單片機硬件結構2-1單片機的基本結構

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1、第 二 章 單 片 機 硬 件 結 構 2-1-1 MCS-51單 片 機 的 基 本 組 成2-1 單 片 機 的 基 本 結 構時 鐘 電 路 SFR和 RAM ROMCPU 定 時 /計 數(shù) 器并 行 端 口 中 斷 系 統(tǒng)串 行 端 口系 統(tǒng) 總 線時 鐘 源 T0 T1 P0 P1 P2 P3 TXD RXD INT0 INT1（ 1） 一 個 8位 微 處 理 器 CPU； （ 5） 四 個 位 的 I/O并 行 端 口 ； （ 2） RAM和 特 殊 功 能 寄 存 器 SFR（ 6） 一 個 串 行 端 口 ； （ 3） 內(nèi) 部 程 序 存 儲 器 （ ROM） （ 7） 中

2、斷 控 制 系 統(tǒng) ； （ 4） 兩 個 定 時 /計 數(shù) 器 ； （ 8） 內(nèi) 部 時 鐘 電 路 。 硬 件 基 本 配 置 ：1. 8位 CPU2. 片 內(nèi) ROM/EPROM、 RAM3. 片 內(nèi) 并 行 I/O接 口4. 片 內(nèi) 16位 定 時 器 /計 數(shù) 器5. 片 內(nèi) 中 斷 處 理 系 統(tǒng)6. 片 內(nèi) 全 雙 工 串 行 I/O口MCS-51系 列 基 本 產(chǎn) 品 型 號 ：8051、 8031、 8751稱 為 51子 系 列 。不 同 型 號 MCS-51單 片 機 CPU處 理 能 力 和 指 令 系 統(tǒng) 完 全兼 容 ， 只 是 存 儲 器 和 I/O接 口 的 配

3、置 有 所 不 同 。2-1-2 MCS-51硬 件 結 構 特 點 存 儲 器 類 型單 片 機 系 列 掩 膜 ROM EPROM RAM 8031 / / 128B8051 4KB / 128B51子 系 列 8751 / 4KB 128B8032 / / 256B 8052 8KB / 256B MCS-51 52子 系 列 8752 / 8KB 256B 2-1-3 MCS-51單 片 機 內(nèi) 部 結 構P2.0P2.7P0.0P0.7通 道 驅(qū) 動 器 通 道 驅(qū) 動 器RAM地 址鎖 存 器 RAM 通 道 0鎖 存 器 通 道 2鎖存 器 ROM/EPROMB寄 存 器 程 序

4、 地 址 寄 存 器緩 沖 器PC遞 增 器 程 序 計 數(shù) 器 PCDPTR指 針VCCGND P1.0P1.7 堆 棧 指 針 SPACCTMP2PSW 通 道 3鎖 存 器通 道 1鎖 存 器通 道 1驅(qū) 動 器 通 道 3驅(qū) 動 器TMP1 SCON TMODPCON TCONTL0 TH1TH0 TL1IESBUF(TX/RX) IP中 斷 、 串 行 口 和 定 時 器 邏 輯振 蕩 器 P3.0P3.7RSTALEPSEN XTAL2XTAL1 ALU(+5V) 指令寄存器定 時和控 制邏 輯 指令譯碼器EA MCS-51 CPU 內(nèi) 部 結 構CPU主 要 由 運 算 器 和

5、控 制 器 組 成1 運 算 器運 算 器 由 8位 算 術 邏 輯 運 算 單 元 ALU（ Arithmetic Logic Unit） 、 8位 累 加 器 ACC（ Accumulator） 、 8位 寄存 器 B、 程 序 狀 態(tài) 字 寄 存 器 PSW（ Program Status Word） 、 8位 暫 存 寄 存 器 TMP1和 8位 暫 存 寄 存 器 TMP2等 組 成 。2 控 制 器控 制 器 主 要 由 程 序 計 數(shù) 器 PC、 指 令 寄 存 器 IR、 指 令譯 碼 器 、 堆 棧 指 針 SP、 數(shù) 據(jù) 指 針 DPTR、 時 鐘 發(fā) 生 器 及定 時 控

