1、第2章 MCS-51单片机结构和时序,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,第1章 MCS-51单片机结构和时序,本章要求：,1. 掌握MCS-51单片机的结构。,2.了解MCS-51单片机的引脚。,3. 了解单片机的工作方式。,2.1 MCS-51单片机的结构,单片机是一个小的微机系统，内部集成了计算机所必需的基本功能部件；主要可分为 CPU 、存储器、I/O口、定时器/计数器、 中断系统五个部分。,一、CPU,又称中央处理单元，字长8位，二进制，包括运算器（ALU)、控制器(定时控制部件）
2、、和专用寄存器组,1、ALU(Arithmetic Logic Unit),ALU由一个加法器、和两个暂存器、一个布尔处理器构成、主要完成算术运算、逻辑运算、移位操作。,2、定时控制部件,由定时控制逻辑、指令寄存器IR、和振荡器OSC等电路组成。,IR存放从存储器中取出的指令码,定时控制逻辑中包括定时控制、条件转移及指令译码等电路，完成对指令的译码产生指令的时序脉冲。,振荡器是控制器的指挥中心，为CPU 提供各种时钟脉冲,51单片机内部振荡电路,I,8051内部有一个高增益的反相放大器，用于构成振荡器，反向放大器的输入端为XTAL1，反向放大器的输出端为XTAL2，分别是单片机的第18和19引
3、脚。,3、专用寄存器组,用来指示要执行的指令地址，存放指令执行的操作数和结果，以及执行后的状态等，包括程序计数器（PC）、累加器ACC。,(1). 程序计数器PC(Program Counter),用于存储下一条指令的存储地址，能够自动加1，是二进制，16位的存储器，其值变化范围是0000HFFFFH，寻址范围64K。,用于存储操作数和运算结果，逻辑运算、算术运算等基本指令多数都用到累加器，是用得最多的寄存器。在指令系统中用A表示。,专门为乘法和除法设置的寄存器，是二进制的八位寄存器，存放乘数和除数以及积的高八位和除法的余数，其他指令B可用作一个通用寄存器或者一个RAM单元。,存放程序的有关状
4、态，有些是自动生成的，有些是用户设定的，各标志位定义如下：,(2). 累加器ACC(Accumulator),(3). 通用寄存器B,(4). 程序状态字PSW(Program Status Word),CY(PSW.7)进位和借位标志位，有进位和借位该位置1否则该位为0。,PSW.7,PSW.6,PSW.0,AC(PSW.6)辅助进位位，累加器中的运算结果低四位向高四位有进位或借位时该位为1、否则为0。,F0（PSW.5)用户标志位，可自行设置意义，相当于一个通用的位寄存器。,RS1、RS0（PSW.4 PSW.3)寄存器选择位，可设定寄存器所占内存的地址，由用户设定，RS1和RS0的不同组
5、合所选择R0R7的对应地址如下：,开机时，RS1和RS0都等于0，R0R7的物理地址为00H07H，可通过指令修改RS1和RS0，来改变R0R7的物理地址。,OV（Overflow PSW.2)溢出标志位：当运算结束后，累加器中运算结果超出了八位有符号数表示的范围，OV置1，否则置0，八位有符号数的表示范围-128+127,求溢出位的方法： Acc.6的进位状态与Acc.7的进位状态进行异或，即累加器的第8位和第7位都有进位或借位 则OV=0 ，两位中有一个有进位或借位则OV=1。,例：,+,-23,-51,-74,反,原,反,原,反,原,、,、,例：,+,-87,-98,70,反,反,、,原
