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1.2 MCS-51 系列单片机的内部结构

1.2 MCS-51 系列单片机的内部结构. 1.2.1 微处理器结构 1.2.2 振荡与时钟 1.2.3 时钟周期、状态周期和机器周期 1.2.4 复位和复位电路 1.2.5 MCS-51 单片机的引脚功能. T0 T1. 时钟电路. ROM. RAM. 定时计数器. CPU. 并行接口. 串行接口. 中断系统. TXD RXD. INT0 INT1. P0 P1 P2 P3. MCS-51 单片机内部结构示意图. 并行 I/O 口： 4 个 8 位的 I/O 口 P0 、 P1 、 P2 、 P3 。.

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1.2 MCS-51 系列单片机的内部结构

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  1. 1.2 MCS-51系列单片机的内部结构 • 1.2.1 微处理器结构 • 1.2.2 振荡与时钟 • 1.2.3 时钟周期、状态周期和机器周期 • 1.2.4 复位和复位电路 • 1.2.5 MCS-51单片机的引脚功能

  2. T0 T1 时钟电路 ROM RAM 定时计数器 CPU 并行接口 串行接口 中断系统 TXD RXD INT0 INT1 P0 P1 P2 P3 MCS-51单片机内部结构示意图 • 并行I/O口：4个8位的I/O口P0、P1、P2、P3。 • 中央处理器CPU：8位，运算和控制功能 • 内部ROM：4KB掩膜ROM，用于存放程序、原始数据和表格。 • 串行口：一个全双工串行口。 • 中断控制系统：5个中断源（外部中断2个，定时/计数中断2 个，串行中断1个） • 时钟电路：可产生时钟脉冲序列，允许晶振频率6MHZ和12MHZ • 内部RAM：共256个RAM单元，用户使用前128个单元，用于存放可读写数据，后128个单元被专用寄存器占用。 • 定时/计数器：两个16位的定时/计数器，实现定时或计数功能。 结构框图

  3. 1.2.1 微处理器结构 • 由单片机的内部结构可知，MCS-51单片机主要由以下几部分组成： • 中央处理器（CPU） • 振荡电路 • 内部总线 • 程序存储器和数据存储器 • 定时器/计数器 • I/O口 • 串行口 • 中断系统

  4. 中央处理器（CPU） • 运算器 • 包括算术逻辑运算部件ALU单元、暂存器1、暂存器2、累加器ACC、寄存器B和BCD码调整电路。 • 主要功能：算术运算、加1和减1运算、十进制调整、逻辑操作、数据传送。 • 布尔处理器 • 它以PSW中的进位标志位C为其累加器，专门用于处理位操作，有相应的位寻址RAM和I/O空间。 • 控制器 • 包括程序计数器PC、数据指针DPTR、堆栈指针SP、程序状态字、指令寄存器IR、指令译码器ID、振荡器、定时电路和复位电路等。 • 主要功能：控制各部分的协调工作；协调单片机和外围芯片的工作。

  5. 振荡电路 • 单片机必须在时钟的驱动下才能进行工作。MCS-51单片机内部具有一个时钟振荡电路，只需要外接振荡器，即可为各部分提供时钟信号。 • 典型的时钟电路 • 在电路中，电容通常取30pF，晶振的取值通常为：1MHZ-33MHZ（不同型号的单片机的上限频率可能有差别）。

  6. 常用单片机的最高时钟频率

  7. 时钟周期、状态周期和机器周期 • 时钟周期单片机在工作时，由内部振荡器产生或由外部直接输入的送到内部控制逻辑单元的时间信号的周期。其大小是时钟信号频率（fosc）的倒数。 • 例如：时钟信号频率fosc为6MHz，则时钟周期为1/6us。 • 状态周期由2个时钟周期组成（1个状态周期=2个时钟周期） • 机器周期 • 由12个时钟周期或6个状态周期组成（1个机器周期=12个时钟周期）。 • 例如：有一个单片机系统，它的fosc=12MHz，则时钟周期为1/12us，状态周期为1/6us，机器周期为1us 。

  8. 机器周期 S1 S2 S3 S4 S5 S6 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 时钟周期 状态周期 单片机各种周期的关系图 • 1个机器周期=6个状态周期=12个时钟周期

  9. 1.2.4 复位和复位电路 • 单片机在重新启动时都需要复位，MCS-51系列单片机有一个复位引脚输入端RST。 • MCS-51系列的单片机复位方法为：在RST上加一个维持两个机器周期以上的高电平，则单片机被复位。 • 复位时单片机各部分将处于一个固定的状态。 • 常用的MCS-51单片机复位电路 • 上电自动复位电路 • 手动复位电路 • “看门狗”复位电路

