項目3MCS-51系列單片機最小系統(tǒng)的設(shè)計

了解MCS-51系列單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。理解MCS-51系列單片機存儲器的分布和運用。理解MCS-51系列單片機最小系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和原理。掌握MCS-51系列單片機最小系統(tǒng)的設(shè)計方法。能獨立分析和解決電路設(shè)計中的問題。學(xué)習(xí)目標(biāo)介紹MCS-51系列單片機的基本結(jié)構(gòu)。介紹MCS-51系列單片機的存儲器。介紹MCS-51系列單片機芯片。設(shè)計MCS-51系列單片機最小系統(tǒng)。工作任務(wù)任務(wù)3.1認(rèn)識MCS-51系列單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)任務(wù)3.2MCS-51系列單片機最小系統(tǒng)電路的設(shè)計項目拓展STC89C52實驗板電路的設(shè)計項目小結(jié)項目3MCS-51系列單片機最小系統(tǒng)的設(shè)計時鐘電路CPUROMRAMT0T1中斷系統(tǒng)串行接口并行接口P0P1P2P3TXDRXDINT0INT1定時計數(shù)器結(jié)構(gòu)框圖中央處理器CPU：8位，運算和控制功能內(nèi)部RAM：共256個RAM單元，高128個單元被專用寄存器占用，低128個單元供用戶使用，用于存放可讀寫數(shù)據(jù)，運算的中間結(jié)果等。內(nèi)部ROM：4KB的8位ROM，用于存放程序、原始數(shù)據(jù)和表格。定時/計數(shù)器：兩個16位的定時/計數(shù)器，實現(xiàn)定時或計數(shù)功能。并行I/O口：4組8位的并行I/O口，既可用作輸入，也可用作輸出。串行口：一個全雙工串行口。中斷控制系統(tǒng)：5個中斷源（外部中斷2個，定時/計數(shù)中斷2個，串行中斷1個）時鐘電路：用于產(chǎn)生單片機運行的時鐘脈沖序列。任務(wù)3.1認(rèn)識MCS-51系列單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)3.1.1MCS-51系列單片機的基本結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)框圖1

2

3

4

5

6

7

8

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10111213141516171819

2040

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313029282726252424222180318751805189C51片內(nèi)RAM片內(nèi)ROM256B4KB片外ROM可擴展64K片外RAM可擴展64K3.1.2MCS-51系列單片機的內(nèi)部存儲器1.程序存儲器(ROM——只讀存儲器）

作用：存放設(shè)計人員編寫的程序。

大?。篗CS-51的單片機內(nèi)部有4KROM。

編址范圍：4KROM編址范圍：0000H～0FFFH。外部擴展：

64KROM，編址范圍：0000H～FFFFH。

程序存儲器地址分配0000H0001H0002H(PC)0000H是程序執(zhí)行的起始單元,

在這三個單元存放一條

無條件轉(zhuǎn)移指令中斷5中斷4中斷3中斷2中斷10003H000BH0013H001BH0023H002BH外部中斷0定時器0中斷外部中斷1定時器1中斷串行口中斷8位．．．0FFFH0FFEH程序存儲器資源分布中斷入口地址內(nèi)部外部0000H0FFFH(4K)0000HFFFFH(64K)0000H0FFFH(4K)EA=1EA=02.數(shù)據(jù)存儲器（RAM）MCS—51系列單片機的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器由讀寫存儲器RAM組成,用于存儲數(shù)據(jù)。它由RAM塊和特殊功能寄存器（SFR）塊組成。內(nèi)部RAM大小：256個字節(jié)（256B），其中低128個單元是真正的內(nèi)部RAM，可以被用來寫入或讀出數(shù)據(jù)。編址范圍：00H～FFH。外部擴展RAM：64KB編址范圍：0000H～FFFFH。0000HFFFFH(64K)內(nèi)部外部數(shù)據(jù)存儲器RAM00HFFH7FH80H(高128B)(低128B)RAM專用

寄存器00H07H08H0FH10H17H18H1FH0區(qū)R0R7R0R7R0R7R0R71區(qū)2區(qū)3區(qū)工作寄存器區(qū)可位尋址區(qū)20H2FH7F78070030H7FH數(shù)據(jù)緩沖區(qū)/堆棧區(qū)內(nèi)部RAM存儲器

