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第1章 单片机的硬件结构和原理,概述,在一块芯片上 集成了、 存储器、 I/O接口, 构成一个完整的微型计算机。,单片机,1.1 单片机的发展简史,1. 4 位单片机(19711974) Intel 4004 2. 低档 8 位单片机(19741978) Intel 8048 ( 无串行 I/O 口、寻址范围 4KB ) 3. 高档 8 位单片机(19781982) Intel 8051 ( 含串行I/O口、多级中断处理、 16位定时/计数器、寻址范围 64KB) 4. 16 位单片机(19821990) Intel 8096 (速度、控制功能、分辨率高),5. 新一代单片机(90年代以来),(1) 双 CPU (2) 内部流水线 (3) 20 MHz 时钟频率 (4) PWM 输出 (5) 监视定时器 WDT (6) 可编程计数器阵列 PCA (7) DMA 传输 (8) Modem 总而言之,向着高集成度、低功耗方向发展。 两个发展方向:高精度、多功能; 专一功能,1.2 单片机的应用,1. 单机应用,(1) 测控系统。 (2) 智能仪表。 (3) 机电一体化产品。(单片机用于机械产品) (4) 智能接口。 (含单片机的接口) (5) 智能民用产品。,2. 多机应用,(1) 功能集散系统。 (2) 并行多控制系统。 并行数据采集,处理系统、实时图象处理系统等。 (3) 局部网络系统。 分布式测控系统,单片机负责系统中的通信控制, 或构成各种子系统。,3.嵌入式计算机系统,(1)嵌入式计算机系统 内部包含微计算机 用于完成特定任务的电子系统。 由嵌入式微处理器、外围硬件设备、潜入式操作系统 以及用户的应用程序组成。 以应用为中心,以计算机技术为基础, 适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗 有严格要求的应用领域。 具有良好的控制效果和极高的控制效率。,对精通嵌入式系统的设计人员有很大的需求 (2)嵌入式系统的设计; 需要计算机技术(软、硬件设计 、数字信号处哩、计算机网络等)电子技术、半导体技术及相应行业的应用技术。 单片机:将组成计算机的各部分集成于一个芯片。 是嵌入式系统计算机的最加选择。 嵌入式计算机系统:对象的智能化控制能力, 对象系统密切相关的嵌入性能、 控制能力与 控制的可靠性。,4. 网络与通信,(1) 网络通信设备 ( 如: 程控交换机、 路由器、网关、 网桥等)。 (2)网络增值服务(如VOIP)Voice Ovor Internet Protocol,(如:基于Internet 的网络电话),第 2 章 MCS-51 单片机硬件结构,2.1 MCS-51 单片机总体结构,2.1.1 MCS - 51单片机的内部结构图及应用 P23,图 2.2 8051 单片机系统结构框图,2.3 中央处理器CPU,2.3.1 运算器,算术逻辑单元ALU 二进制数算术、逻辑运算;位处理。 2. 累加器ACC(Accumulator) 最活跃! 3. 寄存器B 用于乘、除运算; 通用 4. 程序状态字PSW(Programe State Word),D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0,PSW,表 2.2 RS1、 RS0与片内工作寄存器组的对应关系,提请注意:P(PSW.0) 奇/偶标志 若 ACC中的 1的个数为”奇”数, P=1 ACC中的 1的个数为”偶”数, P=0,2.3.2 控制,1. 时钟电路,图 2.2 单片机时钟电路 (a) 内部时钟电路; (b) 外部振荡源 外接定时元件,内部电路自激振荡 外接振荡器频率低于12MHz 通常选 6MHz,器,包括: 控制逻辑,指令寄存、译码器,PC,SP,DPTR 及 控制部件。,2. 复位电路 使单片机内各寄存器值变为初始状态的操作。,图 2.3 单片机复位电路 (a)上电复位电路; (b) 开关复位电路 需要:在RESET引脚上持续两个机器周期的高电平。,表 2.3 复位后内部寄存器状态,3. 指令寄存器和指令译码器 指令寄存器中存放指令代码。CPU执行指令时, 由程序存储器中读取的指令代码送入指令存储器, 经译码器译码后由定时与控制电路发出相应的控制信号, 完成指令所指定的操作。,4. 程序计数器PC(Program Counter) PC用于存放CPU下一条要执行的指令地址, 是一个16 位的专 用寄存器, 可寻址范围是0000H0FFFFH共 64 KB。 在顺序执行程序中, 当PC的内容被送到地址总线后, 会自动 加1, 即(PC) (PC)+1, 又指向CPU 下一条要执行的指令地 址。 不能用指令修改 PC 值。,5. 