2 MCS-51系列单片机的结构和原理.ppt

第2章80C51单片机的硬件结构 预备知识 元器件实物图 单片机芯片AT89C51AT89S51AT89S52AT89C2051 2 180C51单片机硬件结构及信号引脚 MCS 51系列单片机都是以Intel公司最早的典型产品8051为核心 增加了一定的功能部件后构成的 因此 本章以80C51为主介绍MCS 51系列单片机 2 1 1MCS 51单片机的内部结构MCS 51单片机的组成 CPU 进行运算 控制 RAM 数据存储器 ROM 程序存储器 I O口 串口 并口 内部总线和中断系统等 组成框图如下 内部结构如下 1 中央处理器 CPU 1 运算器组成 8位算术逻辑运算单元ALU ArithmeticLogicUnit 8位累加器A Accumulator 8位寄存器B 程序状态字寄存器PSW ProgramStatusWord 8位暂存寄存器TMP1和TMP2等 功能 完成算术运算和逻辑运算 包括运算器和控制器两部分 运算电路 2 控制器组成 程序计数器PC ProgramCounter 指令寄存器IR InstructionRegister 指令译码器ID InstructionDecoder 堆栈指针SP 数据指针DPTR 定时控制逻辑和振荡器OSC等电路 功能 CPU根据PC中的地址将欲执行指令的指令码从存储器中取出 存放在IR中 ID对IR中的指令码进行译码 定时控制逻辑在OSC配合下对ID译码后的信号进行分时 以产生执行本条指令所需的全部信号 控制器电路 2 内部数据存储器 内部RAM InternalRAM 8051芯片中共有256个RAM单元 前128单元 用于存放可读写的数据 后128单元 被专用寄存器占用 内部数据寄存器 3 内部程序存储器 80C51共有4KBROM 用于存放程序和原始数据 内部程序存储器 4 定时器 计数器 80C51共有两个16位的定时器 计数器 定时器 计数器 5 并行I O口 共有4个8位的I O口 以实现数据的并行输入输出 并行I O口 6 串行口 全双工串行口 实现单片机和其他数据设备之间的串行数据传送 串行口 7 中断控制系统 80C51共有5个中断源 外中断2个 定时 计数中断2个 串行中断1个 5个中断分为高级和低级共两个优先级别 中断控制系统 8 时钟电路 MCS 51芯片的内部有时钟电路 需外接石英晶体和微调电容 时钟电路 9 位处理器 又称布尔处理器 单片机有较强的位处理功能 用于控制位运算 10 总线 总线把上述部件连接起来 构成一个完整的单片机系统 用于传送地址信号 数据信号和控制信号 2 2 280C51单片机的封装与信号引脚1 芯片封装形式 双列直插式DIP DualInlinePackage 44引脚方形扁平式QFP QuadFlatPackage 2 芯片引脚介绍 1 输入 输出口线 4个8位双向口线 2 ALE地址锁存控制信号 在系统扩展时 用于控制把P0口输出的低8位地址送入锁存器锁存起来 以实现低位地址和数据的分时传送 输出六分之一晶振频率的固定频率输出正脉冲 3 外部程序存储器读选通信号 0 读外部程序存储器 1 读内部程序存储器 并延续至外部程序存储器 5 RST复位信号 当输入的复位信号延续2个机器周期以上高电平时即为有效 用以完成单片机的复位操作 6 XTAL1和XTAL2外接晶体引线端 当使用内部时钟时 用于外接石英晶体和微调电容当使用外部时钟时 用于接外部时钟脉冲信号 7 Vss地线Vcc电源线 3 信号引脚的第二功能 第二功能信号主要集中P3口线 另外再加上几个其它信号线 第二功能信号 1 P3口线的第二功能 2 EPROM存储器程序固化所需要的信号 编程脉冲 Vpp 