微机原理与应用- 硬件结构幻灯片.ppt

第2章MCS 51单片机的硬件结构 1 主要内容 MCS 51单片机基本组成MCS 51单片机存储器的配置MCS 51I O口的功能MCS 51单片机时序及电路 复位电路 2 1MCS 51单片机的硬件结构 1 微处理器CPU 2 数据存储器RAM 3 FlashROM 4 4个8位并行I O口 P0 P1 P2 P3 5 1个串行口 6 2个16位定时器 计数器 7 中断系统 8 特殊功能寄存器SFR各功能部件通过片内单一总线连接 CPU采用SFR对各功能部件集中控制 组成 按功能划分 核心部件 8位处理器 处理字节数据 位变量 B byte字节 bit位 一个byte为8bit 包括 运算器 控制器负责控制 指挥和调度系统协调的工作 完成运算和控制输入输出功能等操作 1 微处理器CPU 容量 128B寻址空间 216 64KB 片外最多可外扩64KB功能 程序运行时 存储中间结果或数据特点 随机读写 掉电数据丢失 2 数据存储器 RAM 容量 4KBFlashROM寻址空间 216 64KB 片外最多可外扩64KB功能 存放用户程序 原始数据或表格 特点 程序运行时 数据只读 3 程序存储器 ROM 8031无 存储器的基本概念 存储器由大量缓冲寄存器组成 用作存放程序和数据 每一个寄存器就称为一个存储单元 每个存储单元有一个唯一的固定编号 称为存储单元的地址 在51单片机中 地址线为16根 则可译成216 65536个地址号 也称为16根地址线的最大寻址范围 210 1K 216 64K 存储器容量存储单元地址 两个16bit的可编程定时 计数器 4种工作方式 实现定时或计数 产生中断 控制程序转向 4 定时 计数器 4个8位I O口 P0 P1 P2或P3 用于对外部数据的传输 5 并行输入输出口 1个全双工串行通信口 4种工作方式 用于与其它设备间的串行数据传送 6 全双工串行口 5个中断源 2个外中断 2个定时 计数器中断 1个串行中断2级的优先级别选择 7 中断系统 21个SFR 用于CPU对片内各功能部件的管理控制 是 个具有特殊功能的RAM区 8 特殊功能寄存器 SFR 这些引脚的含义 2 2MCS 51的引脚 40只引脚双列直插封装 1 主电源引脚 接地端 5V电源 2 晶振引脚 1234567891011121314151617181920 4039383736353433323130292827262524232221 80318051875189C51 内部时钟方式 外部时钟方式 时钟输入 输出 3 控制引脚 1234567891011121314151617181920 80318051875189C51 访问外部ROM时读选通信号 地址锁存允许 复位2个机器周期的高电平单片机工作时为低电平 0访问外部ROM1访问内部ROM 编程电压输入 编程脉冲输入 4 I O引脚 2 3MCS 51的CPU B寄存器工作寄存器 ACC 暂存器 P0P1P2P3 指令寄存器 定时控制电路 PSENALEEARST 时钟电路 SP 特殊功能寄存器SFR PSW ALU I O锁存 驱动器 DPTR RAM ROM PC 内部总线 CPU 运算器 控制器 运算器 功能 算术和逻辑运算 位操作功能 组成 ALU A Acc PSW BCD修正电路控制器 功能 取指令 译码 执行指令组成 PC指令寄存器IR 指令译码器ID定时与逻辑控制电路 1 运算器 ALU 算术运算 逻辑运算 位处理累加器A ACC ALU数据输入源之一ALU计算结果的存放单元位处理器Cy 位运算程序状态字寄存器 PSW D7D6D5D4D3D2D1D0CYACF0RS1RS0OV P 程序状态字ProgramStatusWord 工作寄存器组选择 进位位 辅助进位位 用户标志 溢出位 00寄存器组001寄存器组110寄存器组211寄存器组3 奇偶位A中1的个数为偶数时P 0为奇数时P 1 2 控制器 主要任务是识别指令 根据指令的性质控制单片机各功能部件 单片机执行指令是在控制器的控制下进行的 1 指令寄存器及逻辑控制电路 指令寄存器IR InstructionRegister 