（单片机知识）第2章-MCS-51的结构课件.ppt

1、微机原理及应用微机原理及应用第第2章章 MCS-51的结构的结构 2.1 MCS-51单片机总体结构 MCS-51系列单片机的典型产品有8051、8751、8031、80C51、80C31等。它们的结构基本相同，其主要差别反映在片内存储器的配置上有所不同。8051是ROM型单片机，内含4KB的掩膜ROM程序存储器；8751内含4KB的可编程EPROM程序存储器；而8031则为无ROM型单片机，使用时需外接程序存储器。振荡器和时序振荡器和时序OSC程序存储器程序存储器4KB ROM数据存储器数据存储器4KB RAM64KB总线总线扩展控制器扩展控制器可编程可编程I/O可编程全双工可编程全双工串行

2、口串行口8051CPU216位位定时器定时器/计数器计数器外时钟源外时钟源内中断内中断外中断外中断控制控制并行口并行口串行通信串行通信外部事件计数外部事件计数 1 MCS-51单片机总体构框图 CPU是单片机内部的核心部件，也叫微处理器，是单片机内部的核心部件，也叫微处理器，是单片机的指挥和控制中心。包括是单片机的指挥和控制中心。包括控制器控制器和和运运算器算器两个部分。两个部分。控制器主要包括：程序计数器（控制器主要包括：程序计数器（PC）、指令）、指令寄存器（寄存器（IR）、指令译码器（）、指令译码器（ID）及定时控制）及定时控制电路等。电路等。程序计数器（程序计数器（PC）是一个）是一个

3、16位的专用寄位的专用寄存器，用来存放存器，用来存放CPU要执行的存放在程序存储要执行的存放在程序存储器中的器中的下一条指令下一条指令的地址，也叫指令地址寄存的地址，也叫指令地址寄存器。注意：单片机复位后，器。注意：单片机复位后，(PC)=0000H 例：地址 指令机器码 (PC)2000H 2001H 25H85H 指令寄存器（指令寄存器（IR）：用来存放当前正在）：用来存放当前正在执行的指令。执行的指令。指令译码器（指令译码器（ID）：）：IR中的操作码进行中的操作码进行分析解释，产生相应的控制信号。分析解释，产生相应的控制信号。控制器的主要功能是：根据程序计数器控制器的主要功能是：根据程

4、序计数器（PC）的内容取出指令，然后进行指令译）的内容取出指令，然后进行指令译码，并根据译码的内容产生控制信号，协调码，并根据译码的内容产生控制信号，协调各部分的工作，完成指令所规定的操作。各部分的工作，完成指令所规定的操作。运算器的功能：对数据进行算术和逻辑运算。运算器的功能：对数据进行算术和逻辑运算。运算器包括：算术逻辑运算部件运算器包括：算术逻辑运算部件ALU、累加器、累加器ACC、程序状态字寄存器、程序状态字寄存器PSW等组成。等组成。ALU：主要进行算术和逻辑运算，运算结：主要进行算术和逻辑运算，运算结果送果送ACC而运算结果的状态信息送而运算结果的状态信息送PSW。ACC：8位寄存

5、器，用于存放使用次数高位寄存器，用于存放使用次数高的操作数或中间结果。的操作数或中间结果。PSW：用于寄存当前指令执行后的某些：用于寄存当前指令执行后的某些状态信息。状态信息。程序状态字PSW各位的含义D7D6D5D4 D3RS1 RS0D2D1D0CYACF0OVF1P进位进位/借借位标位标志位志位半进半进位标位标志位志位用户用户标志标志位位工作寄存工作寄存器区选择器区选择位位溢出溢出标志标志位位用户用户标志标志位位奇偶奇偶标志标志位位 CY（PSW.7）：进位）：进位/借位标志位。借位标志位。在进行加减运算时，运算结果的最高位在进行加减运算时，运算结果的最高位 （D7）有进位或借位时，（）

6、有进位或借位时，（CY）=1，否否 则（则（CY）=0 AC（PSW.6）：半进位标志位，也叫辅助）：半进位标志位，也叫辅助 进位或借位标志位。进位或借位标志位。在进行加减运算时，运算结果的低在进行加减运算时，运算结果的低4位位 (D3)向高向高4位有进位或借位时，位有进位或借位时，(AC)=1，否则否则(AC)=0 F0（PSW.5）、F1（PSW.1）：用户标用户标 志位。志位。用户根据需要，自行定义的状态标用户根据需要，自行定义的状态标 志。志。RS1（PSW.4）、）、RS0（PSW.3）：）：工作寄存器区选择位。工作寄存器区选择位。RS1、RS0与被选的工作寄存器对照表与被选的工作寄

