第一讲：单片机基础.ppt

第1讲 单片机的结构和原理 本讲重点 1 单片机的三总线结构2 单片机的存储器配置3 单片机的工作时序4 单片机的最小系统 一 单片机的引脚功能 51单片机有五种常见的封装形式 40DIP44DIP48DIP52DIP68DIP下面以最常用的40DIP的封装为例介绍各个引脚的功能定义 MCS 51单片机40脚Vcc GND2XTAL1 XTAL22RESET VPD1EA Vpp1ALE PROG1PSEN1 P0 0 P0 78P1 0 P1 78P2 0 P2 78P3 0 P3 78 Vcc GND 正电源端与接地端 5V 3 3V 2 7V XTAL1 XTAL2 片内振荡电路输入 输出端RESET VPD 复用引脚RESET 复位端 正脉冲有效 宽度 8mS VPD 掉电保护 接 5V备用电源 复位信号电源 EA VPP 复用引脚VPP 编程电压输入端 15V 21V 仅在烧写程序时使用该功能 EA 寻址外部ROM控制端 低有效当片内有ROM时应当接高电平 上电后从片内ROM的0000H单元开始执行 当程序执行超出片内ROM时 自动转向外部ROM的0000H单元执行 当片内无ROM时 该引脚接低电平 上电后从片外ROM的0000H开始执行 ALE PROG 复用引脚ALE 地址锁存允许输出端 输出晶振时钟的6分频PROG 编程脉冲输入端 在烧写程序时和VPP配合使用PSEN 外部ROM的读选通输出端 低有效P0 P3口 4个8位并行I O口 51单片机的三总线 非常重要 数据总线DB8根 CPU的字长为8位 双向P0口的8位地址总线AB16根 可以寻址216 64KB个空间 单向 CPU 外部 P0口和P2口提供P0口提供低8位地址P2口提供高8位地址控制总线CB12根 P3口 RST ALE PSEN EA 每一根都是单向的 但总体是双向的 P3口第二功能表 二 51单片机的内部结构及工作原理 1 主要结构 CPU ALU 功能寄存器 控制器 存储器 RAM ROM 定时器及中断I O口2 工作原理 1 根据PC值从ROM中取指令 将指令送入缓冲器 BUFFER 同时PC加12 上一指令执行完后将该指令送入指令译码器 ID 翻译执行该指令 同时再取指令等候 3 51子系列单片机的主要功能特点 8位的CPU 内含布尔处理器 片内有128B的RAM和4KB的ROM 可以外扩64KB的ROM和64KB的RAM 5个中断源 两个中断优先级 4个8位并行I O口 2个16定时 计数器 1个全双工串行通信口 片内振荡及时钟电路 三 51单片机的存储器配置 数据存储器RAM用途 存放中间结果分类 内部RAM 256B 和外部RAM 64KB 编址方式 独立编址 内部RAM地址 00H FFH外部RAM地址 0000H FFFFH内外部RAM有256B的地址重叠访问方式 软件区分 MOV指令 访问内部RAMMOVX指令 访问外部RAM 重点掌握片内RAM的分区和使用 1 片内低128B的RAM 00H 7FH 按照功能不同分为三个区域 工作寄存器组区 位寻址区和用户RAM区 工作寄存器组区字节地址 00H 1FH 共32个字节使用方法 分成四个工作寄存器组 每组包括8个工作寄存器 R0 R7 同一时刻只有一组有效 通过PSW的RS0 RS1位来选择 用途 一般微机中的通用寄存器 可以存放任何性质的数据 位寻址区字节地址 20H 2FH 共16个字节128位对应的位地址 00H 7FH作用 存放位操作类指令的中间结果特点 每一位都可以进行位寻址 即可以通过位操作类指令对其中的某一位单独进行操作 用户RAM区字节地址 30H 7FH 共80个字节作用 存放字节操作中间结果 开辟堆栈补充 关于堆栈 51的堆栈由堆栈指针SP管理 1 堆栈的作用 保护断点 恢复现场2 堆栈的结构 特点 栈底固定 由SP的初始值决定 栈顶浮动 随堆栈操作变化 3 对堆栈的基本操作 1 进栈 数据进栈时 SP先自加一 指向SP 1单元 即栈底上的第一个单元 再将数据将放进此时的栈顶单元SP 1单元中 新的栈顶为SP 1指向的单元 2 出栈 数据出栈时 先将此时的栈顶单元 此时SP指向的单元 内容取出后 SP再进行自减一的修正 即新的栈顶为SP 1指向的单元 结论 堆栈的操作原则为 后进先出 适用于任何类型CPU的堆栈 字节操作 仅适用于8位字长的CPU 2 片内高128B的RAM字节地址 80H FFH作用 特殊功能寄存器区 SFR区 8051内部有21个SFR 它们离散地分布在80H FFH中 未占用的地址单元无定义 用户不能使用 其中 有11个可以位寻址的SFR 它们的字节地址都能被8整除 特殊功能寄存器SFR 专用寄存器 专用于控制 选择 管理 存放单片机内部各部分的工作方式 条件 状态 结果的寄存器 3 为CPU服务的SFR 程序计数器PC 16位作用 用于存放将要执行的指令地址 从而指引CPU执行程序 即CPU只执行PC指向的ROM单元内指令 每执行完一条指令 PC便自动加一 不同的SFR管理不同的硬件模块 负责不同的功能 各司其职换言之 要让单片机实现预订的功能 必须有相应的硬件和软件 而软件中最重要的一项工作就是对SFR写命令 要求 特点 无地址 不能直接访问 但可以通过控制转移类指令改变其内容 