第二章 MCS51系列单片机 花片结构
第二章 MCS—51系列单片机 芯片结构
2.1MCS51系列单片机的结构原理 21.1MCS-51单片机逻辑结构 MCS-51单片机的系统结构框图如图2.1所示。 频率基准源 计数器 振荡器及 128KB 2个16位定时器 定时电路 程序存储器 数据存f 品=」 /事件计数器 CPU 64KB总线 可编程 中断 扩展控制 可编程I/O 串行口 中图 控制 并行I/O口 串行串行 输入输出 图2.1MCS-51单片机的系统结构框图
2.1 MCS—51系列单片机的结构原理 2.1.1 MCS-51单片机逻辑结构 MCS-51单片机的系统结构框图如图2.1所示。 振荡器及 定时电路 4KB 程序存储器 128KB 数据存储器 2个16位定时器 /事件计数器 CPU 64KB总线 扩展控制 可编程 可编程I/O 串行口 中断 中断 频率基准源 计数器 串行 输入 串行 控制 并行I/O口 输出 图2.1 MCS-51单片机的系统结构框图
由图2.1可以看出,单片机内部主要包含下列几个部件: 个8位CPU ◆一个时钟电路 ◆4 Kbyte程序存储器; 28byte数据存储器; ◆两个16位定时/计数器 ◆64 Kbyte扩展总线控制电路 ◆四个8-bit并行I/0端口; ◆一个可编程串行接口; 五个中断源,其中包括两个优先级嵌套中断
由图2.1可以看出，单片机内部主要包含下列几个部件： u 一个8位CPU； u 一个时钟电路； u 4Kbyte程序存储器； u 128byte数据存储器； u 两个16位定时/计数器； u 64Kbyte扩展总线控制电路； u 四个8-bit并行I/O端口； u 一个可编程串行接口； 五个中断源，其中包括两个优先级嵌套中断
212MCS-51单片机内部结构 MCS-51单片机芯片内部结构框图如图22所示。 cP ▲▲▲▲▲▲A▲ 端口0驱动器 端口2驱动器 RAM地址 寄存器 (128×8) 端口0锁存器 口2锁存器 (4Kx8)程序地址寄存器 缓冲器 堆栈指示器SP PC加1寄存器 B寄存器 暂存器2暂存器1 PCON SCON TMODTCON THO TLOTH1TLI 程序计数器PC PSEM 状态寄存器 定时指令 数据指针DPTR 控制|器 端口1锁存器 端口3锁存器 端口3驱动器 XTALI 图22MCS-51单片机芯片内部结构框图
2.1.2 MCS－51单片机内部结构 MCS－51单片机芯片内部结构框图如图2.2所示。 端口0驱动器 端口2驱动器 RAM （128×8） 端口0锁存器 端口2锁存器 ROM （4K×8） 程序地址寄存器 缓冲器 PC加1寄存器 程序计数器PC 数据指针DPTR 堆栈指示器SP PCON SCON TMOD TCON TH0 TL0 TH1 TL1 SBUF （TX） SBUF （RX） IE 中断、串行口和定时器 RAM地址 寄存器 ACC B寄存器 ALU 状态寄存器 暂存器2 暂存器1 定时 与 控制 指令 寄存 器 端口1锁存器 端口3锁存器 端口1驱动器 端口3驱动器 XTAL1 XTAL2 P0.0～P0.7 P2.0～P2.7 P1.0～P1.7 P3.0～P3.7 ALE RST PSEN EA Vcc Vss （＋5V） 图2.2 MCS－51单片机芯片内部结构框图
1. CPU CPU即中央处理器的简称,是单片机的核心部件,它完 成各种运算和控制操作,CPU由运算器和控制器两部分电路 组成。 1)运算器电路 馨)运算器电路包括ALU(算术逻辑单元)、AC(累加 )、B寄存器、状态寄存器、暂存器1和暂存器2等部件,运 算器的功能是进行算术运算和逻辑运算。 (2)控制器电路 控制器电路包括程序计数器PC、PC加1寄存器、指令寄 存器、指令译码器、数据指针DPTR、堆栈指针SP、缓冲器以 及定时与控制电路等。控制电路完成指挥控制工作,协调单 片机各部分正常工作
1. CPU CPU即中央处理器的简称，是单片机的核心部件，它完 成各种运算和控制操作，CPU由运算器和控制器两部分电路 组成。 （1）运算器电路 运算器电路包括ALU（算术逻辑单元）、ACC（累加 器）、B寄存器、状态寄存器、暂存器1和暂存器2等部件，运 算器的功能是进行算术运算和逻辑运算。 （2）控制器电路 控制器电路包括程序计数器PC、PC加1寄存器、指令寄 存器、指令译码器、数据指针DPTR、堆栈指针SP、缓冲器以 及定时与控制电路等。控制电路完成指挥控制工作，协调单 片机各部分正常工作
2.定时器计数器 MCS-51单片机片内有两个16位的定时/计数器,即定 时器0和定时器1。它们可以用于定时控制、延时以及对外 部事件的计数和检测等。 3.存储器 MCS一51系列单片机的存储器包括数据存储器和程序 存储器,其主要特点是程序存储器和数据存储器的寻址空 间是相互独立的,物理结构也不相同 4.并行IO口 MCS-51单片机共有4个8位的O口(P0、P1、P2和 P3),每一条IO线都能独立地用作输入或输出。P0口为三 态双向口,能带8个TTL门电路,P1、P2和P3口为准双向口, 负载能力为4个TTL门电路
2. 定时器/计数器 MCS－51单片机片内有两个16位的定时/计数器，即定 时器0和定时器1。它们可以用于定时控制、延时以及对外 部事件的计数和检测等。 3. 存储器 MCS－51系列单片机的存储器包括数据存储器和程序 存储器，其主要特点是程序存储器和数据存储器的寻址空 间是相互独立的，物理结构也不相同。 4. 并行I/O口 MCS－51单片机共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2和 P3），每一条I/O线都能独立地用作输入或输出。P0口为三 态双向口，能带8个TTL门电路，P1、P2和P3口为准双向口， 负载能力为4个TTL门电路
