第二章 MCS-51单片机的硬件结构与工作原理.ppt

第二章 mcs-51 单片机的硬件结构 与工作原理,2.1 mcs-51单片机的片内结构 2.2 mcs-51的封装与引脚 2.3 mcs-51单片机的cpu 2.4 mcs-51存储器的结构 2.5 复位电路 2.6 时钟电路 2.7 mcs-51单片机最小系统,2.1 mcs-51单片机的片内结构,mcs-51单片机的组成部件：微处理器（cpu）、数据存储器（ram）、程序存储器（rom/eprom）、i/o并行口（p0口、p1口、p2口、p3口）、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存（sfr） mcs-51单片机片内结构图,结构特点：单一总线连接，cpu加外围芯片的传统结构模式，采用sfr对各功能部件进行集中控制。,各功能部件说明：,1.数据存储器（ram）：片内有128个字节（单元），片外最多可外扩至64k字节。 2. 程序存储器（rom/eprom/eeprom）：8031无此部件；8051为4k rom；8751为4k eprom。片外最多可外扩至64k字节。 3.中断系统：具有5个中断源，2级中断优先权。 4.定时器/计数器：2个16位的定时器/计数器，具有四种工作方式。,精确定时、对外部事件计数的需要 、,mcs-51 cpu中的位处理器，是一个完整的1位微计算机，它有自己的cpu、位寄存器、i/o口和指令集。这个1位机在开关决策、逻辑电路仿真 、工业控制方面很有效；而8位机在数据采集、运算处理有优势。二者相辅相成，是单片机技术上的1个突破。,返回,2.2 mcs-51单片机的封装与引脚,制造工艺为chmos的80c51/80c31除采用dip封装外，还采用方形封装方式，为44只引脚。,制造工艺为hmos的mcs-51的单片机都采用40只引脚的双列直插封装(dip）方式，目前大多数为此类封装方式。,2.2.1 mcs-51单片机的封装形式,3.i/o口引脚： p0、p1、p2、p3为4个8位i/o口的外部引脚.,40只引脚按其功能来分，可分为三部分：,1.电源及时钟引脚： vcc、vss；xtal1、xtal2,2.2.1 电源及时钟引脚,电源引脚 : vcc（40脚）：5v电源； vss（20脚）：接地。,(2) 时钟引脚: 时钟引脚外接晶体与片内的反相放大器构成了一个振荡器，它提供单片机的时钟控制信号。时钟引脚也可外接晶体振荡器。,xtal2（18脚）：在单片机内部，接至内部反相放大器的输出端。当采用外接晶体振荡器时，该引脚应悬空。,xtal1（19脚）：在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端。这个放大器构成片内振荡器。当采用外接晶体振荡器时，此引脚应接收振荡器的信号。,内部时钟方式,机器周期、指令周期与指令时序,ale,时钟,一个机器周期=12时钟周期,机器周期、指令周期与指令时序,ale,时钟,一个机器周期=12时钟周期,指令周期：,定义：执行一条指令所需时间。,指执行令所需时间：14机器周期。,fosc=6mhz，,fcy=fosc/12，tcy=2us；,fosc=12mhz，,fcy=fosc/12，tcy=1us,2.2.2 控制引脚,rst/vpd（9脚） rst:单片刚接上电源时，其内部各寄存器处于随机状态，在此脚输入24个时钟周期宽度以上的高电平将使单片机复位。单片机正常工作时，此脚应为0.5v低电平。 vpd:备用电源输入端。当vcc下降到低于规定的值，而vpd在其规定的电压范围内（50.5v）时，vpd就向内部ram提供备用电源以保持内部ram的数据。