1、單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)教學(xué)課件,第二章 MCS-51單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及工作原理,MCS-51單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及工作原理 2-1 MCS51單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 2-2 MCS51的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu) 2-3 專用功能寄存器的SFR 2-4 單片機(jī)的工作方式與最小應(yīng)用系統(tǒng) 主要內(nèi)容 MCS-51系列單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)、工作原理、引腳功能、工作方式、時(shí)序和最小應(yīng)用系統(tǒng),本章要點(diǎn)： 掌握 MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu) 、PSW特殊功能寄存器的使用、引腳功能、最小應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)； 了解 工作時(shí)序及工作方式。,第一節(jié) MCS-51單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu),教學(xué)內(nèi)容： 一、MCS-51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu) 二、

2、CPU 三、輸入輸出端口結(jié)構(gòu) 四、端口負(fù)載能力和接口要求 五、MCS-5l引腳及功能,單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)教學(xué)課件,MCS-51系列單片機(jī)配置一覽表,單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)教學(xué)課件,一、MCS-51內(nèi)部結(jié)構(gòu),圖2-1 8051的功能部件圖,外部中斷,二 、 CPU,主要功能：產(chǎn)生各種控制信號(hào)，去控制存儲(chǔ)器、輸入輸出端口的數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)的算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算以及位操作處理等。,（一）運(yùn)算器 組成：運(yùn)算器由算術(shù)邏運(yùn)算部件ALU、累加器Acc、暫存器、程序狀態(tài)字寄存器PSW、BCD碼運(yùn)算調(diào)整電路等組成 。 對(duì)數(shù)據(jù)完成算術(shù)運(yùn)算，邏輯運(yùn)算、循環(huán)移位、位處理。,（二）控制器 組成：由程序計(jì)數(shù)器PC、指令寄存器

3、、指令譯碼器、定時(shí)控制與條件轉(zhuǎn)移邏輯電路等組成。 功能：對(duì)來(lái)自存儲(chǔ)器中的指令進(jìn)行譯碼，通過(guò)定時(shí)控制電路，在規(guī)定的時(shí)刻發(fā)出各種操作所需的全部?jī)?nèi)部和外部控制信號(hào)，協(xié)調(diào)各功能元件的工作，完成指令所規(guī)定的功能。,特點(diǎn)： 它是16位的按機(jī)器周期自動(dòng)加1計(jì)數(shù)器,一切分支/跳轉(zhuǎn)/調(diào)用/中斷/復(fù)位 等操作的本質(zhì)就是:改變 PC 值,總指向下一條指令所在首地址(當(dāng)前PC值),1程序計(jì)數(shù)器PC(Program Counter) 一個(gè)16位的專用寄存器，用來(lái)存放下一條指令的地址。它具有自動(dòng)加1的功能。,2指令寄存器 一個(gè)8位的寄存器，用于暫存待執(zhí)行的指令，等待譯碼。,3指令譯碼器 對(duì)指令寄存器中的指令進(jìn)行譯碼，分析

4、它的功能，并根據(jù)功能產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào)。,4數(shù)據(jù)指針DPTR 是一個(gè)16位的地址指針寄存器。它主要用來(lái)存放16位地址，作間址寄存器使用?？捎脕?lái)訪問(wèn)64K外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和I/O端口。 DPTR也可以拆成兩個(gè)獨(dú)立8位寄存器，即DPH（高8位字節(jié)）和DPL（低8位字節(jié)），分別占據(jù)83H和82H兩個(gè)地址。,5. 定時(shí)控制部件與時(shí)序,功能：在規(guī)定的時(shí)刻發(fā)出各種操作所需的全部?jī)?nèi)部和外部的控制信號(hào)，協(xié)調(diào)各功能元件工作，完成指令所規(guī)定的功能。 主要任務(wù)：產(chǎn)生一個(gè)工作時(shí)序，其工作需要時(shí)鐘電路提供一個(gè)工作頻率。,（1）時(shí)鐘電路設(shè)計(jì),XTAL1, XTAL2: 接外部晶振的兩個(gè)引腳。,MCS-51內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振

