片微型计算机的组成原理.ppt

第4章 单片机微型机的组成原理,4.1 微型计算机的结构及指令执行过程 4.2 MCS-51单片计算机的组成原理 4.3 MCS-51存储器配置 4.4 时钟电路及时序 4.5 输入输出端口 4.6 复位电路 4.7 MCS-51单片机的引脚功能,第一节 微型计算机的结构及指令执行过程,指令执行过程分为两个过程：取指令；分析执行指令,PC,指令,数据,程序计数器（PC）：PC是一个自动加1计数器（16位），它提供将要执行指令的地址。,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？,第一节 微型计算机的结构及指令执行过程,单片机将通用微计算机基本功能部件集成在一块芯片上构成的一种专用微计算机系统,单片机 = CPU+程序存储器+数据存储器+定时器/计数器+ 内外中断+可编程I/O+可编程全双工串行口+,第二节 MCS-51单片计算机的组成原理,80C51=(8位)CPU + 4KBROM +128BRAM + (216)T/C + (48)I/O + 1个UART +5个中断源,87C52,INTEL MCS-51系列单片机一览表,CPU（中央处理器，Central Processing Unit ）,CPU = 控制器 + 运算器,通用寄存器，也称为工作寄存器，总共有4组（区），每组（区）内有8个，分别命名为：R0，R2，R3，R4，R5，R6，R7。 MCS-51单片机每次只能选择一个通用寄存器组（区）进行工作。4个寄存器区的选择是由程序状态子PSW中RS0、RS1两位来控制。 被选择的通用寄存器组（区）称为当前通用寄存器组（区）。,一、寄存器,1 通用寄存器,（1）程序计数器（Program CounterPC）,指向ROM存储单元的地址指针,永远存放着下一条指令的地址 具有16位字长可寻址范围216（= 65536字节= 64KB） 具有自动加1功能顺序运行程序功能 具有可被指令修改功能跳转运行程序功能 复位时，PC值为0 复位后程序从0开始运行,2 专用寄存器,（2）累加器（ACCUMULATERA）,具有8位字长 是利用率最高的寄存器,存放操作数或中间运算结果的寄存器,（3）B寄存器（ Multiplication Register ）,具有8位字长 主要用在乘除法中,（4）程序状态字寄存器（Program State WordPSW）,具有8位字长 各位都具有特殊含义 状态信息通常自动形成，但也可用指令修改,存放程序运行过程中的各种状态信息的寄存器,CY（PSW.7）进位标志 在进行加或减运算时，如果操作结果最高位有进位或借位时，CY由硬件置“1”，否则清“0”。,用途：1、根据CY判断有无进位或借位； 2、在位操作中CY可作为位累加器用。,举例,AC（PSW.6）辅助进位标志 在进行加或减运算时，如果操作结果的低四位数向高四位产生进位或借位时，将由硬件置“1”，否则清“0”。,举例,用途：1、根据AC判断加减运算时有无半进位或半借位； 2、在BCD码调整运算中要用到AC标志,F0（PSW.5）和F1（PSW.1） 用户标志位 可作为用户自行定义的一个状态标志 举例 定义F0为门的开关状态， F0 = 0开；F0 = 1闭 定义F1为灯的开闭状态， F1 = 0开；F1 = 1闭,用途：在程序运行中判断门或灯的工作状态,RS1和 RS0（PSW.4和 PSW.3） 工作寄存器组指针 用途：用于指定CPU的当前工作寄存器组,OV（PSW.2） 溢出标志 在有符号数加减运算或无符号数乘除运算中若有异常结果，OV硬件置1，否则硬件清0。,用途：判断运算的结果是否正确，正确 = 0；出错 = 1,OV=C6Y C7Y=1 0=1,101111011100001011000011,正数的补码是它本身，负数的补码是 除符号位外每位求反，然后末尾加1,OV=C6Y C7Y=1 1=0,111010111001010010010101,运算出错,运算正确,举例,举例,P（PSW.0） 奇偶标志位 该位始终跟踪累加器A中含“1”个数的奇偶性 如果A中有奇数个“1”，则P置“1”，否则置“0”,举例 若A =1001 1111，则P=0 若A =1100 0001，则P=1,用途：用于串行通讯中的数据校验，判断是否存在传输错误。,堆栈是个特殊的存储区，主要功能是暂时存放数据和地址，通常用来保护断点和现场。它的特点是按照先进后出的原则存取数据，这里的进与出是指进栈与出栈操作。 SP中的8位二进制数就是堆栈顶部的地址值，术语称为“指向栈顶”。,（5）堆栈指针寄存器（Stack PointSP）,假若有8个RAM单元，每个单元都在其右面编有地址，栈顶由堆栈指针SP自动管理。