MCS-51单片机的结构与原理.PPT
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第02章 MCS-51单片机的结构
CY
AC
F0
RS1 RS0
OV
/
P
PSW位地址
D7H D6H D5H D4H CY AC F0 RS1
D3H RS0
D2H D1H OV
D0H P
CY：进位标志。用于表示Acc.7有否向更高位进位。 加减运算时，保存最高位进位、借位状态。 AC：半进位标志。用于表示Acc.3有否向Acc.4进位。 例：78H+97H 0111 1000 +1001 0111 1 0000 1111
ALU
定时与控制 程序地址寄存器AR
CPU
。
2.2.2 控制器
控制器由程序计数器PC、指令
寄存器和指令译码器、定时和控
制逻辑电路。
相对控制器而言，运算器接受控 制器的命令而进行动作。
1)．程序计数器PC
※ PC不属于特殊功能寄存器，不可访问，在物理结构 上是独立的。 ※ 16位的地址寄存器，用于存放下一字节指令的地址， 可寻址64KB的程序存储器空间。 ※ PC的基本工作方式有：
⑴ 自动加1。CPU从ROM中每读一个字节，自动执行 PC+1→PC； ⑵ 执行转移指令时，PC会根据要求修改地址； ⑶ 执行调用子程序或发生中断时，CPU会自动将当前 PC值压入堆栈，将子程序入口地址或中断入口地址装入 PC；子程序返回或中断返回时，恢复原有被压入堆栈的 PC值，继续执行原顺序程序指令。
用示波器检测该引脚来判断单片机是否损坏。
② PROG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程 期间，此引脚输入编程脉冲。
⑵ PSEN:片外程序存储器读选通信号输出端。 在向片外程序存储器读取指令或常数期间，每个机
器周期该信号两次有效（低电平）作为片外ROM的
第2章MCS-51单片机基本结构
令和四周期指令。
2.1.4
复位和复位电路
单片机在重新启动时都需要复位，MCS-51 系列单片机有一个复位引脚输入端RST。 1. MCS-51系列的单片机复位方法为：在RST上加
一个维持两个机器周期（24个时钟周期）以上
的高电平，则单片机被复位。 2. 复位时单片机各部分将处于一个固定的状态。
复位后单片机各单元的初始状态
R2 2 00
2 2u F
R S T/VP D
R1 1K
V ss
GND
未稳压电源
WDI R1 PFI MR R2 MAX813L P1.0
RESET
WDO
﹠
RST MCS-51
“看门狗”复位电路
2.1.5 MCS-51单片机的引脚功能
MCS-51单片机采用40脚双列直插式封装形式，主要包括以 下几个部分： 1. 电源引脚Vcc和Vss Vcc(40脚)：电源端，为十5V； Vss(20脚)：接地端 ，GND。 2. 时钟电路引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1为内部振荡电路反相放大器的输入端 。 XTAL2为内部振荡电路反相放大器的输出端 。 3. 控制信号引脚RST、ALE、PSEN和EA 4. I／O(输入／输出)端口P0、P1、P2和P3 5. MCS-51单片机P3口的第二功能
单片机各种周期的关系图
机器周期 S1 S2 S3 S4 S5 S6 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2
时钟周期 状态周期
1个机器周期=6个状态周期=12个时钟周期
4、指令周期: 它是指CPU完成一条操作所需的全部
时间。 每条指令执行时间都是有一个或几个机器周
期组成。MCS - 51 系统中, 有单周期指令、双周期指
2.1.4
复位和复位电路
单片机在重新启动时都需要复位，MCS-51 系列单片机有一个复位引脚输入端RST。 1. MCS-51系列的单片机复位方法为：在RST上加
一个维持两个机器周期（24个时钟周期）以上
的高电平，则单片机被复位。 2. 复位时单片机各部分将处于一个固定的状态。
复位后单片机各单元的初始状态
R2 2 00
2 2u F
R S T/VP D
R1 1K
V ss
GND
未稳压电源
WDI R1 PFI MR R2 MAX813L P1.0
RESET
WDO
﹠
RST MCS-51