,ale引脚输出为地址锁存允许信号,当单片机上电工作 后,ale引脚不断输出正脉冲信号.,当访问片外ram存储器时，ale(地址锁存允许信号)输出脉冲的负跳沿用于16位地址的低8位锁存信号。,不访问片外存储器，ale端以时钟振荡器频率的1/6固定输出正脉冲。在访问外部数据存储器时（执行movx指令），ale会丢失一个ale脉冲。,prog为本引脚的第二功能,对于eprom型 单片机（8751），在eprom编程期间，此引脚用来输入编程脉冲。,思考：ale能用做时钟源或做定时吗，为什么？,vpp: 8751片内eprom固化编程时，用于施加较高的编程电压。,2.2.3 i/o口引脚,p0口：双向8位三态i/o口，此口为地址总线（低8位）及数据总线分时复用口，可带8个lsttl负载。 p1口：8位准双向i/o口，可带4个 lstttl负载。 p2口：8位准双向i/o口，与地址总线 （高8位）复用。 p3口：8位准双向i/o口，双功能复用口。,返回,2.3 mcs-51单片机的cpu,alu（算术逻辑运算单元）、位处理器、累加器a、寄存器b暂存器以及程序状态字寄存器psw和bcd码修正电路。,实现数据的算术、逻辑运算，位变量处理和数据传输。,2.3.1 mcs-51单片机cpu的组成,、运算器 包含部件：,功能：,1) alu,增加不经过累加器a的传送指令，既可以加快数据的传送速度，同时又可减少“瓶颈”现象的发生。,数据存送大都通过通过a，易形成“瓶颈”。,2)累加器a（acc）,8位的累加器，也是cpu中使用最频繁的 寄存器。它的进位标志cy是特殊的，因为 它同时是位处理器的一位累加器。,思考：如何减少“瓶颈”现象的发生？,是为执行乘法和除法操作设置的，在不执行乘法、除法操作的情况下，可作普通寄存器使用。 乘法：a、b存放乘数和被乘数，乘积存放在ba寄存器对中。b中放乘积的高8位，a中放乘积的低8位。 除法: 被除数取自a,除数取自b，商存放在a,余数存放于b。,3)寄存器b,4) 程序状态寄存器psw（program status word）,8位可读写的寄存器。其各位的定义如下：,1)cy:,进位标志位.,在执行算数和逻辑指令时，有进位/借位时，cy=1，否则cy=0. 在位处理器中，它是位累加器。,2)ac：,辅助进位标志位,当进行加法或减法操作而产生由低4位进位或借位时，ac被硬件置1，否则被清除。,3) f0：,用户设定标志位,4)rs1、rs0:,4组工作寄存器区选择控制位1和位0.这两位用来选择片内ram区中的4组工作寄存器区中的哪一组为当前工作寄存器，对应关系如下：,ov（psw.2）溢出标志位:当执行算术指令时，由硬件置1或清0，以指示是否溢出。 p（psw.0）奇偶标志位:每个指令周期都由硬件来置位或清除，以表示累加器a中值为1的位数的奇偶数。 p=1，则a中1的个数为奇数。 p=0，则a中1的个数为偶数。 此标志位对串行口通讯中的数据传输有重要的意义，常用奇偶检验的方法来检验数据传输的可靠性。,(a)=10101011 p=1还是0?,2.3.2 控制器,控制器是单片机的神经中枢。单片机执行指令是在控制器下进行的。 一条指令的执行过程： 取指令分析指令（指令译码）执行指令 包含部件：指令部件、时序部件和微操作控制部件。,指令部件介绍,程序计数器pc pc中存放的内容：下一条将要执行的指令在程序存储器中的地址。 pc的位数决定了单片机对程序存储器可以直接寻址的范围。 思考：mcs-51系列单片机，寻址范围是多少？,pc是一个16位的计数器，所以寻址范围为64kb(216=65536).,程序计数器的基本工作方式： （1）顺序执行时，pc自动加1。 （2）执行转移指令时，pc被置入新值，从而使程序流向改变。 （3）执行子程序调用或响应中断时，单片机自动完成下列操作： pc的现行值（断点值），自动压入堆栈。 将子程序入口地址或中断向量的地址送入pc,程序改变流向，转向执行子程序或中断服务程序。执行完毕后，遇到ret或reti时，将堆栈中保存的断点值弹到pc中，程序又返回到断点处继续执行未完成的部分。,指令寄存器ir ir: 存放指令操作码。,控制器的功能可总结为：接受来自存储器的指令，进行指令译码，根据指令的性质控制单片机各功能部件，保证单片机各部分协调工作，完成指令做规定的各种操作。,cpu时序及时钟电路,单片机的时序就是cpu在执行指令时所需控制信号的时间顺序。单片机运行时是以主振频率为基准的，控制器控制cpu的时序，对指令进行译码，然后发出各种控制信号，将各个硬件环节组织在一起，这种严格的时序保证了各部件间的同步工作。 为了便于对cpu时序进行分析，我们将指令的执行过程规定了以下几种周期，即时钟周期、机器周期和指令周期。,1. 时钟周期(振荡周期) 时钟周期是计算机中最基本的、最小的时间单位。它定义为时钟脉冲频率的倒数。在80c51单片机中将一个时钟周期定义为1个节拍。 即 tosc = 1/f osc 若 f osc= 1 mhz, tosc = 1s 对于8051单片机而言，时钟频率范围是1.212 mhz。,2. 机器周期 一条指令的指令过程划分为若干个阶段，每一阶段完成一项基本操作，例如取指令、读存储器、写存储器等，我们将cpu完成这每一个基本操作所需的时间定义为机器周期。 每个机器周期（12个振荡周期）由6个状态周期组成，即s1、s2、s6，而每个状态周期由两个时相p1,p2组成（即为2个主振振荡周期）。所以一个机器周期可依次表示为s1p1、s1p2、s2p1、s2p2s6p1、s6p2。,从上图可以看到，一个机器周期中通常出现两次ale信号，即从rom中取两次操作码，读入指令寄存器，指令周期的执行开始于s1p1时刻，而总是结束于s6p2时刻 。 提示：访问片外数据存储器（movx）时，将会丢失1个ale脉冲。,3. 指令周期 定义：执行一条指令所需的时间。 mcs-51的指令周期一般只有12个机器周期，只有乘、 除两条指令占4个机器周期。当用12mhz晶体作主振频率时，执行一条指令的时间，也就是一个指令周期为1us、2us及4us。,返回,2.4 mcs-51存储器的结构,mcs-51单片机存储器采用的是哈佛结构，即程序存储器空间和数据存储器空间是分开的。,8051在物理结构上有 4个存储空间： 片内程序存储器 片外程序存储器 片内数据存储器 片外数据存储器,8051在逻辑结构（用户角度）有3个存储空间： 1.片内外统一编址的64k字节程序存储器地址空间（用16位地址）； 2.片内256字节ram； 3.片外64kbram,提示：访问不同的逻辑空间时，应采用不同的指令。 但是，为了对mcs-51的存储器讲述的更清楚，下面分五类加以介绍：程序存储器、内部数据存储器、特殊功能寄存器、位地址空间和外部数据存储器。,2.4.1 程序存储器,程序存储器用于存放应用程序和表格之类的固定常数。上一小节我们已经了解了由于程序计数器pc是16位的（地址总线为16根），所以程序存储器最多可扩展至64kb的。,(2)程序存储器的某些单元被固定用于各中断源的中断服务程序(isr-interrupt service routine)的入口地址。,2.4.2 内部数据存储器,mcs-51 ram在物理上和逻辑上分为两个地址空间。 片内ram：128字节，用mov指令访问。 （从广义上来说，应该有256b。） 片外ram：可扩展64k字节，用movx指令访问。