每次进行压入或弹出操作以后，堆栈指针便自动调整以保持指示堆栈顶部的位置。这些操作可用图说明。,（6）其它专用寄存器 数据指针寄存器（Data Pointer DPTR）,具有16位字长，可寻址范围216（64KB） 具有可被指令修改功能可变更数据地址 可拆为2个8位的独立寄存器DPL和DPH,指向ROM或RAM存储单元的地址指针,第三节 MCS-51的存储器配置,计算机存储器地址空间的两种结构形式： 普林斯顿结构和哈佛结构。,RAM和ROM统一编址,RAM和ROM分别编址,80C51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,在逻辑上，即从用户使用的角度上，80C51有三个存储空间。,片内外统一编址的64 KB程序存储器地址空间 256 B片内数据存储器的地址空间 64KB片外数据存储器地址空间,用户角度看80C51存储器配置,由于三个空间的地址有重叠，所以在访问三个不同的逻辑空间时，应采用不同形式的指令（见指令系统），以产生不同的存储空间的选通信号。,下面分别叙述程序存储器和数据存储器的配置特点。,一、程序存储器,程序存储器用来存储编写好的程序和常数。 由于PC是16位的，因此51系列可以寻址64KB的程序存储器。 8051单片机内部有4KB的ROM，亦可外接最大64K的外部ROM，由EA引脚的电平来确定运行时选择从哪个ROM从读取程序。 8031无内部ROM，只能外接ROM 现在的绝大多数单片机均包含内部Flash ROM。,a） 同时使用片内和片外ROM b）ROM地址分布,当EA引脚接高电平（开关接A点）时，4 KB以内的地址在片内ROM，大于4KB的地址在片外ROM中（图中折线），两者共同构成64KB空间； 当EA引脚接低电平（开关接B点）时，片内ROM被禁用，全部64KB地址都在片外ROM中（图中直线）。,ROM的6个特殊存储器单元引导汇编程序跳转 0000H：复位后程序自动运行的首地址 0003H：外部中断0入口地址 000BH：定时器0溢出中断入口地址 0013H：外部中断1入口地址 001BH：定时器0溢出中断入口地址 0023H：串行口中断入口地址 程序一般应安排在0030H地址以后,二 内部数据存储器(RAM),作用：存放程序运行结果 字长：8位 数量：256B（80C51）,30H,低128B（ 00H7FH ）为普通RAM区 高128B （80HFFH）为特殊功能寄存器区,工作寄存器区（00H-1FH） 可位寻址区（20H-2FH） 用户RAM区（30H-7FH）,（1）内部数据寄存器（低128字节RAM区 ）,区共有32个字节单元（分4组每组8单元，工作寄存器R0R7） 任一时刻CPU只能选用一组工作寄存器为当前工作寄存器组,通过PSW的RS1和RS0标志位（工作寄存器组指针）进行设置,CPU复位后RS1和 RS0默认值为0，即默认第0组为当前工作寄存器组。,区共有16个字节单元（字节地址20H2FH），又可分为128个位单元（位地址00H 7FH）可以两种方式存取数据。,区共有80个字节单元（ 30H7FH），是用户RAM区。,此区可作为堆栈区和中间数据存储区使用。,【注意】：51单片机片内RAM中，区和区只能按字节进行数据存取操作，区则可按字节和位两种方式存取操作。,（2）专用寄存器（高128字节RAM区 ）,在80HFFH的高128字节RAM区中，离散地分布有21个特殊功能寄存器SFR（Spetial Function Register)，又称为特殊功能寄存器区。,30H,SFR是单片机内部资源的组织、管理单元,字节地址末位是0或8的SFR，都具有位地址。,三 外部数据存储器,外部数据存储器寻址空间为64K 只能间接寻址 R0，R1和DPTR为间接寻址寄存器。,CPU微操作必须在统一的时钟控制下才能正确进行。,一.时钟电路,内部时钟方式,微调电容: C1、C2 30pF 晶振：石英晶体封裝,80C51时钟振荡频率通常为612MHz,外部时钟方式,第四节 时钟电路及时序,时序是各种微操作动作在时间上的顺序关系,二. CPU时序,（1）时序的概念,时序关系：在时钟信号CL触发下，输出端Q电平具有跟随输入端D电平的功能，在没有CL触发时，D与Q端是信号隔离的数字锁存功能。,D触发器 逻辑符号,时序的定时单位共有4个参数： 拍（或振荡周期）P、状态周期（或时钟周期）S、机器周期、指令周期,一个状态（S）包含2个拍（P）; 一个机器周期由6个S或12个P组成； 一个指令周期约为14个机器周期。