页数：32页文件大小：615.3 KB来源： 单片机原理及应用ppt课件
本课件从应用角度讲解MCS-51的硬件结构：先给出8051内部组成与引脚封装，再拆解CPU中的运算器与控制器，接着说明时钟与时序、机器周期与指令周期、复位电路与复位后寄存器状态，最后讲清哈佛结构的存储器划分与P0至P3四个并行口。
项目2「单片机硬件系统」从应用角度讲解MCS-51系列单片机的硬件结构，为后续设计打下基础。
通过本项目学习，要求学生从应用的角度熟练掌握MCS-51系列单片机的硬件结构，为后面的设计打下基础。
2.1.1 8051单片机的基本结构：MCS-51单片机内部包括CPU（进行运算、控制）、RAM（数据存储器）、ROM（程序存储器）、I/O口（串口、并口）、内部总线和中断系统等，基本结构框图如图2-3所示。
图2-3 8051单片机的内部结构：图中给出CPU、RAM、ROM、I/O口、内部总线与中断系统等部件的连接关系，是理解单片机硬件组成的核心框图。
2.1.2 8051单片机的引脚及其功能：图2-4为MCS-51芯片40引脚（DIP型）封装，图2-5为MCS-51芯片44引脚（PLCC型）封装。
2.2 单片机的内部结构：本节讲解指令的执行过程、8051的微处理器（运算器与控制器）组成，以及各控制寄存器的作用。
指令的执行过程分为三步：
作为8051单片机核心部分的微处理器是一个8位的高性能中央处理器（CPU），其性能直接影响单片机的整体性能，主要由运算器、控制器（时序控制逻辑电路）、布尔处理器等组成。
控制器是单片机的指挥控制部件，由程序计数器PC、数据指针DPTR、堆栈指针SP、指令寄存器IR、指令译码器ID、中断控制、串行口控制及定时与控制电路等组成。
中断控制电路主要包括定时器控制寄存器TCON、串行口控制寄存器SCON、中断允许控制器IE、中断优先级控制寄存器IP；串行口控制电路主要包括串行控制寄存器SCON、串行缓冲寄存器SBUF等，定时器在TCON和TMOD控制下可作定时器或计数器使用。
2.2.2 单片机的时钟与时序：单片机的工作过程是取一条指令、译码、进行微操作，再取下一条指令，依序完成指令规定的功能。各指令微操作在时间上的严格次序称作时序。
1）内部时钟方式：8051片内设有一个由反相放大器构成的振荡电路，只要在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡电路就产生自激振荡。电路如图2-7所示。
2）外部时钟方式：把外部已有的时钟信号引入到单片机内，常用于多单片机系统中以便各单片机时钟信号同步。对外部振荡信号无特殊要求：高低电平持续时间大于20ns、频率低于12MHz的方波信号。
2.单片机的时钟信号：CPU发出的时序信号分为两类，一类用于片内各部件的控制，另一类用于对片外存储器或I/O口的控制。CPU执行指令时所需控制信号的时间顺序称为时序。
晶振周期是单片机中最基本的、最小的时间单位，如图2-9所示。
晶振信号12分频后形成机器周期，即单片机完成一个最基本操作所用的时间。一个机器周期包含12个晶振周期或6个时钟周期，即有6个状态S1～S6，12个振荡脉冲依次表示为S1P1、S1P2……S6P1、S6P2。通常算术逻辑操作在P1时相进行，内部寄存器传送在P2时相进行。
3.指令执行时序：任何一条指令的执行都可以分为取指和执行两个阶段。取指阶段CPU从程序存储器ROM中取出指令操作码送指令寄存器，再经指令译码器译码，产生一系列控制信号执行本条指令规定的操作。
2.2.3 单片机的复位：系统开始运行和重新启动靠复位电路实现，单片机开机时都需要复位，使CPU及其他功能部件处于确定的初始状态并从此开始工作。
1）上电复位电路：最简单的上电复位电路由电容和电阻串联构成，如图2-11所示。上电瞬间电容两端电压不能突变，RST引脚电压VR1为VCC，随充电呈指数规律下降，到t1时刻降为3.6V，最后接近0V。图2-12给出复位端电压—时间关系，图2-13为按键复位电路。
说明：源文本中电容取值写作「22F」「10F」，按上电复位电路常用参数应为22μF与10μF，此处已按标准值修正，建议对照原图复核。
2.复位后的状态：复位操作使单片机进入初始化状态，初始化后PC＝0000H，CPU从程序存储器的0000H开始取指执行；单片机启动后RAM为随机值，运行中的复位操作不改变片内RAM的内容。各特殊功能寄存器（SFR）的值如表2-4所示。
