第二章 51单片机的内部结构1

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第02章 MCS-51单片机的结构

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

单片机第二章MCS-51系列单片机硬件结构

单片机第二章MCS-51系列单片机硬件结构

3. P1口(P1.0~P1.7,1脚~8脚)
P1口仅用作I/O使用,它也是自带上拉电阻的8 位准双向I/O接口,每一位可驱动4个LSTTL负载。 当P1口作为输入接口时,应先向口锁存器写“1”。 4. P3口(P3.0~P3.7,10脚~17脚)
除了和P1口的功能一样外, P3口的每一引脚还具有第二功能。
第二章 单片机的硬件结构
2.1 MCS-51单片机的总体结构
2.2 微处理器 2.3 MCS-51存储器 2.4 MCS-51基本电路及引脚电路 2.5 实例演练
2.1MCS-51单片机的总体结构
一,8031芯片实照
二,MCS-51单片机外形是一个40脚的双列直插式集成块:
P10 P1.1 P12 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 RST/VPD RXD/P3.0 TXD/P3.1 INT0/P3.2 INT1/P3.3 T0/P3.4 T1/P3.5 WR/P3.6 RD/P3.7 XTAL2 XTAL1 Vss 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 Vcc P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 EA/VPP ALE/PROG PSEN P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0
ALE地址锁存使能信号输出端。存取 片外存储器时,用于锁存低8位地址。 PROG是对于EPROM型单片机,在 EPROM编程期间,此引脚用于输入编 程脉冲。
ALE/ PROG (30脚)
控制 引脚