6、,原,反,原,、,、,、,、,0,1,1,0,0,0,1,0,若CP为最高位的进位位，CS为次高位的进位位，则若CP=1、CS=1，或CP=0 CS=0 则结果正确；若CP=1CS=0或CP=0 CS=1则结果错误。即CP CS=0正确 CP CS=1 错误,所以 OV=CP CS,OV=0 正确,OV=1 错误,PSW.1：无意义。,P（PSW.0）：奇偶标志位，累计器中1的个数为偶数时P=0，1的个数为奇数时P=1。,(5). 堆栈指针SP(Stack Pointer),八位寄存器，能自动加1或减1，用来存储 栈顶的地址，堆栈遵循先进后出的原则，上电复位后 SP=07H与工作寄存器区重合，
7、一般需要重新设置，开辟堆栈区。,MOV SP，#60H ;SP=60H,指令PUSH是压入 和POP弹出,60H,61H,用于存放断点地址和待保护的数据,(6). DPTR数据指针(Data Pointer),十六位寄存器，高位DPH，低位DPL用于存放ROM或RAM的地址,二、存储器的结构,存储器,片内,片外,ROM程序存储器,RAM数据存储器,RAM数据存储器,ROM程序存储器,1、ROM,8051片内ROM4K、地址范围为0000H0FFFH、片外可扩展程序存储器，用于存放程序或表格，用PC寻址，寻址范围为0000HFFFFH。,0000H0FFFH,该段地址是指向片内,EA引脚接高电平
8、,该段地址是指向片外,EA引脚接低电平,1000HFFFFH,该段地址是指向片外,当EA接低电平时，程序全部从外部程序存储器读取。,当EA接高电平时，程序执行首先从片内开始，执行到0FFFH再指向片外。,片内EA=1,片外ROM,0FFFH,片外EA=0,0000H,0FFFH,0000H,FFFFH,1000H,2、RAM(数据存储器),片内RAM的寻址范围共有256Byte，地址00HFFH,片外64K ，地址0000HFFFFH。片内真正 的RAM128个字节，00H 7FH。,片内RAM的访问用MOV A , 60H,片外RAM的访问用MOVX A , DPTR,片内 128字节RAM
9、 的功能分配,00H,07H,08H,0FH,10H,17H,18H,1FH,工作寄存器区,位寻址区,便笺区,20H,21H,22H,2FH,30H,7FH,位寻址区20H2FH，共16个字节，128位。它们的位地址分别是00H 01H-7FH。,00H07H的字节地址是20H,08H0FH的字节地址是21H,10H17H的字节地址是22H,18H1FH的字节地址是23H,各位位地址与字节地址的对应关系如下表。,在此范围内的数据存储区即可以用位寻址方式访问，也可以用字节访问。,20,21,23,22,24,25,27,26,28,29,2B,2A,2C,2D,2F,2E,特殊功能寄存器SFR,
10、用来完成特殊功能的寄存器集合，51单片机有21个,分散的占据80FFH 单元，此128个单元，只用了21个。不是特殊功能寄存器的单元用户无法使用。,特殊功能寄存器分成十类,（1）ACC* 累加器（0E0H),（2）B* 寄存器 (0F0H),（3）程序状态字寄存器PSW* (0D0H),（4）栈指针 SP(81H),（5）数据指针DPTR ,16位 DPL (82H),DPH(83H),（6）端口4个P0*、P1*、P2*、P3* (80H)(90H)(0A0H)(0B0H) 初值为FFH,（7）串行口用寄存器两个，串行数据缓冲器SBUF(99H)，串行口控制寄存器 SCON*(98H),（9
11、）定时器/计数器控制寄存器6个TCON* TMOD TL0 TH0 TL1 TH1,（10）电源控制寄存器PCON(87H),（8）中断控制寄存器2个 ，中断允许寄存器IE*(0A8H) 中断优先级控制寄存器IP*(0B8H)。,带*的寄存器为可以位寻址的，位地址有8*11=88位,小结:1、特殊功能寄存器21个，地址不连续。2、11个可以位寻址。,80H,88H,90H,98H,A0H,A8H,B0H,B8H,D0H,E0H,F0H,位寻址指令 MOV C，A7H,或者 MOV C，P2.7,在位地址空间20H2FH中，一般直接用位地址，不用20H.6表示，当访问特殊功能寄存器的位地址时，一
