片机嵌入式系统原理及应用(贾好来)单片机的结构体系.ppt

第2章8051单片机的结构体系 2020年3月26日12时0分 1 jiahaolai 第1部分第2部分第3部分 2020年3月26日12时0分 jiahaolai 2 第1部分2 18051单片机的主要特性2 28051单片机内部结构2 38051单片机的封装和引脚2 48051的微处理器 2020年3月26日12时0分 jiahaolai 3 2020年3月26日12时0分 jiahaolai 微处理器 Microprocessor ArithmeticLogicUnit RegisterArrays ControlUnit GP CPU CLK Reg MPU CPU Microprocessor basedSystem 4 单片机 Microcontroller 2020年3月26日12时0分 jiahaolai 5 基本部分 扩展部分 2 18051单片机的主要特性 针对控制应用而优化的8位CPU128字节的片上数据RAM64KB的数据存储器寻址空间64KB的程序存储器寻址空间4KB的片上程序存储器 8031无 2个16位定时器 计数器32根双向和单独可寻址的I O线 2020年3月26日12时0分 jiahaolai 6 1个全双工的UART2个优先级的5向量中断结构211位可寻址空间4 s乘法 除法指令片上时钟振荡器工作电压4 0 5 5V 2020年3月26日12时0分 jiahaolai 7 2020年3月26日12时0分 jiahaolai 8 表2 18051系列单片机的比较 2 28051单片机内部结构 2020年3月26日12时0分 jiahaolai 9 图2 18051结构框图 1 CPU8051单片机中有一个8位CPU 是单片机的核心 由运算器和控制器构成 运算器包括算术逻辑单元ALU 累加器ACC 寄存器B 程序状态字PSW 十进制调整电路等部件 实现数据的算术逻辑运算 位变量处理和数据传送等操作 控制器包括定时控制逻辑 时钟电路 复位电路 指令寄存器 指令译码器 程序计数器PC 堆栈指针SP 数据指针寄存器DPTR 以及信息传送控制等部件 其主要功能是对指令码进行译码 然后在时钟信号作用下 使单片机的内外电路能够按一定的时序协调有序的工作 执行译码后的指令 2020年3月26日12时0分 jiahaolai 10 2 内部数据存储器 RAM 8051系列单片机内部有128字节 8052子系列有256个字节 RAM 用来存放程序在运行期间的工作变量 运算的中间结果 数据暂存和缓冲 标志位等 3 内部ROM EPROM Flash ISPFlash8031无此部件 8051系列单片机片内有4KB的掩膜ROM 8751则为4KB的EPROM 89S52为ISP InSystemProgram 的免拔插电气可编程8KBFlash存储器 用来存放程序 原始数据或表格 如果片内只读存储器容量不够 则需扩展片外只读存储器 片外只读存储器最多可扩展至64KB 2020年3月26日12时0分 jiahaolai 11 4 定时器 计数器8051系列单片机内部有2个16位定时器 计数器T0 T1 有四种工作方式 89S52不仅有定时器T0和T1 还有定时器T2 看门狗定时器 通过编程 T0 T1还可用作13位或8位定时器 2020年3月26日12时0分 jiahaolai 12 5 并行口8051单片机内部共有四个输入输出口 一般称为并行I O口 即P0 P1 P2 P3口 每个口都是8位 对于没有程序存储器的8031单片机 需用P0口作为低8位地址 数据线分时复用 即相当于计算机的AD0 AD7 而P2口作为高8位地址A8 A15 P3口各个管脚又有不同的第二功能 例如 读 写控制信号等 对8051单片机而言 P1口一般可作为通用I O口使用 对于8052单片机 P1 0作为定时器T2的外部计数输入 P1 1是定时器 计数器T2捕捉 重装操作的控制信号 对于89SXX系列单片机P1 5 P1 6 P1 7还是Flash串行编程操作的接口端 2020年3月26日12时0分 jiahaolai 13 6 串行口8051系列单片机有一个全双工的串行I O口 以完成单片机和其它计算机或通信设备之间的串行数据通信 单片机只用P3口的RXD和TXD两个管脚进行串行通信 7 中断系统8051系列单片机内部有很强的中断功能 以满足控制应用的需要 它共有5个中断源 即外部中断源2个 定时器 计数器中断源2个 串行中断源1个 2020年3月26日12时0分 jiahaolai 14 8 CPU内部总线和外部总线CPU通过内部的8位总线与各个部件连接 并通过P0口和P2口形成内部16位地址总线连接到内部ROM区 从图2 2可看到外部三总线 它是由P0口组成的数据总线DB 与低8位地址总线分时复用 由P0口和P2口组成的16位地址总线 AB P0口分时 由 ALE和P3口部分管脚 读信号及写信号 组成的控制总线 CB 2020年3月26日12时0分 jiahaolai 15 9 布尔处理器由片内RAM的20H 2FH共16个单元的128位 