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第二章MCS-51單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu),MCS-51單片機結(jié)構(gòu)及工作原理MCS-51單片機引腳及外部總線結(jié)構(gòu)CPU時序及輔助電路MCS-51單片機存儲器結(jié)構(gòu),,MCS-51的總體結(jié)構(gòu),,,,MCS-51系列單片機是高性能的8位單片機，該系列中有8051、8031、8751等，這三種單片機除內(nèi)置程序存儲器有區(qū)別外，內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳相同。其中8051是最早最典型的產(chǎn)品，該系列其它單片機都是在8051的基礎(chǔ)上進(jìn)行功能的增、減、改變而來的，所以人們習(xí)慣于用8051來稱呼MCS51系列單片機。8031：內(nèi)部無程序存儲器ROM，須外接EPROM。8051：ROM型單片機，內(nèi)含4K字節(jié)ROM。8751：EPROM型單片機，內(nèi)含4K字節(jié)EPROM。,MCS-51基本構(gòu)成CPU:8位存儲器:128字節(jié)RAM21個專用寄存器4K字節(jié)ROM存儲器并行口:4個8位并行口串行口:1個全雙工的串行口定時器/計數(shù)器:2個16位的定時器/計數(shù)器中斷系統(tǒng):5個中斷源,兩個中斷優(yōu)先級尋址范圍:64K字節(jié)（程序存儲區(qū)和外部數(shù)據(jù)存儲區(qū)各64K）,,MCS-51的總體結(jié)構(gòu),,,,,MCS-51的內(nèi)部結(jié)構(gòu),,,,,,,,,,MCS-51的CPU,,,,CPU：單片機的核心部分，是單片機的指揮和執(zhí)行部件。包含兩個基本部分：運算器和控制器。,運算器：進(jìn)行算術(shù)和邏輯運算，存儲運算結(jié)果并作相應(yīng)標(biāo)記?？刂破鳎嚎刂朴嬎銠C各部分協(xié)調(diào)工作。,,MCS-51的CPU：運算器,,,,1.算術(shù)邏輯運算部件ALU：完成各種算術(shù)運算和邏輯運算2.寄存器：CPU內(nèi)部沒有單獨的存儲器，而是設(shè)置了一些工作寄存器，暫存數(shù)據(jù)和狀態(tài)等(1)累加器ACC：可存放操作數(shù)和運算的中間結(jié)果；(2)寄存器B：主要用于乘、除運算。寄存器B也可作為一般的寄存器用。,,MCS-51的CPU：運算器,,,,2.寄存器(3)程序狀態(tài)字PSW程序狀態(tài)字是8位寄存器，用于指示程序運行狀態(tài)信息。其中有些位是根據(jù)程序執(zhí)行結(jié)果由硬件自動設(shè)置的，而有些位可由用戶通過指令方法設(shè)定。,PSW中各標(biāo)志位名稱及定義如下：,,,,,程序狀態(tài)字PSW,C：也表示為CY進(jìn)（借）位標(biāo)志位在加減運算中，若操作結(jié)果的最高位有進(jìn)位或有借位時，CY由硬件自動置1，否則就清0。在位操作中，CY作為位累加器使用，參于進(jìn)行位傳送、位與、位或等位操作。另外某些控制轉(zhuǎn)移類指令也會影響CY位狀態(tài)。,,,,,程序狀態(tài)字PSW,AC：輔助進(jìn)（借）位標(biāo)志位。在加減運算中，當(dāng)?shù)退奈幌蚋咚奈贿M(jìn)位或借位時此標(biāo)志位由硬件自動置1，否則就清0。F0：用戶標(biāo)志位，由用戶通過軟件設(shè)定，用以控制程序轉(zhuǎn)向。,,,,,程序狀態(tài)字PSW,RS1，RS0：寄存器組選擇位用于設(shè)定當(dāng)前通用寄存器組的組號。通用寄存器組共有4組，其對應(yīng)關(guān)系如下,程序狀態(tài)字PSW,,,,,OV：溢出標(biāo)志位在帶符號數(shù)（補碼數(shù)）的加減中，OV=1表示運算的結(jié)果超出了累加器A的八位符號數(shù)表示范圍（－128～+127），產(chǎn)生溢出，因此運算結(jié)果是錯誤的。OV=0，表示未超出表示范圍，運算結(jié)果正確。乘法時，OV=1，表示結(jié)果大于255，結(jié)果分別存在A，B寄存器中。OV=0，表示結(jié)果未超出255，結(jié)果只存在A中。除法時，OV=1，表示除數(shù)為0。OV=0，表示除數(shù)不為0。,程序狀態(tài)字PSW,,,,,D1位未定義。