1、3MCS-51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理,3.1 MCS-51系列單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu) 3.2 外部引腳功能 3.3 微處理器的組成及工作原理 3.4 存儲(chǔ)空間配置和功能 3.5 I/O端口結(jié)構(gòu)、工作原理及功能 3.6 時(shí)鐘和時(shí)序 3.7 復(fù)位電路、復(fù)位條件和復(fù)位后狀態(tài),3.1 80C51系列單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu),8 位的 CPU，片內(nèi)有振蕩器和時(shí)鐘電路, 片內(nèi) 128/256字節(jié) RAM 片內(nèi) 0K/4K/8K字節(jié) 程序存儲(chǔ)器ROM 可尋址片外 64K字節(jié) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM 可尋址片外 64K字節(jié) 程序存儲(chǔ)器ROM 片內(nèi) 21/26個(gè) 特殊功能寄存器（SFR） 4個(gè)8位 的并行I/O口（PIO） 1個(gè) 全

2、雙工串行口（SIO/UART） 2/3個(gè)16位 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（TIMER/COUNTER） 可處理5/6個(gè)中斷源，兩級(jí)中斷優(yōu)先級(jí) 內(nèi)置1個(gè)布爾處理器和1個(gè)布爾累加器（Cy） MCS-51指令集含111條指令,MCS-51單片機(jī)基本特性,3.2 單片機(jī)的引腳定義,從一片集成電路的角度去認(rèn)識(shí)單片機(jī),40個(gè)引腳雙排直插DIP封裝,大致可分為4類：電源、時(shí)鐘、控制和I/O引腳。,1) 電源: a) VCC - 芯片電源， 接+5V/3.3V/2.7V； b) VSS - 接地端；,2) 時(shí)鐘:XTAL1(19)、XTAL2(18) - 晶體振蕩電路反相輸入端和輸出端。,1545pf2,112MHz（

3、MCS-51） 024MHz（Atmel-89C）,XTAL1,XTAL2,也可以由 XTAL2端接入外部時(shí)鐘，此時(shí)應(yīng)將 XTAL1接地：,XTAL1,XTAL2,外部時(shí)鐘,通常外接一個(gè)晶振兩個(gè)電容,常用單片機(jī)的最高時(shí)鐘頻率,3) 控制線:控制線共有4根， a) ALE/PROG:地址鎖存允許/片內(nèi)EPROM編程脈沖 ALE功能：用來鎖存P0口送出的低8位地址 PROG功能：片內(nèi)有EPROM的芯片，在EPROM編程期間，此引腳輸入編程脈沖。 b) RST/VPD:復(fù)位/備用電源。 RST（Reset）功能：復(fù)位信號(hào)輸入端。 VPD功能：在Vcc掉電情況下，接備用電源。,單片機(jī),鎖存器74LS3

4、73,P0.0-P0.7,ALE,PSEN,P2.0-P2.4,8D,8Q,OE,A8-A12,A0-A7,D0-D7,G,CE,EPROM,c) 單片機(jī)的引腳（PSEN端）,PSEN：尋址外部程序存儲(chǔ)器時(shí)選通外部EPROM的 控制端（OE）低有效。,EPROM,d) EA/Vpp 內(nèi)外ROM選擇/片內(nèi)EPROM編程電源。 EA功能：內(nèi)外ROM選擇端。 當(dāng)EA保持高電平時(shí)，先訪問內(nèi)ROM，但當(dāng)PC(程序計(jì)數(shù)器)值超過4KB(0FFFH)時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行外ROM中的程序。 當(dāng)EA保持低電平時(shí)，則只訪問外ROM，不管芯片內(nèi)有否內(nèi)ROM。對(duì)80C31芯片，片內(nèi)無ROM，因此EA必須接地。,4) I

5、/O線 80C51共有4個(gè)8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32個(gè)引腳。P3口還具有第二功能，用于特殊信號(hào)輸入輸出和控制信號(hào)（屬控制總線）。,P3.0 RXD：串行口輸入端； P3.1 TXD：串行口輸出端； P3.2 INT0：外部中斷0請(qǐng)求輸入端； P3.3 INT1：外部中斷1請(qǐng)求輸入端； P3.4 T0：定時(shí)/計(jì)數(shù)器0外部信號(hào)輸入端； P3.5 T1：定時(shí)/計(jì)數(shù)器1外部信號(hào)輸入端； P3.6 WR：外RAM寫選通信號(hào)輸出端； P3.7 RD：外RAM讀選通信號(hào)輸出端。,3.3 微處理器（CPU）的組成及工作原理,3.3.1 運(yùn)算器 實(shí)現(xiàn)加法和移位 算術(shù)邏輯單元ALU 累加

