《片机芯片的结构》PPT课件.ppt

单片机接口技术及应用 第二章单片机芯片的硬件结构 主要内容 80C51系列单片机的分类80C51的内部结构80C51的引脚功能80C51的I O端口CPU时序及工作方式 第二章单片机芯片的硬件结构 学习目标 了解单片机的分类 各引脚功能 输入 输出口作用熟悉单片机存储器组织 2 180C51单片机系列 80C51系列单片机是Intel公司于1980年推出的8位机 因其优秀的性能价格比 获得了广泛的应用80C51是80C51系列单片机中CHMOS工艺的一个典型品种 一般以8051为基核开发出的CHMOS工艺单片机产品统称为80C51系列单片机80C51可分为51和52个子系列 主要有四种型号 分别是 80C31 80C32 80C51 80C52 87C51 87C52 89C51 89C52 不同型号MCS 51单片机CPU处理能力和指令系统完全兼容 只是存储器和I O接口的配置有所不同 硬件配置基本配置 1 8位CPU2 片内ROM EPROM RAM3 片内并行I O接口4 片内16位定时器 计数器5 片内中断处理系统6 片内全双工串行I O口 资源配置 52系列较51系列功能上有所增强 如片内ROM及RAM都增加一倍 定时 计数器个数由2个增加到3个 中断源由5个增加到6个等 2 280C51单片机的内部结构 RAM I O接口电路 CPU 时钟 定时器 计数器 ROM 微处理器CPU存储器外部输入 输出接口电路 I O接口 中断系统时钟电路系统总线 80C51单片机的基本结构是由以下几部分组成 80C51单片机结构框图 80C51单片机芯片内部逻辑结构框图 它由运算器 控制器等部件组成运算器由算术逻辑运算单元ALU 累加器ACC 寄存器B 暂存寄存器和程序状态字寄存器PSW组成 它所完成的任务是实现算术与逻辑运算 位变量处理和数据传送等操作 控制器由指令寄存器 指令译码器 定时及控制逻辑电路和程序计数器PC等组成 80C51的微处理器 80C51的存储器 内部数据存储器80C51芯片中共有256个RAM单元 但其中后128单元被专用寄存器占用 供用户使用的只是前128单元 用于存放可读写的数据 内部程序存储器内部程序存储器是指ROM 4KB 8 80C51共有4KB掩膜ROM 用存放程序和原始数据 因此称之为程序存储器 简称 内部ROM I O接口电路 80C51单片机共有4个8位的I 0口 P0 P3 以实现数据的并行输入输出 还有一个可编程全双工的串行口 它功能强大 可做异步通信收发器使用 也可用作同步移位器使用 中断系统 80C51单片机的中断功能较强 以满足控制应用的需要 80C51共有5个中断源 外部中断2个定时 计数中断2个串行中断1个全部中断分为高优先级和低优先级共两级 时钟电路 80C51单片机的内部具有时钟电路 但石英晶体振荡器和微调电容需外接 总线 上述这些部件都是通过总线连接起来 才能构成一个完整的单片机系统 总线结构减少了单片机的连线和引脚 提高了集成度和可靠性 2 380C51的外部引脚及功能 80C51系列单片机采用40引脚的双列直插式封装芯片 40引脚共可分为四个部分电源2个外接晶体振荡器2个控制信号引脚4个I O引脚32个 2 3 1信号引脚的介绍 Vss 20脚 接地Vcc 40脚 正常操作 对EPROM编程和验证时为 5V电源 主电源引脚Vss和Vcc 外接晶振引脚XTALl和XTAL2 XTALl 19脚 内部振荡电路反相放大器的输入端 是外接晶体的一个引脚 使用外部时钟时 对于HMOS单片机 该引脚必须接地 对于CHMOS单片机 该引脚作为驱动端 XTAL2 18脚 内部振荡电路反相放大器的输出端 是外接晶体的另一端 