第2章_51系列单片机系统结构

单片微型机原理 应用与实验 A51 第2章51系列单片机系统结构 基本要求 掌握MCS 51的组成 工作原理及引脚的含义教学重点难点 重点MCS 51单片机的内部结构及工作原理难点MCS 51单片机内部RAM区的划分及 Ri的应用 第2章51系列单片机系统结构 2 1总体结构2 1 151系列单片机一般的总体结构基本模块 CPU 4KROM程序存储器 128字节RAM数据存储器 4个8位并口 2个16位定时器T0 T1 一个串口 扩展 扩大ROM 64K 增加RAM 256 多功能定时器T2 增加并行口 第2章51系列单片机系统结构 数据存储器 程序存储器 第2章51系列单片机系统结构 2 1 289C52的总体结构 第2章51系列单片机系统结构 封装形式 PDIP 40 PQFP TQFP 44 PLCC LCC 44DIP 双列直插封装 PDIP 塑料双列直插封装DIP是最普及的插装型封装 应用范围包括标准逻辑IC 存贮器LSI 微机电路等 Intel公司早期CPU 如8086 80286就采用这种封装形式 缓存 Cache 和早期的内存芯片也是这种封装形式PQFP方形扁平封装QFP不仅用于微处理器 Intel公司的80386处理器就采用塑料四边引出扁平封装 门陈列等数字逻辑LSI电路 而且也用于VTR信号处理 音响信号处理等模拟LSI电路 PLCC塑料有引线芯片载体现在大部分主板的BIOS都是采用的这种封装形式 第2章51系列单片机系统结构 第2章MCS 51单片机结构组成 引脚主要包括主电源的引脚 外接晶体的引脚 4条控制或与其他电源复用的引脚 32条I O引脚 引脚按其功能可分为3类 主电源引脚 VCC VSS 和时钟引脚 XTAL1 XTAL2 控制引脚 包括RST VPD PSEN ALE PROG EA VPP 接口引脚 P0 P1 P2 P3 第2章51系列单片机系统结构 Vss 接地 Vcc 电源线 4 6V XTAL1 XTAL2 接外部晶体的二个引脚 PSEN 外部程序存储器读选通 EA Vpp Vpp 编程电源 21V EPROM芯片 ALE PROG PROG 编程脉冲 ALE 地址锁存允许低8位地址 RST Vpd Vpd RAM备用电源 Vcc掉电时用RST 复位 第2章MCS 51单片机结构组成 一电源及时钟引脚1 电源引脚 20 40脚 2 时钟引脚 18 19脚 二控制引脚1 RST VPD 9脚 2 PSEN 29脚 3 ALE PROG 30脚 4 EA VPP 31脚 三接口引脚1 P0口 32 39脚 2 P1口 1 8脚 3 P2口 21 28脚 4 P3口 10 17脚 第2章MCS 51单片机结构组成 中央处理器CPU 见下图 由三部分组成运算器ALU 有两个 一个8位 一个1位 叫布尔处理器 图中没有单独画出 是一个独立的处理器定时控制部件 定时控制逻辑 指令寄存器 振荡器 OSC OSCillator 第2章MCS 51单片机结构组成 图2 289C51内部结构图 第2章51系列单片机系统结构 ALU有两个输入 通过暂存器1的输入 输入数据来自寄存器 直接寻址单元 含I O口 内部RAM 寄存器B或是立即数 通过暂存器2或累加器ACC的输入 通过暂存器2的运算的指令有ANLdirect dataORLdirect dataXRLdirect data其它的运算 其输入之一大多数也要通过累加器ACC ALU有两个输出 数据经过运算后 其结果又通过内部总线送回到累加器中 数据运算后产生的标志位输出至程序状态字PSW 第2章51系列单片机系统结构 1 累加器A累加器A是CPU中使用最频繁的一个八位专用寄存器 简称ACC或A寄存器 主要功能 累加器A存放操作数 是ALU单元的输入之一 也是ALU运算结果的暂存单元 在80C51中只有一个累加器A 而单片微机中大部分数据操作都要通过累加器A进行 容易产生 瓶颈 现象 2 B寄存器B寄存器在乘法和除法指令中作为ALU的输入之一 乘法中 ALU的两个输入分别为A B 运算结果存放在AB寄存器对中A中放积的低8位 B中放积的高8位 除法中 被除数取自A 除数取自B 商数存放于A 余数存放于B 在其它情况下 B寄存器可以作为内部RAM中的一个单元来使用 第2章51系列单片机系统结构 程序计数器PC ProgramCounter 是一个独立的计数器 不属于内部的特殊功能寄存器 PC中存放的是下一条将要从程序存储器中取出的指令的地址 3 PC programcounter 程序计数器 16位用于存放程序存储器地址 比如右图中2000H 其基本的工作过程是 读指令时 程序计数器PC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PC本身自动加1 