片机介绍原理及应用.ppt
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1、51单片机原理及应用2第第 2 章章 MCS-51单片机基本结构单片机基本结构2.12.1引脚及功能引脚及功能引脚及功能引脚及功能2.22.2结构及组成结构及组成结构及组成结构及组成2.32.3存储器结构存储器结构存储器结构存储器结构2.42.4并行并行并行并行I/OI/O口电路口电路口电路口电路 2.5 2.5 时钟电路与时序时钟电路与时序时钟电路与时序时钟电路与时序2.62.6工作方式工作方式工作方式工作方式 3(a)管脚图管脚图 (b)引脚功能分类引脚功能分类 MCS-51MCS-51系列单片机芯片引脚系列单片机芯片引脚系列单片机芯片引脚系列单片机芯片引脚4(a)引脚排列引脚排列 (b)
2、逻辑符号逻辑符号 80C5180C51单片机芯片引脚单片机芯片引脚单片机芯片引脚单片机芯片引脚52.1 MCS-51系列单片机芯片引脚及其功能系列单片机芯片引脚及其功能80C51是标准的是标准的40引脚双列直插封装(引脚双列直插封装(DIP)集成电路芯片)集成电路芯片1.1.主电源和时钟振荡电路引脚主电源和时钟振荡电路引脚主电源和时钟振荡电路引脚主电源和时钟振荡电路引脚lVCC(40脚)脚)运行和程序校验时接运行和程序校验时接+5V电源电源lVSS(20脚脚)地线地线lXTAL1(19脚脚)用用作作晶晶体体振振荡荡电电路路的的反反相相器器输输入入端端,内内部部接接至至振振荡荡器器的的反反相相放
3、放大大器器。当当采采用用外外部部时时钟钟时时,对对于于HMOS单单片片机机,该该引引脚脚接接地地;对对于于CHMOS单单片片机机,该该引引脚脚作作为为外外部部振振荡荡信号的输入端。信号的输入端。lXTAL2(18脚)脚)用用作作晶晶体体振振荡荡电电路路的的反反相相器器输输出出端端,内内部部接接至至时时钟钟发发生生器器。当当采采用用外外部部时时钟钟时时,对对于于HMOS单单片片机机,该该引脚接收振荡器信号;对于引脚接收振荡器信号;对于CHMOS单片机,该引脚悬浮。单片机,该引脚悬浮。62.2.输入输入输入输入/输出(输出(输出(输出(I/OI/O)引脚)引脚)引脚)引脚l(39脚脚32脚)脚):
4、8位漏极开路的双向位漏极开路的双向I/O口口当使用片外当使用片外ROM和和RAM时,用作低时,用作低8位地址和数据分时复用。位地址和数据分时复用。l(1脚脚8脚)脚):8位带上拉电阻的准双向位带上拉电阻的准双向I/O口口在在编编程程/校校验验期期间间,用用作作输输入入低低8位位地地址址。对对于于8052,是是定定时时器器T2的计数输入端;的计数输入端;是定时器是定时器T2的外部输入端。的外部输入端。l(21脚脚28脚)脚):8位带上拉电阻的准双向位带上拉电阻的准双向I/O口口当使用片外当使用片外ROM和和RAM时,输出高时,输出高8位地址。位地址。l(10脚脚17脚)脚):8位带上拉电阻的准双
5、向位带上拉电阻的准双向I/O口口 P3口具有第二功能口具有第二功能在在单单片片机机中中,“口口”是是一一个个集集数数据据输输入入缓缓冲冲、输输出出驱驱动动及及锁锁存等多项功能于一体的存等多项功能于一体的I/OI/O电路。电路。7P3P3口的第二功能口的第二功能口的第二功能口的第二功能83.3.控制信号引脚控制信号引脚控制信号引脚控制信号引脚lRST/VPD(9引脚):引脚):RST为复位信号输入端。为复位信号输入端。当当RST端保持端保持2个机器周期以上高电平时,单片机完成复位操作。个机器周期以上高电平时,单片机完成复位操作。第第二二功功能能VPD为为内内部部RAM的的备备用用电电源源输输入入