以实现对程序走向的控制 累加器A 8位作用 为大多数指令的执行提供操作数 是最繁忙使用频率最高的一个SFR 寄存器B 副累加器 8位作用 协助累加器A完成乘 除运算 普通的寄存器 存放中间结果 堆栈指针SP 8位作用 提供堆栈操作的栈顶位置 程序状态字PSW 8位 CY PSW 7 进位 借位标志位 若在运算过程中D7位向D8位发生了进位或借位 则CY 1 否则 0 它也是布尔处理器的位累加器 可用于布尔操作 AC PSW 6 半 辅助 进位 借位标志位 若在运算过程中 D3位向D4位发生了进位或借位 则AC 1 否则 0 机器在执行 DAA 指令时自动要判断这一位 并作为调整的依据 F0 PSW 5 可由用户定义的标志位 RS1 PSW 4 RS0 PSW 3 工作寄存器组选择位 OV PSW 2 溢出标志位 OV 1 指在进行有符号数加减运算时出错 超出8位二进制有符号数的表示范围 128 127 无符号数除法运算中 除数为零 无符号数乘法运算中 乘积超出8位OV 0 未出错 除数不为零 乘积不超过8位 有符号数加减运算中OV的确定方法 OV CY7 CY6其中 CY7表示D7向D8的进 借位状态 CY6表示D6向D7的进 借位状态 P PSW 0 奇偶标志位 P 1表示累加器中 1 的个数为奇数P 0表示累加器中 1 的个数为偶数即 P始终跟随累加器A的状态 数据指针DPTR 16位结构 由高字节DPH和低字节DPL组成 作用 整体使用 用于存放16地址 以访问外部RAM和对存放在ROM中的表格进行查表 单独使用 DPH和DPL作为一般的RAM单元进行访问 PSW 1未定义 不能使用 程序存储器ROM用途 存放程序代码和数据表格分类 内部ROM和外部ROM 64KB 编址方式 独立编址 内部ROM地址 0000H 0FFFH外部ROM地址 0000H FFFFH内外部ROM有地址重叠访问方式 EA引脚区分 中断入口地址 0003H 外中断0000BH 定时器00013H 外中断1001BH 定时器10023H 串口中断单片机中 各中断源的中断服务程序入口地址是固定的 哪一个中断源中断 在PC中会自动装入该中断源对应的中断入口地址 使程序转向该中断入口寻找对应的中断服务程序 四 并行I O口 重点掌握各个口的实际用法1 P0口 结构特点 多路转接电路MUX 内部无上拉电阻用途 普通I O口输入口 必须先将相应口线置 1 否则不能正确读入外部状态输出口 必须外接上拉电阻 否则不能输出 1 地址 数据线在实际应用中 P0口多用做地址 数据线 分时提供8位数据和访问外部存储器的低8位地址 2 P1口 结构特点 无多路转换其MUX 内部有上拉电阻用途 只作为普通的I O口输入口 必须先将相应口线置 1 输出口 无需外接上拉电阻3 P2口 结构特点 有MUX和上拉电阻用途 普通I O口输入口 必须先将相应口线置 1 输出口 无需外接上拉电阻 地址线在实际应用中 P2口多用来提供访问外部存储器的高8位地址 4 P3口 结构特点 与P1口相比 增加了与非门和缓冲器用途 普通I O口输入口 必须先将相应口线置 1 输出口 无需外接上拉电阻 控制线 第二功能在实际应用中 P3口多使用其第二功能 1 复位方式 复位条件 给RESET引脚输入 8ms的高电平 复位电路 a 简单复位电路 五 单片机的工作方式 b 专用复位芯片 看门狗芯片 复位的影响 PC 0000H SP 07H P0 P3 FFH SBUF不定其余的SFR均为 00H 2 程序执行方式这是单片机的基本工作方式 程序总是从ROM单元的0000H开始执行 3 节电方式 硬件条件 CHMOS工艺 实现方法 待机方式 空闲方式 软件置位PCON中的IDL位特点 a 仅向中断 串口 定时器提供内部时钟 外围功能和中断仍然有效 b CPU内部的状态 SP A PC和PSW的内容 维持不变 片内RAM和端口状态不变 退出方法 a 硬件复位 RST 1b 中断方式 任何一个允许的中断被触发都会使IDL被硬件清零 结束待机方式 掉电方式 软件置位PCON中的PD位特点 内部振荡器停止工作 所有的功能都停止内部RAM区和SFR的内容保留退出方法 退出掉电方式的方法只有一个 硬件复位 掉电方式优先于节电方式 4 编程和校验方式此时 单片机处于烧写程序状态重点掌握复位方式 六 单片机的工作时序 计算机的CPU实质上是一个复杂的同步时序电路 这个时序电路是在时钟脉冲的推动下工作的 单片机的工作时序 是指在指令执行过程中 CPU控制器所发出的一系列特定的控制信号在时间上的先后关系 1 时序的基本概念 重点掌握 四个时序单位 振荡周期 又称为节拍 用P表示 是时序的最小单位 指时钟振荡源的振荡周期 即P 1 fosc状态周期 又叫时钟周期 用S表示 定义S 2P 即一个状态包括前拍 P1 和后拍 P2 两个拍 在一个时钟周期内 CPU仅完成一个最基本的动作 机器周期 指CPU完成一个基本操作所需要的时间 51中规定一个机器周期包含12个时钟周期 即6个状态周期 两个典型值 fosc 6Mhz 则机器周期为2 Sfosc 12Mhz 则机器周期为1 S指令周期 执行一条指令需要的时间 由若干个机器周期组成 指令不同所需时间也不相同 51单片机中一条指令执行的时间一般在1 4个机器周期 时钟电路内部时钟