指向下一条指令地址 程序计数器PC变化的轨迹决定程序的流程 在执行条件转移或无条件转移指令时 程序计数器将被置入转移的目的地址 程序的流向发生变化 在执行调用指令或响应中断时 将子程序的入口地址或者中断矢量地址送入PC 程序流向发生变化 第2章51系列单片机系统结构 4 PSW ProgramStatusWord 程序状态字 8位 PSW 7 Cy Carry PSW 6 AC PSW 5 F0 Flagzero PSW 2 OV Overflow PSW 0 P Parity RS1RS0000区011区102区113区 PSW 4 PSW 3 RS1 RS0 进位标志 CY 1 有 辅助进位标志 半进位标志 AC 1 有 用户标志 溢出标志 OV 1 有 奇偶标志 P 1 A中1的个数为奇数个 第2章51系列单片机系统结构 DPTR 2000H 5 DPTR DataPointer 数据指针 DPTR是一个16位的特殊功能寄存器 主要功能是作为片外数据存储器或I O寻址用的地址寄存器 间接寻址 故称为数据存储器地址指针 访问片外数据存储器或I O的指令为 MOVXA DPTR读MOVX DPTR A写 DPTR亦可拆成两个8位使用 DPH DPLDPH 20H DPL 00H 第2章51系列单片机系统结构 在89C51中 两个地址寄存器 即程序计数器PC与数据指针DPTR 有相同之处 也有差别 两者都是与地址有关的16位的寄存器 其中PC与程序存储器的地址有关 而DPTR与数据存储器的地址有关 作为地址寄存器使用时PC与DPTR都是通过P0和P2口输出的 PC的输出与ALE及信号有关 DPTR的输出 则与ALE 信号有关 PC只能作为16位寄存器对待 PC是不可以访问的 它不属于特殊功能寄存器 有自己独特的变化方式 DPTR可以作为16位寄存器 也可以作为两个8位寄存器 DPTR是可以访问的 DPL和DPH都位于特殊功能寄存器区中 第2章51系列单片机系统结构 6堆栈及堆栈指针 22H33H 22H 33H SP 堆栈指针SP StackPointer 始终指向栈顶 堆栈性质 入栈 出栈 先进后出FILO 22H 33H 队列 FIFO SP 第2章51系列单片机系统结构 2 2存储器组织 单片微机的存储器有两种基本结构 一种是在通用微型计算机中广泛采用的将程序和数据合用一个存储器空间的结构 称为普林斯顿 Princeton 结构 另一种是将程序存储器和数据存储器截然分开 分别寻址的结构 称为哈佛 Har yard 结构 Intel的MCS 51和80C51系列单片微机采用哈佛结构 第2章51系列单片机系统结构 bank0 bank1 bank2 bank3 特殊功能寄存器区 堆栈和数据缓冲区 位寻址区 寄存器区 扩充堆栈和数据缓冲区 五个独立的存储空间 64K程序存储器空间256字节内部RAM空间128字节内部特殊功能寄存器空间位寻址空间64K外部数据存储器 2 2存储器组织 第2章51系列单片机系统结构 2 2 1程序存储器89C52的程序存储器 programmemory 用于存放经调试正确的应用程序和表格之类的固定常数 由于采用16位的程序计数器PC和16位的地址总线 因而其可扩展的地址空间为64KB 整个程序存储器可以分为片内和片外两部分 EA引脚接高电平时 程序从片内程序存储器0000H开始执行 即访问片内存储器 当PC值超出片内ROM容量时 会自动转向片外程序存储器空间执行 EA引脚接低电平时 迫使系统全部执行片外程序存储器0000H开始存放的程序 对于片内无ROM的80C31 80C32单片机 应将EA引脚固定接低电平 以迫使系统全部执行片外程序存储器程序 第2章51系列单片机系统结构 程序存储器的某些单元被保留用于特定的程序入口地址 在程序设计时 通常在这些中断入口处设置无条件转移指令 使之转向对应的中断服务程序段处执行 由于系统复位后的PC地址为0000H 故系统从0000H单元开始取指 执行程序 从0003H 002DH单元被保留用于6个中断源的中断服务程序的入口地址 以下7个特定地址被保留 复位0000H外部中断00003H计时器T0溢出000BH外部中断10013H计时器T1溢出001BH串行口中断0023H计时器T2 T2EX002BH 第2章51系列单片机系统结构 存储器的类型有 掩膜ROM OTP 一次性编程 ROM和MTP 多次编程 ROM 包括EPROM及E2PROM等 在87C51中为4KB的可编程 可改写的只读存储器是EPROM 在89C51中为4KB的可编程 可改写的只读存储器是EEPROM 而80C31片内没有程序存储器 使用时必须由片外进行扩展 由于芯片内集成技术的提高 片内程序存储器的容量做得越来越大 目前已达到62KB 一般应用系统中 已经没有必要进行片外程序存储器的扩展 