7、存器对照表RS1 RS0 被选工作寄被选工作寄存器区存器区片内片内RAM地址地址指令助记指令助记符符0 00区区00H07HR0R70 11区区08H0FHR0R71 02区区10H17HR0R71 1 3区区18H1FHR0R7 OV（PSW.2）：溢出标志位。）：溢出标志位。当有符号两数相加减时，结果超出当有符号两数相加减时，结果超出 -128+127范围时，有溢出，（范围时，有溢出，（OV）=1,否则，（否则，（OV）=0。产生溢出的判断条件是：设产生溢出的判断条件是：设C为为D6向向D7的进位或借位的进位或借位，Cf为为D7向向CY的进位或的进位或借位，若借位，若C Cf，则为溢出。，

8、则为溢出。P（PSW.0）：）：奇偶标志位。奇偶标志位。累加器累加器A中的值为中的值为1的个数是奇数，的个数是奇数，则（则（P）=1，否则（，否则（P）=0例：已知例：已知A=B9H，B=6AH，Cy=0，试分析，试分析 执行以下指令后，标志位及累加器执行以下指令后，标志位及累加器A的内的内 容。容。ADD A，B A)1011 1001 +B)0110 1010 10010 0011 (A)=23H,(Cy)=1,(AC)=1,(OV)=0 (P)=1 .ROM：只读存储器，用于存放单片机内部程：只读存储器，用于存放单片机内部程 序。序。RAM：单片机内部数据存储器。：单片机内部数据存储器。

9、定时器定时器/计数器：用于定时和对外部事件计数。计数器：用于定时和对外部事件计数。并行并行I/O口：口：P0P3是是4个个8位并行位并行I/O口，用于口，用于 单片机与外部存储器和单片机与外部存储器和I/O端口设备交端口设备交 换信息使用。每个口既可以作为输入，换信息使用。每个口既可以作为输入，也可作为输出。也可作为输出。时钟电路时钟电路OSC：用于产生单片机中最基本的时：用于产生单片机中最基本的时 间单位。间单位。2 MCS-51引脚功能 3.MCS-51存储器的特点存储器的特点 物理结构上有四个存储空间：物理结构上有四个存储空间：片内程序存储器；片内程序存储器；片外程序存储器；片外程序存储

10、器；片内数据存储器；片内数据存储器；片外数据存储器。片外数据存储器。从用户使用的角度，即从逻辑上划分从用户使用的角度，即从逻辑上划分3个存储个存储器地址空间：器地址空间：片内外统一编址的片内外统一编址的64KB的程序存储器地址空的程序存储器地址空间；（间；（2168）片内片内256B数据存储器地址空间；（数据存储器地址空间；（288）片外片外64KB的数据存储器地址空间；（的数据存储器地址空间；（2168）对于同一对于同一 地址信息，可表示不同的存储单地址信息，可表示不同的存储单元，在访问不同的逻辑存储空间时，元，在访问不同的逻辑存储空间时，MCS-51提供了不同形式的指令：提供了不同形式的指

11、令：MOV用于访问内部数据存储器；用于访问内部数据存储器；MOVX用于访问外部数据存储器；用于访问外部数据存储器；MOVC用于访问内、外程序存储器。用于访问内、外程序存储器。MCS-51（8051）存储结构如图所示。MOVMOVCMOVX内部数据存储器分为高、低内部数据存储器分为高、低128B两大部分如图所示两大部分如图所示 2.2 位处理器 单片机具有较强的位处理能力。对于许多控制系统，开关量控制是控制系统的主要对象之一。作为传统的CPU，对于简单的个别开关量进行控制却显得不那么方便，而让MCS-51值得骄傲正是它有效地解决了单一位的控制。2.3 MCS-51工作方式和时序工作方式和时序 1

12、.MCS-51单片机的工作方式包括：单片机的工作方式包括：复位复位方式方式、程序执行方式程序执行方式、节电方式和节电方式和EPROM的编程和校验方式的编程和校验方式，在不同的情况下，其，在不同的情况下，其工作方式也不相同。工作方式也不相同。复位方式：复位方式：单片机复位后，程序计数器单片机复位后，程序计数器PC=0000H，指向程序存储器指向程序存储器0000H单元，使单元，使CPU从首地从首地址重新开始执行程序。址重新开始执行程序。MCS-51复位时，其复位时，其内部内部RAM中的数据保持不变中的数据保持不变。程序执行方式：程序执行方式：（1）连续执行）连续执行 （2）单步执行）单步执行 节

13、电方式：能减少单片机功耗的方式。节电方式：能减少单片机功耗的方式。时序就是计算机指令执行时各种微操作在时间时序就是计算机指令执行时各种微操作在时间上的顺序关系上的顺序关系。计算机所执行的每一操作都是在时钟信号的计算机所执行的每一操作都是在时钟信号的控制下进行的。每执行一条指令，控制下进行的。每执行一条指令，CPU都要发都要发出一系列特定的控制信号，这些控制信号（即出一系列特定的控制信号，这些控制信号（即CPU总线信号）在时间上的相互关系就是总线信号）在时间上的相互关系就是CPU的时序。的时序。2.MCS-51单片机的时序单片机的时序基本概念：时钟周期时钟周期：也叫振荡周期，是晶体振荡器直接：也