可用偽指令將它定義為F1，如同F(xiàn)0一樣，作為用戶設(shè)定的軟件標(biāo)志位。P：奇偶標(biāo)志位。表示累加器A中數(shù)的奇偶性；在每個指令周期由硬件根據(jù)A的內(nèi)容的奇偶性，對P自動置位或復(fù)位。P=1，表示A中內(nèi)容有奇數(shù)個1。,,MCS-51的CPU,,,,CPU:運算器、控制器,控制計算機各部分協(xié)調(diào)工作。,,MCS-51的CPU：控制器,,,,程序計數(shù)器PC（ProgramCounter）PC是一個16位計數(shù)器，其內(nèi)容為單片機將要執(zhí)行的指令機器碼所在存儲單元的地址。PC具有自動加1的功能，從而實現(xiàn)程序的順序執(zhí)行。由于PC不可尋址的，因此用戶無法對它直接進(jìn)行讀寫操作，但可以通過轉(zhuǎn)移、調(diào)用、返回等指令改變其內(nèi)容，以實現(xiàn)程序的轉(zhuǎn)移。PC的尋址范圍為64KB，即地址空間為0000～0FFFFH。,,MCS-51的CPU：控制器,,,,數(shù)據(jù)指針DPTR數(shù)據(jù)指針DPTR為16位寄存器，它是MCS—51中唯一的一個16位寄存器。DPTR通常在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時作為地址指針使用，尋址范圍為64KB。編程時，既可按16位寄存器使用，也可作為兩個8位寄存器分開使用。DPH為DPTR的高八位寄存器，DPL為DPTR的低八位寄存器。,,MCS-51的CPU：控制器,,,,堆棧指針SPSP為8位寄存器，用于指示棧頂單元地址。堆棧是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，只允許在其一端進(jìn)行數(shù)據(jù)刪除和數(shù)據(jù)插入操作的線性表。數(shù)據(jù)寫入堆棧叫入棧（PUSH），數(shù)據(jù)讀出堆棧叫出棧（POP）。堆棧的最大特點是“后進(jìn)先出”的數(shù)據(jù)操作原則。,,進(jìn)棧：使SP的內(nèi)容增1后作數(shù)據(jù)壓入操作；出棧：先把棧頂?shù)臄?shù)據(jù)彈出，然后使SP的內(nèi)容減1。,堆棧的功用堆棧的主要功用是保護(hù)斷點和保護(hù)現(xiàn)場。因為計算機無論是執(zhí)行中斷程序還是子程序，最終要返回主程序，在轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷或子程序時，要把主程序的斷點保護(hù)起來，以便能正確的返回。同時，在執(zhí)行中斷或子程序時，可能要用到一些寄存器，需把這些寄存器的內(nèi)容保護(hù)起來，即保護(hù)現(xiàn)場。堆棧的設(shè)置MCS—51系列單片機的堆棧通常設(shè)置在內(nèi)部RAM的30H~7FH之間。堆棧指示器SPSP為8位寄存器，用于指示棧頂單元地址。由于SP的內(nèi)容就是堆?！皸ｍ敗钡拇尜A單元地址，因此可以用改變SP內(nèi)容的方法來設(shè)置堆棧的初始位置。當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位后，SP的內(nèi)容為07H，但為防止數(shù)據(jù)沖突現(xiàn)象發(fā)生，堆棧最好設(shè)置在內(nèi)部RAM的30H~7FH單元之間，例如使（SP）=30H。,,MCS-51的CPU：控制器,,,,,MCS-51的CPU：控制器,,,,指令寄存器、譯碼器、定時指令寄存器（IR）：存放所取出的指令指令譯碼器（ID）：對指令進(jìn)行譯碼定時和控制電路：根據(jù)指令發(fā)出時序控制信號。,指令執(zhí)行過程基本概念指令：是計算機執(zhí)行某種操作的命令。指令通常由操作碼和操作數(shù)兩部分組成。操作碼：表示計算機執(zhí)行什么具體操作。操作數(shù)：表示參加操作的數(shù)或操作數(shù)所在的地址。程序：為完成某項工作，將一系列指令有序地組合。,,MCS-51的CPU：控制器,,,,例：LDA,2;把數(shù)2送入A累加器中ADDA,6;累加器A和數(shù)6相加，結(jié)果存入A中上面程序轉(zhuǎn)化為計算機可識別的機器語言00111110LDA,2的操作碼00000010LDA,2的操作數(shù)211000110ADDA,6的操作碼00000110ADDA,6的操作數(shù)6,執(zhí)行指令：第一階段：取指令，并在取得指令操作碼后進(jìn)行譯碼；第二階段：執(zhí)行指令，即取操作數(shù)，然后按操作碼的性質(zhì)對操作數(shù)進(jìn)行操作。