1、单片机原理及应用,MCS-51单片机原理及应用,西南大学.工程技术学院,单片机原理及应用,单片机的组成,I/O端口,单片机存储器配置,第 章 单片机结构,本章内容提要,最小系统,单片机原理及应用,MCS-51单片机硬件结构,结构框图,中央处理器CPU：8位，运算和控制功能,内部RAM：共256个RAM单元，用户使用前128个单元，用于存放可读写数据，后128个单元被专用寄存器占用。,内部ROM：4KB掩膜ROM，用于存放程序、原始数据和表格。,定时/计数器：两个16位的定时/计数器，实现定时或计数功能。,并行I/O口：4个8位的I/O口P0、P1、P2、P3。,串行口：一个全双工串行口。,中断
2、控制系统：5个中断源（外部中断2个，定时/计数中断2 个，串行中断1个）,时钟电路：可产生时钟脉冲序列，允许晶振频率至12MHZ,单片机原理及应用,8051单片机内部结构,单片机原理及应用,CPU由运算器、控制器组成,控制器：程序计数器(PC) 16位指令寄存器指令译码器数据指针定时控制逻辑、复位电路、堆栈指针、时钟发生器,运算器：累加器 Acc算逻单元 ALU程序状态寄存器PSW 存放程序运行中的各种状态信息(P13)B寄存器、暂存器、十进制调整电路、布尔处理器,单片机原理及应用,MCS-51单片机信号引脚简介,P3口线的第二功能,VCC,VSS,XTAL2 XTAL1,RST,P0. 0
3、P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7,P1. 0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7,P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2. 0,ALE,P3. 0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7,2、振荡电路：XTAL1、XTAL2,3、复位引脚：RST,4、并行口：P0、P1、P2、P3,7、ALE：地址锁存控制信号,1、电源线：VCC(+5V)、VSS(地),单片机原理及应用,三个独立的存储器空间：64KB程序存储器空间（00FFFFH）256B内部RAM空间（0
4、0FFH)包括：128B内部特殊功能寄存器空间（800FFH)、 7F位寻址空间（007FH)64K外部数据存储器空间（00FFFFH),2.2 MCS 51存储器配置,单片机原理及应用,3. 存 储 器,8031 8751 8051 89C51,256B（字节）,4K,64K,64K,单片机原理及应用,程序存储器,程序存储器,内部,外部,(PC),程序存储器资源分布,中断入口地址,单片机原理及应用,ROM,2.2 MCS51存储器配置,外部 ROM,内部 ROM,0FFFFH,0FFFH,0000H,16位PC 216 00FFFFH 64KB,EA接VSS 忽略内部ROM,总是从外部ROM
5、中取指,在CPU访问外ROM 时，PSEN输出负脉冲,内部无ROM的(如8031)，EA必须接地,单片机原理及应用,使用内部ROM,8051,EA,Vcc,单片机原理及应用,内部,外部,数据存储器,数据存储器,RAM,专用 寄存器,内部RAM存储器,工作寄存器区选择位RS0、RS1,单片机原理及应用,MSBMost Significant Bit （最高有效位） LSB Least Significant Bit （最低有效位）,RAM位寻址区位地址表,单片机原理及应用,高128个单元,离散分布有21个特殊功能寄存器SFR。, 11个可以进行位寻址。,特别提示：对SFR只能使用直接寻址方式，书
6、写时可使用寄存器符号，也可用寄存器单元地址。,单片机原理及应用,内部RAM特殊功能寄存器SFR片外64K RAM空间,2.2 MCS 51存储器配置,单片机原理及应用,四个双向8位输入/输出口P0P3，每口由锁存器、输入/输出缓冲器、输出驱动电路、输出控制电路构成。 P0口的结构1.作一般I/O口 2.地址/数据总线的A0A7 /D0D7 P1口带上拉电阻，每一位可分别定义为输入线/输出线 P2口1.输入/输出口 2.系统扩展高位地址总线A8A15 P3口 多功能口每一位可分别定义为第一功能或第二功能,2.3 I/O端口结构,单片机原理及应用,4、并行输入/输出电路结构,P0. 0 P0.1
