《片机基本原理》PPT课件.ppt

2020 1 9 第2章 单片机基本原理 2020 1 9 2 目录 51系列单片机简介51系列单片机结构原理51系列单片机外部引脚及片外总线51系列单片机的工作方式51系列单片机的时序 2020 1 9 3 2 151系列单片机简介 MCS 51有51 52子系列 51子系列中 主要有8031 8051 8751三种机型 其差异在于 8031内部无ROM 8051内部有4KBROM 8751内部有4KBEPROM 52子系列中 主要有8032 8052 8752三种机型 其差异在于 8032内部无ROM 8052内部有8KBROM 8752内部有8KBEPROM 2020 1 9 4 51子系列主要功能 8位CPU 128字节的内部RAM 4KB的内部ROM ROM和RAM的寻址空间为64KB 4个8位的并行I O口 P0 P3 1个全双工的异步串行口 2个16位C T 5个中断源 2个中断优先级 内部带振荡器 频率范围fosc 1 2 12MHz 2020 1 9 5 52子系列与51子系列的差异 片内RAM达256字节 片内ROM达8KB 16位的定时器 计数器增至3个 中断源增至6个 本课程以51子系列的8051为例介绍51系列单片机的内部结构 2020 1 9 6 目录 51系列单片机简介51系列单片机结构原理51系列单片机外部引脚及片外总线51系列单片机的工作方式51系列单片机的时序 2020 1 9 7 2 2 151系列单片机基本结构 时钟电路 RAM ROM CPU 定时 计数器 并行端口 中断系统 串行端口 片内总线 时钟源 T0T1 P0P1P2P3 TXDRXD INT0INT1 程序存储器 数据存储器 SFR 2020 1 9 8 2 2 251系列单片机内部结构框图 2020 1 9 9 2 2 3中央处理器CPU CPU CentralProcessingUnit 由运算部件和控制部件组成 运算部件以算术逻辑运算单元ALU为核心 包扩累加器ACC B寄存器 暂存器 标志寄存器PSW等部件 实现算术运算 逻辑运算 位运算 数据传输等处理 控制部件包括定时和控制电路 指令寄存器 指令译码器 程序计数器PC 堆栈指针SP 数据指针DPTR以及信息传送控制部件等 指令的执行步骤 取指 译码 执行 2020 1 9 10 运算部件 算术逻辑单元ALUArithmeticLogicUnit完成算术运算 逻辑运算 位运算 传输数据累加器ACC Accumulator 简称ACPU中使用最频繁的寄存器将数据送入累加器A 常代表将数据送入CPU寄存器B乘除法运算时使用标志寄存器PSW ProgramStatusWord 保存指令执行结果的状态 以供查询和判别 2020 1 9 11 标志寄存器PSW 进位标志位C Carry 8位加减运算时 若最高位D7位产生进位或借位 C置1 否则 C清0 辅助进位标志位AC AssistantCarry 加减运算时 若低4位向高4位产生进位或借位 即D3位运算时产生进位或借位 AC置1 否则 AC清0 2020 1 9 12 标志寄存器PSW 用户标志位F0 Flag0 由用户自行设定0或1 便于软件判断 寄存器组选择位RS0 RS1 RegisterSelect 2020 1 9 13 标志寄存器PSW 溢出标志位OV Overflow 8位加减运算时 若D7位和D6位有且仅有一位产生进位或借位 OV置1 否则 OV清0 奇偶标志位P Parity 表示累加器A中1个位数 若A中有奇数个1 则P置1 若A中有偶数个1 则P清0 2020 1 9 14 C和OV的区别 单片机判断方式C 判断D7位是否产生进位 OV 判断D7位和D6位是否仅有一个产生进位运算中的意义C 1 刚执行的加减运算超出了8位无符号数所能表示的范围 0 255 OV 1 刚执行的加减运算超出了8位有符号数所能表示的范围 128 127 2020 1 9 15 2 2 4存储器结构 存储器分类程序存储器ROM ReadOnlyMemory 数据存储器RAM RandomAccessMemory 51系列单片机存储器采用哈佛结构 即ROM和RAM完全分开 有各自的寻址方式 地址与内容 2020 1 9 16 MCS 51有5个独立的存储空间 64KB的程序存储空间 片内片外统一编址0 0FFFFH 