专题二专题三计算机硬件技术基础2012第3讲ppt课件

专题二微机基础知识 专题三单片机基础知识 2 2 3 3 4 4 课程名称：计算机硬件技术基础 课程特色：河北省级精品课 授课教师：赵晓安 河北工业大学计算机科学与软件学院计算机基础教学部 专题二微机基础知识 专题三单片机基础知识 2 2 3 3 4 4 河北工业大学计算机科学与软件学院计算机基础教学部河北工业大学计算机科学与软件学院计算机基础教学部 主讲教师主讲教师: : 赵晓安赵晓安 专题二专题二 微机基础知识微机基础知识 专题三专题三 单片机的基础知识（一）单片机的基础知识（一） 第第3 3讲讲 专题二微机基础知识 专题三单片机基础知识 2 2 3 3 4 4 教学要求掌握、熟悉、了解教学要求掌握、熟悉、了解 1 1掌握：掌握： 专题二、微机基础知识专题二、微机基础知识 微型计算机的组成微型计算机的组成 专题三、单片机的基础知识专题三、单片机的基础知识 第第2 2章章 MCS-51MCS-51单片机的结构和工作原理单片机的结构和工作原理 MCS-51MCS-51单片机的基本组成单片机的基本组成 MCS-51MCS-51单片机内部结构和功能单片机内部结构和功能 2 2、熟悉、熟悉 MCS-51MCS-51单片机的应用特性单片机的应用特性 3 3、了解、了解 嵌入式计算机系统嵌入式计算机系统 单片微型计算机的发展及应用单片微型计算机的发展及应用 专题二微机基础知识 专题三单片机基础知识 2 2 3 3 4 4 教学重点、难点教学重点、难点 重点：重点： 1 1）存储器）存储器 （1 1）半导体存储器的分类）半导体存储器的分类 （2 2）两个重要指标）两个重要指标 2 2）MCS-51MCS-51单片机的硬件结构单片机的硬件结构 （1 1）CPUCPU （2 2）程序计数器）程序计数器PCPC及程序执行的原理及程序执行的原理 （3 3）存储器的结构）存储器的结构 程序存储器、片内程序存储器、片内RAMRAM 难点难点： 片内片内RAMRAM位寻址区位寻址区 专题二微机基础知识 专题三单片机基础知识 2 2 3 3 4 4 专题二专题二 微机基础知识基本内容微机基础知识基本内容 1 1）微型计算机的组成微型计算机的组成 2 2）存储器存储器 （1 1）半导体存储器的分类）半导体存储器的分类 （2 2）两个重要指标）两个重要指标 3 3）微处理器微处理器MPUMPU （1 1）控制器）控制器 （2 2）运算器）运算器 4 4）了解嵌入式计算机的概念了解嵌入式计算机的概念 专题二微机基础知识 专题三单片机基础知识 2 2 3 3 4 4 专题三单片机的基本知识基本内容专题三单片机的基本知识基本内容 1.6 1.6 单片微型计算机的发展及应用单片微型计算机的发展及应用 1.6.1 1.6.1 单片机的发展概述单片机的发展概述 1.6.2 1.6.2 单片机的典型产品单片机的典型产品 1.6.3 1.6.3 单片机的应用单片机的应用 第二章第二章 MCS-51MCS-51单片机的结构单片机的结构 2 21 MCS-511 MCS-51单片机的单片机的基本组成及应用特性基本组成及应用特性 2 22 MCS-512 MCS-51单片机单片机内部结构和功能内部结构和功能 掌握掌握MCS-51MCS-51单片机的硬件结构单片机的硬件结构 1 1）CPUCPU 2 2）程序计数器）程序计数器PCPC及程序执行的原理及程序执行的原理 3 3）存储器的结构）存储器的结构 作业作业 程序存储器程序存储器 内部数据存储器内部数据存储器 128RAM128RAM 专题二微机基础知识 专题三单片机基础知识 2 2 3 3 4 4 微型微型计算机的组成计算机的组成 CBCB DBDB ABAB M P UM P U 外设外设I/OI/O接口接口RAMRAMROMROM 微微 型型 计计 算算 机机 专题二微机基础知识 专题三单片机基础知识 2 2 3 3 4 4 半导体半导体存储器的分类存储器的分类 半半 导导 体体 存存 储储 器器 Flash PEROMFlash PEROM EEPROMEEPROM EPROMEPROM ROMROM ROMROM ROMROM ROMROM 可擦除可擦除 可编程可编程 掩膜掩膜 动态动态 静态静态 RAMRAM SRAMSRAM DRAMDRAM 不挥发不挥发 全集成全集成 DRAMDRAM RAMRAM iRAMiRAM NVRAMNVRAM 挥发挥发 不不 挥挥 发发 特殊写入，特殊写入， 在线只读在线只读 在线读在线读/ /写写 在线读在线读/ /写写 专题二微机基础知识 专题三单片机基础知识 2 2 3 3 4 4 存存 储储 器器 结结 构构 WRWR A A0 0 A A1 1 A A2 2 A A3 3 0000B0000B 1111B1111B D D7 7 D D0 0 RDRD 地地 址址 寄寄 存存 器器 地地 址址 译译 码码 器器 存储阵列存储阵列 168168 输输 