第2章单片机芯片的硬件结构

西北农林科技大学水利与建筑工程学院,第二章 单片机芯片的硬件结构, MCS-51单片机逻辑结构及信号引脚 MCS-51单片机内部存储器 MCS-51单片机并行输入/输出口电路 MCS-51单片机时钟电路与时序 MCS-51单片机工作方式,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,一、MCS-51结构框图 同计算机一样，单片机（冯诺曼结构）由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五个基本部分组成，但单片机比计算机设计的更精巧，以克服芯片尺寸有限所带来的许多制约。,图2-1 MCS-51单片机组成框图,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,三、MCS-51单片机硬件结构,结构框图,中央处理器CPU：8位，运算和控制功能,内部RAM：共256个RAM单元，用户使用前128个单元，用于存放可读写数据，后128个单元被专用寄存器占用。,内部ROM：4KB掩膜ROM，用于存放程序、原始数据和表格。,定时/计数器：两个16位的定时/计数器，实现定时或计数功能。,并行I/O口：4个8位的I/O口P0、P1、P2、P3。,串行口：一个全双工串行口。,中断控制系统：5个中断源（外部中断2个，定时/计数中断2 个，串行中断1个）,时钟电路：可产生时钟脉冲序列，允许晶振频率6MHZ和12MHZ,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,不同型号MCS-51单片机CPU处理能力和指令系统完全 兼容，只是存储器和I/O接口的配置有所不同。封装结构：,三、MCS-51单片机硬件结构,DIP,QFP44,LCC,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,2.1.2、MCS-51内部逻辑结构：1、CPU 功能：运算和控制操作。 包括：运算器和控制器两部分内容。,CPU,运算器：实现算术和逻辑运算加、减、乘、除、增量、减量、十进制调整、比较、与或、异或逻辑，左右移动、半字节交换等功能。,ALU（算术逻辑单元）ACC（累加器）B （寄存器）PSW（状态寄存器）暂存寄存器（2个）,控制器：单片机指挥控制部件，保证单片机各部分自动而协调的工作。,PC（程序计数器）PC加1寄存器指令寄存器指令译码器定时与控制电路,控制器控制电路执行指令流程： 程序存储器指令寄存器 指令译码器定时控制逻辑电路 产生信号控制外围各个部件,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,MCS51单片机芯片内部逻辑结构CPU运算器部分,ALU算式逻辑单元,ACC累加器,B寄存器,PSW状态寄存器,暂存寄存器,暂存寄存器,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,MCS51单片机芯片内部逻辑结构CPU控制器部分,PC程序计数器,PC+1程序计数器,指令寄存器,指令译码器,定时与控制器,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,单片机的工作过程,取指过程,例: MOV A,#09H 74H 09H ;把09H送到累加器A中,执行过程,PC=,0000H,0 1 1 1 0 1 0 0,0 0 0 0 1 0 0 1,(PC),(PC),0001H,0002H,0000H,外部控制总线CB,取指过程,(PC),执行过程,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,2、存储器,存储器,数据存储器,程序存储器,内部外部,RAM（80C51有256个单元，但用户只使用低128位单元寄存器）RAM地址寄存器,内部外部,ROM（80C51有4K8）ROM地址寄存器,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,3.定时器/计数器 80C51有两个16位定时/计数器，用于实现单片机的控制。4.并行I/O口 MCS-51有4个8位I/O口（P0、P1、P2、P3）数据并行口。5.串行I/O口 MCS-51有一个全双工串行口，可做全双工异步通信收发器，也可作为同步移位器。6.中断控制系统 80C51有5个中断源，分为高级和低级（外中断2个、定时/计数中断2个、串行中断1个）7.时钟电路 有内部时钟电路，但其中的石英晶体和微调电路需外接，频率为12MHZ。8.位处理器（布尔处理器） 因单片机用于控制，所以要有位处理功能，位处理器是单片机重要内容。 位处理器以状态寄存器（PSW）中进位标志位C为累加位，可进行置位、复位、取反、等于“0”转移、等于“1”转移且清“0”或逻辑运算。9、总线 连接上面所述部分的为总线。总线分为：地址、数据、控制总线。