片微型计算机原理及结构.ppt

第二章 MCS_51单片机的结构原理,本章主要介绍MCS_51系列的8051的基本结构、工作原理、存储器结构、P0、P1、P2、P3四个I/O口的基本工作原理和操作特点。单片机的 各种工作方式、单片机的时序等。,2.1 概 述,MCS_51系列单片机是Intel公司于是1980年推出的高档8位机。由于其优秀的性能价格获得了广泛的应用，也成为我国单片机市场的主流产品。 目前广泛使用的MCS-51系列单片机有三个版本：8031、8051、8751。 8051：8位CPU、128B RAM、4KB ROM、23个特殊功能寄存器、4个8位并行口、1个全双工串行口、2个别16位定时/计数器。 8751：仅改进来8051的掩模式的4KB ROM为4KB的EPROM。 8031：较8051不包含ROM。严格说来，8031不是完全的单片机。 单片机的发展非常迅速，世界上一些著名的器件公司如Motorola公司、Zilog公司等也竞相推也新产品。1983年，Intel公司又推出了高性能的16位MCS-96系列单片机。 INTEL公司将MCS51的核心技术授权给了很多其它公司，所以有很多公司在做以8051为核心的单片机，当然，功能或多或少有些改变，以满足不同的需求，其中89C51就是这几年在我国非常流行的单片机，它是由美国ATMEL公司开发生产的。以后我们将用89C51来完成一系列的实验。,表2.1 MCS-51系列型号,2.2 MCS_51单片机内部结构及引脚,图 21 MCS-51单片机的基本结构,图 22 8051的内部结构框图,2.2.1 8051单片机的结构,1. 中央处理单元(8位CPU) 2. 只读存储器(4K ROM) 3. 随机存取存储器(128B/256B RAM) 4. 并行输入/输出口（32条）: P0口、 P1口、 P2口、 P3口 5. 串行输入/输出口（2条）: TXD RXD 6. 定时/计数器: T0 T1 7. 时钟电路为内部振荡器与外接晶振电路。 8. 中断系统有5个中断: INT0 INT1 TF0 TF1 TI/RI,2.2.2 MCS_51单片机外部引脚,掩模MOS制造工艺的MCS_51单片机都采用40脚 双列直插式封装（DIP）方式。下面分别叙述这40条 引脚的功能。 主电源引脚 .VSS(20脚)：接地； .VCC（40脚）：接+5V电源。 外接晶振引脚 .XTAL1（19脚）：接外部晶振的一个脚。 .XTAL2（18脚）：接外部晶振的一个引脚。 控制或复位引脚 .RST/VPD（9脚） .ALE/PROG(30脚) PSEN（29脚） EA/VPP（31脚） 输入/输出引脚 P0P3共4个输入/输出口，32个引脚，每个口为8根I/O线，它们的功能与使用将在本章程2.5节中详细介绍。,图2.3 MCS51引脚图,2.3 MCS_51单片机存储器配置,图2.4 8051存储器组织结构图,2.3.1 MCS_51的存储器结构,1物理上，分为4个存储空间：片内ROM、片外ROM、片外RAM（8031 无片内ROM）。 2逻辑上，分为3个空间：片内、片外同一程序存储器，片内随机存储 器，片外随机存储器。它们的编址方式太及可用于其上的指令如下。 程序存储器（片内、片外）统一编址，使用MOVC指令； 数据存储器（片内）统一编址，使用MOV指令； 数据存储器（片外）统一编址，使用MOVX指令。 3功能上，把存储器分为5种类型： 程序存储器，使用MOVC指令； 内部数据存储器，使用MOV指令； 外部数据存储器，使用MOVX指令； 特殊功能寄存器，使用MOV指令； 位地址空间，使用MOV、SETB、CLR等指令。,2.3.2 程序存储器,容量：可扩展到64KB。 寻址范围：0000HFFFFH，共64KB。EA=1，寻址内部ROM；EA=0，寻址外部ROM。 地址码长度：16位。 寻址方式：基址+变址寻址，如： MOVC A， A+DPTR MOVC A， A+PC 作用：存放程序及程序运行时所需的常数。 特征： （1）若无片内ROM（8031），64KB全部由外部ROM承担，主要存放处理程序及所需的常数。 （2）有7个单元具有特殊含义，它们是：0000H：系统复位后，PC=0000H，由0000H单元存放一条绝对 跳转指令，用户设计的程序由跳转后的地址存放；0003H：外部中断0的入口直址；000BH：定时器1的溢出中断入口地址；0013H：外部中断的入口地址；001BH：定时器1的溢出中断入口地址；0023H：串行口中断入口地址；002BH：定时器2溢出中断入口地址（8032、8052有）。 （3）访问外部程序存储器的信息传送通路：地址码由P0、P2口传送，控制信号由PSEN（读选通）接EPROM的OE，数据信息由P0接收。,2.3.3 内部数据存储器,51系列单片机的内部数据存储器在物理上分为两个区：00H7FH单元组成的低落128字节的RAM块和字节的SFR块。 寻址范围：00H7FH。 作用：作数据缓冲用。 特征： （1）00H1FH共32个单元作工作寄存器用，分为4个区，每个区8个单元，由PSW中的RS1、RS0确定当前工作区； （2）20H2FH为位寻址区，作为布尔处理机存储空间的一部分； （3）可在内部数据存储器中开辟一个堆栈区，堆栈深度小于128字节。,图2.5 RAM空间分配示意图,表2.3 PSW3、PSW4的含义,2.3.4 特殊功能寄存器SFR,寻址空间：80HFFH。 注意：在MCS-51中，只有22个专用寄存器，其中6个是双 字节寄存器。PC为程序计数器，在物理上独立，用于安放 下一条将要执行的指令的地址（程序存储器地址），是一 个16位专用寄存器，寻址范围为064KB，不属于内部数 据RAM的SFR块，共占用了26个字节。其中，SBUF有两个寄 存器。 所有特殊功能寄存器的地址分配和位地址分别如表2.4、 表2.5所示。,注：*可按字节和位寻址；+仅在8032/8052芯片中存在,表2.4 特殊功能寄存器SFR一缆表,算术运算寄存器,（1）累加器A（Accumulator） （2）B寄存器 （3）程序状态字PSW（Program Status Word）寄存器 . CY（PSW.7）(Carry0:进位/借位标志。 . AC（PSW.6）（Auxiliary Carry）辅助进位/借位标志。 . F0 (PSW.5)(Flag 0):标志0。 . RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）(Register Bank Select):寄存器区 选择控制位。 . OV（PSW.2）(Overflow):溢出标志。 . P (PSW.0)奇偶标志。,2. 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，为16位寄存器。系统初始化时，PC=0000H，可寻址范围64KB。 堆栈指针SP： 指明栈顶元素的地址，8位。可由软件设置初始值，系统复位时设置为07H。 堆栈： 堆栈是一个区域，主要用来保护断点和保护现场，这个区域本身没有任何特殊之处，就是内部RAM的一部份，特殊的是它存放和取用数据的方式，即所谓的先进后出，后进先出，并且堆栈有特殊的数据传输指令，即PUSH和POP，有一个特殊的专为其服务的单元，即堆栈指针SP，每当执一次PUSH指令时，SP就（在原来值的基础上）自动加1，每当执行一次POP指令，SP就（在原来值的基础上）自动减1。由于SP中的值可以用指令加以改变，所以只要在程序开始阶段更改了SP的值，就可以把堆栈设置在规定的内存单元中。 数据指针DPTR： 指明访问的数据存储器的单元地址，16位，可寻址范围64KB，由DPH，DPL组成。DPH，DPL也可单独作为8位寄存器使用。,3. 并行输入/输出端口,专用寄存器P0、P1、P2、P3分别是P0P3的锁存器,4. 串行输入/输出端口,串行数据缓冲器SBUF 用于存放发送或已接收的数据。 串行控制/状态寄存器SCON 控制监视串行口的工作状态。 电源控制寄存器PCON 用于控制单片机的低功耗工作方式及波特率的选择。,5. 中断系统,中断优先级寄存器 IP (Interrupt Priority)： MCS_51的中断分为2个优先级，由IP设定各个中断源的优先级。 中断允许寄存器 IE (Interrupt Enable)： 用于各个中断源的允许和屏蔽设置。,6. 定时/计数器,定时器方式寄存器TMOD： 用于设定定时器的工作方式。 定时器控制寄存器TCON： 其各位用于对定时器和外部中断进行控制。 计数寄存器TH0、TH1、TL0、TL1： 用于设定定时/计数器的初值。TH0、TL0为一组，TH1、TL1为一组,2.3.5 位地址空间,内部RAM低128B中的20H2FH单元，共128位 位地址表示方法： 例：20H.1或 21H表示同一位。 