出出 数数 据据 寄寄 存存 器器 1111B1111B 图图l-6 168bitRAMl-6 168bitRAM的内部结构框图的内部结构框图 ROMROM和和RAMRAM芯片均有分四组引脚线：芯片均有分四组引脚线： （ROMROM另有特殊的引脚线）另有特殊的引脚线） 1 1、地址线地址线 传送存储器的地址码，其根数决定存储单元个数即字数传送存储器的地址码，其根数决定存储单元个数即字数 2 2、数据线数据线 传送对某一单元进行读传送对某一单元进行读/ /写的数据，双向写的数据，双向 决定一个单元内存储二进制数的位数，即字长决定一个单元内存储二进制数的位数，即字长 3 3、控制线控制线 传送读传送读/ /写控制信号，以控制读写控制信号，以控制读/ /写操作写操作 4 4、电源线电源线 +5V +5V 和和GEDGED线线 专题二微机基础知识 专题三单片机基础知识 2 2 3 3 4 4 存储器的两个重要指标存储器的两个重要指标 存贮容量存贮容量 存储容量存储容量2 2地址线条数 地址线条数 数据线的条数数据线的条数bitbit 字数字数字长字长 例：例： 芯片芯片2732 4KB 2732 4KB 即即 4 K 8bit=32Kb4 K 8bit=32Kb 地址线地址线 1212根，数据线根，数据线 8 8根根 芯片芯片 2114 1K 4bit 2114 1K 4bit 地址线地址线 1010根，数据线根，数据线 4 4根根 问？问？ 2764 8KB 2764 8KB 地址线地址线 ？根，数据线？根，数据线 ？根？根 存取周期存取周期 存储器从接到存储单元地址开始，存储器从接到存储单元地址开始， 到读出或写入数据为止所用的时间。到读出或写入数据为止所用的时间。 存储单元存储单元 个数个数 专题二微机基础知识 专题三单片机基础知识 2 2 3 3 4 4 微处理器微处理器MPUMPU 结构图结构图 累加器累加器A A 控制信号控制信号 程序计数器程序计数器PCPC 寄存器组寄存器组PSPS 指令寄存器指令寄存器IRIR 指令译码器指令译码器IDID 控制逻辑控制逻辑 算术逻辑单元算术逻辑单元ALUALU 外部外部 数据数据 总线总线 地址地址 寄存寄存 器器 数据数据 寄存寄存 器器 TMP TMP PSWPSW 控制器控制器 运算器运算器 内部总线内部总线 外部外部 地址地址 总线总线 专题二微机基础知识 专题三单片机基础知识 2 2 3 3 4 4 计算机的最新分类计算机的最新分类 嵌入式计算机嵌入式计算机 非嵌入的通用型计算机非嵌入的通用型计算机 摘自：摘自：基于基于MCS-51MCS-51单片机的嵌入式系统设计单片机的嵌入式系统设计李伯成李伯成 “ “十五十五” ”国家重点图书出版规划项目国家重点图书出版规划项目 电子工业出版社电子工业出版社 20052005年年9 9月第月第2 2次印刷次印刷 1.5 1.5 嵌入式计算机系统嵌入式计算机系统 专题二微机基础知识 专题三单片机基础知识 2 2 3 3 4 4 嵌入式计算机系统嵌入式计算机系统 定义：定义：以应用为核心，以计算机技术为基础，以应用为核心，以计算机技术为基础，软硬件可软硬件可 裁剪裁剪、适应对功能、可靠性、安全性、体积、重量、成本、适应对功能、可靠性、安全性、体积、重量、成本 、功耗、环境、安装方式等方面严格要求的、功耗、环境、安装方式等方面严格要求的专用计算机系专用计算机系 统统。 实质上是实现某些特定要求的计算机应用系统。实质上是实现某些特定要求的计算机应用系统。 应用应用：从军用到民用、从工业企业到家庭、从天上到地：从军用到民用、从工业企业到家庭、从天上到地 下再到海里，所有用于监测和控制的计算机应用系统均可下再到海里，所有用于监测和控制的计算机应用系统均可 纳入嵌入式计算机系统的范畴。纳入嵌入式计算机系统的范畴。 现在现在每年有超过每年有超过4040亿套亿套大小不一的嵌入式计算机系统大小不一的嵌入式计算机系统 投入使用，工业投入使用，工业年产值超过年产值超过1 1万亿美元万亿美元。 专题二微机基础知识 专题三单片机基础知识 2 2 3 3 4 4 嵌入式计算机系统的构成嵌入式计算机系统的构成 嵌入式计算机系统由两大部分构成：嵌入式计算机系统由两大部分构成： 嵌入式计算机嵌入式计算机 硬件系统硬件系统 嵌入式计算机嵌入式计算机 软件系统软件系统 嵌入式操作系统嵌入式操作系统用户程序用户程序 专题二微机基础知识 专题三单片机基础知识 2 2 3 3 4 4 嵌入式计算机嵌入式计算机 硬件系统硬件系统 嵌入式计算机系统概念框图嵌入式计算机系统概念框图 输入设备输入设备 输出设备输出设备 外存外存 专题二微机基础知识 专题三单片机基础知识 2 2 3 3 4 4 嵌入式计算机硬件系统构成嵌入式计算机硬件系统构成 1 1、嵌入式处理器、嵌入式处理器 2 2、常规外设及其接口、常规外设及其接口 3 3、专用外设及其接口、专用外设及其接口 4 4、操作控制台和报警设备、操作控制台和报警设备 核心部件，控制和调度其它部件。