《片机的组成原理》PPT课件.ppt

第2章单片机的组成原理,2.3存储器,2.2CPU,2.1MCS-51单片机的内部结构,2.4I/O接口,2.7复位电路,2.6振荡电路和时钟电路,2.5MCS-51单片机的引脚及功能,2.1MCS-51单片机的内部结构,单片微型计算机简称单片机把CPU、存储器（ROM/RAM)、I/O接口等部件制作在一块集成电路芯片中，构成一个完整的微型计算机。,一、MCS-51系列单片机简介,8031芯片不带ROM；8051芯片带4KBROM；8751芯片带4KBEPROM。,MCS-51系列单片机是美国Intel公司在1980年推出的高性能8位单片机，它主要包含51和52两个子系列。对于51子系列（基本型）：主要有8031、8051、8751三种机型，它们的指令系统与芯片引脚完全兼容，仅片内程序存储器有所不同：,对于52子系列（增强型）：有8032、8052、8752三种机型。52子系列与51子系列相比大部分相同，不同之处在于：片内数据存储器增至256字节（比51子系列增加1倍）；8032芯片不带ROM（与51子系列8031一样）；8052芯片带8KBROM（比51子系列8051增加1倍）；8752芯片带8KBEPROM（比51子系列8751增加1倍）；有3个16位定时器/计数器（比51子系列增加1个）；6个中断源（比51子系列增加1个）。本课程以51子系列的8051介绍MCS-51单片机的基本原理。,二、MCS-51系列单片机的内部结构,8051的主要硬件资源有：8位CPU；片内带振荡器，频率范围为212MHz；128字节片内数据存储器RAM；4KB片内程序存储器ROM；程序存储器的寻址范围为64KB；片外数据存储器RAM的寻址范围64KB；21个字节特殊功能寄存器SFR；4个8位的并行I/O接口：P0、P1、P2、P3；1个全双工的串行I/O接口，可多机通信；2个16位定时器/计数器：T0、T1；中断系统。,8031无,图8051单片机组成方框图,2.2CPU单片机的核心,MCS-51内部有一个功能强大的8位CPU。功能：完成运算和控制功能。,控制器,运算器,功能：负责算术运算和逻辑运算。,功能：是整个计算机硬件系统的指挥中心。负责指挥计算机系统有序正常地自动工作。,一、运算器,负责算术运算和逻辑运算。,B寄存器,累加器A,程序状态字（PSW）寄存器,算术逻辑部件ALU,十进制调整电路,布尔处理器,暂存器,1.算术逻辑部件ALU,主要完成加、减、乘、除等基本的算术运算以及逻辑“与”、“或”、“异或”、循环移位、求补、清零等逻辑运算。,运算器的核心部件,2.累加器Acc（简称为A）：,它是8位寄存器，是CPU中使用最频繁的寄存器。ALU进行运算时，数据绝大多数时候都来自于累加器Acc，运算结果也通常送回累加器Acc。,MOVA，#67HADDA，#58H,例：,把立即数67H送入累加器A。,把累加器A中的立即数67H与立即数58H相加，结果送回到累加器A中。,3.B寄存器（辅助寄存器）,它是8位寄存器。主要用于乘除运算。利用寄存器B和累加器A存放乘除运算结果。,MULAB,DIVAB,在乘法运算前，累加器A存放乘数，寄存器B存放被乘数；乘法运算完后，A存放乘积的低8位，B存放乘积的高8位。,在除法运算前，累加器A存放被除数，寄存器B存放除数；除法运算完后，A存放商，B存放余数。,4.程序状态字（PSW）,它是一个8位寄存器。它用于保存指令执行结果的状态，以供程序查询和判别。,PSW7PSW6PSW5PSW4PSW3PSW2PSW1PSW0,CY（或C）（PSW.7）：进位标志位。功能：1.存放算术运算的进位标志。在8位加法/减法运算时，若运算结果最高位D7有进位/借位，则CY=1，否则CY=0.例：二进制加法运算（字长为8位）11010111B+01100100B运算结果超出8位，产生进位，此时置位CY(即CY=1)，表示二进制加法运算产生进位。2.在布尔处理器中，C作为位累加器。半数以上的位操作指令与C有关。,AC（PSW.6）：辅助进位标志位。,F0（PSW.5）：用户标志位。由用户根据需要对其置位或复位，可作为用户自行定义的一个状态标志。