80C51单片机内部结构和工作原理.pptVIP

第2章单片机结构及原理,单片机内部结构及原理简介（1）外部引脚功能（2）存储空间配置和功能并行I/O口（结构、工作原理及功能）时钟电路和复位电路单片机的工作方式单片机的工作过程,2-1内部结构和引脚功能,2.1.1内部结构与基本特性,（1）内部结构,运算器,控制器,内部程序存储器ROM：4KB的存储容量；内部数据存储器RAM：256B(128B的RAM+21B的SFR)；寄存器区：设有4个寄存器区，每一个区有R0-R7八个工作寄存器；8位并行输入输出端口：P0、P1、P2和P3；定时/计数器：2个16位的定时/计数器；,（2）MCS-51单片机基本特性,串口：全双工端口（RXD：接收端，TXD发送端）；中断系统：设有5个中断源；系统扩展能力：可外接64K的ROM和64KBRAM；堆栈：设在RAM单元中，可以浮动既通过堆栈指针SP来确定堆栈的位置布尔处理机：配合布尔运算的指令进行各种逻辑运算；指令系统：111条指令。,MCS-51系列芯片及制造工艺,2.1.2MCS-51单片机的引脚定义#3,（1）MCS-51单片机有两种封装形式：a.40脚的双列直插DIP封装；DualInlinePackageb.44脚的PLCC-PlasticLeadedChipCarrierc.其他的封装形式,封装形式,（2）MCS-51单片机的引脚功能,P1,P2,P3,P0,单片机的引脚说明（晶振端）#4,电源:VCC-芯片电源，接+5V/3.3V/2.7V；VSS-接地端；时钟:XTAL1、XTAL2-晶体振荡电路反相输入端和输出端。,1545pfx2,112MHz（MCS-51）024MHz（Atmel-89C）,XTAL1,XTAL2,也可以由XTAL1端接入外部时钟，此时应将XTAL2接地：,XTAL2,XTAL1,外部时钟,通常外接一个晶振两个电容,控制线:控制线共有4根，ALE/PROG:地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址PROG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。PSEN:外ROM读选通信号。RST/VPD:复位/备用电源。RST（Reset）功能：复位信号输入端。VPD功能：在Vcc掉电情况下，接备用电源。,RST（9脚）：在系统上电震荡器开始工作时，在内部加在此引脚上有一个两个时钟周期的高电平使单片机复位。但为了使系统复位可靠，建议外加一个上电复位电路，延长复位的时间。当单片机掉点时，此引脚可以接入备用电源向单片机内部的RAM供电，以防止RAM中的数据丢失。注意：在复位状态下：所有SFR的内容全变为“0”，端口输出“1”。RAM内容不变。,(a),单片机,锁存器74LS373,P0.0-P0.7,ALE,PSEN,P2.0-P2.4,8D,8Q,OE,A8-A12,A0-A7,D0-D7,G,EA,OE,CE,EPROM,单片机的引脚（PSEN端）,PSEN：寻址外部程序存储器时选通外部EPROM的读控制端（OE）低有效。,EPROM,EA/Vpp:内外ROM选择/片内EPROM编程电源。EA功能：内外ROM选择端。80C51单片机ROM寻址范围为64KB，其中4KB在片内，60KB在片外(80C31芯片无内ROM，全部在片外)。当EA保持高电平时，先访问内ROM，但当PC(程序计数器)值超过4KB(0FFFH)时，将自动转向执行外ROM中的程序。当EA保持低电平时，则只访问外ROM，不管芯片内有否内ROM。对80C31芯片，片内无ROM，因此EA必须接地。Vpp功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。,I/O线80C51共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。,P3.0RXD：串行口输入端；P3.1TXD：串行口输出端；P3.2INT0：外部中断0请求输入端；P3.3INT1：外部中断1请求输入端；P3.4T0：定时/计数器0外部信号输入端；P3.5T1：定时/计数器1外部信号输入端；P3.6WR：外RAM写选通信号输出端；P3.7RD：外RAM读选通信号输出端。,80C51的存储器组织结构可以分为三个不同的存储空间，分别是：,64KB程序存储器(ROM),包括片内ROM和片外ROM；,256B内部数据存储器(内RAM)(包括特殊功能寄存器）。,64KB外部数据存储器（外RAM）；,2.1.280C51单片机存储器,80C51存储空间配置图,（1）MCS-51片内数据存储器,1.