编程电压 25V 3 备用电源引入 VPD 当电源发生故障时 电压降低到下限值时 备用电源经此端向内部RAM提供电压 以保护内部RAM中的信息不丢失 第一功能与第二功能的区分 1 P3口线按需要优先选用第二功能 剩下不用的才作为口线使用 2 对于9 30 31引脚 由于单片机在不同工作方式的信号 不会发生使用上的矛盾 2 380C51单片机的内部存储器 内部存储器 内部数据存储器RAM 内部程序存储器ROM 2 3 1内部数据存储器低128单元 低128单元 高128单元 单元地址 00H 7FH 供用户使用 寄存器区 R0 R7 通用寄存器工作寄存器 任意时刻只能使用一组寄存器 由程序状态字寄存器PSW中的RS1 RS0的状态组合来决定 32个单元 位寻址区 128位 16个单元 位寻址区 既可作为一般单元用字节寻址 也可对它们的位进行寻址 位地址为00H 7FH CPU能直接寻址这些位 称MCS 51具有布尔处理功能 位地址分配如右表所示 用户RAM区 80个单元 2 3 2内部数据存储器高128单元 专用寄存器区 地址 80H FFH 存放相应功能部件的控制命令 状态或数据 21个专用寄存器 SFR 1 累加器A Accumulator 累加器A是8位寄存器 又记做ACC 是一个最常用的专用寄存器 在算术 逻辑运算中用于存放操作数或结果 2 寄存器B寄存器B是8位寄存器 是专门为乘除法指令设计的 也作通用寄存器用 3 程序状态字PSW ProgramStatusWord 程序状态字PSW是8位寄存器 用于存放程序运行的状态信息 PSW中各位状态通常是在指令执行的过程中自动形成的 但也可以由用户根据需要采用传送指令加以改变 其定义格式如下页表所示 程序状态字 PSW ProgramStatusWord 8位寄存器 用于寄存指令执行的状态信息 进位标志位 辅助进位标志 用户标志位 寄存器组选择位 溢出标志位 奇偶标志位 其中 Cy 进借位标志 AC 辅助进借位标志 F0 用户标志 RS1 RS0 工作寄存器组 区 选择 如下表所示 OV 溢出标志位 有溢出时置1 P 奇偶标志位 A中有奇数个1时置1 4 数据指针DPTR DataPointer 数据指针DPTR是16位的专用寄存器 即可作为16位寄存器使用 也可作为两个独立的8位寄存器DPH 高8位 DPL 低8位 使用 DPHDPTR高位字节DPLDPTR低位字节 DPTR在访问外部数据存储器时作地址指针使用 寻址范围64KB 2 专用寄存器的字节寻址 说明 1 21个可寻址的专用寄存器是不连续的 但空闲单元用户不能使用 2 对专用寄存器只能使用直接寻址方式 在指令中可使用寄存器符号 也可使用寄存器地址表示 3 专用寄存器的位寻址 21个专用寄存器中 有11个寄存器可以位寻址 80C51专用寄存器中可寻址位有83个 有的位有专用名称 寻址时既可使用位地址 也可用位名称 专用寄存器的83个可寻址位加上位寻址区的128个通用位 80C51共有211个位可寻址 4 程序计数器PC ProgramCounter PC是一个16位的计数器 专门用于存放CPU将要执行的指令地址 即下一条指令的地址 寻址范围为64KB PC有自动加1功能 不可寻址 用户无法对它进行读写 但是可以通过转移 调用 返回等指令改变其内容 以控制程序执行的顺序 2 3 3内部程序存储器 80C51芯片内有4KROM存储单元 其地址为0000H 0FFFH 内部ROM前面有一组特殊的保留单元 0000H 002AH 0000H 0002H 是系统的启动单元系统复位后 PC 0000H单片机从0000H单元开始取指令执行程序一般在这三个单元中存放一条无条件转移指令JMP 单字节 AJMP 双字节 