51单片机的结构

51单片机的结构

51单片机的结构51单片机是指一种集成了中央处理器、存储器和各种输入输出接口的单片集成电路。

它由Intel公司于1980年推出,采用了Harvard架构,是一种典型的8位单片机,无论在学校教学还是工业控制领域都得到了广泛的应用。

一、内部结构51单片机的内部结构主要由中央处理器、存储器和输入输出接口组成。

1. 中央处理器51单片机的中央处理器包含一个8位的累加寄存器A、一个8位的B寄存器、一个16位的程序计数器PC以及各种控制寄存器。

其中累加寄存器A是数据处理的核心,用于存储运算的结果。

B寄存器可用作直接寻址时的源操作数或目的操作数。

2. 存储器51单片机的存储器主要分为程序存储器和数据存储器。

程序存储器用于存储程序的指令,通常采用只读存储器(ROM)的形式。

数据存储器用于存储程序中的数据,包括RAM和各种寄存器。

3. 输入输出接口51单片机的输入输出接口包括通用输入输出口(GPIO)、串行通信口(UART)、定时器/计数器等。

GPIO用于与外部器件进行数据交互,可用于输入和输出。

UART用于与其他设备进行串行通信,常用于与计算机进行通信。

定时器/计数器可用于计时和定时中断控制。

二、工作原理51单片机的工作原理可以简单概括为:接收指令、执行指令、更新PC。

1. 接收指令51单片机从程序存储器中读取指令,并将指令暂存在指令寄存器中。

指令寄存器会将指令的地址信息传递给地址寄存器,以便读取下一条指令。

2. 执行指令51单片机根据指令的类型和操作码,执行相应的操作。

这可能涉及到对寄存器或存储器的读取、写入、算术运算、逻辑运算等。

执行的结果通常会存储在累加寄存器A中。

3. 更新PC在执行完一条指令后,51单片机会自动更新程序计数器PC的值,使其指向下一条要执行的指令地址。

这样就能够实现程序的顺序执行。

三、应用领域51单片机广泛应用于各个领域,包括嵌入式系统、家电控制、汽车电子、工业自动化等。

1. 嵌入式系统51单片机作为一种低成本、低功耗、易于开发和集成的微处理器,被广泛应用于嵌入式系统中。

第2章MCS-51单片机基本结构

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

第二章--MCS-51单片机的结构

第二章--MCS-51单片机的结构

基 本 组 成
5)布尔处理器 MCS-51的CPU是8位微处理器,它还具有1位微处理器的 功能。布尔处理器具有较强的布尔变量处理能力,以位 (bit)为单位进行运算和操作。它以进位标志(Cy)作为累 加位,以内部RAM中所有可位寻址的位作为操作位或存储 位,以P0~P3的各位作为I/O位,同时布尔处理器也有自 己的指令系统。
FFFFH 片外ROM 1000H 0FFFH 0FFFFH
片外RAM或 I/O口
片内ROM
EA =1
片外ROM
EA =0
0000H
0000H
基 本 组 成
图2-2 8051存储器配置图
从用户使用的角度看,8051存储空间分为三类:片内、 片外统一编址0000H~0FFFFH的64KB的程序存储器地址 空间;256字节数据存储器地址空间,地址从00H~0FFH; 64KB片外数据存储器或I/O口地址空间,地址也从 0000H~0FFFFH。上述三个空间地址是重叠的,即程序 存储器中片内外低4KB地址重叠,数据存储器与程序存储 器64KB地址全部重叠,虽然地址重叠,但由于采用了不 同的操作指令及控制信号EA、PSEN的选择,因此不会发生 混乱。
基 本 组 成
在任一时刻,CPU只能使用其中的一组寄存器,并且 把正在使用的那组寄存器称为当前寄存器组。当前寄存器 组由程序状态寄存器PSW中RS1、RS0位的状态组合决定。 非当前寄存器组可作为一般的数据缓冲器使用。
基 本 组 成
图2-3 8051内部数据寄存器配置图
位寻址区(20H~2FH) 内部RAM的20H~2FH单元为位寻址区 ,这16个单元 (共计128位)的每一位都有一个8位表示的位地址,位寻址 范围为00H~7FH。位寻址区的每一个单元既可作为一般 RAM单元使用,进行字节操作,也可以对单元中的每一 位进行位操作。

第2章MCS-51单片机的硬件结构

第2章MCS-51单片机的硬件结构

图2-10 可位寻址的SFR的位地址分布
表2-2
表 2-2 特殊功能 寄存器 B A PSW IP P3 IE P2 SBUF SCON P1 特 殊 功 能 寄 存 器 SFR 功能名称 通用寄存器 累加器 程序状态寄存器 中断优先级控制寄存器 P3 口数据寄存器 中断允许控制寄存器 P2 口数据寄存器 串行口发送/接收缓冲器 串行口控制寄存器 P1 口数据寄存器 地 址 F0H E0H D0H B8H B0H A8H A0H 99H 98H 90H 复位后初态 00H 00H 00H XXX00000B FFH 0XX00000B FFH 不定 00H FFH
图2-5
图2-6
2.2.2 MCS-51单片机存储器 MCS-5l单片机的存储器结构如图2-7所示。
图2-7
一、程序存储器 二、内部数据存储器 内部数据存储器在物理上分为两个不同区域
图2-8为内部RAM的功能结构。
图2-9是MCS-51位寻址空间的位地址分布图
图2-8
图2-9 MCS-51内部RAM位寻址区位地址分布
MCS-51单片机的外部结构框图如图2.1所示
2.1.1 电源及时钟引脚
包括电源引脚VCC、VSS、时钟引脚XTAL1、 XTAL2。 2.1.2 控制引脚 包括RESET(即RST)、ALE、PSEN、EA。 2.1.3 输入/输出引脚 输入、输出(I/0)口引脚包括P0口、P1口、P2 口和P3口。
图2-1 MCS-51单片机的外部结构框图
2.2 MCS-51单片机的内部结构

MCS-51单片机的内部结构框图如图2-2所示。 2.2.1 MCS-51单片机微处理器(CPU) 一、运算器 二、定时控制逻辑 1、时钟电路和CPU时序 MCS-51的时钟可以由内部方式或外部方式产生。

