第2章_MCS-51单片机硬件结构.ppt

第2章 mcs-51单片机硬件结构,【学习目的和要求】,第二章 mcs-51单片机硬件结构,了解mcs-51单片机的内部结构、单片机的工作过程； 熟炼掌握累加器、程序状态字寄存器、程序计数器、堆栈 指针、数据指针寄存器、特殊功能寄存器的特点及应用； 掌握mcs-51单片机的存储器分配、结构特点和引脚功能； 熟悉单片机的时钟电路、复位电路及指令时序。,按功能可分成8个部件，通过片内单一总线连接起来,1.微处理器,2.数据存储器,3.程序存储器,4.i/o口,5.串行口,6.定时/计数器,7.中断系统,8.特殊功能寄存器,控制方式：sfr对各功能部件集中控制,片内总线,2-1,2.1基本结构,第二章 mcs-51单片机硬件结构,2.1.2 芯片特性,mcs-51系列单片机按芯片特性可分为基本型和增强型 51子系列是基本型，而52子系列是增强型,第二章 mcs-51单片机硬件结构,2.2 封装及引脚,40个引脚的双列直插式（dip）封装形式 44个引脚方形封装方式（有4个空脚）,第二章 mcs-51单片机硬件结构,逻辑符号,控制引脚,并行i/o口引脚,电源及时钟引脚,2.2.1电源及时钟引脚,mcs-51单片机p3口的第二功能,从功能和用途方面内部数据存储器可以分为3个区域： 工作寄存器区、位寻址区、堆栈和数据缓冲器区,第二章 mcs-51单片机硬件结构,内部数据存储器,rs1 rs0 所选的4组寄存器 0 0 0区（内部ram地址00h07h） 0 1 1区（内部ram地址08h0fh） 1 0 2区（内部ram地址10h17h） 1 1 3区（内部ram地址18h1fh）,p0口内部结构,p0口,写数据,读端口,p1口,第二章 mcs-51单片机硬件结构,p2口,p3口,p0p3端口功能总结 使用中应注意的问题： p0p3口都是并行i/o口，但p0口和p2口还可用来构建 数据总线和地址总线，故电路中有一个mux，进行转换 而p1口和p3口无构建系统的数据总线和地址总线的功能 因此，无需转接开关mux 只有p0口是一个真正的双向口，p1p3口都是准双向口 原因:p0口作数据总线使用时，为保证数据正确传送， 需解决芯片内外的隔离问题，即只有在数据传送时芯片内 外才接通；否则应处于隔离状态。为此，p0口的输出缓冲 器应为三态门。 p3口具有第二功能。因此在p3口电路增加了第二功能控 制逻辑。这是p3口与其它各口的不同之处。,2.6 时钟电路与时序,时钟电路是单片机的心脏，它用于产生单片机工作所需要的时钟信号，使电路应在统一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。 时序是指令执行过程中各信号之间的相互时间关系。,第二章 mcs-51单片机硬件结构,2.6.1 时钟电路,内部时钟方式 外部时钟方式 大多数单片机应用系统采用内部时钟方式,第二章 mcs-51单片机硬件结构,内部时钟方式 内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器 其输入端：xtal1，输出端：xtal2。 c1和c2典型值通常选择为30pf左右。 晶体的振荡频率在1.2mhz12mhz之间。,第二章 mcs-51单片机硬件结构,内部时钟,外部时钟方式 常用于多片mcs-51单片机同时工作。 hmos和chmos两种单片机的外部时钟信号接入不同： 外部振荡信号源接xtal1，不接xtal2； cmos芯片可在软件的控制下使振荡器停振，芯片处于失电保持状态。,第二章 mcs-51单片机硬件结构,hmos型单片机的外部脉冲源接入法,chmos型单片机的外部脉冲源接入法,1、时钟周期 单片机的基本时间单位。 若时钟的晶体的振荡频率为fosc，则时钟周期 tosc=1/fosc。如fosc=6mhz，tosc=166.7ns。 2、机器周期 cpu完成一个基本操作所需要的时间 是衡量指令或程序执行速度的最小单位，每个机器周 期完成一个基本操作。 mcs-51单片机每12个时钟周期为一个机器周期。,2.6.2 指令周期与机器周期,一个机器周期又分为6个状态：s1s6。 每个状态又分为两拍：p1和p2。 因此，一个机器周期中的12个时钟周期表示为： s1p1、s1p2、s2p1、s2p2、s6p2。