第二章MCS系列单片机的基本结构ppt课件.ppt

单片机原理与接口技术 第2章MCS 51系列单片机的基本结构 2 180C51单片机内部组成及引脚功能2 2时钟电路与复位2 351系列单片机运行的硬件条件2 4单片机的工作原理2 551系列单片机的存储结构2 6输入 输出端口 2 180C51单片机内部组成及引脚功能 2 1 180C51单片机内部结构在MCS 51系列单片机中 有2个子系列 51子系列和52子系列 51子系列有8051 8751和8031三个型号 后来经过改进产生了80C51 87C51和80C31三个型号 52子系列有8052 8752和8032三个型号 改进后的型号是80C52 87C52和80C32 2 180C51单片机内部组成及引脚功能 以MCS 51系列单片机的典型型号80C51为例 来介绍其结构及功能 图2 180C51系列单片机的内部结构框图 2 180C51单片机内部组成及引脚功能 分析图2 1 并按其功能部件划分可以看出 80C51系列单片机是由8大部分组成的 2 180C51单片机内部组成及引脚功能 这8大部分是 1 一个8位中央处理机CPU 又称为微处理器 2 128个字节的片内数据存储器RAM 3 4KB的片内程序存储器EPROM或ROM 4 18个特殊功能寄存器SFR 5 4个8位并行输入输出I O接口 6 1个串行I O接口 完成单片机与其他微机之间的串行通信 7 2个16位定时器 计数器T0 T1 8 具有5个 52子系列为6个或7个 中断源 2个可编程优先级的中断系统 2 180C51单片机内部组成及引脚功能 单片机引脚结构图如下 图2 380C51单片机40引脚配置图 2 180C51单片机内部组成及引脚功能 2 1 2引脚功能 2 180C51单片机内部组成及引脚功能 2 2时钟电路与复位 时钟信号的产生有两种方式 内部振荡器方式外部引入方式 2 2时钟电路与复位 2 2 1时钟电路 图2 480C51单片机时钟方式图 2 2时钟电路与复位 2 2 2复位方式复位分为上电复位和按钮复位方式 图2 580C51复位电路 2 351系列单片机运行的硬件条件 51系列单片机内部配有ROM和RAM 单片机能够运行的最基本配置是 2 4单片机的工作原理 单片机的工作过程实质上是在具备单片机运行的硬件条件下执行用户编制程序的过程 一般程序的机器码都已固化到存储器中 开机复位后 就可以执行指令 2 4单片机的工作原理 2 4 1指令与程序概述指令 规定计算机执行某种操作的命令 机器代码 用8位二进制数表示指令代码 机器代码也可用16进制数表示 汇编指令 用助记符 字符串和数字来表示机器代码 用汇编指令编写的程序称为汇编源程序汇编指令与机器语言指令是一一对应的 2 4单片机的工作原理 表2 2机器语言指令与汇编语言指令的对应关系举例 2 4单片机的工作原理 2 4 2CPU的工作原理中央处理器 CPU 是单片机内部的核心部件 它决定了单片机的主要功能特性 它由运算部件和控制部件两大部分组成 2 4单片机的工作原理 1 控制器1 程序计数器PC程序存储器中指令的第一字节所在地址称为该指令的指令地址 指令地址是由程序计数器PC产生的 用于存放CPU下一条要执行指令的地址 即程序存储器地址 CPU根据PC中的地址到ROM中去读取程序指令码和数据 并送给指令寄存器IR进行分析 每取出现行指令的一个字节后 PC就自动加1 即 PC 1 PC 指向下一个要读取字节的地址 2 4单片机的工作原理 2 指令寄存器IR指令寄存器IR用于存放CPU根据PC地址从ROM中读出的指令操作码 3 指令译码器ID指令译码器ID是用于分析指令操作的部件 指令操作码经译码后产生相应于某一特定操作的信号 2 4单片机的工作原理 4 时序部件单片机系统的各部分是在CPU的统一指挥下协调工作的 