单片机原理与应用 原理与应用 第二章 MCS-51 单片机的结构与原理 【本章内容】 本章主要介绍 MCS-51 单片机的外部引脚、内部结构、CPU 工作原理、存储器配置、特殊功能寄存器和 I/O 端口。微控制器。 【项目驱动学习要点】在项目中应用硬件电路原理。 应用项目中的微控制器资源规划。 1 MCS-51 单片机原理及应用 原理及应用 第二章 MCS-51 单片机的结构及原理 2.1 MCS-51 单片机的外部引脚及内部结构 2.2 MCS-51 单片机的 CPU 结构 2.3 MCS-51 单片机的存储器结构 2.4 MCS -51 单片机并口结构练习 END 2 单片机原理与应用 原理与应用 2.1 MCS-51 单片机外部引脚及内部结构 2.1.1 MCS-51 外部引脚 2.1.2 内部结构MCS-51 的结构 3 单片机原理及应用 原理及应用 2.1.1 MCS-51 的外部引脚 MCS-51 系列单片机采用 DIP 封装，共有 40 个引脚，如图 2-1 所示。 各引脚的名称和功能如下。 图 2-1 MCS-51 单片机外部引脚 4 原理及应用 原理及应用 1 电源引脚 VCC：+5V 电源。 VSS：接地。 图 2-1 MCS-51 外部引脚 5 MCU 原理及应用 原理及应用 2 外部晶振引脚 XTAL1 和 XTAL2：用于连接晶振和微调电容，与 MCU 内部的振荡器组成内部时钟电路，使用时外部时钟，作为外部振荡信号的输入端。
图 2-1 MCS-51 单片机外部引脚 6 原理与应用 原理与应用 3 I/O 端口引脚 P0.7 P0.0：P0 端口引脚，用于传输输入/输出数据或低 8 位地址。 P1.7 P1.0：P1口引脚，用于传输输入/输出数据。 P2.7 P2.0：P2口引脚，用于传输输入/输出数据或高8位地址。 P3.7 P3.0：P3端口引脚，用于传输输入/输出数据，或作为第二功能引脚。 表 2-1 列出了每个引脚的第二个功能。 图 2-1 MCS-51 单片机外部引脚 7 原理及应用 原理及应用 表 2-1 P3 口各引脚功能之二 外部芯片 RAM 读选通输出 P3.7 外部芯片 RAM 写选通输出 P3.6 定时器/计数器1 外部计数输入 T1 P3.5 定时器/计数器 0 外部计数输入 T0 P3.4 外部中断 1 输入 P3.3 外部中断 0 输入 P3.2 串口输出 TXD P3.1 串口输入 RXD P3.0 功能名称 P3端口引脚 8 单片机原理及应用 原理及应用 4 控制引脚 控制引脚 RST：复位信号输入引脚。 当该引脚输入高电平时，可以使单片机复位。 PSEN：片外ROM读选通输出引脚。
当用于扩展外部ROM时，将其连接到外部ROM芯片的读选通引脚。 ALE/PROG：地址锁存使能信号输出引脚/编程脉冲输入引脚。 它有3个作用： (1)当单片机访问外部存储器时，可以作为低8位地址的锁存控制信号。 (2) 当不访问片外RAM时，可以使用该引脚输出的脉冲序列（频率为晶振频率的1/6）作为脉冲信号源。 (3) 对片内EPROM进行编程(写EPROM)时，用于输入编程脉冲。 图2-1 MCS-51 的外部引脚 9 单片机原理及应用 原理及应用 图2-1 MCS-51/VPP 的外部引脚：片外ROM 访问允许信号输出引脚/片内EPROM 编程电压输入引脚。 其作用是： （1）=0时，允许单片机访问片外ROM（不允许使用片内ROM）。 因此，对于没有片上ROM的微控制器（如8031），该引脚应接地。 (2) 当=1 时，允许单片机使用片内ROM。 对于带有片内ROM的微控制器，如果该引脚为高电平，当CPU访问片内ROM时，当访问地址超过最大配置容量时，会自动切换到访问片外ROM。 (3) 对片内EPROM 进行编程时，用于输入编程电压。 4 控制引脚 控制引脚 10 单片机 单片机原理及应用 原理及应用 【项目应用】 本应用项目的硬件电路图如图2-2 所示。 请读者根据上述介绍，一一了解所使用的单片机引脚。 指出其名称和作用。
