单片机 第二章课件.docx
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单片机第二章课件
第一讲
课题：
第二章MCS-51单片机结构一
教学目的：
MCS-51单片机的内部结构
教学难点、重点：
内部结构
作业：
见后页
I、课程复习、引入
中断、接口、寄存器、存储器、堆栈
取指令译码执行指令
II、本课内容
一、关于单片机的概述和相关概念
1、单片机概念：
单片机的全称为单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）。
因为单片机主要用语于控制系统中，所以又称微控制器（MicrocontrollerUnit,MCU）或嵌入式控制器（EmbeddedController）。
它具有嵌入式应用系统所要求的体系结构，微处理器，指令系统，总线方式，管理模式等。
它把计算机的基本部件微型化并集成到一块芯片上，通常片内都含有中央处理部件（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM、EPROM、FlashROM）、定时器/计数器和各种输入/输出（I/O）接口，如RS-232串行通信口，中断控制，系统时钟及系统总线等。
它们之间的相互连结结构如图。
2、片上系统：
把一个微型的应用系统集成在一块芯片,称其为片上系统SOC（SystemonChip）片上系统。
这个应用系统不仅有单片机的cpu、基本接口，还包括A/D、D/A、看门狗定时器、LCD控制器、局域网控制器等，使得集成电路发展成集成系统。
3、嵌入式系统
嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。
它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。
二、初步认识单片机系统电路
1、原理框架图
一个温度测量并显示的框架图
2、应用系统电路图
8位A／D、D／A转换系统。
CPU：
AT89C51单片机
●128BRAM和4KBEEPROM，该芯片EEPROM容量已够用，不再外扩存储器
●AD：
8位输入A／D（TLC549）从Pl口输入CPU，
●DA：
D／A转换输出（0832），从P0口输出数据
●键盘、显示：
4X3键盘输入和标准打印机口由P1、P2、P0口组合实现
●串口：
P3口的TXD和RXD引脚与MAX232芯片相接组成标准RS—232接口可与上位机实现通信
●串行EEPROM：
系统设计由24C02（EEPROM）
●传感器：
DSl8B20数字温度传感器，随时可以测量系统的环境温度并将温度值记录在随机存取的24C02中。
3、原理框图样例
一个发射机监控系统的原理框图，能够检测发射机上的模拟量、开关量，并输出模拟量和开关量。
III、第一章小结
1、掌握微机的组成框图
2、掌握微机相关的基本概念：
中断、接口、寄存器、存储器、堆栈、微机工作过程、汇编语言、指令系统。
3、掌握单片机相关概念：
单片机、片上系统、嵌入式系统、ISP、IAP、WATCHDOG
IV、作业
1、通过查阅资料简述单片机的应用领域，并举例说明一个单片机应用系统。
（作业本）
2、从以下提示中选取一个主题，以小组（每组3—4人，自由组合）为单位完成一份调查报告，题目自拟，字数不限，完成期限为四周。
1）目前单片机的主要厂家和机型，各芯片的主要性能指标
2）单片机的应用领域
3）单片机应用系统的研发方法以及过程
4）单片机工艺方面的内容
5）单片机发展过程
6）自拟单片机相关内容主题
第二章MCS-51单片机的结构
2.1MCS-51单片机的外特性
MCS-51系列单片机产品有8051.8031.8075.80C51.80C31等型号。
它们的结构基本相同，其主要差别反映在存储器的配置上有所不同。
●8051内部设有4KB的掩摸ROM程序存储器
●8031片内没有程序存储器
●8751是将8051片内的ROM换成EPROM
本章将对8051单片机的结构进行介绍。
MC5-51系列单片机的外型封装有两种方式，双列直插式封装（PDIP）和方形封装（PLCC.MQFP）。