,在8位加法/减法运算时，若运算结果低4位数向高4位数有进位/借位，则AC=1，否则清0。在BCD码运算，进行十进制调整要使用AC。,RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）：工作寄存器组选择位。可借软件置位或清零，以选定4个工作寄存器中的一个组投入工作。,OV（PSW.2）：溢出标志位。带符号数加、减法运算时由硬件置位或清零，以指示运算结果是否溢出。OV=1表示加减法运算的结果超出了累加器所能表示的带符号数（-128+127）的范围。在乘法运算中，OV=1，表示乘积超过255，即乘积分别存放于B和A中；OV=0，表示乘积只要从A中取得即可。在除法运算中，OV=1，表示除数为0，除法不能进行；OV=0，表示除数不为0，除法正常进行。,P（PSW.0）：奇偶标志位。若累加器A中1的个数为奇数，则P=1，若累加器A中1的个数为偶数，则P=0。此标志对串行通信的数据传输非常有用，通过奇偶校验可检验传输的可靠性。,【例】试分析下面指令执行后，累加器A、标志位CY、AC、OV、P的值？MOVA，#67HADDA，#58H,分析：第一条指令执行时把立即数67H送入累加器A；第二条指令执行时把累加器A中的立即数67H与立即数58H相加，结果送回到累加器A中。加法运算过程如下：,67H=01100111B58H=01011000B01100111B+01011000B10111111=0BFH则执行后累加器A中的值为0BFH，由相加过程得CY=0、AC=0、OV=1、P=1。,MCS-51系列单片机片内的CPU还是一个性能优异的位处理器（又叫布尔处理器），也就是说MCS-51实际上又含有一个完整的一位微型计算机。这个一位机有自已的CPU、位寄存器、位累加器、I/O接口和指令系统。它们组成了一个完整的、独立的而且功能很强的位处理单片机。这是MCS-51系列单片机的突出优点之一。MCS-51单片机对于位变量操作（布尔处理）有置位、清0、取反、测试转移、传送、逻辑与和逻辑或运算等等。,5.位（布尔）处理器,把8位微型计算机和1位微型计算机结合在一个芯片上，无疑是单片机的一个特色。,二、控制器,单片机的神经中枢。,它是单片机的控制中心，包括定时控制逻辑电路、指令寄存器IR、指令译码器ID、程序计数器PC、数据指针DPTR、堆栈指针SP以及信息传送控制部件等。CPU从ROM中取出的指令送到指令寄存器IR，然后在指令译码器ID中对指令进行译码，产生指令执行所需的各种控制信号，送到单片机内部的各功能部件，指挥各功能部件产生相应的操作，完成对应的功能。,它是一个16位寄存器。用于存放下一条要执行的指令地址，寻址范围达到64KB。PC有自动加1的功能，从而实现程序的顺序执行。可以通过转移、调用、返回等指令改变PC的内容，以实现程序的转移。,1.程序计数器PC,PC是维持单片机有秩序地执行程序的关键性寄存器。,2.数据指针DPTR,它是一个16位寄存器。它由高位字节DPH和低位字节DPL所组成。编程时，DPTR既可以按16位寄存器使用，也可以按两个8位寄存器分开使用。DPTR用于存放16位地址，可对外部数据存储器RAM64KB(0000HFFFFH)地址空间寻址。,它是一个8位寄存器。堆栈是指定存储器中一个按先进后出的原则组织的某一存储区域。,3.堆栈指针SP,在堆栈中数据信息的存入与取出过程好像货物堆放的过程，最后存放的货物堆放在顶部，因而最先取出。所以对堆栈操作的最大特点：“后进先出”或“先进后出”。,XYZ,堆栈的操作,PUSHPUSHPUSH,XYZ,入栈过程,POPZPOPYPOPX,X,Y,Z,出栈过程,先入后出后入先出,堆栈的两种操作即入栈和出栈，都是对堆栈的栈顶单元进行的。为了指示栈顶的地址，必须使用堆栈指针SP，SP寄存器的内容就是栈顶存储单元地址。MCS-51系列单片机的堆栈是向上生长型堆栈，即存入数据是从地址低端向高端延伸，取出数据是从地址高端向低端延伸。,其操作规则是：,2.3存储器,普林斯顿结构：程序和数据共用一个存储器逻辑空间，统一编址。