12、般用P2.0的形式表示。事实上，所有的位地址空间两种表示方法都可以。,三、I/O端口,I/O端口是单片机对外部实现控制和信息交换的通路，分串行和并行端口,1、并行端口,P0、P1、P2、P3都有双向I/O功能，内部结构不同,P0地址和数据复用的端口，访问外部ROM和RAM时输出低八位的地址和数据，分时传输。也可作一般I/O口用。,P2高八位地址 也可作一般I/O口,P1用户I/O口,P3 用户I/O口和多功能口，P3.0 P3.1 串行发送和接收 P3.2和P3.3外部中断 P3.4和P3.5 计数器输入P3.6、P3.7读写控制信号输出,四、定时器/计数器,51单片机内有两个十六位的定时器和
13、计数器，T0/C0、T1/C1，可工作于定时器模式或计数器模式,定时器模式是对系统时钟12分频计数，计数模式是对由P3.4、P3.5输入的外部信号计数，计数器由T0和T1组成，T0和T1又分别由TH0、TL0和TH1、TL1组成，它们的初值可设定，通过对TMOD 的访问设定定时器的工作方式，TCON 起动计时。,五、中断系统,中断：系统暂停正在执行的任务，转而去执行更急的任务，即执行中断子程序。,51单片机共有五个中断源，两个优先级,中断源,INT0,INT1,外部中断源，由P3.2、P3.3输入,T1,T0,串行口,内部中断源,由中断允许控制器IE和中断优先级控制寄存器IP等电路组成,2.2
14、 MCS-51单片机引脚功能,封装上有双列直插式和方形封装两种，双列直插用的较多。,1.MCS-51单片机引脚功能,共四十个引脚，可分为端口线、电源线、控制线,(1)端口线,P1口引脚18 用户I/O 编程校验低八位地址,P2口引脚2128 a、用户I/O 、b、访问外部ROM和RAM时输出高八位地址。 c、编程校验高四位地址,P1,P3,P3口引脚1017、a、用户I/O b、控制口多功能复用,P0口引脚3239 a、用户I/O b、访问片外ROM的低位地址和数据c、编程校验时传送机器码和校验码,(2)电源线引脚20、40,20脚接地，40脚接电源 +5V,(3)控制线引脚,复位线RST 引
15、脚9 当此脚输入2个机器周期的高电平系统复位。分上电复位和按钮复位,+5V,VCC,RST,GND,10uF,8.2K,上电复位,+5V,VCC,RST,GND,10uF,8.2K,手动复位,实际工作中常采用看门狗电路提供复位信号，提高系统的可靠性,手动按下按钮，9脚上为高电平，系统复位,XTAL1和XTAL2片内振荡电路输入线，产生振荡信号,XTAL2,XTAL1,VSS,18,19,XTAL2,XTAL1,VSS,悬空,19,时钟输入,时钟输入,片外时钟,HMOS型,CHMOS型,允许访问外部存储器ROM/编程电源线,ALE/PROG,地址锁存允许，访问片外ROM或RAM 时，输出锁存低八
16、位地址的锁存信号，平时该引脚输出信号是振荡频率的六分频，编程时送入52MS的编程负脉冲，,PSEN:,片外ROM选通线，访问片外ROM时在PSEN脚上输出一个负脉冲，选通片外ROM，平时为高电平。,2.3 MCS-51单片机工作方式,51单片机的工作方式分为：复位方式、程序执行方式、节电方式、EPROM 的编程校验方式,一、复位方式,开机时，单片机需要复位，CPU及SFR由一个初始状态开始工作，复位状态由RST引脚上的高电平触发，复位后，21个特殊功能寄存器都有初始值，SP=07H,P0、P1、P2、P3都等于0FFH，其它有定义的位都为0，SBUF不定。见教材62页,有定义的位，是寄存器中的
