单片机_完整最新课件_2012

单片机原理及应用技术 教学课件 第二章MCS 51单片机的基本结构及工作原理 MCS 51单片机的基本结构及工作原理 2 1MCS 51单片机的基本结构 2 2MCS 51的存储器结构 2 3专用功能寄存器的SFR 2 4单片机的工作方式与最小应用系统主要内容 MCS 51系列单片机的内部结构 存储器结构 工作原理 引脚功能 工作方式 时序和最小应用系统 本章要点 掌握MCS 51单片机的内部结构 存储器结构 PSW特殊功能寄存器的使用 引脚功能 最小应用系统的设计 了解工作时序及工作方式 第一节MCS 51单片机的基本结构 教学内容 一 MCS 51单片机内部结构二 CPU三 输入 输出端口结构四 端口负载能力和接口要求五 MCS 5l引脚及功能 单片机原理及应用技术 教学课件 MCS 51系列单片机配置一览表 单片机原理及应用技术 教学课件 一 MCS 51内部结构 图2 18051的功能部件图 外部中断 二 CPU 主要功能 产生各种控制信号 去控制存储器 输入 输出端口的数据传送 数据的算术运算 逻辑运算以及位操作处理等 一 运算器组成 运算器由算术逻运算部件ALU 累加器Acc 暂存器 程序状态字寄存器PSW BCD码运算调整电路等组成 对数据完成算术运算 逻辑运算 循环移位 位处理 二 控制器组成 由程序计数器PC 指令寄存器 指令译码器 定时控制与条件转移逻辑电路等组成 功能 对来自存储器中的指令进行译码 通过定时控制电路 在规定的时刻发出各种操作所需的全部内部和外部控制信号 协调各功能元件的工作 完成指令所规定的功能 特点 它是16位的按机器周期自动加1计数器 一切分支 跳转 调用 中断 复位等操作的本质就是 改变PC值 总指向下一条指令所在首地址 当前PC值 1 程序计数器PC ProgramCounter 一个16位的专用寄存器 用来存放下一条指令的地址 它具有自动加1的功能 2 指令寄存器一个8位的寄存器 用于暂存待执行的指令 等待译码 3 指令译码器对指令寄存器中的指令进行译码 分析它的功能 并根据功能产生相应的电信号 4 数据指针DPTR是一个16位的地址指针寄存器 它主要用来存放16位地址 作间址寄存器使用 可用来访问64K外部数据存储器和I O端口 DPTR也可以拆成两个独立8位寄存器 即DPH 高8位字节 和DPL 低8位字节 分别占据83H和82H两个地址 5 定时控制部件与时序 功能 在规定的时刻发出各种操作所需的全部内部和外部的控制信号 协调各功能元件工作 完成指令所规定的功能 主要任务 产生一个工作时序 其工作需要时钟电路提供一个工作频率 1 时钟电路设计 XTAL1 XTAL2 接外部晶振的两个引脚 MCS 51内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器 此放大器的输入和输出端分别是引脚XTAL1和XTAL2 在XTAL1和XTAL2上外接时钟源即可构成时钟电路 1 时钟电路设计 XTAL1 XTAL2 接外部晶振的两个引脚 单片机晶振提供的时钟频率越高 那么单片机运行速度就越快 单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率 有内部和外部两种时钟产生方式 单片机的生产工艺不同 接法也不同 在XTALl和XTAL2两端接晶体或陶瓷谐振器 与内部反向器构成稳定的自激振荡器 参数选取 C1 C2起稳定振荡频率 快速起振的作用 外接晶振时 Cl和C2选择10 30pF外接陶瓷谐振器时 Cl和C2的典型值约为40 10pF 振荡频率范围一般是1 2MHz 12MHz 有的可达40MHz 设计印刷电路板时 晶体和电容应尽可能安装在单片机芯片附近 以减少寄生电容 保证振荡器稳定和可靠工作 2 CPU的时序 80C51的片内振荡器及时钟发生器 振荡信号经一个二分频触发器向芯片提供了一个2节拍的状态信号 状态周期是振荡周期 时钟周期 的2倍 每个状态周期有两个节拍P1和P2 在每个状态的前半周期 节拍P1有效 在每个状态的后半周期 节拍P2有效 CPU就以两相时钟P1和P2为基本节拍指挥51单片机各个部件协调地工作 单片机原理及应用技术 教学课件 CPU总是按照一定的时钟节拍与时序工作 振荡周期 时钟周期 晶振频率fosc 或外加频率 的倒数状态周期 2个振荡周期机器周期 完成一个规定操作所需要的时间 如 取指令 存储器读 存储器写等 1个机器周期 6个状态周期 12个振荡周期指令周期 执行一条指令所需的机器周期数 1个机器周期 12个振荡周期 1个指令周期 1 2或4个机器周期 思考 若采用12MHz的晶振频率 其机器周期 通常 每个机器周期中 ALE两次有效 第一次出现在S1P2和S2P1期间 第二次出现在S4P2和S5P1期间 CPU取指 执行时序 每条指令的执行都可以包括取指令和执行两个阶段 在取指阶段 根据程序计数器PC的内容 CPU从内部或外部ROM中取出指令操作码及操作数 然后再执行这条指令 按指令执行时间分类 单周期 双周期 四周期按指令所占字节数分类 单字节 双字节 三字节 各指令的微操作在时间上有严格的次序 这种微操作的时间次序我们称作时序 