《单片机内部结构》PPT课件.ppt

第二讲 单片机的内部资源和结构,2.1单片机的内部资源 2.2单片机的内部结构 2.3引脚功能,2.1 单片机的内部资源和结构,一.单片机的基本功能 使用计算机的目的是用计算机接收外部各种信息，然后按需要对信息进行加工，包括变换、计算、检索等处理，最后把处理后的信息或数据送出，供人们使用或作输出控制。在单片机的应用系统中，单片机作为一种较为简单的计算机是嵌入到系统内部，作为系统电路的一部分，作为系统实现数字化和智能化的关键部件。因此单片机应至少要具备以下功能： 1.能够对现实生活中各种物理量,包括模拟量、开关量、频率量的转换和检测、储存、加工。,2.可根据需要对输入到单片机内的信息作复杂运算处理。 3.具有多种数据传输方式,便于与各种外设进行连接，降低系统制作成本，和提高系统的适应性。 二、单片机内部基本资源的配置 单片机为实现其基本功能，内部必需要有配置输入输出（I/O口）、储存器（RAM或ROM）、运算和控制单元（CPU）等相应的功能电路：,输入输出电路是为了使单片机能够与外部进行信息交换所必须配置的电路。如下图：,1.输入输出端口电路,外部设备1,外部设备2,单片机,输入,输入,输出,输出,I/O口,I/O端口输入和输出信息，是用电信号形式进行传输。由于外部设备种类繁多，五花八门，各种外部设备与单片机交换的信息的格式是千差万别的。主要体现有：,（1）各种外部设备信息的形态不一致。有的是数字信息，有的是开关信息，有的是模拟信息。 （2）传播信息的通信线路数目不一致。反映通信线路数目是用数据的长度来表示。有的外设是1路，也就是1位数据；有的外设是多路的，也就是数据的长度是多位的，如4位、8位、16位、24位等等。 （3）反映信息的电信号大小不一致。不同的外设有不同的电平，小的可能是微伏，大的可能是成千上万伏。,（4）信息量规模不一致。有的外设要交换的信息量非常多，比如互联网；有的外设要交换的信息量很少，比如一般设备上的开关。 （5）信息传输的速度不一致。有的是非常高，接近或超过CPU的运行速度；有的是非常慢，如控制中的开关输入。 （6）实时性要求不一致。有的外设要求信息要及时传送，不能错过时间，否则会影响设备工作，严重时可能引起系统的瘫痪。比如自动产生线的的控制就是如此。有的外设对实时性要求就没那么高，比如打印机，可以快点打印，也可以慢点打印。 此外还有设备的驱动能力，输入阻抗、输出阻抗等其它方面的也是往往不一样。因此单一种单片机I/O端口是无法完全适应这么多外部设备的。,上述这些问题，单片机解决的措施如下：,（1）首先在单片机上设立适当宽度的I/O引脚（又称为I/O端口）数。价格较低的单片机设置8-32位I/O（1-4个字节）口。高端的可以到64位或更多。 （2）单片机一般采用TTL电平（个别低电压的单片机采用0到电源电压电平）作输入输出。对于要连接电平不符合要求的外设，则采用外加接口（转换）芯片的方法来解决。如下图：,（3）灵活设置I/O端口功能都。比如同一引脚可以设置为输入也可以设置为输出。有的I/O口还可以当作数据线、地址线或者当作操作控制线来使用，同一一个引脚可以完成多种功能。有了I/O口功能的灵活的设置，既可以最大限度地降低引脚数目，减少芯片制作成本，也可以使单片机有更广泛的适应性。,（4）为了方便与外设进行数据交换，保证数据传输到外设，单片机的I/O端口一般都具备锁存功能。，,（5）I/O数据的传输可以用并行方式，也可以用串行传输方式。串行传输时一般是指定某一引脚来实现。图2-3是八位数据并行和串行传输的波形图。,A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7,A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7,显然并行传输速度快，但需要的I/O引脚多。而串行传输速度相对较慢，但使用的引脚数目少。,（6）为了解决实时响应问题，单片机还可以专门设置或者用某些I/O口复用作中断和DMA请求、响应信号引脚（51系列单片机没有DMA功能）。