“看门狗”复位电路
2.1.5 MCS-51单片机的引脚功能
MCS-51单片机采用40脚双列直插式封装形式，主要包括以 下几个部分： 1. 电源引脚Vcc和Vss Vcc(40脚)：电源端，为十5V； Vss(20脚)：接地端 ，GND。 2. 时钟电路引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1为内部振荡电路反相放大器的输入端 。 XTAL2为内部振荡电路反相放大器的输出端 。 3. 控制信号引脚RST、ALE、PSEN和EA 4. I／O(输入／输出)端口P0、P1、P2和P3 5. MCS-51单片机P3口的第二功能
单片机各种周期的关系图
机器周期 S1 S2 S3 S4 S5 S6 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2
时钟周期 状态周期
1个机器周期=6个状态周期=12个时钟周期
4、指令周期: 它是指CPU完成一条操作所需的全部
时间。 每条指令执行时间都是有一个或几个机器周
期组成。MCS - 51 系统中, 有单周期指令、双周期指
《单片机原理及应用》课件01-51单片机基本结构与存储器分配
内中断
并行口
外中断
P0 P1 P2 P3
串口模块 TXD RXD
中断模块 INT0 INT1
P0.0～P0.7
P2.0～P2.7
VCC (+5V)
GND
RAM地址 锁存器
RAM
通道0驱动器
通道0锁 存器
通道2驱动器
通道2锁 存器
ROM/ EPROM
程序地址寄存器
PSEN ALE
EA RST
B寄存器 ACC TMP2
片内地址空间：RAM 128B（00H-7FH） SFR 128B（80H-FFH）
128B SFR
128B RAM
FFH 21个SFR分布 在80H-FFH
83个可寻址位
80H 7FH
用户、
堆栈区
30H 2FH
位寻址区
20H 1FH
工作寄存器区
00H
内部RAM组织结构
10
所有的RAM区(位 寻址区、工作寄 存器区）都可以 用于存放数据， 故也称为数据缓 存寄存器
特殊功能寄存器(SFR)
▼特殊功能寄存器SFR（专用寄存器）
专用于控制、选择、管理、存放单片机内部各功能 部件的工作方式、条件、状态、结果的寄存器。
▼不同的SFR管理不同的硬件模块，负责不同的功 17 能——各司其职
换言之：要让单片机实现预定的功能，必须有相应 的硬件和软件，而软件中最重要的一项工作就是对 SFR写命令（要求）。
4 堆栈指针ＳＰ
堆栈：
在片内RAM中，指定一个专门的区域来存放某 些特别的数据,它遵循先进后出和后进先出 (LIFO/FILO）的原则,这个RAM区叫堆栈。
功用：
22
第2章8051单片机硬件结构和原理
指令寄存器IR及指令译码器ID
• 由PC中的内容指定ROM地址，取出来的指令经IR送至ID， 由ID对指令译码产生一定序列的控制信号，以执行指令所 规定的操作。
振荡器和定时电路
• 8051单片机片内有振荡电路，只需外接石英晶体 和频率微调电容（2个30pF左右），其频率范围为 1.2MHz~12MHz。该信号作为8051工作的基本节拍
片外程序存储器
从程序员角度看存储器
程序存储器保留地址
（1）0000H～0002H三个单元：
• 用作上电复位后引导程序的存放单元。因
为复位后PC的内容为0000H，CPU总是从
0000H开始执行程序。将转移指令存放到 这三个单元，程序就被引导到指定的程序 存储器空间去执行。
程序存储器保留地址
（2）0003H～002AH单元：
使用。
SFR之 程序状态寄存器PSW(D0H)
• PSW是一个8位特殊功能寄存器，它的各位包含
了程序执行后的状态信息，供程序查询或判别之
用。各位的含义及其格式如表2－6所列。
• PSW除有确定的字节地址(D0H)外，每一位均有
位地址
Psw中的位
• CY(PSW.7)： 进位标志位。在执行加法(或减法)运算 指令时，如果运算结果最高位(位7)向前有进位(或借 位)，则CY位由硬件自动置1；如果运算结果最高位无 进位(或借位)，则CY清0。CY也是89C51在进行位操作 (布尔操作)时的位累加器，在指令中用C代替CY。 • AC(PSW.6)： 半进位标志位，也称辅助进位标志。当 执行加法(或减法)操作时，如果运算结果(和或差)的 低半字节(位3)向高半字节有半进位(或借位)，则AC位 将被硬件自动置1；否则AC被自动清0。 • F0(PSW.5)： 用户标志位。用户可以根据自己的需要 对F0位赋予一定的含义，由用户置位或复位，以作为 软件标志。