14、叫振荡周期，是晶体振荡器直接产生振荡频率产生振荡频率fOSC的倒数，即的倒数，即1/fOSC，是时序，是时序中的最小单位。中的最小单位。例如，晶振频率例如，晶振频率fOSC=6MHz，则时钟周期为则时钟周期为1/fOSC166.7ns 状态周期状态周期：是时钟周期的：是时钟周期的2倍，是处理操作的倍，是处理操作的最基本单位。一个状态周期包含了两个最基本单位。一个状态周期包含了两个节拍节拍，用用P1，P2表示。表示。机器周期机器周期：也称为：也称为CPU周期。执行一条指周期。执行一条指令的过程可分为若干阶段，每一阶段完成令的过程可分为若干阶段，每一阶段完成一个规定的操作，完成这个规定操作的时一个

15、规定的操作，完成这个规定操作的时间称为机器周期。间称为机器周期。一个机器周期包括一个机器周期包括12个时钟周期（个时钟周期（6个个状态周期，用状态周期，用S1，S2，S3，S4，S5，S6表示）。表示）。指令周期指令周期：完成一条指令所需的时间。包：完成一条指令所需的时间。包括取指令、分析指令和执行指令所需的全括取指令、分析指令和执行指令所需的全部时间。部时间。MCS-51单片机的指令周期通常由单片机的指令周期通常由14个机器周期组成。个机器周期组成。几者关系几者关系：一个指令周期由若干个机器周：一个指令周期由若干个机器周期组成，每个机器周期又由若干个时钟周期组成，每个机器周期又由若干个时钟周

16、期组成。期组成。例：已知晶振频率为6MHz，试分别计算前面所讲的各种周期。解：当fOSC=6MHz时，时，振荡周期为振荡周期为1/fOSC=1/6us 状态周期为：振荡周期状态周期为：振荡周期2=1/fOSC2=1/6us21/3us 机器周期为：状态周期机器周期为：状态周期6=1/3us6=2us 指令周期为：指令周期为：14个机器周期个机器周期=2us1=2us 2us4=8us，即，即28us存储器的主要参数 存储容量：存储器由许多存储单元组成，存储容量：存储器由许多存储单元组成，每个存储单元又由若干存储元组成，每个每个存储单元又由若干存储元组成，每个存储元存放一位二进制代码。存储元存放

17、一位二进制代码。存储容量是存储容量是表示能存放数据量大小的指标表示能存放数据量大小的指标。例：某存储器芯片有例：某存储器芯片有1024个单元，每个存个单元，每个存储单元可放储单元可放4位二进制代码，则该芯片存储位二进制代码，则该芯片存储容量为容量为10244 4.为了便于表示，常以为了便于表示，常以2101024个存储个存储单元为单位，记作单元为单位，记作1K，这样，上述芯片容，这样，上述芯片容量可记为量可记为1K4.一般微型计算机所用存储芯片均可放一般微型计算机所用存储芯片均可放8 8位二位二进制代码进制代码，即，即1个字节（个字节（B）,所以微型计算所以微型计算机的内存都是以字节为单位的。

18、机的内存都是以字节为单位的。如：某台单片机的片内程序存储器的容量如：某台单片机的片内程序存储器的容量为为2128，即，即40968=410248，则称，则称片片内程序存储器的容量为内程序存储器的容量为4KB.芯片存储容量的计算芯片存储容量的计算 存储器中包含了许多的存储单元，每个存储存储器中包含了许多的存储单元，每个存储单元都有一个唯一的地址，存储单元的地址单元都有一个唯一的地址，存储单元的地址由地址线提供，若某芯片有一根地址线，那由地址线提供，若某芯片有一根地址线，那它只能提供它只能提供0、1两个不同地址，若有两根地两个不同地址，若有两根地址线，那它能提供址线，那它能提供00、01、10、1

19、1四个不同四个不同地址，该芯片就拥有地址，该芯片就拥有4个存储单元。个存储单元。若某存储器芯片有若某存储器芯片有8根地址线，则可提供根地址线，则可提供28个存储单元，可提供（个存储单元，可提供（00FFH）共）共256个个地址。地址。n根地址线，有根地址线，有2n个存储单元。个存储单元。每个存储单元所能存储的二进制代码的位每个存储单元所能存储的二进制代码的位数与该芯片的数据线有关。某芯片有数与该芯片的数据线有关。某芯片有p根数根数据线，则每个存储单元可存放据线，则每个存储单元可存放p位二进制代位二进制代码。码。例：某芯片有例：某芯片有8根数据线（根数据线（D7D0），），15根根地址线（地址线（A14A0），则该芯片的存储容量），则该芯片的存储容量为为215832KB