单片机原理及应用PPT教学课件-第2章_MCS-51单片机的硬件结构.ppt

单片机原理及应用,第二章 51单片机的硬件结构,光华学院 信息工程系 王 超,微型计算机硬件结构,微型计算机硬件结构,微型计算机硬件结构,微型计算机硬件结构,硬件系统: 微机实体和装置,软件系统: 微机系统使用的 各种程序的总称,单片机硬件结构,2.1 mcs-51单片机的硬件结构,结构框图,微处理器cpu：8位，运算和控制功能,内部ram：共256个ram单元，用户使用前128个单元，用于存放可读写数据，后128个单元被专用寄存器占用。,内部rom：4kb掩膜rom，用于存放程序、原始数据和表格。,定时/计数器：两个16位的定时/计数器，实现定时或计数功能。,并行i/o口：4个8位的i/o口p0、p1、p2、p3。,串行口：一个全双工串行口。,中断控制系统：5个中断源（外中断2个，定时/计数中断2 个，串行中断1个）,时钟电路：可产生时钟脉冲序列，允许晶振频率6mhz和12mhz,8051单片机的基本组成,中央处理器cpu：8位，运算和控制功能 内部ram：共256个ram单元，用户使用前128个单元，用于存放可读写数据，后128个单元被专用寄存器占用。 内部rom：4kb掩膜rom，用于存放程序、原始数据和表格。 定时/计数器：两个16位的定时/计数器，实现定时或计数功能。 并行i/o口：4个8位的i/o口p0、p1、p2、p3。 串行口：一个全双工串行口。 中断控制系统：5个中断源（外中断2个，定时/计数中断2 个，串行中断1个） 时钟电路：可产生时钟脉冲序列，允许晶振频率6mhz和12mhz,2.2 mcs-51单片机信号引脚简介,p3口线的第二功能,vcc,vss,xtal2 xtal1,rst,p0. 0 p0.1 p0.2 p0.3 p0.4 p0.5 p0.6 p0.7,p1. 0 p1.1 p1.2 p1.3 p1.4 p1.5 p1.6 p1.7,p2.7 p2.6 p2.5 p2.4 p2.3 p2.2 p2.1 p2. 0,ale,p3. 0 p3.1 p3.2 p3.3 p3.4 p3.5 p3.6 p3.7,2、时钟引脚：xtal1、xtal2,3、复位引脚：rst,7、并行口：p0、p1、p2、p3,4、ale：地址锁存控制信号,1、电源线：vcc(+5v)、vss(地),单片机开发板,mcs-51单片机的硬件结构,2.3 mcs-51的微处理器,mcs-51的微处理器（cpu） 由运算器和控制器所构成。,2.3.1 运算器 作用：对操作数进行算术、逻辑运算和位操作。 由算术逻辑单元(alu)、累加器a、寄存器b、位处理器和程序状态字寄存器(psw)等构成。,1算术逻辑运算单元alu 它是运算器的的核心.+-*/,&|-.,2累加器a（8位） 使用最频繁的寄存器，可写为acc。 累加器a的作用： （1）是alu的输入(数据处理源)之一，又是运算结 果的存放单元。 （2）数据传送大多都通过累加器a。,3. 寄存器b (8位) 是为执行乘、除法操作设置的,作为alu的输入之一。在不执行乘、除法操作的情况下，可当作普通寄存器使用。 (a*b=b a) (a/b=ab),4程序状态字寄存器psw (program status word) （1）cy（psw.7）进位标志位，或写为c,有进位或借位时硬件置1。 （2）ac(psw.6) 辅助进位标志位，用于bcd码的十 进制调整运算。当低4位向高4位数发生进位或借位时,ac被硬件置位,否则被清0 。 （3）f0（psw.5）用户自定义标志位。可用软件使它置1或清0，也可由软件来测试标志f0以控制程序的流向。编程时，该标志很有用。,d0h,d7 d6 d5 d4 d3 d2 d1 d0,psw,表 2.3 rs1、 rs0与片内工作寄存器组的对应关系,（4）rs1、rs0（psw.4、psw.3）：4组工作寄存器区选择控制位1和位0。,d0h,d7 d6 d5 d4 d3 d2 d1 d0,psw,片内ram有128个单元,(5)ov（psw.2）：溢出标志位 指示运算是否产生溢出。