0003H 002AH共40个单元均匀分为五段 每段8个单元 分别为五个中断源的中断地址区 0003H 000AH外部中断0中断地址区 000BH 0012H定时器 计数器0中断地址区 0013H 001AH外部中断1中断地址区 001BH 0022H定时器 计数器1中断地址区 0023H 002AH串行中断地址区 中断响应后 系统能按中断种类 自动转到各中断区的首地址去执行程序 但8个单元难以存下一个完整的中断服务程序 故一般在中断地址区首地址开始存放一条无条件转移指令JMP AJMP以便中断响应后 通过中断地址区 转到中断服务程序的实际入口地址去 2 3 4堆栈操作 堆栈只允许在其一端进行数据插入和数据删除操作的线性表 数据写入堆栈称为插入运算 入栈 PUSH从堆栈中读出数据称为删除运算 出栈 POP 堆栈的特点 后进先出LIFO Last InFirt Out 1 堆栈的功用 堆栈是为子程序调用和中断操作而设立的 功能 保护断点 调用子程序时或中断服务之前先把主程序的断点保护起来 保护现场 转子程序或中断服务程序前把有关寄存单元的内容保存起来 2 堆栈的开辟 堆栈开辟在芯片的内部数据存储器中 即内堆栈 内堆栈优点 操作速度快 缺点 容量有限 3 堆栈指示器SP StackPointer 8位专用寄存器SP的内容就是堆栈栈顶的存储单元地址 系统复位后 SP的内容为07H 07H是R7的地址 一般用30H 7FH单元 4 堆栈类型 两种类型 向上生长型 向下生长型 进栈操作 先SP加1 后写入数据出栈操作 先读出数据 后SP减1 进栈操作 先SP减1 后写入数据出栈操作 先读出数据 后SP加1 5 堆栈使用方式 两种使用方式 自动方式 即在调用子程序或中断时 返回地址 断点 自动进栈 程序返回时 断点再自动弹回PC 指令方式 即使用专用的堆栈操作指令 进行进出栈操作进栈指令PUSH出栈指令POP 2 480C51单片机并行输入 输出口电路 I O口P0 P1 P2 P3集数据输入缓冲 数据输出驱动及锁存等多项功能于一体 2 4 2P1口 字节地址为90H 位地址为90H 97H 只作通用I O口使用 由一个数据输出锁存器 两个三态输入缓冲器和输出驱动电路组成 内有电阻 输出时无需外接上拉电阻 P1口作输出口使用时 内部总线输出数据给输出数据锁存器的输入数据线D 2 4 2P1口 P1口作输入口使用时 读引脚 P1 x MOVC P1 X读端口 读锁存器Q端 CPLP1 X 1 1 0 截止 2 4 3P2口 字节地址为0A0H 位地址为0A0H 0A7H 可作通用I O口使用 也可作高8位地址输出口使用 2 4 1P0口 字节地址为80H 位地址为80 87H 8位口线的电路完全相同但相互独立 数据输出锁存器 用于进行数据位的锁存 对引脚数据输入缓冲 对锁存器数据输入缓冲 MUX 多路转换开关 数据输出的驱动和控制电路 上拉电路 传送地址或数据时 1 打开 1 1 0 导通 截止 1 0 传送地址或数据时 1 打开 1 1 0 导通 截止 1 0 0 1 截止 导通 0 P0口作通用I O口输出使用 0 封锁 0 截止 1 1 0 0 1 截止 P0口作通用I O口输入使用 0 封锁 0 截止 P0口作通用I O口输入使用 0 封锁 0 截止 读引脚 读锁存器 2 4 4P3口 字节地址为0B0H 位地址为0B0H 0B7H 可作通用I O口使用 而第二功能更重要 1 开通 1 开通 1 对于输出信号的引脚 红字 第二功能输出蓝字 通用输出口 第二功能信号为输出时 锁存器预先置1 使与非门对第二功能信号的输出是畅通的 以实现第二功能信号的输出 1 增加 1 0 截止 当作为通用I O口输入使用时 取自三态缓冲器的输出端此时FET应截止 