单片机原理与应用-第一章 MCS－51系列单片机的基本硬件结构.ppt

单片机原理与应用主讲：梁祥莹1.1 MCS-51单片机概貌 1.2 MCS-51单片机的主要性能特点 1.3 8051的内部总体结构 1.4 8051的引脚描述 1.5 存储器配置 1.6 振荡器、时钟电路和CPU时序 1.7 输入/输出端口 1.8 定时器/计数器 1.9 串行接口 1.10 中断 1.11 单步操作 1.12 复位 1.13 低功耗操作方式 1.14 编程、程序验证与加密第一章 MCS－51系列单片机的基本 硬件结构一、有关本课程学习的几点建议 二、课堂授课时间分配 三、MCS－51单片机概貌 四、单片机的特点及其应用领域 五、 MCS－51单片机的结构 六、 8051的引脚描述 七、 存储器配置一、有关本课程学习的几点建议1、本课程的前期基础课程是数字电路和微机原理 2、本课程是一门实践性、应用性很强的学科 3、硬件/软件同样重要，不可偏废 4、预习、听课、复习、作业、实验环环都重要二、课堂授课时间分配（35学时）第一章 MCS－51系列单片机的基本硬件结构（18学时） 第二章 MCS－51指令系统（4学时） 第三章 MCS－51单片机的系统扩展与应用 （10学时） 第四章 实用程序及其设计方法（3学时）三、 MCS－51单片机概貌1、微处理器、微机、单片机和单片机系统的概念①微处理器（microprocessor）：本身不是计算 机，是小型计算机或微型计算机的控制和处理部 分。

②微机（microcomputer）：是指由CPU、存储 器、I/O接口电路等各种大型集成电路芯片组装在 一块或者由几块印制电路板组装而成的机器③单片机（single chipmicrocomputer）： 在一个芯片上集成CPU、存储器、I/O接口等电 子电路的超微型计算机 ④单片机系统：在单片机芯片的基础上扩展其 它电路或芯片构成的具有一定应用功能的计算 机系统在单片机系统中，单片机处于核心地 位，是构成单片机系统的硬件和软件基础返回目录四、单片机的特点及应用领域1、单片机的特点： （1）小巧灵活、成本低、易于产品化能组装成 各种智能式测控设备及智能仪器仪表 （2）可靠性好，应用范围广单片机芯片本身是 按工业测控环境要求设计的，抗干扰性强，能适 应各种恶劣的环境，这是其他机种无法比拟的 （3）易扩展，很容易构成各种规模的应用系统， 控制功能强单片机的逻辑控制功能很强，指令 系统有各种控制功能指令，可以对逻辑功能比较 复杂的系统进行控制 （4）具有通讯功能，可以很方便地实现多机和分 布式控制，形成控制网络和远程控制2、单片机的应用 （1）工业方面：各种测控系统数据采集系统，工 业机器人，智能化仪器，机、电一体化产品。

（2）智能仪器仪表方面 （3）通讯方面：调制解调器、程控交换技术等 （4）消费产品方面：电动玩具、录像机、激光唱机 （5）导弹与控制方面：导弹控制、鱼雷制导控制、 智能武器装备、飞机导航系统 （6）计算机外部设备及电器方面：打印机、硬盘驱 动器、彩色与黑白复印机、磁带机等 （7）多机分布式系统：可用单片机构成分布式测控 系统，它使单片机应用进入了一个全新的阶段五、单片机与PC机的比较PC机单片机 单价高低 功能多单一 体积大小到不能再小 内存以百MB计2KB~8KB 操作环境Windows、Linux 等自行发展标准输出CRT或LCD屏幕LED或七段数码管 标准输入键盘、鼠标数个按键 常用控制用程序VB或VC汇编语 言或C语言返回目录六、MCS－51单片机的结构框图七、MCS-51单片机的逻辑结构1、中央处理器（CPU) 中央处理器简称CPU，是单片机的核心，完成运 算和控制操作按其功能，中央处理器包括运算 器和控制器两部分电路 1）运算器电路 功能：单片机的运算部件，用于实现算术和逻辑 运算8051运算器还包含一个布尔处理器，用来 处理位操作 2）控制器电路 功能：单片机的指挥控制部件，保证单片机各部 分能自动而协调地工作。