若使用外部时钟时 对于HMOS单片机 该引脚输入外部时钟脉冲 对于CHMOS单片机 此引脚应悬浮 控制和其它电源复用引脚 RST VPD 9脚 双功能引脚 复位信号RST引脚 输入启动时 需要复位 使CPU各部件处于确定的初始状态 正常工作状态 振荡器稳定 该引脚上出现持续24个振荡周期 即两个机器周期 以上的高电平 单片机就可完成系统复位操作 备用电源VPD引脚 输入当无VCC时使用 给内部RAM供电以实现掉电保护 ALE PROG 30脚 双功能 地址锁存允许信号ALE 输出当访问外部存储器时 ALE的输出用于锁存地址的低位字节 即使不访问外部存储器 ALE仍以不变的频率周期性的出现正脉冲信号 频率为振荡器频率的1 6 编程脉冲引脚PROG 输入在对8751片内EPROM编程时 编程脉冲由此输入 EA Vpp 31脚 双功能 访外允许EA当EA端保持高电平时 访问内部程序存储器 当PC值超过0FFFH时 将自动转向 执行外部程序存储器的程序当EA保持低电平时 则只访问外部程序存储器 不管是否有内部程序存储器 8031中EA必须接地 Vpp编程电压输入 对8751片内EPROM编程时 此脚接编程电压 21V 25V PSEN 29脚 外部程序存储器读选通信号在由外部程序存储器取指令期间 每个机器周期两次PSEN有效 并行I O口引脚 32个 分成4个8位口 P0 0 P0 7 一般I O口引脚或数据 低位地址总线复用引脚 P1 0 P1 7 一般I O口引脚 P2 0 P2 7 一般I O口引脚或高位地址总线引脚 P3 0 P3 7 一般I O口引脚或第二功能引脚 P3口的第二功能 P3 0 RXD串行数据接收P3 1 TXD串行数据接收P3 2 INT0 外部中断0申请P3 3 INT1 外部中断1申请P3 4 T0定时器 计数器0计数输入P3 5 T1定时器 计数器1计数输入P3 6 WR 外部RAM写选通P3 7 RD 外部RAM读选通 2 3 2引脚的复用 对于各种型号的芯片 其引脚的第一功能信号是相同的 所不同的只在引脚的第二功能信号上 对于9 30和31各引脚 由于第一功能信号与第二功能信号是单片机在不同工作方式下的信号 因此不会发生使用上的矛盾 P3口线的情况却有所不同 它的第二功能信号都是单片机的重要控制信号 因此在实际使用时 总是先按需要优先选用它的第二功能 剩下不用的才作为口线使用 2 480C51的存储器配置 2 4 180C51单片机系统的存储器结构特点 80C51单片机的存储器结构与常见的微型计算机的配置方式不同 它把程序存储器 ROM 和数据存储器 RAM 分开 计成两个独立的空间 称为哈佛结构 ROM和RAM安排在同一空间的不同范围 称为普林斯顿结构 哈佛体系结构计算机的存储结构 普林斯顿体系结构计算机的存储结构 2 4 2内部数据存储器低128单元 80C51单片机的内部数据存储器 内部RAM 共256字节 在物理上分为两个区 低128字节单元 单元地址 00H 7FH低128字节单元的RAM常称为片内RAM高128字节单元 单元地址 80H FFH高128字节单元又称特殊功能寄存器区 SFR 80C51片内RAM的128B单元又分成 工作寄存器区 位寻址区 通用用户区 工作寄存器区 32B 字节地址 00H 1FH位寻址区 16B 字节地址 20H 2FH位地址为 00H 7FH一般数据区 80B 字节地址 00H 7FH一般使用 30H 7FH 片内RAM 00 7FH 工作寄存器区 80C51单片机片内RAM低端的00H 1FH共32B分成4个工作寄存器组 每组占8个单元 寄存器0组 地址00H 07H寄存器1组 地址08H 0FH寄存器2组 地址10H 17H寄存器3组 