孙旭飞第5章-嵌入式处理器2

第五章嵌入式处理器,本章学习要点：,嵌入式处理器的基本结构80C51单片机的编程结构80C51单片机的引脚信号及功能80C51单片机的存储器配置80C51单片机的操作与时序,5.380C51单片机的内部结构,嵌入式微处理器,1基本组成,4.180C51单片机的内部结构,2、芯片内部结构,嵌入式微处理器,控制器,运算器,一、中央处理器CPU1、运算器进行算术和逻辑运算，8位主要包括算术逻辑单元ALU、累加器ACC、暂存器、程序状态字PSW、B寄存器。,80C51单片机基本结构,单片机原理与应用,主要任务：,单片机原理与应用,算术运算,逻辑运算,位操作,数据处理,利用程序状态寄存器PSW表述当前运行状态,一、中央处理器CPU,独特的功能，特别适合与控制操作。,2、控制器包括指令寄存器IR、指令译码器ID、数据指针DPTR、程序计数器（指针）PC、堆栈指针SP、以及控制电路（时序电路、中断控制部件、微操作控制部件）。,单片机原理与应用,一、中央处理器CPU,哈佛结构,3、布尔处理器,单片机原理与应用,一、中央处理器CPU,它实际上是一个完整的位微处理器，这个位机有自己的CPU、位寄存器、I/O口和指令集。可提供17条位操作指令，硬件有自己的“累加器”（进位位C）和自己的位寻址RAM和I/O空间，所以是一个独立的位处理机。80C51单片机把8位机和1位机复合在一起，发挥各自的长处，这是它的一大优点。,MCS51系列单片机芯片采用40个引脚的方形和双列直插式封装,(b)双列直插式封装,(a)方形封装,5.480C51单片机的引脚信号,嵌入式微处理器,1引脚功能40个引脚其功能共可分为四个部分：1）电源2个2）外接晶体振荡器2个3）I/O引脚32个4）控制信号引脚4个,5.480C51单片机的引脚信号,嵌入式微处理器,一、主电源引脚VDD：接5V电源VSS：接地端一般VDD和VSS之间应接高频和低频滤波电容。,嵌入式微处理器,二、外接晶体振荡器引脚XTAL1：芯片内部振荡电路（单级反相放大器）的输入端XTAL2：芯片内部振荡电路（单级反相放大器）的输出端振荡频率为晶振频率（1.220MHz），另外需两个30pF左右的电容以微调频率,嵌入式微处理器,1、接石英晶体和微调电容2、接外部时钟,80C51单片机的振荡器有内部和外部两种方式,5.480C51单片机的引脚信号,嵌入式微处理器,三、4个8位并行I/O口引脚,80C51单片机有4个8位并行I/O口，共占了32根I/O引脚，单片机扩展时，这些I/O引脚又作为扩展总线用。P0口作为地址/数据总线，分时输出低8位地址和传送8位数据；P2口作为高8位地址总线；P3口也具有第二功能。这是由接口的特殊结构所决定的。,嵌入式微处理器,四、控制信号线引脚,1、RST/VPD：复位/掉电时内部RAM的备用电源输入端,复位端RST：启动时，需要复位，使CPU各部件处于确定的初始状态。正常工作状态（振荡器稳定），该引脚上出现持续24个振荡周期（即两个机器周期）以上的高电平，单片机就可完成系统复位操作。,嵌入式微处理器,80C51复位后内部寄存器状态,嵌入式微处理器,2、ALE/PROG：地址锁存允许/编程脉冲输入ALE：地址锁存允许信号片外存储器作数据存取时，ALE为低8位地址锁存允许输出信号，在其下降沿将从P0口输出的低8位地址锁存到地址锁存器。以1/6振荡频率周期性输出PROG：在对8751片内EPROM编程时，编程脉冲由此输入。,四、控制信号线引脚,嵌入式微处理器,3、EA/VDD：访外允许/编程电压输入8031中EA必须接地。8051/8751中EA1，单片机使用片内ROM/EPROM（由PC值决定）；EA0，单片机片内程序存储器失效，而使用片外程序存储器。VDD对8751片内EPROM编程时，此脚接编程电压。（+21V+25V）,四、控制信号线引脚,嵌入式微处理器,4、PSEN：外部程序存储器读选通信号它与ALE配合，使P0口完成地址线和数据线的功能。当访问片内ROM、RAM时无效。,四、控制信号线引脚,嵌入式微处理器,5.580C51单片机的存储器配置,80C51系列单片机采用的是哈佛体系结构，即将程序存储器和数据存储器分开，程序存储器和数据存储器各有自己的寻址方式、寻址空间和控制系统。存储器在物理结构上分为程序存储器空间和数据存储器空间，共有4个存储空间：片内程序存储器和片外程序存储器空间以及片内数据存储器和片外数据存储器空间。