器,DPTR,指针,V,CC,GND,P,1.0,P,1.7,堆栈指针,SP,ACC,TMP,2,PSW,通道,3,锁存器,通道,1,锁存器,通道,1,驱动器,通道,3,驱动器,TMP,

5、1,SCON,TMOD,PCON,TCON,TL0,TH1,TH0,TL1,IE,SBUF(TX/RX),IP,中断、串行口和定时器逻辑,振荡器,P,3.0,P,3.7,RST,EA,ALE,PSEN,XTAL,2,XTAL,1,ALU,(+5V),指令,寄存器,定时和,控制逻辑,指令,译码器,2.2.1,8051单片机的结构,1.,中央处理单元,(8,位,CPU,),2.,只读存储器(4,K ROM),3.,随机存取存储器(128,B/256B RAM),4.,并行输入,/,输出口（,32,条）:,P0,口、,P1,口、,P2,口、,P3,口,5.,串行输入,/,输出口（,2,条）:,TXD

6、 RXD,6.,定时,/,计数器:,T0 T1,7.,时钟电路为内部振荡器与外接晶振电路。,8.,中断系统有,5,个中断:,INT0 INT1 TF0 TF1 TI/RI,2.2.2,MCS_51,单片机外部引脚,掩模,MOS,制造工艺的,MCS_51,单片机都采用,40,脚,双列直插式封装（,DIP,）,方式。下面分别叙述这,40,条,引脚的功能。,主电源引脚,.,VSS,(20,脚)：接地；,.,VCC,（,40,脚）：接,+5,V,电源。,外接晶振引脚,.,XTAL1,（,19,脚）：接外部晶振的一个脚。,.,XTAL2,（,18,脚）：接外部晶振的一个引脚。,控制或复位引脚,.,RST

7、/VPD,（,9,脚）,.ALE/PROG,(30,脚),PSEN,（29,脚）,EA/VPP,（31,脚）,输入/输出引脚,P0P3,共4个输入/输出口，32个引脚，每个口为8根,I/O,线，它们的功能与使用将在本章程2.5节中详细介绍。,图2.3,MCS51,引脚图,2.3,MCS_51,单片机存储器配置,图2.4,8051,存储器组织结构图,2.3.1,MCS_51,的存储器结构,1物理上，分为4个存储空间：片内,ROM,、,片外,ROM,、,片外,RAM,（8031,无片内,ROM,）。,2,逻辑上，分为3个空间：片内、片外同一程序存储器，片内随机存储,器，片外随机存储器。它们的编址方

8、式太及可用于其上的指令如下。,程序存储器（片内、片外）统一编址，使用,MOVC,指令；,数据存储器（片内）统一编址，使用,MOV,指令；,数据存储器（片外）统一编址，使用,MOVX,指令。,3功能上，把存储器分为5种类型：,程序存储器，使用,MOVC,指令；,内部数据存储器，使用,MOV,指令；,外部数据存储器，使用,MOVX,指令；,特殊功能寄存器，使用,MOV,指令；,位地址空间，使用,MOV、SETB、CLR,等指令。,程序存储器,容量：可扩展到,64,KB,。,寻址范围：,0000,HFFFFH,，,共,64,KB,。,EA,=1，,寻址内部,ROM,；,EA,=0，,寻址外部,ROM

9、,。,地址码长度：16位。,寻址方式：基址+变址寻址，如：,MOVC A，A+DPTR,MOVC A，A+PC,作用：存放程序及程序运行时所需的常数。,特征：,（1）若无片内,ROM（8031），64KB,全部由外部,ROM,承担，主要存放处理程序及所需的常数。,（2）有7个单元具有特殊含义，它们是：0000,H：,系统复位后，,PC=0000H，,由0000,H,单元存放一条绝对 跳转指令，用户设计的程序由跳转后的地址存放；,0003,H,：,外部中断0的入口直址；000,BH：,定时器1的溢出中断入口地址；,0013,H,：,外部中断的入口地址；,001,BH,：,定时器1的溢出中断入口地

10、址；,0023,H,：,串行口中断入口地址；,002,BH,：,定时器2溢出中断入口地址（8032、8052有）。,（3）访问外部程序存储器的信息传送通路：地址码由,P0,、,P2,口传送，控制信号由,PSEN,（,读选通）接,EPROM,的,OE,，,数据信息由,P0,接收。,2.3.3,内部数据存储器,51系列单片机的内部数据存储器在物理上分为两个区：,00,H7FH,单元组成的低落128字节的,RAM,块和字节的,SFR,块。,寻址范围：,00,H7FH,。,作用：作数据缓冲用。,特征：,（1）,00,H1FH,共32个单元作工作寄存器用，分为4个区，每个区8个单元，由,PSW,中的,R