  10. 复位后单片机各单元的初始状态

  11. Va 阻容上电自动复位电路 单片机复位条件: 必须使RST引脚持续10 ms以上高电平(外部时钟12MHz) 这种电路利用电容上电压不能突变而是按指数规律上升或下降的特性 ,产生所需的复位脉冲 优点：使用最为普遍且成本低廉的复位电路 缺点：在电源出现瞬时跌落的情况下，将无法获得参数符合要求的复位脉冲或根本无法产生复位脉冲。

  12. 手动复位电路 按键复位是通过按压键使复位端经电阻与VCC接通得到短时的高电平。 在系统运行过程中，有时可能需要对系统进行复位，以避免对硬件经常加电或断电而造成的伤害，我们可以采用手动复位的方式。具体的电路如图所示。

  13. 未稳压电源 P1.0 WDI R1 ﹠ RESET RST WDO PFI MCS-51 MR R2 MAX813L “看门狗”复位电路

  14. MAX810系列复位芯片 • 复位信号由MAXIM公司生产的仅有三个脚的复位芯片MAX810L提供，该复位芯片复位电压门限的典型值为4.63V。 • 正确选择复位门限

  15. 1.2.5 MCS-51单片机的引脚功能 • MCS-51单片机采用40脚双列直插式封装形式，主要包括以下几个部分： • 电源引脚Vcc和Vss • Vcc(40脚)：电源端，为十5V； • Vss(20脚)：接地端 。 • 时钟电路引脚XTAL1和XTAL2 • XTAL1为内部振荡电路反相放大器的输入端 。 • XTAL2为内部振荡电路反相放大器的输出端 。 • 控制信号引脚RST、ALE、PSEN和EA • I／O(输入／输出)端口P0、P1、P2和P3 • MCS-51单片机P3口的第二功能

  16. 1234567891011121314151617181920 4039383736353433323130292827262524242221 8031 8051 8751 89C51 EA RXD/TXD/INT0/ INT1/ T0/ T1/WR/ RD/ 5、EA：访问程序存储控制信号 PSEN 6、PSEN：外部ROM读选通信号 2、MCS-51单片机信号引脚简介 P1. 0P1.1P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 VCC 1、电源线：VCC(+5V)、VSS(地) P0. 0P0.1P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 2、振荡电路：XTAL1、XTAL2 3、复位引脚：RST 4、并行口：P0、P1、P2、P3 RST P3. 0P3.1P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 ALE P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2. 0 7、ALE：地址锁存控制信号 XTAL2XTAL1 P3口线的第二功能 VSS

  17. MCS-51的PLCC封装类型引脚图

  18. 控制信号引脚RST、ALE、PSEN和EA • RST／Vp(9脚) ：RST是复位信号输入端，高电平有效。当此输入端保持两个机器周期(24个时钟振荡周期)的高电平时，就可以完成复位操作。RST引脚的第二功能是Vp，即备用电源。 • ALE／PROG(30脚)：地址锁存允许信号端。当8051上电正常工作后，ALE引脚不断向外输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率fosc 的l／6 。此引脚的第二功能PROG是对片内带有可编程的ROM的单片机编程写入(固化程序)时，作为编程脉冲的输入端。 • PSEN(29脚)：程序存储允许输出信号端。在访问片外程序存储器时，此端定时输出负脉冲作为读片外存储器的选通信号。CPU在从外部ROM取指期间，PSEN信号在每个机器周期(12个时钟周期)中两次有效。 • EA／VPP（3l脚)：外部程序存储器地址允许输入端/固化编程电压输入端。当EA引脚接高电平时，CPU先访问片内程序存储器并执行内部程序存储器中的指令，然后再访问外部ROM的内容。输入信号EA引脚接低电平(接地)时，CPU只访问外部外部ROM并执行外部程序存储器中的指令，而不管是否有片内程序存储器。

  19. 引脚 • 第二功能 • P3.0 • RXD(串行口输入) • P3.1 • TXD(串行口输出) • P3.2 • INT0(外部中断0输入) • P3.3 • INT1(外部中断1输入) • P3.4 • T0(定时器0的外部输入) • P3.5 • T1(定时器1的外部输入) • P3.6 • !WR(片外数据存储器写选通控制输出) • P3.7 • RD(片外数据存储器读选通控制输出) MCS-51单片机P3口的第二功能

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