,哈佛结构：程序与数据分为两个独立存储器逻辑空间，分开编址。,计算机的存储器结构有两种：,程序存储器(ROM)用于存放程序及表格常数。数据存储器(RAM)用于存放数据，运算的结果等。,MCS-51单片机存储器结构属于哈佛结构，即：程序存储器(ROM)和数据存储器(RAM)分开。,物理上,MCS-51有4个存储器空间：片内程序存储器片内数据存储器片外程序存储器片外数据存储器,80318751805189C51,256B（字节）,4K,64K,64K,逻辑上，MCS-51有3个存储器地址空间：片内外统一编址0000HFFFFH的64KB程序存储器地址空间256B片内数据存储器地址空间64KB片外数据存储器地址空间（地址：0000HFFFFH）,问题：,上述3个存储空间地址出现重叠现象，如何区分这3个不同的逻辑空间呢？,MCS-51的指令系统设计了不同的数据传送指令符号。CPU访问片内、片外ROM，指令用MOVC；CPU访问片内RAM，指令用MOV；CPU访问片外RAM，指令用MOVX。,思考：64KB的程序存储器和64KB的片外数据存储器地址空间都为0000HFFFFH，地址空间是重叠的，它们如何区分呢？方法一：MCS-51单片机是通过不同的控制信号来对片外数据存储器和程序存储器进行读、写的。片外数据存储器的读、写通过RD和WR信号来控制；程序存储器的读通过PSEN信号控制。方法二：通过用不同的指令来实现。片外数据存储器用MOVX指令；程序存储器用MOVC指令。,MCS-51单片机的程序存储器，从物理结构上分为片内程序存储器和片外程序存储器。,一、程序存储器,功能：存放程序和表格常数。程序存储器可通过MOVC指令访问。,64KB程序存储器地址空间中的最低4KB即0000H-0FFFH地址空间作为片内ROM和片外ROM公用地址，而1000H-FFFFH地址空间作为片外ROM专用。,对于片内程序存储器，在MCS-51系列单片机中，不同的芯片各不相同：8031没有片内ROM；8051有4KB片内ROM；8751有4KB片内EPROM。,CPU专门提供了一个控制信号EA区分片内ROM和片外ROM的公用地址空间（0000H-0FFFH）。,（1）8031无片内程序存储器：由于8031无片内程序存储器，工作时只能扩展外部ROM（最多可扩展64K，地址范围为0000HFFFFH），因此，端必须接低电平。（2）8051、8751有4KB片内ROM/EPROM：=0，访问外部程序存储器；=1，访问内部程序存储器（4KB），当程序计数器PC的值超过4KB范围时，CPU自动转向外部程序存储器执行程序。,0000H：系统的启动地址（系统复位后，单片机从0000H单元取指令开始执行程序）0003H：外部中断0入口地址000BH：定时器/计数器0中断入口地址0013H：外部中断1入口地址001BH：定时器/计数器1中断入口地址0023H：串行中断入口地址,程序存储器空间的6个特殊地址,程序存储器,程序存储器,内部,外部,(PC),程序存储器资源分布,中断入口地址,二、片内数据存储器（256字节）,低128字节单元(编址为00H7FH)：真正的RAM区,高128字节单元(编址为80HFFH)：特殊功能寄存器(SFR)的区域,1.片内RAM的低128字节单元（00H7FH）,工作寄存器区（00H1FH）：,RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）：寄存器组选择位。,有4组工作寄存器区，称为0组、1组、2组和3组，每组8个寄存器，分别依次用R0R7表示。用于暂存运算数据和中间结果。利用状态标志寄存器PSW的第3、4位即RS1、RS0来选择其中的一组寄存器工作区。,位寻址区（20H2FH）内部RAM20H2FH（16个字节单元）按字节寻址，作为一般的RAM使用。可以用于位寻址（16个字节，每字节8位，共16*8=128位，这128位每位都可以按位方式使用，每一位都有一个位地址，位地址范围为00H7FH）。举例：SETB0FH(21H.7)；置位0FH为“1”CLR0FH(21H.7)；置位0FH为“0”,表位地址单元地址分配表,数据缓冲区和堆栈区（30H7FH）,该区域共80个字节单元，作为用户的数据存储区域和堆栈存储区域。