msc80c51单片机结构.ppt

第二章 MSC-51单片机的结构和原理,第一节 MCS-51单片机的内部组成及信号引脚 第二节 MCS-51单片机的中央处理器CPU 第三节 MCS-51的内部存储器 第四节 I/O端口、时钟电路与时序 第五节 MCS-51单片机工作方式 第六节 MCS-51单片机的存储器,图2-1 8051单片机的组成结构图,返回,第一节 MCS-51单片机的内部组成及信号引脚,一、MCS-51单片机的基本组成 8051单片机的结构组成如图2-1所示，各部分情况介绍如下： 1.中央处理器 顾名思义，这是单片机的核心部分。也有人将其称为MCU，在这些公司提供的器件使用手册上还有P的写法，都是同一个意思。8051单片机的CPU由算术逻辑部件（ALU）、累加器（ACC）、寄存器B、暂存器TMP1和TMP2、程序状态寄存器（PSW）等运算部件，以及指令寄存器（IR）、指令译码器（ID）、数据指针寄存器（DPTR）、程序指针寄存器（PC）、堆栈指针（SP）等控制部件组成。,上一页,下一页,返回,图2-3 MCS-51内部数据区,返回,第一节 MCS-51单片机的内部组成及信号引脚,2.内部数据寄存器（ 内部RAM） MCS-51的CPU能处理8位二进制。8051芯片中共有256个RAM单元，但其中后128单元被专用寄存器占用，能作为寄存器供用户使用的只是前128个单元，用于存放可读写的数据。因此，通常所说的内部数据存储器就是指前128单元，简称内部RAM。 3.内部程序存储器（内部ROM） 根据有无片内ROM，8051单片机有三个品种，即无ROM版本为8031、工厂掩膜只读ROM版本为8051、EPROM版本为8751.8051共有4KB掩膜ROM，用于存放程序、原始数据或表格，简称内部ROM。,上一页,下一页,返回,第一节 MCS-51单片机的内部组成及信号引脚,4.定时器/计数器 8051有两个16位定时器/计数器（T0,T1），它们由特殊功能寄存器TMOD和TCON分别选择它们的工作方式和表示它们的状态。在定时器功能中，每个机器周期定时器加1，可以认为它是机器周期计数器，由于1个机器周期包含12个振荡周期，定时器计数到的脉冲为振荡频率的1/12。 5.并行I/O口 MCS-51共有四个8位的I/O口(P0、P1、P2、P3)，以实现数据的并行输入输出。,上一页,下一页,返回,第一节 MCS-51单片机的内部组成及信号引脚,6.串行口 MCS-51单片机有一个全双工的串行口，以实现单片机和其他设备之间的穿行数据传送。该串行口功能较强，既可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为同步移位器使用。 7.中断控制系统 MCS-51单片机的中断功能较强，以满足控制应用的需要。8051共有5各中断源，即外部中断2个，定时/计数中断2个，串行中断1个。全部中断分为高级和低级两个优先级别。,上一页,下一页,返回,图2-2 8051单片机的引脚信号,返回,第一节 MCS-51单片机的内部组成及信号引脚,二、MCS-51的信号引脚 MCS-51微处理器采用40引脚的双列直插封装（DIP）方式，如图2-2所示，仔0条引脚中，有2条专用于主电源的引脚，2条外接晶振引脚，4条控制引脚和3条I/O引脚。下面分别叙述各引脚的功能。 主电源引脚VSS和VCC：VSS（20）接地，VCC（40）正常操作时接+5V电源。 外接晶振引脚XTAL1和XTAL2：当外接晶体振荡器时，XTAL1和XTAL2分别接在外接晶体两端；当采用外部时钟方式时，XTAL1接地，XTAL2接外来振荡信号。,上一页,下一页,返回,第一节 MCS-51单片机的内部组成及信号引脚,控制引脚RST、ALE 、PSEN 、EA 。 RST：当振荡器正常运行时，在此引脚上出现两个机器周期以上的高电平使微处理器复位； ALE：以晶振六分之一的固定频率输出正脉冲。 