指令译码器ID InstructionDecoder 程序存储器 指令寄存器 逻辑控制电路 取出指令 指令译码器 译码 定时信号控制信号 PC 单片机执行一条指令的全过程 2 程序计数器ProgramCounter 下一条要执行指令的ROM地址寻址空间216 64KB复位时PC 0000H工作方式顺序执行 自动加1转移指令 置入新值中断响应 调用子程序时 PC值入栈 出栈 读指令时 PC将其中的数作为所取指令的地址输出给ROM 然后ROM按此地址输出指令字节 同时PC内容自动增加 指向下一条指令在ROM中的地址 PC没有地址 是不可寻址的 因此用户无法对它进行读写 但可以通过转移 调用 返回等指令改变其内容 以实现程序的转移 因地址不在SFR之内 一般不计作特殊功能寄存器 2 4MCS 51的存储器 特点 哈佛结构ROM与RAM各自独立 有各自独立的寻址方式与寻址空间组成 程序存储器 片内 片外 内部数据存储器 特殊功能寄存器 位地址空间 外部数据存储器 1 程序存储器 ROM用来存放编好的程序和表格常数存储器分为片内和片外由EA引脚控制EA 1 片内EA 0 片外寻址空间216 64KB 程序运行的入口地址 开机复位 系统从0000H开始取指令ROM的某些单元被用作各中断源的中断服务程序入口地址 2 内部数据存储器 共128B空间32个工作寄存器128bit寻址空间 工作寄存器区 3 位地址空间 内部RAM可寻址位及其地址 20H 2FH 128个位 2 SFR的位地址分布 分布在80H FFH中21个字节中的11个中 共83个位 4 特殊功能寄存器 具有特殊功能的片内RAM单元 字节范围80H FFH 共21个11个字节地址末位0或8的可位寻址 共83位例如A累加器 E0H E7H E0HPSW程序状态字 D0H D7H D0H 数据写入堆栈 入栈 PUSH sp内容自动增值数据从堆栈弹出 出栈 POP sp内容自动减值先入栈的数据后出栈后入栈的数据先出栈 PUSH和POP 保护断点 执行子程序 中断程序时 保护主程序断点地址现场保护 寄存器单元的内容 先入后出 1 堆栈指针SP 81H 向上生长 在复位运行程序前置SP 60H或更大值 单片机复位 SP 07H 例2 1 PC值入栈 16位8位 SP 1 SPPC低8位 SP SP 1 SPPC高8位 SP 第1 第2 PCHPCL 例2 2 PC值出栈 SP PC高8位 SP 1 SP SP PC低8位 SP 1 SP PCHPCL 第2 第1 2 数据指针 DPTR 16位SFR存放ROM和外部RAM的地址可分DPH和DPL两个独立8位寄存器使用DPH 83HDPL 82H 3 I O端口P3 P0 为I O端口P3 P0的锁存器 与RAM统一编址 字节地址位地址 4 寄存器B为乘 除法而设置的寄存器 乘积高8位 除数 余数 5 串行缓冲器SBUF用于存放发送和接收的数据 6 定时 计数器定时 计数器T0 TH0 TL0 定时 计数器T1 TH1 TL1 5 外部数据存储器 MCS 51单片机访问外部数据存储器用数据指针寄存器DPTR进行寻址 DPTR为16位 可寻址范围为64KB 扩展外部数据存储器的最大容量是64KB 6 存储器小结 1 存储器分类 按照物理结构可分4部分片内 片外ROM 片内 片外RAM从寻址空间分布可分为3部分ROM 内部RAM 外部RAM从功能上可以分成5部分ROM 内部RAM SFR 位地址空间 外部RAM 2 不同地址由不同指针指示 ROM由PC指示指令的地址 复位为PC 0000HRAM由DPTR及R0 R1指示地址ROM和RAM严格区分 3 地址重叠 MOVC MOV MOVX 2 5并行I O端口 P0 数据 地址总线 通用I O口P1 通用I O口P2 地址总线 通用I O口P3 功能口 通用I O口 组成1个数据输出锁存器数据输出驱动器 2个场效应管FET2个数据输入缓冲器 三态门1个多路转接开关MUX D锁存器 当CP 0时 D触发器的状态不变 当CP 1时 D触发器的状态取决于D 场效应管FET 0UGS th ID随着UGS变化导通 栅极G 漏极D 源极S 三态门 E 1时 输出 输入 总线由该器件驱动 