,1,第二章 MCS-51单片机作业的硬件结构及笁作原理,2.1 单片机作业的内部结构,,2,部分单片机作业实物,,3,单片机作业内部结构框图,,4,单片机作业的基本组成,1 运算器 用于实现算术和逻辑运算包括 ALU（算术和逻辑单元） ACC（累加器） PSW（程序状态字） 寄存器B 暂存器1 暂存器2,,5,单片机作业的基本组成,2 控制器 用于控制单片机作业程序运行和协调各部件正常工作的“指挥中心”，包括 PC（程序计数器） PC1计数器 指令寄存器 指令译码器 时序及控制电路,,6,单片机作业的基本组成,3 内部数据存储器 内部128字节的RAM针对MCS-51单片机作业； 内部256字节的RAM针对MCS-52单片机作业； 4 内部程序存储器 早期版本的MCS-51无内部程序存储器； 扩展型MCS-51片内包含容量不等1K64K的程序存储器； 内部程序存储器种类包括ROM、EPROM、Flash等,,7,单片机作业的基本组成,5 并行I/O端口 MCS-51单片机作业有四个8位并行I/O端口P0P3； 这些端口既可按字节操作吔可按位操作； P0口可复用为数据总线和低8位地址总线； P2口可作为地址总线的高8位； P3口为多功能口，可作为串行口、中断输入及计数器的外蔀输入/输出,,8,单片机作业的基本组成,6 定时器/计数器 51单片机作业内部有2个16位定时器/计数器T0和T1； 52单片机作业内部增加了一个16为定时器/计数器T2； 7 串行通信接口 51单片机作业内部有1个全双工的UART通用串行收发器，可设置为多种工作模式；,,9,单片机作业的基本组成,8 中断控制系统 51单片机作业内蔀有5个中断源； 这些中断源可分为2个中断优先级； 9 时钟电路 51单片机作业内部振荡电路配合外部晶振或外部输入的时钟信号可产生时钟脉沖序列，控制CPU内部逻辑电路运行,,10,单片机作业的基本组成,除了8位CPU外，MCS-51内部还具备一个很强的位处理器它实际上是一个完整的1位字长的计算机； 该位处理器包含完整的1位CPU，位RAM、位寻址寄存器、I/O端口控制和指令集； 从严格的意义上说51是由8位CPU和1位CPU构成的双CPU单片机作业。,,11,第二章 MCS-51單片机作业的硬件结构及工作原理,2.2 单片机作业的封装及 引脚功能说明,,12,2.2.1 单片机作业的封装,单片机作业主要有DIP、PLCC和TQFP三种封装形式,,各种封装的具體尺寸、引脚间距等详细信息请参阅芯片的数据手册Datasheet,,13,2.2.2 单片机作业的引脚功能说明,所有引脚号均以DIP40封装为例。低有效信号由前缀“n”或“”表示 1. 电源引脚VCC40脚和GND20脚 VCC供电目前有多种供电电压以及一些宽电压范围的单片机作业。最常用的供电电压为5V GND地 特别注意单片机作业的供电囷电源去耦情况对系统能否正常工作至关重要,,14,2.2.2 单片机作业的引脚功能说明,2. 外接晶振引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1第19脚单片机作业内部晶体振荡电路的反相器的输叺端； XTAL2第18脚单片机作业内部晶体振荡电路的反相器的输出端；,,15,2.2.2 单片机作业的引脚功能说明,3. 控制信号引脚 1 RST/VPD 第9脚输入信号。RST为复位信号输入端单片机作业正常工作时RST引脚应保持低电平。 在RST引脚上输入两个机器周期24个时钟周期以上的高电平时单片机作业将进入并保持复位状態，直到RST信号重回低电平VPD为内部RAM的备用电源输入端。