7、P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7,P1. 0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7,P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2. 0,P3. 0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7,4个8位并行I/O口：P0，P1，P2，P3,均可作为双向I/O端口使用。,特点：,P0：1.作一般I/O口 2.地址/数据总线的A0A7 /D0D7，访问片外扩展存储器时， 复用为低8位地址线和数据线,P2： 1.输入/输出口 2.系统扩展高位地址总线A8A15,P1：双向I/O端口带上拉电
8、阻， 每一位可分别定义为输入线/输出线,P3： 多功能口每一位可分别定义为第一功能或第二功能,单片机原理及应用,P0口位结构,单片机原理及应用,P1口的位结构,D P1.i Q锁存器 CL Q,读锁存器,内部总线,写锁存器,读引脚,内部上拉电阻,Vcc,2,1,V1,P1.i 引脚,单片机原理及应用,P2 口的位结构,单片机原理及应用,控制线（4条）：ALE/PROG：双功能引脚 由于P0口的8个引脚是低8位地址总线与数据总线分时复用，因此必须将P0口输出的低8位地址进行锁存。在访问片外存储器时，每机器周期该信号出现2次。其下降沿用于控制锁存P0口输出的低8 位地址。即使不访问片外存储器，该引
9、脚上仍出现上述频率的周期性信号，因此也可作为对外输出的时钟脉冲，频率为振荡器频率的1/6，必须注意的是：在访问片内外存储器时，ALE脉冲会跳空1个。PSEN：片外程序存储器读选通信号输出端 在CPU从片外程序存储器取指期间，此信号每个机器周期两次有效，以通过P0口读入指令，在访问片外数据存储器时，该信号不出现。,单片机原理及应用,EA/Vpp：双功能引脚 为片外程序存储器选用端。当该引脚信号有效时，选择片外程序存储器，即EA/Vpp=1时，访问片内程序存储器。 对片内含有EPROM的机型，此引脚在编程期间用于施加+21v的编程电压。 RST/VPO：双功能引脚 在单片机工作期间，当此引脚上出现
10、连接2个机器周期的高电平时可实现复位操作，详见2.4节。 在Vcc掉电期间，若该引脚接备用电源（+5v），可向片内RAM供电，以保存片内RAM中的信息。,单片机原理及应用,时钟电路1.利用内部时钟电路 2.外部方式 CPU时序1.时钟周期2.机器周期3.指令周期4.时序,2.4 时序电路,单片机原理及应用,单片机时钟电路通常有两种形式： 1内部振荡方式：MCS-51单片机片内有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。把放大器与作为反馈元件的晶体振荡器或陶瓷谐振器连接，就构成了内部自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。 2外部振荡方式：外部振荡方式
11、就是把外部已有的时钟信号引入单片机内。,单片机原理及应用,内部振荡方式,外部振荡方式,返回本节,外接晶振,单片机原理及应用,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称为机器周期。4指令周期：是指CPU执行一条指令所需要的时间。一个指令周期通常含有14个机器周期。,单片机原理及应用,振荡器输出的振荡脉冲经2分频后作为内部节拍信号，作单片机内部各部件协调工作的控制信号，其周期称为时钟周期。计算机一条指令的执行分几个阶段，每一阶段完成一项规定的操作，完成某一规定操作所需的时间称为一个机器周期。
12、对MCS51系列单片机，6个时钟周期构成一个机器周期。CPU执行一条指令所需的时间为指令周期。指令周期以机器周期为单位，MCS51系列单片机的指令多为单周期、双周期指令，只有乘除指令为4周期指令，若用12MHZ晶振，则单周期指令、双周期指令的执行时间分别为1s和2s，而乘除指令则需4s CPU时序：MCS51系列单片机的一个机器周期包含6个时钟周期。我们用S1、S2、S6表示，每个时钟周期的2个振荡节拍用P1、P2表示，则一个机器周期包括12个振荡周期，不同周期、不同字节数的指令时序不同。,单片机原理及应用,MCS-51单片机各种周期的相互关系,单片机原理及应用,单片机原理及应用,8051,XTAL2,XTAL1,C1,C2,外接晶振电路,Vss,单片机原理及应用,单片机复位电路及复位状态,1复位电路单片机复位电路包括片内、片外两部分。外部复位电路就是为内部复位电路提供两个机器周期以上的高电平而设计的。MCS-51单片机通常采用上电自动复位和按键手动复位两种方式。2单片机复位后的状态单片机运行出错或进入死循环时，可按复位键重新运行。21个特殊功能寄存器复位后的状态为确定值。,单片机原理及应用,复位电路,单片机原理及应用,表2-6 单片机复位后特殊功能寄存器的状态,返回本节,单片机原理及应用,复位和复位电路,单片机原理及应用,现在是答问时间,
