（精选）第3章 51系列单片机(1)(2课时).ppt

单片机原理与技术 第三章51系列单片机 结构和原理 王浩副教授 中南大学信息科学与工程学院 1 本节内容 什么是单片机单片机的特点和应用MCS 51单片机的硬件结构MCS 51单片机的工作过程MCS 51单片机开发最小系统 2 微型计算机硬件结构 内部结构 CPU CentralProcessingUnit 3 硬件系统 构成微机的实体和装置 软件系统 微机系统所使用的各种程序的总称 软件系统与硬件系统共同构成实用的微机系统 两者是相辅相成 缺一不可的 微型计算机系统 4 单片机是指集成在一个芯片上的微型计算机 简称单片机 单片机实质上就是一个芯片 2 单片微型计算机 5 单片机应用系统 单片机应用系统 由硬件系统和软件系统组成 硬件是应用系统的基础 软件是在硬件的基础上对其资源进行合理调配和使用 从而完成应用系统所要求的任务 二者相互依赖 缺一不可 注 本课程的重点 1 掌握单片机应用系统硬件原理的分析方法 2 掌握软件设计与调试的基本技能 6 本节内容 什么是单片机单片机的特点和应用MCS 51单片机的硬件结构MCS 51单片机的工作过程MCS 51单片机开发最小系统 7 二 单片机的特点及应用 1 单片机的特点 体积小 重量轻 电源单一 功耗低 功能强 价格低 运行速度快 抗干扰能力强 可靠性高 早期的单片机都是8位或4位的 随着工业控制领域要求的提高 开始出现了16位单片机 主流还是8位 8 2 单片机应用 工业方面 民用方面 仪表方面 电讯方面 数据处理方面 汽车方面 9 3 单片机种类 目前8位单片机仍是单片机的主流机型 常用单片机 单片机的发展经历了由4位机到8位机 再到16位机 32位机的发展过程 PIC单片机EMC单片机ATMEL单片机 51单片机 PHLIPIS51PLC系列单片机 51单片机 HOLTEK单片机TI公司单片机 51单片机 10 本节内容 什么是单片机单片机的特点和应用MCS 51单片机的硬件结构MCS 51单片机的工作过程MCS 51单片机开发最小系统 11 三 MCS 51单片机硬件结构 结构框图 中央处理器CPU 8位 运算和控制功能 内部RAM 共256个RAM单元 用户使用前128个单元 用于存放可读写数据 后128个单元被专用寄存器占用 内部ROM 4KB掩膜ROM 用于存放程序 原始数据和表格 定时 计数器 两个16位的定时 计数器 实现定时或计数功能 并行I O口 4个8位的I O口P0 P1 P2 P3 串行口 一个全双工串行口 中断控制系统 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 时钟电路 可产生时钟脉冲序列 允许晶振频率6MHZ和12MHZ 12 1 8051单片机的基本组成 中央处理器CPU 8位 运算和控制功能内部RAM 共256个RAM单元 用户使用前128个单元 用于存放可读写数据 后128个单元被专用寄存器占用 内部ROM 4KB掩膜ROM 用于存放程序 原始数据和表格 定时 计数器 两个16位的定时 计数器 实现定时或计数功能 并行I O口 4个8位的I O口P0 P1 P2 P3 串行口 一个全双工串行口 中断控制系统 5个中断源 外中断2个 定时 计数中断2个 串行中断1个 时钟电路 可产生时钟脉冲序列 允许晶振频率6MHZ和12MHZ 13 2 MCS 51单片机信号引脚简介MCS 51单片机的封装有两种形式 一种是双列直插式PDIP PLASTICDIP 封装的形式 另一种是方形封装形式PLCC PLASTICLEADEDCHIPCARRIED 方形封装有44引脚 其中4个NC为空引脚 HMOS工艺的80C51单片机采用40引脚的PDIP封装 CHMOS工艺的单片机80C51除采用PDIP封装外 还采用PLCC封装形式 40引脚PDIP封装的80C51单片机引脚排列图如下图所示 14 2 MCS 51单片机信号引脚简介 P3口线的第二功能 VCC VSS XTAL2XTAL1 RST P0 0P0 1P0 2P0 3P0 4P0 5P0 6P0 7 P1 0P1 1P1 2P1 3P1 4P1 5P1 6P1 7 P2 7P2 6P2 5P2 4P2 3P2 2P2 1P2 0 ALE P3 0P3 1P3 