单片机的体系结构

第2章8051单片机的体系结构 本章学习要点 1 8051单片机内部结构 功能部件 2 8051单片机引脚名称 功能和三总线信号 3 单片机的存储结构 编址 特殊功能寄存器 4 单片机工作时序 时钟电路 复位电路 5 单片机I O的结构功能特点 6 单片机的工作模式 2 18051单片机内部结构八大功能部件 1 微处理器 8位CPU 2 程序存储器 ROM EPROM或Flash等 3 数据存储器 RAM E2PROM 4 四个8位并行可编程I O端口 P0 P1 P2 P3 5 一个串行口 UART 6 两个16位定时器 计数器 T0 T1 7 中断系统 含 8个中断源 2个优先级 8 特殊功能寄存器 SFR 还包含 时钟振荡器 总线控制器和供电电源此外 有的还有其它功能部件 如 A D D APWM PCAWDTSPI I2C ISP IAP 8051单片机内部结构图 2 28051单片机芯片引脚功能单片机芯片双列直插封装方式引脚图 2 28051单片机芯片引脚功能单片机芯片方形封装方式引脚图 2 28051单片机芯片引脚功能单片机芯片引脚功能1 主电源引脚 1 GND接地 2 VCC正常操作时为十5V电源 2 时钟电路引脚 1 XTAL1 2 XTAL2 3 控制线与电源复用引脚 1 RST VPD RST是复位信号 高电平有效 VPD为第二功能 即备用电源输入端 2 ALE PROG ALE为地址锁存允许信号输出引脚 PROG为编程信号 第二功能 低电平有效 3 PSEN 片外ROM选通信号输出端 低电平有效 4 EA VPP EA为内部和外部ROM控制端当EA 1时 从内ROM开始访问当EA 0时 只访问外部ROMVPP是编程电源输入端 4 并行输入 输出引脚 1 P0口 P0 0 P0 7统称为P0口 2 P1口 P1 0 P1 7统称为P1口 3 P2口 P2 0 P2 7统称为P2口 4 P3口 P3 0 P3 7统称为P3口P3口每一位可用作第二功能 而且P3口的每一条引脚都可以独立设置为第一功能的I O口功能和第二功能 2 38051中央处理器单片机的CPU是完整的1位微计算机 这个1位微计算机包含CPU 位寄存器 I O口和指令集 CPU内部包含 1 运算器2 控制器3 存储器 2 3 1运算器运算器包含 1 算术逻辑运算单元ALU 算术运算 逻辑运算2 累加器A 相当于数据加工厂3 位处理器 位运算4 BCD码修正电路 十进制数的运算处理5 PSW 记录程序运行状态 2 3 2控制器单片机的指挥部件 主要任务是识别指令 控制各功能部件 保证各部分有序工作 主要包括指令寄存器 指令译码器 程序计数器 程序地址寄存器 条件转移逻辑电路 时序控制逻辑电路 1 指令 指令译码及控制器指令 就是完成某项操作的命令 指令译码 对指令进行解析和翻译控制器 发出相应的控制信息 指挥运算器和存储器协同完成指令所要求的操作 例如 下面是单片机的一条指令 0010010100110000 A 30H 该指令是加法指令 指令占2字节 2 指令集和指令助记符指令译码器所能解析系统在设计时规定的 为直观表达 用指令助记符表示 例如 上面的加法指令的助记符为 ADDA 30H 3 程序及程序计数器PC什么叫计算机程序 为完成一个完整的运算任务 按照执行步骤用计算机指令编写的指令集合 执行程序指示 地址由PC指示 执行程序时 在计算机控制器的控制下 取指令装置会按PC的指向从存储器中读出第一条指令并译码 执行指令所要求的操作 2 3 3程序执行过程执行程序线路实际上按PC的指取指令运行 PC就象引路人 称为程序指针 执行流程如下图 程序指令取指执行过程 1 复位PC 00002 从PC取指 PC 13 取数据4 执行指令5 取下一条指令 2 48051单片机的存储结构8051单片机存储器采用哈佛结构 1 有一根地址和数据总线 2 程序存储器空间和数据存储器空间采用独立编址 3 拥有各自的寻址方式和寻址空间 2 4 18051单片机的存储器结构8051单片机存储器从物理结构上分四种 1 片内程序存储器 只读存储器ROM 类型 ROM PROM EPROM E2PROM Flash 2 片外程序存储器 类型同上 3 片内数据存储器 读写存储器RAM 类型 SRAM DRAM E2PROM Flash 4 片外数据存储器 类型同上 