6、器A 通用寄存器組 暫存寄存器TMP 標(biāo)志寄存器等,1）算術(shù)邏輯單元ALU 由加法器和其它邏輯電路（移位電路和控制門） 在指令譯碼后產(chǎn)生的控制信號(hào)的控制下，完成各種算術(shù)和邏輯運(yùn)算。 2）累加器A或AC（Accumulator） 作為ALU的一個(gè)操作數(shù)輸入端（被加數(shù)） 用于存放ALU的運(yùn)算結(jié)果。 結(jié)構(gòu)上：并行輸入/輸出的移位寄存器 位數(shù)等于微型計(jì)算機(jī)的字長 MCS-51設(shè)置了一個(gè)累加器，位數(shù)：8,3）通用寄存器（general-purpose register） 功能：暫時(shí)存儲(chǔ)參加運(yùn)算的此之前、中間結(jié)果或地址。 4）B：寄存器 在做乘、除法時(shí)放乘數(shù)或除數(shù)。 5）暫存寄存器TMP（temporar

7、y register） 用來暫存從數(shù)據(jù)總線或通用寄存器送來的操作數(shù)，并將該數(shù)據(jù)送入ALU進(jìn)行運(yùn)算，也可將數(shù)據(jù)送到內(nèi)部數(shù)據(jù)總線。,6）標(biāo)志寄存器F PSW （flag register or status register） 用來編程ALU操作結(jié)果的特殊狀態(tài)，每一位都可表示一種狀態(tài)：進(jìn)位、溢出、結(jié)果為零、結(jié)果為奇數(shù)等。,標(biāo)志寄存器PSW,CY：進(jìn)位標(biāo)志。 例：78H+97H（01111000+10010111） AC：半進(jìn)位標(biāo)志。 例：57H+3AH（01010111+00111010） F0：用戶標(biāo)志位。 RS1、RS0：工作寄存器組選擇位。 OV：溢出標(biāo)志位。 P：奇偶校驗(yàn)位，1的個(gè)數(shù)為奇數(shù)

8、置1。 例：某算結(jié)果是78H（01111000），P=0。,7）ALU進(jìn)行加法的過程 設(shè)累加器A中的數(shù)為21H，通用寄存器B中的數(shù)為43H，當(dāng)執(zhí)行加法指令A(yù)DD A,B時(shí)，寄存器B和累加器A的內(nèi)容相加,8）布爾處理機(jī),布爾處理是MCS51單片機(jī)ALU所具有的功能。 指令系統(tǒng)的布爾指令， 存儲(chǔ)器中的位地址空間， 借用PSW的進(jìn)位標(biāo)志位CY為位操作的累加器。,發(fā)布操作命令的機(jī)構(gòu)，是計(jì)算機(jī)的指揮中心。 任務(wù)：當(dāng)計(jì)算機(jī)進(jìn)入自動(dòng)計(jì)算時(shí)，逐條取出指令、分析指令、執(zhí)行指令，并為取下一條指令做好準(zhǔn)備。,3.3.2 控制器的組成及工作原理,控制器的組成,程序計(jì)數(shù)器（PC program counter） 程序是

9、指令的有序集合，計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)，通常按順序執(zhí)行存放在存儲(chǔ)器中的程序。 程序計(jì)數(shù)器的位數(shù)決定了微處理器的所能尋址的空間。 8位: 28256字節(jié) 16位：尋址64KB范圍,1）指令部件,程序執(zhí)行和PC內(nèi)容的變化,2）時(shí)序部件,計(jì)算機(jī)的工作是周期性的取指令、分析指令、執(zhí)行指令，這一系列的操作順序都需要精確的定時(shí)。 時(shí)鐘系統(tǒng)及時(shí)序部件 1.脈沖源：用來產(chǎn)生具有一定頻率和寬度的脈沖信號(hào)。 2.脈沖分配器： 產(chǎn)生節(jié)拍和脈沖，以控制和協(xié)調(diào)計(jì)算機(jī)各部分有節(jié)奏的動(dòng)作。 計(jì)算機(jī)執(zhí)行一條指令時(shí)，在這個(gè)節(jié)拍的指揮下由控制器根據(jù)具體的指令發(fā)生一系列脈沖來完成這一指令所要求的操作。 實(shí)質(zhì)：環(huán)形計(jì)數(shù)器,3.4 存儲(chǔ)空間配置