PSEN:外部程序储存器读选通信号，低电平有效。,上一页,下一页,返回,第一节 MCS-51单片机的内部组成及信号引脚,输入输出引脚P0.0P0.7（3932）：P0口是一个漏极开路型准双向I/O口，需要接上拉电阻 P1.0P1.7（18）：P1口是带内部上拉电阻的8位双向I/O口。 P2.0P2.7（2128）：P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。 P3.0P3.7（1017）：P3口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。在MCS-51中，这8个引脚还兼有专用功能。,上一页,返回,第二节 MCS-51单片机的中央处理器CPU,二、控制器 控制部件是微处理器的神经中枢，以主振频率位基准。控制器控制CPU的时序，对指令进行译码，然后发出各种控制信号，将各个硬件环节组织在一起。CPU的时序为每个机器周期（12个振荡周期）由6个状态周期组成，即S1、S2、S6，而每个状态周期由两个时相P1，P2组成。,上一页,下一页,返回,第二节 MCS-51单片机的中央处理器CPU,CPU功能的强弱，主要可以用下几个指标来衡量： （1）内部总现宽度，也称字长、位数。位数越大运算精度越高，运算速度越快。 （2）指令数。指令越多、编程越灵活。 （3）执行每条指令所需时间或每秒钟平均执行指令条数，常用的MIPS表示每秒钟执行指令的百万条数。 （4）寻址方式越多、对某一空间的寻址越灵活。MCS-51有5种寻址方式，MCS-96有6种寻址方式，Z80有6种寻址方式，MC6805有10种寻址方式。,上一页,返回,第三节 MCS-51的内部存储器,一、内部数据存储器的结构（图2-3） MCS-51数据存储器在物理上和逻辑上都分为两个地址空间：一个内部和一个外部数据存储器空间。访问内部数据存储器，用MOV指令，访问外部数据存储器用MOVX指令。MCS-51内部数据存储器共有128个字节单元。 内部数据存储器的00H1FH（共32个单元）为4个寄存器工作区，每区8个寄存器，表示为R0R7，如表2-2所示。由于每个寄存器区的8个寄存器都记为R0R7，因此每次只能选择一个寄存器区工作。寄存器工作区的选择是通过状态标志寄存器PSW的第3、4位，即RS1、RS0进行。,下一页,返回,第三节 MCS-51的内部存储器,内部数据存储器20H2FH（16个单元）既可按字节寻址，作为一般工作单元，又可以按位CPU直接寻址，进行位操作。,上一页,下一页,返回,第四节 I/O端口、时钟电路与时序,一、MCS-51的I/O端口 输入/输出口也称为I/O端口。 MCS-51单片机的四个I/O端口都是8位双向口，这些端口在结构和特性上是基本相同的，但又各具特点。 I/O端口的作用在单片机中是一个集数据输入缓冲、数据输出驱动及锁存等多项功能为一体的电路。 8051共有32根引脚全部为I/O端口，分为4个8位口。8051单片机的4个端口都是双向的，每个端口都包含锁存器（特殊功能寄存器中P0P3，地址分别为80H、90H、0A0H、0B0H）、输出驱动器和输入缓冲器。,下一页,返回,第四节 I/O端口、时钟电路与时序,每个端口的每一根引脚都可以独立地用作输入或输出引脚。P0端口是三态双向端口，称为数据总线端口，因为只有该端口能直接用于对外部存储器的读/写数据操作。P0端口还用以输出外部存储器的低8位地址。P1端口是8位准双向端口，作通用I/O端口使用，在输出驱动器部分，P1端口有别于P0端口，它接有内部上拉电阻。P1端口的每一位可以独立地定义为输入或者输出，因此，P1端口既可以作为8位并行I/O端口，又可作为8位I/O端口。,上一页,下一页,返回,第四节 I/O端口、时钟电路与时序,P2端口是8位准双向I/O端口，P2端口可作通用I/O端口使用。