初步了解为什么使用这些引脚。 哪些引线用于 P3 端口的第二个功能？ 图 2-2 应用工程硬件电路 图 11 MCU 原理及应用原理及应用方案： 所使用的 MCU 引脚名称及功能如下： （外部中断 0 输入） （外部中断 1 输入） （片外） RAM read strobe ) (片外RAM write strobe) (片外ROM访问允许引脚，由于使用的单片机是8031，没有片内ROM，因此，将此引脚接地) ALE (地址锁存器) RST (复位）P0.7 P0.0（P0口引脚）、P1.0和P1.4（P1口引脚）、P2.7（P2口引脚）、，使用P3口的第二功能，对应P3。分别为2。 P3.3、P3.6 和 P3.7 引脚。 12 单片机原理及应用 原理及应用 2.1.2 MCS-51 内部结构 图 2-3 MCS-51 内部结构框图 13 单片机原理及应用 原理及应用 MCS-51 内部结构说明图 2-3 为带片内 ROM 的 MCS-51 单片机内部结构图： 当片上 ROM 类型为 mask ROM 时，对应 8051； 为EPROM时，对应8751； 如果去掉片上ROM就是8031。图中阴影框是用户可以通过指令访问的具有特殊功能的单元，称为特殊功能寄存器（SFR）； ROM是程序存储器； RAM是数据存储器； P0 P3口锁存器和驱动器构成I/O接口； OSC是振荡器，用于为CPU提供时钟信号； 其他部件都是CPU的部件。
14 单片机原理及应用 原理及应用 2.2 MCS-51 单片机 CPU 结构 2.2.1 CPU 基本结构 2.2.2 CPU 工作原理 2.2.3 CPU 时钟及时序 15 单片机原理及应用 原理和应用2.2。 1 CPU 基本结构 图 2- 4 MCS-51 单片机 CPU 基本结构框图 16 单片机原理与应用 原理与应用 1 算术算术/逻辑运算单元 逻辑运算单元 ALUALU 是一个功能极其强大的算术单元。 它除了可以进行数据的加、减、乘之外，还可以进行算术运算以及AND、OR、NOT、XOR、循环、补码等逻辑运算，还具有位处理功能。 17 单片机原理与应用 单片机原理与应用 2 程序计数器 程序计数器PCPC 是一个16 位计数器。 它总是存储下一个要执行的指令代码的地址。 CPU执行指令时，首先根据程序计数器PC中的地址从存储器中取出需要执行的指令代码，并将其发送给指令译码器进行分析和执行。 然后程序计数器PC中的地址自动加1，向CPU提供指令代码。 为下一个需要执行的脚本做好准备。 当下一个指令代码被取出并执行时，PC自动递增l。 就这样，程序计数器PC一次又一次地加1，指令被一条一条地执行。 18 单片机原理与应用 原理与应用 然而，执行传输指令、子程序调用指令和中断响应时有例外。 此时PC的内容不再加1，而是由指令或中断系统自动在PC中放入一个新的地址。 。
PC的取值范围为0000H FFFFH（后缀“H”表示十六进制）。 这意味着MCS-5l单片机的程序存储器的寻址范围是64KB。 当单片机上电或复位时，PC自动清0，即加载到PC的起始地址为0000H。 这样可以保证单片机上电或复位后，程序始终从地址0000H开始执行。 19 单片机原理与应用 单片机原理与应用 3 时序与控制 时序与控制 时序与控制元件与程序计数器、指令寄存器、指令译码器等构成了CPU 中的控制器。 控制器是单片机的核心部件和指挥中心，相当于人脑的神经中枢。 其中，定时与控制部件的作用是根据指令译码器的译码结果，产生实现指令功能所需的各种微操作控制信号，控制和协调各部件的工作，完成指令的执行。相应指令 20 单片机原理与应用 原理与应用 4 累加器 ACCACC 用于向 ALU 提供操作数并存储运算结果。 CPU在执行某项操作之前，通常会将一个操作数存储在累加器中，然后与ALU中临时寄存器中的另一个操作数进行运算，并将运算结果送回累加器。 如果进行连续加法，ACC就起到累加的作用，因此而得名。 编写指令时，ACC通常写为A（也有例外）。 21 单片机原理与应用 原理与应用 5 寄存器 寄存器B 寄存器B 用于存储乘法或除法运算前的乘数或除数。 乘法或除法完成后，用于存储乘积的高8位或除法的余数。