片内程序存储器为只读存储器ROM 第2章MCS 51单片机结构组成 2 2 2内部RAM数据存储器数据存储器 datamemory 由随机存取存储器RAM构成 用来存放随机数据 在80C51中 数据存储器又分片内数据存储器 internaldatamemory 和片外数据存储器 externaldatamemory 两部分 片内数据存储器 IRAM 地址只有8位 因而最大寻址范围为256个字节 在89C51中 设置有一个专门的数据存储器的地址指示器 数据指针DPTR 用于访问片外数据存储器 ERAM 数据指针DPTR也是16位的寄存器 这样 就使89C51具有64KB的数据存储器扩展能力 第2章51系列单片机系统结构 片内数据存储器是最灵活的地址空间 它在物理上又分成两个独立的功能不同的区 片内数据RAM区 对89C51 为地址空间的低128B 对89C52 为地址空间的0 255B 特殊功能寄存器SFR区 地址空间的高128B 对于89C52 高128B的RAM区和SFR区的地址空间是重叠的 究竟访问哪一个区是通过不同的寻址方式来加以区别 即访问高128BRAM区时 选用间接寻址方式 访问SFR区 则应选用直接寻址方式 第2章51系列单片机系统结构 在某一时刻 只能选用一个寄存器组使用 其选择是通过软件对程序状态字 PSW 中的RS0 RS1两位的设置来实现的 设置RS0 RS1时 可以对PSW字节寻址 也可以位寻址方式 间接或直接修改RS0 RS1的内容 若RS0 RS1均为0 则选用工作寄存器0组为当前工作寄存器 现需选用工作寄存器组1则只需将RS0改成l 可用位寻址方式 SETBPSW 3 PSW 3为RS0位的符号地址 来实现 一工作寄存器区 用寄存器直接寻址的区域 指令的数量最多 均为单周期指令 执行的速度最快 从图中可知 其中片内数据RAM区的0 31 00H 1FH 共32个单元 是4个通用工作寄存器组 每个组包含8个8位寄存器 编号为R0 R7 累加器ACC B DPTR及CY 布尔处理器的累加器 一般也作为寄存器对待 寄存器R0 R1通常用做间接寻址时的地址指针 第2章51系列单片机系统结构 二位寻址区 从片内数据RAM区的32 47 20H 2FH 的16个字节单元 共包含128位 是可位寻址的RAM区 这16个字节单元 既可进行字节寻址 又可位寻址 这16个位寻址单元 再加上可位寻址的特殊功能寄存器一起构成了布尔 位 处理器的数据存储器空间 在这一存储器空间所有位都是可直接寻址的 即它们都具有位地址 三字节寻址区 用户RAM区 从片内数据RAM区的48 127 30H 7FH 共80个字节单元 可以采用直接字节寻址的方法访问 对于89C52 还有高128B的数据RAM区 这一区域只能采用间接字节寻址的方法访问 第2章51系列单片机系统结构 四堆栈区在片内RAM中 常常要指定一个专门的区域来存放某些特别的数据 它遵循后进先出或先进后出的原则按顺序存取 这个RAM区叫堆栈 堆栈功用 子程序调用和中断服务时 CPU自动将当前PC值入栈保存 返回时自动将PC值出栈 保护 恢复现场 数据传输 第2章MCS 51单片机结构组成 2 2 3特殊功能寄存器 它们包括程序状态字寄存器 累加器 I O口锁存器 定时器 计数器 串口数据缓冲器 数据指针等 其地址分散在80H FFH之间 MCS 51单片机内高128B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 不同的SFR管理不同的硬件模块 负责不同的功能 第2章51系列单片机系统结构 第2章51系列单片机系统结构 第2章51系列单片机系统结构 2 2 4位地址空间 片内RAM中有128个可按位寻址的位 位地址 00H 7FH分布在 20H 2FH单元 27H 22H 21H 20H 26H 24H 25H 23H 28H 这些可位寻址的空间 可通过执行指令直接对某一位进行操作 如置1 清0或判1 判0等 可用作软件标志位或用于位 布尔 处理 这是一般微机所不具备的 这种位寻址能力是8051所独有的 特殊功能寄存器可以按位寻址 第2章51系列单片机系统结构 20H 2FH 既可以字节操作 又可以位操作 但是要用不同的指令来区分 mov20h asetb00hsetb20 0 第2章51系列单片机系统结构 2 3时钟 时钟电路 CPU定时 一时钟电路1 内部振荡器方式采用内部振荡器方式 2 外部引入方式外部脉冲信号由XTAL2端引脚输入 送至内部时钟电路 第2章51系列单片机系统结构 二时序单片机与其他计算机的工作方式相同 即采用 存储程序 的方式 事先把程序加载到单片机的存储器中 CPU再按程序中的指令一条一条地执行 单片机在执行指令时 通常将一条指令分解为若干基本的微操作 这些微操作所对应的脉冲信号在时间上的先后次序称为的时序 