单片机加入中断功能之后就解决高速CPU和低速外设信号传输时之,间的矛盾。加入DMA传输则可以解决外设与内存、外设与外设之间大量的数据高速传送的问题。,总之，单片机端口的既有一定的通用性，亦要有相当的灵活性，端口的设置目的总是想尽量满足各种设备连接的要求。当然单一通用的单片机芯片，是无法实现与任意一种外设的直接连接的。单片机的引脚数有限，更不能同时与多个外设直接连接。目前解决的办法是使用外接接口芯片来实现。此类芯片目前市面上有很多，有的接口芯片起传输过程中的缓冲作用以便满足接口的驱动能力要求；有的可以进行对电信号进行放大或衰减，以便适应单片机电平的需求；有的可以进行模数或数模转换，支持单片机对模拟信号处理。总之接口电路的型号非常多，而且新的电路层出不穷，这方面的知识是单片机学习的重点和难点。这些内容将在系统扩展章节中还会有详细介绍。,2.存储器,（1）信息的存储方法 送到计算机的外界信息，包括有数值、文字、符号、图形等，计算机处理前要先解决如何表达和如何存放的问题。由于计算机是用开关电路来实现，因此，最方便的是用0和1组成的二进制数来表示和存放这些信息，为了识别的方便，就要制定一个识别的规则。其主要内容有： 一个信息要用多少位来表示？ 为了阅读方便，目前大多计算机都是用8位二进制数作为一个信息存放单位，并将8位二进制数称为1个字节，将16位二进制数称为1个字，32位为双字。 信息编码方法 数值：常用1个或若干个字节来表示，编码方法有二进 制、十六进制或二十进制。如表2-1。 字符：常用ASIIC码表示。如表2-2。,表2-1：数值表示法,指令：有用1个字节，也有用多个字节表示。51系列单片 机是使用一个字节表示操作码，用02个字节表 示操作数。,表2-2 ASCII字符编码表,（2）单片机的存储器。 外部设备输入的信息或数据在处理之前，需要有地方存放。在处理这些信息过程当中，需要存储器保存来中间结果，处理时用到的一些常量也是由存储器来提供。处理后的数据一般来说也要先保存再输出。因此单片机处理数据整个过程都需要存储器来支持。存放经常变换的数据的存储器我们称为数据存储器。,另外，计算机的程序也是用二进制数来表示，从这个意义来说，它也一般数据那样，需要地方存放。但单片机的应用与一般的计算机系统有所不同，人们使用PC机，功能经常变动。而单片机应用系统，使用功能相对单一，每次开机只做同样的事情。因此，它的程序是固定，长期保存不变，需要使用不因断电而丢失的存储器。这种存储器称之为程序存储器。,3.CPU,单片机像其它计算机一样，要对各种信息进行处理和加工，自然少不了其核心电路CPU，CPU全称为中央处理单元，是运算器和控制器的合称。 运算器内部一般都有算术运算和逻辑运算部件（ALU），可以完成加减乘除、与或非运算和实现数值、逻辑判断。 控制器则是整个单片机的控制机构，主要功能是确定从存储器的什么地址取指令，同时负责指令解析，根据指令的要求，按顺序有步骤地向单片机各个部件发出相应的具体操作命令，完成指令规定的任务。 为了配合运算器和控制器的工作，CPU内部一般还配有一定数量的通用寄存器和特殊功能寄存器。,综合起来，单片机的一般结构如下图中虚线部分所示，整个图则为单片机应用系统。,运算器,控制器,寄存器,数据 存储器,程序 存储器,I/O口,CPU,存储器,内部 总线,接口电路,输入,输出,外部设备1,接口电路,输入,输出,外部设备2,单片机,图2-4 单片机应用系统,图中内部总线是单片机内部的数据通路。,复位电路,时钟电路,电源电路,VCC,GND,时钟电路为单片机提供一个基准工作时钟。,复位电路是为单片机通电后设置初始状态。,三.高性能单片机增加的其他配置 1.FLASH RAM 2.EEPROM 3.A/D 、D/A 4.PWM 5.SPI 、IIC 、1-WIRE 、USB等串行总线 6.