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第3章MCS51系列单片机结
构
u3.1MCS51单片机的结构和引脚
u3.2中央处理器CPU
u3.3存储器
u3.4并行输入/输出接口
u3.5I/O接口电路的作用与I/O接口的
编址方式
u3.6CPU的时序与复位
教学提示:单片机的结构及工作原理是单片机系统的
基础资源,本章主要讲述MCS51单片机芯片的组成、内部
各功能模块的逻辑框图、电路结构和工作原理。学习中,一
是要注意理解各功能模块的结构和原理,二是要注意CPU
与各功能模块间的联系,形成单片机的整体概念。只有清
楚了解单片机已有的硬件资源,才能通过程序利用硬件资
源实现、完成功能。
教学要求:本章让学生了解单片机内部功能模块的组
成,重点掌握CPU、RAM、ROM、特殊功能寄存器、I/O
接口、时钟电路和复位电路的结构与原理。
3.1MCS51单片机的结构和引脚
MCS51系列单片机包括51、52两个子系列,其指令系统
和引脚完全相同。51子系列有80C31、80C51、87C51和
89C51这4个机型,它们的区别是80C31无ROM,80C51有
掩膜ROM,87C51有可紫外线擦除的EPROM和89C51有电
可擦除的FPEROM。52子系列也有4种机型,分别为80C32、
80C52、87C52和89C52。52子系列ROM的区别与51子系列
相同。
两子系列的其它区别是,51子系列有128B的片内RAM,
4KB的ROM(不包括80C31),2个定时/计数器及5个中断源。
52子系列有256B的片内RAM,8KB的ROM(不包括80C32),
3个定时/计数器及6个中断源。
MCS51系列单片机的典型芯片是8051,其结构框图如
图3.1所示。
图3.18051单片机内部结构图
由图3.1可知各功能部件均连接在内部总线上,按功能
可划分为8个部分,即中央处理机CPU、数据存储器RAM、
程序存储器ROM、特殊功能寄存器SFR、输入/输出(I/O)接
口、定时/计数器、中断源和串行通信口。本章介绍前五个
部分,其余部分将在后续章节中介绍。
3.1.1单片机的内部结构及功能部件
MCS51系列单片机的内部结构由8部分组成,以80C51
单片机为例,其内部按功能可划分为CPU、存储器、I/O端
口、时钟振荡电路等模块。各功能简述如下:
1.一个8位中央处理机(CPU)
中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件,是8位数
据宽度的处理器,能处理8位二进制数据或代码。CPU负
责控制、指挥和调度整个单元系统协调工作,完成运算与
控制输入/输出功能等操作。51单片机的CPU由运算器、控
制器及位处理器等组成。
·运算器:包括算术/逻辑单元(ALU)、累加器(ACC)、
寄存器(B)、暂存器(TEMP)及程序状态寄存器(PSW)等。
运算器的功能是进行算术运算和逻辑运算,可以对单字节、
半字节(4位)等数据进行操作。如,能完成加、减、乘、除、
加“1”、减“1”、BCD码十进制调整、比较等算术运算,
还能实现与、或、异或、取反、左右循环等逻辑操作。操
作结果一般存放在累加器(Acc)中,结果的状态信息呈现在
程序状态寄存器(PSW)中。
·控制器:是控制单片机工作的神经中枢,它包括程序
计数器(PC)、指令寄存器(IR)、指令译码器(ID)、数据指针
(DPTR)、堆栈指针(SP)、RAM地址寄存器、时钟发生器、
定时控制逻辑等。控制器以主振频率为基准,发出CPU的
控制时序,从程序存储器取出指令,放在指令寄存器,然
后对指令进行译码,并通过定时和控制逻辑电路,在规定
的时刻发出一定序列的微操作控制信号,协调CPU各部分
的工作,以完成指令所规定的操作。其中,一些控制信号
通过芯片的引脚送到片外,控制扩展芯片的工作。
·位处理器(布尔处理器):MCS51的CPU内部有一个1
位处理器子系统,它相当于一个完整的位单片机,每次处
理的数据只有1位。它有自己的累加器(CY)和数据存储器
(可位寻址空间)。它能完成逻辑与、或、非、异或等逻辑
操作,用于逻辑电路的仿真、开关量的控制及设置状态标
志位等。
2.存储器
MCS51系列单片机的存储器包括:数据存储器(RAM)
和程序存储器(ROM)两部分。
·数据存储器:51/52系列单片机片内有128/256个字节
的片内数据存储器和21/26个特殊功能寄存器。数据存储器
是通用存储器,用于存放运算中间结果或临时数据等。特
殊功能寄存器(SFR)是CPU运行和片内功能模块专业的寄
存器。一般不能作为通用数据存储器使用。
当片内数据存
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