内部数据存储器RAM,（2）片内RAM低128B功能分配图,0区工作寄存器区结构图,RAM地址07H06H05H04H03H02H01H00H,返回上一次,（3）片内RAM（20H-2FH）位寻址区,2FH,20H,字节地址,位地址,字节地址和位地址是靠不同类型的指令来区分的。如：MOVA，20h；将RAM的20单元内容送累加器A；MOVC，20h；将RAM位寻址区中20H位送CY中。,2.片内RAM高128B,特殊功能寄存器SFR（21）特殊用途寄存器的集合。用来设定单片机内部各个部件的工作方式，存放相关部件的状态，定时器初值寄存器，并行端口的锁存器等。,特殊功能寄存器SFR（21页表2-4）,特殊功能寄存器SFR说明：,累加器A:最常用的专用寄存器,大多数的指令操作数都来自累加器A.所有的算术运算指令的运算结果都存放在A中.B寄存器:乘除法指令使用的寄存器.,数据指针DPTR:16位寄存器，高八位DPH和低八位DPL构成。SP堆栈指针：8位寄存器，用来指示堆栈的位置,可由软件修改。在MCS-51单片机的设计中，片内RAM区为堆栈的可用空间。上电或复位时，SP被初始化为07H，既堆栈底部被确定在RAM的07H单元。,程序状态字PSW:8位寄存器.CY(PSW.7)进位标志:在加减法运算中,累加器A的最高位A7有进位,则CY=1,否则CY=0.AC(PSW.6):辅助进位位:用来判断加减法运算时,低四位是否向高四位进位或借位(既A3的进位或借位).F0(PSW.5)用户标志位:完全由用户来定义和使用。RS1,RS0工作寄存器区选择位:,OV(PSW.2)溢出标志位:判断符号数加减法运算时是否有溢出.OV的结果可以用一个算法来表示:OV=CP异或CS其中:CP为A7的进位,CS为A6的进位OV=1表明有溢出。P(PSW.0)奇偶标志位:用来标志累加器A中运算后1的个数。当P=1时,表明A中1的个数为奇数个,反之为偶数个。,并行端口P0-P3：SFR中的P0-P3实际上就是I/O端口的数据锁存器。与RAM中的任意一个单元一样，P0-P3都有自己的RAM地址：80H、90H、A0H、B0H。所以，在51单片机中的输入、输出操作实际上就是个普通的RAM单元操作一样：,执行调用子程序或发生中断时，CPU会自动将当前PC值压入堆栈，将子程序入口地址或中断入口地址装入PC；子程序返回或中断返回时，恢复原有被压入堆栈的PC值，继续执行原顺序程序指令。,*程序计数器PC#5,PC不属于特殊功能寄存器，不可访问，在物理结构上是独立的。PC是一个16位的地址寄存器，用于存放将要从ROM中读出的下一字节指令码的地址，因此也称为地址指针。PC的基本工作方式有：,自动加1。CPU从ROM中每读一个字节，自动执行PC+1PC；,执行转移指令时，PC会根据该指令要求修改下一次读ROM新的地址；,FFFFH1000H,0FFFH0000H,3.程序存储器（ROM）,地址范围：0000HFFFFH，共64KB。其中:低段4KB：0000H0FFFH80C51和87C51在片内，80C31在片外。高段60KB：1000HFFFFH。在片外。读写ROM用MOVC指令，控制信号是PSEN和EA。读ROM是以程序计数器PC作为16位地址指针，依次读相应地址ROM中的指令和数据，每读一个字节，PC+1PC，这是CPU自动形成的。但是有些指令有修改PC的功能，例如转移类指令和MOVC指令，CPU将按修改后PC的16位地址读ROM。,读外ROM的过程：,CPU从PC(程序计数器)中取出当前ROM的16位地址，分别由P0口（低8位）和P2口（高8位）同时输出，ALE信号有效时由地址锁存器锁存低8位地址信号，地址锁存器输出的低8位地址信号和P2口输出的高8位地址信号同时加到外ROM16位地址输入端，当PSEN信号有效时，外ROM将相应地址存储单元中数据送至数据总线（P0口），CPU读入后存入指定单元。,需要指出的是:64KB中有一小段范围是80C51系统专用单元，0003H0023H是5个中断源中断服务程序入口地址(详见第5章)，用户不能安排其他内容。80C51复位后，PC=0000H，CPU从地址为0000H的ROM单元中读取指令和数据。从0000H到0003H只有3B，根本不可能安排一个完整的系统程序，而80C51又是依次读ROM字节的。因此，这3B只能用来安排一条跳转指令，跳转到其他合适的地址范围去执行真正的主程序。,4.外部数据存储器（外RAM）,地址范围：0000HFFFFH共64KB。,读写外RAM用MOVX指令，控制信号是P3口中的RD和WR。