2 对于输入信号的引脚 2 580C51单片机时钟电路与时序 时钟电路 产生单片机工作所需要的时钟信号时序 指令执行中各信号之间的相互时间关系 2 5 1时钟电路 1 振荡电路 C1 C2 30pF 晶振频率 1 2MHz 33MHz 2 分频电路 振荡信号并不能直接为单片机所用 而要进行分频 经分频后才能得到单片机各种相关的时钟信号 3 引入外部脉冲信号 多片单片机组成的系统中 引入公用外部脉冲信号 作为同步时钟 外接脉冲的要求 高低电平持续时间大于20ns 脉冲频率小于12MHz 2 5 2时序定时单位 四个定时单位 拍节 振荡周期 状态 时钟周期 机器周期 指令周期 1 拍节与状态 拍节定义 振荡脉冲的周期 用 P 表示 时钟信号的周期定义为状态 用 S 表示 一个状态包含两个拍节 前半周期对应的拍节叫拍节1 P1 后半周期对应的拍节叫拍节2 P2 2 机器周期 一个机器周期的宽度为6个状态 S1 S6 一个机器周期总共有12个拍节 S1P1 S1P2 S6P2 当振荡脉冲频率为12MHz时 一个机器周期为1 s当振荡脉冲频率为6MHz时 一个机器周期为2 s 3 指令周期 执行一条指令所需要的时间称为指令周期 指令周期以机器周期的数目来表示 2 680C51单片机的系统复位 2 6 1复位方式与初始化状态 1 复位方式 1 加电复位单片机加电时复位 2 手动复位用按键进行复位 2 初始化状态 单片机在开机时都需要复位 以便CPU及其他功能部件都处于一种确定的初始状态 并从这个状态开始工作 MCS 51单片机在RST引脚产生两个机器周期 即24个时钟周期 以上的高电平即可实现复位 2 6 2复位电路 复位电路用于产生复位信号 通过RST引脚送入单片机 进行复位操作 1 复位电路概述 1 积分电路型 2 微分电路型 复位电路有两种 上电自动复位和上电 按键手动复位 如下图所示 适用于6MHz晶振 能保证复位信号高电平时间大于2个机器周期 2 80C51基本复位电路 3 80C51芯片内复位电路 RST 复位信号输入端 高电平有效 持续2个机器周期 在每个机器周期的S5P2时刻对施密特触发器的输出进行采样 2 7单片机低功耗工作模式 2 7 1单片机低功耗的意义 降低功耗可使电源轻便又保证长期供电 低功耗可降低芯片的发热量 使芯片排列紧密 提高芯片的集成度 降低芯片的封装成本 低功耗芯片工作时发热量少 有利于提高芯片工作的可靠性 单片机芯片的低功耗 使单片机系统的整体低功耗 2 7 2两种低功耗工作模式 80C51提供两种节电工作模式 空闲 等待 待机 模式掉电 停机 工作模式 待机和掉电模式控制电路 是电源控制寄存器PCON的有关位 SMOD 波特率倍频位 若此位为1 则串行口方式1 方式2和方式3的波特率加倍 GF1和GF0 通用标志位 PD 掉电模式位 此位写1即启动掉电方式 时钟冻结 IDL 待机模式位 此位写1即启动待机模式 这时CPU因无时钟控制而停止运作 如果同时向PD和IDL两位写1 则PD优先 80C51中PCON的复位值为0 0000B CPU执行完置IDL 1 PCON 1 的指令后 系统进入空闲 待机 工作模式 1 空闲 等待 待机 工作方式 0 CPU得不到时钟停止工作 与CPU有关的SP PC PSW ACC以及各寄存器等也被 冻结 在原状态 进入空闲 待机 模式后 有两种方法可以使系统退出待机模式 一是任何的中断请求被响应都可以由硬件将PCON 0 IDL 清0而中止空闲 待机 工作模式 另一种退出空闲 待机 模式的方法是硬件复位 2 掉电 停机 工作模式 当CPU执行一条置PCON 1位 PD 为1的指令后 系统进入掉电工作模式 振荡器停振 单片机停止工作 但内部RA