2、内部数据存储器 组成：RAM（128×8）和RAM地址寄存器等 功能：用于存放可读写的数据 3、内部程序存储器 组成：ROM（4K×8）)和程序地址寄存器等 功能：用于存放程序和原始数据 4、定时器／计数器 80C51共有两个16位的定时器／计数器 功能：实现定时或计数功能，并以其定时或计数 结果对单片机进行控制，以满足控制应用的需要 5、并行I/O口 MCS-51共有4个8位的I/O口（P0、P1、 P2、P3） 功能：实现数据的并行输入输出 6、串行口 MCS- 51单片机有一个全双工的串行口 功能：以实现单片机和其它数据设备之间的 串行数据传送7、中断控制系统 80C51共有5个中断源，即外中断2个，定 时／计数中断2个，串行中断1个全部中 断分为高级和低级共两个优先级别 8、时钟电路 MCS- 51芯片的内部有时钟电路，但石英 晶体和微调电容需外接 功能：时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列 典型的晶振频率：6MHz、11.0592MHz、 12MHz9、位处理器 位处理器称为布尔处理器 功能：以状态寄存器中的进位标志位C为累 加位，可进行各种位操作 10、总线 总线：连接计算机各部件的一组公共信号 线。

分类：地址总线、数据总线和控制总线 作用：减少了单片机的连线和引脚，提高 了集成度和可靠性返回目录八、8051单片机的引脚描述1、VCC 电源正端，容许正常工作的电压是＋5±10％ ，即CPU可工作于4.5V~5.5V的电压环境 2、 VSS 电源低端,所有输入/输出信号都以此点为参考 电压点，如：P1.0的输出电压为4.0V时，即指输 出端为VSS点的电压差为4.0V 3、 RST CPU的复位引脚平常应工作于低电位状态， 当要对CPU做复位操作时，只要将此引脚升到逻 辑1的状态，并保持2个机器周期以上时间单片 机将立刻进行系统重置的各项工作，并且开始由 0000H地址上读入程序码4、ALE 地址锁存控制信号功能一、在系统扩展时，ALE用于控制把P0口输出的低8 位地址送入锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的分 时传送 功能二、ALE是以六分之一晶振频率的固定频率输出的正 脉冲，可作为外部时钟或外部定时脉冲使用5、/PSEN 外部程序存储器读选通信号 在读外部ROM时/PSEN有效（低电平），以 实观外部ROM单元的读操作 6、/EA 访问程序存储器控制信号 当/EA信号为低电平时，对ROM的读操作限 定在外部程序存储器； 当/EA信号为高电平时，对ROM的读操作是 从内部程序存储器开始，并可延续至外部程序存 储器。

7、XTAL1 系统振荡晶体的反相放大输入端 8、XTAL2 系统振荡晶体的反相放大输出端9、P0口 端口0，一个8位的漏极开路型双向I/O，内部 不带上拉电阻，P0口能以吸收电流的方式驱动8 个LSTTL负载电路，通常在使用时外接上拉电阻 用来驱动多个数码管在访问外部数据存储器 时，P0口时分时转换的地址（低8位）/数据总线 10、P1口 一个双向的I/O端口，有内部的上拉电阻，能 驱动4个LSTTL负载，通常在使用时不需要接上拉 电阻，就可以直接驱动发光二极管端口置1时， 内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用11、P2口 带内部上拉电阻的8位双向I/O口，能驱 动4个LSTTL负载，端口置1时，内部上拉 电阻将端口拉到高电平，作输入用，对内 部Flash程序存储器编程时，接收高8位地 址和控制信息在访问外部程序和16位外 部数据存储器时，P2口送出高8位地址 12、P3口 内部有上拉电阻的8位双向I/O口，可驱 动4个LSTTL负载，置成1可当作I/O使用 每个引脚均有其他特殊功能返回目录九、存储器配置MCS-51的存储器可分为程序存储器和数据存储 器,又有片内和片外之分 （1）程序存储器 一般将只读存储器（ROM）用做程序存储器。