,一般情况下，只有在内RAM不能满足应用要求时，才外接RAM。,外RAM16位地址分别由P0口（低8位）和P2口（高8位）同时输出，ALE信号有效时由地址锁存器锁存低8位地址信号，地址锁存器输出的低8位地址信号和P2口输出的高8位地址信号同时加到外RAM16位地址输入端，当RD信号有效时，外RAM将相应地址存储单元中的数据送至数据总线（P0口），CPU读入后存入指定单元。,读外RAM的过程增加,写外RAM的过程：,写外RAM的过程与读外RAM的过程相同。只是控制信号不同，信号换成WR信号。当WR信号有效时，外RAM将数据总线（P0口分时传送）上的数据写入相应地址存储单元中。,2019/12/13,41,可编辑,2.2.1P0口,一、特点（1）在作为通用数据I/O端口时,具有较强的驱动能力(8个TTL负载),与MOS负载连接时,需要外接一个上拉电阻。（2）作为“地址、数据复用总线”使用时,P0口首先输出外部存储器的低八位地址,然后再变为数据总线进行数据的输入或输出.此时，P0口不能再作为通用I/O口。,2.2并行的I/O端口,P0口的位结构图,返回,返回前一次,上拉电阻,读引脚,与外电路连接,2,1,D,Q,CK,/Q,读引脚,读锁存器,写锁存器,内部总线,地址/数据,控制,引脚P0.X,3,4,0,0,1,0,0,截止,截止,=0,Vcc,P0用作通用I/O时，控制=0：此脚作输出口时，当P0口用作输出口时，因输出级处于开漏状态，必须外接上拉电阻。,V2,V1,2,1,D,Q,CK,/Q,读引脚=0,读锁存器,写锁存器,内部总线,地址/数据,控制=1,引脚P0.X,3,4,1,0,1,1,=0,导通,截止,=0,Vcc,P0口用作地址/数据复用口，控制=1作地址/数据输出：输出地址/数据=0时,V1,V2,2,1,D,Q,CK,/Q,读引脚=1,读锁存器,写锁存器,内部总线,地址/数据,控制=0,引脚P0.X,3,4,Vcc,P0口用作地址/数据复用口作/数据输入：与P0用作通用I/O时输入时情况相同，CPU使V1、V2均截止，从引脚上输入的外部数据经缓冲器U2进入内部数据总线。,V1,V2,2,1,D,Q,CK,/Q,读引脚=1,读锁存器,写锁存器,内部总线,地址/数据,控制,引脚P0.X,3,4,0,0,1,0,0,截止,截止,=0,Vcc,二.使用P0口应注意的问题,1.在输入操作前,为了保证输入正确，必须先向端口写1；,V2,V1,2.做通用数据I/O端口时,输出级上端的FET处于截止状态,所以与MOS器件连接时,必须接“上拉电阻”,否则不能正确的输出高电平；3.“读引脚”与“读锁存器”是不同的两个数据通道。凡是“读修改写”的操作,CPU读的都是端口锁存器中的数据；4.为提高电路可靠性,端口引脚不要直接与三极管一类的器件直接连接,应加隔离电路或与三极管之间加一个电阻；,5负载的接法（增加的内容）,“拉电流”还是“灌电流”-与大电流负载连接(我们以美国ATMEL公司生产的AT8951为例)（1）使用灌电流的方式与电流较大的负载直接连接时,端口可以吸收约20mA的电流而保证端口电平不高于0.45V（见右上图）。（2）采用拉电流方式连接负载时，AT89C51所能提供“拉电流”仅仅为80A，否则输出的高电平会急剧下降.如果我们采用右下图的方式，向端口输出一个高电平去点亮LED，会发现，端口输出的电平不是“1”而是“0”！,Px.y,Vdd,Px.y,Vdd,Vdd,灌电流方式输出”0”点亮LED,拉电流方式输出高电平点亮LED,返回,单片机与继电器等大电流负载的接口,AT89C51的端口可以吸收约20mA的电流.对于继电器等大于20mA的负载,单片机可以采用右图的接法,用一个三极管来承担负载所需的大电流.若于负载电流易造成干扰单片机的环境,应采用右下图”光电隔离”的方式.其中:A、B两处没有任何电的联系.,返回,2.2.2P1口#6,上拉电阻,三态门,2.2.3P2口,返回上一次,应当注意的是：仅使用外部数据存储器时，P2口分两种情况：（1）仅仅使用256B的外部RAM时，既使用movxa,r0指令访问外部RAM，此时用8位的寄存器R0或R1作间址寄存器，这时P2口无用，所以在这种情况下，P2口仍然可以做通用I/O端口。（2）如果访问外部ROM或使用大于256BRAM时，P2口必须作为外存储器的高八位地址总线。如：movxa，DPTR；访问外部数据存储器movca，A+DPTR；访问外部程序存储器,上一页,返回,2.2.4P3口,返回,上拉电阻,2.3时钟电路和复位电路,2.3.1时钟电路,2.3.2时序,时钟周期（震荡周期）。,80C51振荡器产生的时钟脉冲频率的倒数，是最基本最小的定时信号。