单片机实用技术第二章

8051 CPU
控制逻辑 可编程 并行口 并行口
可编程全 双工串行口
串行通信
图2.2 MCS-51单片机内部结构
• 主要功能：产生各种控制信号，去控制存储器、输入／输 出端口的数据传送、数据的算术运算、逻辑运算以及位操 作处理等。 • (一)算术逻辑运算单元ALU (8位) • 组成：运算器由算逻运算部件ALU、累加器Acc、暂存器、 程序状态字寄存器PSW、BCD码运算调整电路等组成 。 实现+、–、×、÷算术运算，与、或、非、异或 逻辑运 算、循环移位、位处理。 • (二)控制器 • 组成：由程序计数器PC、指令寄存器、指令译码器、定时 控制与条件转移逻辑电路等组成。 • 功能：对来自存储器中的指令进行译码，通过定时控制电 路，在规定的时刻发出各种操作所需的全部内部和外部控 制信号，协调各功能元件的工作，完成指令所规定的功能。
第一节
• 教学内容：
MCS-51单片机的基本结构
一、MCS-51单片机内部结构 二、CPU 三、输入／输出端口结构 四、端口负载能力和接口要求 五、MCS-5l引脚及功能 • 学时：4；其中：讲课3学时，录象1学时
• 教学要求: 熟练掌握: MCS－51单片机结构; 单片机的工作原理；CPU（运算器和控制器 以及定时控制部件和CPU时序；输入/输出端口的功能、负载能力 和接口要求;MCS-5l引脚及功能 。 了解： 输入/输出端口结构
• 1）基本概念 • 时钟周期 T:时序中最小的时间单位。其值由外接晶体或 外输入时钟来决定，其值为石英振荡器频率的倒数。 例如:在单片机外接1MH的晶体,则单片机的系 统时钟的频率为1M, 时钟周期为1us。 • 机器周期：完成特定功能所需要的时间,在MCS-51单片机 中机器周期由12个时钟周期构成,并分为6个状态(S1-S6), 每个状态又分为P1和P2两拍（两个震荡周期)。这样一个 机器周期的12个震荡周期可以表示为: S1P1,S1P2,S2P1,S2P2,S3P1,S3P2 … S6P1,S6P2 将12个震荡周期用6个状态和2拍来替代。
三、输入／输出端口结构
口线 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3
定义 RXD TXD INT0 INT1
说明 串行数据输入口 串行数据输出口 外部中断０输入口 外部中断１输入口
PC n+1 n
程序ROM
ALE OP1-2 OP1-1
读操作码一 读操作码二
S1
S2
S3
S4
S5
S6
机器周期
单字节双周期指令的时序
指令特点:单字节, 需要两个机器周期运行.如: INC DPTR DPTR为两个8位的寄存器,加一时,必须分两步完成.既第一步 DPL加一,如果DPL加一有进位则还要进行第二步对DPH加一. 在指令周期的第一个ALE时,将ROM中的操作码OP取出, PC+1，然后，经IR译码后得知为单字节双周期指令,所以 一面执行该指令,同时封锁后面三次ALE有效时的PC,在第 二个机器周期的S6P2时,完成操作.
