《片机的硬件结构》PPT课件.ppt

第三课,MCS-51 单片机的硬件结构,2.6 时钟电路与时序,2.7 复位操作和复位电路,复习,2.4 MCS-51存储器的结构(P18),2.3 MCS-51的CPU (P15),复习,1.MCS-51单片机有哪些逻辑部件 2.MCS-51存储器的结构 3.画出单片机存储器的配置图，并标出地址为5FH的单元可能的位置。,内部数据存储器 （a）,外部数据存储器 （b）,返回,MCS-51单片机存储器空间分配,2.4.3 数据存储器地址空间,一、用途及编址： 二、片外RAM： 三、片内RAM：,返回,一、用途及编址：,用途：用于存放运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等。, RAM，CPU在运行时能随时进行数据的写入和读出，但在关闭电源时，其所存储的信息将丢失。它用来存放暂时性的输入输出数据、运算的中间结果或用作堆栈。,片内RAM： 最大可寻址256个单元，它们又分为两部分： 低128字节(00H7FH)是真正的RAM区； 高128字节(80HFFH)为特殊功能寄存器(SFR)区。,片外RAM： 地址：0000HFFFFH,二、片外RAM：,当单片机内部的128B的RAM不够用时，则需外扩数据存储器。最多可外扩64KB的RAM或I/O口，用MOVX访问。,例如： MOV DPTR, #1234H MOVX A, DPTR,三、片内RAM：,片内RAM低128B为真正的RAM区，又分为 1.工作寄存器区 2. 位寻址区 3. 通用RAM区 要求：了解结构，熟悉寻址 片内RAM高128字节特殊功能寄存器(SFR) 要求：了解每一个SFR及其相应的位的的作用，熟悉寻址,低端32个字节分成4个工作寄存器组，每组8个单元。当前工作寄存器组的机制便于快速现场保护。,PSW的RS1、RS0 决定当前工作寄存器组号 寄存器0组 ：地址00H07H；（ RS1、RS0 ）=00 寄存器1组 ：地址08H0FH；（ RS1、RS0 ）=01 寄存器2组 ：地址10H17H；（ RS1、RS0 ）=10 寄存器3组 ：地址18H1FH。（ RS1、RS0 ）=11,1.工作寄存器区,例如: SETB RS1 CLR RS0 ;则选定2组 MOV A, R3 ;访问13H单元,2. 位寻址区,位寻址区之后的30H至7FH共80个字节为通用RAM区。这些单元可以作为数据缓冲器使用。这一区域的操作指令非常丰富，数据处理方便灵活。,在实际应用中，常需在RAM区设置堆栈。80C51的堆栈一般设在30H7FH的范围内。栈顶的位置由SP寄存器指示。复位时SP的初值为07H，在系统初始化时可以重新设置。,3. 通用RAM区,4. 80C51的特殊功能寄存器（SFR）,一、与运算器相关的寄存器（3个） 累加器ACC寄存器B程序状态字寄存器PSW 二、指针类寄存器（3个） 堆栈指针SP数据指针DPTR 三、与口相关的寄存器（4个） 并行I/O口P0、P1、P2、P3,89C51片内高128字节RAM中，有21个特殊功能寄存器(SFR)，它们离散地分布在80HFFH的RAM空间中。访问特殊功能寄存器只允许使用直接寻址方式。 这些特殊功能寄存器见图24。,特殊功能寄存器SFR的位置,(1) 累加器ACC(E0H),累加器ACC是89C51最常用、最忙碌的8位特殊功能寄存器，许多指令的操作数取自于ACC，许多运算中间结果也存放于ACC。在指令系统中用A作为累加器ACC的助记符。,(2) 寄存器B(F0H),在乘、除指令中，用到了8位寄存器B。乘法指令的两个操作数分别取自A和B，乘积存于B和A两个8位寄存器中。除法指令中，A中存放被除数，B中放除数，商存放于A，B中存放余数。 在其他指令中，B可作为一般通用寄存器或一个RAM单元使用。,(3) 程序状态寄存器PSW(D0H),PSW是一个8位特殊功能寄存器，它的各位包含了程序执行后的状态信息，供程序查询或判别之用。各位的含义及其格式如表26所列。,Cy（PSW.7）进位标志位 Ac(PSW.6) 辅助进位标志位，用于BCD码的十进制调整运算。 