核心部件，控制和调度其它部件。 1 1）cpu+cpu+内存内存+ +接口等构成接口等构成 2 2）单片机为核心构成）单片机为核心构成 3 3）数字处理器）数字处理器(DSP)(DSP)为核心构成为核心构成 4 4）专用处理器芯片）专用处理器芯片 5 5）自己设计的）自己设计的ASICASIC构成构成 Application Specific Integrated Circuit Application Specific Integrated Circuit ASICASIC专用集成电路专用集成电路 以太网以太网精简指令集精简指令集复杂指令集复杂指令集 PDA (Personal Digital Assistant) PDA (Personal Digital Assistant) 个人数字助理个人数字助理 以无线方式发送和接收数据以无线方式发送和接收数据 Plasma Display Panel Plasma Display Panel 等离子显示屏等离子显示屏 专题二微机基础知识 专题三单片机基础知识 2 2 3 3 4 4 嵌入式计算机嵌入式计算机软件系统软件系统 1 1）实时多任务的操作系统）实时多任务的操作系统 2 2）实时监控程序）实时监控程序 用户程序用户程序: :实现用户的功能要求。实现用户的功能要求。 嵌入式计算机软件系统分为：嵌入式计算机软件系统分为： 嵌入式操作系统嵌入式操作系统和和用户程序用户程序两部分。两部分。 嵌入式操作系统的功能嵌入式操作系统的功能： 对系统硬件资源的管理和实时响应。对系统硬件资源的管理和实时响应。 专题二微机基础知识 专题三单片机基础知识 2 2 3 3 4 4 最简单的嵌入式系统，以最简单的嵌入式系统，以单片机为核心单片机为核心，不，不 配操作系统或监控程序，系统配操作系统或监控程序，系统硬件资源硬件资源由由用户程用户程 序序进行管理。进行管理。 在实现用户功能的同时，还要实现对资源的在实现用户功能的同时，还要实现对资源的 管理和利用。如，对键盘、显示块、专用外设及管理和利用。如，对键盘、显示块、专用外设及 CPUCPU的管理等。的管理等。 本课所学的嵌入式系统为：本课所学的嵌入式系统为： 专题二微机基础知识 专题三单片机基础知识 2 2 3 3 4 4 1974 1974年年1212月，月，美国仙童（美国仙童（Fairchild Fairchild）公司推出了世界上第一台）公司推出了世界上第一台8 8位单片位单片 机机F8F8。单片机的发展过程分为以下几个发展阶段。单片机的发展过程分为以下几个发展阶段。 第一代单片机（第一代单片机（1974197619741976年）年）单片机发展的起步阶段。单片机发展的起步阶段。 集成度也较低，并且采用了双片形式。集成度也较低，并且采用了双片形式。 代表产品有代表产品有FairchildFairchild公司的公司的F8F8和和MostekMostek公司的公司的38703870等。等。 第二代单片机（第二代单片机（1976197819761978年）年）这是单片机的发展阶段。这是单片机的发展阶段。 最典型的产品有最典型的产品有IntelIntel公司的公司的MCS-48MCS-48系列单片机。系列单片机。 第三代单片机（第三代单片机（19791979一一19821982年）年）这是这是8 8位单片机的成熟阶段。位单片机的成熟阶段。 代表产品有代表产品有IntelIntel公司的公司的MCS-51MCS-51系列机、系列机、MotorolaMotorola公司公司 的的MC6801MC6801系列机、系列机、ZilogZilog公司的公司的Z8Z8系列机等。系列机等。 第四代单片机（第四代单片机（19831983年以后）年以后） 19831983年以后是年以后是1616位单片机和位单片机和8 8位高性能单片机并行发展的时代。位高性能单片机并行发展的时代。 1 16 .1 6 .1 单片机的发展概述单片机的发展概述 专题二微机基础知识 专题三单片机基础知识 2 2 3 3 4 4 1 1八位低档系列机八位低档系列机 MCS-48MCS-48系列系列是是IntelIntel公司公司19761976年后推出的八位系列机单片机年后推出的八位系列机单片机 2 2八位高档系列机八位高档系列机 MCS-51MCS-51系列系列单片机是单片机是IntelIntel公司公司19801980年以后推出的年以后推出的8 8位高档机位高档机 3 3十六位单片机系列十六位单片机系列 IntelIntel公司从公司从19841984年开始推出高性能的十六位年开始推出高性能的十六位MCS-96MCS-96系列系列单片机单片机 1 16 62 2 单片机的典型产品单片机的典型产品 专题二微机基础知识 专题三单片机基础知识 2 2 3 3 4 4 主流与多品种共存主流与多品种共存 现在虽然单片机的品种繁多，各具特色仍以现在虽然单片机的品种繁多，各具特色仍以80C5180C51为为 核心的单片机占核心的单片机占主流主流，80C5180C51为核心的单片机占据了为核心的单片机占据了半壁半壁 江山。