第二章
MCS-51单片机的基本结构 及工作原理
学习目的和要求 本章的基本任务是学习MCS-51系列单片机基本结构和基本工作原理等知识， 为后续章节提供必要的概念基础。 学时：8；其中：讲课6学时，录象或研究室讲课2学时 教学内容： §2-1 MCS－51单片机的基本结构 §2-2 MCS－51的存储器结构 §2-3 专用功能寄存器的SFR §2-4 单片机的工作方式和最小系统 教学要求： 1）掌握 CPU（运算器和控制器以及定时控制部件和时序、输入／输出端 口结构及负载能力和接口要求 、MCS-5l引脚及功能 。 2） 掌握程序存储器、数据存储器的分布和使用。 3）专用功能寄存器SFR ：重点掌握程序状态寄存器的使用。 4）掌握单片机的工作方式与最小应用系统 ：单片机的工作方式（复位方 式）、单片机最小应用系统设计
有4个I／O端口，共32根I／O线，都是准双向口。每个口都包含一个锁存器，即专 用寄存器P0~P3，一个输出驱动器和输入缓冲器。通常把4个端口和其中的锁存器 (即专用寄存器)都统称为P0~P3。 • （一）功能 • P0口：可作为一般I／O口用，但当应用系统采用外部总线结构时，它分时作低8 位地址线和8位双向数据总线用。是“通用数据I/O端口”和“地址、数据复用总 线”端口。 • P1口：每1位均可独立作为I／O口。 • P2口：可作一般I／O口用，当应用系统采用外部总线结构时，它仅能作为高8位 地址线。 • P3口：双功能口。第一功能使用时同P1口，每1位均可独立作为I／O口。每1位 均具有第二功能，两个功能不能同时使用。
举例说明：
设外部RAM2000H单元中有一 个数x,且DPTR中已存有该 数地址2000H.则CPU 执行 外部ROM中的指令: MOVX A,@DPTR ;将外RAM 的x送A
S1 S2 S3 S4 S5 S6 S1
/WR /RD
P2口 MCS-51 P1口 ALE
D7 ∶ D0 /CP
/WR /RD A15 ∶ A8 A7 ∶ A0 64KRAM D0～D7
2)MCS-51单片机的时序
• MCS -51 • • • • • • • • 的 取 指 令 执 行 时 序
双字节单周期指令时序
指令特点:一条指令长度为两个字节，并存储在ROM相邻的 两个单元中。要想完整的将这样的指令执行完,必须从 ROM中读两次操作码。如： ADD a,#01 在ALE第一次有效时，CPU 从ROM的n单元中取出指 令的第一个字节OP1-1，送入译码器，并使PC加一，并通 过译码CPU知道这是一条双字节指令，然后在ALE第二次 有效时，从ROM的n+1单元取出指令的第二个字节OP1-2 送入IR，并将PC加一，再对指令进行译码,产生对应的操 作。最后在S6P2时完成本条指令的运行。
ALE
读操作码 读无效 读无效 读无效
S1
S2
S3
S4
S5
wenku.baidu.com
S6
S1
S2
S3
S4
S5
S6
机器周期1
机器周期2
读外部数据存储器RAM的指令时序 MOVX a,@DPTR
• 分成两个执行阶段: 阶段1： 根据PC所指定的程序存储器的地址,将movx指令从片外 ROM中取出; 阶段2： 经译码后将DPTR提供的外数据存储器RAM中的数据 地址取出数据，经P0口送累加器A. 在第一阶段CPU产生/Psen信号用来选通外部程序存储 器ROM; 在第二阶段CPU输出/RD信号(低电平),用来选通并读 取外部数据存储器RAM的数据.
P1 P2
（2） MCS-51单片机的时序
S1
S1
S3
S4
S5
S6
机器周期
• 指令周期：这是时序图中最大的时间单位,既执行一条指 令所需要的时间。在MCS-51系统中,不同的指令它所包含 的机器周期数不同.它们分别是: 单机器周期指令; 双机器周期指令;四机器周期指令 前已介绍：一个机器周期包含了12个震荡周期。如果我们使 用一个12M的晶体震荡器,那么: 一个机器周期为1us, 两个机器周期为2us, 四个机器周期为4us. 由此，可见一条指令的运算速度与它所包含的机器周 期数有关。机器周期数越少,执行的速度就越快。在MCS51单片机的指令系统中,除了乘、除法指令为四个机器周 期外,其余都是单周期和双周期指令。
5.定时控制部件与时序
• 功能：在规定的时刻发出各种操作所需的全部内 部和外部的控制信号，协调各功能元件工作，完 成指令所规定的功能。 • 主要任务：产生一个工作时序，其工作需要时钟 电路提供一个工作频率。 • (1)时钟电路设计（震荡器与时钟电路） • MCS-51内部有一个用于构成振荡器的高增益反相 放大器，此放大器的输入和输出端分别是引脚 XTAL1和XTAL2，在XTAL1和XTAL2上外接时 钟源即可构成时钟电路。单片机的生产工艺不同， 时钟的产生方式也不同。有内部和外部两种时钟 产生方式。见图2-3