17、有控制功能的位，例如IE寄存器的IE.0IE.4 IE.7,二、程序执行方式,分为单步执行方式和连续运行方式两种。,1、单步运行方式：通过外来脉冲控制程序的运行，来一个脉冲执行一条命令，脉冲由按键产生，按一次键，执行一条指令。一般的单片机工作系统不需要，当设计单片机的仿真和实验系统时，有单步功能。,2、连续运行方式：是单片机的基本工作方式，一般为1120MA的工作电流，从0000H开始执行。,三、节电方式,节电方式,空闲方式,掉电方式,由电源控制寄存器PCON的PCON.0和PCON.1设置,PCON寄存器,掉电方式：5 50uA当将PCON.1即PD设置为1时，单片机进入掉电方式，调电后单片
18、机的CPU中断、串行口、定时器等都不工作。而RAM和SFR中的内容（可由备用电池供电）保持不变，SFR被初始化，RAM不变,空闲方式：1.7MA5MA，主要用于用干电池供电时某些特殊情况，节约用电，空闲方式的设置方法使PCON.0置1 即IDL=1。空闲方式下，CPU 不工作，晶振、串行口，定时器、中断等正常工作。,唤醒方式 1、中断，2、硬件复位，,编程是利用特殊手段对单片机片内EPROM进行写入的过程，校验时是对写入的程序代码进行读出验证的过程。,四、编程校验方式,时序：CPU在执行指令时所需控制信号的时间顺序。,2.4 MCS-51单片机时序,分为片内时序和片外时序，能供用户使用的是片外
19、时序 要求掌握。,一、几个术语,1、时钟周期T(振荡周期)：振荡电路产生的，振荡频率的倒数， 1MHz T=1us 12MHz T=1/12 us,2、状态周期S：两个时钟周期为一个状态周期，每个状态周期分为两个节拍P1和P2。,3、机器周期：十二个时钟周期为一个机器周期，包括6个状态周期S1、S2、S3、S4、S5、S6。,4、指令周期,执行一条指令所需要的时间，需要一个机器周期的称单周期指令，两个机器周期的称双周期指令，还有四周期指令。,执行指令,二、MCS-51的取指/执行时序,取指阶段：把PC为地址的ROM中的指令送到指令寄存器。,执指阶段：对指令译码，产生完成指令的时序。,单字节单周
20、期、单字节双周期、单字节四周期、双字节单周期、双字节双周期、三字节双周期。,按照指令的字节数和执行指令的周期数，51单片机的111条指令可分为六类：,三、访问片外ROM/RAM的指令时序,1、读片外ROM指令时序,设 DPTR=2000H A=2,2000H,ROM,S1,S2,S3,S4,S5,S6,ALE,S1,S2,PSEN,P1 P2,P1 P2,P1 P2,P1 P2,P1 P2,P1 P2,P1 P2,P1 P2,P2,P0,A15A8,A15A8,A7A0,常数,A7A0,指令,（1）、ALE在S1P2S2P1期间有效，在S2P1的下降沿锁存P0的数据到锁存器中，在此期间PSEN
21、 无效,（2）、在S2P1时，把PC的高八位送到P2口，一直保持到S4P2,（3）、在S3到S4P1期间PSEN有效，选中片外ROM，读出指令代码经过P0口送出。,（4）、指令的机器码为93H送到指令寄存器中，经过译码电路译码，产生一系列所需要的时序。,（5）、在S4P2时，完成A+DPTR，将高八位送P2，低八位送P0，由ALE在S5P1下降沿将低位地址锁存。,（6）、PSEN在S6和下一个S1P1时有效，从片外ROM中读出数据经过P0口送CPU的累加器。,2、片外RAM的读写时序,访问片外RAM的指令有两条,两条指令的时序基本相同。,下面是读片外数据存储器的时序。,ALE,PSEN,RD,P2,P0,（1）第一个机器周期读片外ROM的取指时序，第一个ALE读片外ROM，取操作码，第二个ALE读片外RAM取数据,（2）在第二个机器周期中，第一个ALE不出现，PSEN保持高电平，读选通有效，选通片外RAM，进行RAM的读操作。,（3）第二个机器周期的第二个ALE出现，进行对片外ROM的读操作，但属于无效操作。,第二章作业：,2.2,2.3,2.5,2.8,2.11,2.12,2.13,2.22,