,堆栈是按先入后出、后入先出的原则进行管理的一段存储区域。,分为三个区域：工作寄存器区（00H1FH）4组寄存器区，0组3组。每组8个寄存单元（每单元8位），以R0R7作寄存单元名，用于暂存运算数据和中间结果。位寻址区（20H2FH）既可作一般RAM，也可位操作。共16个RAM单元，共128位，位地址为00H7FH。数据缓冲区和堆栈区（30H7FH）80个单元，用于存放数据，也可作为堆栈存储区。,用PSW中的两位PSW.4和PSW.3来选择其中一组寄存器区。,小结：片内RAM的低128字节单元,为专用寄存器提供的，故称之为专用寄存器区或特殊功能寄存器区，用于存放相应功能部件的控制命令、状态或数据。,2.片内RAM的高128字节单元（80HFFH）特殊功能寄存器(SFR)区,在片内RAM，8051有18个SFR，其中3个为双字节，共占用21个字节；其中11个SFR有位地址（仅83位有效）。,专用寄存器这类寄存器的功能已作专门的规定，也称为特殊功能寄存器（SFR）。,CPU专用寄存器：累加器A（E0H）、寄存器B（F0H）、程序状态寄存器PSW（D0H）、堆栈指针SP（81H）、数据指针DPTR（由2个8位的寄存器DPH和DPL组成）（82H、83H）。,并行接口：P0P3（80H、90H、A0H、B0H）。串行接口：串口控制寄存器SCON（98H）；串口数据缓冲器SBUF（99H）；电源控制寄存器PCON（87H）。,它们的分配情况如下：,定时/计数器：方式寄存器TMOD（89H）；控制寄存器TCON（88H）；初值寄存器TH0、TL0（8BH、8AH）/TH1、TL1（8DH、8CH）。中断系统：中断允许寄存器IE（A8H）；中断优先级寄存器IP（B8H）。,红色的表示有位地址,15个,6个,在表中，带有位名称或位地址的特殊功能寄存器，既能按字节方式处理，也能够按位方式处理。,三、片外数据存储器,当MCS-51单片机片内数据存储器（256字节）不够用时，可在外部扩展数据存储器，最多扩展64KB，地址范围为0000HFFFFH。,MCS-51的程序存储器与数据存储器是分开的（属于哈佛结构），地址空间重叠，最大可扩展到64KB。1、程序存储器ROM（1）8031内部无程序存储器由于8031无片内程序存储器，需外接，因此，端必须接低电平。（2）8051、8751内部有4KBROM/EPROM：=0，访问外部程序存储器；=1，访问内部程序存储器（4KB），当PC值超过0FFFH时，自动转向执行外部程序存储器中的程序。2、数据存储器RAM（1）内部RAM中256B，00HFFH；（2）外部RAM，可扩展至64KB，0000HFFFFH。,存储器小结,内部,外部,数据存储器,RAM,专用寄存器,内部RAM存储器,工作寄存器区选择位RS0、RS1,3、存储空间的区分：（1）内部程序存储器与数据存储器的区分；（2）外部程序存储器与数据存储器的区分；（3）内外数据存储器的区分。,存储空间的区分,MCS-51单片机有4个8位的并行I/O接口：P0、P1、P2和P3口。它们是特殊功能寄存器（SFR）中的4个。这4个口，既可以作输入，也可以作输出；既可按8位处理(字节)，也可按位方式使用。每个接口内部都有数据输出锁存器、数据输入缓冲器和输出驱动器，因此CPU数据从I/O口输出时可以得到锁存，输入时可以得到缓冲。,2.4I/O接口,一、P0口,功能：作为通用的I/O口使用；作为低8位地址数据分时复用口。,P0口是一个8位双向三态I/O接口。,P0的一位结构如图：,&,&,P0口的第二功能是在外部扩展存储器时，作低8位地址/数据总线分时复用口，而且绝大多数情况都是使用第二功能。作低8位地址/数据总线分时复用口，不需外接上拉电阻。,使用注意事项,作为通用I/O口（第一功能）时，是一个漏极开路电路，需外接上拉电阻。,已使用第二功能，就不能作通用I/O口。P0具有驱动8个LSTTL负载的能力。,P1口是8位准双向口，它作通用I/O接口使用。P1口的结构与P0口不同，它的输出只由一个场效应管T2与内部上拉电阻组成。