第二章-mcs-51单片机的基本结构

第 11章 嵌入式处理器及新技术11.1 单片微处理器的结构与性能单片微处理器的结构与性能11.3 单片微处理器的增强功能与新技术单片微处理器的增强功能与新技术11.2 单片微处理器的存储组织及单片微处理器的存储组织及 I/O口口11.4 嵌入式技术的概念嵌入式技术的概念11.6 ARM处理器指令系统与编程简介处理器指令系统与编程简介11.5 ARM处理器基础处理器基础11.1 单片微处理器的结构与性能单片微处理器的结构与性能1. 单片微处理器的概念 组成： 运算器、控制器、存储器、输入 /输出接口电路等四个基本部分，除具有典型微机的各功能部件外，在片内还集成了 A/D、D/A转换器、高速输入 /输出部件、串行通信控制和定时器 /计数器等部件 。 用途： 适合控制应用、自动化仪表等领域 。1. 单片微处理器的概念单片机内部包括了微型计算机应具有的全部基本要素： CPU、 ROM（或 EPROM）、 RAM和 I/O接口电路。 单片机不但是一个有效的数据处理器，而且更是一个功能很强的过程控制机。图 11-1 单片机内部结构框图1971年 11月 Intel公司首先设计出集成度为 2 000只晶体管 /片的 4位微处理器 Intel 4004, 并配有 RAM、 ROM和移位寄存器 , 构成了第一台 MCS4 微处理器 , 而后又推出了 8位微处理器 Intel 8008, 以及其它各公司相继推出的 8位微处理器。1.单片微处理器的概念 第 1阶段（ 1971 1976） : 单片机发展的初级阶段。单片微机的发展历史1.单片微处理器的概念 第 1阶段（ 1971 1976） : 单片机发展的初级阶段。 第 2阶段（ 1976 1980） : 低性能 8位单片机阶段。以 1976年 Intel公司推出的 MCS48 系列为代表 , 采用将 8位CPU、 8位并行 I/O接口、 8位定时 /计数器、 RAM和 ROM等集成于一块半导体芯片上的单片结构 , 虽然其寻址范围有限（不大于 4 KB） , 也没有串行 I/O, RAM、 ROM容量小 , 中断系统也较简单 , 但功能可满足一般工业控制和智能化仪器、 仪表等的需要。单片微机的发展历史1.单片微处理器的概念 第 1阶段（ 1971 1976） : 单片机发展的初级阶段。 第 2阶段（ 1976 1980） : 低性能 8位单片机阶段。 第 3阶段（ 1980 1983） : 高性能 8位单片机阶段。这一阶段推出的高性能 8位单片机普遍带有串行口 , 有多级中断处理系统 , 多个 16位定时器 /计数器。 片内 RAM、 ROM的容量加大 ,且寻址范围可达 64 KB, 个别片内还带有 A/D转换接口。单片微机的发展历史1.单片微处理器的概念 第 1阶段（ 1971 1976） : 单片机发展的初级阶段。 第 2阶段（ 1976 1980） : 低性能 8位单片机阶段。 第 3阶段（ 1980 1983） : 高性能 8位单片机阶段。 第 4阶段（ 1983 80年代末） : 16位单片机阶段。1983年 Intel公司又推出了高性能的 16位单片机 MCS96 系列, 由于其采用了最新的制造工艺 , 使芯片集成度高达 12万只晶体管 /片。这一阶段也是 8位单片机发展和应用最活跃的阶段， Intel公司的 8X252、 UPI-452、 83C152； Zilog公司的 Super8； Motorola公司的 MC68HC11等超强功能 8位单片机。 单片微机的发展历史1.单片微处理器的概念 第 1阶段（ 1971 1976） : 单片机发展的初级阶段。 第 2阶段（ 1976 1980） : 低性能 8位单片机阶段。 第 3阶段（ 1980 1983） : 高性能 8位单片机阶段。 第 4阶段（ 1983 80年代末） : 16位单片机阶段。 第 5阶段（ 90年代） : 提高性能的全面发展阶段。