11第3區(qū)18H~1FH

01第1區(qū)08H~0FHRS1RS0寄存器區(qū)片內(nèi)RAM地址

00第0區(qū)00H~07H

10第2區(qū)10H~17H工作寄存器區(qū)選擇位RS0、RS1PSW位地址

CYACF0RS1RS0OVF1P

00H—1FH，供用戶編程使用，臨時存放8位信息。共四組，每組8個單元，即8個寄存器當(dāng)某一組被設(shè)定成工作寄存器組后，該組中的8個寄存器，從低地址到高地址就分別稱為R0-R7，從而可以把它們用作通用寄存器，并可按寄存器尋址方式被訪問。一旦工作寄存器組被指定后，另外三組寄存器則同其它數(shù)據(jù)RAM一樣，只能按字節(jié)地址被予以讀寫。

（1）工作寄存器區(qū)00H07H08H0FH10H17H18H1FH0區(qū)R0R7R0R7R0R7R0R71區(qū)2區(qū)3區(qū)工作寄存器區(qū)可位尋址區(qū)20H2FH7F78070030H7FH數(shù)據(jù)緩沖區(qū)/堆棧區(qū)位尋址區(qū)（20H—2FH）16個字節(jié)。16*8=128位，每一位都有一個位地址，范圍為：00H—7FH，位地址區(qū)也可作為一般RAM使用。（2）位尋址區(qū)00H07H08H0FH10H17H18H1FH0區(qū)R0R7R0R7R0R7R0R71區(qū)2區(qū)3區(qū)工作寄存器區(qū)可位尋址區(qū)20H2FH7F78070030H7FH數(shù)據(jù)緩沖區(qū)/堆棧區(qū)（3）數(shù)據(jù)緩沖區(qū)30H—7FH，即用戶區(qū)，共80個單元。用于存放運算數(shù)據(jù)和結(jié)果。實際上不使用的位尋址的字節(jié)和不使用的工作寄存器區(qū)都可以用作數(shù)據(jù)緩沖區(qū)使用。00H07H08H0FH10H17H18H1FH0區(qū)R0R7R0R7R0R7R0R71區(qū)2區(qū)3區(qū)工作寄存器區(qū)可位尋址區(qū)20H2FH7F78070030H7FH數(shù)據(jù)緩沖區(qū)/堆棧區(qū)注意：堆棧一般開辟在這個區(qū)域又稱為專用寄存器，專用于控制、管理片內(nèi)算術(shù)邏輯部件、并行I/O口、串行I/O口、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等功能模塊的工作。用戶在編程時可以置數(shù)設(shè)定。離散地分布在RAM的高128個單元（80H-FFH）。注意：SFR的實際個數(shù)和單片機的型號有關(guān)，51單片機有21個。每個SFR占有一個RAM單元，它們分布在80H～FFH的地址范圍內(nèi)，沒有被SFR占用的RAM單元實際并不存在，訪問它們也是沒有意義的。3.特殊功能寄存器(SFR)特殊功能寄存器一覽表注意：凡是地址以“0”和“8”結(jié)尾的單元都是可位尋地址的，地址的范圍是80H~FFH。

☆

11個可以進行位尋址?！钐貏e提示：對SFR只能使用直接尋址方式，書寫時可使用寄存器符號，也可用寄存器單元地址。序號SFR地址SFR符號復(fù)位值功能說明1E0HACC00H累加器可位尋址2F0HB00HB寄存器可位尋址3D0HPSW00H程序狀態(tài)字可位尋址480HP0FFHP0口鎖存寄存器可位尋址581HSP07H堆棧指針682HDPL00H數(shù)據(jù)指針DPTR低8位783HDPH00H數(shù)據(jù)指針DPTR高8位887HPCON0XXX0000B電源控制寄存器988HTCON00H定時器控制寄存器可位尋址1089HTMOD00H定時器0和1的模式寄存器118AHTL000H定時器0低8位128BHTL100H定時器1低8位138CHTH000H定時器0高8位148DHTH100H定時器1高8位1590HP1FFHP1口鎖存寄存器可位尋址1698HSCON00H串行口控制寄存器可位尋址1799HSBUFXXXXXXXXB串行口數(shù)據(jù)緩沖寄存器180A0HP2FFHP2口鎖存寄存器可位尋址190A8HIE0X000000B中斷允許控制寄存器可位尋址200B0HP3FFHP3口鎖存寄存器可位尋址210B8HIPXX000000B中斷優(yōu)先級控制寄存器可位尋址幾個特殊功能寄存器：(1)累加器(ACC或A)：最常用的一個8位特殊功能寄存器。該寄存器可位尋址。幾乎全部指令都可用它作為操作數(shù)，有些指令必須用它作為目標(biāo)操作數(shù)。(2)B寄存器：一個8位特殊功能寄存器。乘除法指令必須用它作為其中的一個操作數(shù)。它也可作為普通RAM單元使用。(3)堆棧指針(SP)：一個8位特殊功能寄存器。單片機復(fù)位時，SP為07H，它總是指向棧頂。它主要用在子程序調(diào)用、中斷響應(yīng)及返回中。(4)數(shù)據(jù)指針(DPTR)：一個16位特殊功能寄存器，可分為兩個8位寄存器，高8位為DPH，低8位為DPL。該寄存器主要用于存放程序存儲器和片外數(shù)據(jù)存儲器的地址。（5）程序狀態(tài)字（PSW

