第2章MCS-51系列单片机硬件结构
第2章 MCS-51系列单片机硬件结构
2.1MCS-51系列单片机概述1.MCS-51系列单片机包含的范围所有采用美国Intel公司技术生产的一系列单片机。2.从功能上分基本型：单片机型号末尾数字是1，如8051增强型：单片机型号末尾数字是2，如8052差别：采用的片内数据存储器RAM和程序存储器ROM的容量不同以及部分接口电路的数量不同。3.从生产工艺上分HMos工艺：（HighperformanceMetal-Oxide-Semiconductor）高性能金属氧化物半导体，型号中不含字母C，如8051CHMOS工艺：（complementary，HMOS）互补金属氧化物HMOS，单片机型号中凡是带有字母C的，如80C51比较：采用CHMOS工艺的芯片，除了保持HMOS高速度和高密度之外，还有CMOS低功耗的特点，且又能与TTL电平和CMOS电平兼容，所以尽量使用CHMOS工艺生产的芯片
2.1 MCS-51系列单片机概述 1.MCS-51系列单片机包含的范围 所有采用美国Intel公司技术生产的一系列单片机。 2.从功能上分 基本型：单片机型号末尾数字是1，如8051 增强型：单片机型号末尾数字是2，如8052 差 别：采用的片内数据存储器RAM和程序存储器ROM的容量不同以及 部分接口电路的数量不同。 3.从生产工艺上分 HMOS工艺：（High performance Metal-Oxide-Semiconductor）高性能 金属氧化物半导体，型号中不含字母C，如8051 CHMOS工艺：（complementary, HMOS）互补金属氧化物HMOS，单片机型 号中凡是带有字母C的，如80C51 比较：采用CHMOS工艺的芯片，除了保持HMOS高速度和高密度之外,还有 CMOS低功耗的特点，且又能与TTL电平和CMOS电平兼容，所以尽量 使用CHMOS工艺生产的芯片
2. 2MCS-51系列单片机的基本硬件结构1.外部引脚功能单片机芯片工作电源40P1.0123VccP1.139Po.038P1.2Po.1P1.34537Po.2单片机芯片复位口一P1.436Po.3信号/备用电源6P1.5Po.435片外ROM选通信号/片7P1.634Po.5内ROM编程备用电源P33Po.6891.7片内ROM编程Po.7RST/VPD32805131P3.010EA/VpPP3.11130ALE/PROGP3.22912PSENP3.3片外ROM“读”信号1328P2.7P3口一P3.41427P2.6P3.51526P2.5P3.625P2.416P2口1724P2.3P3.71823[XTAL2P2.2晶振19LXTALI22P2.1V2021P2.0Ss接地端图2.380C51单片机芯片的引脚图
1.外部引脚功能 图2.3 80C51单片机芯片的引脚图 2.2 MCS-51系列单片机的基本硬件结构 8051 1 3 2 5 4 6 8 7 11 12 9 13 10 14 15 16 17 18 22 20 21 19 24 23 26 25 28 27 29 32 31 34 33 36 35 38 37 39 40 30 VCC Vss P1.1 P1.0 P1.6 P1.2 P1.3 P1.5 P1.7 P1.4 P0.1 P0.0 P0.6 P0.2 P0.3 P0.5 P0.7 P0.4 P3.1 P3.0 P3.6 P3.2 P3.3 P3.5 P3.7 P3.4 P2.6 P2.7 P2.1 P2.5 P2.4 P2.2 P2.0 P2.3 EA/VPP PSEN ALE/PROG RST/VPD XTAL2 XTAL1 P0口 P2口 P1口 P3口 晶振 单片机芯片复位 信号/备用电源 低8位地址锁存信 号/片内ROM编程 片外ROM“读”信号 片外ROM选通信号/片 内ROM编程备用电源 单片机芯片 工作电源 接地端
存逆应田租应专步料2.内部结构框图和处理各单山Y5种中断为CPU提ToT1工作艾时钟源程序时钟电路效据定时/存储器计数器存储器CPU内部总线中断并行接口串行接口/INTOPoP1P2P32个定时/计数可接外设，交器，通过编程换多位数据确定具体功能888位图2.280C51单片机的内部结构框图
