单片机系统设计与应用实例 教学课件 ppt 作者 韩志军 主编 第二章

1、第二章 MCS-51单片机的结构和工作原理,2.1 MCS-51单片机组成结构 2.2 MCS-51单片机的引脚功能 2.3 MCS-51单片机的存储器配制 2.4 MCS-51单片机CPU的时序 2.5 MCS-51单片机的复位操作 2.6 MCS-51单片机的并行接口,1.教学内容: MCS-51单片机的内部结构及其特性(片内结构、引脚功能及片外总线结构、存储器组织及扩展、I/O结构、中断、时钟和复位电路。 2.教学重难点 MCS-51单片机的引脚功能、存储器组织及扩展、I/O结构、中断 3.课时 8,2.1 MCS-51单片机内部结构,表1.1,MCS-51单片机主要性能特点,MCS-51为8位高档单片机系列,采用HMOS工艺,提高芯片集成度,性能有很好 改善。 特点： 1）扩大了ROM和RAM的容量 2）具有布尔代数运算能力 3）具有32个双向可被独立寻址的I/O口 4）具有5-6个中断源，可分为两个中断优先级 5）具有丰富的指令系统 6）具有全双工传输信号UART的能力 7）片内具有时钟振荡电路 8）可采用一次性烧写的内含ROM或可重复烧写的EPROM,2.1.1 MCS-5

2、1单片机的内部结构,时钟电路,CPU,SFR和RAM,并行端口,ROM,串行端口,定时器/计数器,中断系统,系统总线,时钟源,P0,P1,P2,P3,TXD,RXD,T0,T1,8051内部结构图,计数脉冲输入,2.1.2 MCS-51单片机的内部结构介绍,1.CPU(中央处理器)完成单片机的运算和控制能力,ALU、布尔处理器、ACC、寄存器B、暂存器TMP1，TMP2、PSW寄存器、十进制调整电路,定时控制逻辑、指令寄存器、译码器、 信息传输控制部件,2.1.2 MCS-51单片机的内部结构介绍,2.内部存储器,程序存储器ROM,数据存储器 RAM,存放程序指令,常数和数据表格(只读),存放数据,分为内部和外部数据存储器(随机) 单片机内有256个RAM单元,作为寄存器被用户使用的只有前128个单元,后128个被专用寄存器占用 内部RAM指的是前128单元,2.1.2 MCS-51单片机的内部结构介绍,3.定时与中断系统 MCS-51单片机内有两个16位的定时器/计数器：实现定时和计数，并将其结果作为查询和中断的控制凭据； MCS-51单片机内有5个中断源 (2个中断优先级) 2个外

3、部中断源 2个定时器/计数器中断源 1个串行口中断源,2.1.2 MCS-51单片机的内部结构介绍,4.并行I/O口 4个8位的并行I/O口 (P0 P1 P2 P3 )实现数据并行输入输出 5.串行I/O口 一个全双工的串行口 实现与外部的串行数据传送 6.时钟电路 为单片机产生时钟脉冲序列,协调和控制单片机的工作. MCS-51单片机内部有时钟电路(但是需外接石英晶体振荡器和微调电容) 最高时钟频率为12MHZ,2.2 MCS-51单片机的引脚定义及功能,1.单片机的引脚图,2.2 MCS-51单片机的引脚定义及功能,2. 引脚说明： (1) P0口 (32脚 -39脚)有三种使用方法 1) 作为与外部传送数据的8位数据总线(D0D7) 2) 作为扩展外部存储器时的低8位地址总线(A0-A7) 3) 作为一般I/O口,需外接上拉电阻 ,2.2 MCS-51单片机的引脚定义及功能,(2) P1口 (1脚-8脚)有两种使用方法 P1口是用户专用 8 位准双向I/O口, 具有通用输入/输出功能, 每一位都能独立地设定为输入或输出。80C52的P1.0和P1.1有特殊功能 1引脚 P1.0