）：一個8位的特殊功能寄存器，位于單片機的特殊功能寄存器區(qū)，用來存放運算結(jié)果的一些特征。PSWCY——

進位/借位標(biāo)志；位累加器（簡稱C）。AC——

半字節(jié)進位標(biāo)志，輔助進/借位標(biāo)志；用于十進制調(diào)整。F0——

用戶定義標(biāo)志位；軟件置位/清零。RS1、RS0——寄存器區(qū)選擇控制位。OV——

溢出標(biāo)志；硬件置位/清零（注意溢出條件）。P——

奇偶標(biāo)志；A中1的個數(shù)為奇數(shù)P=1；否則P=0?！痢撐粺o定義。

P×OVRS0RS1

F0

AC

CYPSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0程序計數(shù)器（PC）：一個不屬于特殊功能寄存器、物理上獨立的寄存器。是一個16位寄存器，具有自動加1功能，總是存放將要被執(zhí)行指令的首地址。單片機復(fù)位后，PC為0000H，單片機的應(yīng)用程序應(yīng)放在以程序存儲器地址0000H開始的單元中。3.1.3MCS-51系列單片機內(nèi)部存儲器的讀寫控制1．任務(wù)要求編寫一段程序，對單片機內(nèi)部幾個特殊功能寄存器進行讀寫，利用KeilC51軟件的調(diào)試功能，觀察程序運行后各存儲單元的變化情況。2．任務(wù)分析根據(jù)任務(wù)要求，分別給P0口、程序狀態(tài)字PSW和累加器ACC賦不同的值，同時將累加器ACC里的值讀出存到變量dat中，通過調(diào)試觀察P0、PSW、ACC和變量dat的值的變化。3．任務(wù)設(shè)計（1）程序設(shè)計//***************************************************************//宏定義，包含頭文件#include<reg52.h>//***************************************************************//主程序main(){ unsignedchardat;//定義變量dat為無符號字符型

P0=0x00;//將P0口清0 PSW=0x80;//將0x80賦給PSW ACC=0xf0;//將0xf0傳送到累加器ACC dat=ACC;//將累加器ACC的內(nèi)容送給變量dat}（2）觀察程序執(zhí)行之后各存儲器單元的變化

①在Keil下創(chuàng)建工程項目，輸入源程序，并編譯鏈接生成HEX文件。②在Keil的“Debug”菜單下選擇“Start/StopDebugSession”子菜單，或者點擊快捷圖標(biāo),進入調(diào)試界面。③點擊菜單View下的“MemoryWindow”命令，打開存儲器窗口。存儲器窗口用來顯示系統(tǒng)中各種內(nèi)存中的值，通過在Address后的編緝框內(nèi)輸入“字母：數(shù)字”即可顯示相應(yīng)內(nèi)存值。例如鍵入C：0，即顯示從0開始的ROM單元中的值。本程序的二進制代碼。④點擊菜單View下的“WatchWindows”命令，打開觀察窗口，并將變量dat添加進去。⑤選擇“Peripherals”菜單下的“I/O-Ports”，選中“Port0”后，會彈出P0的調(diào)試窗口，可以觀察P0口每一位的電平狀態(tài)。觀察窗口P0調(diào)試窗口P0口的輸出鎖存器的狀態(tài)P0口引腳狀態(tài)⑥運行程序。采用單步運行方式，觀察P0，PSW，ACC等相關(guān)寄存器以及變量dat的變化，運行結(jié)果如下圖。任務(wù)3.2

