单片机原理与应用第二章MCS51的基本结构及工作原理.ppt

主要掌握,基本组成（内部资源） 存储器的配置 i/o口的应用功能 时序及电路 工作方式,第二讲 mcs-51系列单片机系统结构,第一节 mcs-51系列单片机的结构,/,8kb,8052,/,/,8032,52子系列,4kb,/,8751,/,4kb,8051,/,/,8031,51子系列,mcs-51,eprom,掩膜mos,存储器类型 单片机系列,mcs-51系列单片机是因特公司1980推出的高档8位机 分为二个子系列：,一 、基本组成框图(内部结构框图),内部各单元介绍（1）,1、中央处理单元cpu（8位） 用于数据处理、位操作（位测试、置位、复位） 2、只读存储器rom（4kb或8kb） 用于永久性存储应用程序，掩膜rom、eprom、 eeprom、flash memory(闪存) 3、随机存取存取器ram（128b/256b） 用于程序运行中存储工作变量和数据 4、并行输入/输出口 i / o（32线） 用作系统总线、扩展外存、i / o接口芯片 5、串行输入/输出口 uart （二线） 串行通信、扩展i / o接口芯片,内部各单元介绍（2）,6、定时/计数器 t（16位增量可编程） 它与cpu之间各自独立工作，当它计数满时向 cpu中断 7、时钟电路 fosc 分为内部振荡器、外接振荡电路 8、中断系统 五源中断、两级优先，可编程进行控制。,二 、8051单片机对外引脚,引脚分布如右图,芯片封装(footprint)样式,plcc44(chmos系列),dip(hmos系列),(1)电源引脚（2个）:vcc+5v,vssgnd (2)时钟和控制引脚(6个): xtal1,xtal2 rst/vpd (3)端口引脚(32个)： p0.0p0.7(p0口8个) p1.0p1.7(p1口8个) p2.0p2.7(p2口8个) p3.0p3.7(p3口8个),引脚分类和功能,时序电路及时序,时钟的产生： xtal1（19）、xtal（18）。 1、内部方式 与作为反馈元件的片外晶体或陶瓷谐振器一起组成 一个自激振荡器。 2、外部方式 cmos工艺的8031，其xtal1接外信号；xtal2 可悬空。hmos工艺的8031，其xtal2接外信号； xtal1接地。,采用外接晶振的时钟电路,复位引脚和复位电路,rst / vpd 当出现两个机器周期高电平时，单片机复位 。 复位后，p0 p3 输出高电平；sp寄存器为07h；其它寄存器全部清0；不影响ram状态。,其它控制引脚,ale / prog 地址锁存控制端 提供1/6 fosc振荡频率；为其内的eprom输入编程脉冲 psen 外部程序存储器的读选通信号端,= 1 时，访问内部程序存储器,即内rom,ea,/ vpp 内外rom选择端,= 0 时，只访问外部程序存储器,即外rom,对于8751单片机编程时，该端施加编程电压,输入/输出引脚,四个8位的i / o口，还兼作地址/数据线。,三总线的概念,地址总线 ab，p0口提供（a7 a0）； p2口提供（a15 a8），共16位。 数据总线 db，p0口提供（d7 d0），共8位。 控制总线 cb，ale 、 、 、 、 等。,mcs-51单片机系统三总线的构成,三、mcs-51单片机的存储器,5个独立的存储空间 片内/片外程序存储器64kb（00000ffffh） 128b的片内数据存储器（007fh） 128b特殊功能寄存器sfr（800ffh离散分布） 位寻址空间256位（位地址00h0ffh） 片外数据存储器64kb（00000ffffh）,存储器图示,数据存储器,（一）程序存储器空间,寻址范围：0000h - ffffh 容量64kb，即地址长度：16位,，寻址内部rom；,，寻址外部rom。,当pc值超过片内rom容量时会自动转向外部存储器空间。,作 用： 存放程序及程序运行时所需的常数。,复位入口地址和中断入口地址,0000h 系统复位，pc指向此处； 0003h 外部中断0入口 000bh t0溢出中断入口 0013h 外中断1入口 001bh t1溢出中断入口 0023h 串口中断入口 002bh t2溢出中断入口,（二）内部数据存储器存储器空间,物理上分为两大区域：00h 7fh即128b内ram区 80h ffh即sfr区。,位寻址区,位寻址区（20h2fh）16个字节。16*8=128位，每一位都有一个位地址，范围为：00h7fh，位地址区也可作为一般ram使用。,（三）特殊功能寄存器sfr(special function register),mcs-51单片机内共有22个特殊功能寄存器，包括pc等。 pc为程序计数器。它是一个双字节寄存器,寻址范围为: 0000h ffffh，即0 64kb。 特殊功能寄存器。其寻址空间：80h ffh 其中，51子系列有18个寄存器，占有21个字节； 52子系列有21个寄存器，占有26个字节。,51子系列sfr地址分配和位地址（1）,51子系列sfr地址分配和位地址（2）,+,+,说明,注意： 1、表中共有5个双字节寄存器。 2、pc也为双字节寄存器，但是不在80h ffh 范围内。 3、表中，凡地址能被8整除的寄存器都是可位 寻址的寄存器。,1算术运算寄存器,1、算术运算寄存器 （1）a累加器。 （2）bb寄存器，乘、除法运算用。 （3）psw程序状态字寄存器：包含程序运 行状态、信息。,2 程序状态字psw(program state word),cy 进位/借位标志；位累加器。 ac 辅助进/借位标志；用于十进制调整。 f0 用户定义标志位；软件置位/清零。 ov 溢出标志； 硬件置位/清零。 