4、/T2 定时器/计数器T2计数端输入 2引脚 P1.1/T2 T2的捕捉/重新加载的触发输入,2.2 MCS-51单片机的引脚定义及功能,(3) P2口 (21脚-28脚)有两种使用方法 1)作为一般I/O口,不需外接上拉电阻 2)作为扩展外部存储器时的高8位地址总线(A8-A15) (4) P3口 (10脚-17脚)有两种使用方法 1)作为一般I/O口,不需外接上拉电阻 2)具有特殊功能 见表1-1,2.2 MCS-51单片机的引脚定义及功能,表1.2,2.2 MCS-51单片机的引脚定义及功能,(5) Vcc （40脚） 接+5V电源 (6) Vss 接地 (7) XTAL1(19脚) XTAL2(18脚) 接外部石英晶振的引 脚,也可引入外部时钟 HMOS型 XTAL1接地 XTAL2接外部时钟输入 端 CHMOS型 XTAL1接时钟输入端 XTAL2悬空 机器周期=12/石英晶振频率 (8) RST/VPD (9脚) 复位信号引脚 该引脚出现2个机器周期的高电平才可靠,2.3 MCS-51单片机的引脚定义及功能,(9) ALE/PROG （30脚） 地址锁存允许信号 1）外接存

5、储器时，ALE的输出用于锁存地址的低8位，一般接锁存器的EN端 2）没有外接存储器时，ALE端可输出脉冲信号，频率为石英振荡频率的1/6，可为外部芯片提供输出的时钟，或用于定时 3）烧写EPROM时，作烧写时钟的输入端 （10） （29脚） 外部程序存储器的读选通信号 读外部ROM时，低电平有效，每个机器周期动作两次，与外部ROM的OE脚相连 读外部RAM时，无输出,2.2 MCS-51单片机的引脚定义及功能,（11 ）,(31脚） 访问程序存储器的控制信号,接低电平时，对ROM的读操作限定 在外部程序存储器,接高电平时，对ROM的读操作从内部开始,8751单片机烧写内部EPROM时，该脚输入21V的烧写电压,2.3 存储器配置,MCS-51 单片机把程序存储器和数据存储器分开，具有各自的寻址系统和控制信号。 1. 内部程序存储器(ROM) 存放程序和表格常数 8051为4KB 8052为8KB 2. 内部数据存储器(RAM) 存放运算过程中的数据 8051/8031为128B 8052/8032为256B 3. 外部程序存储器(ROM) 存放程序 最大可扩展为64KB (包括内部RO

6、M) 4.外部数据存储器(RAM) 存放大量数据 最大可扩展为64KB (不包括内部RAM),2.3.1 内部数据存储器及专用寄存器,1.内部数据存储器 片内RAM为 256 字节, 地址范围为00HFFH, 分为两大部分: 低 128 字节（00H7FH）为真正的RAM区; 高 128 字节（80HFFH）为特殊功能寄存器区SFR。,间接寻址,可直接寻址 (SFR),00H,80H 7FH,FFH,80H,FFH,可直接(间接)寻址,内部数据存储器空间分配,2.3.1 内部数据存储器及专用寄存器,在低 128 字节RAM中, 00H1FH共 32 单元是 4 个通用工作寄存器区。每一区有 8 个通用寄存器R0R7。,用户RAM区,00H,07H,20H 1FH,2FH,30H,7FH,R7,R6,R5,R4,R3,R2,R1,R0,寄存器0组,寄存器0,1,2,3组,位寻址区,内部数据存储器的结构,2.3.1 内部数据存储器及专用寄存器,(1)用户RAM区 内部数据存储器的30H-7FH 可在编程时暂存数据,不作规定.(堆栈区也设在该区) 例: MOV 30H , A ;将累加器A中