可寻址空间为64KB，用于存放用户程序、数据和 表格等信息 MCS-51单片机按程序存储器可分为内部无ROM 型（如8031）和内部有ROM型（如8051）两种 ，连接时引脚有区别程序存储器结构如下页图 所示：（2）数据存储器 一般将随机存储器（RAM）用做数据存储器 可寻址空间为64KBMCS-51数据存储器可分为 片内和片外两部分 片外RAM： 最大范围：0000H～FFFFH，64KB；用指令 MOVX访问 片内RAM： 最大范围：00H～FFH，256B；用指令MOV 访问又分为两部分：低128B（00～7FH）为真 正的RAM区，高128B（80～FFH）为特殊功能 寄存器（SFR）区如上页图所示内部内部RAMRAM的的 20H20H～～2FH2FH单元为单元为 位寻址区，既可作位寻址区，既可作 为一般单元用字节为一般单元用字节 寻址，也可对它们寻址，也可对它们 的位进行寻址位的位进行寻址位 地址为地址为00H00H～～7FH7FH CPUCPU能直接寻能直接寻 址这些位（称址这些位（称 MCS-51MCS-51具有布尔具有布尔 处理功能），位地处理功能），位地 址分配如右表所示址分配如右表所示 。

3、MCS－51的专用寄存器（SFR）（1）程序存储器中7个特殊定义的地址（不属于SFR）入 口意 义0000H系统程序的启动地址0003H外部中断0入口地址000BH定时器0溢出入口地址0013H外部中断1入口地址001BH定时器1溢出入口地址0023H串行口中断002BH定时器2溢出或T2EX（p1.1）端负跳通常在这些入口地址都安放一条绝对跳转指令，跳转到相应 中断服务程序入口去执行中断服务程序2）专用寄存器 MCS－51共有23个特殊功能寄存器（3个属 于8032/8052），其中5个是双字节寄存器，程 序计数器PC在物理上是独立的，其余22个寄存器 都属于片内数据存储器SFR块，共26个字节①程序计数器PC（16bit）②累加器A③寄存器B④程序状态字PSW⑤堆栈指针SP⑥数据指针DPTR⑦I/O端口P0~P3程序计数器PC（Program Counter）程序计数器PC在物理上是独立的，它不属于 SFR存储器块 PC是一个16位的计数器，专门用于存放CPU 将要执行的指令地址（即下一条指令的地址）， 寻址范围为64KB，PC有自动加1功能，不可寻址 ，用户无法对它进行读写，但是可以通过转移、 调用、返回等指令改变其内容，以控制程序执行 的顺序。

执行指令时，PC内容的低8位经P0 口输出，高8位经P2口输出程序状态字PSWCYACF0RS1RS0OV——PCY:进位/借位标志位 AC：辅助进位位/借位标志位 F0：可由用户定义的标志位 RS1、RS0:工作寄存器组选择位 OV：溢出标志位 PSW.1：未定义 P：奇偶标志位（采用偶校验）堆栈指针SP1）MCS－51堆栈设在内部RAM中，是一个 按“先进先出”顺序，受SP管理的存储区域 2）在程序中断、子程序调用等情况下，会用 到堆栈来保存断点和现场（也可作数据传 送的中转站） 3）堆栈深度为128个字节，系统复位时，硬 件使SP＝07H，用户可修改SP来改变堆栈 位置返回目录1.6 振荡器、时钟电路和CPU时序一、振荡器电路的两种接法说明： 使用内部方式时 ，时钟发生器 对振荡脉冲二分 频 使用外部方式时 ，外部振荡信 号应直接加到 XTAL1，而 XTAL2悬空二、CPU时序1、几个周期的概念 振荡周期/时钟周期： TC=晶振频率fosc（或外加频率）的倒数 状态周期 Ts=2个时钟周期 机器周期 Tm=6个状态周期（Ts）＝12个振荡周期（Tc） 指令周期 Ti执行一条指令所需要的机器周期数①振荡周期：为单片机提供时钟信号的振荡源的 周期。

②时钟周期：是振荡源信号经二分频后形成的 时钟脉冲信号③机器周期：通常将完成一个基本操作所需的时 间。