8051.8031.8751的40条引脚均采用双列直插式封装。
8051BH.80C31BH采用方形封装的。
方形封装有44条引脚，但其中4条引脚（标为NC）是空脚。
图2-1（a）为两种封装的引脚排列图。
图2—1MCS—51单片机引脚及总线结构
2.1.1引脚说明
40条引脚功能说明如下：
（1）主电源引脚VSS和VCC。
●VSS电源地。
●VCC正常工作电压+5V。
（2）时钟电路引脚XTAL1和XTAL2。
●XTAL1片内振荡电路输入端，是外接晶体的一个引脚。
当采用外部震荡器时，此引脚接地。
●XTAL2片内震荡电路输出端，是外接晶体的另一端。
当采用外部振荡器时，此引脚接外部振荡源。
（3）控制信号引脚RST/VPDALE/PROGPSEN和EA/VPP。
●RST/VPD复位控制输入/断电时，提供备用电源输入。
当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平（由低到高跳变），使单片机复位。
在VCC掉电时，此引脚可接上备用电源，由VPD向片内RAM提供备用电源，以保持片内RAM中的数据不丢失。
●ALE/PROG允许地址琐存输入/编程脉冲输入。
a.正常工作时为ALE（允许地址锁存）功能，提供把低字节地址锁存到外部锁存器的信号。
ALE引脚以不变的频率（振荡频率为1/6）周期性地发出正脉冲信号。
b.它还可对外输出时钟信号，或用于定时目的。
但要注意：
每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
ALE端可以驱动（吸收或输出电流）8个TTL电路。
c.对于EPROM型单片机,在EPROM编程期间，此引脚接收编程脉冲（PROG功能）。
●PSEN片外程序存储器读选通信号输出。
从外部程序存储器中取指令（或数据）期间，PSEN在每个机器周期内两次有效。
PSEN同样可以驱动8个TTL电路。
●EA/VPP片内片外程序存储器选择输出/编程电压输入
a.当EA为高电平时，访问片内程序存储器（程序计数器PC值小于4KB）；当EA为低电平时，则访问外部程序存储器。
b.对EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚上加21VEPROM编程电源VPP
（4）输入/输出（I/O）端口引脚P0.0-P0.7、P1.0-P1.7、P2.0-P2.7、P3.0-P3.7。
4个8位端口的特性：
●不能都用作用户的I/O口，除80518751外真正可归用户使用的I/O口只有P1口以及作为第一功能使用时的P3口
●
I/O的负载驱动能力：
P0口的每条口线能以吸收电流方式驱动8个TTL电路。
P1、P2、P3口均只能驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL电路
●P3口具有双重功能
2.1.2外部总线
MCS-51单片机系统采用三总线结构，通过三总线和外部扩充部件相连。
三总线分别为地址总线数据总线和控制总线。
（1）地址总线（AB）宽度为16位，因此，对外接存储器可直接寻址范围是64KB。
16位地址的高8位由P2口直接输入（A15-A8），P0口输出低8位地址（A7-A0），在允许地址锁存信号ALE作用下，将该低8位地址锁存到外部地址锁存器中，从而让P0口接收数据做准备。
P0是地址/数据共用的端口。
（2）数据总线（DB）宽度为8位，由P0口提供（D7-D0）
（3）控制总线（CB）由上述4条控制线RST/VPDALE/PROGPSEN和EA/VPP和P3口的第二功能状态组成。
2.2MCS-51单片机内部结构
2.2.1MCS-51的组成
MCS-51单片机是在一块芯片中集成了CPURAMROM定时器/计数器和多种功能的I/O口等一台计算机所需要的基本功能部件。
单片机内包含下列几个部件：
（1）
一个8位CPU。
（2）一个片内振荡器及时钟电路。
（3）4KBROM程序存储器。
（4）128BRAM程序存储器。
（5）两个16位定时器/计数器。
（6）可寻址64KB外部数据存储器和64KB外部程序存储器空间的控制电路。