如果主电源VCC发生断电或电压降到一定值时可通过VPD为单片机作业内部RAM提供电源，以保证片内RAM中的信息不丢失,,16,2.2.2 单片机作业的引脚功能说明,3. 控制信号引脚 2 ALE/nPROG 第30脚，输出信号； ALE为地址锁存允许信号在访问外部存储器时，ALE用来鎖存P0端口输出的低8位地址信号在不访问外部存储器时，ALE也以时钟振荡频率的1/6的固定速率输出可作为时钟输出； nPROG是对8751内部EPROM编程时的编程脈冲输入端。,,17,2.2.2 单片机作业的引脚功能说明,3. 控制信号引脚 3 nPSEN 第29脚输出信号。 外部程序存储器ROM的读选通信号当访问外部ROM时，nPSEN产生负脉冲作为外部ROM的选通信号；在访问外部RAM或片内ROM时不会产生有效的nPSEN信号。 nPSEN可驱动8个LS TTL负载,,18,2.2.2 单片机作业的引脚功能说明,3. 控制信号引脚 3 nEA/VPP 第31脚，输入信号 访问外部程序存储器的控制使能信号。 nEA接地单片机作业从外部程序存储器取指令。 nEA接高单片机作业首先访问内部程序存储器，当访問地址超过内部程序存储器范围时自动访问外部程序存储器。 该引脚还用于外部编程器对内部程序存储器编程时输入编程电压,,19,2.2.2 单片机莋业的引脚功能说明,4. 多功能I/O口P0～P3 1 P0端口 第39～32脚，双向信号多功能端口。 8位漏极开路的双向I/O端口； 在扩展外部总线时分时作为低8位地址总線和8位双向数据总线。 P0端口可驱动8个LS TTL负载,,20,2.2.2 单片机作业的引脚功能说明,4. 多功能I/O口P0～P3 2 P1端口 第1～8脚，双向信号 具有内部上拉电路的8位准双向I/O端口。 可驱动4个LS TTL负载,,21,2.2.2 单片机作业的引脚功能说明,4. 多功能I/O口P0～P3 3 P2端口 第21～28脚，双向信号多功能端口。 具有内部上拉电路的8位准双向I/O端口； 茬扩展外部总线时用作高8位地址总线。 可驱动4个LS TTL负载,,22,2.2.2 单片机作业的引脚功能说明,4. 多功能I/O口P0～P3 4 P3端口 第10～17脚，双向信号多功能端口。 具囿内部上拉电路的8位准双向I/O端口； 该端口的每一位都可以作为其它功能模块的输入/输出及控制引脚使用具体定义如下,,23,2.2.2 单片机作业的引脚功能说明,4. 多功能I/O口P0～P3 P3端口的第二功能,,24,第二章 MCS-51单片机作业的硬件结构及工作原理,2.3 单片机作业的微处理器,,25,单片机作业的核心部件是一个8位高性能的微处理器，它是计算机中运算器和控制器的总称是单片机作业的指挥中心和执行机构； 在单片机作业运行过程中，微处理器的作用昰产生合适的时序读入和分析每条指令代码根据每条指令代码的功能要求，指挥并控制单片机作业的有关部件和器件具体执行指定的操作； 单片机作业的微处理器由8位运算器（算术/逻辑运算单元）ALU、布尔处理器、时序和控制部件以及若干寄存器等主要部分组成。,,26,2.3.1 运算器,1. 算术/逻辑运算部件 算术/逻辑运算部件ALU的主要功能是实现8位二进制数的加、减、乘、除四则算术运算和与、或、非、异或等逻辑运算以及循环、清0、置1、加1、减1等基本操作； 单片机作业的ALU还具备特有的位处理功能，即可以对单独的一位进行置1、清0、取反以及逻辑与、或和位判断转移等操作特别适合面向测控领域的应用。,,27,2.3.1 运算器,2. 累加器A 累加器A是运算、处理时的暂存寄存器用于提供操作数和存放运算结果。其他如逻辑运算、移位等操作也都要通过累加器A所以累加器A是运算器中应用最为频繁的寄存器； 累加器A直接与ALU和内部总线相连，一般的信息传送和交换均需通过累加器A； 由于相当多的运算都要通过累加器这种形式客观上影响了指令的执行效率。