地址18H 1FH 当前工作寄存器组的选择由特殊功能寄存器中的程序状态字寄存器PSW的RSl RS0位来选定RSl RS0与工作寄存器组的关系地址如表所示 当前工作寄存器组的选择 位寻址区 内部RAM的20H 2FH单元 既可作为一般RAM单元使用 进行字节操作 也可以对单元中每一位进行位操作 因此把该区称之为位寻址区 位寻址区共有16个RAM单元 共计128位 地址为00H 7FH 一般 用户 RAM区 在内部RAM低128单元中 通用寄存器占32个单元 位寻址区占去16个单元 剩余80个单元就是供用户使用的一般RAM区 其单元地址为30H 7FH 用户RAM区只能以存储单元的形式来使用 其他没有任何规定或限制 在一般应用中常把堆栈开辟在30H 7FH区中 2 4 3内部数据存储器高128单元 SFR区 80C51单片机内的锁存器 定时器 串行口数据缓冲器以及各种控制寄存器和状态寄存器等 共21个 都是以特殊功能寄存器 SFR 的形式出现它们分散地分布在内部RAM高128字节地址单元中 可寻址 程序计数器PC不属于此范畴 因为它不可寻址 累加器Acc 最常用的特殊功能寄存器 大部分单操作数指令的操作取自累加器Acc 很多双操作数指令的一个操作数取自累加器Acc 乘除法指令中常用的寄存器 乘法指令的两个操作数分别取自A和B 其结果存放在A B寄存器对中 寄存器B 程序状态字PSW 程序状态字PSW是一个8位寄存器 它包含了程序状态信息 此寄存器各位的含义如表所示 其中PSW 1未用 PSW 1未用 程序状态字PSW各位定义 CY PSW 7 进位标志AC PSW 6 辅助进位标志F0 PSW 5 用户标志RSl RS0 PSW 4 PSW 3 寄存器区选择控制OV PSW 2 溢出标志P PSW 0 奇偶标志 进位标志CY PSW 7 算术逻辑指令时 最高位D7有进 借 位 则CY 1 否则CY 0 在布尔处理器中 它起着 位累加器 的作用 17条布尔处理指令多数是针对CY来完成的 程序中写成C 加 减 法运算时 如果低半字节的最高位D3有进 借 位 则AC 1 否则AC 0 AC在作BCD码运算而进行二 十进制调整时有用 辅助进位标志AC PSW 6 用户标志F0 PSW 5 是用户定义的一个状态标志 可通过软件对它置位 清零 在编程时 也常测试其状态进行程序分支 作有符号数加法 减法时由硬件置位或清除 以指示运算结果是否溢出 溢出标志OV PSW 2 每执行一条指令 单片机都能根据A中1的个数的奇偶自动令P置位或清零 奇为1 偶为0 奇偶标志P PSW 0 工作寄存器区选择位RSl RS0 PSW 4 PSW 3 可借软件置位或清零 以选定4个工作寄存器区中的一个区投入工作 栈指针SP 栈指针SP是一个8位特殊功能寄存器 它指示出堆栈顶部在内部RAM中的位置系统复位后 SP初始化为07H 使得堆栈的存放事实上由08H单元开始 数据指针DPTR 数据指针DPTR是一个16位特殊功能寄存器可以作为一个16位寄存器DPTR来使用也可作为两个8位寄存器使用高位字节寄存器用DPH表示低位字节寄存器用DPL表示 与接口相关的寄存器 并行I O接口P0 P1 P2 P3 均为8位串行接口数据缓冲器SBUF串行接口控制寄存器SCON电源控制寄存器PCON 与中断相关的寄存器 中断允许控制寄存器IE中断优先级控制寄存器lP 定时 计数器的工作方式寄存器TMOD定时 计数器的控制寄存器TCON 与定时 计数器相关的寄存器 特殊寄存器的字节寻址 可寻址的特殊寄存器及地址 特殊寄存器的位寻址 共11个 2 4 480C51单片机的堆栈操作 堆栈堆栈是在片内RAM中开辟的暂存区功能有两个 保护断点和保护现场特点 先进后出 