F0（PSW.5）用户使用的状态标志位。,RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）：4组工作寄存器区选择控制 位1和位0。 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。 PSW.1位: 保留位，未用 P(PSW.0)：奇偶标志位 P=1，A中“1”的个数为奇数 P=0，A中“1”的个数为偶数,CY(PSW.7)： 进位标志位。在执行加法(或减法)运算指令时，如果运算结果最高位(位7)向前有进位(或借位)，则CY位由硬件自动置1；如果运算结果最高位无进位(或借位)，则CY清0。CY也是89C51在进行位操作(布尔操作)时的位累加器，在指令中用C代替CY。 AC(PSW.6)： 半进位标志位，也称辅助进位标志。当执行加法(或减法)操作时，如果运算结果(和或差)的低半字节(位3)向高半字节有半进位(或借位)，则AC位将被硬件自动置1；否则AC被自动清0。 F0(PSW.5)： 用户标志位。用户可以根据自己的需要对F0位赋予一定的含义，由用户置位或复位，以作为软件标志。,RS0和RS1(PSW.3和PSW.4)： 工作寄存器组选择控制位。这两位的值可决定选择哪一组工作寄存器为当前工作寄存器组。通过用户用软件改变RS1和RS0值的组合，以切换当前选用的工作寄存器组。其组合关系如p17表所列。 89C51上电复位后，RS1=RS0=0，CPU自动选择第0组为当前工作寄存器组。 根据需要，可利用传送指令对PSW整字节操作或用位操作指令改变RS1和RS0的状态，以切换当前工作寄存器组。这样的设置为程序中保护现场提供了方便。,OV(PSW.2)： 溢出标志位 。当进行补码运算时，如有溢出，即当运算结果超出128127的范围时，OV位由硬件自动置1；无溢出时，OV=0。 PSW.1： 为保留位。89C51未用，89C52为F1用户标志位。 P(PSW.0)： 奇偶校验标志位。每条指令执行完后，该位始终跟踪指示累加器A中1的个数。如结果A中有奇数个1，则置P=1；否则P=0。常用于校验串行通信中的数据传送是否出错。,什么是溢出？,89C51在片内RAM中专门开辟出来一个区域，数据的存取是以“后进先出”的结构方式处理的，好像冲锋枪压入子弹。这种数据结构方式对于处理中断，调用子程序都非常方便。 堆栈的操作有两种： 一种叫数据压入(PUSH)，另一种叫数据弹出(POP)。,(4) 栈指针SP(81H),什么是堆栈？,89C51的堆栈指针SP为8位特殊功能寄存器，也是一个双向计数器。进栈时，SP内容自动增值，出栈时自动减值。存取信息必须按“后进先出”或“先进后出”的规则进行。 SP的内容可指向89C51片内00H7FH RAM的任何单元。系统复位后，SP初始化为07H，即指向07H的RAM单元。 MOV SP, #60H；将60H附近规划为堆栈区。,(4) 栈指针SP(81H),在右图中，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。,堆栈的压入与弹出,(4) 栈指针SP(81H),(5) 数据指针DPTR(83H，82H),DPTR是一个16位的特殊功能寄存器，其高位字节寄存器用DPH表示(地址83H)，低位字节寄存器用DPL表示(地址82H)。DPTR既可以作为一个16位寄存器来处理，也可以作为两个独立的8位寄存器DPH和DPL使用。 DPTR主要用于存放16位地址，以便对64 KB片外RAM作间接寻址。,(6) /端口P0P3(80H，90H，A0H，B0H),P0P3为4个8位特殊功能寄存器，分别是4个并行/端口的锁存器。它们都有字节地址，每一个口锁存器还有位地址，每一条/线均可独立用作输入或输出。 用作输出时，可以锁存数据；用作输入时，数据可以缓冲。,2.3 MCS-51的CPU,2.3.1 运算器,对操作数进行算术、逻辑运算和位操作。,构成： 8位ALU、累加器ACC(A)、寄存器B、PSW、布尔处理器以及2个8位暂存器,是ALU的输入之一，又是运算结果的存放单元。