6、 制 邏 輯 等 組 成 。 一 、 P0口 的 結 構它 由 一 個 輸 出 鎖 存 器 、 兩 個 三 態(tài) 輸 入 緩 沖 器 和 輸 出 驅(qū) 動及 控 制 電 路 組 成 。MCS-51單 片 機 有 4個 雙 向 并 行 的 8位 I/O口 P0 P3。2-1-4 輸 入 /輸 出 （ I/O） 端 口 結 構 VCCP0.x鎖 存 器讀 鎖 存 器 地 址 /數(shù) 據(jù) 控 制D 讀 引 腳 寫 鎖 存 器內(nèi) 部 總 線 QQ MUX T2T1CL（ 1） P0口 作 為 I/O口 。作 為 輸 出 口 使 用 時 ， 內(nèi)部 控 制 端 發(fā) 0電 平 使 與 門 輸出 為 0， 場 效

7、應 管 T1截 止 ，此 時 多 路 開 關 MUX與 鎖 存器 的 端 接 通 。 內(nèi) 部 數(shù) 據(jù) 加在 鎖 存 器 D端 ， 當 CL端 的寫 脈 沖 出 現(xiàn) 后 ， 與 內(nèi) 部 總線 相 連 的 D端 數(shù) 據(jù) 取 反 后 出現(xiàn) 在 端 ， 經(jīng) 場 效 應 管 T2反向 出 現(xiàn) 在 P0的 引 腳 上 。當 作 輸 入 口 時 ， 讀 脈 沖將 圖 中 下 方 的 三 態(tài) 輸 入 緩沖 器 打 開 ， 這 樣 端 口 上 的數(shù) 據(jù) 經(jīng) 緩 沖 器 送 至 內(nèi) 部 總線 。 圖 中 上 方 的 緩 沖 器 并不 直 接 讀 端 口 引 角 上 的 數(shù)據(jù) ， 而 是 讀 鎖 存 器 Q端 的

8、數(shù)據(jù) ， Q端 與 引 角 上 的 數(shù) 據(jù) 是一 致 的 。（ 2） 作 為 地 址 /數(shù) 據(jù) 總 線 ?？?制 端 高 電 平 1， MUX將 CPU內(nèi) 部 地 址 /數(shù) 據(jù) 經(jīng)反 向 器 與 T2接 通 ， 與 門 開鎖 。 輸 出 信 號 通 過 與 門 驅(qū)動 上 拉 場 效 應 管 T1， 又 通過 反 向 器 驅(qū) 動 T2。作 輸 入 數(shù) 據(jù) 口 時 ， 當“ 讀 引 腳 ” 信 號 有 效 時 ，數(shù) 據(jù) 進 入 內(nèi) 部 總 線 。 二 、 P1口 的 結 構P1端 口 是 單片 機 中 唯 一 僅有 單 功 能 的 I/O端 口 ， 輸 出 信號 鎖 存 在 端 口上 ， 故 又

9、稱 為通 用 靜 態(tài) 端 口 。P1口 是 通 用 I/O準 雙 向 靜 態(tài) 端 口 ， 輸 出 的 信 息 有 鎖 存 。 P1端 口與 P0端 口 的 主 要 區(qū) 別 在 于 ， P1端 口 用 內(nèi) 部 上 拉 電 阻 代 替 了 場 效應 管 T1， 且 輸 出 信 息 僅 來 自 內(nèi) 部 總 線 。 若 輸 出 時 D端 的 數(shù) 據(jù) 為 1，T截 止 輸 出 為 1； 若 D端 數(shù) 據(jù) 為 0， 則 T導 通 ， 引 腳 輸 出 為 低 電 平 。當 作 輸 入 使 用 時 ， 必 須 向 鎖 存 器 寫 1， 使 場 效 應 管 截 止 ， 才 可 以作 輸 入 用 。 VCCP1.