,嵌入式微处理器,5.580C51单片机的存储器配置,从用户使用的角度看，80C51存储器地址空间分为以下3类：片内、片外统一编址0000HFFFFH的64KB程序存储器地址空间（用16位地址）。64KB的片外数据存储器地址空间，地址也从0000HFFFFH（用16位地址）编址。256字节的片内数据存储器地址空间（用8位地址）。,图中3个存储空间地址是重叠的，如何区别这3个不同的逻辑空间呢？,嵌入式微处理器,5.580C51单片机的存储器配置,80C51的指令系统设计了不同的数据传送指令符号：CPU用MOVC指令访问片内、片外ROM，用MOVX指令访问片外RAM，用MOV指令访问片内RAM。上图中所示的引脚信号PSEN，若PSEN有效，即能读出片外ROM中的指令。引脚信号RD和WR有效时可读/写片外RAM或片外I/O接口。,嵌入式微处理器,5.580C51单片机的存储器配置,5.5.1程序存储器地址空间程序存储器用于存放编好的程序和表格常数。程序存储器通过16位程序计数器寻址，寻址能力为64KB。这使得指令能在64KB地址空间内任意跳转，但不能使程序从程序存储器空间转移到数据存储器空间。,嵌入式微处理器,5.580C51单片机的存储器配置,80C51片内ROM的容量为4KB，地址为0000H0FFFH；片外最多可扩至64KBROM，地址为1000HFFFFH，片内外统一编址。当片内4KBROM容量不够时，可选择8KB、16KB、32KB的80C52、80C54、80C56单片机。应尽量避免外扩程序存储器芯片而增加硬件的负担。在极特殊情况下，才应外扩程序存储器芯片执行外部程序。,不用片外扩展的ROM时，EA引脚与电源Vcc连接。,嵌入式微处理器,5.580C51单片机的存储器配置,5.5.1程序存储器地址空间扩展外部程序存储器时单片机的硬件连接如下图所示。,嵌入式微处理器,5.580C51单片机的存储器配置,5.5.1程序存储器地址空间80C51从片内程序存储器和片外程序存储器取指时执行速度相同。上电复位后程序计数器的内容为0000H，所以CPU总是从0000H开始执行程序。存储单元0000H0002H用作复位后引导程序的存放单元。如果在这3个单元中存有转移指令，那么程序就被引导到转移指令指定的ROM空间去执行。0003H002AH单元均匀地分为5段，每段8字节，用作5个中断向量区。,嵌入式微处理器,5.580C51单片机的存储器配置,5.5.1程序存储器地址空间注意：访问片外程序存储器时，16条I/O线（P0和P2）作为总线使用。P0口作为地址/数据总线使用。它先输出16位地址的低8位PCL，然后进入悬浮状态，等待程序存储器送出的指令字节。当有效地址PCL出现在P0总线上时，ALE（允许地址锁存）信号把这个地址锁存到地址锁存器中。同时，P2端口输出地址的高8位PCH；然后PSEN选通外部程序存储器，使指令送到P0总线上，由CPU读入。,嵌入式微处理器,5.580C51单片机的存储器配置,5.5.1数据存储器地址空间数据存储器RAM用于存放运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等。数据存储器空间也分成片内和片外两大部分，即片内RAM和片外RAM。80C51片外数据存储器空间为64KB，地址从0000HFFFFH；片内存储器空间为256字节，地址从0000H00FFH。,片外数据存储器与片内数据存储器空间的低地址部分（0000H00FFH）是重叠的，如何区别片内、片外RAM空间呢？,80C51有MOV和MOVX两种指令，用以区分片内、片外RAM空间。片内RAM使用MOV指令，片外64KBRAM空间专门为MOVX指令（使引脚RD或WR信号有效）所用。,嵌入式微处理器,5.580C51单片机的存储器配置,5.5.1数据存储器地址空间1）外部RAM外部数据存储器的寻址空间可达64KB。地址可以是8位或16位的。在扩展外部数据存储器时，P0口用作RAM的地址/数据总线，P2口中的3位也作为RAM的页地址。访问片外RAM期间，CPU根据需要发送RD和WR信号。若需要扩展片外RAM，一般外接静态RAM芯片，如6116/6264/62256。次图2KB片外RAM时的硬件连接图。,嵌入式微处理器,5.580C51单片机的存储器配置,5.5.1数据存储器地址空间2）片内RAM片内数据存储器最大可寻址256个单元，它们又分为两部分：低字节（00H7FH）是真正的RAM区；高128字节（80HFFH）为特殊功能寄存器（SFR）区，如次图所示。