独立看门狗等其它特殊功能的配置 四.P89C5X单片机的主要内部资源 一个8位CISC结构的CPU 128256字节的内部RAM作数据存储器 432K的FLASH RAM作程序存储器 3个16位定时/计数器 4个8位可独立设置的输入/输出口 1个全双工的异步串行输入/输出口 6个中断源可设4个优先级别的中断系统,五.P89C5X单片机的内部结构,片内RAM,P0口,P2口,片内ROM,特殊 功能 寄存器 （SFR）,中断 系统,串 行 口,定时器 计数器,P1口,P3口,XTAL1,XTAL2,PSEN,EA,P2.0-P2.7,P0.0-P0.7,8,图2-2 P89C5X内部结构框图,8,8,8,P3.0-P3.7,P1.0-P1.7,微处 理器 CPU,控制 逻辑 定时 电路,ALE,RESET,单片机,CPU,运算器,算逻单元ALU,累加器ACC,B寄存器,程序状态寄存器PSW,控制器,指令寄存器IR、指令译码器及控制逻辑,程序计数器PC,数据指针寄存器DPTR,I/O口,4个8位并行I/O口P0、P1、P2、P3,全双工串行I/O口,存储器：128(或256)字节RAM、字节 ROM,定时/计数器 T0、T1 、T2,暂存器,振荡与定时控制电路,中断控制系统,六. CPU时序及引脚功能,P89C5X系列单片机有40个引脚。其引脚图如图所示。,按引脚的功能可分为三部分 ： 1. 电源和晶振： Vcc运行和程序校验时接电源正端。 Vss接地。 XTAL1输入到单片微机内部振荡器的反相放大器。当采用外部振荡器时，对HMOS单片微机, 此引脚应接地。 XTAL2反相放大器的输出，输入到内部时钟发生器。当采用外部振荡器时，XTAL2接收振荡器信号。,2. I/O： 共4个口，32根I/O线。 P08位、漏极开路的双向I/O口。当使用片外存储 器时，复用作低八位地址和数据总线分时复用。 P18位、准双向I/O 口。 P28位、准双向I/O口。当使用片外存储器时，复 用作输出高 8位地址。 P38位、准双向I/O口，具有内部上拉电路。,P3具有复用功能如下： P30RXD 串行输入口。 P31TXD 串行输出口。 P32外部中断0输入INT0。 P33外部中断1输入INT1。 P34定时器/计数器T0 的外部输入。 P35定时器/计数器T1的外部输入。 P36WR 低电平有效，输出，片外存 储器写选通。 P37 RD 低电平有效，输出，片外存 储器读选通。,3. 控制线：共4根。 RST复位输入信号，高电平有效。在振荡器工作时，在RST上作用两个机器周期以上的高电平，将器件复位。 EA /Vpp片外程序存储器访问允许信号，低电平有效。EA=1，选择片内程序存储器；EA=0，则程序存储器全部在片外而不管片内是否有程序存储器。 使用51单片机时，若片内没有ROM，EA引脚就要接地。,ALE/PROG地址锁存允许信号，输出。在访问片外存储器或I/O时，用于锁存低八位地址，以实现低八位地址与数据的隔离。 在不访问外部RAM和ROM时，ALE可以 1/6的振荡频率固定速率输出，可作为对外输出的时钟或用作外部定时脉冲。 PSEN片外程序存储器读选通信号，低电平有效。在从片外程序存储器取指期间，在每个机器周期中，当有效时，程序存储器的内容被送上 P0口（数据总线）。,七.振荡器和时钟电路 P89C5X单片机内含一个高增益的反相放大器，通过XTAL1、XTAL2外接晶振后，即可构成自激振荡器，驱动内部时钟发生器向主机提供时钟信号。,单片机内部时钟电路,八.51单片机单片机的存储器结构,存储器是单片机里面的重要功能部件，分为程序存储器（ROM）和数据存储器（RAM）。 51系列单片机将程序存储器和数据存储器分开寻址，这样就有4个在物理上相互独立的存储器空间：片内、外的ROM和片内、外的RAM。 但在逻辑上只设有3个存储器寻址空间。,RAM,单片机存储器,ROM,内部RAM,外部RAM（0000HFFFFH）,内部ROM 00000FFFH EA=1,外部ROM,片内 RAM,寄存器区,0组（00H07H）,1组（08H0FH）,3组（18H1FH）,2组（10H17H）,特殊功能 寄存器区 （80HFFH）,布尔RAM区 （20H2FH）,数据、堆栈区（30H7FH）,低4K ROM 0000H0FFFH EA=0,高60K ROM 1000HFFFFH,1.