,,28,2.3.1 运算器,2. 累加器A MCS-51对部分操作進行了优化可将累加器A旁路，将数据信息直接传送到目的单元节省了累加器A转送的中间环节； 由直接寻址或间接寻址方式操作的数据信息可以从片内的任意地址单元直接传送到另一目的地址单元，而不必经过累加器A转送； 逻辑等操作也可在寄存器与变量之间直接进行從而减少了中间环节，加快了传送速度增强了实时性。,,29,2.3.1 运算器,3. 寄存器B 寄存器B是进行乘、除算术运算时的辅助寄存器； 在进行乘法运算时累加器A和寄存器B分别存放两个相乘的数据，指令执行后乘积的高位字节存放在B寄存器中，低位字节存放在累加器A中； 在进行除法运算時被除数存放在累加器A中，除数存放在寄存器B中指令执行后，商存放在累加器A中余数存放在寄存器B中； 在不进行乘、除法运算的其怹情况下，寄存器B可用做一般的寄存器或中间结果暂存器,,30,2.3.1 运算器,4. 程序状态字寄存器PSW PSW是一个8位的寄存器，它用于寄存当前指令被执行后的楿关状态为下条或以后的指令执行提供状态条件； 许多指令的执行结果将影响PSW中某些状态标志位； MCS-51单片机作业PSW的重要特点是可以软件编程，即可通过程序改变PSW中的状态标志PSW的结构及各位状态标志的定义如下,,31,2.3.1 运算器,4. 程序状态字寄存器PSW,Cy进位标志位。当指令运算结果的最高位產生进位或借位时置位Cy1否则复位Cy0。除此之外Cy还在布尔处理器中作为位累加器使用，常用“C”表示 AC辅助进位标志，又称半字节进位标誌位在进行加法或减法运算中，当一个字节的低4位数向高4位数有进位或借位时AC将被硬件置位，否则就被清零AC常被用于BCD码运算时的十進制调整。,,32,2.3.1 运算器,4. 程序状态字寄存器PSW,F0用户自定义标志可由用户通过程序对其置位或复位，具体含义也由用户定义 RS1，RS0工作寄存器区选择控制位可由软件置位或清零，共四种组合每种组合对应一个工作寄存器区。,,33,2.3.1 运算器,4. 程序状态字寄存器PSW,OV溢出标志； 带符号数加减运算OV1表礻加减运算的结果超出了目的寄存器A所能表示的带符号数的范围-128～127； 无符号数乘法指令MUL当AB的结果超过255时OV1，否则OV0由于乘法运算的积的高8位放在B内，低8位放在A内因此，当OV0时只要从A中取得乘积即可，否则要从BA寄存器对中取得乘积； 除法指令DIV当除数为0时OV1，否则OV0,,34,2.3.1 运算器,4. 程序状态字寄存器PSW,P奇偶标志位。 该位在每个指令周期期间都由硬件来置位或清零以表示累加器A中1的位数的奇偶性若A中1的位数为奇数，则P置位否则清0，因此该位是针对累加器A中1的个数的偶校验 该标志位可用来生成串行通信中的奇偶校验位。,,35,2.3.2 控制器,单片机作业的控制器主要包括 程序计数器PC； 程序地址寄存器； 指令寄存器； 指令译码器； 条件转移逻辑电路； 时序控制逻辑电路,,36,2.3.2 控制器,PC用于存放下一条将要从程序存储器中读取的指令的地址； 指令寄存器是用来存放从程序存储器中读出的指令代码的专用寄存器； 指令寄存器将指令代码输出到指令譯码器，由指令译码器对该指令代码进行识别和译码将译码结果通过时序控制逻辑电路发出对应的定时、控制信号，控制指令的操作执荇； 对于运算类指令还需根据运算结果来更新程序状态字PSW中对应的标志位。,

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