江山。 而而MicrochipMicrochip公司的公司的PICPIC精简指令集精简指令集(RISC)(RISC)也有着强也有着强 劲的发展势头劲的发展势头; ; 中国台湾的中国台湾的HOLTEKHOLTEK公司近年的单片机产量与日俱增公司近年的单片机产量与日俱增 ，与其低价质优的优势，占据一定的市场分额。，与其低价质优的优势，占据一定的市场分额。 此外还有此外还有MOTOROLAMOTOROLA公司的产品，日本几大公司的公司的产品，日本几大公司的 专用单片机。专用单片机。 在一定的时期内，这种情形将得以延续，将在一定的时期内，这种情形将得以延续，将不存在某不存在某 个单片机一统天下的垄断局面，个单片机一统天下的垄断局面，走的是走的是依存互补，相辅相依存互补，相辅相 成、共同发展的道路。成、共同发展的道路。 专题二微机基础知识 专题三单片机基础知识 2 2 3 3 4 4 单片机作为嵌入式系统的核心，单片机作为嵌入式系统的核心，具有集成度高、结构简单 具有集成度高、结构简单 、可靠性高、控制功能强、便于实现智能化控制，应用灵活方、可靠性高、控制功能强、便于实现智能化控制，应用灵活方 便和价格低等优点，因此广泛应用于便和价格低等优点，因此广泛应用于国民经济的各个领域。国民经济的各个领域。单单 片机的应用提高了机电设备的技术水平和自动化程度，对片机的应用提高了机电设备的技术水平和自动化程度，对各行各行 各业的各业的技术改造和产品更新换代起到了重要的推动作用。技术改造和产品更新换代起到了重要的推动作用。 1 1在日常生活中的应用在日常生活中的应用 2 2在智能化的仪器仪表中应用在智能化的仪器仪表中应用 3 3在工业控制中的应用在工业控制中的应用 4. 4. 在计算机网络和通信领域中的应用在计算机网络和通信领域中的应用 5. 5. 在军事和航天领域中的应用在军事和航天领域中的应用 1 16 63 3 单片机的应用单片机的应用 专题二微机基础知识 专题三单片机基础知识 2 2 3 3 4 4 单片机成功地应用于玩具、游戏机、无绳电话、充电单片机成功地应用于玩具、游戏机、无绳电话、充电 器、按摩器、器、按摩器、ICIC卡电话、卡电话、ICIC卡水表、卡水表、ICIC卡煤气表、卡煤气表、ICIC卡电卡电 度表、流量温控仪表、家庭自动化、电子锁、电子秤、步度表、流量温控仪表、家庭自动化、电子锁、电子秤、步 进电机、防盗报警、电子日历时钟等这些日常生活的产品进电机、防盗报警、电子日历时钟等这些日常生活的产品 中。中。 图形终端、彩色黑白复印机、软盘及硬盘驱动器、磁图形终端、彩色黑白复印机、软盘及硬盘驱动器、磁 带机、打印机的内部都采用单片机进行控制。带机、打印机的内部都采用单片机进行控制。 在各类仪器仪表中（包括医疗器械、色谱仪、温度、在各类仪器仪表中（包括医疗器械、色谱仪、温度、 湿度、流量、流速、电压、频率、功率、厚度、角度、长湿度、流量、流速、电压、频率、功率、厚度、角度、长 度、硬度、元素测定等）引人单片机，使仪器仪表数字化度、硬度、元素测定等）引人单片机，使仪器仪表数字化 、智能化、微型化，功能大大提高。、智能化、微型化，功能大大提高。 网络通信，航天。网络通信，航天。 专题二微机基础知识 专题三单片机基础知识 2 2 3 3 4 4 2.1 MCS-512.1 MCS-51单片机的基本组成及应用特性单片机的基本组成及应用特性 2.1.1 MCS-512.1.1 MCS-51单片机的基本组成单片机的基本组成 2.1.2 MCS-512.1.2 MCS-51单片机的应用特性单片机的应用特性 1. MCS-511. MCS-51单片机系列单片机系列 (51/52)(51/52) 2. 2. 单片机芯片的半导体工艺单片机芯片的半导体工艺 3. 3. 片内片内ROMROM存储器的配置形式及应用环境存储器的配置形式及应用环境 专题二微机基础知识 专题三单片机基础知识 2 2 3 3 4 4 2.1.1 MCS-51 2.1.1 MCS-51 单片机的基本组成单片机的基本组成 存储器存储器 I/OI/O接口接口 专题二微机基础知识 专题三单片机基础知识 2 2 3 3 4 4 MCS-51 MCS-51单片机芯片有许多种：单片机芯片有许多种： 如如80518051、80318031、87518751、80C5180C51、80C3180C31等。等。 