| SFR名称 | 初始状态 |
|---|---|
| ACC | 00H |
| B | 00H |
| PSW | 00H |
| SP | 07H |
| DPL | 00H |
| DPH | 00H |
| P0～P3 | FFH |
| IP | xxx00000B |
| IE | 0xx00000B |
| TMOD | 00H |
| TCON | 00H |
| TH0 | 00H |
| TL0 | 00H |
| TH1 | 00H |
| TL1 | 00H |
| SCON | 00H |
| SBUF | 不确定 |
| PCON | 0xxx0000B |
说明：表中 x 表示未定义位，其复位后的值不确定，源文本以 * 号表示，此处统一记作 x。
2.2.4 单片机的最小系统：仅给单片机VCC与GND之间供+5V工作电源它不会工作，还需要几个元器件共同构成最小系统。最小系统指用最少的元件组成的可让单片机工作的系统。
2.3 存储器结构：计算机的存储器结构有两种。
8051的存储器在物理结构上分为程序存储空间和数据存储空间，共有4个存储空间：片内程序存储器、片内数据存储器、片外程序存储器和片外数据存储器。
2.3.1 存储器的组成：
程序存储器和数据存储器的结构配置见图2-16。
图2-16 8051的存储器结构：图中给出片内/片外程序存储器（ROM）与片内/片外数据存储器（RAM）的地址空间分布。
从用户使用的角度看，8051存储器地址空间分为3类：
三个存储空间地址相互重叠，靠不同的数据传送指令区分：访问片内ROM、片外ROM用MOVC指令；访问片外RAM用MOVX指令；访问片内RAM用MOV指令。
2.3.2 程序存储器ROM：一般用只读存储器（ROM）作程序存储器，MCS-51可寻址空间为64KB，用于存放用户程序、数据和表格等信息。
0000H～0002H是系统的启动单元，复位后PC内容为0000H，系统从0000H单元开始执行程序；若程序不是从0000H单元开始，应在该三个单元存放一条无条件转移指令。
地址为0003H～002AH共40个单元被均匀地分为5段，每段8个单元，分别作为5个中断源的中断入口地址区，其定义如表2-5所示。每段只有8个地址单元通常存不下完整的中断服务程序，一般在入口地址处放一条无条件转移指令，指向中断服务程序的真正地址。
| 使用目的 | 保留单元地址 |
|---|---|
| 复位后初始化引导程序 | 0000H～0002H |
| 外部中断0中断程序入口地址 | 0003H～000AH |
| 定时器/计数器0中断程序入口地址 | 000BH～0012H |
| 外部中断1中断程序入口地址 | 0013H～001AH |
| 定时器/计数器1中断程序入口地址 | 001BH～0022H |
| 串行口中断程序入口地址 | 0023H～002AH |
| 定时器2中断入口地址（8052才有） | 002BH |
2.3.3 数据存储器RAM：数据存储器又称随机存取数据存储器，用于存放运算的中间结果、数据暂存和缓冲以及标志位等，8051的数据存储器可寻址空间为64KB。
51单片机内部RAM有128或256个字节的用户数据存储单元（不同型号有别），均可读写，部分单元还可以位寻址。8051内部RAM配置图如图2-17所示。
图2-17 8051内部RAM配置图：图中给出片内256B数据存储区的配置，低128B（00H～7FH）为通用数据存储区，高128B（80H～FFH）为特殊功能寄存器（SFR）区，两部分地址不重叠、分别使用MOV指令访问。
2.4 并行I/O端口：8051单片机有四个8位双向I/O端口（P0、P1、P2、P3），共32条并行I/O口线，每一条I/O线都能独立地用作输入或输出。
2.4.5 I/O端口小结：P0、P1、P2和P3口均可作一般I/O口，实际应用中P0口用来构建8位数据总线和低8位地址总线，P2口构建高8位地址总线，P3口通常用于第二功能，P1口作为一般I/O口。
80C51（CHMOS型）驱动普通晶体管基极时，应在端口与晶体管之间串入一个电阻以限制高电平输出电流。
【特别提示】：
练习：实训2 灯的闪烁。
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