1,第二章 MCS-51單片機(jī)芯片硬件結(jié)構(gòu),2.1 MCS-51系列單片機(jī)結(jié)構(gòu)及組成2 .1 .1 MCS-51系列單片機(jī)結(jié)構(gòu)框圖,MCS-51系列單片機(jī)屬于總線結(jié)構(gòu),2,3,2 .1 .2 MCS-51系列單片機(jī)組成,一個8位CPU,包括運算器、控制器以及若干寄存器等部件組成。,算術(shù)和邏輯運算，可對半字節(jié)（4位）和單字節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作；加、減、乘、除、加1、減1、比較等算術(shù)運算；與、或、異或、求補、循環(huán)等邏輯運算；布爾處理器。,（1）運算器,4,PC用來存放即將要執(zhí)行的指令地址，共16位，可對64KROM直接尋址。PC低8位經(jīng)P0口輸出，高8位經(jīng)P2口輸出。,（2）程序計數(shù)器PC,指令寄存器存放指令代碼。,CPU執(zhí)行指令過程：由程序存儲器（ROM）中讀取指令代碼送入指令寄存器，經(jīng)譯碼器譯碼后由定時與控制電路發(fā)出相應(yīng)的控制信號，完成指令功能。,（3）指令寄存器,5,時鐘電路：MCS-51芯片內(nèi)部有一個高增益反相放大器，其輸入端為XTAL1，輸出端為XTAL2。有兩種時鐘生成電路，內(nèi)部方式，外部方式。,（4）定時與控制部件,6,7,可尋址64k外部數(shù)據(jù)存儲器（RAM）和64k外部程序存儲器（ROM）,32條可編程I/O口線（4個8位并行I/O端口）,一個可編程全雙工串行口；,五個中斷源、兩個優(yōu)先級嵌套中斷結(jié)構(gòu),8,2 .1 .3 MCS-51系列單片機(jī)芯片引腳,9,1）主電源引腳；,2）外接晶體或外部振蕩器引腳；XTAL1、XTAL2,引腳分布（40腳雙列直插封裝（DIP）方式）,3）控制、選通或復(fù)用電源引腳：,10,非訪問外部存儲器期間，ALE以1/6振蕩頻率輸出，訪問外部存儲器時以1/12振蕩頻率輸出。,為編程脈沖輸入端，對片內(nèi)程序存儲器進(jìn)行編程時，此腳輸入編程脈沖。,RST（9腳）：復(fù)位信號延續(xù)兩個機(jī)器周期以上的高電平，復(fù)位有效。,11,（29腳）：訪問外部程序存儲器選通信號，低電平有效。,/Vpp（31腳）：訪問內(nèi)部或外部ROM選擇信號。 高電平時( ) ，訪問內(nèi)部ROM（PC指針超過4K，0FFFH時，自動轉(zhuǎn)向外部ROM），保持低電平，則訪問外部ROM。（對于8031， 接低電平）,12,四個8位雙向I/O端口（P0、P1、P2、P3）;每一條I/O線都能獨立地作輸入或輸出。P0口（3239）低8位地址/數(shù)據(jù)線復(fù)用或I/O口。P1口（18）常用的I/O口。P2口（2128）常用I/O口或高8位地址線。P3口（1017）雙功能口。,4）I/O口引腳（32個引腳）,13,信號引腳的第二功能,P3口第二功能,14,2-2 MCS-51存儲器,數(shù)據(jù)存儲器（RAM）-用來存放程序運行中所需要的常數(shù)和變量。當(dāng)然，全局?jǐn)?shù)據(jù)也可以放在RAM中。,特點：程序存儲器（ROM）、數(shù)據(jù)存儲器（RAM）分開，各有各的尋址系統(tǒng)、控制信號和功能。,程序存儲器（ROM）-用來存放程序和始終要保留的數(shù)據(jù)。,15,從物理空間上看：MCS-51單片機(jī)有四個存儲器地址空間。片內(nèi)程序存儲器片外程序存儲器片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器片外數(shù)據(jù)存儲器,16,8051存儲器映象,17,2.2.1 程序存儲器,程序存儲器以PC（程序計數(shù)器）作地址指針，可尋址空間為64K（0000HFFFFH）字節(jié)。8051/8751單片機(jī)內(nèi)部分別駐留4K（0000H0FFFH）字節(jié)ROM/EPROM。8031則沒有片內(nèi)程序存儲器。,18,8031單片機(jī) 接低電平。,51系列單片機(jī)64K字節(jié)程序存儲器統(tǒng)一編址。