从寻址空间分布上分三种 程序存储器 内部数据存储器外部数据存储器 从功能作用上可五种 程序存储器 内部数据存储器 特殊功能寄存器 位地址空间存储器和外部数据存储器 2 4 18051单片机的存储器结构图 2 4 2程序存储器 可寻址的地址空间为64KB 从0000H开始编址 最大地址可至FFFFH 用EA信号选择片内 片外程序存储器 对于STC89C51单片机 片内有4KB 编址为0000 0FFFH EA接高电平 从片内0000H开始执行程序 对于8031单片机无内部程序存储器 EA接低电平 从片外读取程序执行 中断向量 单片机至少有5个中断地址 在0000 002FH程序存储器地址之间占5个特殊地址 被固定用于5个中断源的中断服务程序入口地址 中断地址如下 2 4 3片内数据存储器1 片内RAM编址片内数据存储器 RAM 128B 256B 用来存放程序运行时所需要的常数或变量 编址如下 51子系列片内RAM有128字节编址为00 7FH特殊功能寄存器块有128字节编址为为80 FFH52子系列片内RAM有256字节低128字节编址为00 7FH 直接寻址 高128字节编址为80 FFH 间接寻址 SFR有128字节编址为为80 FFH 间接寻址 2 内部数据存储器的划分片内RAM编址为00 7FH 分工作寄存器区 位寻址区 数据缓冲区和堆栈数据区三个部分 结构如下图 1 工作寄存器区从上图中可以看到 单片机内部RAM的00 1FH区是R工作寄存器区 分为四个组 由RS1 RS0配置选择 2 位寻址区内部RAM的20H 2FH为位寻址区域 见表2 4 这16个单元 共128位 的位地址编址范围为00H 7FH 3 数据缓冲区内部RAM的30H 7FH是数据缓冲区 也称为用户RAM区 共80个单元 52子系列内部有256个单元的数据存储器 用户RAM区范围为30H FFH 共208个单元 工作寄存器区和位寻址区的地址及单元数与上述一致 3 堆栈和堆栈指针堆栈的概念 是一种数据项按序排列的数据结构 采用后进先出 这种后进先出操作的缓冲器区称为堆栈 堆栈指针总是指向栈顶 堆栈就好比水桶或手枪中的弹匣 更象一个装兵乓球的小圆筒 堆栈的几个名词 满堆栈 空堆栈 递增堆栈和递减堆栈 堆栈特点 后进先出堆栈有3个具体功能 1 保护断点 2 现场保护 3 临时暂存数据 2 4 4特殊功能寄存器单片机是通过特殊功能寄存器 SFR 对各种功能部件进行集中控制 如下表 2 4 5外部数据存储器单片机一般的内部RAM只有128B或256B 现在有大RAM容量单片机或集成了DataFlash的单片机 系统需要海量存储器必须扩展外部存储器 扩展外部存储器方式 1 并行方式扩展 最大64KB 2 串行方式扩展 最大1MB以上 存储器使用总结如下 1 地址有重叠性 用不同的控制命令分开 2 RAM 和 ROM 在操作使用上是严格区分的 不同的操作指令不能混用 3 位地址空间有两个区域 20H 2FH区和SFR区 4 片外数据存储器区中 RAM存储单元与单片机外部扩展的I O端口是统一编址的 2 5并行I O端口 共有4个8位双向I O口 共32口线 每位均有自己的锁存器 SFR 输出驱动器和输入缓冲器 多路开关功能 用于控制选通I O方式还是地址 数据输出方式方式控制 由内部控制信号产生 输入锁存器 两个输入缓冲器 BUF1和BUF2 推拉式I O驱动器 2 5 1P0口位图内部结构 5 P0R2为读引脚信号 执行 MOVA P0 时该信号有效6 读引脚 端口 时 输出锁存器应为 1 说明 1 当控制信号为0时 P0口做双向I O口 为漏极开路 三态 2 控制信号为1时 P0口为地址 数据复用总线 用于口扩展 3 P0W为端口输出写信号 用于锁存输出状态4 P0R1为读锁存器信号 执行 ANLP0 0FH 时该信号有效 1 0 2 5 2P1口内部结构 P1口内部结构如图2所示输出部分有内部上拉电阻R 约为20K 其他部分与P0端口使用相类似 读引脚时先写入1 写数据 读端口 2 5 3P2口内部结构 2 当控制信号为1时P2口输出地址信息 此时单片机完成外部的取指操作或对外部数据存储器16位地址的读写操作 3 当P2口作为普通I O口使用时用法和P1口类似 说明 1 P2可以作为通用的I O 也可以作为高8位地址输出 MCS 51片外总线结构示意图 返回 MCS 