后进先出堆栈的操作堆栈共有两种操作 数据进栈 指令 PUSH数据出栈 指令 POP 堆栈指针SP SP实际为一个8位寄存器 它的内容是栈顶存储单元的地址 数据的进栈或出栈皆是对堆栈的栈顶单元进行的 SP始终指向堆栈最后压入或即将弹出的数据单元 即指向栈顶 堆栈使用方式堆栈的使用有两种方式 自动方式 执行子程序 中断响应时指令方式 执行指令 PUSH POP 关于堆栈区的划定 为保护足够的寄存器内容 需要堆栈有一定的深度 即有足够的容量 原则上堆栈区可以是片内RAM任意区域 但通常SP设在30H以后 即在用户RAM 30H 7FH 之间开辟堆栈区 具体应用时栈区设置应和RAM的分配统一考虑 工作寄存器和位寻址区域分配好后再指定堆栈区域 系统复位后 SP 07H 则实际堆栈从08H单元开始 例MOVSP 3FH即40H 7FH单元为堆栈区 2 4 5程序存储器 程序存储器用来存放程序和表格常数程序存储器以程序计数器PC作地址指针 通过16位地址总线 可寻址的地址空间为64KB 程序存储器使用时情况 在80C51 87C51片内带有4KBROM EPROM程序存储器 内部程序存储器 4KB可存储约两千多条指令若开发的单片机系统较复杂 片内程序存储器存储空间不够用时 可外扩展片外程序存储器程序存储器的总容量为64KB片内 片外统一编址64KB总容量减去内部4KB即为外部能扩展的最大容量 中断入口地址区 在程序存储器中有一个固定的中断入口地址区 这些入口地址不得被其他程序指令占用 80C51的5个中断入口地址为 0003H 外部中断0的中断服务程序入口地址000BH 定时器 计数器0溢出中断服务程序入口地址0013H 外部中断1的中断服务程序入口地址001BH 定时器 计数器1溢出中断服务程序入口地址0023H 串行接口中断服务程序入口地址 2 4 680C51的存储器组织 根据作用分类 程序存储器ROM数据存储器RAM根据位置分类 片内存储器片外存储器 物理上构成了4个结构独立的存储器空间片内数据存储器 片外数据存储器片内程序存储器 片外程序存储器 片内程序存储器 片内ROM 8051 8751有4KB的片内ROM地址 0000H 0FFFH片内数据存储器 片内RAM 共有256B低128B片内RAM 地址 00 7FH高128B片内RAM 地址 80H FFH 特殊功能寄存器 SFR 区 占21B 片外ROM扩展 最多64K 地址为0000H FFFFH或者1000H FFFFH注 8051 8751芯片根据EA状态片外RAM扩展地址 0000H FFFFH 8051存储结构如图 逻辑上划分的3个存储器地址空间 片内外统一编址的程序存储器地址空间 64KB 片内片外的程序存贮器在同一逻辑空间中 地址从0000H FFFFH 共有64K字节范围片内数据存储地址空间 256B 片内数据存贮器地址范围 00H FFH片外的数据存储器地址空间 64KB 片外数据存贮器地址范围 0000H FFFFH 区分四个独立空间的方法 使用MOV MOVX MOVC三个不同的指令分别区分片内RAM 片外RAM和ROM片外ROM使用控制信号PSEN片外RAM使用控制信号RD WREA引脚接地 从片外ROM开始0000H 0FFFH位于片外ROMEA引脚接高电平 从片内ROM开始0000H 0FFFH位于片内ROMROM和片外RAM一定要用16位地址片内RAM和SFR 只能使用8位地址 2 580C51单片机并行输入 输出接口电路 80C51单片机有4个8位的并行接口P0 P1 P2和P3 共32根I O线 32个引脚 4个端口都是双向的 各接口都由接口锁存器 输出驱动器和输入缓冲器组成 各接口除可以作为字节输入 输出外 