6、端端。当当主主电电源源VCC发发生生断断电电,降降到到一一定定电电压压值值时时,可可通通过过VPD为为单单片片机机内内部部RAM提提供供电电源,以保护片内源,以保护片内RAM中的信息不丢失,上电后能继续正常运行。中的信息不丢失,上电后能继续正常运行。lALE/PROG(30引脚)引脚):ALE为地址锁存允许信号为地址锁存允许信号在在系系统统扩扩展展时时,ALE用用于于控控制制把把P0口口输输出出的的低低8位位地地址址送送入入锁锁存存器器锁存起来,以实现低锁存起来,以实现低8位地址和数据的分时传送。位地址和数据的分时传送。由由于于ALE是是以以1/6晶晶振振频频率率的的固固定定频频率率输输出出的
7、的正正脉脉冲冲,故故可可作作为为外外部时钟或外部定时脉冲使用。部时钟或外部定时脉冲使用。ALE可驱动可驱动8个个LSTTL门。门。第二功能第二功能PROG是对是对8751内部内部EPROM编程时的编程脉冲输入端。编程时的编程脉冲输入端。9lPSEN(29引脚)引脚):外部程序存储器(:外部程序存储器(ROM)读选通信号)读选通信号访问外部访问外部ROM时,时,PSEN产生负脉冲作为外部产生负脉冲作为外部ROM选通信号。选通信号。访问外部访问外部RAM或内部或内部ROM时,不会产生有效的时,不会产生有效的PSEN信号。信号。PSEN可驱动可驱动8个个LSTTL门。门。lEA/VPP(31引脚):
8、引脚):EA为访问程序存储器(为访问程序存储器(ROM)控制信号)控制信号对对8051和和8751,它它们们的的片片内内有有4KB的的ROM,当当EA为为高高电电平平时时,若若访访问问的的地地址址空空间间在在04KB范范围围内内,CPU访访问问片片内内ROM;若若访访问的地址范围超过问的地址范围超过4KB时,时,CPU将自动访问外部将自动访问外部ROM。EA保持低电平,则访问外部保持低电平,则访问外部ROM。对于对于8031,EA必须接地,只能访问外部必须接地,只能访问外部ROM。第二功能为对第二功能为对8751的的+25V编程电源输入。编程电源输入。10图图 MCS-51系列单片机内部结构简
9、化框图系列单片机内部结构简化框图 2.2 MCS-51系列单片机结构及组成系列单片机结构及组成CPU11ppMCSMCS 5151系列单片机由系列单片机由系列单片机由系列单片机由8 8大部分组成:大部分组成:大部分组成:大部分组成:一个一个8位位CPU,包括运算器和控制器。,包括运算器和控制器。128个字节(个字节(52子系列为子系列为256字节)的片内字节)的片内RAM。4KB(52子子系系列列为为8KB)的的片片内内ROM或或EPROM(8031和和8032无)无)18个(个(52子系列为子系列为21个)特殊功能寄存器个)特殊功能寄存器SFR。4个个8位并行位并行I/O接口:接口:P0口、
10、口、P1口、口、P2口、口、P3口口1个串行个串行I/O接口接口 2个(个(52子系列为子系列为3个)个)16位定时器位定时器/计数器计数器1个个具具有有5个个(52子子系系列列为为6个个或或7个个)中中断断源源,可可编编程程为为2个个优优先先级级的的中中断断系系统统。它它可可以以接接收收外外部部中中断断申申请请、定定时时器器/计计数数器器中断申请和串行口中断申请。中断申请和串行口中断申请。12MCS-51单片机芯片内部结构框图单片机芯片内部结构框图131.1.中央处理器中央处理器中央处理器中央处理器CPUCPU(8 8位)位)位)位)单片机内部的核心部件,完成运算和控制操作。包括运算单片机内