2P3 3P3 4P3 5P3 6P3 7 2 振荡电路 XTAL1 XTAL2 3 复位引脚 RST 4 并行口 P0 P1 P2 P3 7 ALE 地址锁存控制信号 1 电源线 VCC 5V VSS 地 15 3 存储器 80318751805189C51 256B 字节 4K 64K 64K 16 1 程序存储器 程序存储器 内部 外部 PC 程序存储器资源分布 中断入口地址 17 内部 外部 2 数据存储器 数据存储器 RAM 专用寄存器 内部RAM存储器 工作寄存器区选择位RS0 RS1 18 MSB MostSignificantBit 最高有效位 LSB LeastSignificantBit 最低有效位 RAM位寻址区位地址表 19 高128个单元 离散分布有21个特殊功能寄存器SFR 11个可以进行位寻址 特别提示 对SFR只能使用直接寻址方式 书写时可使用寄存器符号 也可用寄存器单元地址 20 4 并行输入 输出电路结构 P0 0P0 1P0 2P0 3P0 4P0 5P0 6P0 7 P1 0P1 1P1 2P1 3P1 4P1 5P1 6P1 7 P2 7P2 6P2 5P2 4P2 3P2 2P2 1P2 0 P3 0P3 1P3 2P3 3P3 4P3 5P3 6P3 7 4个8位并行I O口 P0 P1 P2 P3 均可作为双向I O端口使用 1 特点 P0 访问片外扩展存储器时 复用为低8位地址线和数据线 P2 高8位地址线 P1 双向I O端口 P3 第二功能 21 端口的功能80C51单片机有4个8位的双向并行输入 输出 I O 端口 称为P0口 P1口 P2口和P3口 1 P0口是一个双功能的8位并行I O口 字节地址为80H 位地址为80H 87H 可作输入 输出端口使用 又可作地址 数据总线分时传输低8位地址和8位数据 2 P1口是单一功能的并行I O口 字节地址为90H 位地址为90H 97H 它只用作通用的数据输入 输出口 3 P2口是一个双功能的8位并行I O口 字节地址为80H 位地址为A0H A7H 可作通用的输入 输出口用 又可用作高8位地址总线 4 P3口是一个双功能的8位并行I O口 字节地址为B0H 位地址为B0H B7H 它的第一功能是通用输入 输出口 作第二功能用时 各引脚定义如下 22 P0结构与运作P0口的位电路结构由以下几个部分组成 1个输出锁存器 用于进行输出数据的锁存 2个三态输入缓冲器 分别用于锁存器和引脚数据的输入缓冲 1个多路开关MUX 它的一个输入来自锁存器 另一个输入是地址 数据信号的反相输出 在控制信号的的控制下能实现对锁存器输出端和地址 数据线之间的切换 由两只场效应管组成的输出驱动电路 23 P1结构与运作P1口是一个准双向口 只作通用输入 输出口使用 除了无多路开关MUX之外 其输出驱动部分也与P0口不同P1口的位电路结构由以下几个部分组成 一个数据输出锁存器 用于输出数据的锁存 两个三态输入缓冲器 BUF1用于读锁存器 BUF2用于读引脚 数据输出驱动电路 由场效应管VT和片内上拉电阻R组成 24 P2结构与运作从图可见 P2口的位结构比P1口多了一个多路开关MUX P2口的位电路结构由以下几个部分组成 一个数据输出锁存器 用于输出数据的锁存 两个三态输入缓冲器 BUF1用于读锁存器 BUF2用于读引脚 一个多路开关MUX 它的一个输入来自锁存器的Q端 另一个输入来自内部地址的高8位 数据输出驱动电路由非门M 场效应管VT和片内上拉电阻R组成 25 P3结构组成P3口是双功能8位输入 输出口 内部结构中增加了第二输入 输出功能 如图2 13所示 P3口的位电路结构由以下几个部分组成 一个数据输出锁存器 用于输出数据的锁存 3个三态输入缓冲器 BUF1用于读锁存器 BUF2 BUF3用于读引脚和第二功能数据的缓冲输入 数据输出驱动电路 由与非门M 场效应管VT和片内上拉电阻R组成 26 5 MCS 51单片机的复位 2 5 1复位电路复位操作通常有两种基本形式 上电自动复位 手动按键复位 如下页图所示 上电自动复位操作要求接通电源后自动实现复位操作 如下左图所示 手动按键复位要求在电源接通的条件下 在单片机运行期间 用按钮开关操作使单片机复位 如下右图所示 在8C051单片机的RST引脚上输入高电平并至少保持两个机器周期 