10、和功能,80C51的存儲(chǔ)器配置方式與其他常用的微機(jī)系統(tǒng)不同，屬哈佛結(jié)構(gòu)(注意:什么是哈佛結(jié)構(gòu)?)，它把程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開，各有自己的尋址系統(tǒng)、控制信號(hào)和功能。 程序存儲(chǔ)器用于存放程序和表格常數(shù)； 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用于存放程序運(yùn)行數(shù)據(jù)和結(jié)果。,80C51的存儲(chǔ)器組織結(jié)構(gòu)可以分為三個(gè)不同的存儲(chǔ)空間，分別是：,64KB程序存儲(chǔ)器(ROM),包括片內(nèi)ROM和片外ROM；,256B內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(內(nèi)RAM) (包括特殊功能寄存器） 。,64KB外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（外RAM）；,80C51存儲(chǔ)空間配置圖,3.4.1 程序存儲(chǔ)器（ROM） 地址范圍：0000HFFFFH，共64KB。其中: 低段4KB：000

11、0H0FFFH 80C51和87C51在片內(nèi)，80C31在片外。 高段60KB：1000HFFFFH。在片外。 讀寫ROM用MOVC指令，控制信號(hào)是PSEN和EA。,讀ROM是以程序計(jì)數(shù)器PC作為16位地址指針，依次讀相應(yīng)地址ROM中的指令和數(shù)據(jù)，每讀一個(gè)字節(jié)，PC+1PC，這是CPU自動(dòng)形成的。但是有些指令有修改PC的功能，例如轉(zhuǎn)移類指令，CPU將按修改后PC的16位地址讀ROM。,讀外ROM的過程,CPU從PC(程序計(jì)數(shù)器)中取出當(dāng)前ROM的16位地址，分別由P0口（低8位）和P2口（高8位）同時(shí)輸出; ALE信號(hào)有效時(shí)由地址鎖存器鎖存低8位地址信號(hào); 地址鎖存器輸出的低8位地址信號(hào)和P2

12、口輸出的高8位地址信號(hào)同時(shí)加到外ROM 16位地址輸入端; 當(dāng)PSEN信號(hào)有效時(shí)，外ROM將相應(yīng)地址存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)送至數(shù)據(jù)總線（P0口），CPU讀入后存入指定單元。,注意 64KB中有一小段范圍是80C51系統(tǒng)專用單元，0003H0023H是5個(gè)中斷源中斷服務(wù)程序入口地址，用戶不能安排其他內(nèi)容。 80C51復(fù)位后，PC=0000H CPU從地址為0000H的ROM單元中讀取指令和數(shù)據(jù)。 這3B只能用來安排一條跳轉(zhuǎn)指令，跳轉(zhuǎn)到其他合適的地址范圍去執(zhí)行真正的主程序。,程序的入口地址,3.4.2 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（內(nèi)RAM）,從廣義上講，80C51內(nèi)RAM（128B）和特殊功能寄存器（128B）均屬

13、于片內(nèi)RAM空間，讀寫指令均用MOV指令。但為加以區(qū)別，內(nèi)RAM通常指00H7FH的低128B空間。,80C51內(nèi)RAM又可分成三個(gè)物理空間：工作寄存器區(qū)、位尋址區(qū)和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。,1)工作寄存器區(qū),工作寄存器區(qū)分為4個(gè)區(qū)：0區(qū)、1區(qū)、2區(qū)、3區(qū)。每區(qū)有8個(gè)寄存器：R0R7，寄存器名稱相同。 當(dāng)前工作的寄存器區(qū)只能有一個(gè)，由PSW中的D4、D3位決定。,有專用于工作寄存器操作的指令，讀寫速度比一般內(nèi)RAM要快，指令字節(jié)比一般直接尋址指令要短，還具有間址功能，能給編程和應(yīng)用帶來方便。,RS1、 RS0與片內(nèi)工作寄存器組的對(duì)應(yīng)關(guān)系,2）位尋址區(qū) a) 地址: 從20H2FH共16字節(jié)（Byte，B）