10、x 鎖 存 器讀 鎖 存 器 D讀 引 腳 寫 鎖 存 器內(nèi) 部 總 線 QQ T內(nèi) 部 上 拉 電 阻CL 三 、 P2口 的 結 構和 P1口 比 較 ， P2口 多 了 轉(zhuǎn) 換 控 制 部 分 。 當 P2口 作 通 用 I/O口使 用 時 ， 多 路 開 關 MUX連 接 鎖 存 器 的 Q端 ， 構 成 一 個 準 雙 向 口 。當 系 統(tǒng) 擴 展 片 外 程 序 存 儲 器 時 ， P2端 口 就 用 來 周 期 性 地 輸 出 從外 存 中 取 指 令 的 高 8位 地 址 （ A8-A15） ， 此 時 MUX在 CPU的 控制 下 切 換 到 與 內(nèi) 部 地 址 總 線 相

11、連 。 因 地 址 信 號 是 不 間 斷 的 ， 此時 P2口 就 不 能 用 作 I/O端 口 使 用 了 。 VCC P2.x鎖 存 器讀 鎖 存 器 地 址 控 制D讀 引 腳 寫 鎖 存 器內(nèi) 部 總 線 QQ MUX T內(nèi) 部 上 拉 電 阻CL 四 、 P3口 的 結 構當 處 于 第 二 功 能時 ， 鎖 存 器 由 硬 件自 動 置 1， 使 與 非 門對 第 二 功 能 信 號 暢通 。 此 時 ， “ 讀 引腳 ” 信 號 無 效 ， 左下 的 三 態(tài) 緩 沖 器 不通 ， 引 腳 上 的 第 二輸 入 功 能 信 號 經(jīng) 右 下 的 的 緩 沖 器 送 入“ 第 二 功

12、 能 輸 入端 ” 。和 P1口 比 較 ， P3口 增 加 了 一 個 與 非 門 和 一 個 緩 沖 器 ， 使 其 各端 口 線 有 兩 種 功 能 選 擇 。 當 處 于 第 一 功 能 時 ， 第 二 輸 出 功 能 線為 1， 此 時 輸 出 與 P1口 相 同 ， 內(nèi) 部 總 線 信 號 經(jīng) 鎖 存 器 和 場 效 應 管輸 出 。 當 作 輸 入 時 ， “ 讀 引 角 ” 信 號 有 效 ， 下 面 的 三 態(tài) 緩 沖 器打 開 （ 增 加 的 一 個 為 常 開 ） ， 數(shù) 據(jù) 通 過 緩 沖 器 送 到 CPU內(nèi) 部 總線 。 VCCP3.x鎖 存 器讀 鎖 存 器 第

13、二 輸 出 功 能D讀 引 腳 寫 鎖 存 器內(nèi) 部 總 線 Q T內(nèi) 部 上 拉 電 阻第 二 輸 入 功 能CL P3口 的 第 二 功 能 表 位 線 引 腳 第 二 功 能 P3.0 10 RXD（ 串 行 輸 入 口 ） P3.1 11 TXD（ 串 行 輸 出 口 ） P3.2 12 INT0（ 外 部 中 斷 ） P3.3 13 INT1（ 外 部 中 斷 ） P3.4 14 T0（ 定 時 器 的 計 數(shù) 輸 入 ） P3.5 15 T1（ 定 時 器 的 計 數(shù) 輸 入 ） P3.6 16 WR（ 外 部 數(shù) 據(jù) 存 儲 器 寫 脈 沖 ） P3.7 17 RD（ 外 部 數(shù)

14、 據(jù) 存 儲 器 讀 脈 沖 ） 2-2 MCS-51單 片 機 引 腳2-2-1MCS-51單 片 機 引 腳 描 述1 I/O口 線 功 能4個 8位 并 行 I/O 接 口 引 腳 P0.0 P0.7 、 P1.0 P1.7 、 P2.0 P2.7和 P3.0 P3.72 控 制 線ALE： 地 址 鎖 存 允 許 信 號 端PSEN： 外 部 程 序 存 儲 器 讀 選 通 信號 端EA/V PP： 程 序 存 儲 器 選 擇 信 號 端和 編 程 電 源 輸 入 端RST/VPD： 復 位 信 號 端 和 后 備 電源 輸 入 端 。為 多 功 能 引 腳 ， 可 自 動 切 換用