总线上的数据由输入数据决定 当E 0时 输出端呈高阻抗状态 该器件对总线不起作用 控制端E 输入端 输出端总线 数据 地址 低8位地址 分时复用 I O口在输出数据时 必须外接 上拉电阻 做输入口时 先写 1 P0口作为I O口时是三态双向口 高阻抗 0 1 三种状态负载能力 8个TTL负载 通常把100uA输入电流定义为一个TTL负载的输入电流 1 P0端口 1 P0端口 A D C 3 4 V1 V2 1 C 1 地址 数据分时复用 C 1MUX上拨 P0 X A D 与门打开 A D 1 1 V2导通P0 X 1 1 0 V1截止上拉 A D 0 0 V2截止P0 X 0 1 1 V1导通下拉 P0口输出是作为总线的地址 数据信号还是作为I O口的电平信号 是依靠多路开关MUX切换的 而MUX的切换又是根据单片机指令来区分的 MOVXMOV 2 C 0 通用的I O口 输出 读引脚 读端口 读锁存器 C 0MUX下拨 与门关闭 V2截止 输出时 写入 1 P0 X DD 1 Q 0 V1截止 P0 X漏极开路 外接上拉电阻 P0 X 1D 0 Q 1 V1导通 P0 X 0 输入时 令D 1 V1截止 高阻 引脚浮空读引脚 4 打开 内部总线 P0 X读端口 锁存器 3 打开 内部总线 Q 2 P1端口 通用I O口准双向口 一般只能用于数据输入输出 输入时为约50K弱上拉状态 端口只有两种状态 高或低 做输入口时 先写 1 4个TTL负载 2 P1端口 输出 写入 1 P1 X DD 1 Q 0 V1截止 P1 X 1D 0 Q 1 V1导通 P1 X 0 无需上拉电阻 输入 令D 1 V1截止读引脚 1 打开 内部总线 P1 X读端口 2 打开 内部总线 Q 3 P2端口 通用I O高8位地址准双向口做输入口时 先写 1 4个TTL负载 3 P2端口 1 通用I O口 同P1口功能 2 高8位地址输出 反相器 1 地址A P2 X AA 1 1 1 V1截止 P2 X 1A 0 1 0 V1导通 P2 X 0 4 P3端口 通用I O口准双向口做输入口时 先写 1 4个TTL负载 4 P3端口 1 通用I O口 令W 1 D 输出时 P3 X DD 1 0 V1截止 P3 X 1D 0 1 V1导通 P3 X 0 输入时 令D 1 V1截止读引脚 1 打开 内部总线 P3 X读端口 2 打开 内部总线 Q 4 P3端口 2 第2功能口 令D 1 W 输出 P3 X WW 1 0 V1截止 P3 X 1W 0 1 V1导通 P3 X 0 输入 令W 1 V1截止第2功能输入 P3 X P3口的第二功能 2 6时钟电路与时序 时钟电路产生单片机所需的时钟控制信号 单片机内部电路在时钟信号控制下 按时序执行指令 时序 指令执行中各个信号在时间上的关系 时序信号的作用片内各部件的控制 无需了解 片外存储器和I O端口的控制 时钟电路 1 内部时钟方式 晶振频率 6 12MHz 时钟信号有两种引出方式 P27图2 12 2 外部时钟方式 低于12MHz 多片单片机同时工作 便于同步 2 机器周期 指令周期与指令时序 1 时钟周期 为单片机提供定时信号的振荡源的周期 晶振周期或外加振荡源周期 单片机的基本时间单位 2 机器周期 CPU完成一个基本操作所需的时间T机器 12T时钟 6个状态S1 S6 每个状态两拍P1 P2 共12拍 ALE地址锁存允许 信号有效1次 对应CPU的1次读指令操作 1 6时钟脉冲出现 每个机器周期有效2次 S1P2 S2P1 S4P2 S5P1 3 指令周期 执行一条指令所需的时间指令按存储字节分单字节 双字节 三字节指令指令按执行速度分单机器周期 双机器周期 4机器周期指令 乘 除 单字节单周期指令 单字节双周期指令 单字节四周期指令 双字节单周期指令 双字节双周期指令 三字节双周期指令 例2 3 例如 外接晶振为12MHz时 MCS 51单片机的3个时间周期的具体值为 T机器 12 T时钟 12 1 12MHz 1 s时钟周期 1 12 s 机器周期 1 s 指令周期 1 4 s 4 指令时序 取指令阶段把PC中地址送到ROM 并从中取出执行指令的操作码和操作数执行指令阶段对指令操作