,嵌入式微处理器,5.5.1数据存储器地址空间,2）片内RAM低128字节RAM80C51的32个工作寄存器与RAM安排在同一个队列空间里，统一编址并使用同样的寻址方式（直接寻址和间接寻址）。00H1FH地址安排为4组工作寄存器区，每组有8个工作寄存器（R0R7），共占32个单元，见表4-1。通过对程序状态字PSW中RS1、RS0的设置，每组寄存器均可选作CPU的当前工作寄存器组。,表4-1工作寄存器地址表,嵌入式微处理器,5.5.1数据存储器地址空间,2）片内RAM工作寄存器区后的16字节单元（20H2FH），可用位寻址方式访问其各位。在80C51系列单片机的指令系统中，还包括许多位操作指令，这些位操作指令可直接对这128位寻址。这128位的位地址为00H7FH，其位地址分布如图所示。,嵌入式微处理器,5.5.1数据存储器地址空间,2）片内RAM地址范围30H7FH的区域是通用存储器，用于存储字节数据。80C51堆栈区被限定在片内RAM，是满递增堆栈，堆栈指针初值SP=07H，若不改变08H7FH皆为堆栈区。故程序初始化时，给SP赋值，如SP=5FH，这样60H7FH就是堆栈区了，60H以下的区域就可以放心地用于存储数据。,嵌入式微处理器,2）片内RAM低128字节RAM单元地址范围也是00H7FH，80C51采用不同寻址方式来加以区分，即访问128个位地址用位寻址方式，访问低128字节单元用直接寻址和间接寻址。这样就可以区分开00H7FH是位地址还是字节地址。,5.5.1数据存储器地址空间,嵌入式微处理器,2）片内RAM高128字节RAM80C51片内高128字节RAM中，有21个特殊功能寄存器（SFR），它们离散地分布在80HFFH的RAM空间中。访问特殊功能寄存器只允许使用直接寻址方式。在这21个特殊功能寄存器中，有11个具有位寻址能力，它们的字节地址正好能被8整除。,5.5.1数据存储器地址空间,嵌入式微处理器,2）片内RAM高128字节RAM累加器ACC（E0H）累加器ACC是80C51最常用、最忙碌的8位特殊功能寄存器，许多指令的操作数取自于ACC，许多运算中间结果也存放于ACC。在指令系统中是最多的用A作为累加器ACC的助记符。,5.5.1数据存储器地址空间,嵌入式微处理器,2）片内RAM高128字节RAM寄存器B（F0H）在乘、除指令中，用到了8位寄存器B。乘法指令的两个操作数分别取自A和B，运算后，乘积存于B和A两个8位寄存器中。除法指令中，A中存放被除数，B中存放除数，运算后，商存放在A中，余数在B中。,5.5.1数据存储器地址空间,嵌入式微处理器,2）片内RAM高128字节RAM程序状态寄存器PSW（D0H）PSW是一个8位特殊功能寄存器，它的各位包含了程序执行后的状态信息，供程序査询或判别之用。PSW除有确定的字节地址（D0H）外，每一位均有位地址，各位的含义及其格式如表所示。,5.5.1数据存储器地址空间,嵌入式微处理器,2）片内RAM高128字节RAM程序状态寄存器PSW（D0H）,5.5.1数据存储器地址空间,PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0,嵌入式微处理器,程序状态寄存器PSW,PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0,进位标志Cy：算术逻辑指令时，最高位D7有进（借）位，则Cy=1，否则Cy=0；在布尔处理器中，它起着“位累加器”的作用。17条布尔处理指令多数是针对CY来完成的。程序中写成C，如：MOVC,20H。,嵌入式微处理器,程序状态寄存器PSW,PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0,辅助进位标志AC：加（减）法运算时，如果低半字节的最高位D3有进（借）位，则AC=1，否则AC=0；AC在作BCD码运算而进行二十进制调整时有用。,嵌入式微处理器,程序状态寄存器PSW,PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0,用户标志FO：是用户定义的一个状态标志。可通过软件对它置位、清零；在编程时，也常测试其状态进行程序分支。