图2.2 80C51单片机的内部结构框图 2.内部结构框图 中断系统 时钟电路 CPU 时钟源 数据 存储器 程序 存储器 并行接口 串行接口 定时/ 计数器 T0 P TXD /INT0 0 内部总线 P RXD /INT1 P1 2 P3 T1 单片机运算与 控制的核心 为CPU提供 工作节拍 存放应用程序 和常用数据表 存放数据 （变量） 处理各 种中断 按位发送或 接收数据 可接外设，交 换多位数据 2个定时/计数 器,通过编程 确定具体功能 8位8位8位8位
并口（含引脚）的功能说明80C51单片机共有四个并口，Po、P、P2、P3。第一功能：四个并口均具有第一功能，即作为普通的I/O接口。第二功能：Po、P2、P.有第二功能，作为不同类型的总线使用。复用：同一个管脚具有多种功能，但必须分时使用不同功能。并口P。（Po.7~Po.0）：其第二功能是可作为8位数据总线，也可作为低8位地址总线（分时、复用）。并口P（P1.7~Pi.0）：没有第二功能。并口P2（P2.7~P2.0）：其第二功能是可作为高8位的地址总线。并口P3（P3.7~P3.0）：其第二功能是可作为控制总线。具体如下：串口的接收和发送RXD（P3.0）和TXD（P3.1）:/INTO（P3.2）和/INT1（P3.3）：2个外中断请求输入端TO（P3.4）和T1（P3.5):2个定时/计数器外部输入端外部RAM的“写”和“读”/WR（P3.6）和/RD（P3.7）：
并口（含引脚）的功能说明 80C51单片机共有四个并口，P0、P1、P2、P3。 第一功能：四个并口均具有第一功能，即作为普通的I/O接口。 第二功能：P0、P2、P3有第二功能，作为不同类型的总线使用。 复用：同一个管脚具有多种功能，但必须分时使用不同功能。 并口P0（P0.7~P0.0 ）：其第二功能是可作为8位数据总线，也可作 为低8位地址总线（分时、复用）。 并口P1（ P1.7~P1.0 ）：没有第二功能。 并口P2（P2.7~P2.0）：其第二功能是可作为高8位的地址总线。 并口P3（P3.7~P3.0）：其第二功能是可作为控制总线。 具体如下： RXD（P3.0）和TXD（P3.1）： 串口的接收和发送 /INT0（P3.2）和/INT1（P3.3）：2个外中断请求输入端 T0（P3.4）和T1（P3.5）： 2个定时/计数器外部输入端 /WR（P3.6）和/RD（P3.7）： 外部RAM的“写”和“读
供电引脚Vcc（40脚）：接+5VDC电源Vss（20脚）：接数字地控制引脚?RST/Vpd（脚9）第一功能为RST（ReSet）：复位引脚，高电平有效，高电平持续时间大于2个机器周期，正常工作时，此管脚应为≤0.5V的低电平）。第二功能Vpd：备用电源引脚。ALE//PROG（AddressLatchEnable/PROGramming,脚3O)：第一一功能为ALE：为CPU访问片外ROM或片外RAM提供低8位地址锁存信号。当单片机正常工作时，ALE端一直输出foSc/6频率的正脉冲信号。第二功能/PROG：片内FlashROM的编程信号。编程时，该引脚作为编程脉冲输入端。需要说明的是：每当CPU访问外部RAM或I/O时，要丢失一个ALE脉冲，故其输出并非精确的fosc/6频率
供电引脚 Vcc（40脚）：接+5V DC电源 Vss（20脚）：接数字地 控制引脚 RST/Vpd（脚9）： 第一功能为RST（Reset）：复位引脚，高电平有效，高电平持续时间大于2 个机器周期，正常工作时，此管脚应为≤0.5V的低电平）。 第二功能Vpd：备用电源引脚。 ALE//PROG（Address Latch Enable/PROGramming，脚30）： 第一功能为ALE：为CPU访问片外ROM或片外RAM提供低8位地址锁存信号。当 单片机正常工作时，ALE端一直输出fosc/6频率的正脉冲信号。 第二功能/PROG：片内Flash ROM的编程信号。编程时，该引脚作为编程脉冲 输入端。 需要说明的是：每当CPU访问外部RAM或I/O时，要丢失一个ALE脉冲，故其输 出并非精确的fosc/6频率