单片机的 存储器结构,图29 51单片机存储器映像图, 程序存储器的某些单元被保留用于特定的程序入口地址。 复位 0000H 外部中断0 0003H 定时器T0溢出中断 000BH 外部中断1 0013H 定时器T1溢出中断 001BH 串行口中断 0023H 定时器T2中断 002BH,3. 数据存储器 (1) 片内数据存储器 片内数据存储器是最灵活的地址空间。它在物理上又分成两个独立的功能不同的区。 *从0127 B为片内数据存储器空间 *从128256 B为特殊功能寄存器(SFR)空间（仅占用20多个字节）。 片内RAM空间小，存取速度快，它是系统的宝贵资源，要合理使用。为此通常又把内部RAM分为3个区域 : 寄存器区、布尔RAM区、通用RAM区 (2) 片外数据存储器 通过地址、数据和控制总线片外可扩展64K RAM,4.片外数据存储器扩展方法: 通过地址、数据和控制总线片外可扩展64K RAM,RAM扩展方法图,九.特殊功能寄存器 特殊功能寄存器SFR（Special Function Register）是单片机中各功能部件所对应的寄存器，用以存放相应功能部件的控制命令、状态或数据的区域。 51单片机共定义了21个可访问的特殊功能寄存器，其名称和字节地址列于教材表25中。在52系列芯片中，除上述的21个之外，还增加了5个（飞利浦公司产品增加12个）特殊功能寄存器，共计26个。 在21个特殊功能寄存器中，字节地址中低位地址为0H或8H的特殊功能寄存器，除有字节寻址能力外，还有位寻址能力。这些特殊功能寄存器与位地址的对应关系见表25。,1.累加器ACC 累加器ACC是CPU中使用最频繁的一个八位专用寄存器，简称A寄存器。主要功能：累加器A存放操作数，是ALU单元的输入之一，也是ALU运算结果的暂存单元。 2B寄存器 B寄存器在乘法和除法指令中作为ALU的输入之一。 在其它情况下，B寄存器可以作为内部RAM中的一个单元来使用。 3. 程序状态字PSW 程序状态字PSW（Program Status Word）是一个逐位定义的8位寄存器，其内容的主要部分是算术逻辑运算单元（ALU）的输出。,P：奇偶检验位。当累加器中“1”的个数为奇数时置1， 为偶数时置0,OV:溢出标志位。 OV=C6C7， 用于指示运算是否产生溢出，,AC:辅助进位标志位。 当进行加法或减法运算时，若低4位向高4位数发生进位或借位时AC将被硬件置位； 否则，被清除。 例： 01010101 + 00001101 01100010 AC=1,CY:进位标志位。以表示运算结果中高位是否有进位 或借位。在布尔处理机中CY被认为是位累加器。,它们的意义是：,4.数据指针 DPTR DPTR是一个16位的特殊功能寄存器，主要功能是作为片外数据存储器或I/O间接寻址用的地址寄存器，故称为数据存储器地址指针。 DPTR寄存器既可以作为一个16位寄存器处理，也可以作为DPH和DPL两个8位寄存器使用。,例： 01001011 - 01101001 11100010 CY=1,RS1、RS0 ：工作寄存器组选择位。 F0、F1:用户标志位。 开机时该位为“0”。用户可根据需要，通过位操作指令置“l”或者清“0”。,十.单片机并行I/O口 51单片机共有四个功能强,使用频繁的8位并行双向口，计有 32根输入输出（I/O）口线。各口的每一位均由锁存器、输出驱动器和输入缓冲器所组成。由于它们在结构上的一些差异，故各口的性质和功能也就有了差异。 (一)内部结构,P1口位结构原理图,P0口位结构原理图,P3口位结构原理图,P2口位结构原理图,(二)功能 1.P0口 (1)当一般I/O口使用. (2)当访问外部RAM或ROM时,当低8位地址总线和 数据总线使用.,2.P1口 提供单片机的主要I/O口 P1.0可复用作为T2的外部计数输入端 P1.1可复用作为重载/捕捉/方向控制 3.P2口 (1)当一般I/O口使用. (2)当访问外部RAM或ROM时,做高