,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,以上部分在单片机中反映为引脚,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,2.1.3 MCS-51信号引脚,1）信号引脚介绍 P0.0P0.7 P1.0P1.7 P2.0P2.7 P3.0P3.7,8位双向口线, / EA（enable address）访问程序存储器控制信号 低电平时，只读外部ROM 高电平时，先内ROM后外部ROMVPP:备用电源引入。,ALE（Address Latch Enable）地址锁存控制信号 用于P0口实现地址和数据分时传送。 以六分之一晶振固定频率输出正脉冲，可以作为外部时钟或外部定时脉冲。/PROG：编程脉冲。, /PSEN 外部程序存储器读选通信号（program store enable） 低电平读外部ROM,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,RST 复位信号: 2个机器周期以上高电平以复位。同时还做为备用电源输入端,XTAL1和XTAL2外接晶体引线端： 内部时针时外接，石英晶体和微调电容。外部时钟时接外部时钟脉冲信号。,VSS 地线。,VCC +5V电源。,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,2）信号第二功能 由于工艺和标准化原因，芯片引脚数目有限，为了实现更多功能，需要“复用”来解决供需矛盾。,程序固化所需信号,备用电源引入,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,3）、引脚一、二功能区分（1）各种型号芯片，等一功能是相同的，而等二功能不同。（2）RST/VPD和ALE/PROG工作方式不同，因此不会矛盾。（3）P3各脚优先考虑等二功能，其他考虑等一功能。,22 MCS-51内部存储器 普林斯顿结构：程序和数据共用一个存储器空间，统一编址。 哈佛结构：程序与数据分为两个独立存储器空间，分开编址。 单片机采用哈佛结构，分ROM、RAM两类 以80C51为例 RAM （256个单元） 分低128单元（00H7FH）内部RAM 高128单元（80HFFH）专用寄存器区 ROM（4K单元）,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,2.2.1 内部程序存储器 80C51中有4K ROM单元：0000H0FFFH，可扩展64K外部ROM。 其中: 0000H0002H 单片机起动单元，用时可存无条件转移指令。 0003H002AH（58=40个单元）为五个中断源的中断地址 0003H000AH 外部中断 0中断 000BH0012H 定时/计数器 0 中断地址 0013H001AH 外部中断 1 中断 001BH0022H 定时/计数器 1 中断地址区 0023H002AH 串行中断地址区 中断响应后，系统自动转到各中断区的首地址去执行程序，中断地址区应放中断服务程序。 由于各地址区容量有限，因此一般在第一个单元放置一条无条件转移指令以转移到程序实际存放位置。,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,程序存储器,程序存储器,内部,外部,(PC),程序存储器资源分布,中断入口地址,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,通用寄存器,RAM （256个单元） 低128单元（00H7FH） 内部RAM存储器 高128单元（80HFFH） 专用寄存器区30H7FH 用户RAM区20H2FH 位寻址区18H1FH 3组寄存器10H17H 2组寄存器 08H0FH 1组寄存器 00H07H 0组寄存器,低128单元,4组，每组8个寄存器（8位R0R7）叫做通用寄存器（工作寄存器）。4组中CPU 只能用其中一个，选择由状态寄存器PSW中RS1、RS0决定。通用寄存器为CPU提供就近存取数据的便利，有利于单片机速度提高，编程时充分利用。这些寄存器，使用时可以用R0R7也可以用00H1FH表示。,位寄存器，16个单元，128个位。,用户RAM区，80个单元。,R7-R0,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,20H2FH 位寻址区 可以用作一般RAM使用（20H2FH）也可 用做字节操作（168=128位）。 位地址为（00H7FH）是位处理器默认数据存储空间。 使用时：以位地址形式（00H7FH） 存储单元加位形式（2FH.7）用户RAM 128个单元-32个通用寄存器-16个位单元=80个用户单元（30H7FH），使用时常把堆栈开辟此区。