,（2）51单片机的取指/执行时序,CPU的指令都是按照时序要求设计的 每条指令的执行都是从S1P2开始的 每个机器周期最多可执行2个字节指令,（3）51单片机访问外部RAM时序,访问外部RAM的操作包括读操作和写操作，主要区别是利用不同的P3第二功能口。写操作时要用到WR输出命令，读操作时要用到RD输入命令。,第五节 输入输出端口（I/O口）,MCS-51单片机有4个8位的并行I/O端口，记作P0P3。 每个端口都包含一个同名的特殊功能寄存器，P0P3 。对并行IO口的控制是通过对同名特殊功能寄存器的控制实现的。,地址、数据和控制：三总线结构,1. P0口,P0.n = 1个锁存器 + 2个三态缓冲器 + 1个输出控制电路（非门 X+与门A+电子开关MUX）+1个输出驱动电路（场效应管V2 +V1）,P0口可作为通用I/O口实现输入/输出功能，也可作为单片机地址/数据线实现外设扩展功能。,漏极开路与上拉电阻的概念,封锁与门A0 地址/数据端与A输出无关,控制端=0MUX下通/Q与V1栅极直通,V2截止V1漏极开路,为使漏极开路的V1有效，必须通过外接上拉电阻与电源连通，上拉电阻的阻值一般为10k。,注意：P1、P2、P3口无需外接上拉电阻（已有内部上拉电阻）,P0口的通用IO口工作方式（控制端 = 0）,输出时： D端=1/Q=0V1截止P0.n=1 D端=0/Q/=1V1导通P0.n=0 读引脚时：P0.n读引脚三态门1内部总线（需要先写“1”） 读锁存器： Q端读锁存器三态门2内部总线,P0口的地址/数据分时复用方式（控制端=1）,“地址/数据” 端无条件输入/输出，是严格意义上的双向口 “地址/数据”方式下没有漏极开路问题，无需外接上拉电阻,2. P1口,P1.n = 1个锁存器 + 1个场效应管驱动器V + 2个三态门缓冲器,P1口包含P1.0P1.7共八个相同结构的电路,P1.0P1.7中的8个锁存器组合成1个SFRP1（90H）,P1口具有输出、读引脚、读锁存器三种通用IO口工作方式,输出时： D端=1/Q=0V截止P1.n=1 D端=0/Q=1V导通P1.n=0,V,2,1,读引脚时：P1.n读引脚三态门1内部总线,读锁存器时：Q端读锁存器三态门2内部总线,场效应管V的状态会影响P1.n的状态： 如V导通P1.n电平0（钳位） 读引脚可能出错,可见，P1口作为输入口时是有条件的（应先写1），而输出时无条件，因此，称P1口为准双向口。,V,为正确读出P1.n引脚电平，需设法在读引脚前先使V截止 令D=1/Q=0V截止读P1.n不会出错,3. P2口,P2.n = 1个锁存器 + 2个三态缓冲器 + 1个输出控制单元 + 1个输出驱动单元,V,P2口可以实现通用I/O口和地址输出口两种功能,输出时： D端=1Q端=1V截止P2.n=1 D端=0Q端=0V导通P2.n=0 读引脚时：P2.n读引脚三态门内部总线（需要先写“1”） 读锁存器： Q端读锁存器三态门内部总线,P2作为通用I/O口时（控制端=0）,V,输出时：地址端=1V截止P2.n=1 地址端=0V导通P2.n=0,P2作为地址输出口时（控制端=1）,V,4. P3口,P3.n = 1个锁存器 + 2个三态缓冲器 + 1个第二功能控制单元 + 1个输出驱动单元,P3口具有通用IO口工作方式 + 第二功能方式,输出时： D端=1Q=1V截止P1.n=1 D端=0Q=0V导通P1.n=0 读引脚时：P1.n读引脚三态门1内部总线（需先写1） 读锁存器时： Q端读锁存器三态门2内部总线,3,4,1,2,第二输入功能,V,第二输出功能 = “1” (与非门开锁),P3口的第二功能方式：,输出时：第二输出功能 = 1与非门输出0V截止P3.n=1 第二输出功能 = 0与非门输出1V导通P3.n=0 输入时：P3.n驱动门4第二输入功能（也需先使V截至）,D端 写 “1” (与非门开锁),3,4,1,2,第二输入功能,V,P3口第二功能定义,P0 P3并行口的基本用途,1、可作为并行IO输入通道（例如，按键/开关连接通道）,2、可作为并行IO输出通道（例如，数码管显示器连接通道）,3、可作为串行通信通道（例如，双机通讯的连接通道）,4、可作为外部设备的连接通道（例如，存储器扩展通道）,P0P3小结,1. 结构,第六节 复位电路,除P0P3、SP、SBUF外，其余寄存器的复位初值均为0,复位：使单片机恢复原始默认状态的操作。 复位条件：在RST/VPD引脚端出现两个机器周期以上的高电平（3V）状态。,复位方式,上电复位 按键复位 复合复位,80C51的40条引脚，可分为端口线、电源线和控制线三类。在绘制电路原理图时，经常采用元器件的逻辑符号，80C51逻辑符号如图所示。,第七节 MCS-51单片机的引脚功