2.1 MCS-51系列单片机的硬件结构（课件）-《单片机技术与应用》(高教版第二版) 同步精品课堂

单片机技术与应用 -第6课时- 高教版第二版 MCS-51系列单片机的硬件结构 教学目标 MCS- 51系列单片机各硬件模块的名称和功能 内部存储器 ROM 和 RAM 的区别 定时器 / 计数器、中断系统的工作机制 教学重难点 了解 MCS - 51 系列单片机的硬件组成部分 掌握 CPU、内部存储器、并行 I/O 口等各硬件模块的功能 理解定时器 / 计数器、串行口、中断系统等的工作原理 让我们一起开启单片机的学习之旅。 导入新课 前面我们学习了单片机的基础知识。那么，单片机硬件是怎么样的？内部是如何工作的？它有哪些资源可供我们使用？ 视频中提到的单片机的工作过程中，提到了哪些内部结构？ 这些内部结构是如何工作的？ 让我们一起开启单片机的学习之旅。 新知讲授 MCS-51单片机概述 MCS-51系列单片机是因特尔(Intel)公司生产的一个系列单片机的名称。比如：8051/8751/8031、8052/8752/8032、80C51/87C51/80C31、80C52/87C52/80C32等，都属于这一系列的单片机。 MCS-51系列单片机从功能上可分为51和52两大类。末位数为“1”的为基本型，末位数为“2”的为增强型。两者的最大区别是52比51内部存储器容量更大，且增加了一个内部定时/计数器。 单片机的主流产品 MCS-51系列单片机的硬件结构 新知讲授 MCS-51单片机的内部结构 CS-51单片机的组成：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 MCS-51单片机组成框图如下 MCS-51系列单片机的硬件结构 新知讲授 内部结构原理图： MCS-51系列单片机的硬件结构 实物图： 新知讲授 MCS-51系列单片机包含以下功能部件： MCS-51系列单片机的硬件结构 （1）8位CPU。 （2）布尔代数处理器，具有位寻址能力。 （3）128B内部RAM数据存储器，21个专用寄存器。 （4）4KB内部掩膜ROM程序存储器。 （5）2个16位可编程定时器/计数器。 （6）32个（4×8位）双向可独立寻址的I/O口。 （7）1个全双工UART（异步串行通信口）。 （8）5个中断源、两级中断优先级的中断控制器。 （9）时钟电路，外接晶振和电容可产生1.2MHz～12MHz的时钟频率。 （10）外部程序/数据存储器寻址空间均为64KB。 （11）111条指令，大部分为单字节指令。 （12）单一+5V电源供电，双列直插40引脚DIP封装。 新知讲授 1. 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的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。 中央处理器（CPU）组成 MCS-51系列单片机的硬件结构 CPU的内部集成有运算器和控制器， 运算器是用于对数据进行算术运算和逻辑操作的执行部件，包括算术/逻辑单元（ALU）​、累加器（ACC）​、程序状态字寄存器（PSW）​、暂存器、B寄存器等部件。 控制器是CPU的大脑中枢，它包括定时控制逻辑、指令寄存器、数据指针（DPTR）及程序计数器（PC）​、堆栈指针（SP）​、地址寄存器和地址缓冲器等。它的功能是逐条对指令进行译码，并通过定时和控制电路在规定的时刻发出各种操作所需的内部和外部控制信号，协调各部分的工作，完成指令规定的操作。 新知讲授 2. 内部存储器 存储器是用来存放程序和数据的，MCS-51的内部存储器可分为程序存储器 (ROM) 和数据存储器 (RAM),又有片内和片外之分 （1）程序存储器 (ROM) MCS-51系列单片机的硬件结构 可寻址空间为64KB，用于存放用户程序、数据和表格等信息。程序写入单片机的程序存储器，就不会改变，掉电时也不会消失，只能被读出来执行。 要想改变程序存储器中的内容，只能通过重新写入来实现。 8051有4KB程序存储器单元，地址0000H~0FFFH，启动或复位后从0000H单元开始执行。 新知讲授 2. 内部存储器 存储器是用来存放程序和数据的，MCS-51的内部存储器可分为程序存储器 (ROM) 和数据存储器 (RAM),又有片内和片外之分 （2）数据存储器 (RAM) MCS-51系列单片机的硬件结构 主要用于存放可随机读写的数据，掉电或复位时数据会丢失。 一般将随机存储器（RAM）用做数据存储器。可寻址空间为64KB。MCS-51数据存储器可分为片内和片外两部分。 新知讲授 3. 并行I/O 口 并行I/0口(输入/输出接口)的作用是把来自外部设备(简称外设)的信息传送给单片机，把单片机处理后的数据传回外设。 并行I/O 口 组成 MCS-51系列单片机的硬件结构 并行是指可同时传送多位数据， 一般为8位。 MCS-51 系列单片机内部共有4个8位的双向并行I/O 口 (PO、P1、P2、P3) 用于实现数据的并行输 入和输出。 新知讲授 4. 定时器/计数器 MCS-51 系列单片机内部有2个16位定时器/计数器，分别是定时器/计数器0和定时器/ 计数器1,也称为TO 、T1。它们的主要功能是实现定时或计数功能，并以其定时或计数的结果 来完成控制功能。 