不但 CPU具有了 8位、 16位、 32位，也出现了双 CPU的内部流水线结构，时钟达到 20MHz，更高集成度、高速度和低功耗，具有PWM输出、监视定时器 WDT、 DMA传输控制器、 CAN现场总线控制器、双标准串口以及 SPI与 I2C串行总线等丰富的特殊功能部件纷纷被嵌入到片内等等。 STC系列属于第五阶段的最新产品。 单片微机的发展历史单片机的特点1）片内集成存储器，但容量有限 片内集成了少量的程序存储器 ROM 和数据存储器 RAM。2）控制功能强，运行速度快 采用面向控制的软、硬件设计，具有丰富的条件分支转移和很强的位处理能力。3）引脚的功能复用较多 为了解决实际引脚数和需要的信号线数的矛盾，较多地采用了引脚功能复用的方法，引脚的功能通常由指令设置或由机器状态来区分。4）产品类型多，功能扩展灵活 硬件电路有不同 I/O接口，不同附加功能和性能指标各异。5）可靠性较高 单片机的全部电路集成到一块芯片上，大大缩短了系统内信号传送距离，提高了抗干扰能力。6）功耗较低 单片机大多使用 CHMOS工艺，且可以进入节电模式工作。1.单片微处理器的概念如数控机床、温度控制、可编程顺序控制、电机控制、现代农业生产检测和各种工业过程控制系统都有单片机的大量应用。 应用于仪器仪表、智能传感器、智能仪器、医疗器械等方面。 1）智能化的民用电器 如空调机、电冰箱、洗衣机、电子玩具、声像设备等。 2）工农业检测和控制系统 3）智能化仪器仪表 4）办公自动化和计算机外设 5）多机应用和局部网络系统 如图形终端机、图文传真机、复印机、打印机、绘图仪、数据采集卡等各种智能终端和接口设备。 1.单片微处理器的概念单片机的应用 1） MCS-51系列单片机（ 8051内核单片机 ）（ 1）基本型基本型包括 8051/8751/8031三种芯片，常称为 8051子系列。 采用 HMOS工艺，片内集成有 8位 CPU； 片内驻留 4K字节 ROM（ 8751片内 4K字节 EPROM， 8031片内无ROM）和 128字节 RAM以及 21个特殊功能寄存器； 片内包括两个 16位定时器 /计数器，一个全双工串行 I/O口（UART）， 4个并行 I/O口、 2级中断的 5个中断源； 可寻址 64KB程序存储器 ROM和 64KB数据存储器 RAM（需片外扩展） 主时钟频率达到 12MHz。1.单片微处理器的概念常见单片机类型1.单片微处理器的概念1） MCS-51系列单片机（ 8051内核单片机）（ 1）基本型基本型包括 8051/8751/8031三种芯片，常称为 8051子系列。（ 2）增强型（改进型）增强型包括 8052/8752/8032三种芯片，常称为 8052子系列。增强型的 8052子系列与基本型的不同为： 片内 ROM增加到 8K字节 RAM增加到 256字节 增加了一个 16位定时器 /计数器和一个中断源 串行接口（ UART）的通信速率提高 6倍常见单片机类型1.单片微处理器的概念1） MCS-51系列单片机（ 8051内核单片机）（ 1）基本型基本型包括 8051/8751/8031三种芯片，常称为 8051子系列。（ 2） 增强型（改进型）增强型包括 8052/8752/8032三种芯片，常称为 8052子系列。（ 3） CHMOS型CHMOS型主要包括 80C51/87C51/80C31以及 80C252/87C252 /80C232等。 采用 CHMOS工艺制造 集成度高和功耗低。常见单片机类型1.单片微处理器的概念表 11-1 MCS-51 系列单片机PWM、计数器阵列7同步 /异步位数可控48326425680C23287C2528KB80C2528KB6同步 /异步位数可控483264256803287528KB80528KBMCS-52子系列87C51两级保密系统5同步 /异步位数可控48226412880C3187C514KB80C514KB5同步 /异步位数可控482264128803187514KB80514KBMCS-51子系列片内无ROM片内EPROM片内掩膜ROM其它中断源数串行通信方式I/O口数目16 位定时器 /计数器程序和数据寻址空间/KB片 内RAM/字节ROM形式 特性类别1.