第2章 MCS-51单片机结构与时序_110905

第2章 MCS-51单片机结构与时序_110905
2.3.1 运算部件及专用寄存器组 2.3.2 控制部件及振荡器 2.3.3 单片机工作的基本时序
2.3.1 运算部件及专用寄存器组
运算部件以算术逻辑单元ALU为核心,包括一个位处理器和 两个8位暂存寄存器(不对外开放),它能实现数据的算术运 算、逻辑运算、位变量处理和数据传输操作。 累加器ACC 寄存器B 专用寄存器组 程序状态字PSW 程序计数器PC 堆栈指针SP 数据指针寄存器DPTR
锁 存 器
A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 VCC VSS
地 址 总 线 (AB)
数 据 总 线 (DB)
VCC VSS
ห้องสมุดไป่ตู้(a)
(b)
MCS-51系列单片机引脚及总线结构
2.3 微 处 理 器
Program State Word
accumulator
ALU --Arithmetic and Logic Unit
图2.1 MCS-51单片机内部结构框图
1.算术逻辑单元ALU与累加器ACC、寄存器B
算术逻辑单元不仅能完成8位二进制的加、减、乘、除、加 1、减1及BCD加法的十进制调整等算术运算,还能对8位变量进 行逻辑"与"、"或"、"异或"、循环移位、求补、清零等逻辑运 算,并具有数据传输、程序转移等功能。 累加器(ACC,简称累加器A,地址E0H)为一个8位寄存器, 它是CPU中使用最频繁的寄存器。进入ALU作算术和逻辑运算的 操作数多来自于A,运算结果也常送回A保存。 寄存器B(地址F0H )是为ALU进行乘除法运算而设置的。 若不作乘除运算时,则可作为通用寄存器使用。

