[工学]第2章单片机结构及原理.ppt

第2章MCS 51单片机结构及原理 2 1MCS 51单片机结构2 2MCS 51的存储器结构2 3单片机的复位 时钟与时序2 4并行I O口 2 1MCS 51单片机结构2 1 1MCS 51单片机的内部结构2 1 2MCS 51引脚及功能2 2MCS 51的存储器结构2 3单片机的复位 时钟与时序2 4并行I O口 第2章单片机结构及原理 SCM 将通用微计算机基本功能部件集成在一块芯片上构成的一种专用微计算机系统 SCM CPU RAM ROM I O T C INT UART 第2章单片机结构及原理 80C51 1 8 CPU 128BRAM 4KBROM 2 16 T C 4 8 I O 1个UART 5个中断源 第2章单片机结构及原理 80C51单片机的内部资源主要包括 8位中央处理器 CPU 片内振荡器和时钟电路 4KB片内程序存储器 ROM 128字节的片内RAM 4个8位双向I O口 5中断源 2个16位定时器 计数器 1个全双工串行口 第2章单片机结构及原理 本节介绍 下节介绍 下节介绍 下节介绍 下节介绍 第5章介绍 第6章介绍 第7章介绍 单片机CPU 控制器 运算器 第2章单片机结构及原理 1 控制器 作用 统一指挥和控制计算机协调工作组成 程序计数器PC 指令译码器ID 数据指针DPTR 其它专用寄存器功能 1 从存储器中取出下一条要执行的指令 取指 2 对取出的指令进行识别 译码 3 指挥运算器运算或控制数据传送 指挥 第2章单片机结构及原理 1 程序计数器 ProgramCounter PC 指令地址寄存器 永远存放着下一条指令的地址 PC的变化规律决定着程序的流程 第2章单片机结构及原理 特点 具有16位字长 可寻址范围216 64KB 具有自动加1功能 计数器 顺序运行程序功能具有可被指令修改功能 跳转运行程序功能复位时 PC值为0 复位后程序从0开始运行 第2章单片机结构及原理 2 数据指针寄存器 DataPointer DPTR 16位字长 可寻址范围216 64KB 用于表示存储器数据地址的指针可拆为2个8位的独立寄存器DPL和DPH 35H 77H F4H 94H 9EH DPTR指针 xxH xxH xxH xxH xxH ROM RAM DPL DPH 第2章单片机结构及原理 2 运算器 作用 对数据进行算术运算和逻辑操作组成 算术 逻辑部件ALU 累加器ACC 程序状态字寄存器PSW 其它工作单元功能 1 对暂存器中的数据进行运算 2 结果保存在ACC中 3 运行状态反映在PSW中 第2章单片机结构及原理 1 累加器 Accumulater A 累加器A是一个8位寄存器 用来存放操作数或中间运算结果 通过暂存器与ALU相连 它是CPU中使用最频繁的寄存器 第2章单片机结构及原理 2 程序状态字寄存器 ProgramStateWord PSW PSW是一个8位的专用寄存器 用于存放程序运行过程中的各种状态信息 PSW中的各位信息通常是在指令执行过程中自动形成的 但也可以由传送指令加以改变 PSW各位的定义 按位置定义的名称 按功能定义的名称 第2章单片机结构及原理 2 程序状态字寄存器 ProgramStateWord PSW PSW是一个8位的专用寄存器 用于存放程序运行过程中的各种状态信息 PSW中的各位信息通常是在指令执行过程中自动形成的 但也可以由传送指令加以改变 PSW各位的定义 按位置定义的名称 按功能定义的名称 第2章单片机结构及原理 CY PSW 7 进位标志在进行加或减运算时 如果操作结果最高位有进位或借位时 CY由硬件置 1 否则清 0 用途 1 根据CY判断加减运算时有无进位或借位 2 在位操作中CY可作为位累加器用 举例 第2章单片机结构及原理 AC PSW 6 辅助进位标志在进行加或减运算时 如果操作结果的低四位数向高四位产生进位或借位时 将由硬件置 1 否则清 0 举例 用途 1 根据AC判断加减运算时有无半进位或半借位 2 在BCD码调整运算中要用到AC标志 第2章单片机结构及原理 F0 PSW 5 和F1 PSW 1 用户标志位可作为用户自行定义的一个状态标记 第2章单片机结构及原理 RS1和RS0 PSW 4和PSW 3 工作寄存器组指针用于选择CPU当前工作寄存器组 第2章单片机结构及原理 OV PSW 2 溢出标志在有符号数运算或乘除运算中若有异常结果 OV置1 否则清0 根据运算过程中的D6和D7位的变化由硬件自动形成OV值 用途 判断有符号数运算或乘除运算的结果是否正常 第2章单片机结构及原理 