它由它由8 8个部件组成，个部件组成， 1 1、中央处理器（、中央处理器（CPUCPU）核心核心 2 2、时钟电路、时钟电路 12MHz12MHz 3 3、程序存储器（、程序存储器（ROM/EPROMROM/EPROM） 4KB4KB 4 4、数据存储器（、数据存储器（RAMRAM） 128B+128B SFR128B+128B SFR 5 5、并行、并行I/OI/O口（口（P0P0P3P3口）口）P0P0和和P2P2兼作外总线兼作外总线 6 6、串行口、串行口 全双工串行口全双工串行口 7 7、定时器、定时器/ /计数器计数器 2 2个个1616位位 8 8、中断控制系统、中断控制系统 5 5个中断源，高级和低级两级优先级别个中断源，高级和低级两级优先级别 它们都是通过单一总线连接，并被集成在一块半导体芯片上它们都是通过单一总线连接，并被集成在一块半导体芯片上 ，为单片微型计算机（，为单片微型计算机（Single-Chip MicrocomputerSingle-Chip Microcomputer） 片内存储器片内存储器 片内片内I/OI/O接口接口 专题二微机基础知识 专题三单片机基础知识 2 2 3 3 4 4 1. MCS-511. MCS-51单片机系列单片机系列 两大系列：两大系列： MCS-51MCS-51子系列子系列和和MCS-52MCS-52子系列子系列。 其中其中5151子系列是子系列是基本型基本型，而，而5252子系列属于子系列属于增强型增强型。 各子系列配置如表各子系列配置如表2-12-1所示。所示。(P37)(P37) 2 21 12 MCS-512 MCS-51单片机的应用特性单片机的应用特性 5151子系统子系统 5252子系统子系统 片内片内ROMROM形式形式 无无 ROM EPROMROM EPROM 8031 8051 87518031 8051 8751 80C31 80C51 87C51 80C31 80C51 87C51 8032 8052 8752 8032 8052 8752 80C32 80C52 87C52 80C32 80C52 87C52 专题二微机基础知识 专题三单片机基础知识 2 2 3 3 4 4 子 系 列 片内ROM形式 片内 RAM 容量 片内 ROM 容量 寻址 范围 I/O特性 中断 源 无ROMEPROM并行口串行口计数器 51 系 列 803180518751128B4KB64KB4812165 80C3180C5187C51128B4KB64KB4812165 52 系 列 803280528752256B8KB64KB4813166 80C23 2 80C25 2 87C252256B8KB64KB4813167 5252子系列与子系列与5151子系列相比，其功能增强的具体方面如下：子系列相比，其功能增强的具体方面如下： 1 1片内片内RAMRAM从从128128字节增加到字节增加到256256字节字节 2 2片内片内ROMROM从从4KB 4KB 增加到增加到8KB8KB 3 3定时器定时器/ /计数器从计数器从2 2个增加到个增加到3 3个个 4 4中断源从中断源从5 5个增加到个增加到6 67 7个个 专题二微机基础知识 专题三单片机基础知识 2 2 3 3 4 4 2. 2. 单片机芯片的半导体工艺单片机芯片的半导体工艺 MCS-51MCS-51系列单片机采用以下两种半导体工艺生产系列单片机采用以下两种半导体工艺生产 ii HMOSHMOS芯片型号中芯片型号中不带有字母不带有字母“ “C”C”的，功耗较大。的，功耗较大。 ii CHMOS CHMOS 芯片型号中芯片型号中凡带有字母凡带有字母“ “C”C”的，的， 具有高速度、高密度、低功耗的特点具有高速度、高密度、低功耗的特点 例如例如 80518051的功耗为的功耗为630mW630mW， 80C5180C51的功耗只有的功耗只有120mW120mW。 在便携式、手提式或野外作业仪器设备或长期无人在便携式、手提式或野外作业仪器设备或长期无人 值守自动监测、监控的仪表上是非常有意义的。因此在值守自动监测、监控的仪表上是非常有意义的。因此在 这些产品中最好使用这些产品中最好使用CHMOSCHMOS型单片机芯片型单片机芯片. . 专题二微机基础知识 专题三单片机基础知识 2 2 3 3 4 4 3. 3. 片内片内ROMROM存储器的配置形式及应用环境存储器的配置形式及应用环境 MCS-51MCS-51单片机内程序存储器的配置形式有三种：单片机内程序存储器的配置形式有三种： 掩模掩模ROMROM型型 （由厂家一次写入，成本低）（由厂家一次写入，成本低） EPROMEPROM型型 （由用户可反复写入，成本较高）（由用户可反复写入，成本较高） 无无ROM ROM （需在片外扩展）（需在片外扩展） 各有特点，也各有其适用场合，可根据需要进行各有特点，也各有其适用场合，可根据需要进行选择选择 环境温度范围，划分为三个等级环境温度范围，划分为三个等级 民用级民用级 0 07070 工业级工业级 40408585 军用级军用级 6565125125 因此在使用中应注意根据现场温度因此在使用中应注意根据现场温度选择选择芯片。芯片。 