单片微处理器的概念8096是整个 MCS-96系列代表性的产品，与 8位机相比较 ,其性能 提高主要表现在以下方面：（ 1） CPU为 16位，主频 12MHz，采用寄存器堆 /运算逻辑部件（RALU）提高运算速度。（ 2） 片内 ROM增加到 8KB， RAM增加到 232B(寄存器堆 )。（ 3） 集成度高。片内有 5个 8位的并行 I/O口， 4个 16位的定时器 /计数器，有的还具 4 8个通道的 10位 A/D转换器或 PWM及监视定时器 WDT。（ 4） 有 4条高速触发输入线， 6条高速脉冲输出线，并具有定时功能。（ 5） 运算速度快。具有丰富的指令系统、先进的寻址方式和带符号运算等功能，使运算速度大大提高。（ 6） 8级中断处理系统。 2） MCS-96系列 16位单片机1.单片微处理器的概念MCS-96 系列芯片可细分为六类：第一类 是 NHMOS 的 8X9X，其中 8098 在我国应用最广。第二类 是以 CHMOS 的 80C196KB为代表，可工作于两种节电方式。第三类 是以 80C196KC 为代表，重要特征是增加了外设事物服务器（PTS），大大提高了中断事件的实时处理能力。第四类 是以 80C196KR 为代表，增添了同步串行口和适用于主从机通信的从口（ SlavePort）功能，并以事件处理器阵列（ EPA）代替原来的高速输入 /输出部件（ HIHO）。第五类 是以 80C196MC 为代表，其主要特征是增添了一个三相波形发生器，特别适应于电机控制系统。第六类 包括 80C196NC/NP，其寻址空间由 64KB 扩大到了 1MB。1.单片微处理器的概念（ 1）具有 A/D转换器或 PWM输出的单片机具有 8 10位 A/D转换器： 除 MCS-96以外，还有 8XC552、 PIC16F74、 ADUC824、 EM78P25X、 HT46R71D、 T89C2501以及P89LPC900等。具有 PWM 输出： EM78P458、 ATMEL公司的 AVR单片机（ ATMEGA 16L）、凌阳 SPMC65系列、 hilips公司的 P87LPC768、P89LPC932等系列单片机。 （ 2） 具有快速擦写存储器 Flash Memery的单片机如 ATMEL公司的 AT89C51系列， Philips公司的 P89LPC900系列， STC10、 11、 12系列等。3） 具有丰富外围功能的单片机 （ 4） 具有双 UART串行口的单片机 如 W77E58、 DS80C320、 C8051F021等型号 （ 5） 具有 CAN总线控制器的单片机如 Philips公司的 P8XC591 （ 6） 具有在系统编程 ISP和应用中编程 IAP功能的单片机如宏晶公司 STC10、 11系列， STCPHILIPS公司的 89C51Rx、 LPC900， DALLAS公司的 S89C420， AT公司的 89C58等 ISP功能单片机。（ 3） 具有 I2C串行总线的单片机 如 PHILIPS公司的 P87LPC67X和 P89LPC9XX等1.单片微处理器的概念3） 具有丰富外围功能的单片机 图 MCS-51单 片机内部 结 构 图2. 单片微机的内部结构STC11增加可配置 P4.4 4.7STC1132k 程序 Flash32k EEPROMSTC11增加电源监控（上电复位、掉电复位）STC11增加硬件看门狗（ WDT）STC11增加可配置的 RC振荡器STC11增加1024B RAMSTC11增加第二串口（P1.6 P1.7）2. 单片微机的内部结构1） 内部结构及主要功能包括 中央处理器 CPU（算术逻辑部件 ALU、控制器等）、程序存储器ROM、数据存储器 RAM、位定时器 /计数器、并行和串行 I/O接口、中断系统以及定时控制逻辑电路 等。基本特性如下： （ 1） 8位 CPU。（ 2） 片内带 RC振荡器，时钟频率 fosc范围为 5 35MHz；（ 3） 256B片内 RAM +1k扩展 RAM。