单片机原理及应用单片机原理及应用（第二章）（第二章）

第一节 MCS-51 单片机结构 第二节 MCS-51 的存储器结构

第三节 输入 / 输出端口结构

第一节 MCS-51 单片机结构

一、 MCS-51 单片机内部结构二、 MCS-51 引脚及功能

89C51 单片机结构框图

89C51CPU

振荡器和时序OSC

64KB 总线扩展控制器

数据存储器256B RAM/SFR

2×16 位定时器 / 计数器

可编程 I/O

程序存储器4KBROM

可编程全双工串行口

外中断

内中断

控制并行口

串行通信

外部时钟源 外部事件计数

P0 驱动器 P2 驱动器

P0 锁存器 P2 锁存器RAM 地址寄存器

128BRAM 4KB

Flash ROM

B 寄存器 暂存器 1 暂存器 2 ACC SP

程序地址寄存器

缓冲器

PC 增1

PC

DPTR

中断、串行口和定时器

PSW

P1 锁存器

P1 驱动器

P3 锁存器

P3 驱动器

定时控制

指令寄存器

指令译码器

OSC

ALU

P0.0-P0.7 P2.0-P2.7

P3.0-P3.7P1.0-P1.7XTAL1 XTAL2

PSENALEEA

RET

89C5189C51 单片单片机机

内部结构图内部结构图

89C5189C51 单片单片机机

内部结构图内部结构图

P0 驱动器 P2 驱动器

P0 锁存器 P2 锁存器RAM 地址寄存器

128BRAM 4KB

Flash ROM

B 寄存器 暂存器 1 暂存器 2 ACC SP

程序地址寄存器

缓冲器

PC 增1

PC=0000H

DPTR

中断、串行口和定时器

PSW

P1 锁存器

P1 驱动器

P3 锁存器

P3 驱动器

定时控制

指令寄存器

指令译码器

OSC

ALU

P0.0-P0.7 P2.0-P2.7

P3.0-P3.7P1.0-P1.7XTAL1 XTAL2

PSENALEEA

RET

89C5189C51 单片单片机机

内部结构图内部结构图

89C5189C51 单片单片机机

内部结构图内部结构图

MOV A, P0

E5 80

执行过程

CPU 从功能上可分为 控制器 运算器—— ALU

CPU

算术逻辑单元

单片机的核心——产生各种控制信号控制存储器和输入 / 输出端口的数据传送控制数据的算术运算，逻辑运算以及位操作

总线 (bus)—— 将多个部件连接起来并传送信息的公共通道

CPU

控制总线 CcontrolBus

数据总线 DataBus

地址总线 AddressBus

ROM RAM

I/O 接口 外部设备

总线结构的特点：结构简单、规则、易于扩展

8051=8 位 CPU+4KBROM+256BRAM+2x16 位定时 /计数器 +4x8 位 I/O 端口 + 全双工串行口

256BRAM:

4KBROM: 程序存储器 , 存放事先写好的指令数据存储器 , 保存运算过程的结果

低 128BRAM特殊功能寄存器 (SFR)

高 128BRAM

存储器——存放事先写好的指令，或大量的处理结果

存储量大

00H

24H

42H

00H

存储器 地址

0000H

0001H

0002H

0003H使用时需给出每个单元的地址

寄存器——

使用时可以用寄存器的名称 ,也可以用地址

用于暂时存放参与运算的数据，中间结果，或地址的电子单元

ACCDPTRP0P1P2

数目不多，使用频繁

中断系统———

定时 / 计数器——

I/O 口——— 单片机与外界联系

进行中断处理

进行定时计数控制

串口—— 串口通讯

并口8 条线

串口2 条线

二、 MCS-51 引脚及功能

8051

1234567891011121314151617181920

4039383736353433323130292827262524232221

P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 RST/VPD

RXD/ P3.0TXD/ P3.1INT0/ P3.2INT1/ P3.3 T0/ P3.4 T1/ P3.5 WR/ P3.6 RD/ P3.7 XTAL2 XTAL1 Vss

VccP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VppALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0

二、 MCS-51 引脚及功能

40 引脚双列直插式封装（ DIP ）形式

按功能可分为 4 类

4 类引脚

1 、电源引脚

2 、外接晶振器引脚

3 、控制信号引脚

4 、 I/O （输入 / 输出）引脚

1 、电源引脚

提供工作电源 Vss （第 20 脚） ：接地 Vcc （第 40 脚） ：主电源 +5V

Vcc

8051

20

40

产生时钟信号（ 1-12MHz ） XTAL1 放大器输入端 XTAL2 放大器输出端

2 、外接晶振器引脚

振荡周期、时钟周期、机器周期和指令周期

1 ．振荡周期：为单片机提供时钟信号的振荡源的周期

2 ．时钟周期：是振荡源信号经二分频后形成的时钟脉冲信号

是衡量计算机运算速度的一个重要参数目前的主频已达 1 ～ 2GHZ

主频

3 ．机器周期： 12 个振荡周期

4 ．指令周期：是指 CPU 执行一条指令所需要的时间。一个指令周期通常含有 1 ～ 4个机器周期

P1 P2

S1

P2

振荡周期

时钟周期

机器周期 机器周期指令周期

XTAL2

(OSC)