7、的内容送入30H (2)位寻址区 内部数据存储器的20H-2FH 16个单元,128位,每位都有相应位地址,位地址为00H-7FH 不作位寻址时,可作为一般RAM单元字节寻址 位地址和字节地址都为00H-7FH 注意区分位与字节地址,2.3.1 内部数据存储器及专用寄存器,表1.4,2.3.1 内部数据存储器及专用寄存器,(3) 寄存器组 内部数据存储器的00H-1FH(32单元) 4个通用工作寄存器组 ,每组有8个寄存器R0R7 存放操作数和中间结果 (由PSW中的RS1和RS2位来控制使用哪一组),表1.5,2.3.1 内部数据存储器及专用寄存器,寄存器与RAM 地址对照表,2.3.1 内部数据存储器及专用寄存器,2.专用寄存器(特殊功能寄存器)80H-FFH 用来设置片内电路的运行方式,记录电路的运行状态,并 表明有关标志 51系列有21个 52系列有26个,只占了空间的一小部分 但是其他空间还是不能进行读,写操作. 其中有11个不仅可进行字节寻址,还能进行位寻址(字节地址末位为0或8),表1.7,寄存器符号,字节地址,B,F0H,位地址,F0,F1,F2,F3,F4,F5,F6

8、,F7,B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0,A,E0H,E7 E6 E5 E4 E3 E2 E1 E0,A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0,PSW,D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0,CY AC F0 RS1 RS0 OV P,D0H,2.3.1 内部数据存储器及专用寄存器,2.3.1 内部数据存储器及专用寄存器,2.3.1 内部数据存储器及专用寄存器,2.3.1 内部数据存储器及专用寄存器,(1)B寄存器,常用于乘除法运算 乘法时: B是乘数,结果高8位存在B中 除法时: B放除数,结果的余数放在B中 (2)累加器ACC,可以按位寻址, 可存放运算结果和操作数 (3)程序状态字PSW 存放程序运行的状态信息,可按位寻址,其中PSW.1为保留位 位 7 6 5 4 3 2 1 0 PSW CY AC F0 RS1 RS0 OV P,2.3.1 内部数据存储器及专用寄存器,(4)定时器2寄存器 (5)IP寄存器 (6)IE寄存器 (7)SCON寄存器 (8)SBUF寄存器 (9)定时器0和定时器1寄存器 (10)P0-P3端口寄存器 (11)堆栈指针寄

9、存器 (12)数据指针(DPTR)寄存器,2.3.1 内部数据存储器及专用寄存器,3. 程序计数器(PC) PC中存储的是将要执行的指令地址,是一个16位计数器,可寻址范围是0000H0FFFFH共 64KB PC没有地址,是不能寻址的, 程序中的每条指令存放在ROM区的某一单元, 并都有自己的存放地址。 CPU 要执行哪条指令时, 就把该条指令所在的单元的地址送上地址总线。 在顺序执行程序中, 当PC的内容被送到地址总线后, 会自动加 1, 即(PC) (PC)+1, 又指向CPU 下一条要执行的指令地址在转移,调用和返回的指令中,PC的值会改变 PC是一个特殊的寄存器,不占内部RAM单元,在物理上是独立的.,2.3.1外部数据存储器,外部数据存储器一般由静态RAM构成，其容量大小由用户根据需要而定, 最大可扩展到 64 KB RAM , 地址是 0000H0FFFFH。外部RAM和扩展的I/O接口是统一编址的, 所有的外扩I/O 口都要占用 64 KB中的地址单元。 1) CPU通过MOVX指令访问外部数据存储器, 用间接寻址方式, R0、 R1和 DPTR都可作间接寄存器,当用RO或R1作寄存器间接寻址时，由P2端口提供高8位地址，R0或R1提供低8位地址。 2) 单片机扩展外部数据存储器时,利用 P0口加锁存器作为 低8位地址线,P2口作为高8位地址线(0-64KB)(见图),2.3.1外部数据存储器,例1: MOVX A,DPTR ; 读外部RAM中的数据 例2：MOV P2， #20H ；立即数20H MOV R0， #30

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