p 奇偶标志；a中1的个数为奇数 p = 1；否则 p = 0。 rs1、rs0 寄存器区选择控制位。 0 0 ： 0区 r0-r7 0 1 ： 1区 r0-r7 1 0 ： 2区 r0-r7 1 1 ： 3区 r0-r7,3 指针寄存器,程序计数器pc 指明即将执行的下一条指令的地址(程序存储器地址)，在物理上独立，复位时pc = 0000h。 堆栈指针sp 指明栈顶元素的地址，8位，可软件设置初值，复位时sp = 07h。 数据指针dptr dptr；指明访问的数据存储器的单元地址，16位，寻址范围64kb。 dptr = dph + dpl，也可单独使用。,4 输入/输出端口的寄存器,并行输入/输出端口 寄存器p0、p1、p2、p3实为相应端口锁存器。 串行输入/输出端口 （1）串行数据缓冲器 sbuf 是物理上独立的两个寄存器，共同使用一个地址 （99h）。 （2）串行控制/状态寄存器scon 控制监视串行口的工作状态 （3）电源控制寄存器pcon 控制单片机的低功耗工作方式及波特率选择。,5 中断系统和定时器的sfr,中断系统 （1）中断优先级寄存器ip：2级优先，可软件设定 （2）中断允许寄存器ie 定时/计数器 （1）定时器方式寄存器：tmod （2）定时器控制寄存器：tcon （3）计数寄存器：th0、tl0；th1、tl1。可用于设定计数初值。,（1）内部ram 20h-2fh共16个单元可按位寻 址128位。 （2）sfr 80h-ffh 51子系列，有11个寄存 器，83位；52子系列，有12个寄存器，93位。,（四）位寻址空间,（五）外部数据存储器空间,（1）容量最大扩展到64kb （2）寻址范围：0000h-ffffh （3）寻址方式：间接寻址可用r0，r1,dptr,三、 cpu时序,时钟的基本概念 启动单片机后，指令执行顺序：,时序图,机器周期和时钟周期（1）,以上是单周期单字节指令在执行过程中ale脉冲、取指 操作、执行操作等在时间上的先后关系。 时序的定义： 单片机内的各种操作都是在一系列脉冲控制下进行的，而各脉冲在时间上是有先后顺序的，这种顺序就称为时序。 执令周期：即从取指到执行完，所需时间。 不同机器指令周期不一样；即使相同机器，不同的 指令其指令周期也不一样。 机器周期：机器的基本操作周期。一个指令周期含若干机器周 期（单、双、四周期）,机器周期和时钟周期（2）,每个状态周期含两个振荡周期，即相位p1、p2。 振荡周期：由振荡时钟产生。 振荡周期tosc = 1/fosc 一个机器周期 = 12个振荡周期 = 121/fosc 。 例如，若fosc = 12mhz，则一个机器周期 = 1s。,状态周期：一个机器周期分6个状态周期si,单字节单周期指令 例：inc a,双字节单周期指令 例：add a，data,单字节双周期指令例：inc dptr,指令时序分析,当ale（ale信号为振荡频率6分频）正跳变时，对应单片机进行一次读指令操作。一个机器周期二次出现，在s1p2和s2p1及s4p2和s5p1期间。 有效宽度为一个状态。,（1）单字节单周期指令：inc a 只需进行一次读指令操作（指令只有一个字节），当第二个ale有效时，由于pc没有加1，读出的还是原指令。属于一次无效操作。,指令时序分析,（2）双字节单周期指令：add a，#data ale两次读操作都有效，第一次读操作码（指令第一字节），第二次读立即数（指令第二字节）。,（3）单字节双周期指令：inc dptr 两个机器周期共进行四次读指令操作，但其后三次的读操作都是无效的。,chmos型单片机的节电工作方式,chmos型单片机提供两种省电工作方式：空闲方式(等待方式)和掉电方式(停机方式),由pcon控制。,空闲方式,特点: cpu不工作，中断、串行口、定时器继续工作, 耗电1.75ma; (2) cpu现场(sp,pc,psw,acc)、ram和其他sfr保持不变，引脚保持进入空闲方式时状态，ale和psen*保持高电平。 进入方法：cpu执行置“1”pcon.0(idl)指令 如：mov pcon,#01h; idl1 退出方法： (1) 发生被允许的中断:内部硬件清除idl,响应中断执行服务程序。 (2) 硬件复位。rst引脚,掉电方式,特点： (1) 内部所有功能部件停止工作,内部ram和寄存器维持不变,耗电在550ua,vcc可以降至2v; (2) io引脚状态和相关的sfr内容对应,ale和psen*为低电平。 进入方法:cpu执行置“1”pcon.1(pd)指令 如：mov pcon,#02h; pd1 退出方法:硬件复位,复位后sfr内容被初始化,ram内容保持不变。,空闲方式的应用,假设有一个80c31数据采集系统在交流供电正常时完成所规定的全部功能，停电时只有80c31和外部ram依靠备用电池供电，要求系统的实时时钟继续工作，外部ram中的数据维持不变。 该系统的实时时钟由软件计时，t0产生1ms的定时中断，t0中断服务程序完成实时时钟计数及其它的定时操作，同时检测p10上的输入状态，若p10为低电平，则交流供电正常；若p10为高电平，则交流电将要停电或已经停电，这时置位gf0后返回。通常主程序是一个无限循环的程序，当查询到gf0为“1” 时激活空闲方式，该指令下面的程序为循环查询gf0的状态，以确定是否需要再次激活空闲方式。,空闲方式的应用,掉电方式的应用,若有一个80c31应用系统，停电时只需保持外部ram中的数据不变。硬件电路框图加一个交流上电的复位电路。在交流电恢复供电时产生个复位信号，使器件退出掉电方式。 系统软件定时查询p10的状态，当查询到停电时，置“1”pcon.1(pd)使器件进入掉电工作方式，直至交流