它们的每一条接口线也可以单独地用作位输入 输出线 各接口编址于特殊功能寄存器中 2 5 1P1口的内部结构及功能 P1口内部结构图示 接口功能 P1口只有一种功能 通用输入输出接口P1口作输出口时 外电路无需加上拉电阻P1口作输入口时 先向锁存器写 1 使 FET 截止 P1口由1个输出锁存器 2个三态输入缓冲器和输出驱动电路组成输出驱动电路内部设有上拉电阻 接口结构中锁存器起输出锁存作用 8位锁存器组成特殊功能寄存器P1 P1口的内部结构 2 5 2P2口的内部结构及功能 P2口内部结构图示 P2由1个输出锁存器 1个转换MUX 2个三态输入缓冲器 输出驱动电路和1个反相器组成 P2口的内部结构 接口功能 P2具有双重功能 通用I O口和高8位地址总线 地址总线单片机扩展时 控制 信号使MUX打向右边 内部的地址线经反相器与输出驱动器相连 于是内部 地址 信号可以由P2口引脚输出 此地址信号为高8位地址 通用I O接口 作为通用I O口时 控制 信号使MUX打向左边 这时P2口电路结构与P1口相同 其功能和用法亦与P1口相同 负载能力也相同 2 5 3P3口的内部结构及功能 P3口内部结构图示 P3口由1个输出锁存器 3个输入缓冲器 其中2个为三态 输出驱动电路和1个与非门组成输出驱动电路与P2接口和P1接口相同 内部设有上拉电阻 与P1口相比多了一个与非门和一个输入缓冲器 所以它除了可作为一般I O口外 还具有第二功能 P3口的内部结构 接口功能 通用I O接口作为通用I O接口时 第二功能输出 线为 1 接口的电路结构与P1口相同 所以功能和用法均与P1相同 第二功能当P3口作为第二功能使用时些信号为输出 有些信号为输入 为使第二功能信号能顺畅的输入或输出 该口锁存器的状态必须为 1 2 5 4P0口的内部结构与功能 P0口的内部结构图 P0口的内部结构 P0接口由一个输入锁存器 两个三态缓冲器 一个输出驱动电路和一个输出锁存器 输出锁存器为D触发器 出驱动电路由一对场效应管T1 T2组成 输出控制电路由一个与门 一个反相器和一个模拟转换开关MUX组成 接口功能 P0口可作为通用I O接口 也可作为地址 数据总线口 地址 数据总线这时 控制 信号为1 多路开关MUX向上 地址 数据信号反相后经多路开关送到下一个场效应管的栅极 如果地址 数据信号为1 则下一个场效应管截止 上一个场效应管导通 引脚为高电平 若地址 数据信号为0 则下一个场效应管导通 上一个场效应管截止 引脚为低电平 即地址 数据信号可顺利的到达引脚 通用I O接口 此时 控制 信号为 0 多路开关MUX向下 输出驱动器处于开漏状态 故需外接上拉电阻 这种情况下 电路结构与P1相同 所以也是一个准双向口当要作为输入时 必须先向口锁存器写 1 2 5 5并行接口电路小结 按功能划分P0口 地址低8位与数据线分时使用端口 P1口 按位可编址的输入输出口 P2口 地址高8位输出口 P3口 双功能口 若不用第二功能 可作通用I O口 按双向口划分 在4个口中只有P0口是真正的双向口 而其余的3个口都是准双向口 为此就要求P0口的输出缓冲器是一个三态门 在P0中输出三态门是由两个场效应管 FET 组成的 所以说它是一个真正的双向口 其它3个口中 上拉电阻代替了P0口中的场效应管 输出缓冲器不是三态的 因此不是真正的双向口 而只称其为准双向口 按三总线划分 地址线 P0 P2口分别输出地址的低8位和高8位 数据线 P0口输入输出8位数据 控制线 P3口的8位加上PSEN ALE共同完成 按负载能力划分 4个I O口的输入和输出电平与CMOS电平和TTL电平均兼容 P0接口的每一位可驱动8个LSTTL负载 P1 P2 P3接口的每一位可驱动4个LSTTL负载 