S2 S3 S4 S5 S6 S1 S2S4 S5S3 S6

P1 P1 P1P1 P1 P1 P1 P1 P1 P1 P1P2 P2 P2 P2 P2 P2 P2 P2 P2 P2

例 : 若 MCS-51 单片机外接晶振为 12MHz 时，则单片机的四个周期的具体值为：

振荡周期＝ 1/12MHz ＝ 1/12μs ＝ 0.0833μs

时钟周期＝ 1/6μs ＝ 0.167μs

机器周期＝ 1μs

指令周期＝ 1 ～ 4μs

3 、控制信号引脚

① RST/VPd （复位端 / 备用电源接入端） （ 9 脚）

复位——使单片机内部寄存器初始化 PC 0000H ACC 00H

B 00H PSW 00H

SP 07H DPTR 0000H

P0-P3 0FFH IP XX000000

IE 00H TMOD 00H

TCON 00H TH0 00H

TL0 00H TH1 00H

TL1 00H PCON 0XXX0000

程序从头开始运行 默认第 0 组

寄存器；

累加器清零

端口置位

复位电路

复位条件： RST 端有足够长时间（≥ 2 个机器周期）的高电平信号

上电复位——电源开关闭合时自动复位

上电复位 / 按键复位—— 按键压下时手动复位

ALE 脚可以提供相当于 1/6 主频的对外时钟脉冲信号

PROG② ALE/ （地址锁存允许 /EPROM 编程脉冲）（ 30 脚）

P1 P2

S1

P2

振荡周期

时钟周期

机器周期 机器周期

XTAL2

(OSC)

S2 S3 S4 S5 S6 S1 S2S4 S5S3 S6

P1 P1 P1P1 P1 P1 P1 P1 P1 P1 P1P2 P2 P2 P2 P2 P2 P2 P2 P2 P2

ALE 输出0.5 倍的机器周期

单片机 8031

P2.0P2.1P2.2

A8

A9

A10

ALERD

74LS373

G

6264

A7A6A5A4A3A2A1A0

O0O1O2O3O4O5O6O7

P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7

OE

CE

Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7

D0D1D2D3D4D5D6D7

WE

WR

P2.7

P2.3P2.4

A11

A12

ALE 脉冲可用于 CPU访问片外存储器时锁存低字节地址12 位地址的低八位

12 位地址的高四位

提供低八位地址

提供八位数据提供锁存脉冲

用于提供编程脉冲PROG

PROG② ALE/ （地址锁存允许 /EPROM 编程脉冲）（ 30 脚）

PSEN③ （片外程序存储器选通信号）（ 29 脚）

当 CPU访问片外程序存储器时，此端输出的负脉冲将可作为存储器的选通信号

单片机 8031

P2.4P2.0 A8

A12

ALE

74LS373

G

2864

A7A6A5A4A3A2A1A0

D0D1D2D3D4D5D6D7

P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7

OE

CE

Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7

D0D1D2D3D4D5D6D7

P2.7

&PSEN

EA ④ / Vpp （ 31 脚）

EA =1

EA =0

EA 当 脚为高电平时， CPU可将片内程序存储器与片外程序存储器的地址统一寻址

当 脚为低电平时， CPU只能访问片外程序存储器EA

VPP—— 对 EPROM 型单片机提供 +21V 的编程电压

EA ④ / Vpp （ 31 脚）

在单片机无需外扩存储器时，这 4 个端口可以作为一般寄存器或位开关使用

P0 、 P1 、 P2 、P3P0 ～ P3 是 8051 单片机与外界联系的 4 个 8 位

双向并行 I/O 口

4 、 I/O （输入 / 输出）引脚（共 32 个引脚）

P0~P3将承担数据总线、地址总线和控制总线的作用

P3 口的每一位都具有第二功能

口线 第二功能P3.0 RXD （串行通讯口的输入端）P3.1 TXD （串行通讯口的输出端）P3.2 外部中断 0 输入

P3.3 外部中断 0 输入

P3.4 T0 ( 定时器 0 的外部输入）

P3.5 T1 ( 定时器 1 的外部输入）

P3.6 （片外数据存储器写选通）P3.6 （片外数据存储器读选通）

MCS-51 单片机的片外总线结构

AB: P0 口 ,P2 口

DB:

16 位

P0 口 8 位

CB: P3 口 ALE,PSEN

EA,RESET