11、S1、RS0,确定当前工作区；,（2）,20,H2FH,为位寻址区，作为布尔处理机存储空间的一部分；,（3）可在内部数据存储器中开辟一个堆栈区，堆栈深度小于128字节。,数据缓冲区,堆栈区,工作单元,位地址：00,H7FH,3区,2区,1区,0区,只能字节寻址,可位寻址，也可字节寻址,4组工作寄存器,R0R7,可以字节地址寻址,00,H,1,FH,202,FH,30,H,7,FH,图2.5,RAM,空间分配示意图,RS1 RS0,寄存器区,R0R7,所占单元的地址,0 0,0 1,1 0,1 1,0组,1组,2组,3组,00,H07H,08H0FH,10H17H,18H1FH,表2.3,PSW

12、3、PSW4,的含义,2.3.4,特殊功能寄存器,SFR,寻址空间：,80,HFFH,。,注意：在,MCS-51,中，只有,22,个专用寄存器，其中,6,个是双,字节寄存器。,PC,为程序计数器，在物理上独立，用于安放,下一条将要执行的指令的地址（程序存储器地址），是一,个,16,位专用寄存器，寻址范围为,064,KB,，,不属于内部数,据,RAM,的,SFR,块，共占用了,26,个字节。其中，,SBUF,有两个寄,存器。,所有特殊功能寄存器的地址分配和位地址分别如表2.4、,表2.5所示。,符号,名称,位地址,字节地址,符号,名称,位地址,字节地址,*,ACC,累加器,E0E7H,0,E0H

13、,+*,T2CO,定时/计数器2控制,C8CFH,0,C8H,*,B,乘法寄存器,F0F7H,0,F0H,TH0,定时器0高8位,8,CH,*,PSW,程序状态字,D0D7H,0,D0H,TH1,定时器1高8位,8,DH,SP,堆栈指针,81,H,TL0,定时器0低8位,8,AH,DPTR,数据存储器指针,83,H 82H,TL1,定时器1低8位,8,BH,*,P0,通道0,8087,H,80,H,+,TH2,定时器2高8位,0,CDH,*,P1,通道1,9097,H,90,H,+,TL2,定时器2低8位,0,CCH,*P2,通道2,A0A7H,0,A0H,+,RLDH,定时/计数器2自动装载

14、（高）,0,CBH,*,P3,通道3,B0B7H,0,B0H,+,PLDL,定时/计数器2自动装载（高）,0,CAH,*,IP,中断优先控制寄存器,B8BFH,0,B8H,*,SCON,串行口控制,989,FH,98,H,*,IE,中断允许控制寄存器,A8AF,0,A8H,SBUF,串行数据缓冲器,99,H,TMOD,定时/计数器方式选择,89,H,PCON,电源控制及波特率选择,87,H,*TCON,定时/计数器控制,888,FH,88,H,注：*可按字节和位寻址；+仅在8032/8052芯片中存在,表2.4 特殊功能寄存器,SFR,一缆表,算术运算寄存器,（1）累加器,A,（Accumul

15、ator）,（2）,B,寄存器,（3）程序状态字,PSW,（Program Status Word）,寄存器,.,CY,（PSW.7）(Carry0:,进位/借位标志。,.,AC,（PSW.6）（Auxiliary Carry）,辅助进位/借位标志。,.,F0,(PSW.5)(Flag 0):,标志0。,.,RS1、RS0,（PSW.4、PSW.3）(Register Bank Select):,寄存器区,选择控制位。,.,OV,（PSW.2）(Overflow):,溢出标志。,.,P,(PSW.0),奇偶标志。,CY,AC,F0,RS1,RS0,OV,-,P,2.,指针寄存器,程序计数器,P

16、C：,指明即将执行的下一条指令的地址，为,16,位寄存器。系统初始化时，,PC=0000H，,可寻址范围,64,KB。,堆栈指针,SP：,指明栈顶元素的地址，,8,位。可由软件设置初始值，系统复位时设置为,07,H。,堆栈,：,堆栈是一个区域，主要用来保护断点和保护现场，这个区域本身没有任何特殊之处，就是内部,RAM,的一部份，特殊的是它存放和取用数据的方式，即所谓的先进后出，后进先出，并且堆栈有特殊的数据传输指令，即,PUSH,和,POP,，,有一个特殊的专为其服务的单元，即堆栈指针,SP,，,每当执一次,PUSH,指令时，,SP,就（在原来值的基础上）自动加,1,，每当执行一次,POP,指令，,SP,就（在原来值的基础上）自动减,1,。由于,SP,中的值可以用指令加以改变，所以只要在程序开始阶段更改了,SP,的值，就可以把堆栈设置在规定的内存单元中。,数据指针,DPTR：,指明访问的数据存储器的单元地址，16位，可寻址范围64,KB，,由,DPH，DPL,组成。,DPH，DPL,也可单独作为8位寄存器使用。,3.,并行输入/输出端口,专用寄存器P0、P1、P2、P3分别是P0P3的