14、。每Byte有8位（bit，b），共128位，每一位均有一個(gè)位地址；可按位地址對(duì)該位進(jìn)行置1、清0、求反或判轉(zhuǎn)。 b) 用途： 存放各種標(biāo)志位信息和位數(shù)據(jù)。 c) 注意事項(xiàng): 位地址與字節(jié)地址編址相同，容易混淆。 區(qū)分方法:位操作指令中的地址是位地址; 字節(jié)操作指令中的地址是字節(jié)地址。,位尋址區(qū)的位地址映象表,3） 數(shù)據(jù)緩沖區(qū),內(nèi)RAM中30H7FH為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，用于存放各種數(shù)據(jù)和中間結(jié)果，起到數(shù)據(jù)緩沖的作用。,堆棧、堆棧指針,堆棧操作：內(nèi)存RAM區(qū)專門開辟出來的按照“先進(jìn)后出”原則進(jìn)行數(shù)據(jù)存取的一種工作方式; 主要用于子程序調(diào)用及返回和中斷處理斷點(diǎn)的保護(hù)及返回, 它在完成子程序嵌套和多重中斷

15、處理中是必不可少的。,堆棧指針SP 用來指示堆棧所處的位置; 在進(jìn)行操作之前, 先用指令給SP賦值, 以規(guī)定棧區(qū)在RAM區(qū)的起始地址（棧底層）。當(dāng)數(shù)據(jù)推入棧區(qū)后, SP的值也自動(dòng)隨之變化。 堆棧操作分自動(dòng)方式和指令方式。 自動(dòng)方式是在調(diào)用子程序或發(fā)生中斷時(shí)CPU自動(dòng)將斷口地址存人或者取出；指令方式是使用進(jìn)出棧指令進(jìn)行操作。 MCS - 51 系統(tǒng)復(fù)位后, SP初始化為07H。,3.4.3 特殊功能寄存器及位地址空間,特殊功能寄存器地址映象表（一）,特殊功能寄存器地址映象表（二）,特殊功能寄存器地址映象表（三）,注：帶括號(hào)的字節(jié)地址表示每位有位地址，可位操作。,1)累加器Acc,2)寄存器B,M

16、OV A,R0 MOV A,R1 MOV A,30H ADD A,32H ADD A,#32H,MOV A,B ADD A,B,數(shù)據(jù)指針DPTR 16位，由兩個(gè)8位寄存器DPH、DPL組成。 主要用于存放一個(gè)16位地址，作為訪問外部存儲(chǔ)器（外RAM和ROM）的地址指針。,3) PC 不屬于特殊功能寄存器，不可訪問，物理結(jié)構(gòu)上是獨(dú)立的。 16位的地址寄存器，存放將要從ROM中讀出的下一字節(jié)指令碼的地址。 PC的基本工作方式有： a) 自動(dòng)加1。CPU從ROM中每讀一個(gè)字節(jié)，自動(dòng)執(zhí)行。 b) 執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令時(shí)，PC會(huì)根據(jù)該指令要求修改下一次 讀ROM新的地址； c) 執(zhí)行調(diào)用子程序或發(fā)生中斷時(shí)，CP

17、U會(huì)自動(dòng)將當(dāng)前 PC值壓入堆棧，將子程序入口地址或中斷入口地址裝入PC；子程序返回或中斷返回時(shí)，恢復(fù)原有被壓入堆棧的PC值，繼續(xù)執(zhí)行原順序程序指令。,3.4.4 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（外RAM）,地址范圍：0000HFFFFH 共64KB。,讀寫外RAM用MOVX指令， 控制信號(hào)是P3口中的RD和WR。,一般情況下，只有在內(nèi)RAM不能滿足應(yīng)用要求時(shí)，才外接RAM。 擴(kuò)展I/O接口，統(tǒng)一編址。,a) 外RAM 16位地址分別由P0口（低8位）和P2口（高8位）同時(shí)輸出; b) ALE信號(hào)有效時(shí)由地址鎖存器鎖存低8位地址信號(hào)，地址鎖存器輸出的低8位地址信號(hào)和P2口輸出的高8位地址信號(hào)同時(shí)加到外RAM 1

18、6位地址輸入端; c) 當(dāng)RD信號(hào)有效時(shí)，外RAM將相應(yīng)地址存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)送至數(shù)據(jù)總線（P0口），CPU讀入后存入指定單元。,讀外RAM的過程：,寫外RAM的過程：,寫外RAM的過程與讀外RAM的過程相同。只是控制 信號(hào)不同，信號(hào)換成WR信號(hào)。當(dāng)WR信號(hào)有效時(shí)， 外RAM將數(shù)據(jù)總線（P0口分時(shí)傳送）上的數(shù)據(jù)寫入相 應(yīng)地址存儲(chǔ)單元中。,3.5 I/O端口結(jié)構(gòu)及工作原理,有4個(gè)8位并行I/O口,共32條端線： P0、P1、P2和P3口。 每一個(gè)I/O口都能用作輸入或輸出。,用作輸入時(shí)，均須先寫入“1”； 用作輸出時(shí)，P0口應(yīng)外接上拉電阻。,P0口的負(fù)載能力為8個(gè)LSTTL門電路； P1P3口的負(fù)