,,MCS-51的CPU：控制器,,,,MCS-51單片機結(jié)構(gòu)及工作原理MCS-51單片機引腳及外部總線結(jié)構(gòu)CPU時序及輔助電路MCS-51單片機存儲器結(jié)構(gòu),第二章MCS-51單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu),,MCS-51的引腳,,,,,MCS—51系列單片機的芯片一般都采用40個引腳的雙列直插式封裝（DIP）方式。其中有些CHMOS制造工藝的單片機芯片還采用44個引腳的方形封裝（LCC或QFP）方式，44個引腳中標(biāo)識有NC的4個引腳為空引腳。,,MCS-51的引腳,,,,,主電源及地引腳VCC（40腳）：電源（接+5V）VSS（20腳）：地線。外接晶振引腳（時鐘電路引腳）XTAL1（19腳）：接外部晶振的一個引腳（內(nèi)部反相放大器的輸入端）XTAL2（18腳）：接外部晶振的一個引腳（內(nèi)部反相放大器的輸出端）,,,,,MCS-51的引腳,,,,,并行輸入/輸出(I/O)引腳P0.0～P0.7（39～32腳）：P0口是8位雙向I/O口，分時提供低8位地址和作8位雙向數(shù)據(jù)總線；P1.0～P1.7（1～8腳）：P1口是8位準(zhǔn)雙向I/O口；P2.0～P2.7（21～28腳）：P2口是8位準(zhǔn)雙向I/O口。當(dāng)CPU訪問外部存儲器時，它輸出高8位地址；P3.0～P3.7（10～17腳）：P3口是8位準(zhǔn)雙向I/O口。它是一個復(fù)用功能口。,,,,,,,,MCS-51的引腳,,P3.0～P3.7（10～17腳）：它是一個復(fù)用功能口。作為第一功能使用時，為普通I/O口，與P1口相同。作為第二功能使用是，各腳的定義如下表。,/VPP(31腳)：訪問程序存貯器選擇信號輸入線。當(dāng)為低電平時，CPU只能訪問外部程序存儲器；當(dāng)為高電平時，CPU可訪問內(nèi)部程序存儲器（當(dāng)8051單片機的PC值小于等于0FFFH時），也可訪問外部程序存儲器（當(dāng)PC值大于0FFFH時）。,,MCS-51的引腳,,,,,RST/VPD（RESET，9腳）復(fù)位信號輸入引腳，高電平有效。在該引腳上輸入持續(xù)2個機器周期以上的高電平時，單片機系統(tǒng)復(fù)位。,,,,,,,MCS-51的引腳,（29腳）：外部程序存儲器的讀選通輸出信號，低電平有效。在讀外部程序存儲器時CPU會送出有效的低電平信號。,,ALE/PROG（30腳）：地址鎖存允許信號輸出端，高電平有效。在訪問外部存儲器時，該信號將控制P0口送出的低8位地址鎖存到外部地址鎖存器中。,MCS-51的片外總線結(jié)構(gòu),總線：是用來傳送信息的一組導(dǎo)線，它為CPU和其他部件之間提供數(shù)據(jù)、地址、和控制信息的傳輸通道。一般包括：地址總線AB：用來傳送地址信息。地址總線是由CPU出發(fā)的，因而是單向的。地址總線的位數(shù)決定了CPU可直接尋址的內(nèi)存范圍。數(shù)據(jù)總線DB：用于傳送數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)既可以從CPU傳送到存儲器或輸入輸出接口，也可以從存儲器或輸入輸出接口傳送到CPU，因而是雙向的。控制總線CB：用于傳送控制信號。一種是有CPU發(fā)出到存儲器或輸入輸出接口，一種是有輸入輸出接口發(fā)送到CPU的控制信號。,MCS-51的片外總線結(jié)構(gòu),外部總線1.地址總線AB2.數(shù)據(jù)總線DB3.控制總線CB,MCS-51的片外總線結(jié)構(gòu),地址總線AB：寬度為16位；因此，外部存儲器直接尋址為64k字節(jié)。16位地址總線中，有P0口經(jīng)地址鎖存器提供低8為地址A0-A7，P2口直接提供高8位地址A8-A15。數(shù)據(jù)總線DB：寬度為8位，由P0口提供?？刂瓶偩€CB：由P3口的第二功能狀態(tài)和4根獨立控制線組成,第二章MCS-51單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu),MCS-51單片機結(jié)構(gòu)及工作原理MCS-51單片機引腳及外部總線結(jié)構(gòu)CPU時序及輔助電路MCS-51單片機存儲器結(jié)構(gòu),MCS-51的時序：CPU的時序,,時序的基本概念計算機的工作過程就是不斷執(zhí)行指令的過程。