CPU微控制器根据不同指令 产生相应的定时信号和控制信号 各部分和各控制信号之间要满足一定的时间顺序 2 4单片机的工作原理 1 振荡周期 振荡周期为单片机提供时钟信号的振荡源的周期 晶振周期或外加振荡源周期 振荡脉冲的周期也称为节拍 用P表示 2 状态周期 状态周期即CPU从一个状态转换到另一状态所需的时间 在80C51中 一个状态周期由两个时钟周期组成 2个振荡周期为1个状态周期 用S表示 2 4单片机的工作原理 3 机器周期 机器周期是计算机完成一次完整的 基本的操作所需要的时间 80C51机器周期由六个状态周期组成 用S1 S2 S6表示 共12个振荡周期 1个机器周期 6个时钟周期 12个振荡周期 2 4单片机的工作原理 51系列单片机各种周期的关系 2 4单片机的工作原理 4 指令周期 执行一条指令所需的时间 指令周期往往由一个或一个以上的机器周期组成 例如 外接晶振为12MHz时 MCS 51单片机的4个时间周期的具体值为 振荡周期 1 12 s 状态周期 1 6 s 机器周期 1 s 指令周期 1 4 s 2 4单片机的工作原理 2 运算器运算部件是以算术逻辑单元ALU为核心 加上累加器A 寄存器B 暂存器TMP1和TMP2 程序状态寄存器PSW及专门用于位操作的布尔处理机组成的 它能实现数据的算术逻辑运算 位变量处理和数据传送操作 2 4单片机的工作原理 1 算术逻辑单元ALU算术逻辑单元ALU不仅能完成8位二进制数的加 带进位加 减 带借位减 乘 除 加1 减1及BCD加法的十进制调整等算术运算 还能对8位变量进行逻辑 与 或 异或 求补 清0等逻辑运算 并具有数据传送 程序转移等功能 2 4单片机的工作原理 2 暂存寄存器TMP1 TMP2用来存放参与算术运算和逻辑运算的另一个操作数 对用户不开放 3 累加器ACC累加器ACC简称累加器A 为一个8位寄存器 它是CPU中使用最频繁的寄存器 用来存放参与算术运算和逻辑运算的一个操作数或运算的结果 2 4单片机的工作原理 4 寄存器B存器B是为ALU进行乘除法设置的 5 程序状态寄存器PSW程序状态字寄存器PSW 8位 是一个标志寄存器 它保存指令执行结果的特征信息 以供程序查询和判别 6 布尔处理器单片机主要用于各种控制 80C51系列单片机既是8位机 同时也是一个功能完善的一位机 2 4单片机的工作原理 2 4 3单片机执行程序过程下面程序是控制P1口以固定时间间隔周而复始高低电平翻转 汇编程序经过汇编后生成十六进制文件 指令地址 指令代码及汇编程序见图2 8 2 4单片机的工作原理 单片机每执行一条指令都可分为3个阶段进行 即取指令 分析指令和执行指令 2 551系列单片机的存储结构 单片机在存储器的设计上 将程序存储器ROM和数据存储器RAM分开 80C51单片机的存储器从物理上分四个存储空间 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 2 551系列单片机的存储结构 从用户的角度考虑 80C51单片机的存储器又可分三个逻辑空间 如图2 10所示 片内 片外统一编址的64KB 0000H 0FFFFH 程序存储器地址空间 片内256B的数据存储器地址空间 00H 0FFH 其中80H 0FFH内仅有二十几个字节单元供特殊功能寄存器SFR专用 片外可扩展的64KB 0000H 0FFFFH 数据存储器地址空间 2 551系列单片机的存储结构 8051单片机的存储器地址空间分布图 2 551系列单片机的存储结构 2 5 1程序存储器ROM1 片内ROM的配置形式无ROM型 8031 8032等 应用时要在片外扩展程序存储器 掩膜ROM型 8051 8052等 用户程序由芯片生产厂写入 2 551系列单片机的存储结构 EPROM型 8751 8752等 用户程序通过写入装置写入 