256B内部RAM空间 00 0FFH 128B内部特殊功能寄存器空间 80H 0FFH 256bit的位地址空间 0 FFH 64KB外部数据存储器 RAM IO 空间 0 0FFFFH 如下图所示 3 5存储器组织 2020 1 9 17 MCS 51单片机存储器空间分配 30H 7FH 80H FFH 外部ROM 内部ROM EA 1 外部ROM EA 0 0000H 0000H 0FFFH 0FFFH 1000H FFFFH 程序存储器 d 内部SFR b 2020 1 9 18 程序存储器ROM ROM用来存放程序执行中无需改变的数据 ROM分类 按类型分 掩模ROM 出厂时已有程序 PROM 可编程ROM 仅能一次编程 EPROM 可擦除的可编程ROM 紫外光擦除 EEPROM E2PROM 可电擦除的可编程ROM 可在线擦除 FLASH 闪存 可在线擦除 访问速度较慢 胜在容量大 2020 1 9 19 程序存储器的编址 程序存储器通过16位程序计数器 PC 寻址 寻址能力为64K字节 0000H FFFFH PC ProgramCounter 指向ROM中的指令 每取出一条 自动加1 指向下一条 PC用来存放下一条要执行的指令地址 ROM从物理结构上可分为片内ROM和片外ROM片内ROM 单片机内部自带的ROM 8031和8032内部无ROM 片外ROM 片外扩展的专用ROM芯片 2020 1 9 20 程序存储器的编址 2020 1 9 21 程序存储器的7个特殊地址 用户程序一般从0030H开始 2020 1 9 22 数据存储器RAM 80H FFH 7FH 2020 1 9 23 数据存储器RAM 片内RAM 00H FFH 工作寄存器区 00H 1FH 存放工作寄存器R0 R7位寻址区 20H 2FH 每个位有一个位地址一般RAM区 30H 7FH FFH 用户存放数据堆栈区 由堆栈指针SP决定地址 位于一般RAM区中特殊功能寄存器区SFR 80H FFH 离散分布 存放专用寄存器SFR SpecialFunctionRegister片外RAM 0000H FFFFH 2020 1 9 24 片内RAM 位地址区 16B 寄存器区4组 32B 7FH 寄存器3组寄存器2组寄存器1组寄存器0组 工作寄存器区4组 32B 由PSW中的2位RS1 RS0来决定选哪一组为当前工作寄存器 RS1 RS0 00选0组RS1 RS0 01选1组RS1 RS0 10选2组RS1 RS0 11选3组 在位地址区 每一个BIT都有一个地址 共16 8 128位 00H 30H2FH20H1FH 通用RAM区 80B 堆栈区 通用RAM区 FFH 2020 1 9 25 片内RAM 工作寄存器区使用R0 R7的指令比直接使用用户RAM区的指令长度短 节省程序空间 共有4组工作寄存器 每组8个 由用户设定PSW的RS0和RS1决定当前的组号 即当前使用的R0 R7存放在片内RAM的哪些地址 位寻址区共16字节 128位 每一位有一个位地址 地址范围00H 7FH 2020 1 9 26 2020 1 9 27 位地址空间的字节地址 位地址 2020 1 9 28 片内RAM 堆栈区堆栈原则 先进后出 后进先出 队列原则 先进先出堆栈功能 保护断点 保护现场 堆栈指针SP StackPointer 建立堆栈 复位后SP初值为07H 用户可设定SP的初值 此时SP指向单元为栈底 入栈 即存入数据 SP自动加1 再将数据存入SP所指向的单元 出栈 即取出数据 先取出SP所指向单元内的数据 再将SP自动减1 2020 1 9 29 片内RAM 特殊功能寄存器区SFR用于控制片内各个功能部件的工作 CPU专用寄存器 A B PSW SP DPTR并行接口 P0 P1 P2 P3串行接口 SCON SBUF PCON定时器 计数器 TMOD TCON THx TLx中断系统 IE IP部分寄存器可进行位寻址 即每个位均有一个位地址 地址范围 80H FFH 离散分布 2020 1 9 30 2020 1 9 31 片外RAM 寻址空间 64KB 0000H FFFFH片外RAM空间除可扩展数据存储器外 还可扩展其他器件 如键盘 显示器 模 数转换器 数 模转换器等 通过译码器将片外RAM空间地址分配给这些器件 对这些地址进行读写访问 即控制相应的器件进行工作 数据指针DPTR