数据传送大多都通过累加器A。MCS-51增加了一部分可以不经过累加器的传送指令，即可加快数据的传送速度，又减少A的“瓶颈堵塞”现象。 A的进位标志Cy同时又是位处理机的位累加器。,(1) 算术逻辑运算单元ALU,(2) 累加器ACC,ALU 可以进行加减乘除等基本算术运算， 可以进行逻辑与、或、异或、循环、清零 可以进行位处理,(3)程序状态字寄存器PSW,2.3.2 控制器,组成：程序计数器PC（Program Counter）、指令寄存器IR（Instruction Register）、指令译码器ID（Instruction Decoder）、堆栈指针SP、数据指针DPTR、定时控制逻辑和振荡器OSC等电路。,功能：CPU根据PC中的地址将欲执行指令的指令码从存储器中取出，存放在IR中，ID对IR中的指令码进行译码，定时控制逻辑在OSC配合下对ID译码后的信号进行分时，以产生执行本条指令所需的全部信号。,程序计数器PC（Program Counter） 存放下一条要执行的指令在程序存储器中的地址。 基本工作方式： （1）程序计数器自动加1 （2）执行有条件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）执行子程序调用或中断调用时完成下列操作： PC的当前值保护 将子程序入口地址或中断向量的地址送入PC。,内部时钟 外部时钟,2.6 时钟电路与时序,2.6.1 时钟电路,80C51的时钟信号,一个机器周期包含12个晶荡周期,指令的执行时间称作指令周期 （单、双、四周期）,2.6.2 机器周期、指令周期与指令时序,单片机执行的指令的各种时序均与时钟周期有关,(1)、时钟周期（振荡周期） 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。； 例如：fosc=6MHz，Tosc=166.7ns。,(2)、机器周期 CPU完成一个基本操作所需的时间称为机器周期，可以作为一个时间单位，执行一条指令分为几个机器周期。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1个机器周期，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。,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（但要注意，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）,(3)、指令周期,(4)、指令时序,执行一条指令所需的时间。一个指令周期由14个机器周期组成，依据指令不同而不同。,2个机器周期中ALE信号有效4次，后3次读操作无效。,双周期指令时序,机器周期与ALE信号,在第二机器周期无读操作码的操作，而是进行外部数据存储器的寻址和数据选通 。ALE信号会出现非周期现象。,访问外部RAM的双周期指令时序,2.7 复位操作和复位电路,2.7.1 复位操作,单片机的初始化操作，摆脱死锁状态。 引脚RST加上大于2个机器周期的高电平就可使MCS-51复位。 复位时，PC初始化为0000H，使MCS-51单片机从0000H单元开始执行程序。 SP=07H ，P0-P3的引脚均为1（高电平）。 在复位有效期间，内部RAM的状态不受复位的影响。,2.7.2 复位电路,片内复位结构：,复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。 最简单的上电自动复位电路:,上电复位电路,按键手动复位，有电平方式和脉冲方式两种。 电平方式：,按键电平复位电路,两种实用的兼有上电复位与按钮复位的电路。,图（b）的电路能输出高、低两种电平的复位控制信号，以适应外围I/O接口芯片所要求的不同复位电平信号。 74LS122为单稳电路，实验表明，电容C的选择约为0.1F较好。,作业（2010-03-16） P37 :6, 9, 10, 11,12, 14,思考题与习题 1、80C51在功能、工艺、程序存储器的配置上有哪些种类？ 2、