5、蕩器的高增益反相放大器，此放大器的輸入和輸出端分別是引腳XTAL1和XTAL2，在XTAL1和XTAL2上外接時(shí)鐘源即可構(gòu)成時(shí)鐘電路。,（1）時(shí)鐘電路設(shè)計(jì),XTAL1, XTAL2: 接外部晶振的兩個(gè)引腳。,單片機(jī)晶振提供的時(shí)鐘頻率越高，那么單片機(jī)運(yùn)行速度就越快，單片接的一切指令的執(zhí)行都是建立在單片機(jī)晶振提供的時(shí)鐘頻率。 有內(nèi)部和外部?jī)煞N時(shí)鐘產(chǎn)生方式。 單片機(jī)的生產(chǎn)工藝不同，接法也不同。,在XTALl和XTAL2兩端接晶體或陶瓷諧振器，與內(nèi)部反向器構(gòu)成穩(wěn)定的自激振蕩器。 參數(shù)選?。篊1、C2起穩(wěn)定振蕩頻率，快速起振的作用。,外接晶振時(shí)：Cl和C2選擇1030pF 外接陶瓷諧振器時(shí)： Cl和C2

6、的典型值約為4010pF。 振蕩頻率范圍一般是1.2MHz12MHz，有的可達(dá)40MHz。,設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí)，晶體和電容應(yīng)盡可能安裝在單片機(jī)芯片附近，以減少寄生電容，保證振蕩器穩(wěn)定和可靠工作。,（2）CPU的時(shí)序,80C51的片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘發(fā)生器,振蕩信號(hào)經(jīng)一個(gè)二分頻觸發(fā)器向芯片提供了一個(gè)2節(jié)拍的狀態(tài)信號(hào)。 狀態(tài)周期是振蕩周期（時(shí)鐘周期）的2倍。 每個(gè)狀態(tài)周期有兩個(gè)節(jié)拍P1和P2。在每個(gè)狀態(tài)的前半周期，節(jié)拍P1有效，在每個(gè)狀態(tài)的后半周期，節(jié)拍P2有效。 CPU就以兩相時(shí)鐘P1和P2為基本節(jié)拍指揮51單片機(jī)各個(gè)部件協(xié)調(diào)地工作。,單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)教學(xué)課件,CPU總是按照一定的時(shí)鐘節(jié)拍與時(shí)序工

7、作：,振蕩周期（時(shí)鐘周期）：晶振頻率fosc（或外加頻率） 的倒數(shù) 狀態(tài)周期：2個(gè)振蕩周期 機(jī)器周期：完成一個(gè)規(guī)定操作所需要的時(shí)間。 如，取指令、存儲(chǔ)器讀、存儲(chǔ)器寫等； 1個(gè)機(jī)器周期=6個(gè)狀態(tài)周期=12個(gè)振蕩周期 指令周期: 執(zhí)行一條指令所需的機(jī)器周期數(shù),1個(gè)機(jī)器周期 = 12個(gè)振蕩周期；,1個(gè)指令周期 = 1、2或4個(gè)機(jī)器周期,思考：若采用12MHz的晶振頻率，其機(jī)器周期=？,通常，每個(gè)機(jī)器周期中，ALE兩次有效，第一次出現(xiàn)在S1P2和S2P1期間，第二次出現(xiàn)在S4P2和S5P1期間。,CPU取指、執(zhí)行時(shí)序,每條指令的執(zhí)行都可以包括取指令和執(zhí)行兩個(gè)階段。 在取指階段，根據(jù)程序計(jì)數(shù)器PC的內(nèi)容