（7）32条可编程的I/O线（4个8位并行I/O端口）。
（8）一个可编程全双工串行接口。
（9）具有5个中断源两个优先级嵌套中断结构。
图2—38051内部结构框图
2.2.2CPU
CPU是单片机的核心部件。
它由运算器和控制器等部件组成。
1.运算器
●运算器的功能是进行算术运算和逻辑运算。
可以对半字节（4位）单字节等数据进行操作。
●8051运算器还包含有一个布尔处理器，用来处理位操作。
2.程序计数器PC
●程序计数器PC用来存放即将要执行的指令地址，共16位，可对64KB程序存储器直接寻址。
执行指令时，PC内容的低8位经P0口输出，高8位经P2口输出。
3.指令寄存器
●指令寄存器中存放指令代码。
CPU执行指令时，由程序存储器中读取的指令代码送入指令寄存器，经译码器译码后由定时与控制电路产生相应的控制信号，完成指令功能。
4.定时与控制部件
1）时钟电路
时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟信号P1和P2供单片机使用。
P1在每一个状态S的前半部分有效。
P2在每个状态的后半部分有效。
典型的晶振频率：
6、12、11.0592、24，单位：
MHz
2）时序：
指令周期、机器周期、状态、时相、振荡周期
MCS--51典型的指令周期（执行一条指令的时间称指令周期）为一个机器周期,一个机器周期由6个状态（12振荡周期）组成。
每个状态又被分成两个时相P1和P2。
所以,一个机器周期可以依次表示为S1P1，S1P2，…S6P1，S6P2。
通常算术逻辑操作在P1时相进行,而内部寄存器传送在P2时相进行.
这些内部时钟信号不能从外部观察到,所以用XTAL2振荡信号作参考.在图中可看到,低8位地址的锁存信号ALE在每个机器周期中两次有效:
一次在S1P2与S2P1期间,另一次在S4P2与S5P1期间.
对于单周期指令,当操作码被送入指令寄存器时,便从S1P2开始执行指令.如果是双字节单机器周期指令,则在同一机器周期的S4期间读入第二个字节;若是单字节单机器周期指令,则在S4期间仍进行读,但所读的这个字节操作码被忽略,程序计数器也不加1.在S6P2结束时完成指令操作.阁2-5（A）和（B）给出单字节单机器周期和双字节单机器周期指令的时序.
8051指令大部分在一个机器周期内执行完.乘（MUL）和除（DIV）指令是仅有的需要两个以上机器周期的指令,占用4个机器周期.
对于双字节单机器周期指令,通常是在一个机器周期内从程序存储器中读入两个字节,惟有MOVX指令例外。
MOVX是访问外部数据存储器的单字节双机器周期指令.在执行MOVX指令期间,外部数据存储器被访问且被选通时跳过两次取指操作.图2-5中（C）和（D）给出了一般单字节双机器周期指令的时序.
2.2.3存储器
MCS--51单片机的程序存储器和数据存储器空间是互相独立的,物理结构也不同.程序存储器为只读存储器（ROM）。
数据存储器为随机存取存储器（RAM）.单片机的存储器编址方式采用与工作寄存器、I/O口锁存器统一编址的方式.有关存储器的内容将在下一节中详述.
2.2.4I/O端口
MCS--51单片机设有4个8位双向I/O端口（P0、P1、P2、P3）,每一条I/O线都能独立地用做输入或输出.P0口为三态双向口，能带8个TTL电路。
P1、P2、P3口为准双向口（在用做输入线时,口锁存器必须先写入1”,故称为准双向口）,负载能力为4个TTL电路.
1.端口功能
1）P0口
P0口可以作为输入\输出口,但在实际应用中通常作为地址\数据总线口,即低8位地址与数据线分时使用P0口.低8位地址由ALE信号的负跳变使它锁存到外部地址锁存器中,而高8位地址由P2口输出（P0口和P2口地址\数据总线功能）
2）P1口
P1口每一位都能作为可编程的输入或输出线.
3）P2口
P2口可以作为输入口或输出口使用,外接I/O设备时,又为扩展系统的地址总线,输出高8位地址,与P0口一起组成16位地址总线.对于8031单片机来说,P2口一般只作为地址总线使用,而不作为I/O线直接与外设相连接.
4）P3口
P3口为双功能口.作为第一功能使用时,其功能同P1口.当作第二功能使用时,每一位功能定义如表所示.