MCS-51系列單片機最小系統(tǒng)電路的設(shè)計

3.2.1MCS-51系列單片機芯片介紹區(qū)分芯片引腳序號芯片表面會有一個凹進去的小圓坑，或用顏色標(biāo)識的小標(biāo)記，，這些標(biāo)記所對應(yīng)的就是芯片第1腳，然后逆時針數(shù)下去就是最后一個引腳。引腳定義與說明1）主電源引腳（2根）VCC(Pin40)：電源輸入，接＋5V電源GND(Pin20)：接地線2）外接晶振引腳（2根）XTAL1(Pin19)：片內(nèi)振蕩電路的輸入端XTAL2(Pin18)：片內(nèi)振蕩電路的輸出端3）控制引腳（4根）RST/VPP(Pin9)：復(fù)位引腳，引腳上出現(xiàn)2個機器周期的高電平將使單片機復(fù)位初始化。設(shè)計單片機應(yīng)用系統(tǒng)時，這個引腳一定要連接相應(yīng)復(fù)位電路。(Pin29)：外部存儲器讀選通信號。PSEN有效(低電平)時，可實現(xiàn)對外部ROM單元的讀操作。

ALE/(Pin30)：地址鎖存允許信號。在系統(tǒng)擴展時，ALE用于把P0口輸出的低8位地址鎖存起來，以實現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的隔離。此外，由于ALE是以晶振的1/6固定頻率輸出的正脈沖，因此它可作為外部時鐘或外部定時脈沖使用。/VPP(Pin31)：程序存儲器的內(nèi)外部選通，接低電平從外部程序存儲器讀指令，如果接高電平則從內(nèi)部程序存儲器讀指令。當(dāng)電源發(fā)生故障，電壓降低到下限值時，備用電源經(jīng)此端向內(nèi)部RAM提供電壓，以保護內(nèi)部RAM中的信息不丟失。4）可編程輸入/輸出引腳（32根）

P0（Pin39～Pin32）P1（Pin1～Pin8）P2（Pin21～Pin28）P3（Pin10～Pin17）（兼做特殊功能口）P1P3P2P0

1.單片機復(fù)位的條件

在復(fù)位引腳RST（Pin9）持續(xù)出現(xiàn)24個振蕩器脈沖周期（即2個機器周期）的高電平信號將使單片機復(fù)位。通常為了保證應(yīng)用系統(tǒng)可靠地復(fù)位，復(fù)位電路應(yīng)使引腳RST保持10ms以上的高電平。

3.2.2單片機復(fù)位電路的設(shè)計

2.單片機的復(fù)位電路常見復(fù)位電路有上電自動復(fù)位和按鍵手動復(fù)位兩種，如圖(a)、(b)所示。

(a)上電復(fù)位電路(b)按鍵復(fù)位電路圖(a)為上電復(fù)位電路，在上電瞬間，由于電容上電壓不能突變，電容處于充電(導(dǎo)通)狀態(tài)，故RST腳的電壓與VCC相同。隨著電容的充電，它兩端的電壓上升，使得引腳RST上電壓下降，最終使單片機退出復(fù)位狀態(tài)。選擇合理的充電常數(shù)，就能保證在RST端有2個機器周期以上的高電平，從而使單片機內(nèi)部復(fù)位。C的推薦值是10μF，R的推薦值是10kΩ。圖(b)是按鍵手動復(fù)位電路。開關(guān)未按下時，為上電復(fù)位電路，開關(guān)按下時，RST端通過電阻Rl與VCC電源接通，提供足夠時間的復(fù)位電平，使單片機復(fù)位。

1．時鐘電路設(shè)計兩種方式產(chǎn)生時鐘：內(nèi)部振蕩方式

外部時鐘方式

（1）內(nèi)部時鐘電路利用單片機內(nèi)部的振蕩電路，并在XTALl和XTAL2兩引腳間外接石英晶體(或陶瓷諧振器)和電容構(gòu)成的并聯(lián)諧振電路，使內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生自激振蕩。晶振可以在0~24MHz之間，不超過33MHz。外接石英晶體時，C1和C2一般取30pF±10pF；外接陶瓷諧振器時，Cl和C2一般取40pF±10pF。電容的大小對振蕩器頻率有微小的影響，可起頻率微調(diào)的作用。3.2.3單片機時鐘電路的設(shè)計

晶振類型：石英晶振、有源晶振

晶振：0~33MHz

（6MHz、12MHz、24MHz、33MHz、

11.0592MHz、22.1184MHz）

起振電容類型：瓷片電容、獨石電容

起振電容：30±10pF

（20pF、22pF、27pF、30pF）

內(nèi)部時鐘電路

(2)外部時鐘電路

外部方式的時鐘電路如圖，當(dāng)有現(xiàn)成的時鐘信號時，可直接將時鐘從XTAL2接入，XTAL1接地即可。注：單片機系統(tǒng)中多采用內(nèi)部時鐘方式。2．時序