15、作 數(shù) 據(jù) 總 線 、 地 址 總 線 、 控制 總 線 和 或 I/O 接 口 外 部 引 腳 。 2-2-2 MCS-51單 片 機 的 片 外 總 線 結 構 和 所 有 微 機 一 樣 ， MCS-51單 片 機 是 通 過 總 線 來 傳 輸 各 種 信 息 的 。所 謂 總 線 ， 是 微 機 中 的 一 組 公 用 導 線 ， 是 傳 輸 信 息 的 公 共 通 道 。各 種 器 件 都 須 通 過 三 態(tài) 門 隔 離 再 連 接 到 總 線 上 。微 型 計 算 機 中 的總 線 通 常 分 為 地址 總 線 （ AB） 、數(shù) 據(jù) 總 線 （ DB）和 控 制 總 線（ CB）

16、 。 MCS-51單 片 機 按 引 腳功 能 分 類 的 片 外總 線 結 構 示 意 圖如 右 。 2-3 MCS-51存 儲 器 配 置物 理 上 4個 存 儲 器 地 址 空 間 ：片 內(nèi) /片 外 程 序 存 儲 器 空 間片 內(nèi) /片 外 數(shù) 據(jù) 存 儲 器 空 間 邏 輯 上 3個 存 儲 器 地 址 空 間 ：64KB 程 序 存 儲 器256B 片 內(nèi) 數(shù) 據(jù) 存 儲 器64KB 片 外 數(shù) 據(jù) 存 儲 器 2-3 MCS-51存 儲 器 配 置 一 、 程 序 存 儲 器64KB 程 序 存 儲 器 空 間EA不 同 電 平 ， 選 擇 片 內(nèi) 或 片 外 低 位 存 儲

17、單 元 二 、 數(shù) 據(jù) 存 儲 器1 64KB片 外 數(shù) 據(jù) 存 儲 器 空 間 (與 擴 展 I/O接 口 共 用 )2. 256B片 內(nèi) 數(shù) 據(jù) 存 儲 器 : 1) 片 內(nèi) RAM 2) 特 殊 功 能 寄 存 器 SFR 特 殊 存 儲 單 元 ：復 位 入 口 : 0000H中 斷 入 口 : 0003H 0023H 1)片 內(nèi) RAM工 作 寄 存 器 區(qū) ：字 節(jié) 地 址 ： 00H 1FH位 尋 址 區(qū) ：字 節(jié) 地 址 ： 20H 2FH位 地 址 為 ： 00H 7FH數(shù) 據(jù) 緩 沖 區(qū) /堆 棧 區(qū) ：字 節(jié) 地 址 ： 00H 7FH一 般 使 用 30H 7FH 2)

18、特 殊 功 能 寄 存 器 SFR占 用 字 節(jié) 地 址 ： 80H FFH位 尋 址 寄 存 器 ： 其 字 節(jié) 地 址 可 被 8整 除 。專 用 寄 存 器 ：A、 B、 PSW、 DPTR、 SPI/O接 口 寄 存 器 ： P0、 P1、 P2、 P3、 SBUF、TMOD、 TCON、 SCON 幾 個 常 用 的 SFR A 累 加 器 。 是 一 個 最 常 用 的 專 用 寄 存 器 ， 其 自 身 帶 有 全 零 標 志 Z，若 A=0則 Z=1； 若 A 0則 Z 0。PSW 程 序 狀 態(tài) 字 寄 存 器 。 其 格 式 如 下 ：SP 堆 棧 指 針 。 DPTR 數(shù)

19、 據(jù) 地 址 指 針 寄 存 器 。 它 由 DPL（ 低 8位 ） 和 DPH（ 高 8 位 ） 兩 個 寄 存 器 組 成 ， 字 節(jié) 地 址 分 別 為 82H、 83H， 用 來 存 放 16位 地 址 值 ， 以 便 對 外 部 RAM進 行 讀 寫 操 作 ， 它 們 既 可 整 體 賦 值 ，也 可 分 開 賦 值 。Cy AC F0 RS1 RS0 OV P CY： 進 借 位 標 志 。 在 運 算 時 有 進 、 借 位 時 ， CY=1； 否 則 CY=0。 AC： 輔 助 進 借 位 標 志 。 當 D3向 D4有 進 、 借 時 ， AC =1； 否 則 AC =0。