2 680C51单片机的时钟电路与时序 单片机的工作过程是 取一条指令 译码 进行操作 再取一条指令 这样自动地 一步一步地依序完成相应指令规定的功能 各指令的操作在时间上有严格的次序 这种操作的时间次序称作时序 单片机的时钟信号用来为单片机芯片内部各种操作提供时间基准 80C51单片机的时钟信号通常有两种方式产生 一是内部时钟方式 二是外部时钟方式 2 6 1时钟电路 内部时钟方式 图中电容器C1和C2的作用是稳定频率和快速起振电容值在5 30pF 典型值为30pF晶振的振荡频率范围在1 2 12MHz间选择 典型值为12MHz和6MHz XTAL1和XTAL2引脚外接石英晶体 简称晶振 就构成了自激振荡器并在单片机内部产生时钟脉冲信号 外部时钟方式 一般要求外部信号高电平的持续时间大于20ns 且为频率低于12MHz的方波对于CHMOS工艺的单片机 外部时钟要由XTAL1端引入 而XTAL2引脚应悬空 把外部已有的时钟信号引入到单片机内 此方式常用于多片80C51单片机同时工作 以便于各单片机的同步 2 6 2时钟时序的基本概念 晶振周期 或外部时钟信号周期 为最小的时序单位节拍 一个晶振周期定义叫 节拍 用 P 表示 状态 晶振脉冲经二分频后成为时钟信号 将时钟周期定义为 状态 用 S 表示 一个状态等于两个节拍 即S 2P前一个节拍称作节拍1 P1 后一个节拍称作节拍2 P2 机器周期 晶振信号12分频后形成一个机器周期包含12个晶振周期一个机器周期包含6个状态 依次记作S1 S6一个机器周期包含12个节拍 依次记作S1P1 S1P2 S2P1 S2P2 S6P2指令周期 执行一条指令所需要的时间 指令周期是最大的时序定时单位 它一般由若干个机器周期组成 80C51单片机的指令按执行时间可以分为三类 单周期指令 双周期指令和四周期指令 四周期指令只有乘 除两条指令 例 设单片机工作在晶振频率为12M 则时钟周期为 1 12微秒一个机器周期 12 1 12 1微秒若单片机工作在晶振频率为6M 则时钟周期为 1 6微秒一个机器周期 12 1 6 2微秒 80C51单片机的指令时序 单周期单字节指令单周期双字节指令双周期单字节指令访问外部RAM周期单字节指令 2 780C51单片机的工作方式 复位是使单片或系统中的其他部件处于某种确定的初始状态 单片机的工作是从复位开始的 2 7 1复位方式 复位电路 当在80C51单片机的RST引脚引入高电平并保持2个机器周期时 单片机内部就执行复位操作 若该引脚持续保持高电平 单片机就处于循环复位状态 实际应用中 复位操作有两种基本形式 一种是上电复位 另一种是上电与按键均有效的复位 上电复位 它是利用电容充电来实现的在接电瞬间 RESET端的电位与VCC相同 随着充电电流的减少 RESET的电位逐渐下降 只要保证RESET为高电平的时间大于两个机器周期 便能正常复位 上电复位要求接通电源后 单片机自动实现复位操作 常用的上电复位电路图如图所示 上电与按键均有效的复位 上电复位原理与上相同另外在单片机运行期间 还可以利用按键完成复位操作 此时电源VCC经电阻R1 R2分压 在RESET端产生一个复位高电平 晶振为6MHz时 R2为200 复位后 内部各专用寄存器状态表 2 7 2节电方式 80C51有两种低功耗方式 即待机方式和掉电保护方式 待机方式和掉电方式都是由专用寄存器PCON 电源控制寄存器 的有关位来控制PCON寄存器格式 SMOD 波特率倍增位 在串行通信时才使用GF1 GF0 通用标志位PD 掉电方式位 PD 1 则进入掉电方式IDL 待机方式位 IDL 1 则进入待机方式 待机方式 使用指令使PCON寄存器IDL位置1 则80C51即进入待机方式这时振