19、載能力為4個(gè)LSTTL門電路。,在并行擴(kuò)展外存儲(chǔ)器或I/O口情況下， P0口用于低8位地址總線和數(shù)據(jù)總線(分時(shí)傳送) P2口用于高8位地址總線， P3口常用于第二功能， 用戶能使用的I/O口只有P1口和未用作第二功能的部分P3口端線。,1）單片機(jī)的引腳（P0口）,P0.0P0.7: 雙向I/O （內(nèi)置場(chǎng)效應(yīng)管上拉） 尋址外部程序存儲(chǔ)器時(shí)分時(shí)作為雙向8位數(shù)據(jù)口和輸出低8位地址復(fù)用口；不接外部程序存儲(chǔ)器時(shí)可作為8位準(zhǔn)雙向I/O口使用。,鎖存器,場(chǎng)效應(yīng)管,場(chǎng)效應(yīng)管,三態(tài)門,三態(tài)門,P0用作通用I/O時(shí)，控制=0 ： a）此腳作輸入口（事先必須對(duì)它寫“1”）,P0用作通用I/O時(shí)，控制=0 ： b）此

20、腳作輸出口時(shí)，當(dāng)P0口用作輸出口時(shí)，因輸出級(jí)處于開漏狀態(tài)，必須外接上拉電阻。,P0口用作地址/數(shù)據(jù)復(fù)用口，控制=1 c）作地址/數(shù)據(jù)輸出：輸出地址/數(shù)據(jù) =0 時(shí),P0口用作地址/數(shù)據(jù)復(fù)用口，控制=1 d）作地址/數(shù)據(jù)輸出：輸出地址/數(shù)據(jù) =1 時(shí),P0口用作地址/數(shù)據(jù)復(fù)用口 e）作數(shù)據(jù)輸入：,2)單片機(jī)的引腳（P1口）,功能：通用輸入輸出 高8位地址總線輸出 結(jié)構(gòu)區(qū)別：多了一個(gè)輸出模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)和反相器,3)單片機(jī)的引腳（P2口）,4) 單片機(jī)的引腳（P3口）,3.6 CPU時(shí)鐘和時(shí)序,1） 時(shí)鐘電路,80C51單片機(jī)內(nèi)有一高增益反相放大器，按圖連接即可構(gòu)成自激振蕩電路，振蕩頻率取決于石英晶體

21、的振蕩頻率.,2） 振蕩周期和機(jī)器周期,a) 振蕩周期或時(shí)鐘周期,80C51振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖頻率的倒數(shù)，是最基本最小的定時(shí)信號(hào)。又稱節(jié)拍,b)狀態(tài)周期,它是將時(shí)鐘脈沖二分頻后的脈沖信號(hào)。狀態(tài)周期是時(shí)鐘周期的兩倍。狀態(tài)周期又稱S周期。在S周期內(nèi)有兩個(gè)時(shí)鐘周期，即分為兩拍，分別稱為P1和P2,機(jī)器周期是6個(gè)狀態(tài)周期、 12個(gè)時(shí)鐘周期。 當(dāng)時(shí)鐘頻率為12MHz時(shí)，機(jī)器周期為1S； 當(dāng)時(shí)鐘頻率為6MHz時(shí)，機(jī)器周期為2S。,c) 機(jī)器周期（M周期）,80C51單片機(jī)工作的基本定時(shí)單位，簡稱機(jī)周。 一個(gè)機(jī)器周期含有6個(gè)狀態(tài)周期，分別為S1、S2、S6，每個(gè)狀態(tài)周期有兩拍，分別為S1P1、S1P2、S2P1、S2P2，S6P1、S6P2,用于衡量指令或程序 執(zhí)行速度的最小單位,d） 指令周期,CPU執(zhí)行一條指令占用的時(shí)間(用機(jī)器周期表示)。80C51執(zhí)行各種指令時(shí)間是不一樣的，可分為三類： 單機(jī)周指令 雙機(jī)周指令 四機(jī)周指令。 其中單機(jī)周指令有64條，雙機(jī)周指令有45條，四機(jī)周指令只有2條(乘法和除法指令)，無三機(jī)周指令。,單片機(jī)各種周期的關(guān)系圖,1個(gè)機(jī)器周期=6個(gè)狀態(tài)周