片机组成原理正式.ppt

第2章 MCS-51 单片机组成原理,2.1 MCS-51单片机的内部结构 2.2 CPU的结构 2.3 MCS-51单片机存储器 2.4 时钟电路及时序 2.5 输入/输出端口 2.6 MCS-51单片机的引脚功能 2.7 MCS-51单片机的工作方式,退出,2.1 MCS-51单片机的内部结构,8031芯片实照,2.1 MCS-51单片机的内部结构,MCS-51单片机外形是一个 40脚的双列直插式集成块,8031（无ROM） 51子系列 8051 （掩模ROM，RAM128B，4KBROM） 8751 （EPROM ，RAM128B，8KBROM ） 8032（无ROM） 52子系列 8052 （掩模ROM，RAM256B，2KBROM） 8752 （EPROM ，RAM256B，2KBROM ） 指令系统 51、52子系列相同部分 引脚,MCS-51单片机,6个中断源 3个定时器,5个中断源 2个定时器,2.1 MCS-51单片机的内部结构,MCS-51单片机的内部结构框图如图2.1所示,MCS51单片机的内部总体结构图,2.2 CPU的结构,CPU包括运算器和控制器二大部分。 2.2.1 运算器 功能：实现算术/逻辑运算及位操作运算。 组成： 1、算术逻辑部件ALU 2、累加器A 3、寄存器B 4、程序状态字寄存器PSW 5、十进制调整电路,CY（PSW.7）：进位标志位。在进行加法（或减法）运算时，若运算结果最高位有进位或借位，则CY自动置“1”，否则CY置“0”，在进行布尔操作运算时，CY（简称C）作为布尔处理器。 AC：辅助进位标志位。当进行加法或减法时，若低4位向高4位有进位（或借位）时，AC被置“1”，否则AC被置“0”。在十进制调整指令中AC还作为十进制调整的判别位。 F0：用户标志位。用户可用软件对F0位置“1”或清“0”以决定程序的流向。,OV：溢出标志位，当运算结果溢出时OV为“1”，否则为“0”，此标志位反映了运算结果是否溢出。 PSW.1：未定义位。 P（PSW.0）：奇偶标志位。MCS-51单片机采用的是偶校验。当累加器A中“1”的个数为奇数时，P置“1”，否则P置“0”。此位反映累加器A中内容“1”的奇偶性，它常常用于机间通信。 RS1、RS0：工作寄存器区选择位。用来选择当前工作的寄存器区。用户通过改变RS1 、RS0的内容来选择当前工作寄存器区。RS1、RS0的内容与工作寄存器区的对应关系如表2-1所示。,运算器控制器,2.2.2 控制器 1、指令寄存器IR和指令译码器ID。 指令寄存器是存放指令代码的地方。当执行指令时，CPU把从程序存储器中读取的指令代码送入指令寄存器，然后指令译码器译码后由定时控制电路发生相应的控制信号，最终完成指令所规定的操作。,2、程序计数器PC 程序计数器PC的功能与普通微机相同，它用来存放CPU执行的下一条指令的地址。当一条指令按照PC所指的地址从程序存储器中取出后，PC会自动加1，指向下一条指令。程序计数器PC是一个16位的寄存器，可寻址64KB的程序存储器空间。,3. 堆栈指针SP（81H）,8位的特殊功能寄存器,指数据只允许在其一端进出的一段存储空间。,特点：,SP,数据写入：入栈或压栈,数据读出：出栈或弹栈,原则：先入后出，后进先出,类型,指针指向栈顶,指针指向栈底,MCS-51,复位时，SP=07H，一般设置SP=30H或以上的空间,堆栈正落在工作寄存器1区，避免在切换工作寄存器区时发生冲突。,4. 数据指针寄存器DPTR（83H、82H）,数据指针DPTR,16位专用寄存器,高位字节：DPH，低位字节：DPL,2个独立的8位寄存器DPH和DPL使用,2.2.3 工作寄存器和特殊功能寄存器 1、工作寄存器 MCS-51有32个工作寄存器，分为四个区（或组）每个区为8个寄存器R0、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7，每一时刻只有一个区工作。由PSW寄存器中的RS1、RS0的值来决定当前的工作区： 当 RS1 RS000时，0区为工作区， RS1 RS001时，1区为工作区 RS1 RS010时，2区为工作区 RS1 RS011时，3区为工作区,这32个工作寄存器不但有它们的名称和区号，而且还有地址。00H-1FH共32个单元。 00H07H为0区，分别对应R0R7 08H0FH为1区，分别对应R0R7 10H17H为2区，分别对应R0R7 18H1FH为3区，分别对应R0R7,这32个单元为内部数据存储器（即片内RAM）的00H1FH存贮空间，这与普通微机中的通用寄存器基本相同，所不同的是，普通微机的通用寄存器只有名称，不占有RAM空间，因此只有名字，没有对应的地址；而MCS-51单片机的工作寄存器R0R7既可以用名字也可以用它的地址来表示。其中R0、R1寄存器除做工作寄存器外还常做间址寻址的地址指针。 2、特殊功能寄存器SFR（又称专用寄存器） 这21个特殊功能寄存器详情见表2-2。