8、， CPU從內(nèi)部或外部ROM中取出指令操作碼及操作數(shù)，然后再執(zhí)行這條指令。 按指令執(zhí)行時(shí)間分類： 單周期、雙周期、四周期 按指令所占字節(jié)數(shù)分類： 單字節(jié)、雙字節(jié)、三字節(jié),各指令的微操作在時(shí)間上有嚴(yán)格的次序，這種微操作的時(shí)間次序我們稱作時(shí)序。,單字節(jié)指令 如：INC A,（1）單周期指令時(shí)序,雙字節(jié)指令 如：ADD A, #data,單字節(jié)單周期指令,指令特點(diǎn):在程序存儲(chǔ)器ROM中僅占一個(gè)存儲(chǔ)單元。 在ALE第一次有效(S2P1)時(shí),從ROM中讀取指令的操作碼，送入指令寄存器IR中， PC加一，并譯碼執(zhí)行，在ALE第二次有效時(shí),封鎖PC加一，并丟棄第二次讀的操作碼。,單片機(jī)的工作過(guò)程,取指過(guò)程,

9、例: MOV A,#09H 74H 09H ;把09H送到累加器A中,執(zhí)行過(guò)程,PC=,0000H,0 1 1 1 0 1 0 0,0 0 0 0 1 0 0 1,(PC),(PC),0001H,0002H,0000H,外部控制總線CB,取指過(guò)程,(PC),執(zhí)行過(guò)程,你知道PC的作用嗎？,五、MCS-51單片機(jī)的引腳及其功能,AT89S52 DIP 40 封裝,單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)教學(xué)課件,認(rèn)識(shí)單片機(jī)的引腳,MCS-51單片機(jī)40腳 Vcc, GND 2 XTAL1, XTAL2 2 RESET 1 EA/Vpp 1 ALE/PROG 1 PSEN 1,P0.0P0.7 8 P1.0P1.7

10、8 P2.0P2.7 8 P3.0P3.7 8,（1）Vcc（40腳）, GND（20腳） 正電源端與接地端 不同的單片機(jī)可以允許不同的工作電壓（+5V / 3.3V / 2.7V) ，不同的單片機(jī)表現(xiàn)出的功耗也不同。 （2）XTAL1（19腳）, XTAL2（18腳） 片內(nèi)振蕩電路輸入/輸出端,單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)教學(xué)課件,對(duì)AT89S51/S52單片機(jī)，通常外接一個(gè)晶振兩個(gè)20或30pf電容，一個(gè)12M或11.0592MHz的晶振,（3）RST/VPD(9腳)、ALE/PROG (30腳) 、 EA/Vpp (31腳) 、PSEN (29腳)控制信號(hào)引腳。 RST/VPD：復(fù)位（正脈沖有效

11、）/備用電源引腳 復(fù)位使單片機(jī)進(jìn)入某種確定的初始狀態(tài) 退出處于節(jié)電工作方式的停頓狀態(tài)、退出一切程序進(jìn)程、退出程序的死循環(huán)，從頭開(kāi)始。 Vcc掉電期間，此引腳可接備用電源，能保護(hù)片內(nèi)RAM中的內(nèi)容不丟失。,無(wú)論是HMOS型還是CHMOS型的單片機(jī)，在振蕩器正在運(yùn)行的情況下，復(fù)位是靠在RST引腳上施加持續(xù)2個(gè)機(jī)器周期的高電平來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 MCS-51單片機(jī)通常采用的簡(jiǎn)單復(fù)位電路有：上電自動(dòng)復(fù)位、外部脈沖復(fù)位、上電+按鈕電平復(fù)位、程序運(yùn)行監(jiān)視復(fù)位等方式。,單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)教學(xué)課件,簡(jiǎn)單復(fù)位電路,+5V,10uF,10k,Vcc,RST,GND,上電復(fù)位,10uF,10k,Vcc,RST,GND,上

12、電+按鈕復(fù)位,1k,+5V,程序運(yùn)行監(jiān)視復(fù)位 程序運(yùn)行監(jiān)視復(fù)位通常是由各種類型的程序監(jiān)視定時(shí)器WDT（Watchdog Timer）俗稱為“看門狗”實(shí)現(xiàn)。WDT可保證程序非正常運(yùn)行（如程序“飛逸”、“死機(jī)”）時(shí)，能及時(shí)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，恢復(fù)程序正常運(yùn)行。,“看門狗”工作原理： 在規(guī)定時(shí)間內(nèi)必須至少“喂狗”一次，即復(fù)位“看門狗”。否則“看門狗”電路將復(fù)位單片機(jī)。 實(shí)現(xiàn)： 可在軟件的合適地方加一條“喂狗”指令，使看門狗的定時(shí)時(shí)間永遠(yuǎn)達(dá)不到預(yù)置。,WDT通常有幾種實(shí)現(xiàn)方法供用戶選擇： 1）單片機(jī)內(nèi)部帶有的WDT功能單元（如：S51） 2 ）選擇P （microprocessor）監(jiān)視控制器件，這些器件中