CPU每執(zhí)行一條指令，都要進(jìn)行取指令、譯碼、執(zhí)行指令。這些操作都必須按照時間節(jié)拍一步步地順序完成。人們把CPU執(zhí)行一條指令的各個操作所對應(yīng)的脈沖信號遵循的時間順序稱為時序。時序嚴(yán)格地規(guī)定了單片機內(nèi)部以及與外部各功能部件相互配合協(xié)調(diào)工作的時空關(guān)系。時序圖：直觀展現(xiàn)CPU的時序。把執(zhí)行一條指令時對應(yīng)信號線上有關(guān)信息的變化按時間序列以特定的波形表示出來。,MCS-51的時序：CPU的時序,,按指令的執(zhí)行過程，定義了四種周期：振蕩周期：為單片機提供定時信號的振蕩源的周期；時鐘周期：振蕩脈沖二分頻，又稱為狀態(tài)周期S；機器周期：完成一個基本操作（如取指令、讀存儲器等）所需要的時間稱為機器周期。機器周期由6個狀態(tài)周期（12個振蕩周期）組成。指令周期：CPU執(zhí)行一條指令所需要的時間，可包含1~4個機器周期。,MCS-51的復(fù)位和復(fù)位電路,,復(fù)位計算機在啟動運行時都需要復(fù)位，使CPU和系統(tǒng)中的其他部件都處在一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。只要在MCS-51單片機的RST引腳輸入24個振蕩周期（即2個機器周期）以上的高電平，單片機即被復(fù)位。復(fù)位是單片機系統(tǒng)的初始化操作，系統(tǒng)復(fù)位后會對專用寄存器和單片機的個別引腳信號有影響，復(fù)位后對一些專用寄存器的影響情況如下：,（PC）=0000H：系統(tǒng)復(fù)位后，使單片機從0000H單元開始執(zhí)行程序。（SP）=07H：單片機自動把堆棧的棧底設(shè)置在內(nèi)部RAM07H單元，從08H單元開始存儲數(shù)據(jù)。其余的專用寄存器在復(fù)位后都全部清“0”。此外，復(fù)位操作還對單片機的個別引腳信號有影響，如把ALE和PSEN信號變?yōu)闊o效狀態(tài)，即ALE=1，PSEN=1。復(fù)位操作對內(nèi)部RAM不產(chǎn)生影響。,MCS-51的復(fù)位和復(fù)位電路,,第二章MCS-51單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu),MCS-51單片機結(jié)構(gòu)及工作原理MCS-51單片機引腳及外部總線結(jié)構(gòu)CPU時序及輔助電路MCS-51單片機存儲器結(jié)構(gòu),存儲器：儲存二進(jìn)制信息的數(shù)字電路器件。存儲器包括主存儲器和外存儲器。外存儲器（外存）指各種大容量的磁盤存儲器、光盤等。存儲器（內(nèi)存）指能與CPU直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的半導(dǎo)體存儲器。半導(dǎo)體存儲器：按讀、寫功能可以分為隨機讀/寫存儲器RAM和只讀存儲器ROM。隨機讀/寫存儲器RAM在斷電后再通電時，原存的信息全部丟失。它主要用來存放臨時的數(shù)據(jù)和程序。只讀存儲器ROM在使用時，只能讀出信息，而不能寫入，且在斷電后ROM中的信息仍然保留。它主要用來存放固定不變的程序和數(shù)據(jù)。,,Intel單片機系列,,,,MCS-51的存儲器結(jié)構(gòu),,ROM按生產(chǎn)工藝分，又可以分為以下幾種：掩膜ROM：其存儲的信息在制造過程中采用光刻工藝生成，一旦出廠，信息就不可改變。可編程只讀存儲器PROM：其存儲的信息可由用戶通過特殊手段一次性寫入，但只能寫入一次?？刹脸蛔x存儲器：其存儲的信息用戶可以多次擦除，并可用專用的編程器重新寫入新的信息?？刹脸蛔x存儲器又可分為紫外線擦除的EPROM、電擦除的EEPROM和FlashROM。,只讀存儲器ROM,MCS-51的存儲器結(jié)構(gòu),,物理結(jié)構(gòu)上，8051有四個存儲空間：,程序存儲器存放編好的程序和常數(shù)表格。它應(yīng)該是ROM還是RAM？,數(shù)據(jù)存儲器存放運算的中間結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖以及標(biāo)志位等。它應(yīng)該是ROM還是RAM？