控制引脚/PSEN(ProgramStrobeEnable脚29)：片外程序存储器选通信号，低电平有效。/EA/Vpp（脚31）：第一功能为/EA（ExternalAccessEnable），第二功能为Vpp。/EA为外部程序存储器访问允许控制端。/EA=1时：若PC在OOOOH～OFFFH之间，读取片内ROM中的程序执行：若PC不在OOOOH～OFFFH之间，按PC的值读取片外ROM中的程序执行。/EA=0时：只根据PC的值读取片外ROM中的程序。Vpp:对片内FlashROM编程（将程序写入）时，该引脚接入编程电压。时钟引脚XTAL1（19脚）：片内振荡器反相放大器的输入端。XTAL2（18脚）：片内振荡器反相放大器的输出端
控制引脚 /PSEN(Program Strobe Enable，脚29）： 片外程序存储器选通信号，低电平有效。 /EA/Vpp（脚31）： 第一功能为/EA（External Access Enable），第二功能为 Vpp。 /EA为外部程序存储器访问允许控制端。 /EA=1时： 若PC在0000H～0FFFH之间，读取片内ROM中的程序执行； 若PC不在0000H～0FFFH之间，按PC的值读取片外ROM中的程序执行。 /EA=0时： 只根据PC的值读取片外ROM中的程序。 Vpp： 对片内Flash ROM编程（将程序写入）时，该引脚接入编程电压。 时钟引脚 XTAL1（19脚）：片内振荡器反相放大器的输入端。 XTAL2（18脚）：片内振荡器反相放大器的输出端
2.3MCS-51系列单片机的CPU1.运算器①算术逻辑单元ALU②累加器A③寄存器B①程序状态字寄存器PSWD5D2DiD7D6D4D3DoFoF1PCyACRS1RSoOV进位标志用户标志位寄存器组半进位标志选择标志奇偶标志溢出标志用户标志位图2.4PSW寄存器各位的含义
2.3 MCS-51系列单片机的CPU 1.运算器 ①算术逻辑单元ALU ②累加器A ③寄存器B ④程序状态字寄存器PSW D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 图2.4 PSW寄存器各位的含义 Cy AC F0 RS1 RS0 OV F1 P 进位标志 半进位标志 用户标志位 寄存器组 选择标志 溢出标志 用户标志位 奇偶标志
例2.1将两个无符号的8位二进制数11101101和10001001相加，结果保存在累加器A中。已知在运算前OV=O，选择第0组寄存器，用户标志位为F0=0，F1取0。请求出此加法运算结束后，PSW寄存器各标志位的值。解：程序状态字PSW1110 1101D4D3D2D1DoD7D6D5+ 1000 1001FoF1PCyACRS1RSoOV11001100Cy-l01110110
例2.1 将两个无符号的8位二进制数11101101和10001001 相加，结果保存在累加器A中。已知在运算前OV=0，选 择第0组寄存器，用户标志位为F0=0，F1取0。请求出此 加法运算结束后，PSW寄存器各标志位的值。 解： 1110 1101 + 1000 1001 程序状态字PSW Cy 1 0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 Cy AC F0 RS1 RS0 OV F1 P 1 1 0 0 0 1 0 1 0111 011
2.控制器暂存从内存中取出的指令，并为指令译●指令寄存器IR：码做好准备。指令译码器：取出IR中的指令并进行译码分析微操作控制电路：根据指令译码器对指令的分析结果向各功能部件发出操作控制命令，从而执行指令功能。程序计数器PC：16位，存放下一条要执行指令的地址
2.控制器 指令寄存器IR：暂存从内存中取出的指令，并为指令译 码做好准备。 指令译码器：取出IR中的指令并进行译码分析。 微操作控制电路：根据指令译码器对指令的分析结果向 各功能部件发出操作控制命令，从而 执行指令功能。 程序计数器PC：16位，存放下一条要执行指令的地址