,3、指令周期 cpu取一条指令至该指令执行完所需时间 执行一条指令时，可分为取指令阶段和指令执行阶段 取指令阶段，pc中地址送到程序存储器，并从中取出需 要执行指令的操作码和操作数。 指令执行阶段，对指令操作码进行译码，以产生一系列 控制信号完成指令的执行。 ale信号是为地址锁存而定义的，以时钟脉冲1/6的频率 出现，在一个机器周期中，ale信号两次有效（注意， 在执行访问外部数据存储器的指令movx时，将会丢失 一个ale脉冲）,若外接晶振为12mhz，则单片机的四个周期的具体值为： 时钟周期1/12mhz1/12s0.0833s 状态周期1/6s0.167s 机器周期1s 指令周期14s 用于计算指令、程序的执行时间，以及定时器的定时时间,cpu的时序（时钟周期、 状态周期、机器周期）,2.6.3 典型指令的时序,mcs-51单片机共有111条指令，全部指令按其指令长度可分为单字节指令、双字节指令和三字节指令。 执行这些指令所需的机器周期数目是不同的，概括起来共有以下几种情况： 单字节单机器周期指令、单字节双机器周期指令 双字节单机器周期指令、双字节双机器周期指令 三字节双机器周期指令和单字节四机器周期指令,第二章 mcs-51单片机硬件结构,2.6.3 典型指令的时序,2.7 工作方式,复位 程序执行 单步执行 掉电保护 低功耗 eprom编程和效验,第二章 mcs-51单片机硬件结构,2.7.1复位方式,第二章 mcs-51单片机硬件结构,1. 复位操作的作用 单片机的初始化操作，摆脱死锁状态。 复位时，pc初始化为0000h，使单片机从0000h单元开 始执行程序。 除使pc清零外，复位操作还对其它一些专用寄存器有影响 另外，复位操作还对单片机的个别引脚有影响，例如会把 ale和 psen变为无效状态，即使ale=0，psen =0。rst 变为低电平后，退出复位状态，cpu从初始状态开始工作,mcs-51单片机的复位操作有两种方式： 上电复位和上电按钮复位。,最简单的上电自动复位电路,上电按钮复位，有电平方式和脉冲方式两种。,程序执行方式是单片机的基本工作方式。由于 复位后pc=0000h，因此程序执行总是从地址 0000h开始。但是用户程序一般并不存在其中 ，故通常需要在0000h单元放一条无条件转移 指令（如ljmp addr16），使程序转向实际的 用户入口地址去执行。,第二章 mcs-51单片机硬件结构,2.7.2程序执行方式,2.7.3 掉电保护方式,单片机系统在运行过程中，如发生掉电故障， 将会使系统数据丢失，其后果有时是很严重的。 为此，mcs-51单片机设置有掉电保护措施。 其具体做法是： 先把有用数据转存， 然后再启用备用电源维持供电。,第二章 mcs-51单片机硬件结构,chmos工艺的mcs-51单片机（如80c51）有两种低功耗 方式，即待机方式和掉电保护方式，是由专用寄存器 pcon的有关位来控制的。 其中： smod 波特率加倍位，在串行通信中使用； gf0 通用标志位； gf1 通用标志位； pd 掉电方式位，pd=1，则进入掉电方式； idl 待机方式位，idl=1，则进入待机方式。 要想使单片机进入待机方式或掉电保护方式，只要执行一条能使idl或pd位为“1”的指令就可以了。,第二章 mcs-51单片机硬件结构,2.7.4 低功耗方式,本章小结,本章重点讨论了mcs-51单片机的内部结构和工作原理 它由一个8位cpu、128b内部ram、21个特殊功能寄存器、4个8位并行i/o口、两个16位定时器/计数器、一个中断系统、一个串行i/o接口和时钟电路等组成。单片机的内部工作寄存器分为4组，每组寄存器编号分别为r0r7，用程序状态字中的rs1和rs2的编码来区分组号。,第二章 mcs-51单片机硬件结构,本章小结,mcs-51单片机有三个不同的存储空间 分别是64kb的程序存储器（rom）、64kb的外部数据存储器（ram）和128b的片内ram，用不同的指令和控制信号实现对各存储空间的操作。,第二章 mcs-51单片机硬件结构,本章小结,mcs-51单片机的特殊功能寄存器有： 累加器a、程序状态字psw、堆栈指针sp、数据指针dptr和程序计数器pc等，它们都有特殊的功能和用途。,第二章 mcs-51单片机硬件结构,本章小结,mcs-51单片机的4个i/o端口有不同的结构 p0口是数据