专题二微机基础知识 专题三单片机基础知识 2 2 3 3 4 4 2.2.1 2.2.1 中央处理器中央处理器CPU CPU 2.2.2 2.2.2 存储器结构存储器结构 2.2.2.1 2.2.2.1 程序存储器程序存储器 2.2.2.2 2.2.2.2 片内数据存储器片内数据存储器 1 1、片内数据存储器低片内数据存储器低128128单元单元 2 22 80512 8051单片机单片机内部结构和功能内部结构和功能 专题二微机基础知识 专题三单片机基础知识 2 2 3 3 4 4 2 22 80512 8051单片机内部结构和功能单片机内部结构和功能 专题二微机基础知识 专题三单片机基础知识 2 2 3 3 4 4 一一、运算器、运算器 1 1算术逻辑单元（算术逻辑单元（ALUALUArithmetic Logic UnitArithmetic Logic Unit） 2 2累加器（累加器（ACCACCAccumulatorAccumulator） 3 3寄存器寄存器 BB 4 4程序状态字（程序状态字（PSWPSWProgram Status WordProgram Status Word） 5 5布尔处理器布尔处理器 二、控制器二、控制器 1 1程序计数器（程序计数器（PCPCProgram CounterProgram Counter） 2 2指令译码器指令译码器ID ID 3 3数据指针（数据指针（DPTRDPTR） 4.4. 堆栈指针堆栈指针( (SPSPStack PointerStack Pointer) ) 2 22 21 1 中央处理器中央处理器CPUCPU 专题二微机基础知识 专题三单片机基础知识 2 2 3 3 4 4 一、运算器一、运算器 功能：运算部件功能：运算部件 实现算术、逻辑运算、位变量处理、移位、数据传送实现算术、逻辑运算、位变量处理、移位、数据传送 1 1算术逻辑单元（算术逻辑单元（ALUALU）8 8位位 其累加器是其累加器是ACCACC 二进制四则运算和布尔代数的逻辑运算二进制四则运算和布尔代数的逻辑运算 运算结果影响运算结果影响PSWPSW的有关标志位的有关标志位 2. 2. 累加器（累加器（ACCACC）8 8位位 存放操作数和中间结果存放操作数和中间结果 工作频繁，大多数操作均通过它进行工作频繁，大多数操作均通过它进行 3 3寄存器寄存器BB 8 8位位 乘法时用于存乘数乘法时用于存乘数/ /积的高积的高8 8位位 除法时用于存除数除法时用于存除数/ /余数余数 4 4程序状态字（程序状态字（PSWPSW）8 8位位 特殊功能寄存器特殊功能寄存器 5 5布尔处理器布尔处理器 1 1位位 它以进位标志（它以进位标志（CCY Y）作为累加位 ）作为累加位 进行位操作进行位操作 专题二微机基础知识 专题三单片机基础知识 2 2 3 3 4 4 程序状态字程序状态字PSWPSW各位标志的含义各位标志的含义 CYCYACACF0F0RS1RS1 RS0RS0OVOV P P PSW.7 PSW.6 PSW.5 PSW.4 PSW.3 PSW.2 PSW.1 PSW.0 PSW.7 PSW.6 PSW.5 PSW.4 PSW.3 PSW.2 PSW.1 PSW.0 CY (PSW.7) CY (PSW.7) 进位标志位进位标志位 ACAC（PSW.6PSW.6） 辅助进位（或称半进位）标志辅助进位（或称半进位）标志 F0F0（PSW.5PSW.5） 用户标志位用户标志位 RS1RS1和和RS0RS0（PSW.4PSW.4，PSW.3PSW.3）工作寄存器组选择位）工作寄存器组选择位 OVOV（PSW.2PSW.2） 溢出标志位溢出标志位 PSW.1 PSW.1 未定义位未定义位 P P（PSW.0PSW.0） 奇偶标志位奇偶标志位 专题二微机基础知识 专题三单片机基础知识 2 2 3 3 4 4 1 1程序计数器（程序计数器（PCPC）1616位计数器位计数器（重要重要） PCPC是程序的字节地址计数器，是程序的字节地址计数器，其内容是将要其内容是将要 执行的下一条指令的地址，寻址范围达执行的下一条指令的地址，寻址范围达64KB64KB。 PC PC 有自动加有自动加1 1功能，从而实现程序的顺序执功能，从而实现程序的顺序执 行。可以通过转移、调用、返回等指令改变其内容行。可以通过转移、调用、返回等指令改变其内容 ，以实现程序的转移。，以实现程序的转移。 二、控制器二、控制器 专题二微机基础知识 专题三单片机基础知识 2 2 3 3 4 4 2 2指令译码器指令译码器IDID 指令取出指令取出指令寄存器指令寄存器IRIR指令译码器指令译码器IDID对该指对该指 令进行译码令进行译码把指令转变成所需的把指令转变成所需的电平信号电平信号CPU CPU 根据根据 IDID输出的电平信号使定时控制电路定时地产生执行该指令所输出的电平信号使定时控制电路定时地产生执行该指令所 需的各种需的各种控制信号控制信号，以使计算机能正确执行程序所要求的各，以使计算机能正确执行程序所要求的各 种操作。种操作。 