OV C6YC7Y 10 1 10111101 11000010 11000011 正数的补码是它本身 负数的补码是除符号位外每位求反 然后末尾加1 OV C6YC7Y 11 0 11101011 10010100 10010101 运算出错 运算正确 举例 举例 第2章单片机结构及原理 P PSW 0 奇偶标志位该位始终跟踪累加器A中含 1 个数的奇偶性如果A中有奇数个 1 则P置 1 否则置 0 举例若A 10011111 则P 0若A 11000001 则P 1 用途 用于串行通讯中的数据校验 判断是否存在传输错误 第2章单片机结构及原理 第2章单片机结构及原理 2 1MCS 51单片机结构2 1 1MCS 51单片机的内部结构2 1 2MCS 51引脚及功能2 2MCS 51的存储器结构2 3单片机的复位 时钟与时序2 4并行I O口 MCS 51系列单片机的封装方式与制造工艺有关 采用HMOS制造工艺的51单片机一般采用40只引脚的双列直插封装 DIP dualin linepackage 第2章单片机结构及原理 MCS 51单片机除了采用DIP封装方式外 还采用44只引脚方形扁平封装 QFP quadflatpackage 方式 其中4只是无用的 第2章单片机结构及原理 DIP引脚分布 电源及晶振引脚 共4只 控制引脚 共4只 输入 输出引脚 共32只 第2章单片机结构及原理 1 电源及晶振引脚 VCC 40脚 5V电源引脚VSS 20脚 接地引脚 XTAL1 19脚 外接晶振引脚 内置放大器输入端 XTAL2 18脚 外接晶振引脚 内置放大器输出端 第2章单片机结构及原理 2 控制引脚 ALE PROG 30 为地址锁存使能输出 编程脉冲输入 RST VPD 9 为复位 备用电源引脚 PSEN 29 输出访问片外程序存储器读选通信号 EA VPP 31 外部ROM允许访问 编程电源输入 第2章单片机结构及原理 3 并行I O口引脚 共计4 8 32个引脚 其中 P0 0 P0 7 39 32脚 P0口 P1 0 P1 7 1 8脚 P1口 P2 0 P2 7 21 28脚 P2口 P3 0 P3 7 10 17脚 P3口 P0 P3是单片机对外联络的重要通道 第2章单片机结构及原理 2 1MCS 51单片机结构2 2MCS 51的存储器结构1 存储器划分方法2 程序存储器3 数据存储器2 3单片机的复位 时钟与时序2 4并行I O口 第2章单片机结构及原理 计算机存储器地址空间的两种结构形式 普林斯顿结构和哈佛结构 RAM和ROM统一编址 RAM和ROM分别编址 第2章单片机结构及原理 MCS 51系列单片机采用哈佛结构 存储器配置如图 共有四个物理存储空间 或三个逻辑存储空间 第2章单片机结构及原理 第2章单片机结构及原理 2 1MCS 51单片机结构2 2MCS 51的存储器结构1 存储器划分方法2 程序存储器3 数据存储器2 3单片机的复位 时钟与时序2 4并行I O口 作用 存放程序 表格或常数 非易失性 掉电保存 字长 8位数量 4KB 1KB 1024字节 0 03FFH 4KB 4096字节 0 0FFFH 8KB 8192字节 0 1FFFH 80C51的4KB片内ROM 第2章单片机结构及原理 ROM的6个特殊存储器单元 引导程序跳转0000H 复位后程序自动运行的首地址0003H 外部中断0入口地址000BH 定时器0溢出中断入口地址0013H 外部中断1入口地址001BH 定时器0溢出中断入口地址0023H 串行口中断入口地址程序一般应安排在0030H地址以后 第2章单片机结构及原理 a 同时使用片内和片外ROMb ROM地址分布 当EA引脚接高电平 开关接A点 时 4KB以内的地址在片内ROM 大于4KB的地址在片外ROM中 图中折线 两者共同构成64KB空间 当EA引脚接低电平 开关接B点 时 片内ROM被禁用 全部64KB地址都在片外ROM中 图中直线 第2章单片机结构及原理 第2章单片机结构及原理 2 1MCS 51单片机结构2 2MCS 51的存储器结构1 存储器划分方法2 程序存储器3 数据存储器2 3单片机的复位 时钟与时序2 4并行I O口 作用 存放程序运行结果字长 8位数量 256B 30H 低128B 00H 7FH 为普通RAM区高128B 80H FFH 为特殊功能寄存器区 第2章单片机结构及原理 1 低128字节的区域 工作寄存器区 00H 1FH 可位寻址区 20H 2FH 用户RAM区 30H 7FH 第2章单片机结构及原理 区共有32个字节单元 00H 