,R7-R0,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,内部,外部,(2)数据存储器,数据存储器,RAM,专用寄存器,内部RAM存储器,工作寄存器区选择位RS0、RS1,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,2.2.2 RAM高128单元（专用寄存器区： 80HFFH） 其中寄存器用于存放控制命令、状态或数据，故成为专用寄存器区SFR 其中共有22个专用寄存器、可寻址21个。,一、专用寄存器1、程序计数器 PC-Program counter 16位 存放指令地址 （216=64KB）有自动加1功能，不可寻址。2.累加器A（ACC-Accumulator） 8位，功能多，地位非常重要。,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,A寄存器很重要，使用十分频繁，为了解决数据阻塞问题（1）80C51放置了一些数据传送指令以缓解“瓶颈”作用。（2）开始使用寄存器阵列求代替寄存器。,功能：存放操作数，是ALU数据重要来源，是指令中单双操作数的首选。ALU运算结果暂存单元、存放中间结果数据传送中转站变址寻址时作为变址寄存器使用,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,3.B寄存器 8位 主要用于乘除运算 A B = B A A / B = A B 也做数据寄存器4.程序状态字（PSW-Program status word） 8位，是寄存指令执行的状态信息，有的是硬件设置，有的软件设置，可以用指令读位状态。,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,CY/C进位标志 运算中进位标志 位操作的累加位（很重要）AC 辅助进位（低4位向高4位进位或借位时置1） 十进制调整时要用此位判断F0 用户标志位，用户定义如控制程序转向 RS1 RS0,寄存器组选择位 软件设置,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,OV-溢出标志 + - OV=1 表示超出A的表示（-128+127） OV=0 表示范围内 OV=1 表示乘积超过255即B与A中都有 OV=0 表示乘积只在A中 / OV=1 表示除数为0 OV=0 表示除数不为0P-奇偶标志位 A中1的个数奇偶 1为偶数 P=0 1为奇数 P=15、DPTR（数据指针） 16位，是唯一用户使用的16位寄存器 作用：(1)外部RAM寻址（外部寻址范围为64KB） (2)变址寻址的基址寄存器，与A寄存器配合。,DPH高位字节DPL低位字节,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,二、专用寄存器的字节寻址 表2-5(P28)专用寄存器一览表注意： （1）21个寄存器不连续分散于高128单元中，对剩余空间单元不能使用。 （2）PC 唯一一个不能寻址的。 （3）只能用直接寻址方式，可以用寄存器符号也可用地址。三、专用寄存器位寻址 21个专业寄存器中，11个可位寻址（位寻址83个）， 使用时可用位地址也可用位名称。【P28表2-5】 如：PSW中的CY位可表示为 0D7H或CY,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,2.2.3 MCS-51堆栈操作 刚才谈了堆栈区，现在讨论一下堆栈。堆栈：只允许一端进行数据插入和数据删除操作的线性表。 PUSH 入栈 后进先出的特点（LIFOlast-in，First-out） POP 出栈1）堆栈作用：为子程序调用和中断操作而设立 功能：保护断点 保护现场 数据临时存放（PUSH、 POP）现场保护：寄存器中主程序数据入栈寄存器执行子程序/中断数据传送主程序数据出栈继续主程序2) 堆栈开辟：内堆栈形式只开辟内部RAM中 特点：速度快但容量小。3) 堆栈指示器：SP指示栈顶地址 SP：8位，系统复位后SP为07H，使用时先初始化为（30H7FH）中值。,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,4) 堆栈类型： 向上生长 ( MCS-51为此) 向下生长 操作规则：SP+1 写入数据读出数据 SP-1 进 出5）堆栈使用方式： 自动方式：调用子程序或中断时，返回地址自动进栈。 指令方式：使用专用的堆栈操作指令，进行进出栈操作。其进栈指令为PUSH，出栈指令为POP。例如保护现场就是指令方式进行操作 。