11个SFR中的83位组成的211位布尔处理器 可完成位运算等任务 8052增加可寻址位SFR1个 可寻址位增加8位 2020年3月26日12时0分 jiahaolai 16 2 38051单片机的封装和引脚2 3 1封装 2020年3月26日12时0分 jiahaolai 17 PDIP PLCC TQFP PDIP PlasticDualInlinePackagePLCC PlasticLeadedChipCarrierTQFP ThinQuadFlatPackage 2020年3月26日12时0分 jiahaolai 18 2020年3月26日12时0分 jiahaolai 19 2020年3月26日12时0分 jiahaolai 20 2020年3月26日12时0分 jiahaolai 21 2 3 2引脚定义 非常重要 VCC PIN40 电源正端 为 5V VSS PIN20 电源地端 2020年3月26日12时0分 jiahaolai 22 RESET PIN9 复位引脚 当晶体振荡器运行时 只要在这个引脚出现两个机器周期的高电平 就可以使单片机复位 PIN9引脚内部有下拉电阻 用户只要在VCC和该引脚之间接电容 就可实现上电复位 2020年3月26日12时0分 jiahaolai 23 上电复位电路 上电和手动复位电路 XTAL1 PIN19 XTAL2 PIN18 外接晶振引脚XTAL1 内部振荡电路反相放大器的输入端 当采用外部振荡器时 此引脚应接地 XTAL2 内部振荡电路反相放大器的输出端 采用外部振荡器时 该引脚接收振荡器的信号 即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端 2020年3月26日12时0分 jiahaolai 24 2020年3月26日12时0分 jiahaolai 25 片内时钟方式UsingtheOn ChipOscillator 外部时钟方式ExternalClockDrive C1 C2 30pF 2020年3月26日12时0分 jiahaolai 26 PSEN PIN29 外部程序存储器选通使能 低电平有效 在由外部程序存贮器取指令 或常数 期间 每个机器周期两次PSEN有效 但在此期间内 每当访问外部数据存贮器时 这两次有效的PSEN信号将不出现 ALE PROG PIN30 当访问外部存贮器时 ALE 允许地址锁存 的输出用于锁存地址的低位字节 即使不访问外部存贮器 ALE端仍以不变的频率周期性地出现正脉冲信号 此频率为振荡器频率的1 6 因此 它可用作对外输出的时钟 或用于定时目的 然而要注意的是 每当访问外部数据存贮器时 将跳过一个ALE脉冲 ALE端可以驱动 吸收或输出电流 8个LSTTL 2020年3月26日12时0分 jiahaolai 27 EA VPP PIN31 当EA 1时 访问内部程序存贮器 但在PC 程序计数器 值超过0FFFH 对8051 8751 80C51 或1FFFH 对8052 时 将自动转向外部程序存贮器 当EA 0时 则只访问外部程序存贮器 不管是否有内部程序存贮器 对于8031来说 因其无内部程序存储器 所以该脚必须接地 这样只能选择外部程序存储器 VPP为本引脚的第二功能 在对EPROM型单片机8751片内EPROM固化编程时 用于施加较高编程电压 例如 21V或 12V 的输入端 对于89X51则VPP编程电压为 12V或 5V 2020年3月26日12时0分 jiahaolai 28 8751 8051最小系统 2020年3月26日12时0分 jiahaolai 29 2020年3月26日12时0分 jiahaolai 30 89S52最小系统 P0 0 AD0 P0 7 AD7 PIN39 32P0口为双向8位三态I O口 此口为地址总线 低8位 及数据总线分时复用口 可驱动8个LSTTL负载 如果不用作地址 数据总线使用 P0口可作为普通I O口使用 此时 需要外接上拉电阻 2020年3月26日12时0分 jiahaolai 31 P2 0 A8 P2 7 A15 PIN21 PIN28 8位准双向I O口 要么作为高8位地址总线 要么作为普通I O口 可驱动4个LSTTL型负载 2020年3月26日12时0分 jiahaolai 32 P1 0 P1 7 PIN1 PIN8 普通的I O口89S52第2功能 2020年3月26日12时0分 jiahaolai 33 2020年3月26日12时0分 jiahaolai 34 P3口第二功能 AlternateFunction P3 0 RXD SerialInputLine P3 1 TXD SerialOutputLine P3 2 INT0 ExternalInterrupt0 P3 3 INT1 ExternalInterrupt1 P3 4 T0 Timer0ExternalInput P3 5 T1 Timer1ExternalInput P3 6 WR ExternalDataMemoryWriteStrobe P3 7 RD