各种算术运算指令对该位的影响情况较复杂，将在第3章介绍。 (6)psw.1位: 保留位，未用 (7)p(psw.0)：奇偶标志位,每个指令周期都由硬件置位或清除. p=1，a中“1”的个数为奇数 p=0，a中“1”的个数为偶数 注： 奇偶标志位对串行口通讯中的数据传输有重要意义，常用奇偶检验的方法来检验数据传输的可靠性。,d0h,d7 d6 d5 d4 d3 d2 d1 d0,psw,2.3.2 控制器 1.控制器 作用：控制器是单片机的指挥控制部件，控制器 的主要任务是识别指令、并根据指令的性 质控制单片机各个功能部件，从而保证单 片机自动协调的工作。 由程序计数器、指令寄存器ir、指令译码器id、 条件转移逻辑电路及时序控制逻辑电路等构成。,(1)程序计数器pc（program counter）(16位) 存放下一条将要从程序存储器中取出的指令的地址，可对64kb的程序存储器进行寻址。 基本工作方式有以下几种： 1)程序计数器自动加1 2)执行有条件转移或无条件转移指令时，程序计数器将被置入新的数值，从而使程序的流向发生变化。,3）在执行调用子程序或响应中断时，单片机将自动完成下列操作： pc的现行值保护 将子程序入口地址或中断向量的地址送入pc。 (2)指令寄存器ir、指令译码器及控制逻辑电路,2.4 mcs-51存 储 器的结构,8031 8051 8751 89c51,256b（字节）,4k,64k,64k,(1)程序存储器,程序存储器,内部,外部,(pc),程序存储器资源分布,中断入口地址,内部,外部,(2)数据存储器,数据存储器,ram,专用 寄存器,内部ram存储器,工作寄存器区选择位rs0、rs1,注意: 一个单元地址对应有8个位地址 msbmost significant bit （最高有效位） lsb least significant bit （最低有效位）,ram位寻址区位地址表,高128个单元,离散分布有21个特殊功能寄存器sfr。, 11个可以进行位寻址。,特别提示：对sfr只能使用直接寻址方式，书写时可使用寄存器符号，也可用寄存器单元地址。,1)堆栈和堆栈指针sp 堆栈是按先进后出或后进先出原则进行存取的片 内ram区域。(主要是为子程序调用和中断操作而 设立的) 堆栈的具体功能是：保护断点(pc的内容)； 保护现场(保存有关寄存器单元的内容)。 mcs-51单片机的堆栈区是不固定的，原则上可 设置在内部ram(00h7fh)的任意单元。但实际应 用中要根据对片内ram的各功能区的使用情况灵活 设置，但应避开工作寄存器区、位寻址区、和用 户使用的数据区，一般设在2fh地址以后的区域。,堆栈指针sp是一个8位的sfr。sp的内容指示 出堆栈顶部在ram区中的位置。 在mcs-51 单片机中，指针开始所指的位置并非就是数据存放的位置，而是数据存放的前一个位置。 单片机复位后，sp中的内容为07h(即指向 07h的ram单元)，使堆栈事实上由08h单元开始。 所以在使用堆栈前，先给sp赋值(一般为2fh以后 的单元)，以规定堆栈的起始位置(栈底)。当数 据存入堆栈后，sp的值也随之自动变化。,2.5 并行i/o端口,p0. 0 p0.1 p0.2 p0.3 p0.4 p0.5 p0.6 p0.7,p1. 0 p1.1 p1.2 p1.3 p1.4 p1.5 p1.6 p1.7,p2.7 p2.6 p2.5 p2.4 p2.3 p2.2 p2.1 p2. 0,p3. 0 p3.1 p3.2 p3.3 p3.4 p3.5 p3.6 p3.7,4个8位并行i/o口：p0，p1，p2，p3；,均可作为双向i/o端口使用。,(1)特点：,p0：访问片外扩展存储器时， 复用为低8位地址线和数据线,p2：高8位地址线。,p1：双向i/o端口,p3：第二功能,p0口作为通用的i/o口时，需要上拉电阻，其它口不需要,ale,指令1：mov p1,#00h,指令2：mov p1,#0ffh,指令3：mov p1,#0aah,(2)输出举例,指令4：clr p1.0,指令5：setb p1.0,0,+5v,(3)输入举例,ale,读端口： mov p3, #11111111b,mov a, p3,89c51,寄存器a,注：当i/o端口作为输入使用时，需先向端口写入“1”。