,程序從片內(nèi)ROM開始執(zhí)行，當(dāng)PC值超過片內(nèi)ROM容量時會自動轉(zhuǎn)向外部存儲器空間。,程序從外部存儲器開始執(zhí)行。,19,51系列單片機(jī)復(fù)位后PC=0000H，系統(tǒng)從0000H開始執(zhí)行程序。安排一條跳轉(zhuǎn)指令。0003H0032H單元被保留專用于中斷服務(wù)程序（入口地址）。每個中斷服務(wù)程序只有8個字節(jié)單元存放，顯然不夠，故此8個單元通常放一條跳轉(zhuǎn)指令。指向被實際分配的中斷服務(wù)程序段。,20,21,中斷服務(wù)程序首地址：外部中斷0（ ）0003H定時器0溢出中斷000BH外部中斷1（ ）0013H定時器1溢出中斷001BH串行口中斷0023H定時器2溢出/T2EX（負(fù)跳變）002BH,22,2-2-2 數(shù)據(jù)存儲器,MCS-51系列單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲器在物理和邏輯上都分為兩個地址空間。,00H7FH（0127）128字節(jié)RAM區(qū)；80HFFH（128255）128字節(jié)專用寄存器區(qū)。,23,內(nèi)部RAM低128字節(jié)（00H7FH）,四個通用寄存器區(qū)，每個區(qū)有8個工作寄存器R0R7,D4D3=000區(qū)； D4D3=011區(qū)；D4D3=102區(qū)； D4D3=113區(qū),根據(jù)程序狀態(tài)字PSW（特殊功能寄存器，地址D0H）中的D4D3位來指示的。通過對PSW的D4D3的修改，便能任意選擇一個工作寄存器區(qū)。,寄存器區(qū),24,位尋址區(qū)（20H2FH）16個字節(jié)。16*8=128位，每一位都有一個位地址，范圍為：00H7FH，位地址區(qū)也可作為一般RAM使用。,位尋址區(qū),25,用戶RAM區(qū)（數(shù)據(jù)緩沖區(qū)）,單元地址：30H7FH在此區(qū)域中，用戶只能以存儲單元（字節(jié)）形式使用。,通常將堆棧建立在此區(qū)域中。,26,內(nèi)部RAM高128字節(jié)（80HFFH）,專用功能寄存器區(qū)（SFR）,2-2-3 外部數(shù)據(jù)存儲器以后介紹,27,2-2-3 專用功能寄存器（SFR）,分布在RAM區(qū)域80HFFH中，具體執(zhí)行功能：鎖存器、定時器、串行口數(shù)據(jù)緩沖器、各種控制寄存器、狀態(tài)寄存器等。,28,累加器ACC（最常用專用寄存器）暫存寄存器，用于提供操作數(shù)和存放運算結(jié)果。直接與內(nèi)部總線相連。一般信息傳遞和交換都要通過ACC。,常用專用功能寄存器,29,寄存器B乘法指令兩個操作數(shù)分別取自A、B，其結(jié)果放在A、B寄存器隊中；除法指令，被除數(shù)取自A，除數(shù)取自B，商放A，余數(shù)放B。,30,程序狀態(tài)控制字PSW,RS1，RS0-選擇工作寄存器區(qū)；CY-高位進(jìn)位標(biāo)志，8位運算產(chǎn)生進(jìn)位或借位；AC-輔助進(jìn)位標(biāo)志，半字節(jié)進(jìn)位標(biāo)志；OV-溢出標(biāo)志位，用于帶符號數(shù)運算的溢出。P奇偶校驗標(biāo)志位，A寄存器中奇偶性判別?！?”的個數(shù)為偶P=0“1”的個數(shù)位奇P=1,31,數(shù)據(jù)指針DPTR16位寄存器，DPH，DPL用來訪問外部RAM的地址寄存器，地址范圍64K。,端口P0P3專用寄存器P0P3端口名和寄存器名一一對應(yīng)可采用直接尋址方式參與操作。MOV A，P0,32,串行數(shù)據(jù)緩沖器SBUF存放欲發(fā)送或已接收的數(shù)據(jù)。雖然用一個緩沖器99H，但卻以兩個獨立的緩沖器出現(xiàn)。一個發(fā)送，一個接收。,定時器/計數(shù)器兩個16為定時/計數(shù)器T0、T1。各有兩個8為獨立寄存器組成，TH0、TL0，TH1、TL1。