,2.4.3 特殊功能寄存器（sfr）,sfr的实质是一些具有特殊功能的片内ram单元。个数的总数为21个，字节地址范围为80hffh。离散地分布在该区域中。其中有些sfr还可以进行位寻址。,在上述表中，打*sfr是可以位寻址的。我们可以发现一个规律，那就是其字节地址的末尾是0h或是8h(字节地址能被8整除)。,对于尚未定义的字节地址单元，用户不能作普通寄存器使用，若访问没有定义的单元，将得到一个不确定的随机数。,下面将简单介绍几个常用的sfr。 1. 堆栈指针sp sp是一个8位的sfr, 堆栈的实质是一个特殊的ram区，主要功能是暂放数据和地址。堆栈的具体功能为： （1） 保护断点：子程序调用以及中断时，最终都要返回主程序。为了保证程序能正确返回，应该在堆栈中预先将主程序的断点保护起来。 （2） 现场保护： 单片机执行子程序或isr之后，很可能要用到单片机中的一些寄存器，为了不破坏寄存器中的原有内容，可以把有关寄存器的内容保存起来，送入堆栈。,堆栈的特点： 先进后出。 堆栈的操作：进栈（push），出栈（pop）。第一个进栈的数据所在的单元称为栈底，然后逐次进栈，最后进栈的数据所在的存储单元称为栈顶。,堆栈的操作有两种方式： （1）指令方式，使用堆栈操作指令进行进栈/出栈操作。 （2） 自动方式，在调用子程序或产生中断时，返回地址（断点）自动进栈。程序返回时，断点地址再自动弹回pc。这种堆栈操作不需要干预，是通过硬件自动实现的。 提示：系统复位后,sp初始化为07h，使得堆栈事实上由08h开始。因为08h-1fh单元为工作寄存器区1-3, 20h-2fh为位寻址区，在程序设计很可能要用到这些区，所以用户在编程时最好把sp初值设为2fh或更大值，当然同时还要顾及其允许的深度。要防止设置不当，引起内部ram单元冲突。,2.数据指针dptr 16位的sfr，高位字节寄存器用dph表示，低位字节寄存器用dpl表示。dptr既可以作为1个16位寄存器dptr来用，也可以作为2个独立的8位寄存器dph和dpl来用。 3.i/o端口p0-p3 特殊功能寄存器p0-p3分别为i/o端口p0-p3的锁存器。 在mcs-51中，i/o端口和ram是统一编址的，所有访问ram单元的指令，都可用来访问i/o端口。 4.串行数据缓冲器sbuf 用于存放欲发送或已接受的数据，它在sfr块中只有一个字节地址，但是物理上是由两个独立的寄存器组成的，一个发送缓冲器，另一个是接收缓冲器。 5.定时器/计数器 mcs-51单片机有2个16位定时器/计数器t1和t0,它们各由2个独立的8位寄存器组成，共有4个独立的寄存器：th1、tl1、th0、tl0，可以分别对这4个寄存器进行字节寻址，但不能把t1或t0当作1个16位寄存器来寻址访问。,2.4.4 位地址空间,mcs-51有一个功能很强的位处理器，指令系统中有着丰富的位操作指令，这些指令构成了位处理机的指令机。 在ram和sfr中共有211个可寻址位的位地址 128位 20h-2fh 211个寻址位的位地址 83位 80h-ffh 可位寻址的sfr有11个，共有位地址88个,其中5个未使用，其余83位离散地分布在片内字节地址范围80h-ffh中。,mcs-51内部ram的可寻址位及其位地址表,2.4.5 外部数据存储器,当mcs-51片内的128b的ram不够用时，需要通过外扩存储器，最多可扩展64kb,这对许多应用场合已是足够使用的。,下面就mcs-51存储器的结构简要进行小结： 地址的重叠性 存在3处重叠性，但是尽管有这些重叠，却不会产生操作的混乱。这是因为mcs-51采用了不同的操作指令及ea的控制选择来自动区分这些重叠的空间。具体的区分方法： （1） 程序存储器和数据存储器全部