11、部的核心部件,完成运算和控制操作。包括运算器、控制器以及若干器、控制器以及若干寄存器寄存器等部件组成。等部件组成。l l 运算器运算器运算器运算器以以算算术术逻逻辑辑单单元元ALU为为核核心心,加加上上累累加加器器ACC、寄寄存存器器B、暂暂存存器器TMP1和和TMP2、程程序序状状态态寄寄存存器器PSW、十十进进制制调调整整电电路路及及专专门用于位操作的布尔处理机组成的。门用于位操作的布尔处理机组成的。功能:实现数据的算术逻辑运算,位变量处理和数据传送操作。功能:实现数据的算术逻辑运算,位变量处理和数据传送操作。功能:实现数据的算术逻辑运算,位变量处理和数据传送操作。功能:实现数据的算术逻辑
12、运算,位变量处理和数据传送操作。14功能:功能:n完完成成8位位二二进进制制数数的的加加(带带进进位位加加)、减减(带带借借位位减减)、乘乘、除、加除、加 1、减、减 1、BCD加法的十进制调整、比较等算术运算;加法的十进制调整、比较等算术运算;n对对8位位变变量量进进行行逻逻辑辑“与与”、“或或”、“异异或或”、求求补补、清清零零等等逻逻辑辑运算;运算;n左、右移位和半字节(左、右移位和半字节(4 位)交换等操作;位)交换等操作;n数据传送、数据传送、程序转移。程序转移。ALUALU(算术逻辑单元)(算术逻辑单元)(算术逻辑单元)(算术逻辑单元)15n累累加加器器A是是一一个个8位位寄寄存存
13、器器,它它是是CPU中中使使用用最最频频繁繁的的寄寄存存器器。累加器累加器A的功能有:的功能有:用用于于存存放放操操作作数数,是是ALU数数据据的的一一个个来来源源。单单片片机机中中大大部部分分单单操操作作数数指指令令的的操操作作数数都都取取自自累累加加器器A,许许多多双双操操作作数数指指令令中中的一个操作数也取自累加器的一个操作数也取自累加器A。累累加加器器A是是ALU运运算算结结果果的的暂暂存存单单元元,用用于于存存放放运运算算的的中中间间结结果。果。累累加加器器A是是数数据据传传送送的的中中转转站站,单单片片机机中中的的大大部部分分数数据据传传送送都都通过累加器进行。通过累加器进行。在变
14、址寻址方式中把累加器在变址寻址方式中把累加器A作为变址寄存器使用。作为变址寄存器使用。ACC ACC 或或或或 A A(累加器)(累加器)(累加器)(累加器)16nB寄存器是一个寄存器是一个8位寄存器,主要用于乘除运算。位寄存器,主要用于乘除运算。n乘乘法法运运算算时时,A中中为为被被乘乘数数,B中中为为乘乘数数;乘乘法法操操作作完完成成后后,乘乘积的高积的高8位存于位存于B中,低中,低8位存于位存于A中。中。n除除法法运运算算时时,A中中为为被被除除数数,B中中为为除除数数;除除法法操操作作完完成成后后,余余数存于数存于B中,商存于中,商存于A中。中。n其其他他情情况况下下,B寄寄存存器器也
15、也可可以以作作为为一一般般的的数数据据寄寄存存器器使使用用,地地址为址为F0H。B B寄存器寄存器寄存器寄存器17 PSWPSW(程序状态字)(程序状态字)(程序状态字)(程序状态字)PSW是是一一个个8位位的的标标志志寄寄存存器器,它它保保存存指指令令执执行行结结果果的的特特征征信信息,以供程序查询和判别。息,以供程序查询和判别。PSW格式及含义如下格式及含义如下:pCY ()进位标志位进位标志位pAC ()辅助进位(或称半进位)标志辅助进位(或称半进位)标志 pF0 ()由用户定义的标志位。复位时该位为由用户定义的标志位。复位时该位为“0”pRS1和和RS0(PSW.4 和和 PSW.3)