通过紫外线照射擦除 FlashROM型 89C51 89C52等 用户程序可以电写入或擦除 OTPROM型 一次性编程写入ROM 具有较高的环境适应性和可靠性 2 551系列单片机的存储结构 2 程序存储器的编址计算机的工作是按照事先编制好的程序指令一条条循序执行的 程序存储器就是用来存放这些已编好的程序和表格常数 AT89C51单片机有64KB程序存储器空间 片内为4KB 地址为0000H 0FFFH 片外最多可扩展至64KB 地址为0000H 0FFFFH 2 551系列单片机的存储结构 当引脚接高电平时 PC在0000H 0FFFH范围内执行片内ROM中的程序 当指令地址超过0FFFH时 就自动转向片外ROM取指令 当接低电平时 片内ROM不起作用 CPU只能从片外ROM EPROM中取指令 对于8031芯片 因其片内无ROM 故应使接低电平 这样才能直接从外部扩展的EPROM中取指令 2 551系列单片机的存储结构 3 程序运行的入口地址实际应用时 程序存储器的容量由用户根据需要扩展 而程序地址空间原则上也可由用户任意安排 但程序最初运行的入口地址是固定的 用户不能更改 2 551系列单片机的存储结构 2 5 2数据存储器RAM数据存储器一般采用随机存取存储器 RAM 这种存储器是一种在使用过程中利用程序随时可以写入信息 又可以随时读出信息的存储器 2 551系列单片机的存储结构 80C51单片机数据存储器有片内和片外之分 片内有256个字节RAM 地址范围为00H 0FFH 如图2 11所示 片外数据存储器可扩展64KB存储空间 地址范围为0000H 0FFFFH 但两者的地址空间是分开的 各自独立的 2 551系列单片机的存储结构 1 片内数据存储器 低128BRAM 2 551系列单片机的存储结构 1 通用寄存器区内部RAM块的00H 1FH区 共分4个组 每组有8个工作寄存器R0 R7 共32个内部RAM单元 工作寄存器共有4组 但程序每次只用1组 其它各组不工作 哪1组寄存器工作由程序状态字PSW中的PSW 3 RS0 和PSW 4 RS1 两位来选择 其对应关系如表2 4所示 CPU通过软件修改PSW中RS0和RS1两位的状态 就可任选一个工作寄存器组工作 2 551系列单片机的存储结构 2 551系列单片机的存储结构 2 位寻址区20H 2FH单元为位寻址区 这16个单元 共计128位 的每1位都有一个8位表示的位地址 位地址范围为00H 7FH 如表2 5所示 2 551系列单片机的存储结构 2 551系列单片机的存储结构 3 用户RAM区30H 7FH是数据缓冲区 也即用户RAM区 共80个单元 4 堆栈区在片内RAM中 常常要指定一个专门的区域来存放某些特别的数据 它遵循顺序存取和后进先出 LIFO FILO 的原则 这个RAM区叫堆栈 2 551系列单片机的存储结构 功用 1 子程序调用和中断服务时CPU自动将当前PC值压栈保存 返回时自动将PC值弹栈 2 保护现场 恢复现场 3 数据传输 2 551系列单片机的存储结构 2 片内数据存储器的操作1 直接寻址与间接寻址的数据传送 1 直接寻址操作将片内数据存储器的00H 7FH作为直接地址 对其直接进行传送操作 例如将55数据送入片内数据存储器的50H单元 直接寻址指令操作如下 MOV50H 55 将立即数55送入片内数据存储 器50H单元中 2 551系列单片机的存储结构 2 间接寻址操作将片内数据存储器作为间接地址空间 将工作寄存器R0 R1作为间接寻址寄存器 通过Ri i 0 1 实现间接的数据传送 例如同样将55数据送入片内数据存储器的50H单元 采用R1寄存器间接寻址时 操作指令如下 MOVR1 50H 将寄存器地址50H给R1赋值MOV R1 55 把立即数55送入R1寄存器指定 的50H单元中 2 551系列单片机的存储结构 