,状态周期,它是将时钟脉冲二分频后的脉冲信号。状态周期是时钟周期的两倍。状态周期又称S周期。在S周期内有两个时钟周期，即分为两拍，分别称为P1和P2,机器周期是6个状态周期、12个时钟周期。当时钟频率为12MHz时，机器周期为1S；当时钟频率为6MHz时，机器周期为2S。,(3)机器周期,80C51单片机工作的基本定时单位，简称机周。一个机器周期含有6个状态周期，分别为S1、S2、S6，每个状态周期有两拍，分别为S1P1、S1P2、S2P1、S2P2，S6P1、S6P2,（4）指令周期,指CPU执行一条指令占用的时间(用机器周期表示)。80C51执行各种指令时间是不一样的，可分为三类：单机周指令、双机周指令和四机周指令。其中单机周指令有64条，双机周指令有45条，四机周指令只有2条(乘法和除法指令)，无三机周指令。,图2-980C51的取指执行时序a)单字节单周期指令，例：INCAb)双字节单周期指令，例：ADDA，#datac)单字节双周期指令，例INCDPTRd)双字节双周期指令：例PHSHdirect,牢牢记住：振荡周期(时钟周期)=晶振频率fosc的倒数；1个机器周期=6个状态周期1个机器周期=12个时钟周期；1个指令周期=1、2、4个机器周期,2.3.3复位电路,80C51单片机的工作方式共有四种：复位方式；程序执行方式；节电方式；片内ROM编程（包括校验）方式。,2.4单片机的工作方式,2.4.1复位方式,复位条件RST引脚保持2个机器周期以上的高电平。实现复位操作，必须使RST引脚(9)保持两个机器周期以上的高电平。例如，若时钟频率为12MHz，每机周为1S，则只需持续2S以上时间的高电平；若时钟频率为6MHz，每个机器周期为2S，则需要持续4S以上时间的高电平。,2.复位后CPU状态,PC：0000HTMOD：00HAcc：00HTCON：00HB：00HTH0：00HPSW：00HTL0：00HSP：07HTH1：00HDPTR：0000HTL1：00HP0P3：FFHSCON：00HIP：00000BSBUF：不定IE：000000BPCON：00000B,2.4.2程序的执行方式,连续执行程序单步执行方式,2.4.3节电方式,待机(休闲)方式（Idle）掉电保护方式（PowerDown）,在Vcc=5V，fosc=12MHz条件下，正常工作时电流约20mA；待机(休闲)方式时电流约5mA；掉电保护方式时电流仅75A。,（1）SMOD：波特率倍增位。（2）GF1和GF0：通用标志位。由软件置、复位。（3）PD：掉电方式位。若PD=1，进入掉电工作方式。（4）IDL：待机方式位。若IDL=1，进入待机方式。如果PD和IDL同时为1，则进入掉电工作方式。复位时，PCON中所有定义位均为0。,待机（休闲）方式,待机（休闲）状态退出产生中断；复位。,待机（休闲）方式状态片内时钟仅向中断源提供，其余被阻断；PC、特殊功能寄存器和片内RAM状态保持不变；I/O引脚端口值保持原逻辑值；ALE、保持逻辑高电平；CPU不工作，但中断功能继续存在。,待机（休闲）状态进入只要使PCON中IDL位置1。,掉电保护方式,掉电保护状态退出,掉电保护方式状态,片内振荡器停振，所有功能部件停止工作；片内RAM数据信息保存不变；ALE、PSEN为低电平；Vcc可降至2V，但不能真正掉电。,掉电保护状态进入,只要使PCON中PD位置1。,唯一方法是硬件复位，复位后片内RAM数据不变，特殊功能寄存器内容按复位状态初始化。,2.5单片机的工作过程,1.取指令过程(代码74H，E0H，分别存于0000H和0001H)（1）0000H送片内地址寄存器；（2）PC的自动加1；（3）地址寄存器的内容送存储器；（4）发出读命令；（5）将单元的指令代码送指令寄存器。,2.执行指令（1）分析前面取得指令的代码，如取数指令；（2）0001送地址寄存器；（3）发出读命令；（4）单元内容送A;,2.680C51单片机最小系统,一、概述单片机最小系统就是能使单片机工作的最少的器件构成的系统，是大多数控制系统所必不可少的关键部分。二、组成与原理电路,单片机最小系统的构成框图,CPU,存储器,监控电路,单片机最小系统的原理图,51单片机的8个特殊引脚,Vcc,GND:电源端XTAL1,XTAL2:片内振荡电路输入、输出端RESET:复位端正脉冲有效（宽度8mS）EA/Vpp:寻址外部ROM控制端。低有效片内有ROM时应当接高电平。ALE/PROG:地址锁存允许控制端。PSEN：选通外部ROM的读(OE)控制端。低有效,小结,51单片机的4个8位的I/O口,P0.0P0.7:8位数据口