1FH 分为4组 每组8个单元 命名为工作寄存器R0 R7 任一时刻CPU只能选用一组工作寄存器为当前工作寄存器组 当前工作寄存器组通过PSW中的RS1和RS0标志位 工作寄存器组指针 进行设置 第2章单片机结构及原理 注意 CPU复位后RS1和RS0默认值为0 即默认第0组为当前工作寄存器组 第2章单片机结构及原理 利用Rn寄存器进行编程可以提高编程效率 1 不必考虑存储单元的具体地址2 可在同名Rn之间进行快速切换3 寄存器寻址执行指令的速度快 寄存器 Register 与存储器 Memory 的概念 寄存器是指一些由与非门构成的结构 而Memory则由MOS管构成 寄存器访问速度快 但是所占面积大 而Memery所占面积小 可以集成较大容量 但访问速度较慢 在51单片机中两者差别不大 甚至部分寄存器和存储器是重合的 如Rn与 区RAM SFR与高128字节RAM区 第2章单片机结构及原理 区共有16个字节单元 20H 2FH 又可划分为128个位地址单元 00H 7FH 可按两种方式存取数据 第2章单片机结构及原理 例如 欲将地址 20H 中存放数01110010B的最高位改为1 而其余不变 特点 位地址可以增强对数据处理的灵活性 方法1 用数10000000B与 20H 的内容进行 或 运算MOVA 20H 先将20H的内容传入A里ORA 80H 再对A进行80H的 或 运算方法2 直接针对最高位进行 置位 操作SETB07H 07H为20H最高位的位地址 第2章单片机结构及原理 区共有80个字节单元 30H 7FH 是用户RAM区 但只能按字节进行数据存取操作 在此区内用户可以作为为堆栈区和中间数据存储区 第2章单片机结构及原理 2 高128字节RAM区 在80H FFH的高128字节RAM区中 离散地分布有21个特殊功能寄存器 SpetialFunctionRegister 又称为特殊功能寄存器区 30H 第2章单片机结构及原理 具有标准的SFR名称和符号 字节地址和位地址 前述的Acc PSW DPL DPH等几个寄存器都属于SFR 其余寄存器将在以后章节中结合应用进行介绍 第2章单片机结构及原理 字节地址末位是0或8的SFR 都具有位地址 SFR之外的其它存储单元用户均不可用 系统留用 第2章单片机结构及原理 2 1MCS 51单片机结构2 2MCS 51的存储器结构2 3单片机的复位 时钟与时序1 复位与复位电路2 时钟电路3 CPU时序2 4并行I O口 第2章单片机结构及原理 复位 使单片机恢复原始默认状态的操作 第2章单片机结构及原理 复位条件 在RST VPD引脚端出现满足复位时间要求的高电平状态 该时间等于系统时钟振荡周期建立时间再加2个机器周期时间 一般不小于10ms 复位方式 上电复位按键复位复合复位 第2章单片机结构及原理 第2章单片机结构及原理 2 1MCS 51单片机结构2 2MCS 51的存储器结构2 3单片机的复位 时钟与时序1 复位与复位电路2 时钟电路3 CPU时序2 4并行I O口 CPU微操作必须在统一的时钟控制下才能正确进行 内部时钟方式 微调电容 C1 C2 30pF晶振 石英晶体封裝 MCS 51时振荡频率为6 12MHZ 外部时钟方式 第2章单片机结构及原理 第2章单片机结构及原理 2 1MCS 51单片机结构2 2MCS 51的存储器结构2 3单片机的复位 时钟与时序1 复位与复位电路2 时钟电路3 CPU时序2 4并行I O口 时序是计算机指令执行时各种微操作在时间上的顺序关系 其作用是保证CPU中各种微操作有序运行 1 时序的概念 第2章单片机结构及原理 在时钟信号CL触发下 输出端Q电平具有跟随输入端D电平的功能 在没有CL触发时 D与Q端是信号隔离的 D触发器的这一功能被广泛用于数字信号的输出锁存 第2章单片机结构及原理 时序定时单位共有4个参数 拍 振荡周期 时钟周期 P 状态周期S 机器周期 指令周期 一个状态 S 包含2个拍 P 一个机器周期由6个S或12个P组成 一个指令周期约为1 4个机器周期 第2章单片机结构及原理 例 外接晶振为12MHz时 MCS 51单片机的四种时序周期的具体值为 更正 P 30 振荡周期 1 12us状态周期 1 6us机器周期 1us指令周期 1 4us 振荡周期 1 24us状态周期 1 12us机器周期 1us指令周期 1 4us 振荡周期是机器周期的1 12 正 误 正 机器周期是振荡周期的1 12 误 第2章单片机结构及原理 2 51单片机的取址 执行时序 MCS 51单片机执行任何一条指令时都可以分为取指令阶段和执行指令阶段 