,你知道p3.4对应寄存器a哪一位吗？,你知道这是为什么吗？,0,1,2.6 时钟电路与复位电路 (1)时钟振荡电路,2.6.1 时序 计算机在执行指令时，是将一条指令分解为若干基本的微操作，这些微操作所对应的脉冲信号在时间上的先后次序称为时序。,mcs-51单片机的时序由下面四种周期构成： （1） 时钟周期(振荡周期): 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:每个状态周期为振荡周期的2倍（即 fosc经二分频）。每个状态又分为两拍： p1和p2 。 ,（3） 机器周期: 一个机器周期包含 6 个状态周期s1s6, 也就是 12 个振荡周期。一个机器周期中的12个振荡周期表示为： s1p1、s1p2、s2p1、s2p2、s6p2。 在一个机器周期内, cpu可以完成一个独立的操作。,（4） 指令周期: 它是指cpu执行一条指令所需的时间。 每条指令执行时间都需要一个或几个机器周期。mcs-51 系统中, 有单周期指令、双周期指令和四周期指令。,例:若振荡频率 fosc=12mhz，则mcs-51的振荡周期，状态周期，机器周期是多少？ 振荡周期(时钟周期)=1/12us 状态周期=2*(1/12 ) us 机器周期=12*(1/12) us=1us,复位时，pc初始化为0000h，使mcs-51单片机从程序存储器0000h单元开始执行程序。 除pc之外，复位操作还对其它一些寄存器有影响，见表2.3(p26)。 sp=07h ，p0-p3的引脚均为高电平。,（2）复位电路,(2)复位电路,单片机复位条件: 必须使rst引脚持续2微秒高电平(外部时钟12mhz),谁知道 复位电路怎么起到复位的作用?,单片机的工作过程,取指过程,例: mov a,#09h 74h 09h ;把09h送到累加器a中,执行过程,pc=,0000h,0 1 1 1 0 1 0 0,0 0 0 0 1 0 0 1,(pc),(pc),0001h,0002h,0000h,外部控制总线cb,取指过程,(pc),执行过程,你知道pc的作用吗？,8051最小应用系统,8031最小应用系统,1、cpu主要的组成部部分为( )。,b加法器，寄存器,c运算器,寄存器,d运算器，指令译码器,a运算器，控制器,课堂练习,2. 09h位所在的单元地址是（ ）,a 02h,c 08h,b 21h,d20h,课堂练习,3.单片机在进行取指令操作时，指令的地址是由（ ）的内容决定。,a sp,c dptr,d psen和ale,bpc,课堂练习,4. p0,p1口作输入用途之前必须( )。,a外接高电平,b外接上拉电阻,c相应端口先置0,d相应端口先置1,课堂练习,5.程序计数器pc用来( )。,a存放指令,b存放上一条的指令地址,d存放正在执行的指令地址,c存放下一条的指令地址,课堂练习,思 考 题,1. intel 8051 cpu是( c )位的单片机。 a 16 b4 c8 d.准16位 2. 对于intel 8031来说，/ea脚总是( a ) a.接地 b.接电源 c. 悬空 d.不用 3. 在单片机中，通常将一些中间计算结果放在( a ）中 a.累加器 b控制器 c. 程序存储器 d.数据存储器 4. 指令和程序是以( c )形式存放在程序存储器中。 a. 源程序 b. 汇编程序 c. 二进制编码 dbcd码 5. 单片机应用程序一般存放在( b )中。 a. ram brom c. 寄存器 dcpu 6. 单片机上电后或复位后，工作寄存器r0是在( a )。 a. 0区00h单元 b0区01h单元 c. 1区09h单元 dsfr,7. 进位标志cy在( c )中。 a. 累加器a b算术逻辑运算部件alu c程序状态字寄存器psw d. dpdr 8. 单片机8051的xtall和xtal2引脚是（ d ）引脚 a. 外接定时器 b外接串行口 c. 外接中断