（ 4） 832kB的片内 Flash程序存储器 +32kB EEPROM。（ 5） 程序存储器的寻址范围为 64K字节。（ 6） 片外数据存储器的寻址范围为 64K字节。（ 7） 21B SFR专用寄存器 +27B SFR(STC11F配置用 )2. 单片微机的内部结构（ 8） 4个 8位并行 I/O接口： P0、 P1、 P2、 P3。 +P4口（ 9） 1个 全双工串行 I/O接口，可多机通信。 +第二串口 ,在线下载（ 10） 2个 16位 定时器 /计数器 T0和 T1。 +独立波特率发生器（ 11） 可编程为两个优先级的 5个 中断源。 +WDT 、低压检测、 低功耗唤醒等中断（ 12） 111条 指令，含乘法指令和除法指令。（ 13） 有较强的 位寻址、位处理能力 。（ 14） 用 单一 +5V电源 。 STC宽电压范围 2.76V运算器运算部件以算术逻辑单元 ALU为核心，包括布尔处理器、累加器 ACC、寄存器 B、暂存器、程序状态字 PSW等许多部件。它能实现数据的算术逻辑运算、位变量处理和数据传输操作 2. 单片微机的内部结构算术逻辑单元 ALU累加器 ACC (Accumulator) 通用寄存器 B (General Register)程序状态字寄存器 PSW PSW Cy AC F0 RS1 RS0 OV - PCy（ PSW.7 ） ：进位标志位。如果操作结果在最高位 D7有进位或有借位则该位置为 “1”，否则清为 “0”AC（ PSW.6 ） ：辅助进位（或称半进位）标志。它反映了两个 8位数运算时，低四位的 D3向高四位的 D4是否有有进位（或借位）。 F0（ PSW.5 ） ：由用户定义的标志位。RS1（ PSW.4 ）、 RS0（ PSW.3 ） ：工作寄存器组选择位。OV（ PSW.2 ） ：溢出标志位。 由硬件置位或清零。P（ PSW.0 ） ：奇偶标志位。如果累加器的 8位中 “1”的个数为奇数，则 P为 “1”状态，否则 P为 “0”。 2. 单片微机的内部结构布尔处理机是运算器的一个重要组成部分。可提供 17条位操作指令，硬件有自己的 “位累加器 ”（进位位 Cy）和自己的位寻址RAM和 I/O空间，所以是一个独立的位处理机。位累加器由进位位 Cy完成。位操作指令允许直接寻址内部数据 RAM中的 128个位和特殊功能寄存器里的位地址空间 。布尔处理机可执行置位、取反、等于 1转移，等于 0转移并清 0和送入 /取自进位位的操作。可执行逻辑与、逻辑或操作，其结果送回到进位标志 Cy。 布尔处理机2. 单片微机的内部结构控制器（ 1）程序计数器 PC（ program counter）程序计数器 PC是中央控制器中最基本的寄存器，是一个独立的计数器，不属于内部的特殊功能寄存器， PC中存放的是下一条将要从程序存储器中取出的指令地址 。程序计数器的宽度决定了程序存储器可以直接寻址的范围。程序计数器 PC是一个 16位的 计数器，程序存储器寻址范围是64KB。2. 单片微机的内部结构控制器（ 1）程序计数器 PC（ program counter）（ 2）数据指针 DPTRDPTR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寻址用的地址寄存器（间接寻址） ，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， 也可以作为两个 8位寄存器处理，其高 8位用 DPH表示，低 8位用 DPL表示 。用 MOVX指令时， MOVX A, DPTR2. 单片微机的内部结构控制器（ 1）程序计数器 PC（ program counter）（ 2）数据指针 DPTR（ 3）指令寄存器 IR、指令译码器以及控制逻辑 指令寄存器 IR是用来存放指令操作码的专用寄存器。执行程序时，首先从程序存储器中取出指令，送给指令寄存器 IR，IR的输出送指令译码器；然后进行译码，译码结果送定时控制逻辑电路，控制计算机的各部件进行相应的工作，执行指令。指令的执行， 是一个取指令