P2端口电路中比P1端口多了一个多路转换电路MUX，这又正好与P0端口一样。但通常应用情况下，P2端口是作为高位地址线使用，此时多路转换开关应倒向相反方向。当外接程序存储数据时，P3端口给出地址的高8位，此时不能用作通用I/O端口。P3端口是一个8位的准双向I/O端口。它具有多种功能：可以作为一般准双向I/O端口，具有字节操作和位操作两种工作方式；也可以用8条I/O线独立地作为串行I/O端口和其他控制信号。,上一页,下一页,返回,第四节 I/O端口、时钟电路与时序,三、基本时序单位 时序是用定是单位来说明的。MCS-51的时序定时单位共有4个，从小到大依次是：拍节、状态、机器周期和指令周期。把振荡脉冲的周期定义为拍节（用P表示）。振荡脉冲经过二分频后，就是单片机的时钟信号，把时钟信号的周期定义为状态s。一个状态包含两个拍节，其前半周期对应的拍节叫拍节1（P1），后半周期对应的拍节叫拍节2（P2）。,上一页,下一页,返回,第四节 I/O端口、时钟电路与时序,MCS-51采用定时控制方式，因此它有固定的机器周期。一个机器周期总共有12个拍节，分别记作s1p1， s1p2， s16p2。由于一个机器周期共有12个振荡脉冲周期，因此机器周期就是振荡脉冲的12分频，当振荡脉冲频率为12MHz时，一个机器周期为1s当振荡脉冲频率为6MHz时，一个机器周期为2s.指令周期是最大的时序定时单位，执行一条指令所需要的时间称之为指令周期。MCS-51的指令周期根据指令的不同，可包含有一至四个机器周期。,上一页,返回,第五节 MCS-51单片机工作方式,一、复位方式 当MCS-51系列单片机的复位引脚RST（全称RESET）出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：上电复位和上电或开关复位。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。上电或开关复位要求电源接通后，单片机自动复位，并且在单片机运行期间，用开关操作也能使单片机复位。,下一页,返回,第五节 MCS-51单片机工作方式,上电后，由于电容的充电和反相门的作用，使RST持续一段时间的高电平。当单片机已在运行当中时，按下复位键K后松开，也能使RST为一段时间的高电平，从而实现上电或开关复位的操作。 根据时间操作的经验，可以依据实际情况给出这两种复位电路的电容、电阻参考值。通常的复位逻辑电路如图2-7所示。,上一页,下一页,返回,第五节 MCS-51单片机工作方式,二、程序执行方式 单片机上电复位和上电或开关复位后，单片机便可进入连续执行程序的状态。由于复位时已把PC值清零。所以，程序将从0000H单元开始执行。如果用户需要从别的起始地址开始执行程序，则必须先把该起始地址输入单片机，然后才能从该起始地址开始执行。单片机从执行程序开始除非遇到设定断点或软件出现故障，否则中途不会停止，一直至程序执行完为止。,上一页,下一页,返回,第五节 MCS-51单片机工作方式,三、低功耗方式 8051在掉电保护情况下，由备用电源给单片机低功耗供电，因此掉电保护方式实际上就进入了低功耗方式。但与HMOS的8051不同，CHMOS的80C51却有两种低功耗方式，即待机方式和进入掉电保护方式。 要想使单片机进入待机或掉电保护方式，只要执行一条能使IDL或PD位为1的指令就可以完成。如果使用指令使PCON寄存器IDL位置1，则80C51即进入待机方式。这是振荡器仍然运行，并向中断逻辑、串行口和定时器/计数器电路提供时钟，但向CPU提供时钟的电路被阻断，因此CPU不能工作，与CPU有关的如SP、PC、PWS、ACC以及全部通用寄存器也都被“冻结”在原状态。在待机方式下，中断功能继续存在。,上一页,下一页,返回,第五节 MCS-51单片机工作方式,四、掉电保护方式 单