51单片机片外总线 P0 4 返回 6264 WE 单片机8031 P2 0 A8 ALE RD 74LS373 G A7 A0 P0 0 P0 7 OE CE Q0 Q7 D0 D7 A12 P2 4 WR D7 D0 2 5 4P3口内部结构 说明 1 做普通端口使用时 第二功能应为 1 2 使用第二功能时 输出端口锁存器应为 1 3 变异功能 P3 0TXDP3 4T0P3 1RXDP3 5T1P3 2INT0P3 6WRP3 3INT1P3 7RD 2 5 5P0 P3端口功能总结使用中应注意的问题 1 P0 P3口都是并行I O口 但P0口和P2口还可用来构建数据总线和地址总线 所以电路中有一个MUX 进行转换 2 而P1口和P3口无构建系统的数据总线和地址总线的功能 因此 无需转接开关MUX 3 只有P0口是一个真正的双向口 P1 P3口都是准双向口 原因 P0口作数据总线使用时 为保证数据正确传送 需解决芯片内外的隔离问题 即只有在数据传送时芯片内外才接通 否则应处于隔离状态 为此 P0口的输出缓冲器应为三态门 4 P3口具有第二功能 因此在P3口电路增加了第二功能控制逻辑 这是P3口与其它各口的不同之处 P3口的第二功能 2 6单片机时序与复位时钟电路用于产生单片机工作所必需的时钟控制信号 2 6 1时钟电路时钟频率直接影响单片机的速度 电路的质量直接影响系统的稳定性 常用的时钟电路有两种方式 内部时钟方式和外部时钟方式 一 内部时钟方式内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器 其输入端 XTAL1 输出端 XTAL2 C1和C2典型值通常选择为30pF左右 晶体的振荡频率在1 2MHz 12MHz之间 某些高速单片机芯片的时钟频率已达40MHz 二 外部时钟方式常用于多片单片机同时工作 三 时钟信号的输出为应用系统中的其它芯片提供时钟 但需增加驱动能力 2 6 2机器周期 指令周期与指令时序一 时钟周期单片机的基本时间单位 若时钟的晶体的振荡频率为fosc 则时钟周期Tosc 1 fosc 如fosc 6MHz Tosc 166 7ns 二 机器周期CPU完成一个基本操作所需要的时间 执行一条指令分为几个机器周期 每个机器周期完成一个基本操作 MCS 51单片机每12个时钟周期为一个机器周期 一个机器周期又分为6个状态 S1 S6 每个状态又分为两拍 P1和P2 因此 一个机器周期中的12个时钟周期表示为 S1P1 S1P2 S2P1 S2P2 SP6P1 S6P2 三 指令周期执行一条指令时 可分为取指令阶段和指令执行阶段 取指令阶段 PC中地址送到程序存储器 并从中取出需要执行指令的操作码和操作数 指令执行阶段 对指令操作码进行译码 以产生一系列控制信号完成指令的执行 ALE信号是为地址锁存而定义的 以时钟脉冲1 6的频率出现 在一个机器周期中 ALE信号两次有效 注意 在执行访问外部数据存储器的指令MOVX时 将会丢失一个ALE脉冲 时钟电路需外接晶振的频率1 2 12MHZ C1和C2取30 10PF CPU的时序 时钟周期 状态周期 机器周期 若外接晶振为12MHz时 则单片机的四个周期的具体值为 时钟周期 1 12MHz 1 12 s 0 0833 s状态周期 1 6 s 0 167 s机器周期 1 s指令周期 1 4 s可用于计算指令 程序的执行时间 以及定时器的定时时间 2 6 3复位电路单片机的初始化操作 摆脱死锁状态 引脚RST加上大于2个机器周期 即24个时钟振荡周期 的高电平就可使MCS 51复位 复位时 PC初始化为0000H 使MCS 51单片机从0000H单元开始执行程序 除PC之外 复位操作还对其它一些寄存器有影响 见表2 8 P43 SP 07H P0 P3的引脚均为高电平 在复位有效期间 ALE脚和PSEN 脚均为高电平 内部RAM的状态不受复位的影响 2 7 2复位电路片内复位结构 上电自动复位和按钮复位最简单的上电自动复位电路 按键手动复位 有电平方式和脉冲方式两种 电平方式脉冲方式 两种实用的兼有上电复位与按钮复位的电路 图2 19中 b 的电路能输出高 低两种电平的复位控制信号 以适应外围I O接口芯片所要求的不同复位电平信号 74LS122为单稳电路 实验表明 电容C的选择约为0 1 F较好 Watch