MCS-51单片机的内部结构

MCS-51单片机的内部结构

§ 2.2.2 控制器
1.程序计数器PC ( Program Counter );
程序计数器PC:程序地址指示器,是16位专用 寄存器,其内容表示下一条要执行的指令的16位 地址。
PC具有自动加1的功能。 系统复位后,PC=0000H。
§ 2.2.2 控制器
§2.2.1 运算器
(3)程序状态字PSW(字节地址:D0H)
寄存当前指令执行的某些状态;反映指令执行结果的一些 特征。
1)四个状态标志位
C:进位标志位 AC:半进位标志位 P:奇偶标志位 OV:溢出标志位
2)设定标志位 F0、F1标志位:用户标志位 RS1、RS0:工作寄存器组 指针
§2.2.1 运算器
(2)基本结构: 1)CPU 2)存储器 3)输入/输出 接口电路 4)总线
§2.1 MCS-51单片机结构
总 体 结 构
§2.1 MCS-51单片机结构
基本特性
•CPU :8位 •存储器:
•128字节RAM •21个专用寄存器(亦称特殊功能寄存器SFR) •4K字节ROM存储器 •并行口:4个8位并行口 •串行口:1个全双工的串行口 •定时器/计数器:2个16位的定时器/计数器 •中断系统:5个中断源,两个中断优先级 •寻址范围: 64K字节(程序存储区和外部数据存储区各64K)
RS1 RS0 00 01 10 11
寄存器区 0区 1区 2区 3区
§2.2.1 运算器
程序状态字
Cy AC F0 RS1 RS0 OV F1 P
⑤溢出标志OV: Overflow flag
作有符号数进行算术运算时,若计算结果超出-128~+127 范围,则OV置1,否则置0。
§2.2.1 运算器
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8031
8051 8751 8032 8052
MCS - 51
MCS-51两个系列: 基本型 51子系列 (8031\8051\8751) 增强型 52子系列 (8032\8052\8752) 所有的基础都是基本型。
内部结构: 8位的CPU; 128个字节的片内RAM; 4K字节的片内ROM程序存储
(2)数据存储器
物理上分为两大区域: 00H ~ 7FH即128B内RAM区 80H ~ FFH即SFR区。 外部数据存储器用16位地址,只能用 MOVX指令访问 内部数据存储器用8位地址,通常用 MOV指令访问
数据存储器:
7FH
用户RAM区
2FH / 30H
位寻址区 (位地址00H ~ 7FH )
读操作码(丢弃)
S3 S4 S5 S6 S1 S2 S3 S4 S5 S6
S1
S2
单字节双周期指令例:INC DPTR
(1)单字节单周期指令:INC
A
只需进行一次读指令操作(指令只有
一个字节),当第二个ALE有效时,由于
PC没有加1,读出的还是原指令。属于一
次无效操作。
(2)双字节单周期指令:ADD
位地址 / 位定义 F4 E4 D4 RS1 BC B4 P3. 4 F3 E3 D3 RS0 BB B3 P3.3 F2 E2 D2 OV BA B2 P3.2 F1 E1 D1 / B9 B1 P3.1 F0 E0 D0 P B8 B0 P3.0
地址 F0H E0 D0H B8H B0H A8H
指令周期:即从取指到执行完,所需时 间。不同机器指令周期不一样;即使相 同机器,不同的指令其指令周期也不一 样。一个指令周期含若干机器周期(单、 双、四周期)
一个机器周期
S1
P1 P2
S2
S3
S4
S5
S6
S1
P1 P2
S2
S3
S4
S5
S6
ALE
读操作码
读下一个操作码(丢弃 )
单字节单周期指令
S1
低功耗方式
• HMOS型单片机的掉电操作方式 • CHMOS单片机的低功耗方式
CHMOS单片机的低功耗方式
• PCON • 待机方式 – 将IDL置位 – 退出待机方式有两条途径 • 掉电方式 – 将PD置位 – 退出掉电方式的惟一途径是硬件复位 SMO D — — — GF1 GF0 PD IDL
30
29
ALE / PROG PSEN
p 2.7
28
21
p 2. 0
总线结构:
2.3
CPU
微处理器又称为CPU,是单片机内 部的核心部件,它决定了单片机的重 要功能特性。它由运算器和控制器两 大部分组成。
对CPU的使用就是对CPU中的寄存器 的使用。
1.控制器
(1) 时序电路 (2)程序计数器PC:16位 (3)指令寄存器IR(8位)和指令译码电路 (4)微操作控制部件 (5)中断控制电路 (6)数据指针DPTR:16位
S2
S3
S4
S5
S6
S1
例:INC
A
S1 P1 P2 S2
S3
S4
S5
S1 S6 P1 P2 S2
S3
S4
S5
S6
ALE
读操作码
读下一个操作码(丢弃 )
单字节单周期指令
S1
S2
S3
S4
S5
S6
S1
例:INC
A
读操作码
读第二个字节
双字节单周期指令
S1
S2
S3
S4
S5
S6
S1
例:ADD A,DATA
读操作码
2.5 MCS-51单片机的工作方式
• 系统设计制造完成、产品交付使用后,第一步就是上电工作 • 为使系统从确定的状态开始工作,必须进行内部复位操作, 然后进入程序执行方式 • 在运行过程中,如果外部干扰或其他因素使系统处于不正常 状态,还需要通过手动按钮或监视定时器使其复位
• 在电源不稳定或由电池供电的场合,需要降低功耗,启用单 片机的低功耗方式
4.辅助电路及时序
时钟电路
HMOS型
CMOS型
使用外部时钟的连接
5. CPU的时序 时钟的基本概念
启动单片机后,指令执行顺序:
取指令 分析 执行
时序的定义:
单片机内的各种操作都是在一系列脉
冲控制下进行的,而各脉 冲在时间上 是有先后顺序的,这种顺序就称为时序。
振荡周期:由振荡时钟产生。
2 个 16 位定 时器 / 计数器
内部总线 8051 CPU
64K 字节总 线扩展控制 中断 中断 控制
可编程 I/O 口 4× 8 位
可编程 串行口
并行 I/O 口
串行输入
/ 输出
8051
单片机结构框图
2.2 引脚功能
p 1.0
1
40 39
VCC
p 0. 0
p 1.7
8
9
10 11 12
RST
(8031无);
外部的RAM和ROM的寻址范围为64K;
21个字节的专用寄存器; 4个8位并行I/O口
1个全双工的串行口
2个16位的定时器/计数器
5个中断源、2个中断优先级
111• 条指令。
频率基准源
计数器
振荡器及定 时电路
4 K /8K 存储器
字节程序 ROM
128 /256 字 节数据存储 器 RAM
p 3.0 / RXD p 3.1 / TXD
p 3.2 / INT 0
32 31
p 0.7
Vpp / EA
p 3.3 / INT1 p 3.4 / T0
p 3.5 / T1
p 3.6 / WR p 3.7 / RD XTAL2 XTAL1
VSS
13 14 15 16 17 18 19 20
8051
PSW CY
AC
F0
OV
RS1 RS0