,这21个特殊功能寄存器中，有11个寄存器具有位寻址功能，即寄存器中的每位都具有位地址，可以按位寻址。11个寄存器的位地址如图2-3所示。,2.3 MCS-51单片机存储器,2.3 MCS-51单片机存储器,2.3.1 程序存储器 8051单片机内部有4KB的掩膜ROM、8751单片机内部有4KB的EPROM，而8031内部没有程序存储器，必须外接程序存储器。 2.3.2 数据存储器 MCS-51系列单片机数据存储器分内部数据存储器（即片内RAM）和外部数据存储器（即片外RAM）。 1、内部数据存储器,2、外部数据存储器 由于MCS-51子系列单片机内部数据存储器只有128个字节，往往不够用，这就需要扩展外部数据存储器，外部数据存储器最多可扩至64KB。,2.4 时钟电路及时序,2.4.1 时钟电路 1、内部方式时钟电路,30pF,OC门,2、外部方式时钟电路 2.4.2 时序 1、基本概念 （1）振荡周期 振荡周期指为单片机提供定时信号的振荡源的周期，即晶体振荡器直接产生的振荡信号的振荡周期。,（2）时钟周期 时钟周期是振荡周期的两倍。是对振荡器2分频的信号。时钟周期又称状态周期，用S来表示，一个时钟周期，分为两个节拍，P1和P2节拍。P1节拍通常完成算术逻辑操作，P2节拍通常完成内部寄存器间数据的传递。 （3）机器周期 一个机器周期由6个时钟周期组成，即S1S6，如果把一条指令的执行过程划分为几个基本操作，则完成一个基本操作所需的时间称为机器周期。 （4）指令周期 指令周期是执行一条指令所需的全部时间。MCS-51单片机的指令周期通常由14个机器周期组成。 2、几种典型的取指和执行时序,若外接晶振为12MHz时，则单片机的四个周期的具体值为： 时钟周期1/12MHz1/12s0.0833s 状态周期1/6s0.167s 机器周期1s 指令周期14s 可用于计算指令、程序的执行时间，以及定时器的定时时间,（1）单字节单周期指令 （2）双字节单周期指令 （3）单字节双周期指令 （4）访问外部数据存储器指令MOVX时序,丢掉,2.5 输入/输出端口,多路开关 功能：用于控制选通I/O方式还是地址/数据输出方式 方式控制：由内部控制信号产生,输入锁存器,两个输入缓冲器(BUF1和BUF2),推拉式I/O驱动器,2.5 输入输出端口,共有4个8位双向I/O口，共32口线。每位均有自己的锁存器(SFR)，输出驱动器和输入缓冲器。,2.5.1 P0口位图内部结构,5、P0R2为读引脚信号，执行“MOV A,P0”时该信号有效 6、读引脚（端口）时，输出锁存器应为“1”,说明： 1、当控制信号为0时，P0口做双向I/O口，为漏极开路（三态） 2、控制信号为1时，P0口为地址/数据复用总线（用于口扩展） 3、P0W为端口输出写信号，用于锁存输出状态 4、P0R1为读锁存器信号，执行“ANL P0,#0FH”时该信号有效,1,0,2.5.2 P1口内部结构,P1口内部结构如图2所示 输出部分有内部上拉电阻R*约为20K。 其他部分与P0端口使用相类似（读引脚时先写入1）。,写数据,读端口,2.5.3 P2口内部结构,2、当控制信号为1时 P2口输出地址信息， 此时单片机完成外部的取指操作或对外部数据存储器16位地址的读写操作。 3、当P2口作为普通I/O口使用时 用法和P1口类似。,说明： 1、P2可以作为通用的I/O，也可以作为高8位地址输出。,2.5.4 P3口内部结构,说明： 1、做普通端口使用时，第二功能应为“1”。,2、使用第二功能时，输出端口锁存器应为“1”。 3、变异功能（） P3.0 TXD P3.4 T0 P3.1 RXD P3.5 T1 P3.2 INT0 P3.6 WR P3.3 INT1 P3.7 RD,2.5.5 P0P3端口功能总结 使用中应注意的问题： P0P3口都是并行I/O口，但P0口和P2口还可用来构建数据总线和地址总线，所以电路中有一个MUX，进行转换。 而P1口和P3口无构建系统的数据总线和地址总线的功能，因此，无需转接开关MUX。 只有P0口是一个真正的双向口，P1P3口都是准双向口。 原因:P0口作数据总线使用时，为保证数据正确传送，需解决芯片内外的隔离问题，即只有在数据传送时芯片内外才接通；否则应处于隔离状态。为此，P0口的输出缓冲器应为三态门。 P3口具有第二功能。因此在P3口电路增加了第二功能控制逻辑。这是P3口与其它各口的不同之处。,2.5.5 P0P3口的负载能力及接口要求 P0口的输出级的每一位可驱动8个LSTTL门。P0口作通用I/O口时，由于输出级是开漏电路，故用它驱动NMOS电路时需外加上拉电阻；而作地址/数据总线时，无需外接上拉电阻。 P1口P3口的输出级的每一位可驱动4个LSTTL门。由于它们的输出级内部有上拉电阻，因此组成系统时无需外加上拉电阻。,2.6 MCS-51单片机的引脚功能,MCS-51单片机共有40个引脚。,2.6 单片机的引脚及其功能,MCS - 51单片机引脚及总线结构 (a) 管脚图； (b) 8031 引脚功能分类,2.7 MCS-51单片机的工作方