当不执行乘法和除法运算时，它可以用作通用寄存器。 22 单片机原理与应用 原理与应用 6 程序状态字寄存器 程序状态字寄存器 PSWPSW 用于存储指令执行后的相关状态，如计算结果是否有进位/借位、溢出等，是一个标志位寄存器，其中每个状态位通常在指令执行期间自动形成，但用户也可以根据需要使用传输指令更改它们。 它们的具体定义和作用将在2.3.2中详细介绍。 23 单片机原理与应用 单片机原理与应用 7 其他主要部件 其他主要部件 临时寄存器TMP1和TMP2：用于临时存储从数据总线或ACC发送来的操作数。 程序地址寄存器：用于存储当前指令的地址。 具体数据由程序计数器送入。 指令寄存器：用于存储当前正在执行的指令操作码（指令的组成在下一章介绍）。 指令译码器：用于解析指令寄存器中的指令操作码，并将译码结果发送给时序和控制部件，作为产生微操作控制信号的依据。 内部总线：包括地址总线、数据总线和控制总线，用于传输与其名称相对应的信号。 内部总线是组件之间信息传输的公共通道。 信号传输过程完全由CPU控制，并以分时方式运行。 ，不会发生冲突。 24 单片机原理与应用 原理与应用 2.2.2 CPU 工作原理 指令功能 指令 二进制形式 指令 十六进制形式 指令汇编形式 发送 1 到 ACC 00001 74H 01H MOV A, #01H 将 ACC 移入 添加数据到2、将和发送到 ACC0001024H02H ADD A, #02H 将 3 发送到 B 1175HF0H03HMOV B, #03H 将 ACC 中的数据与 B 中的数据相乘，并将乘积的高 8 位发送到 B，低 8 位发送输入 ACC10100100 A4H MUL AB shutdown 11110 80HFEH SJMP $ 表 2-2 MCS-51 单片机 25 单片机的几条指令 原理及应用 原理及应用指令 说明：由于 CPU 工作于二进制，因此 CPU 可以直接识别并写入执行的指令二进制形式，称为机器指令或机器代码。
通常每条指令的第一个字节是必要的指令操作码，其余字节是操作数或操作地址。 指令长度通常为13字节，单字节指令只有操作码。 表中指令的十六进制形式和汇编形式是人们为了方便书写和记忆而采用的形式。 26 单片机原理及应用 单片机原理及应用实例：CPU计算“(1+2)3” 为了更好地理解CPU的工作原理，下面以CPU计算“(1+2)3”为例举例来说明CPU进程的工作情况。 使用上述指令编写的程序如下。 指令功能注释 MOV A,#01H; A 01H 添加 A，#02H； A 01+02HMOV B，#03H； B 03HMUL AB； BA (A) (B)SJMP $; 关机 27 单片机原理及单片机应用 CPU 工作原理示意图 假设上述程序已加载到单片机内部 ROM 中，起始地址为 0050H，并假设程序计数器的当前值也是0050H，单片机CPU的工作原理如图2-5所示。 图 2-5 MCS-51 单片机 CPU 工作原理示意图 28 单片机原理及应用 原理及应用 CPU 执行过程 (1) 时序及控制器通过 ROM 发出读指令的控制读取控制总线中的指令控制线信号，读取片内ROM中0050H单元中的操作码74H，送入指令寄存器。 同时控制PC增量器将程序计数器PC中的地址加1至0051H，即第二个取指器。 字节是提前准备好的。 29 单片机原理与应用 单片机原理与应用 (2) 指令译码器将指令寄存器中的操作码译码，并将译码结果发送给时序和控制器。 在本例中，解码结果为“将指令中给出的数据发送到ACC。该数据来自当前指令的第二个字节”。 30
