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單片機原理及應用,MCS-51單片機原理及應用,西南大學.工程技術學院,單片機原理及應用,單片機的組成,I/O端口,單片機存儲器配置,第章單片機結構,本章內容提要,最小系統(tǒng),單片機原理及應用,MCS-51單片機硬件結構,結構框圖,中央處理器CPU：8位，運算和控制功能,內部RAM：共256個RAM單元，用戶使用前128個單元，用于存放可讀寫數(shù)據(jù)，后128個單元被專用寄存器占用。,內部ROM：4KB掩膜ROM，用于存放程序、原始數(shù)據(jù)和表格。,定時/計數(shù)器：兩個16位的定時/計數(shù)器，實現(xiàn)定時或計數(shù)功能。,并行I/O口：4個8位的I/O口P0、P1、P2、P3。,串行口：一個全雙工串行口。,中斷控制系統(tǒng)：5個中斷源（外部中斷2個，定時/計數(shù)中斷2個，串行中斷1個）,時鐘電路：可產(chǎn)生時鐘脈沖序列，允許晶振頻率至12MHZ,單片機原理及應用,8051單片機內部結構,單片機原理及應用,CPU由運算器、控制器組成,控制器：程序計數(shù)器(PC)16位指令寄存器指令譯碼器數(shù)據(jù)指針定時控制邏輯、復位電路、堆棧指針、時鐘發(fā)生器,運算器：累加器Acc算邏單元ALU程序狀態(tài)寄存器PSW存放程序運行中的各種狀態(tài)信息(P13)B寄存器、暫存器、十進制調整電路、布爾處理器,單片機原理及應用,MCS-51單片機信號引腳簡介,P3口線的第二功能,VCC,VSS,XTAL2XTAL1,RST,P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7,P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7,P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0,ALE,P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7,2、振蕩電路：XTAL1、XTAL2,3、復位引腳：RST,4、并行口：P0、P1、P2、P3,7、ALE：地址鎖存控制信號,1、電源線：VCC(+5V)、VSS(地),單片機原理及應用,三個獨立的存儲器空間：64KB程序存儲器空間（0~0FFFFH）256B內部RAM空間（0~0FFH)包括：128B內部特殊功能寄存器空間（80~0FFH)、7F位尋址空間（0~07FH)64K外部數(shù)據(jù)存儲器空間（0~0FFFFH),2.2MCS51存儲器配置,單片機原理及應用,3.存儲器,80318751805189C51,,,256B（字節(jié)）,4K,,64K,,64K,,,,,單片機原理及應用,,程序存儲器,程序存儲器,內部,外部,(PC),程序存儲器資源分布,中斷入口地址,單片機原理及應用,ROM,2.2MCS－51存儲器配置,外部ROM,內部ROM,0FFFFH,0FFFH,0000H,16位PC2160~0FFFFH64KB,EA接VSS忽略內部ROM,總是從外部ROM中取指,在CPU訪問外ROM時，PSEN輸出負脈沖,內部無ROM的(如8031)，EA必須接地,單片機原理及應用,使用內部ROM,,8051,,EA,,,,,,Vcc,,單片機原理及應用,內部,外部,,數(shù)據(jù)存儲器,數(shù)據(jù)存儲器,,RAM,專用寄存器,內部RAM存儲器,工作寄存器區(qū)選擇位RS0、RS1,,,單片機原理及應用,MSB——MostSignificantBit（最高有效位）LSB——LeastSignificantBit（最低有效位）,RAM位尋址區(qū)位地址表,,單片機原理及應用,高128個單元,,☆離散分布有21個特殊功能寄存器SFR。,☆11個可以進行位尋址。,☆特別提示：對SFR只能使用直接尋址方式，書寫時可使用寄存器符號，也可用寄存器單元地址。,單片機原理及應用,內部RAM特殊功能寄存器SFR片外64KRAM空間,2.2MCS51存儲器配置,單片機原理及應用,四個雙向8位輸入/輸出口P0~P3，每口由鎖存器、輸入/輸出緩沖器、輸出驅動電路、輸出控制電路構成。P0口的結構1.作一般I/O口2.地址/數(shù)據(jù)總線的A0~A7/D0~D7P1口帶上拉電阻，每一位可分別定義為輸入線/輸出線P2口1.輸入/輸出口2.系統(tǒng)擴展高位地址總線A8~A15P3口多功能口每一位可分別定義為第一功能或第二功能,2.3I/O端口結構,單片機原理及應用,4、并行輸入/輸出電路結構,P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7,P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7,P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0,P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7,4個8位并行I/O口：P0，P1，P2，P3,均可作為雙向I/O端口使用。