,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,2.2.5 MCS-51单片机系统的存储器结构 特点：1、数据、程序存储器分开 2、存储器内外分开， 使用ALE用于外部存储器地址锁存 PSEN用于外部程序存储器读选通 EA用于内外程序存储器控制 WR用于外部数据存储器写控制 RD用于外部数据存储器读控制,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,3.2单片机并行I/O端口概述3.2.1 P0口电路结构及工作原理3.2.2 P1口电路结构及工作原理3.2.3 P2口电路结构及工作原理3.2.4 P3口电路结构及工作原理,第三节 MCS-51并行I/O端口电路原理,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,3.2 单片机并行I/O端口概述,1. MCS-51单片机具有4个8位并行端口（P0P3），共32根I/O口线。每一根I/O口线都能独立的用作输入或输出。 2. 这4个端口完成单片机与外部设备进行信息（数据、地址、控制信号）交换。了解其功能特点很重要。 3. 四个I/O 口电路结构不同，其使用方法和功能各有不同。,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,2.2.1 P0口概述1、端口地址： 字节地址：80H 位 地 址：80H87H 2、功 能： 能作为系统扩展的数据/地址（低8位）线使用。 能作为通用I/O口进行数据输入输出使用。3、注意事项： 作为数据/地址线使用时，考虑外接数据锁存器。 作为I/O输出时需外接上拉电阻。 作为I/O输入时需先将端口置1后才可使用。,思考：为什么有以上要求？,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,2.2.1.1 电路的结构 2.2.1.2 作为输出使用时工作原理 2.2.1.3 作为输入使用时工作原理,学习思路,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,2.2.1 P0口-电路的结构,1,4,5,3,2,多路开关,5,4,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,2.2.1 电路的结构 2.2.2 作为输出使用时工作原理 作为数据/地址线输出使用 作为I/O输出使用 2.2.3 作为输入使用时工作原理,学习思路,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,2.2.2 P0口-作为数据/地址线输出使用原理,数据/地址线使用时，CPU发出信号（高电平1）,MUX转换到地址/数据线上,控制线高电平会把与门打开,0,0,0,1,1,0,1,1,1,0,0,1,MOVX DPTR,A,由于直接反应地址/数据线信号，所以使用时注意： “必须加锁存器进行地址锁存”。,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,通用I/O使用时，CPU发出信号（低电平0），MUX与锁存器相连。,控制线为0，将与门封闭，其输出为0。,上拉场效应管截止。,此时为了输出1，“必须外接上拉电阻”。,CPU写脉冲，将数据写入锁存器。,1,0,1,0,1,0,2.2.2 P0口-作为I/O端口输出使用时原理,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,2.2.1 电路的结构 2.2.2 作为输出使用时工作原理 作为数据/地址线输出使用 作为I/O输出使用 2.2.3 作为输入使用时工作原理,学习思路,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,2.2.3 P0口-作为I/O端口输入使用时原理,读引脚就是读芯片引脚上的数据，直接由此缓冲器引出。,读端口就是读锁存器Q端状态信号。,注意：”作为输入时，必须先将P0置1”，以将其封死，否则，任何输入信号都会被拉成0电平。,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,电路改错,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,2.2.2 P1口概述1、端口地址： 字节地址：90H 位 地 址：90H97H 2、功 能： 仅作为通用I/O口进行输入输出使用。3、注意事项： 作为I/O输入时需先将端口置1后才可使用。,思考：为什么有以上要求？,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,2.2.2.1 电路的结构 2.2.2.2 作为输出使用时工作原理 2.2.2.3 作为输入使用时工作原理,学习思路,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,2.2.2 P1口-电路的结构,注意与P0口的电路区别。由于没有MUX,输出级直接和锁存器相连，所以只用作通用I/O口。