P
RS1、RS0 —寄存器区选择控制位。
0 0: 0区 R0 ~ R7
0 1:
1 0:
1区 R0 ~ R7
2区 R0 ~ R7
1 1:
3区 R0 ~ R7
3.布尔处理器
(1)位累加器(C) (2)位寻址的数据存储区(20H-2FH) (3)位寻址的寄存器区 (4)位寻址的I/O引脚 (5)位操作指令系统
第二章
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5
51单片机内部结构
51单片机基本结构 51单片机引脚功能 51单片机的CPU 51单片机的存储器 51单片机的工作方式
2.1
基本结构
存储器类
MCS-51单片机系列
型 单片机系列
51子系 列 52子系 列
掩膜 MOS
/
4KB / / 8KB
EPROM
/
/ 4KB / /
数据缓冲区、堆栈区、工作 单元
1FH / 20H
即可位寻址,又可字节寻址
第3组通用寄存器区
17H / 18H
0FH / 10H
07H / 08H
第2组通用寄存器区
第1组通用寄存器区
00H
第0组通用寄存器区
R0、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7
位寻址区
特殊功能寄存器 MCS-51单片机内共有22个特殊功能寄 存器,包括PC及SFR。 PC为程序计数器。它是一个双字节寄 存器,寻址范围为: 0000H ~ FFFFH,即0 ~ 64KB。
如8052
内部ROM、外部ROM统一编址,同样 的时序访问。
七个具有特殊含义的单元是:
0000H —— 系统复位,PC指向此处; 0003H —— 外部中断0入口 000BH —— T0溢出中断入口 0013H —— 外中断1入口 001BH ——T1溢出中断入口 0023H —— 串口中断入口 002BH —— T2溢出中断入口
00FFH
特殊功
外部 RAM (64K)
能寄存器
1000H
0 F F F H 内部 ROM
0000H
EA = 1
0080H
0080H
内部RAM
0000H
数据存储器
0000H
程序存储器
(1)程序存储器
MCS-51系列中有3种形式
无内部ROM型
如8031、8032
4KB内部ROM型
如8051
8KB内部ROM型
A,#data
ALE两次读操作都有效,第一次读操 作码(指令第一字节),第二次读立即数
(指令第二字节)。
(3)单字节双周期指令:INC
DPTR
两个机器周期共进行四次读指令操 作,但其后三次的读操作都是无效的。
2.4 MCS-51单片机的存储器组织
0FFFFH
0FFFFH
外部 ROM EA = 0
2.算术运算 (1)ALU (2)A——累加器。
(3)B——B寄存器,乘、除法运算用。
(4)PSW——程序状态字寄存器:包含 程序运行状态、信息。
PSW CY
AC
F0
OV
RS1 RS0

P
CY —— 进位/借位标志;位累加器。 AC —— 辅助进/借位标志;用于十进制调整。 F0 —— 用户定义标志位;软件置位/清零。 OV —— 溢出标志; 硬件置位/清零。 P —— 奇偶标志;A中1的个数为奇数 P = 1;否则 P = 0。
98H 90H 8DH 8CH 8BH 8AH
+
GATE 8B IE1 GF1
C/T 8A IT1 GF0
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