定时器/计数器工作模式 MCS-51系列单片机的硬件结构 T0和T1均有定时器和计数器两种工作模式。 在定时器模式下，T0和T1的计数脉冲可以由单片机时钟脉冲经12分频后提供。 在计数器模式下，T0和T1的计数脉冲可以从P3.4 和P3.5引脚上输入。 对T0和T1的控制由定时器方式选择寄存器TMOD和定时器控制寄存器TCON完成。 新知讲授 5. 可编程全双工串行口 可编程全双工串行口用于实现单片机与其他设备之间的串行数据传输。 可编程全双工串行口组成 MCS-51系列单片机的硬件结构 串行是指数据一位一位地传输，因而需要的数据线较少，可以降低成本，但传输速率较慢。 MCS-51 系列单片机有1个全双工的串行口，可以同时接收数据和发送数据。 新知讲授 6. 中断系统 中断：指CPU暂停原程序执行，转而为外部设备服务（执行中断服务程序），并在服务完后返回到原程序执行的过程。 中断系统：指能够处理上述中断过程所需要的硬件电路。 中断源：指能产生中断的请求信号源。 中断系统组成 MCS-51系列单片机的硬件结构 MCS-51 系列单片机共有5个中断源，即2个外部中断源，2个定时器/计数器中断源，1 个串行口中断源。 中断系统主要由中断允许控制器IE和中断优先级控制器IP等电路组成。 新知讲授 7. 时钟电路 时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列，用于协调和控制单片机的工作。 时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。常用的时钟电路有两种方式，一种是内部时钟方式，另一种是外部时钟方式。 时钟电路组成 MCS-51系列单片机的硬件结构 MCS-51 系列单片机 的时钟电路通常采用外接石英晶体振荡器和微调电容来实现，振荡频率范围为0~33 MHz。 新知讲授 8. 总 线 MCS-51 系列单片机总线系统包括地址总线、数据总线和控制总线等多条线路，用于实现CPU、存储器、IO等模块之间的数据交互。 （1）地址总线 MCS-51系列单片机的硬件结构 51单片机内部的地址总线由12根线组成，可以寻址2^12（4096）个地址空间。 其中，P0口的低8位用于输出地址信息，高4位保留； P2口的其中两根线也可以用于输出地址信息。 通过地址总线，CPU可以访问内部和外部存储器、IO端口等设备。 新知讲授 （2）数据总线 MCS-51系列单片机的硬件结构 51单片机内部的数据总线由8根线组成，用于传输8位二进制数据。CPU可以通过数据总线与存储器、IO等设备进行数据交互。 （3）控制总线 51单片机内部的控制总线由3根线组成，分别为RD（读）、WR（写）和ALE（地址锁存使能）信号。RD信号表示读取数据，WR信号表示写入数据，ALE信号用于锁存地址信息。通过控制总线，CPU可以对存储器、IO等设备进行操作。 随堂检测1 MCS - 51 系列单片机的程序存储器和数据存储器有什么区别？ 答案：程序存储器（ROM）用于存放程序、常数和表格，写入后不可改变，掉电不丢失；数据存储器（RAM）用于存放可随机读写的数据，掉电或复位时数据丢失。 简述并行 I/O 口的作用。 答案：并行 I/O 口用于把来自外部设备的信息传送给单片机，把单片机处理后的数据传回外设，可同时传送多位数据。 练一练 随堂检测2 MCS - 51 系列单片机有几个定时器 / 计数器？它们的主要功能是什么？ 答案：有 2 个 16 位定时器 / 计数器（T0、T1），主要功能是实现定时或计数功能，并以结果完成控制功能。 什么是中断？MCS - 51 系列单片机有几个中断源？ 答案：中断是指单片机暂停正在执行的程序转去处理其他操作，处理后返回暂停处继续执行。MCS - 51 系列单片机有 5 个中断源，包括 2 个外部中断源、2 个定时器 / 计数器中断源、1 个串行口中断源。 练一练 随堂检测3 时钟电路对单片机有什么作用？ 答案：时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列，用于协调和控制单片机的工作。 MCS - 51 系列单片机内部的总线有哪些？ 答案：有地址总线（AB）、数据总线（DB）和控制总线（CB）。 练一练 随堂检测4 判断对错：MCS - 51 系列单片机的串行口只能发送数据不能接收数据。 答案：错误 解析：MCS - 51 系列单片机有 1 个全双工的串行口，可以同时接收数据和发送数据。 简述 CPU 在单片机中的核心作用。 答案：：CPU 由运算器和控制器组成，主要功能是完成指令的运行、控制、数据运算和位处理等，控制着单片机各硬件模块的工作。 练一练 师生互动 1 假如要开发一个基于 MCS - 51 系列单片机的环境监测系统，需要实时采集温度、湿度等数据并上传到上位机。请各小组讨论：如何合理利用单片机的硬件资源来实现这个系统，在硬件模块的选择和配置上需要考虑哪些因素？ 课题小结 1. CPU MCS-51系列单片机的硬件结构 2. 内部存储器 程序存储器 (ROM) 数据存储器 (RAM) 地址总线 数据总线 控制总线 3. 并 行I/O 口 4.定时器/计数器 5.可编程全双工串行口 7.中断系统 6.时钟电路 8.总 线 谢谢观看 THANKS UTC 2025-09-02 05:39:54 Lavf58.76.100 $