MCS-51系列典型产品型号及配置：
不同型号MCS-51单片机CPU处理能力和指令系统完全 兼容，只是存储器和I/O接口的配置有所不同。
型号 8031 8051 8751 89C51 89C2051 8XC552 80C51GB 片内ROM 无 掩膜4KB EPROM 4KB FLASH 4KB FLASH 2KB 8K 8K 片内RAM 128B+SFR 128B+SFR 128B+SFR 128B+SFR 128B+SFR 256B+SFR 256B+SFR I/O口 线 8×4 8×4 8×4 8×4 15 8×6 8 ×4 备 注 DIP 40脚 DIP 40脚 DIP 40脚 DIP 40脚 简化DIP 20脚 增强多功能型 8 ×8A/D;PWM
内部时钟产生方式：在XTALl和XTAL2两端 接晶体或陶瓷谐振器，与内部反向器构成稳 定的自激振荡器。 参数选取：C1、C2微调时钟频率。 外接晶 振时：Cl和C2选择10～30pF。外接陶瓷谐振 器时：C1和C2的典型值约为40±10pF。 设计印刷电路板时，晶体或陶瓷谐振器和电 容应尽可能安装在单片机芯片附近，以减少 寄生电容，保证振荡器稳定和可靠工作。为 了提高温度稳定性，应采用NPO电容。振荡 频率范围一般是1.2MHz～12MHz，有的可达 40MHz。 外部时钟产生方式：时钟脉冲完全由外部电 路产生。 CMOS与CHMOS型的外部时钟源的接法不同
二
CPU
• 1．程序计数器PC(Program Counter) 一个16位的专用寄存器，用来存放下一条指令的地址。 它具有自动加1的功能。 • 2．指令寄存器 • 一个8位的寄存器，用于暂存待执行的指令，等待译码。 • 3．指令译码器 • 对指令寄存器中的指令进行译码，将指令转变为执行此 指令所需要的电信号。 • 4．数据指针DPTR • 是一个16位的专用地址指针寄存器。它主要用来存放16位地 址，作间址寄存器使用。DPTR也可以拆成两个独立8位寄存 器，即DPH(高8位字节)和DPL(低8位字节)，分别占据83H 和82H两个地址。
S2
S3
S4
S5
S6
ALE Psen RD P2口 P0口
A15-A8(PC) A7-A0 指令 A7-A0 选中外部RAM A15-A8(DPH) 数据
• 1, 在S2P2时,ALE的第一个下降沿将P0口输出的 外程序ROM的低八位地址锁存到74LS373锁存器 中； • 2, 在S3P2的Psen为低电平时,选中外ROM,并根 据单片机P0、P2口输出的16位地址选中movx指 令(单字节),通过P0口送至单片机内部IR中译码.经 译码后产生下列的一系列操作； • 3, CPU将DPTR中的高8位(20H)送P2口输出,低八 位(00H)经P0口输出,在S5P1时ALE第二次下降沿 时,将P0口的低八位地址锁存； • 4, 在第二个机器周期的S1-S3中单片机输出/RD 信号（低电平）,选中外部RAM,并根据单片机提 供的2000H 这16位地址中取出数据x. • 5, CPU在S2-S3期间,将外部RAM2000H单元送 到P0口上的数据送入累加器A中.
• 时序： CPU执行指令时，在时间上的一系列操作顺序。 CPU执行指令的一系列动作都是在定时控制部件控制 下按照一定的时序一拍一拍的进行。指令字节数不同，操 作数的寻址方式也不相同，故执行不同指令所需的时间差 异也较大，工作时序也有区别。为了便于说明，通常按指 令的执行过程将时序化为几种周期，即时钟周期、机器周 期和指令周期。 • 指令的字节数与指令周期之间的关系： 在MCS-51单片机的指令系统中有： 单字节；双字节；三字节指令。 在MCS-51的111条指令中,可以分为六种基本的时序: 1,单字节单周期指令; 4,双字节单周期指令; 2,单字节双周期指令; 5,双字节双周期指令; 3,单字节四周期指令; 6,三字节双周期指令.
1. 2. 3. 4. 5. 6.
8位CPU 片内ROM/EPROM、RAM 片内并行 I/O接口 片内16位定时器/计数器 片内中断处理系统 片内全双工串行I/O口
硬件配置基本配置：
• 图2．1
外部时钟 时钟电路
一、MCS-51内部结构
8051的功能部件图
ROM4KB
RAM256
计数器/定时器