,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,2.2.2.1 电路的结构 2.2.2.2 作为输出使用时工作原理 2.2.2.3 作为输入使用时工作原理,学习思路,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,2.2.2 P1口-作为I/O输出使用原理,0,1,0,1,0,1,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,2.2.2.1 电路的结构 2.2.2.2 作为输出使用时工作原理 2.2.2.3 作为输入使用时工作原理,学习思路,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,2.2.2 P1口-作为I/O端口输入使用时原理,输入时，“同样先将P1口置1”，以保证输入信号不被拉低。,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,2.2.3 P2口 1、端口地址： 字节地址：0A0H 位 地 址：0A0H0A7H 2、功 能： 作为通用I/O口进行输入输出使用。 作为系统扩展的地址线使用（地址为高8位）。3、注意事项： 作为I/O输入时需先将端口置1后才可使用。,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,2.2.3 P2口电路,注意与P0口的电路区别。,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,P2口作为地址线使用,2.2.3 P2口电路,控制线高电平时，P2口作为地址线使用。,0,1,0,1,0,1,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,2.2.3 P2口电路,控制线低电平时， P2口作为I/O端口使用。,0,1,0,输入时，同样先将P1口置1，以保证输入信号不被拉低。,P2口作为I/O端口使用,作为输入时,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,2.2.4 P3口 1、端口地址： 字节地址：0B0H 位 地 址：0B0H0B7H 2、功 能： 作为通用I/O口进行输入输出使用。 主要作为引脚的第二功能信号使用。 思考：电路如何实现功能复用？3、注意事项： 作为I/O输入时需先将端口置1后才可使用。,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,2.2.4 P3口-输出使用,I/O输出时，第二输出功能信号线线应置1， 与非门打开,1,0,0,1,0,输出第二功能信号时，锁存器应先置1，使与非门对第二功能输出畅通。,输出第二功能信号时，锁存器应先置1，使与非门对第二功能输出畅通。,1,0,作为I/O输出使用时,作为第二功能使用时,1,1,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,2.2.4 P3口-输入使用,作为I/O输入使用时,输入时： 锁存器和第二输出功能线都应置1。否则会被MOS管拉成0。,作为第二功能输入使用时,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,2.2.5 口电路小结1、P0P3都是并行I/O口，P0、P2为了构建系统数据总线和地址总线，所以有MUX，但P0输送系统低8位地址和8位数据，P2输送系统高8位地址。2、P0做地址/数据线使用时为双向口，P13为准双向口（作为I/O输入时需先将端口置1后才可使用）。3、P3有第二功能控制逻辑功能，电路结构使得其第二功能不会与I/O相混淆。4、电路结构不同，使用方法不同，注意各自使用注意事项。,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,2.4 MCS-51时钟电路、时序 时钟的作用：保证单片机各部分协同工作，时钟越高，单片机运算越快。 时钟电路产生时钟信号，信号分内部时钟、外部时钟。 时钟频率为1.2MHZ-12MHZ,频率越高,单片机越快（ 但频率越高,印刷电路板工艺要求也越高【电磁兼容】）。一般使用6MHz，目前最高40MHZ 。串口经常选用11.0592MHz. 振荡器由PCON的PD位控制,PD=1 停振 系统进入低功耗 振荡脉冲二分频后时钟信号（三分频） ALE信号 六分频机器周期信号,内部时钟,石英晶振选30pF,陶瓷晶振选47pF,西北农林科技大学水利与建筑工程学院,为了多片单片机协调工作 MCS-51-由XTAL2引入， XTAL1、Vss接地。 外接信号应为高低电平，持续时间大于20nS的 方波,频率低于12MHz。 80C51-由XTAL1接入，XTAL2悬空，VSS接地。 信号频率低于12MHZ2.4.2 时序定时单位 单片机指令执行以时序图的形式表明相关信号的波形及先后次序。 定时单位:拍节、状态、机器周期、指令周期。 拍节(晶振周期)-振荡脉冲周期（P表示） 状态(时钟周期)-振荡脉冲二分频后的时钟周期定义为状态（S）