程序程序 存储器存储器 PCPC 取出取出 指令码指令码 指令指令 寄存器寄存器IRIR 指令指令 译码器译码器IDID 把指令转把指令转 变成所需要得变成所需要得 电平信号电平信号 CPU CPU 产生执产生执 行该指令所需的各行该指令所需的各 种控制信号种控制信号 取指令取指令 分析指令分析指令 执行指令执行指令 专题二微机基础知识 专题三单片机基础知识 2 2 3 3 4 4 2424 8080 1515 7474 2B2B FEFE 3000H3000HPCPC 2424 8080 1515 7474 2B2B FEFE 3002H3002HPCPC2424 8080 1515 7474 2B2B FEFE 3004H3004HPCPC （A A） （B B） （C C） 2BH2BH 程序执行过程举例程序执行过程举例 求求21214343和的程序和的程序 机器码机器码 机器码机器码 助记符助记符 功能功能 0111010000010101B 7415H MOV A,#15H 0111010000010101B 7415H MOV A,#15H ；(A)15H(A)15H 0010010000101011B 242BH ADD A,#2BH 0010010000101011B 242BH ADD A,#2BH ；(A)(A)(A)(A)2BH2BH 1000000011111110B 80FEH SJMP $ 1000000011111110B 80FEH SJMP $ ； 停止停止 CY OV AC CY OV AC 0 0 0 0 1 1 PSWPSW 15H15H40H40H 15H15H 专题二微机基础知识 专题三单片机基础知识 2 2 3 3 4 4 3 3数据指针（数据指针（DPTRDPTR）16bit16bit 数据指针数据指针DPTRDPTR为 为1616位寄存器。它的功能是存放位寄存器。它的功能是存放 1616位的地址，作为访问外部程序存储器和外部数据存储器位的地址，作为访问外部程序存储器和外部数据存储器 时的地址。时的地址。 编程时，编程时，DPTRDPTR既可按既可按1616位寄存器使用，也可以按位寄存器使用，也可以按 两个两个8 8位寄存器分开使用。即：位寄存器分开使用。即： DPHDPHDPTRDPTR的高的高8 8位位 DPLDPLDPTRDPTR的低的低8 8位位 4. 4. 堆栈指针堆栈指针(SP)8 bit(SP)8 bit SPSP的内容就是堆栈栈顶的存储单元地址。不论是数的内容就是堆栈栈顶的存储单元地址。不论是数 据进栈还是数据出栈，都是对堆栈的栈顶单元进行的，即据进栈还是数据出栈，都是对堆栈的栈顶单元进行的，即 对栈顶单元的写和读操作。对栈顶单元的写和读操作。 专题二微机基础知识 专题三单片机基础知识 2 2 3 3 4 4 2.2.2 2.2.2 存储器结构存储器结构 80518051单片机在系统结构上采用了哈佛型，其存储器在物理结构单片机在系统结构上采用了哈佛型，其存储器在物理结构 上分程序存储器（上分程序存储器（ROMROM） 和数据存储器（和数据存储器（RAMRAM）。）。 有四个有四个物理上物理上相互独立的存储空间相互独立的存储空间 ：其配置如图：其配置如图2-3/2-42-3/2-4所示。所示。 片内片内ROMROM 片外片外ROMROM 片内片内RAMRAM 片外片外RAM/I/ORAM/I/O口口 60KB60KB 4KB4KB 64KB64KB 128B128B RAMRAM 128B 128B SFRSFR 专题二微机基础知识 专题三单片机基础知识 2 2 3 3 4 4 8051 8051单片机在系统结构上采用了哈佛型，单片机在系统结构上采用了哈佛型， 其存储器在物理结构上分其存储器在物理结构上分 程序存储器（程序存储器（ROMROM） 数据存储器（数据存储器（RAMRAM） 有有四个四个物理上物理上相互独立的存储空间相互独立的存储空间 ： 片内片内ROMROM 片外片外ROMROM 片内片内RAMRAM 片外片外RAM/I/ORAM/I/O口口 60KB60KB 4KB4KB 64KB64KB 128B RAM128B RAM128B SFR128B SFR 64KB64KB 程序存储器程序存储器 （ROMROM） 数据存储器数据存储器 （RAMRAM） 64KB64KB 无无 2.2.2 2.2.2 存储器结构存储器结构 专题二微机基础知识 专题三单片机基础知识 2 2 3 3 4 4 有关存储器的说明有关存储器的说明 1 1、用户使用的角度上看、用户使用的角度上看 80518051存储空间分为三类存储空间分为三类： 片内、片外统一编址片内、片外统一编址0000H0000H0FFFFH0FFFFH的的 64K64K字节的程序存储器地址空间；字节的程序存储器地址空间； 256256字节数据存储器地址空间；字节数据存储器地址空间； 64K64K字节片外数据存储器字节片外数据存储器/I/O/I/O口地址空间，口地址空间， 地址也从地址也从0000H0000H0FFFFH0FFFFH。 