单片机结构与原理.ppt

第3章单片机结构与原理 教学目的 了解80C51系列单片机的内部结构 工作原理 存储器结构 时序及复位电路等硬件内容 教学重点 1 内部主要组成及工作原理 2 存储器结构特点 3 I O的复用结构 及应用特点 4 时序及复位电路的作用 教学难点 1 特殊功能寄存器的作用 2 堆栈及堆栈指针的作用 3 1单片机的典型结构 3 1 1标准型单片机的组成及结构 图3 1AT89S51 S52的基本组成功能框图 图3 2AT89S51 52内部结构框图 各主要部分的作用 中央处理器 CPU 数据存储器 内部RAM 程序存储器 内部ROM 定时 计数器并行I O口串行口时钟电路中断系统 3 1 2单片机的引脚定义与功能 1 主电源引脚GND和VCC2 时钟电路引脚XTAL1和XTAL23 控制信号引脚RST VPPALE 4 输入 输出引脚 P0 P1 P2和P3端口引脚 3 2单片机的工作原理3 2 1指令与程序概述3 2 2CPU的工作原理1 控制器 程序计数器PC 指令寄存器 指令译码器2 运算器 3 2 3单片机执行程序过程单片机的工作是执行程序的过程 即逐条执行指令的过程 计算机每执行一条指令都可分为三个阶段进行 即取指令 分析指令和执行指令 为解决单片机内部各电路单元统一集中管理 通常采用归一化操作管理寄存器 即单片机中的SFR 采用SFR操作管理方式后 单片机内各种单元电路都可按照可编程集成器件的运行管理方式 通过对SFR的读写来实现操作管理 3 380C51的存储器 3 3 1存储器结构和地址空间 80C51系列单片机的存储器在物理结构上可以分为如下4个存储空间 片内程序存储器 片外程序存储器 片内数据存储器 片外数据存储器 但在逻辑上 即从用户使用的角度上 80C51系列有三个存储空间 片内外统一编址的64KB的程序存储器地址空间 用16位地址 片内数据存储器地址空间 寻址范围为00 FFH 64KB片外数据存储器地址空间 3 3 2程序存储器1 程序存储器的结构和地址分配程序存储器用16位地址指针PC和DPTR 寻址范围为64kB 可选择片内程序存储器或片外程序存储器 片外程序存储器必须通过并行扩展总线扩展 同时应将片外程序存储器选择引脚EA接地 选择片内程序存储器时 EA接高电平 2 程序存储器的入口地址0000H 复位后 程序将自动从0000H开始执行80C51有5个中断源 其相应的入口地址安排在程序存储器的固定单元 这些入口地址不得随意被其它程序指令占用 0003H 外部中断0入口 000BH 定时器0溢出中断入口 0013H 外部中断1入口 001BH 定时器1溢出中断入口 0023H 串行口中断入口 002BH 定时器2溢出中断入口 只有AT89S52 C52有 3 3 3数据存储器 1 片内数据存储器的结构及操作片内数据存储器采用8位地址指针 寻址范围为256B 分为两部分 00H 7FH为可直接寻址和间接寻址空间 80H FFH直接寻址的空间为SFR空间 不能作数据存储器用 对于AT89C52 S52还有一块只能间接寻址的地址为80H FFH的数据存储器 2 低128字节RAM 通用工作寄存器区 位寻址区 用户RAM区3 片外数据存储器的结构及操作片外数据存储器和外围扩展电路统一编址 可寻址范围为64KB 片外数据存储器寻址空间的数据传送使用专门的MOVX指令 片外数据存储器只能和累加器A交换数据 通过地址指针DPTR或工作寄存器Ri间接寻址 3 3 4特殊功能寄存器SFR 80C51单片机中 在片内RAM的80H FFH空间建立了集中的特殊功能寄存器SFR空间 通过该空间的SFR实现对80C51系列单片机内部资源的运行管理操作 位地址空间的操作等 这种集中的 归一化操作管理寄存器的模式是单片机内部资源操作管理的重要方式 访问这些专用寄存器仅允许使用直接寻址的方式 1 部分专用寄存器介绍1 程序状态字寄存器PSWCACF0RS1RS0OVF1PPSW的各位简要说明如下 C为进位标志 AC为半进位标志 F0 F1为用户标志 RS1和RS0为当前工作寄存器组的选择位 OV是溢出标志位 P是奇偶标志位 2 AC3 DPTR4 SP堆栈指针堆栈操作 程序设计中通过堆栈指针SP可任意设置堆栈栈底 堆栈操作过程见图3 6 图3 6堆栈和堆栈指针示意图 2 SFR的位寻址与字节寻址80C51中可位寻址SFR的直接地址为 OH或 8H 相邻的8个地址号依次作为相应的8个位地址号 例如 P1口的口地址是90H 字节地址 而位地址90H是P1 0 位地址91H是P1 1等等依次类推 3 SFR的复位状态I O口 P0 P1 P2 P3 各位为FFH状态 即准双向I O口的输入状态 堆栈指针SP 07H 即堆栈底为片内RAM的07H单元 除上述SFR外 其余vSFR的复位状态大部分为零或为随机数 3 4输入 输出端口结构 3 4 1P0口1 P0口位电路结构2 工作原理1 P0作为一般I O口2 P0口作为地址 数据总线 3 4 2P1口1 P1口位电路结构2 工作原理P1口作输出P1口作为输入 3 4 3P2口 1 P2口位电路结构2 工作原理P2口作输出 可作为高8位地址线1 P2口作为输入2 作通用I O口 3 4 4P3口 1 P3口位电路结构2 工作原理1 作为通用I O2 作为第2功能引脚 3 4 5读引脚与读端口操作 1 读端口操作在CPU发出读端口指令时 锁存器的值首先通过读锁存器输入缓冲器进入内部总线 待该值修改后 又重新写到锁存器中 这类指令称为 读 改 写 操作的指令 2 读引脚操作当需要读引脚时 必须先由指令或通过复位置端口锁存器为1 使端口输出FET截止 然后再发读引脚指令 3 4 64个I 0端口的主要异同点 1 主要相同点1 锁存器加引脚的典型结构2 I O的复用结构I O端口的总线复用I O端口的功能复用2 主要不同点1 P1 P3为准双向口结构在对准双向口操作时 一定要先向锁存器写 1 然后才能正确读入引脚状态 2 驱动能力不同3 功能不同 3 5CPU时序及时钟电路 3 5 1CPU时序及有关概念1 时钟周期2 机器周期3 指令周期 1 振荡器和时钟电路原理 3 5 2振荡器和时钟电路 2 时钟电路接法 3 5 380C51的指令时序 3 6复位和复位电路 复位是单片机的初始化操作 单片机在启动运行时 都需要先复位 它的作用是使CPU和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态 并从这个状态开始工作 3 6 1内部复位信号的产生 3 5 2复位状态 复位后 PC初始化为0 于是单片机自动从0单元开始执行程序 复位后片内各专用寄存器的状态如表3 9所示 表中X为不定数 3 6 3外部复位电路设计 3 780C51系列单片机的低功耗方式 3 7 1电源控制寄存器PCON 87H D7D6D5D4D3D2D1D0SMOD GF1GF0PDIDL其各位作用如下 l SMOD 波特率倍增位 在串行口工作方式1 2或3下 SMOD 1使波特率加倍 详见第7章 2 GF1和GF0 通用标志位 用户用软件置 复位 3 PD 掉电方式位 若PD 1 进入掉电工作方式 4 IDL 待机方式位 若IDL 1 进