DataPointer 访问片外RAM单元的指针类寄存器 16位 存放要访问的片外RAM单元地址 由两个8位的寄存器DPH和DPL组成 2020 1 9 32 关于地址值重复的问题 访问指令 MOVC MOV MOVX 寄存器间接寻址 直接寻址 位指令 2020 1 9 33 思考题 在52子系列单片机中 写出地址为90H的所有可能的空间 2020 1 9 34 2 2 5单片机输入 输出接口 51系列单片机有32根I O线 可按位独立输入输出 亦可组成4个8位并行输入输出口 P0 通用I O口 低8位地址总线和数据总线分时复用 P1 通用I O口 P2 通用I O口 高8位地址总线 P3 通用I O口 每一个I O口均有一种第二功能 2020 1 9 35 P1口 2020 1 9 36 P1口功能 P1口只有一种功能 通用I O接口 52子系列中P1 0 P1 1除外 P1口的3种工作方式 输出方式 数据从内部总线经锁存器Q到引脚输入方式 引脚数据经三态门读入内部总线 无锁存功能 注意 执行读指令时锁存器Q必须等于0端口操作 执行 读 修改 写 类指令 通过三态门读回锁存器Q端数据 2020 1 9 37 P2口 2020 1 9 38 P2口功能 两种工作状态 地址总线状态和通用I O接口状态地址总线状态 P2口作为程序计数器PC的高8位地址或数据指针DPTR的高8位地址 锁存器内容不受影响 通用I O接口状态 同P1 2020 1 9 39 P3口 2 1 D Q CLK 锁存器 读锁存器 写锁存器 内部总线 读引脚 Vcc GND P3 x V1 内部上拉电阻 3 第二功能输入 第二功能输出 4 2020 1 9 40 P3口功能 通用I O口 第二功能输出置高电平读信号 锁存器Q端置高电平写信号第二功能 需将锁存器Q端置高电平第二功能输入 需将第二功能输出置高电平第二功能输出 第二功能输出信号经与非门 场效应管送入引脚 2020 1 9 41 P3口的第二功能 2020 1 9 42 P0口 2020 1 9 43 P0口功能 地址 数据分时复用总线输出地址 数据时 地址 数据经反相器 驱动器送入引脚输入地址 数据时 地址 数据经缓冲器进入内部总线通用I O接口由于片内无上拉电阻 作通用I O口时需外接上拉电阻 2020 1 9 44 目录 51系列单片机简介51系列单片机结构原理51系列单片机外部引脚及片外总线51系列单片机的工作方式51系列单片机的时序 2020 1 9 45 2 3 1外部引脚 主电源引脚 VCC 5V VSS 接地 输入 输出引脚 P0 P3口共32脚 可作一般I O口 还有第二功能 2020 1 9 46 外部引脚 控制引脚ALE PROG AddressLatchEnable Programming 地址锁存允许访问片外ROM时 用于锁存低8位地址 每个机器周期出现2次 访问片外RAM时跳空1次 PSEN ProgramStrobeEnable 片外ROM读选通读片外ROM时每个机器周期出现2次 访问片外RAM时不出现 RST Vpd Reset 复位该引脚上持续10ms高电平则有效复位 EA VPP EnableAddress 片外ROM选用端低电平时仅选用片外ROM 2020 1 9 47 外部引脚 时钟引脚XTAL1 XTAL2在两引脚间跨接一石英晶体 与片内反相放大器构成振荡器 内部时钟方式 外接晶体的频率决定了单片机系统的振荡频率 两个电容器通常都取30pF左右 对振荡频率有微调作用 2020 1 9 48 2 3 2片外总线结构 三总线结构地址总线AB AddressBus 数据总线DB DataBus 控制总线CB ControlBus 2020 1 9 49 目录 51系列单片机简介51系列单片机结构原理51系列单片机外部引脚及片外总线51系列单片机的工作方式51系列单片机的时序 2020 1 9 50 2 4 1复位方式 RST引脚出现10ms的高电平 复位操作 上电复位按键复位 2020 1 9 51 复位后寄存器的状态 2020 1 9 52 其他工作方式 程序执行方式 基本工作方式 掉电方式 RST Vpd端的备用电源给RAM供电 其他部件停止工作 节电方式 睡眠模式 功耗低 仅对部分元器件供电 需要工作时再唤醒 常应用于功耗要求较低的电池供电的手持式设备 如手机 编程和校验方式 2020 1 9 53