16、工作寄存器组选择位工作寄存器组选择位 pOV()溢出标志位。溢出标志位。由硬件置位或清零。由硬件置位或清零。p 未定义位未定义位p P ()奇偶标志位(奇偶标志位(A中中1的个数:偶的个数:偶0,奇,奇1)18CY是是PSW中最为常用的标志位,共有中最为常用的标志位,共有4项功能:项功能:p在在加加法法运运算算中中存存放放进进位位标标志志,有有进进位位时时CY置置1,无无进进位位时时CY清清0;p在在减减法法运运算算中中存存放放借借位位标标志志,有有借借位位时时CY置置1,无无借借位位时时CY清清0;p在在位位操操作作中中作作累累加加位位使使用用,在在位位传传送送和和位位运运算算中中都都要要用
17、用到到CY;p在带进位的移位操作中用于构成循环移位通路。在带进位的移位操作中用于构成循环移位通路。【注注意意】对对于于加加/减减运运算算,无无论论参参与与运运算算的的数数是是带带符符号号数数还还是是无无符号数,都按无符号数的原则来设置进符号数,都按无符号数的原则来设置进/借位标志位借位标志位CY。J CY CY()进位标志位进位标志位进位标志位进位标志位19在加减运算中,当低在加减运算中,当低 4 位向高位向高 4 位有进借位时,位有进借位时,AC由硬由硬件置位,否则件置位,否则AC被清被清0。在进行十进制数运算时需要十进制调整,此时要用到在进行十进制数运算时需要十进制调整,此时要用到AC位的
18、位的状态进行判断。状态进行判断。J AC AC()半进位标志位半进位标志位半进位标志位半进位标志位J F0 F0()用户标志位用户标志位用户标志位用户标志位由用户定义使用的标志位。用户可根据需要用软件方法置位由用户定义使用的标志位。用户可根据需要用软件方法置位或复位。或复位。20这两个选择位的状态由软件设置,被选中的工作寄存器组即这两个选择位的状态由软件设置,被选中的工作寄存器组即为当前工作寄存器组。为当前工作寄存器组。J RS1 RS1和和和和RS0RS0(PSW.4 PSW.4 和和和和 PSW.3 PSW.3)工作寄存器组选择位工作寄存器组选择位工作寄存器组选择位工作寄存器组选择位 J
19、P P()奇偶标志位奇偶标志位奇偶标志位奇偶标志位表表明明累累加加器器A中中1的的个个数数的的奇奇偶偶性性:若若1的的个个数数为为偶偶数数,则则P=0;若;若1的个数为奇数,则的个数为奇数,则P=1。在每个指令周期由硬件根据在每个指令周期由硬件根据A的内容对的内容对P位进行置位或复位。位进行置位或复位。21在在加加减减运运算算中中,如如果果OV=1,则则表表示示运运算算结结果果超超出出了了累累加加器器A所所能能表表示示的的符符号号数数的的有有效效范范围围(-128 +127),运运算算结结果果是是错错误误的的,即即产产生生了了溢溢出出;否否则则,OV=0,则则表表示示运运算算结结果果正正确确,
20、即未产生溢出。即未产生溢出。溢出的判断:溢出的判断:OV=C6 C7在在乘乘法法运运算算中中,OV=1表表示示乘乘积积超超过过255,即即乘乘积积分分别别在在B(高高8位)与位)与A(低(低8位)中;否则,位)中;否则,OV=0表示乘积只在表示乘积只在A中。中。在在除除法法运运算算中中,OV=1表表示示除除数数为为0,除除法法不不能能进进行行;否否则则,OV=0表示除数不为表示除数不为0,除法可正常进行。,除法可正常进行。【注注意意】对对于于加加减减运运算算,无无论论参参与与运运算算的的数数是是带带符符号号数数还还是无符号数,都按带符号数的原则来设置溢出标志位。是无符号数,都按带符号数的原则来