端口引脚
第二功能
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
INT0（外部中断0输入线）
P3.3
INT1（外部中断1输入线）
P3.4
T0（定时器0外部输入）
P3.5
T1（定时器1外部输入）
P3.6
WR（外部数据存储器写选通信号输出）
P3.7
RD（外部数据存储器读选通信号输出）
2.端口操作
1）P0口
●P0口是一个三态双向口,可作为地址/数据分时复用口,也可作为通用I/O接口。
其1位的结构原理如图。
●地址/数据分时复用功能
当P0口作为地址/数据分时复用总线时,可分为两种情况：
一种是从P0口输出地址或数据，另一种是从P0口输入数据。
●通用I/O接口功能
当P0口作为通用I/O接口时,要注意两点:
第一,在输出数据时,由于V2截止,输出级是漏极开路电路,要使“1”信号正常输出,必须外接上拉电阻。
第二,P0口作为通用I/O使用时是一准双向口。
2）P1口
P1口为准双向口,其1位的内部结构如图所示。
它在结构上与P0口的区别在于输出驱动部分,当其某位输出高电平时,可以提供拉电流负载,不必象P0口那样需要外接电阻。
从功能上来看P1只有一种功能,即通用输入输出I/O接口,具有输入、输出、端口操作3种工作方式,每1位口线能独立地用作输入或输出线。
3）P2口
P2口也是一准双向口,其1位的内部结构如图所示。
它具有通用I/O接口或高8位地址总线输出两种功能。
其工作原理与P1相同,也具有输入、输出、端口操作三种工作方式,负载能力也与P1口相同。
4）P3口
P3口的1位结构如图所示。
P3口除了可作为通用准双向I/O接口外,每1根线还具有第2功能。
当P3口作为通用I/O接口时,第2功能输出线为高电平,使与非门3的输出取决于口锁存器的状态。
在这种情况下,P3口仍是1个准双向口,它的工作方式、负载能力均与P1、P2口相同。
2.2.5复位和复位电路
MCS—51单片机的复位电路如图2—7所示。
1.复位电路
通过某种方式,使单片机内各寄存器的值变为初始状态的操作称为复位。
MCS—51单片机在时钟电路工作以后,在RST/VPD端持续给出2个机器周期（24个振荡器周期）的高电平就可以完成复位操作（一般复位正脉冲宽度大于10ms）。
复位分为上电复位和外部复位两种方式。
2.复位状态
MCS—51单片机复位后,程序计数器PC和特殊功能寄存器复位的状态如表2―2所示。
复位不影响片内RAM存放的内容,而ALE、在复位期间将输出高电平。
由表2―2可以看出:
（1）（PC）=0000H表示复位后程序的入口地址为0000H;
（2）（PSW）=00H,其中RS1（PSW.4）=0,RS0（PSW.3）=0,表示复位后单片机选择工作寄存器0组;
（3）（SP）=07H表示复位后堆栈在片内RAM的08H单元处建立;
（4）P0口～P3口锁存器为全1状态,说明复位后这些并行接口可以直接作输入口,无须向端口写1;
（5）定时器/计数器、串行口、中断系统等特殊功能寄存器复位后的状态对各功能部件工作状态的影响,将在后续有关章节介绍。
寄存器
内容
寄存器
内容
PC
ACC
B
PSW
SP
DPTR
P0—P3
IP
IE
0000H
00H
00H
00H
07H
0000H
0FFH
×××00000
0××00000
TMOD
TCON
TH0
TL0
TH1
TL1
SCON
SBUF
PCON
00H
00H
00H
00H
00H
00H
00H
不定
0×××××××
复位后，各内部寄存器状态见表2—2。
只要RST端保持10MS以上的高点平就能使MCS—51单片机有效地复位。
复位电路中的RC参数通常由实验调整。
当振荡频率选用6MHZ时，CR选22uF、RR选1K便能可靠地实现加电自动复位。
V、本课小结
1、掌握MCS-51的组成
2、掌握程序计数器PC
3、I/O各个端口的特点、作用
4、复位的条件以及寄存器的复位状态
VI、作业
44-2-1、2-2
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