20、 F0： 用 戶 標 志 。 可 由 用 戶 根 據(jù) 需 要 自 行 設 定 其 含 義 。 RS1、 RS0： 工 作 寄 存 器 組 選 擇 。OV： 溢 出 標 志 。 當 運 算 結 果 超 出 -128 +127的 范 圍 時 為 1； 否 則 為 =0。P： 奇 偶 校 驗 標 志 。 每 條 指 令 執(zhí) 行 完 后 ， 根 據(jù) 累 加 器 A中 的 個 數(shù) 來 決定 ， 當 有 奇 數(shù) 個 時 P=1， 否 則 P=0。 2.4 MCS-51的 時 序 及 輔 助 電 路2-4-1 單 片 機 的 時 鐘 電 路 。1 內(nèi) 部 時 鐘 方 式 ： 內(nèi) 部 一 個 高 增 益 反

21、相 放 大 器 與 片外 石 英 晶 體 或 陶 瓷 諧 振 器 構 成 了 一 個 自 激 振 蕩 器 。晶 體 振 蕩 器 的 振 蕩 頻 率 決 定 單 片 機 的 時 鐘 頻 率 。2 外 部 時 鐘 方 式 ： 外 部 振 蕩 器 輸 入 時 鐘 信 號 。 2-4-2 振 蕩 周 期 、 狀 態(tài) 周 期 、 機 器 周 期 和 指 令 周 期1.振 蕩 周 期 ： 是 指 為 單 片 機 提 供 時 鐘 信 號 的 振 蕩 源 的 周 期 。思 考 題 ： 設 應 用 單 片 機 晶 振 頻 率 為 6MHz， 問 機 器 周期 為 多 少 ？ 指 令 周 期 分 別 為 多 少

22、？3.機 器 周 期 ： 完 成 一 個 基 本 操 作 所 需 要 的 時 間 。一 個 機 器 周 期 由 6個 時 鐘 周 期 組 成 。4.指 令 周 期 ： 一 條 指 令 的 執(zhí) 行 時 間 。以 機 器 周 期 為 單 位 ： 指 令 可 分 為 單 周 期 、 雙 周 期 和 四周 期 指 令 。2.時 鐘 周 期 ： 是 振 蕩 源 信 號 經(jīng) 二 分 頻 后 形 成 的 時 鐘 脈沖 信 號 。 2-4-3 單 片 機 復 位 電 路 及 復 位 狀 態(tài)單 片 機 常 采 用 上 電 復 位 和 按 鍵 復 位 兩 種 方 式 。 按 鍵 復 位 又 分 為 按 鍵 電 平

23、 復 位 和 按 鍵 脈 沖 復 位 ， 按 鍵電 平 復 位 是 將 復 位 端 通 過 電 阻 與 V CC相 連 ， 按 鍵 脈 沖 復位 是 利 用 RC微 分 電 路 產(chǎn) 生 正 脈 沖 來 達 到 復 位 目 的 。 上 電 復 位 電 路 ， 在 通 電 瞬 間 ， 在 RC電 路 充 電 過 程 中 ，RST端 出 現(xiàn) 正 脈 沖 ， 從 而 使 單 片 機 復 位 。 單 片 機 復 位 后 的 狀 態(tài) 復 位 使 單 片 機 進 入 初 始 化 狀 態(tài) ， 其 中 包 括 使 程 序 計 數(shù)器 PC的 內(nèi) 容 為 0000H， 這 表 明 單 片 機 從 0000H地 址

24、單 元開 始 執(zhí) 行 程 序 。 單 片 機 冷 啟 動 后 ， 片 內(nèi) RAM的 內(nèi) 容 為隨 機 值 ， 運 行 中 的 復 位 不 改 變 片 內(nèi) RAM的 內(nèi) 容 。 21個特 殊 功 能 寄 存 器 復 位 后 的 狀 態(tài) 為 確 定 值 ， 見 下 表 所 示 。 特 殊 功 能 寄 存 器 初 始 狀 態(tài) 特 殊 功 能 寄 存 器 初 始 狀 態(tài)A 00H TMOD 00H B 00H TCON 00HPSW 00H TH0 00H SP 07H TL0 00HDPL 00H TH1 00H DPH 00H TL1 00HP0-P3 FFH SBUF B IP 00000B SCON 00HIE 0 00000B PCON 0 B