2 位地址空间操作在20H 2FH的位地址空间可实现位操作 如置位 清0 或 逻辑操作 位条件转移等 一般使用位操作指令 SETB00H 对00H位置 20H单元 的D0位的位地址为00HMOVC 20H 1 将00H位的值传送到进位位Cy中CLR00H 将00H位清0 2 551系列单片机的存储结构 3 特殊功能寄存器 片内高128B的RAM 1 特殊功能寄存器SFR80C51单片机内高128字节的RAM中 集合了一些特殊用途的寄存器SFR 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 2 551系列单片机的存储结构 2 551系列单片机的存储结构 注带 号的SFR可位寻址 表示保留位 2 551系列单片机的存储结构 1 程序计数器PC程序计数器PC是一个16位专用计数器 用于存放CPU下一条要执行指令的地址 即程序存储器地址 2 数据指针DPTR数据指针DPTR是一个16位的专用寄存器 由DPH 数据指针高8位 和DPL 数据指针低8位 组成 既可以作为一个16位寄存器使用 也可作为两个独立的8位寄存器DPH和DPL使用 DPTR通常用于存放外部数据存储器的存储单元地址 2 551系列单片机的存储结构 3 堆栈指针SP堆栈指针SP是一个8位的特殊功能寄存器 用于指出堆栈栈顶的地址 数据被压入堆栈 SP自动加1 数据从堆栈中弹出 SP自动减1 2 551系列单片机的存储结构 4 程序状态寄存器PSW程序状态字寄存器PSW 8位 是一个标志寄存器 它保存指令执行结果的特征信息 以供程序查询和判别 比如作为程序转移的条件 其中有些位是在指令执行中由硬件自动设置的 而有些位则由用户设定 其程序状态字格式及含义如下 2 551系列单片机的存储结构 Cy PSW 7 进位标志位 在执行加 减法指令时 如果运算结果的最高位 D7位 有进位或借位 Cy位被置 1 否则清 0 AC PSW 6 辅助进位 或称半进位 标志 在执行加 减法指令时 其低半字节向高半字节有进位或借位时 D3位向D4位 AC位被置 1 否则清 0 AC位主要被用于BCD码加法调整 2 551系列单片机的存储结构 F0 PSW 5 由用户定义的标志位 是用户定义的一个状态标志位 根据需要可以用软件来使它置位清除 RS1 PSW 4 RS0 PSW 3 工作寄存器组选择位 2 551系列单片机的存储结构 80C51单片机共有四组工作寄存器组 每组八个工作寄存器R0 R7 即可用于存放数据或地址 也可用于位操作指令或数据传送指令 用指令设定RS1 RS0的值 确定所选的工作寄存器组 RS1 RS0状态与工作存器R0 R7的物理地址关系如表2 7所示 2 551系列单片机的存储结构 OV PSW 2 溢出标志位 在计算机内 带符号数一律用补码表示 在8位二进制中 补码所能表示的范围是 128 127 而当运算结果超出这一范围时 OV标志为1 即溢出 反之为0 PSW 1 未定义位 2 551系列单片机的存储结构 P PSW 0 奇偶标志位 用于指示运算结果中1的个数的奇偶性 若累加器A中1的个数为奇数 则P 1 若1的个数为偶数 则P 0 该标志位用在串行通信中 常用奇偶校验的方法检验数据传输的可靠性 2 551系列单片机的存储结构 2 SFR的寻址方式 1 SFR的直接寻址方式特殊功能寄存器只能使用直接寻址方式访问 但使用直接寻址方式不够直观 因此在指令中最好直接引用特殊功能寄存器名取代对应的特殊功能寄存器地址 例如访问程序状态字寄存器 MOVPSW 18HMOVD0H 18H 2 551系列单片机的存储结构 2 SFR的位寻址与字节寻址对SFR编程操作时 必须了解该资源的位定义 位地址 字节地址 应用时应区分控制位与标志位 标志位是系统运行时自动形成的标志 控制位是编程写入的控制操作 