,其他控制寄存器,33,34,35,2-3 并行I/O端口電路,36,鎖存器：數(shù)據(jù)輸出三態(tài)輸入數(shù)據(jù)緩沖器多路轉(zhuǎn)換器MUX，控制電路,數(shù)據(jù)輸出時（寫P0口）：由于鎖存器的存在，故P0端口可以直接和外設(shè)相連。內(nèi)部寫脈沖加在D觸發(fā)器CP端，數(shù)據(jù)寫入鎖存器，由端口引腳輸出。,作為一般I/O口使用,37,數(shù)據(jù)輸入時（讀P0口），有兩種情況：讀引腳：讀芯片引腳上的數(shù)據(jù)，“讀引腳”緩沖器打開，通過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線讀入；MOV指令的讀口操作。讀端口：通過打開讀鎖存器緩沖器讀鎖存器Q端的狀態(tài)，例如語句：ANL P0，A 。,作為地址/數(shù)據(jù)復(fù)用口使用,打開控制與門，使得內(nèi)部地址/數(shù)據(jù)線與驅(qū)動場效應(yīng)管柵極反相接通狀態(tài)。,38,根據(jù)端口特點，P0，P2口結(jié)構(gòu)基本一致，內(nèi)部有一個多路開關(guān)MUX，根據(jù)CPU控制可作為I/O口，也可作為外部存儲器擴(kuò)展時用作16位地址總線。P1，P3口結(jié)構(gòu)基本一致，為雙向口。注意，一般地說，P1口多用作I/O或位操作；而P3口多用于第二功能。,39,P0口：為三態(tài)雙向口，擴(kuò)展外部存儲器時，它是地址總線和數(shù)據(jù)總線的復(fù)用（低8位）。低8位地址通過ALE信號負(fù)跳變將其鎖存在外部鎖存器中。單獨作I/O口用時，由于輸出電路是漏極開路，必須外接上拉電阻。能帶8個LSTTL電路。,端口功能,40,P1口：常用I/O口，每一位都能作為可編程的輸入或輸出線。輸出端無需上拉電阻。P2口：可以作為輸入口或輸出口使用；但一般作為擴(kuò)展系統(tǒng)的地址總線，輸出高8位地址。與P0口一起組成16位地址總線。P3口：雙功能口。作為第一功能使用同P1口。第二功能如下表：,41,P3口第二功能,42,2-4 振蕩器時鐘及時序,振蕩有兩種方式：外部、內(nèi)部時鐘發(fā)生器：將震蕩頻率2分頻，為芯片提供一個兩相時鐘信號。時序定時單位：（1）拍節(jié)P：振蕩脈沖周期，用P表示；（2）狀態(tài)S：時鐘信號周期，用S表示；,43,（3）機(jī)器周期：MCS-51采用定時方式，因此有固定的機(jī)器周期，一個機(jī)器周期等于6個狀態(tài)周期，12個振蕩周期；（4）指令周期：執(zhí)行一條指令所需要的時間?？砂弧⒍⑷蛩膫€機(jī)器周期。時鐘周期是振蕩周期2分頻；機(jī)器周期是振蕩周期12分頻。,44,當(dāng)振蕩頻率為12M時，一個機(jī)器周期是1微秒（s）頻率=1/周期，周期=1/頻率一個振蕩周期=1/12（s），一個機(jī)器周期是1（s）。當(dāng)振蕩頻率為6M時，一個機(jī)器周期是2微秒（s）,MCS-51共有111條指令。按其長度可分為：單字節(jié)指令、雙字節(jié)指令、三字節(jié)指令。,45,單字節(jié)單周期指令例：INC A,雙字節(jié)單周期指令例：ADD A，DATA,單字節(jié)雙周期指令例：INC DPTR,46,當(dāng)ALE（ALE信號為振蕩頻率6分頻）正跳變時，對應(yīng)單片機(jī)進(jìn)行一次讀指令操作。一個機(jī)器周期二次出現(xiàn)，在S1P2和S2P1及S4P2和S5P1期間。有效寬度為一個狀態(tài)。,（1）單字節(jié)單周期指令：INC A只需進(jìn)行一次讀指令操作（指令只有一個字節(jié)），當(dāng)?shù)诙€ALE有效時，由于PC沒有加1，讀出的還是原指令。屬于一次無效操作。,47,（2）雙字節(jié)單周期指令：ADD A，#dataALE兩次讀操作都有效，第一次讀操作碼（指令第一字節(jié)），第二次讀立即數(shù)（指令第二字節(jié)）。,（3）單字節(jié)雙周期指令：INC DPTR兩個機(jī)器周期共進(jìn)行四次讀指令操作，但其后三次的讀操作都是無效的。,48,MOVX：先在ROM中讀出指令，然后對外部RAM進(jìn)行讀/寫操作。第一個機(jī)器周