5.串行I/O口 MCS-51单片机具有一个采用通用异步工作方式的全双 工串行通信接口,可以同时发送和接收数据。 6.中断控制系统 8051共有5个中断源,即外中断2个,定时/计数中断2个 串行中断1个。 7.时钟电路 MCS一51芯片内部有时钟电路,但晶体振荡器和微调电 容必须外接。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列,振荡器 的频率范围为1.2MHz~12MHz,典型取值为6MHz 8.总线 以上所有组成部分都是通过总线连接起来,从而构成 个完整的单片机。系统的地址信号、数据信号和控制信号都 是通过总线传送的,总线结构减少了单片机的连线和引脚, 提高了集成度和可靠性
5. 串行I/O口 MCS－51单片机具有一个采用通用异步工作方式的全双 工串行通信接口，可以同时发送和接收数据。 6. 中断控制系统 8051共有5个中断源，即外中断2个，定时/计数中断2个， 串行中断1个。 7. 时钟电路 MCS－51芯片内部有时钟电路，但晶体振荡器和微调电 容必须外接。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列，振荡器 的频率范围为1.2MHz～12MHz，典型取值为6MHz。 8. 总线 以上所有组成部分都是通过总线连接起来，从而构成一 个完整的单片机。系统的地址信号、数据信号和控制信号都 是通过总线传送的，总线结构减少了单片机的连线和引脚， 提高了集成度和可靠性
21.3引脚信号 图2.3为MCS-51系列单片机引脚图及逻辑符号,它们 为标准的40脚DIP封装。 P1.0 P.1 39P00 8P0.1 PI RST/V P1.4 P03 XTAl 址数据总线 P1.6 P0.5 P.7 33P0. XTAL2 RST/V 32P0.7 RD/P30-10 EA/ VpP 8051 EA/VpP TXD/P3.1-11 PSEN ALE/ PROG INTO/ P3.2 ALE/ PROG INTI/P3 T0/P34 T1/P35-15 WR/P3.6 P24 /P3.7 P23 XTAL2-1 23—P2 地址总线一 XTALI 图23MCS-51系列单片机引脚图及逻辑符号
2.1.3 引脚信号 图2.3为MCS－51系列单片机引脚图及逻辑符号，它们 为标准的40脚DIP封装。 INT0 / P3.2 WR / P3.6 INT1/ P3.3 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 RST VPD / RXD / P3.0 TXD / P3.1 T0 / P3.4 T1/ P3.5 RD / P3.7 XTAL2 XTAL1 Vss 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Vcc P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 EA / Vpp ALE/ PROG PSEN P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 21 P2.0 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 8031 8051 8751 Vcc Vss RST VPD / XTAL1 XTAL2 EA / Vpp PSEN ALE/ PROG P3 口 第 二 功 能 P0 口 P1 口 P2 口 地 址 数 据 总 线 地 址 总 线 8031 8051 8751 图2.3 MCS－51系列单片机引脚图及逻辑符号
★电源引脚Vc和Vs Vcc:电源端,接+5V Vss:接地端。 ★时钟电路引脚XTAL和XTAL2 XTAL:接外部晶振和微调电容的一端,在片内它是振荡 器倒相放大器的输入,若使用外部TTL时钟时,该引脚必须接 地 XTAL2:接外部晶振和微调电容的另一端,在片内它是振 荡器倒相放大器的输出,若使用外部TIL时钟时,该引脚为外 部时钟的输入端。 ★地址锁存允许ALE 系统扩展时,ALE用于控制地址锁存器锁存PO口输出的低 8位地址,从而实现数据与低位地址的复用
电源引脚Vcc和Vss Vcc：电源端，接＋5V。 Vss：接地端。 时钟电路引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1：接外部晶振和微调电容的一端，在片内它是振荡 器倒相放大器的输入，若使用外部TTL时钟时，该引脚必须接 地。 XTAL2：接外部晶振和微调电容的另一端，在片内它是振 荡器倒相放大器的输出，若使用外部TTL时钟时，该引脚为外 部时钟的输入端。 地址锁存允许ALE 系统扩展时，ALE用于控制地址锁存器锁存P0口输出的低 8位地址，从而实现数据与低位地址的复用
★外部程序存储器读选通信号 是读外部程序存储器的选通信号,低电平有效。 ★程序存储器地址允许输入端/Pp 当为高电平时,CPU执行片内程序存储器指令,但当PC 中的值超过0FFFH时,将自动转向执行片外程序存储器指令 当为低电平时,CPU只执行片外程序存储器指令。 ★复位信号RST 该信号高电平有效,在输入端保持两个机器周期的高电 平后,就可以完成复位操作
外部程序存储器读选通信号 是读外部程序存储器的选通信号，低电平有效。 程序存储器地址允许输入端 /VPP 当为高电平时，CPU执行片内程序存储器指令，但当PC 中的值超过0FFFH时，将自动转向执行片外程序存储器指令。 当为低电平时，CPU只执行片外程序存储器指令。 复位信号RST 该信号高电平有效，在输入端保持两个机器周期的高电 平后，就可以完成复位操作