内部RAM高128B SFR块中的带*的专用寄存器 位地址表示方法： 例：Acc.1或0E1H表示同一位 P0.5或85H表示同一位,内部RAM低128B中位地址区,位地址表示为： 61H 2CH.1,2.3.6 外部数据存储器,容量最大可扩展到64KB； 寻址范围：0000HFFFFH； 寻址方式：间接寻址。可用R0、R1及DPTR作为间址寄存器。P0、P2送地址码，P0接收或发送数据。 例：MOVX A,R1 MOVX A,DPTR,2.4 MCS_51单片机的时序,什么是单片机的时序？ 单片机执行的每一条指令都可以分解为若干基本的微操作，而这些微操作在时间上都有严格的先后次序，这些次序就是单片机的时序。 单片机的时序是怎样决定的？ 单片机振荡电路的振荡周期和时钟电路的时钟周期决定了CPU的时序。,2.4.1 时钟的基本概念,指令周期：从取指开始到指令执行完毕所需要的时间叫做一个指令周期。在MCS_51中，指令的长度为13字节，单字节和双字节指令都可能是单周期和双周期的，3字节指令都是双周期的，乘除法指令为4周期指令。 机器周期：是机器的基本操作周期。一个指令周期至少包含一个机器周期。 状态周期：一个机器周期分成6个状态周期。由P1、P2两个脉冲组成。 时钟周期：即振荡周期，是指为单片机提供定时信号的振荡源的波形周期。一个机器周期=2个状态周期=12个振荡周期。,2.4.2 典型指令的取指/执行时序,图 2.6 MCS-51的取指/执行时序,2.4.3 MCS_51单片机的时钟电路,内部方式：与作为反馈元件的片外晶体一起组成自激振荡器。 外部方式：外部振荡器的接法与芯片的类型有关。,图 2.7 MCS-51时钟接法,2.4.4 单片机复位状态及复位电路,图 2.8 复位电路,(d) 单片机复位结构,表2.8 单片机复位状态,2.5 并行I/O端口,MCS_51有4 个并行口，共同32根I/O线，四个端口都是双向口。每个I/O口包含一个锁存器、一个输出驱动器和一个输入缓冲器。,图 29 P0口的位结构,2.5.1 P0口,P0口做地址/数据总线口，又可做通用I/O口； P0口即可位寻址，又可字节寻址； P0口做地址/数据总线口时，是一个真正的双向口；做通用I/O口时，只是一个准双向口； P0口做地址总线口时，与P2口配合，送出16位地址，P0口送低8位，P2口送高8位； P0口作输入口时，先向口写“1”，以免错读引脚上的信息；,图 210 P1口的位结构,2.5.2 P1口,P1口只能作通用I/O口，无地址/数据功能； P1口可按字节寻址，也可位寻址； P1口作输入口时，先将锁存器写1，使T1截止以便信息正常输入； P1口是标准的准双向口。,图 211 P2口的结构图,2.5.3 P2口,P2口作地址线时，输出高8位地址； P2口作通用I/O口时，是准双向口； P2口输入数据时，先向锁存器写1。,图 212 P3口的结构图,2.5.4 P3口,表格 23 P3口的第二功能表,26 单片机最小系统,最小系统（老三件） 一个最小的单片机微机系统由三片集成块组成,它们是CPU(8031)、8位3态D锁存器74LS373、ROM或RAM。习惯上将这三样称作老三件。当然有了这三件单片机还是不能工作，还要加上一个时钟电路和复位电路，由这些基本电路组成一个完整的最小系统，见图2-13，该电路可提供P1口、P3口作为用户的输入、输出口（I/O），在图2-13中，最多可接16个指示灯，作为一个实用彩灯控制器产品。,2.6.1 8031最小系统,图2-13 8031 最小系统,8位3态D锁存器74LS373的使用方法,一般的集成块生产厂家都提供全套集成块的使用说明书，说明书中主要包括该集成块的特点、逻辑图和引脚功能图、特性和电参数、工作原理和典型应用。下面是373的使用方法，图2-14为说明书中提供的引脚图和功能表。 引脚图中Dn-输入端；Qn-输出端；、LE为控制端，该片如何工作由功能表定，表中L为低电平、H为高电平、Z为高阻抗（相当开路）为任意电平，一般将 接低电平，LE接ALE就能正常工作。,图2-14 74LS373引脚图和功能表,最小系统的解释,、分时使用的方法 硬件连接： P0口一路直接与2764的数据口线相连，一路通过373后与2764的低八位地址线相连。在物理上将数据信号通道和地址信号通道分开。工作时与软件配合分时传送数据信号和地址信号