即24个振荡周期 以上时 复位过程即可完成 如果RST引脚持续保持高电平 单片机就处于循环复位状态 27 复位电路 28 单片机的复位状态 1 程序计数器PC初始化为0000H 使单片机从OOOOH单元开始执行程序 在运行中 当单片机的程序受外界因素干扰陷入死循环或跑飞时 为摆脱困境 可将单片机复位 重新启动 2 复位也可使单片机退出低功耗工作方式而进入正常工作状态 29 单片机复位后 P0 P3的端口锁存器被设置成FFH 堆栈指针SP设置成07H 串行口的SBUF无确定值 其它各专用寄存器包括程序计数器PC均被设置成00H 片内RAM不受复位的影响 上电后RAM中的内容随机 30 地址总线 AddressBus 简写AB 地址线A0 A15共16位 P2口提供高8位地址A8 A15 P0口经地址锁存器提供低8位地址A0 A7 片外存储器可寻址范围达64KB 即 65536个字节 数据总线 DataBus 简写DB 地址线D0 D7共8位 由P0口提供 分时输送低8位地址 通过地址锁存器锁存 和8位数据信息 控制总线 ControlBus 简写CB 控制总线由P3口的第二功能 P3 6 P3 7 和3根独立的控制线 ALE和组成 MCS 51单片机的片外三总线结构所谓总线 就是连接单片机与系统中各部件的一组公共的信号线 31 本节内容 什么是单片机单片机的特点和应用MCS 51单片机的硬件结构MCS 51单片机的工作过程MCS 51单片机开发最小系统 32 单片机的工作过程1 单片机在工作前 首先必须在存储器中装入程序 所谓程序 就是为了完成某项工作 将一系列指令有序地组合 而指令则是要求单片机执行某种操作的命令 2 指令分为操作码和地址码两个部分 操作码部分规定了单片机操作类型 而地址码部分一般是直接或间接地给出了参与操作的数据的存放地址 所以地址码也可以直接称为操作数 3 单片机完成每项工作 必须有序地执行一系列指令 单片机执行一条指令一般分为取指令和执行指令两个阶段 从存储器中取出指令 并且对指令进行译码 以明确该指令执行何种操作 以及操作数的存放地址 即操作数存放在哪一个单元中 再根据这个地址获取操作数 这是取指令阶段 按操作码指明的操作类型对获取的操作数进行操作 也可称为运算 这是执行指令阶段 33 单片机的工作过程4 程序计数器 ProgramCounter简称PC 是一个16位的有自动加1功能的计数器 PC没有地址 是不可寻址的 因此用户不能对它进行读写 16位PC中的内容总是CPU将要执行的那条指令所存放的存储单元的首地址 在单片机复位时 PC中的内容为0000H 指向第1条要执行的指令的首地址 在CPU从存储单元取指令的过程中 每取1个字节的内容 程序计数器PC就自动加1 在取完这条指令后 PC中的内容就是下一条要执行的指令所存放的存储单元的首地址 5 在实际应用中 有时CPU还要执行程序的转移 子程序的调用和中断响应等操作 那时PC中的内容不再是上述情况中简单的加1 而是根据不同的情况自动地被置入或修改成新的目的地址 从而改变程序的执行顺序 34 四 单片机的工作过程 取指过程 例 MOVA 09H74H09H 把09H送到累加器A中 执行过程 PC 0000H 01110100 00001001 PC PC 0001H 0002H 0000H 外部控制总线CB 取指过程 PC 执行过程 35 单片机的几种工作方式 1 程序执行方式单片机上电复位后 从程序存储器的OOOOH单元开始执行程序 程序执行方式是单片机的基本工作方式 2 掉电保护方式MCS 51单片机设置有掉电保护措施 其保护措施是 单片机系统在运行中突然掉电故障时 先保存重要的数据 然后启用备用电源维持供电 36 3 低功耗方式80C51单片机有两种功耗节电方式 空闲方式 idlemode 和掉电方式 powerdownmode 空闲方式和掉电方式都是由特殊功能寄存器中的电源控制寄存器PCON的有关控制位来控制的 37 1 空闲方式 使PCON中的IDL置1 单片机系统就可进入空闲方式 在空闲方式下 振荡器仍然运行 CPU进入睡眠状态 所有外围电路 中断系统 串行口和定时 计数器 仍继续工作 但内部RAM和特殊功能寄存器中的数据保持在原状态不变 空闲方式的退出可采用两种方式 中断方式和硬件复位方式 38 2 掉电方式 使PCON中的P