要了解标志位的清除特性 在具体操作时 有些标志位可以自动清除 有些标志位则必须通过指令清除 2 551系列单片机的存储结构 3 SFR复位状态 1 PC 0000H 2 PSW 00H 其中RS1 PSW 4 0 RS0 PSW 3 0 表示复位后单片机选择工作寄存器0组 3 SP 07H表示复位后堆栈在片内RAM的08H单元处建立 4 P0口 P3口锁存器为全1状态 说明复位后这些并行接口可以直接作输入口 无须向端口写1 2 551系列单片机的存储结构 2 551系列单片机的存储结构 2 5 3外部数据存储器外部数据存储器一般由静态RAM芯片组成 扩展存储器容量的大小 由用户根据需要而定 但80C51单片机访问外部数据存储器可用1个特殊功能寄存器 数据指针寄存器DPTR进行寻址 由于DPTR为16位 可寻址的范围可达64KB 所以扩展外部数据存储器的最大容量是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 MOVXA DPTRMOVX DPTR A 2 6输入 输出端口 在80C51单片机中有四个双向并行I O端口P0 P3 每个端口都有八条端口线 共32条线 2 6 1P0端口1 端口结构 2 6输入 输出端口 2 通用I O接口功能当系统不进行片外的ROM扩展 也不进行片外RAM扩展时 P0用作通用I O口 在这种情况下 单片机硬件自动使多路开关 控制 信号为 0 低电平 MUX开关接向锁存器的反相输出端 另外 与门输出的 0 使输出驱动器的上拉场效应管T1处于截止状态 此时 输出级是漏极开路电路 2 6输入 输出端口 3 地址 数据分时复用功能当系统进行片外的ROM扩展或进行片外RAM扩展时 P0用作地址 数据总线 在这种情况下 单片机内硬件自动使多路开关 控制 信号为 1 高电平 MUX开关接向反相器的输出端 这时与门的输出由地址 数据线的状态决定 2 6输入 输出端口 4 端口操作在MCS 51单片机中 没有专门的输入输出指令 而是将I O接口与存储器一样看待 使用和读写RAM的一样的指令实现输入输出功能 端口在RAM中的字节地址和位地址见表2 6 当向I O端口写入数据时 即通过相应引脚向外输出 而当从I O读入数据时 则将通过引脚将外设状态信号输入到单片机内 使用数据传送类MOV指令输入 输出字节数据 例如 MOVA P0MOVP0 A 2 6输入 输出端口 2 6 2P1端口 P1口的位结构见图2 13 2 6输入 输出端口 在结构上 与P0相比 主要有两个不同 一是 不需要多路开关 二是 本身具备上拉电阻 在应用上 P1口只能作一般I O口使用 除了作输出口使用时不必外接上拉电阻外 其他应用特点及注意事项与P0口完全一样 2 6输入 输出端口 2 6 3P2端口 P2口的位结构见图2 14 2 6输入 输出端口 在结构上 与P0口相比有两个注意不同 一是多路开关MUX的一个输入端只是 地址 而不是 地址 数据 二是P2口自身具备上拉电阻 在应用上分两种情况 一是作一般I O口使用 与P1口相同 二是用于为外部扩展存储器或I O口提供高8位地址 2 6输入 输出端口 2 6 4P3端口 P3口的位结构见图2 15 2 6输入 输出端口 与P1口结构相比 多了一个与非门3和一个输入缓冲器4 当CPU不对P3口进行字节或位寻址时 内部硬件自动将口锁存器的Q端置1 这时 P3口作为第二功能使用 引脚的第二功能见表2 7 2 6输入 输出端口 1 P3口用作第二功能使用 1 输入第二功能信号时此时锁存器输出端及 第二输出功能 信号端均应保持高电平 第二功能输入信号通过P3 X引脚通过缓冲器4的输出端输入到单片机内部 2 输出第二功能信号时此时锁存器应预先置 1 以保持与非门对第二功能信号的输出能顺利进行 2 6输入 输出端口 2 6输入 输出端口