所謂時序是指各種信號的時間序列，它表明了指令執(zhí)行中各種信號之間的相互關(guān)系。單片機本身就是一個復(fù)雜的時序電路，CPU執(zhí)行指令的一系列動作都是在時序電路控制下一拍一拍進行的。為達到同步協(xié)調(diào)工作的目的，各操作信號在時間上有嚴(yán)格的先后次序，這些次序就是CPU的時序。51系列單片機以晶體振蕩器的振蕩周期（或外部引入的時鐘信號的周期）為最小的時序單位。所以片內(nèi)的各種微操作都是以振蕩周期為時序基準(zhǔn)。

（1）振蕩周期（Tosc）:又稱節(jié)拍(用P表示),是指為單片機提供時鐘脈沖信號的振蕩源的周期。

Tosc=1/fosc

（2）狀態(tài)周期:用S表示。每個狀態(tài)周期為振蕩周期的2倍,是振蕩周期經(jīng)二分頻后得到的。

S=2P=P1+P2（3）機器周期（T機）:CPU完成一個基本操作所需要的時間。一個機器周期包含6個狀態(tài)周期S1~S6,也就是12個振蕩周期。即：T機=12

×Tosc=12×1/fosc（4）指令周期:不同的指令，其執(zhí)行時間各不相同，如果用占用機器周期多少來衡量的話，MCS-51單片機的指令可分為單周期指令、雙周期指令及四周期指令。

例如，若fosc=12MHz，則一個振蕩周期Tosc＝1/12μs，狀態(tài)周期S＝1/6μs，機器周期T機=1μs，指令周期＝1～4μs51單片機工作的三個基本條件：1.電源正常2.復(fù)位正常3.時鐘正常3.2.4單片機最小系統(tǒng)電路的設(shè)計1．任務(wù)要求設(shè)計一個單片機可以正常工作的最簡單電路，即單片機最小系統(tǒng)。要求使用STC89C52單片機進行設(shè)計，且晶振頻率為12MHz。2．任務(wù)分析設(shè)計的最小系統(tǒng)應(yīng)該具備電源電路、時鐘電路和復(fù)位電路三個部分。時鐘電路的設(shè)計可以采用內(nèi)部時鐘方式，而復(fù)位電路可以采用上電自動復(fù)位的方式。3．任務(wù)設(shè)計

（1）器件的選擇單片機是本任務(wù)的主要芯片，選擇STC89C52，石英晶體外接兩只電容構(gòu)成時鐘電路，復(fù)位電路由電阻和電解電容組成，選擇的器件清單如下：器件名稱數(shù)量（只）STC89C52112MHz晶體130pF瓷片電容222uF電解電容110kΩ電阻1（2）電路圖原理圖設(shè)計復(fù)位電路時鐘電路電源地注意：在具備上述3個電路的情況下，就構(gòu)成了一個最簡單的單片機最小系統(tǒng)，但是它沒什么實際意義，因為它不能跟外界進行交流。實際應(yīng)用中由用戶根據(jù)需要來添加輸出電路，同時配合各種輸入、各種外設(shè)的使用，最終形成龐大的單片機系統(tǒng)。項目拓展STC89C52實驗板電路的設(shè)計1.實驗板最小系統(tǒng)的設(shè)計實驗板的單片機最小系統(tǒng)電路原理圖如附錄B中所示。（1）電源電路①USB1是USB插座，通過USB連線連接到電腦可以給實驗板供電以及進行串口通訊。②SW3為電源開關(guān)，LED10為電源指示燈。③TEMP1是一個可選配STC自動下載模塊，如果沒有選配該模塊，需要用跳帽（短路塊）短接TEMP1的第1、2腳，否則整個實驗板不能供電。④J35、J36為電源插針，可以通過此插針向外部擴展模塊提供+5V電壓，也可以從外部電源引入+5V電壓。⑤J38為直接使用+5V直流輸入。注意：由于實驗板是直接采用USB線通過電腦供電、通訊、下載一體的，所以使用時不需要外接電源只要將板子和電腦用USB線接上就行了；如果要接外接電源，一定要接+5V，否則可能會損壞單片機和主板上的芯片。單片機和擴展插座電源電路（2）時鐘電路時鐘電路的設(shè)計采用內(nèi)部時鐘方式，晶振可以拔插，在使用過程中，如果需要更換不同頻率的晶振，一定要確保晶振的類型和特性參數(shù)基本相同。（3）復(fù)位電路阻容復(fù)位包含兩種復(fù)位方式，低電平復(fù)位與高電平復(fù)位。由于