51单片机系列PPT课件
进先出”的数据操作原则。
第18页
➢ 堆栈的功用 堆栈的主要功用是保护断点和保护现场。因为计算机无论
是执行中断程序还是子程序，最终要返回主程序，在转 去执行中断或子程序时，要把主程序的断点保护起来， 以便能正确的返回。同时，在执行中断或子程序时，可 能要用到一些寄存器，需把这些寄存器的内容保护起来， 即保护现场。
第12页
程序状态字PSW
OV：溢出标志位
在带符号数（补码数）的加减中，OV=1表示运算的结果超出了累加 器A的八位符号数表示范围（－128～+127），产生溢出，因此运算 结果是错误的。OV=0，表示未超出表示范围，运算结果正确。 乘法时，OV=1，表示结果大于255，结果分别存在A，B寄存器中。 OV=0，表示结果未超出255，结果只存在A中。 除法时，OV=1，表示除数为0。OV=0，表示除数不为0。
PSW中各标志位名称及定义如下：
第9页
程序状态字PSW
C：也表示为 CY 进（借）位标志位 1.在加减运算中，若操作结果的最高位有进位或有借 位时，CY 由硬件自动置1，否则就清0。 2.在位操作中，CY 作为位累加器使用，参于进行位 传送、位与、位或等位操作。另外某些控制转移类 指令也会影响 CY 位状态。
第16页
数据指针DPTR
✓数据指针DPTR为16位寄存器，它是MCS—51中唯 一的一个16位寄存器。 ✓DPTR通常在访问外部数据存储器时作为地址指针 使用，寻址范围为64KB。 ✓编程时，既可按16位寄存器使用，也可作为两个 8位寄存器分开使用。DPH 为DPTR的高八位寄存器， DPL 为DPTR的低八位寄存器。
第二章 MCS-51单片机结构及原理
第1页
第一部分
第1章 MCS-51单片机结构
一个8位的CPU。 程序存储器：4KBROM。
128字节RAM。
两个16位可编程定时器/计数器。 可寻址64KB外部数据存储器和64KB外部程序存储器的控制电路。
32条可编程的I/O线（四个8位并行I/O端口）。
一个可编程全双工串行口。 具有两个优先级嵌套的中断结构。
★ 掌握51系列单片机各存储空间的地址分配、使用特点。
位名称
1.3 特殊功能寄存器
CY：进/借位标志,反映最高位的进位借位情况，加法为进位、 减法为借位。CY=1，有进/借位 ； CY=0，无进/借位。 AC：辅助进/借位标志,反映高半字节与低半字节之间的进/借 位，AC=1有进/借位； AC=0无进/借位 。 FO：用户标志位,可由用户设定其含义。 RS1，RS0：工作寄存器组选择位。 OV：溢出标志,反映补码运算的运算结果有无溢出 有溢出 OV=1，无溢出OV=0。 -：无效位。 P：奇偶标志,运算结果有奇个“1”，P=1；运算结果有偶个“1”， P=0。
1.5 引脚功能
8XX51单片机有44引脚的方形 封装和40个引脚的双列直插式封 装形式，最常用的40个引脚DIP 封装。
各个引脚的功能如下： Vss:接地端。 Vcc:电源端，接+5V。 XTAL1，XTAL2: 接外部晶体或外部时 钟。 RST/VPD：①复位信号输入。 ②接备用电源，当VCC掉电
在中断入口地址中通常用一条无条件转移指令，转到 中断处理子程序。
1.2.2 外部数据储存器
用于存放随机读写的数据；
外部数据存储器和外部I/O口统一编址。 控制信号相同，使用相同的MOVX指令访问。 最多可扩展64KB外部数据存储器
1.2.3 内部数据储存器
第2章MCS--51系列单片机的结构及原理
（3）软件标志FO（PSW.5）：这是可由用户定义的一个 状态标志，可由用户置位或复位。F1的定义与F0相同。
（4）工作寄存器组选择位RS1、RS0（PSW.4，
PSW.3）： RS1、RS0与工作寄存器组的对应关系
如下：
RS1 RS0 工作寄存器组 片内RAM地址
00
第0组
00H～07H
01
第1组
指令执行后，A=D1H最高位无进位，故Ｃ=0；低半字节有进位，AC=1； OV=0 1=1，发生溢出；A中1的个数为偶数，故P=0。
CPU时序
一．振荡器