第2章51系列单片机系统结构 1 时序的相关概念振荡周期 为单片机提供定时信号的振荡源的周期 振荡脉冲的周期也称为节拍 用P表示 振荡周期又称为时钟周期 状态周期 CPU从一个状态转换到另一状态所需的时间 一个状态周期由一个或一个以上的时钟周期组成 在MCS 51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 这样一个状态包含两个节拍 分别用P1和P2表示 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 MCS 51一个机器周期由6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个状态周期 12个振荡周期 第2章51系列单片机系统结构 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 指令周期的长短与指令所执行的操作有关 MCS 51系列单片机的指令周期通常为1 4个机器周期 MCS 51系列单片机一个机器周期由12个振荡周期组成 分为六个状态 分别称为S1 S2 S3 S4 S5 S6 每个状态都包含P1 P2两相 振荡周期 状态周期 机器周期和指令周期的关系如图所示 例如 外接晶振为12MHz时 MCS 51单片机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 第2章51系列单片机系统结构 2 MCS 51系列单片机指令时序MCS 51系列单片机共有111条指令 全部指令按其长度分为单字节 双字节和三字节指令 执行这些指令所需要的机器周期是不同的 包括以下几种情况 单字节单机器周期 单字节双机器周期 双字节单机器周期和双字节双机器周期 三字节指令均为双机器周期 单字节乘除指令为四机器周期 图2 13是典型指令的时序图 1 单字节单周期指令 如 INCA指令 2 双字节单周期指令 如 ADDA data指令 3 单字节双周期指令 如 INCDPTR指令 4 双字节双周期指令 如 MOVX类指令 第2章51系列单片机系统结构 第2章51系列单片机系统结构 3 单片机工作过程单片机工作过程就是从程序存储器0000H单元开始逐条执行已编好 并存储在程序存储器中的指令的过程 一条指令的执行过程为 取操作码 取指令第一字节 译码 对指令操作码进行翻译 指示控制器给出相应的控制信号 取操作数 取出剩余的指令字节 指令第一字节 即操作码字节将告诉CPU该指令的长短 执行指令规定的操作 单片机执行程序是执行完一条指令后接着执行下一条指令 所以单片机工作过程是不断重复 取操作码 译码 取操作数 执行 的过程 直到程序结束 下面以MOVA 50H指令的执行过程为例 结合指令执行过程示意图来说明单片机的工作过程 第2章51系列单片机系统结构 单片机开机时 PC 0000H 即从0000H开始执行指令 1 取操作码 将程序计数器PC中的内容 即第一条指令所在的存储单元地址0000H通过地址总线送到地址寄存器AR中 PC内容自动加1 指向下一存储单元 地址寄存器AR中的内容通过地址总线AB将地址信息0000H送到存储器地址总线上 存储器芯片内的地址译码器对地址信号进行译码 并选中存储器芯片内的0000H单元 CPU给出存储器读控制信号 被选中0000H单元中的内容 E5 经数据总线DB送到CPU内部的数据存储器DR中 将DR寄存器中的E5H送入指令寄存器IR中保存 完成了第一条指令操作码的取出过程 第2章51系列单片机系统结构 第2章51系列单片机系统结构 2 译码指令译码器ID对指令寄存器IR中的内容 即操作码 进行译码 以确定指令所要执行的操作 指示CPU内的控制器给出相应的控制信号 完成指令的译码 译码后 能确定该指令有无操作数 如果有操作数 根据操作数个数及存放位置取操作数 如果无操作数 则进入执行指令阶段 执行指令 3 取操作数 将程序计数器PC内容 当前为0001 传送到AR寄存器中 同时程序计数器PC自动加1 指向下一存储单元 即0002H单元 地址寄存器AR内容 目前为0001H 通过地址总线AB输出到存储器地址总线上 存储器芯片内的地址译码器对地址信号进行译码 并选中存储器芯片内的0001H单元 第2章51系列单片机系统结构 CPU给出存储器读控制信号 将0001H存储单元中的内容 50 经数据总线DB送到CPU内部的数据存储器DR中 由于第二字节是指令操作数所在存储单元地址的低8位 因此数据寄存器DR中的内容通过内部数据总线送入暂存器中 4 执行指令由于这条指令第二字节是操作数所在存储单元地址 因此在执行阶段将存放在DR中的内容送AR的低8位 形成操作数16位地址码 经AR输出 AR输出的地址信号经存储器芯片内的地址