P1作为输出口时不必像P0口那样再需要外接上拉电阻。P1口具有驱动4个LSTTL负载的能力。,二、P1口,三、P2口,P2口也是8位准双向口。功能：作通用I/O接口使用；作高8位地址输出口使用。,P2口的1位的结构如图，与P1口相比，它只在输出驱动电路上比P1口多了一个模拟转换开关MUX和反相器。P2口具有驱动4个LSTTL负载的能力。,功能：作通用I/O口使用；它的每一根线具有第二种功能。,四、P3口,P3口也是8位准双向口。,P3口1位的结构如图。它的输出驱动由与非门、场效应管T组成，输入比P0、P1、P2口多了一个缓冲器。P3口具有驱动4个LSTTL负载的能力。,I/O端口小结,P0口通常作为单片机的低8位地址/数据分时复用口，即构成地址线A0A7和数据总线（DB）用。P1口可给用户作为通用的I/O口使用。P2口一般作为高8位地址输出口，即构成地址线A8A15。P3口在以下的情况下都作为第二功能用：串行通信使用，外部中断使用，定时器/计数器使用，外部扩展RAM时使用读/写控制信号。除上述情况外，则可以当作通用I/O口使用。,P0P3在用作输入之前必须先写“1”，即：（P0）=FFH（P3）=FFH。P0口作地址/数据时，是真正的三态双向口，负载能力为8个LSTTL电路；P1P3是准双向口，负载能力为4个LSTTL电路。,2.5MCS-51单片机的引脚及功能,MCS-51单片机采用40引脚的双列直插封装（DIP）方式。,8051,40个引脚可分为4部分：,2个主电源引脚,2个外接晶体引脚,4个控制引脚,32个I/O引脚,1.2个主电源引脚：Vcc和VssVcc（40）：电源端，接5V电源。Vss（20）：接地端。,2.2个外接晶体引脚：XTAL1和XTAL2（19、18脚）,当使用单片机内部振荡电路时，这两个引脚用来外接石英晶体和微调电容，如图（a）。当采用外部时钟时，XTAL1接地，XTAL2接外来振荡信号，如图（b）。,（a）内部时钟方式（b）外部时钟方式,3.4个控制引脚：,（3）RST/VPD（9脚）：RST即为RESET复位信号，高电平有效。VPD为备用电源。VCC掉电期间，该引脚可接备用电源，以保持内部RAM的数据。,（4）EA/VPP（31脚）：有两个功能：,当采用8751单片机时，利用第二功能VPP（编程电源），外接21V的编程电源。,4.32个I/O引脚：P0、P1、P2和P3P0口（P0.0P0.7）（3932脚）：该端口为漏极开路型8位双向口。在接有片外存储器时，它为低8位地址和数据线的分时复用端口。P0口的驱动能力为8个LSTTL负载。P1口（P1.0P1.7）（18脚）：它是一个内部带上拉电阻的8位准双向I/O口，P1口的驱动能力为4个LSTTL负载。P2口（P2.0P2.7）（2128脚）：它为一个内部带上拉电阻的8位准双向I/O口，P2口的驱动能力也为4个LSTTL负载。在访问外部程序存储器时，它作存储器的高8位地址线。P3口（P3.0P3.7）（1017脚）：P3口同样是内部带上拉电阻的8位准双向I/O口，P3口除了作为一般的I/O口使用之外，还可以将每一位用于第二功能。,一地址总线(AB)地址总线宽度为16位，寻址范围都为64KB。由P0口经地址锁存器提供低8位地址（A7A0），P2口提供高8位地址（A15A8）而形成。可对片外程序存储器和片外数据存储器寻址。地址信号是由CPU发出的，故地址总线是单方向的。二数据总线(DB)数据总线宽度为8位，由P0口直接提供。三控制总线(CB)控制总线由第二功能状态下的P3口和4根独立的控制线RST、EA、ALE和PSEN组成。控制总线随时掌握各种部件的状态，并根据需要向有关部件发出命令。,片外总线结构,2.6振荡电路和时钟电路,一、时钟电路,MCS-51内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别为该放大器的输入端和输出端。MCS-51的时钟可由内部方式或外部方式产生。,图MCS-51内部方式时钟电路,图MCS-51外部方式时钟电路,1.机器周期和指令周期,机器周期：通常将完成一个基本操作所需的时间称