专题二微机基础知识 专题三单片机基础知识 2 2 3 3 4 4 2 2、上述三个空间地址是重叠的，、上述三个空间地址是重叠的，即即 程序存储器中片内外低程序存储器中片内外低4K4K字节地址重叠；字节地址重叠； 数据存储器与程序存储器数据存储器与程序存储器64K64K地址全部重叠；地址全部重叠； 数据存储器中片内外低数据存储器中片内外低256256个字节地址重叠。个字节地址重叠。 虽然地址重叠，但由于采用了不同的操作指令虽然地址重叠，但由于采用了不同的操作指令 及控制信号及控制信号EAEA、PSENPSEN的选择，的选择， 因此不会产生混乱。因此不会产生混乱。 有关存储器的说明有关存储器的说明 专题二微机基础知识 专题三单片机基础知识 2 2 3 3 4 4 2.2.2.1 2.2.2.1 程序存储器程序存储器 1 1、程序存储器配置图、程序存储器配置图 片内片内ROMROM 片外片外ROMROM 60KB60KB 4KB4KB 专题二微机基础知识 专题三单片机基础知识 2 2 3 3 4 4 特殊单元：特殊单元： 00000000H-0002HH-0002H（开机复位单元）（开机复位单元） 3 3个个 0003H-000AH0003H-000AH（INT0INT0中断地址区）中断地址区） 8 8个个 000BH-0012H000BH-0012H（T/C0T/C0中断地址区）中断地址区） 8 8个个 0013H-001AH0013H-001AH（INT1INT1中断地址区）中断地址区） 8 8个个 001BH-0022H001BH-0022H（T/C1T/C1中断地址区）中断地址区） 8 8个个 0023H-002AH0023H-002AH（串行口中断地址区）（串行口中断地址区） 8 8个个 2.2.2.1 2.2.2.1 程序存储器程序存储器 程序存储器用来存放程序和常数，分为片内和片外两部分程序存储器用来存放程序和常数，分为片内和片外两部分 ，其中，其中80518051内部有内部有4 4kBkB的的ROMROM，地址范围是地址范围是00000000H-0FFFHH-0FFFH ，片外用片外用1616位地址线扩充位地址线扩充6464kBkB的的ROMROM，两者统一编址。（从两者统一编址。（从 片内还是从片外取片内还是从片外取指指取决于取决于EAEA引脚。）引脚。） 专题二微机基础知识 专题三单片机基础知识 2 2 3 3 4 4 当当CPUCPU的引脚的引脚EAEA接高电平时，接高电平时， PCPC在在0000H0000H0FFFH0FFFH范围内，范围内，CPUCPU从片内从片内ROMROM取指取指 令；令； 而当而当PCPC0FFFH0FFFH后，则自动转向片外后，则自动转向片外ROMROM去取指令。去取指令。 当引脚当引脚EAEA接低电平时，接低电平时，80518051片内片内ROMROM不起作用，不起作用， CPUCPU只能从片外只能从片外ROMROM取指令，地址可以从取指令，地址可以从0000H0000H开始编址开始编址 对于片内无对于片内无ROMROM的的 80318031、80328032单片机，单片机，EAEA应接地。应接地。 以便从外部扩展以便从外部扩展EPROMEPROM中取指令。中取指令。 80518051从片内从片内ROMROM和片外和片外ROMROM取指时执行速度相同。取指时执行速度相同。 专题二微机基础知识 专题三单片机基础知识 2 2 3 3 4 4 数据存储器用来存放运算的中间结果、标志位，及数据存储器用来存放运算的中间结果、标志位，及 数据的暂存和缓冲等。数据的暂存和缓冲等。 80518051系列单片机系列单片机的数据存储器的数据存储器分为分为： 片内片内数据存储器：数据存储器：最大可寻址最大可寻址256256个单元个单元的 的RAM.RAM. 1 1、低低128128字节字节RAMRAM 2 2、高、高128128字节字节SFRSFR 片外可寻址片外可寻址1616位（位（6464kBkB）数据存储器或）数据存储器或I/O I/O口的口的 地址地址，两者统一编址两者统一编址. . 数据存储器数据存储器 专题二微机基础知识 专题三单片机基础知识 2 2 3 3 4 4 2.2.2.2.2.2.2.2.片片内数据存储器（内数据存储器（RAM)RAM) 专题二微机基础知识 专题三单片机基础知识 2 2 3 3 4 4 用户用户RAMRAM区区 （堆栈、数据缓冲）（堆栈、数据缓冲） （30H-7FH30H-7FH） 位寻址区位寻址区 （位地址（位地址00H-7FH00H-7FH） （20H-2FH20H-2FH） 第第3 3组通用寄存器组通用寄存器 （18H-1FH18H-1FH） 第第2 2组通用寄存器组通用寄存器 （10H-17H10H-17H） 第第1 1组通用寄存器组通用寄存器 （08H-0FH08H-0FH） 第第0 0组通用寄存器组通用寄存器 （00H-07H00H-07H） 用于存放操作数及中间结用于存放操作数及中间结 果。由于它们的功能预先不作果。由于它们的功能预先不作 规定，因此称为通用