,特點：,P0：1.作一般I/O口2.地址/數(shù)據(jù)總線的A0~A7/D0~D7，訪問片外擴展存儲器時，復用為低8位地址線和數(shù)據(jù)線,P2：1.輸入/輸出口2.系統(tǒng)擴展高位地址總線A8~A15,P1：雙向I/O端口帶上拉電阻，每一位可分別定義為輸入線/輸出線,P3：多功能口每一位可分別定義為第一功能或第二功能,,單片機原理及應用,P0口位結構,單片機原理及應用,P1口的位結構,,,,,,,,,,,,DP1.iQ鎖存器CLQ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,讀鎖存器,內部總線,寫鎖存器,讀引腳,內部上拉電阻,Vcc,2,1,V1,,P1.i引腳,單片機原理及應用,,P2口的位結構,單片機原理及應用,控制線（4條）：ALE/PROG：雙功能引腳由于P0口的8個引腳是低8位地址總線與數(shù)據(jù)總線分時復用，因此必須將P0口輸出的低8位地址進行鎖存。在訪問片外存儲器時，每機器周期該信號出現(xiàn)2次。其下降沿用于控制鎖存P0口輸出的低8位地址。即使不訪問片外存儲器，該引腳上仍出現(xiàn)上述頻率的周期性信號，因此也可作為對外輸出的時鐘脈沖，頻率為振蕩器頻率的1/6，必須注意的是：在訪問片內外存儲器時，ALE脈沖會跳空1個。PSEN：片外程序存儲器讀選通信號輸出端在CPU從片外程序存儲器取指期間，此信號每個機器周期兩次有效，以通過P0口讀入指令，在訪問片外數(shù)據(jù)存儲器時，該信號不出現(xiàn)。,單片機原理及應用,EA/Vpp：雙功能引腳為片外程序存儲器選用端。當該引腳信號有效時，選擇片外程序存儲器，即EA/Vpp=1時，訪問片內程序存儲器。對片內含有EPROM的機型，此引腳在編程期間用于施加+21v的編程電壓。RST/VPO：雙功能引腳在單片機工作期間，當此引腳上出現(xiàn)連接2個機器周期的高電平時可實現(xiàn)復位操作，詳見2.4節(jié)。在Vcc掉電期間，若該引腳接備用電源（+5v），可向片內RAM供電，以保存片內RAM中的信息。,,,單片機原理及應用,時鐘電路1.利用內部時鐘電路2.外部方式CPU時序1.時鐘周期2.機器周期3.指令周期4.時序,2.4時序電路,單片機原理及應用,單片機時鐘電路通常有兩種形式：1．內部振蕩方式：MCS-51單片機片內有一個用于構成振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。把放大器與作為反饋元件的晶體振蕩器或陶瓷諧振器連接，就構成了內部自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時鐘脈沖。2．外部振蕩方式：外部振蕩方式就是把外部已有的時鐘信號引入單片機內。,單片機原理及應用,內部振蕩方式,外部振蕩方式,返回本節(jié),外接晶振,單片機原理及應用,1．振蕩周期：為單片機提供時鐘信號的振蕩源的周期。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。3．機器周期：通常將完成一個基本操作所需的時間稱為機器周期。4．指令周期：是指CPU執(zhí)行一條指令所需要的時間。一個指令周期通常含有1～4個機器周期。,單片機原理及應用,振蕩器輸出的振蕩脈沖經(jīng)2分頻后作為內部節(jié)拍信號，作單片機內部各部件協(xié)調工作的控制信號，其周期稱為時鐘周期。計算機一條指令的執(zhí)行分幾個階段，每一階段完成一項規(guī)定的操作，完成某一規(guī)定操作所需的時間稱為一個機器周期。對MCS—51系列單片機，6個時鐘周期構成一個機器周期。CPU執(zhí)行一條指令所需的時間為指令周期。指令周期以機器周期為單位，MCS—51系列單片機的指令多為單周期、雙周期指令，只有乘除指令為4周期指令，若用12MHZ晶振，則單周期指令、雙周期指令的執(zhí)行時間分別為1μs和2μs，而乘除指令則需4μsCPU時序：MCS—51系列單片機的一個機器周期包含6個時鐘周期。我們用S1、S2、……、S6表示，每個時鐘周期的2個振蕩節(jié)拍用P1、P2表示，則一個機器周期包括12個振蕩周期，不同周期、不同字節(jié)數(shù)的指令時序不同。,單片機原理及應用,MCS-51單片機各種周期的相互關系,單片機原理及應用,單片機原理及應用,,8051,,,,,,,,,,,,,,,XTAL2,XTAL1,C1,C2,,外接晶振電路,,,,,,Vss,單片機原理及應用,單片機復位電路及復位狀態(tài),1．復位電路單片機復位電路包括片內、片外兩部分。外部復位電路就是為內部復位電路提供兩個機器周期以上的高電平而設計的。MCS-51單片機通常采用上電自動復位和按鍵手動復位兩種方式。2．單片機復位后的狀態(tài)單片機運行出錯或進入死循環(huán)時，可按復位鍵重新運行。21個特殊功能寄存器復位后的狀態(tài)為確定值。,單片機原理及應用,復位電路,單片機原理及應用,表2-6單片機復位后特殊功能寄存器的狀態(tài),返回本節(jié),單片機原理及應用,,復位和復位電路,,,單片機原理及應用,現(xiàn)在是答問時間,,