21、设置溢出标志位。J OV OV()溢出标志位溢出标志位溢出标志位溢出标志位22 布尔处理机布尔处理机布尔处理机布尔处理机l布布尔尔处处理理(即即位位处处理理)是是MCS-51单单片片机机ALU所所具具有有的的一一种种功功能。能。l单单片片机机指指令令系系统统中中的的布布尔尔指指令令集集(17条条位位操操作作指指令令),存存储储器器中中的的位位地地址址空空间间(内内部部RAM中中的的128个个位位和和特特殊殊功功能能寄寄存存器器里里的的位位地地址址空空间间),以以及及借借用用程程序序状状态态标标志志寄寄存存器器PSW中中的的进进位位标志标志CY作为位操作作为位操作“累加器累加器”,构成了单片机内
22、的布尔处理机。,构成了单片机内的布尔处理机。l可可对对直直接接寻寻址址的的位位(bit)变变量量进进行行位位处处理理,如如置置位位、清清零零、取取反反、测测试试转转移移以以及及逻逻辑辑与与、或或等等位位操操作作,使使用用户户在在编编程程时时可可以以利利用用指指令令完完成成原原来来单单凭凭复复杂杂的的硬硬件件逻逻辑辑所所完完成成的的功功能能,并并可可方方便地设置标志等。便地设置标志等。23l l 控制器控制器控制器控制器控控制制器器是是单单片片机机的的神神经经中中枢枢,识识别别指指令令并并根根据据指指令令性性质质控控制制单单片片机机各各部部件件,保保证证单单片片机机各各部部分分能能自自动动而而协
23、协调调地地工工作作。它它包包括括程程序序计计数数器器(PC)、数数据据指指针针寄寄存存器器(DPTR)、指指令令寄寄存存器器(IR)、指指令令译译码码器器、条条件件转转移移逻逻辑辑电电路路以以及及定时和控制电路等部件。定时和控制电路等部件。功功功功能能能能:控控控控制制制制指指指指令令令令的的的的读读读读出出出出、译译译译码码码码和和和和执执执执行行行行。对对对对指指指指令令令令的的的的执执执执行行行行过过过过程程程程定时控制,并根据执行结果决定是否分支转移。定时控制,并根据执行结果决定是否分支转移。定时控制,并根据执行结果决定是否分支转移。定时控制,并根据执行结果决定是否分支转移。24 PC
24、PC(程序计数器)(程序计数器)(程序计数器)(程序计数器)pPC是是专专门门用用来来控控制制指指令令执执行行顺顺序序的的寄寄存存器器,其其内内容容为为将将要要执执行行的的下下一一条条指指令令的的地地址址,即即下下一一条条将将要要从从ROM中中取取出出的的指指令令地址。地址。pPC是是一一个个16位位的的寄寄存存器器,它它在在物物理理上上是是独独立立的的,不不在在内内部部RAM之之列列,没没有有地地址址,是是不不可可寻寻址址的的。16位位地地址址的的寻寻址址范范围围为为64KB(ROM)。)。p用用户户不不需需要要也也无无法法对对PC进进行行读读/写写,PC的的内内容容是是通通过过执执行行指指
25、令令改变的。在执行指令过程中,改变的。在执行指令过程中,PC具有具有自动加自动加 1 功能。功能。p在在执执行行转转移移、调调用用、返返回回等等指指令令时时能能自自动动改改变变PC内内容容,以以改改变程序的执行顺序。变程序的执行顺序。p复位时,复位时,PC自动装入自动装入0000H,使程序从,使程序从0000H单元开始执行。单元开始执行。25 DPTRDPTR(数据指针)(数据指针)(数据指针)(数据指针)p16位位特特殊殊功功能能寄寄存存器器,也也可可作作为为两两个个8位位寄寄存存器器,高高8位位用用DPH表示,低表示,低8位用位用DPL表示。表示。p它是它是MCS-51中唯一一个供用户使用
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