ExternalDataMemoryREADStrobe 2 48051的微处理器 8051的微处理器由运算器和控制器构成 运算器 主要用来对操作数进行算术 逻辑运算和位操作 主要包括算术逻辑运算单元ALU 累加器A 寄存器B 位处理器 程序状态字寄存器PSW以及BCD码修正电路等 2020年3月26日12时0分 jiahaolai 35 2 4 1运算器 1 算术逻辑运算单元ALUALU的功能十分强 它不仅可对8位变量进行逻辑与 或 异或 循环 求补和清零等基本操作 还可以进行加 减 乘 除等基本算术运算 ALU还具有一般微计算机ALU所不具备的功能 即位处理操作 它可对位变量进行处理 如置位 清零 求补 测试转移及逻辑与 或等操作 2020年3月26日12时0分 jiahaolai 36 2 累加器A8位累加器 是CPU中使用最频繁的一个寄存器 也可写为ACC 累加器的作用是 累加器A是ALU单元的输入之一 因而是数据处理源之一 但它又是ALU运算结果的存放单元 CPU中的数据传送大多都通过累加器A 故累加器A又相当于数据的中转站 由于数据传送大多都通过累加器A 故累加器容易产生 堵塞 现象 也即累加器结构具有的 瓶颈 现象 2020年3月26日12时0分 jiahaolai 37 8051单片机增加了一部分可以不经过累加器的传送指令 这样 即可加快数据的传送速度 又减少了累加器的 瓶颈堵塞 现象 累加器A的进位标志Cy是特殊的标志位 因为它同时又是位处理机的位累加器 2020年3月26日12时0分 jiahaolai 38 3 寄存器B寄存器B是为执行乘法和除法操作设置的 乘法中 ALU的两个输入分别为A B 运算结果存放在BA寄存器对中 B中放乘积的高8位 A中放乘积的低8位 除法中 被除数取自A 除数取自B 商存放在A中 余数存放于B 在不执行乘 除法操作的情况下 可把寄存器B当作普通寄存器使用 2020年3月26日12时0分 jiahaolai 39 4 程序状态字寄存器PSW8051单片机的程序状态字寄存器PSW ProgramStatusWord 是一个8位可读写的寄存器 位于单片机片内的特殊功能寄存区 字节地址0D0H 2020年3月26日12时0分 jiahaolai 40 图2 3程序状态字寄存器PSW位功能 CY PSW 7 进位标志位在执行算术和逻辑指令时 CY可以被硬件或软件置位或清除 在位处理器中 它是位累加器 CY也写为C AC PSW 6 辅助进位标志位当进行BCD码的加法或减法操作而产生的由低4位数 代表一个BCD码 向高4位进位或借位时 AC将被硬件置1 否则被清0 AC被用于十进位调整 同DA指令结合起来用 2020年3月26日12时0分 jiahaolai 41 F0 PSW 5 标志位它是由用户使用的一个状态标志位 可用软件置1或清0 也可由软件来测试标志F0以控制程序的流向 编程时 该标志位特别有用 RS1 RS0 PSW 4 PSW 3 4组工作寄存器区选择控制位1和位0这两位用来选择4组工作寄存器区中的哪一组为当前工作寄存区 4组寄存器在单片机内的RAM区中 将在本章稍后介绍 它们与4组工作寄存器区的对应关系如表2 2所示 2020年3月26日12时0分 jiahaolai 42 2020年3月26日12时0分 jiahaolai 43 表2 2工作寄存器区选择控制位1和位0定义 OV PSW 2 溢出标志位 当执行算术指令时 由硬件置1或清0 以指示运算是否产生溢出 PSW 1位 该位是保留位 未用 P PSW 0 奇偶标志位 该标志位用来表示累加器A中为1的位数的奇偶数 P 1 则累加器A中 1 的位数为奇数 P 0 则累加器A中 1 的位数为偶数 奇偶标志位对串行口通讯中的数据传输有重要的意义 常用奇偶检验的方法来检验数据传输的可靠性 2020年3月26日12时0分 jiahaolai 44 2020年3月26日12时0分 jiahaolai 45 控制器 单片机的指挥控制部件 控制器的主要任务是识别指令 并根据指令的性质控制单片机各功能部件 从而保证单片机各部分能自动而协调地工作 对单片机用户来说 必须了解MCS 51指令执行顺序 取指 译码 执行程序计数器 ProgramCounter 2 4 2控制器 2020年3月26日12时0分 jiahaolai 46 1 程序计数器PC ProgramCounter 16位计数器 存放着下一条将要从程序存储器中取出的指令的地址 读指令时 程序计数器将其中的数作为所取指令的地址输出给程序存储器 然后程序存储器按此地址输出指令字节 同时程序计数器本身自动加1 读完本条指令 PC指向下一条指令在程序存储器中的地址 程序计数器PC中内容的变化决定程序的流程 程序计数器的宽度决定了单片机对程序存储器可以直接寻址的范围 在8051单片机中 程序计数器PC是一个16位的计数器 故可对64KB 216 65536 64K 的程序存储器进行寻址 2020年3月26日12时0分 jiahaolai 47 程序计数器的基本工作方式有以下几种 l 程序计数器自动加1 这是最基本的工作方式 这也是为何该寄存器被称为计数器的原因 2 执行有