,MCS-51的存儲器結(jié)構(gòu),,物理結(jié)構(gòu)上，8051有四個存儲空間：,邏輯上，即從用戶編程的角度看，8051只有三個存儲空間：,當(dāng)單片機的EA引腳為1:同時使用片內(nèi)外的ROM若程序計數(shù)器PC的值在4KB（0000H～0FFFH）范圍內(nèi)，CPU訪問片內(nèi)ROM，執(zhí)行片內(nèi)ROM中的程序；若PC的值大于0FFFH（0FFFH～FFEFH），CPU將自動訪問片外ROM。單片機的EA引腳為0:只使用片外ROM，丟棄片內(nèi)ROMCPU的所有取指令操作均訪問片外ROM，這是片外ROM從0000H開始編址。,MCS-51的存儲器結(jié)構(gòu)：程序存儲器,,8051內(nèi)共有4KB掩膜ROM，片外可接60KB的EPROM，片內(nèi)外統(tǒng)一編址,程序存儲器的兩種配置,MCS-51的存儲器結(jié)構(gòu)：程序存儲器,,問題：單片機復(fù)位后，程序計數(shù)器PC的內(nèi)容為0000H，即系統(tǒng)從0000H單元開始執(zhí)行程序。然而，由于0003H單元被保留，不能存放用戶程序。我們怎么存放大量的程序？解決的方法：所以，一般在0000H～0002H單元，存放一條無條件轉(zhuǎn)移指令（類似goto），從而程序可從轉(zhuǎn)移后的地址開始存放。這樣，CPU復(fù)位后，PC可以從0000H起始地址跳轉(zhuǎn)到用戶程序去執(zhí)行。,在程序存儲器中，有6個地址單元被保留用于某些特定地址,MCS-51的存儲器結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)存儲器,,數(shù)據(jù)存儲器(RAM)：用于存放數(shù)據(jù)、運算的中間結(jié)果和標(biāo)志等,片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器：8位地址，共256個字節(jié)存儲單元。對片內(nèi)RAM使用MOV指令訪問；片外數(shù)據(jù)存儲器：16位地址，最大可擴展至64K字節(jié)；對片外RAM使用MOVX指令訪問；,,,MCS-51的存儲器結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)存儲器,,,片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器的低128字節(jié),00H～1FH為通用工作寄存器區(qū)，分為4組，每組8個工作寄存器R0～R7，每個寄存器一個字節(jié)。在任一時刻，CPU只能使用其中一組通用寄存器，稱為當(dāng)前通用寄存器組。由程序狀態(tài)寄存器PSW中RS1，RS0位的狀態(tài)組合來確定。通用寄存器為CPU提供了就近存取數(shù)據(jù)的便利，提高了工作速度，也為編程提供了方便。,片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器,,MCS-51的存儲器結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)存儲器,,,片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器的低128字節(jié),20H～2FH為位尋址區(qū)。16個字節(jié)共128位，每一位都分配一個8位地址，稱為位地址，其范圍是00H～7FH。位尋址區(qū)既可作為一般的RAM區(qū)進(jìn)行字節(jié)操作；也可對單元的每一位進(jìn)行位操作，因此稱為位尋址區(qū)，是存儲空間的一部分。30H～7FH為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，用來存放數(shù)據(jù)。用戶堆棧一般設(shè)在這個區(qū)間。,片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器,,,MCS-51的存儲器結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)存儲器,,,片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器的高128字節(jié),片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器,內(nèi)部RAM高128單元是供給專用寄存器使用的，因此稱之為專用寄存器區(qū)（也稱為特殊功能寄存器區(qū)（SFR）區(qū)），單元地址為80H~0FFH。這些特殊功能寄存器中，A、B、PSW、SP、DPTR等已在前面介紹過，其他的留在后面的有關(guān)章節(jié)介紹。,