13、大多有WDT電路，如Max705芯片等。,P 監(jiān)視控制器件,MAX705/706、 DS1232等 DS1232（看門狗）是DALLAS 公司生產(chǎn)的一種微機(jī)監(jiān)控電路芯片。 主要功能：產(chǎn)生上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位，監(jiān)視電源電平，監(jiān)視軟件運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)程序運(yùn)行出現(xiàn)飛車時(shí)，產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)。,看門狗定時(shí)器定時(shí)時(shí)間設(shè)置,Tol：電源檢測(cè)選擇端 Tol接地，電源電壓跌至4.75V以下產(chǎn)生復(fù)位信號(hào) Tol接VCC，電源電壓跌至4.5V以下產(chǎn)生復(fù)位信號(hào),注意：保證看門狗定時(shí)器計(jì)數(shù)溢出前復(fù)位看門狗定時(shí)器,89S51看門狗功能的使用方法,在ATMEL的89S51系列的89S51與89C51功能相同，指令兼容。 89S51比

14、89C51增加了一個(gè)看門狗功能。,要激活A(yù)T89S51/52的看門狗功能，只需依次向WDTRST寄存器（SFR地址為0A6H ）單元送入#01EH和#0E1H即可，使看門狗定時(shí)計(jì)數(shù)器工作。,AJMP MAIN ;啟動(dòng)看門狗 MAIN: MOV 0A6H, #01EH ; 先送1E MOV0A6H, #0E1H ; 后送E1 ;主程序 START: . ACALL WDT ; 調(diào)用復(fù)位看門狗子程序 . AJMP START ; 主程序* ;復(fù)位看門狗子程序 WDT: MOV 0A6H, #01EH ; 先送1E MOV 0A6H, #0E1H ; 后送E1RET END,注意事項(xiàng)：,1 89S5

15、1的看門狗必須由程序激活后才開(kāi)始工作。所以必須保證CPU有可靠的上電復(fù)位。否則看門狗也無(wú)法工作。 2 看門狗使用的是CPU的晶振。在晶振停振的時(shí)候看門狗也無(wú)效。 3 89S51只有14位計(jì)數(shù)器。在16383個(gè)機(jī)器周期內(nèi)必須至少喂狗一次。而且這個(gè)時(shí)間是固定的，無(wú)法更改。當(dāng)晶振為12M時(shí)每16個(gè)毫秒需喂狗一次。,ALE/PROG（30腳）: 地址鎖存允許/編程脈沖輸入端。 P0口尋址外部低8位地址時(shí)接外部鎖存器74ls373的G端； ALE端平時(shí)會(huì)輸出周期正脈沖： f fosc/6 ； 對(duì)片內(nèi)ROM編程時(shí)編程脈沖由此端加入。 （指并行編程模式）,EA/Vpp（31腳）: 尋址外部ROM控制端 / 編程電源輸入端。 低電平有效， 片內(nèi)無(wú)ROM時(shí)必須接地； 片內(nèi)有ROM時(shí)可以接高電平 ，也可以接低電平； 接低電平時(shí)，只訪問(wèn)片外ROM，接高電平時(shí)，訪問(wèn)片內(nèi)ROM，超范圍時(shí)，訪問(wèn)片外ROM 對(duì)S51/S52單片機(jī)，若不擴(kuò)展ROM，/EA要接+5V 對(duì)片內(nèi)ROM編程時(shí)編程正電源加到此端。 （指并行編程模式）,單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)教學(xué)課件,單片機(jī),鎖存器74LS373,P0.0-P0.7,ALE,PSEN,P2.0-P2.4