此处将分析指令阶段也包括在内 取指令阶段把程序计数器PC中的指令地址送到程序存储器 选中指定单元并从中取出需要执行的指令 指令执行阶段对指令的操作码进行译码 以产生一系列控制信号完成指令的执行 第2章单片机结构及原理 CPU的指令都是按照时序要求设计的每条指令的执行都是从S1P2开始的每个机器周期最多可执行2个字节指令 第2章单片机结构及原理 3 51单片机访问外部RAM时序 访问外部RAM的操作包括读操作和写操作 主要区别是利用不同的P3第二功能口 写操作时要用到WR输出命令 读操作时要用到RD输入命令 第2章单片机结构及原理 2 1MCS 51单片机结构2 2MCS 51的存储器结构2 3单片机的复位 时钟与时序2 4并行I O口1 P1口2 P3口3 P0口4 P2口 第2章单片机结构及原理 MCS 51单片机有32只IO引脚 分别组成P0 P1 P2 P3四个端口 P0 P3口是单片机与外部联系的重要通道 下图为几种典型的应用电路 P0 P3都可作为并行输入或输出I O口 其中 P0和P2还可作为外部总线端口 地址 数据分时复用 P3还有第二输入或输出功能 第2章单片机结构及原理 可作为并行IO输入通道 例如 按键 开关连接通道 第2章单片机结构及原理 可作为并行IO输出通道 例如 数码管显示器连接通道 第2章单片机结构及原理 可作为串行通信通道 例如 双机通讯的连接通道 第2章单片机结构及原理 可作为外部设备的连接通道 例如 存储器扩展通道 第2章单片机结构及原理 第2章单片机结构及原理 2 1MCS 51单片机结构2 2MCS 51的存储器结构2 3单片机的复位 时钟与时序2 4并行I O口1 P1口2 P3口3 P0口4 P2口 P1口的结构组成 P1 n 1个锁存器 1个场效应管驱动器V 2个三态门缓冲器 第2章单片机结构及原理 P1口具有输出 读引脚 读锁存器三种工作方式 输出时 D端 1 Q 0 V截止 P1 n 1D端 0 Q 1 V导通 P1 n 0读引脚时 P1 n 读引脚三态门1 内部总线读锁存器 Q端 读锁存器三态门2 内部总线 V 2 1 第2章单片机结构及原理 V的状态会影响P1 n的状态 如V导通 P1 n电平 0 钳位 读引脚可能出错为正确读出P1 n引脚电平 需要读引脚前应先使T截止令D 1 Q 0 V截止 读P1 n 不会出错 可见 P1口作为输入口时是有条件的 应先写1 而输出时无条件 因此 称P1口为准双向口 V 第2章单片机结构及原理 第2章单片机结构及原理 2 1MCS 51单片机结构2 2MCS 51的存储器结构2 3单片机的复位 时钟与时序2 4并行I O口1 P1口2 P3口3 P0口4 P2口 P3口的结构组成 P3 n 1个锁存器 2个三态缓冲器 1个第二功能控制单元 1个输出驱动单元 第2章单片机结构及原理 P3口具有P1的三种工作方式 第二功能方式 输出时 D端 1 Q 1 V截止 P1 n 1D端 0 Q 0 V导通 P1 n 0读引脚时 P1 n 读引脚三态门1 内部总线 需先写1 读锁存器 Q端 读锁存器三态门2 内部总线 3 4 1 2 第二输入功能 V 第二输出功能 1 与非门开锁 第2章单片机结构及原理 P3口的第二功能方式 输出时 第二输出功能 1 与非门输出0 V截止 P3 n 1第二输出功能 0 与非门输出1 V导通 P3 n 0输入时 P3 n 三态门4 第二输入功能 D端写 1 与非门开锁 第二输出功能先写 1 3 4 1 2 第二输入功能 V 第2章单片机结构及原理 P3口第二功能定义 第2章单片机结构及原理 第2章单片机结构及原理 2 1MCS 51单片机结构2 2MCS 51的存储器结构2 3单片机的复位 时钟与时序2 4并行I O口1 P1口2 P3口3 P0口4 P2口 P0口的结构组成 P0 n 1个锁存器 2个三态缓冲器 1个输出控制电路 非门X 与门A 电子开关MUX 1个输出驱动电路 场效应管V2 V1 P0口既可以作为通用I O口实现输入 输出功能 也可作为单片机地址 数据线实现外设扩展功能 第2章单片机结构及原理 漏极开路与上拉电阻的概念 封锁与门A 0 地址 数据端与A输出无关 控制端 0 MUX下通 Q与V1栅极直通 V2截止 V1漏极开路 第2章单片机结构及原理 为使漏极开路的V1有效 必须通过上拉电阻与电源接通 上拉电阻的阻值一般为4 7 10k 注意 P1 P2 P3口无需外接上拉电阻 已有内部上拉电阻 第2章单片机结构及原理 P0口的通用IO工作方式 控制端 0 输出时 D端 1 Q反端 0 V