单字节指令如 INCA 1 单周期指令时序 双字节指令如 ADDA data 单字节单周期指令 指令特点 在程序存储器ROM中仅占一个存储单元 在ALE第一次有效 S2P1 时 从ROM中读取指令的操作码 送入指令寄存器IR中 PC加一 并译码执行 在ALE第二次有效时 封锁PC加一 并丢弃第二次读的操作码 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 你知道PC的作用吗 五 MCS 51单片机的引脚及其功能 AT89S52DIP40封装 单片机原理及应用技术 教学课件 认识单片机的引脚 MCS 51单片机40脚Vcc GND2XTAL1 XTAL22RESET1EA Vpp1ALE PROG1PSEN1 P0 0 P0 78P1 0 P1 78P2 0 P2 78P3 0 P3 78 1 Vcc 40脚 GND 20脚 正电源端与接地端不同的单片机可以允许不同的工作电压 5V 3 3V 2 7V 不同的单片机表现出的功耗也不同 2 XTAL1 19脚 XTAL2 18脚 片内振荡电路输入 输出端 单片机原理及应用技术 教学课件 对AT89S51 S52单片机 通常外接一个晶振两个20或30pf电容 一个12M或11 0592MHz的晶振 3 RST VPD 9脚 ALE PROG 30脚 EA Vpp 31脚 PSEN 29脚 控制信号引脚 RST VPD 复位 正脉冲有效 备用电源引脚复位使单片机进入某种确定的初始状态退出处于节电工作方式的停顿状态 退出一切程序进程 退出程序的死循环 从头开始 Vcc掉电期间 此引脚可接备用电源 能保护片内RAM中的内容不丢失 无论是HMOS型还是CHMOS型的单片机 在振荡器正在运行的情况下 复位是靠在RST引脚上施加持续2个机器周期的高电平来实现的 MCS 51单片机通常采用的简单复位电路有 上电自动复位 外部脉冲复位 上电 按钮电平复位 程序运行监视复位等方式 单片机原理及应用技术 教学课件 简单复位电路 5V 10uF 10k Vcc RST GND 上电复位 10uF 10k Vcc RST GND 上电 按钮复位 1k 5V 程序运行监视复位程序运行监视复位通常是由各种类型的程序监视定时器WDT WatchdogTimer 俗称为 看门狗 实现 WDT可保证程序非正常运行 如程序 飞逸 死机 时 能及时进入复位状态 恢复程序正常运行 看门狗 工作原理 在规定时间内必须至少 喂狗 一次 即复位 看门狗 否则 看门狗 电路将复位单片机 实现 可在软件的合适地方加一条 喂狗 指令 使看门狗的定时时间永远达不到预置 WDT通常有几种实现方法供用户选择 1 单片机内部带有的WDT功能单元 如 S51 2 选择 P microprocessor 监视控制器件 这些器件中大多有WDT电路 如Max705芯片等 P监视控制器件 MAX705 706 DS1232等DS1232 看门狗 是DALLAS公司生产的一种微机监控电路芯片 主要功能 产生上电复位和手动复位 监视电源电平 监视软件运行状态 当程序运行出现飞车时 产生复位信号 看门狗定时器定时时间设置 Tol 电源检测选择端Tol接地 电源电压跌至4 75V以下产生复位信号Tol接VCC 电源电压跌至4 5V以下产生复位信号 注意 保证看门狗定时器计数溢出前复位看门狗定时器 89S51看门狗功能的使用方法 在ATMEL的89S51系列的89S51与89C51功能相同 指令兼容 89S51比89C51增加了一个看门狗功能 要激活AT89S51 52的看门狗功能 只需依次向WDTRST寄存器 SFR地址为0A6H 单元送入 01EH和 0E1H即可 使看门狗定时计数器工作 AJMPMAIN 启动看门狗MAIN MOV0A6H 01EH 先送1EMOV0A6H 0E1H 后送E1 主程序START ACALLWDT 调用复位看门狗子程序 AJMPSTART 主程序 复位看门狗子程序WDT MOV0A6H 01EH 先送1EMOV0A6H 0E1H 后送E1RETEND 注意事项 1 89S51的看门狗必须由程序激活后才开始工作 所以必须保证CPU有可靠的上电复位 否则看门狗也无法工作 2 看门狗使用的是CPU的晶振 在晶振停振的时候看门狗也无效 3 89S51只有14位计数器 在16383个机器周期内必须至少喂狗一次 而且这个时间是固定的 无法更改 当晶振为12M时每16个毫秒需喂狗一次 ALE PROG 30脚 地址锁存允许 编程脉冲输入端 P0口寻址外部低8位地址时接外部锁存器74ls373的G端 ALE端平时会输出周期正脉冲 f fosc 6 对片内ROM编程时编程脉冲由此端加入 指并行编程模式 EA Vpp 31脚 寻址外部ROM控制端 编程电源输入端 低电平有效 片内无ROM时必须接地 片内有ROM时可以接高电平 也可以接低电平 接低电平时 只访问片外ROM 接高电平时 访问片内ROM 超范围时 访问片外ROM对S51 S52单片机 若不扩展ROM EA要接 5V对片内ROM编程时编程正电源加到此端 指并行编程模式 单片机原理及应用技术 教学课件 单片机 锁存器74LS373 P0 0 P0 7 ALE PSEN