堆栈指针SP(Stack Pointer) 堆栈设在内部 RAM 中; 向大地址方向生成; 单字节操作; SP 为 8 位堆栈指针,可用指令设置 MCS - 51 系统复位后,SP = 07H; 在进行操作之前, 先用指令给 SP 赋值, 以规定栈区在RAM区的起始地址(栈底层)。当数据推入栈区后, SP的值也自动随之变化。SP初始化为07H。,6. 数据指针寄存器DPTR 数据指针DPTR是一个 16 位的专用寄存器, 其高位字节寄存器用DPH表示,低位字节寄存器用DPL表示。既可作为一个 16 位寄存器DPTR来处理, 也可作为两个独立的 8 位寄存器DPH和DPL来处理。 DPTR 主要用来存放 16 位地址, 当对 64 KB外部数据存储器空间寻址时, 作为间址寄存器用。在访问程序存储器时, 用作基址寄存器。,2.4 存储器的结构,图 2.4 MCS - 51 单片机的存储器结构,1. 程序存储器 对于8051来说, 程序存储器(ROM)的内部地址为 0000H0FFFH, 共 4 KB; 外部地址为 1000HFFFFH, 共 60 KB。 当程序计数器由内部 0FFFH执行到外部 1000H 时, 会自动跳转。对于 8751 来说, 内部有 4 KB的EPROM, 将它作为内部程序存储器; 8031 内部无程序存储器, 必须外接程序存储器。 8031 最多可外扩 64 KB程序存储器, 其中 6 个单元地址具有特殊用途, 是保留给系统使用的。0000H是系统的启动地址, 一般在该单元中存放一条绝对跳转指令。0003H、000BH、 000BH、001BH和 0023H对应 5 种中断源的中断服务入口地址。,2. 内部数据存储器 MCS-51 单片机片内RAM的配置如图 2.4(b)所示。片内RAM为 256 字节, 地址范围为00HFFH, 分为两大部分: 低 128 字节(00H7FH)为真正的RAM区; 高 128 字节(80HFFH)为特殊功能寄存器区SFR。 在低 128 字节RAM中, 00H1FH共 32 单元是 4 个通用工作寄存器区。每一个区有 8 个通用寄存器R0R7。寄存器和RAM地址对应关系如表 2.4。,表 2.4 寄存器与RAM 地址对照表,表 2.5 RAM中的位寻址区地址表,表 2.6 SFR特殊功能寄存器地址表,表 2.6 SFR特殊功能寄存器地址表,表 2.6 SFR特殊功能寄存器地址表,3. 外部数据存储器 外部数据存储器一般由静态RAM构成,其容量大小由用户根据需要而定, 最大可扩展到 64 KB RAM , 地址是 0000H0FFFFH。 CPU通过MOVX指令访问外部数据存储器, 用间接寻址方式, R0、R1和 DPTR都可作间接寄存器。注意, 外部RAM和扩展的I/O接口是统一编址的, 所有的外扩I/O 口都要占用 64 KB中的地址单元。,2.5 并行输入/输出接口,4个8位双向、并行I/O接口; 输入有缓冲作用,输出时,数据可以被锁存; 每一条I/O 口线都能单独使用; 允许有三种工作方式:输入、输出、读-修改-写。 输出时,P0口可驱动8个LSTTL 负载, 其余口只能驱动4个LSTTL 负载。,图 2.5 P0 口内部一位结构图 p26,1. P0口 地址/数据分时复用,2. P1、P2和P3口 准双向口,P1口 专用 8 位准双向I/O口 每一位都能独立地设定为输入或输出。 当由输出方式变为输入方式时, 该位必须写入“1”, 然后才能进入输入操作。 P2口 8 位准双向I/O口。可作为扩展系统的地址总线, 输出高8 位地址, 与P0 口一起组成 16 位地址总线。 对于 8031 而言, P2 口一般只作为地址总线使用。,表 2.7 P3口的第二功能,P3口 为双功能口 或 通用I/O 口,2.6 单片机的引脚及其功能,图 2.6 MCS - 51单片机引脚及总线结构 (a) 管脚图; (b) 8031 引脚功能分类,关于控制引脚:,ALE/PROG 地址锁存允许/编程信号线 ALE 锁存 P0口输出的低 8 位地址信号; 频率为 1/6 震荡频率; PROG 用于 8755时, 输入编程脉冲信号。 PSEN 程序存储器选通信号。 EA/VPP EA 访问程序存储器控制信号。 EA=1,CPU从片内开始读取指令; EA=0,CPU从片外开始读取指令。 RST/VPD RST 复位。(需要两个机器周期以上 的高电平)。 VPD 后备电源输入端(掉电保护)。,2.7 单片机工作的基本时序,1. 机器周期和指令周期 (1) 振荡周期: 也称时钟周期, 是指为单片机提供时钟脉冲信号的振荡源的周期。 (2) 状态周期: 每个状态周期为时钟周期的 2 倍, 是振荡周期经二分频后得到的。 (3) 机器周期: 一个机器周期包含 6 个状态周期S1S6, 也就是 12 个时钟周期。 在一个机器周期内, CPU可以完成一个独立的操作

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