CPU执行指令的一系列动作是在时序电路的控制下一拍一拍进行的。 其节拍信号由振荡器产生，MCS--51系列单片机的内部有一个高增益的反 相放大器。外接晶体后可构成自激振荡器产生节拍信号，接法见图2-1, 也可使用片外振荡器，采用不同工艺制造的单片机芯片接法不同：
RST/VPO：双功能引脚，在单片机工作期间， 当此引脚上出现连接2个机器周期的高电平时可 实现复位操作，详见2.4节。
在Vcc掉电期间，若该引脚接备用电源 （+5v），可向片内RAM供电，以保存片内RAM中 的信息。
2.2 MCS—51系列单片机的微处理器与CPU时序
运算器由算逻运算单元ALU、累加器A、B寄存器、暂存器1、 暂存器2、及程序状态字PSW构成。程序状态字PSW是1个8位 的专用寄存器，用于存放程序运行中的各种状态信息，可 进行位寻址，
P
图2—3 程序状态字各位的含义
（1）进位标志C（PSW.7）；很多算术逻辑运算指令执行 后都会影响进位标志C。例如加减运算，若运算结果有进 位或借位，则C=1，若无，则C=0。可用专门的指令或硬件 将C置位或清零，在进行位操作时，C又起着位累加器的作 用，类似于累加器A。
（4）工作寄存器组选择位RS1、RS0（PSW.4，
PSW.3）： RS1、RS0与工作寄存器组的对应关系
如下：
RS1 RS0 工作寄存器组 片内RAM地址
00
第0组
00H～07H
01
第1组
指令执行后，A=D1H最高位无进位，故Ｃ=0；低半字节有进位，AC=1； OV=0 1=1，发生溢出；A中1的个数为偶数，故P=0。
CPU时序
一．振荡器
CPU执行指令的一系列动作是在时序电路的控制下一拍一拍进行的。 其节拍信号由振荡器产生，MCS--51系列单片机的内部有一个高增益的反 相放大器。外接晶体后可构成自激振荡器产生节拍信号，接法见图2-1, 也可使用片外振荡器，采用不同工艺制造的单片机芯片接法不同：
RST/VPO：双功能引脚，在单片机工作期间， 当此引脚上出现连接2个机器周期的高电平时可 实现复位操作，详见2.4节。
在Vcc掉电期间，若该引脚接备用电源 （+5v），可向片内RAM供电，以保存片内RAM中 的信息。
2.2 MCS—51系列单片机的微处理器与CPU时序
运算器由算逻运算单元ALU、累加器A、B寄存器、暂存器1、 暂存器2、及程序状态字PSW构成。程序状态字PSW是1个8位 的专用寄存器，用于存放程序运行中的各种状态信息，可 进行位寻址，
P
图2—3 程序状态字各位的含义
（1）进位标志C（PSW.7）；很多算术逻辑运算指令执行 后都会影响进位标志C。例如加减运算，若运算结果有进 位或借位，则C=1，若无，则C=0。可用专门的指令或硬件 将C置位或清零，在进行位操作时，C又起着位累加器的作 用，类似于累加器A。
mcs-51系列单片机基本结构与工作原理
▪
1）电源引脚VCC和VSS
▪
VCC：40脚，电源端，+5V
▪
VSS：20脚，接地端（GND）
▪
2）时钟电路引脚
▪
XTAL1：19脚，外接晶振输入引脚。
▪
XTAL2：18脚，外接晶振输出引脚。
▪
3）控制线引脚
▪
共4根，其中3根为双功能
▪
①RST/VPD ：9脚，复位/备用电源。
▪
RST---通过外接复位电路实现上电复位或按键复位。
直接寻址 寄存器寻址
(4)MOV 60H，@R1 直接寻址 寄存器间接寻址
表2-2 特殊功能寄存器SFR的名称及地址（一）
§ MCS-51的扩展应用
▪ 一、单片机Байду номын сангаас展的基本概念 ▪ 1、单片机最小系统：使单片机运行的最少器件构成的 ▪ 系统，就是最小系统。 ▪ 无ROM芯片：8031 必须扩展ROM，复位、晶振电路 ▪ 有ROM芯片：89C51等，不必扩展ROM，只要有复位、 ▪ 晶振电路 ▪ 2、扩展使用的三总线：
▪ 清零，用来选择8051的工作寄存器区。其选择方法见表2-1
▪ OV、（ PSW.2）溢出标志位。当带符号数运算（加法或减法）结果超 ▪ 出范围（-127-+127）时，有溢出，OV=1；否则OV=0。 ▪ --、（ PSW.1）用户定义标志位。 ▪ P、（ PSW.0）奇偶校验位。在每个指令周期由硬件按累加器A中“1”的 ▪ 个数为奇数或偶数而为“1”或“0”。因此，P可用指示操作结果（累加器
direct
8 位内部RAM单元的地址
＃data：
指令中的8 位常数。
＃data16
指令中的16位常数。