,嵌入式微处理器,程序状态寄存器PSW,PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0,工作寄存器区选择位RS1、RS0:可借软件置位或清零，以选定4个工作寄存器区中的一个区投入工作。,嵌入式微处理器,程序状态寄存器PSW,PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0,溢出标志OV：作有符号数加法、减法时由硬件置位或清除，以指示运算结果是否溢出。,嵌入式微处理器,程序状态寄存器PSW,PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0,奇偶标志P:每执行一条指令，单片机都能根据A中1的个数的奇偶自动令P置位或清零：奇为1，偶为0。此标志对串行通信的数据传输非常有用，通过奇偶校验可检验数据传输的正确与否。,嵌入式微处理器,程序计数器PC（程序指针81H）16位地址指针，专门用来控制指令执行顺序的寄存器，其中的内容总是下一条要执行的指令的地址。复位时PC=0000H，控制器从0单元取指令，即程序从0单元开始执行。通常单片机每取一个字节机器码，PC就自动加1，从而保证了指令的顺序执行。转移指令可强行改变PC的内容。,2）片内RAM-高128字节RAM,嵌入式微处理器,数据指针DPTR（83H，82H）DPTR是一个16位的特殊功能寄存器。其高位字节寄存器用DPH表示（地址83H），低位字节寄存器用DPL表示（地址82H)。DPTR既可以作为一个16位寄存器来处理，也可以作为两个独立的8位寄存器DPH和DPL使用。主要用于存放16位地址，以便对64KB片外RAM作间接寻址。,2）片内RAM-高128字节RAM,嵌入式微处理器,高128字节RAM栈指针SP（81H）80C51堆栈的操作有两种：一种叫数据压入（PUSH），另一种叫数据弹出（POP）。堆栈的方式是满递增方式，当数据要压入堆栈时，SP先自动加1，即RAM地址单元加1以指出当前栈顶位置，然后数据送入栈顶单元。80C51的堆栈指针SP是一个双向计数器。进栈时，SP内容自动增值，出栈时自动减值。,2）片内RAM,嵌入式微处理器,高128字节RAMI/O端口P0P3锁存器（80H,90H,A0H,B0H）P0P3为4个8位特殊功能寄存器，分别是4个并行I/O端口的锁存器。它们都有字节地址，每一个口锁存器还有位地址，所以，每一条I/O线均可独立用作输入或输出。用作输出时，可以锁存数据；用作输入时，数据可以缓冲。,2）片内RAM,嵌入式微处理器,4.6时钟电路及80C51CPU时序,1片内时钟信号的产生80C51芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。反相放大器的输入端为XTAL1，输出端为XTAL2，两端跨接石英晶体及两个电容就可以构成稳定的自激振荡器。电容器C1和C2通常取30pF左右，可稳定频率并对振荡频率有微调作用。振荡脉冲频率范围为fosc=024MHz。,嵌入式微处理器,1片内时钟信号的产生,1）节拍与状态周期时钟发生器是一个2分频的触发器电路，它向CPU提供两相时钟信号P1和P2。时钟信号的周期称为机器状态周期S（STATE）。在每个时钟周期（即机器状态周期S）的前半周期，相位1（P1）信号有效，在每个时钟周期的后半周期，相位2（P2）信号有效。CPU就以两相时钟P1和P2为基本节拍指挥80C51单片机各个部件协调地工作。,嵌入式微处理器,1片内时钟信号的产生,2）机器周期和指令周期计算机执行一条指令需要多长时间是以机器周期为单位。一个机器周期是指CPU访问存储器一次所需要的时间，例如取指令、读存储器、写存储器等等。80C51的一个机器周期包括12个振荡周期，分为6个S状态：S1S6。每个状态又分为两拍，称为P1和P2。因此，一个机器周期中的12个振荡周期表示为S1P1、S1P2、S2P1、S2P2、S6P1、S6P2。,嵌入式微处理器,1片内时钟信号的产生,3）基本时序定时单位4个时序单位从小到大依次是节拍（振荡脉冲周期，1/fosc）、状态周期（时钟周期）、机器周期和指令周期，如下图所示。,嵌入式微处理器,5.6时钟电路及80C51CPU时序,2CPU取指、执指时序每一条指令的执行都可以包括取指和执指两个阶段。CPU在取指阶段中，取出PC指针指向的程序存储器单元中的指令代码；在执行阶段中，对指令进行译码，并产生一系列控制信号，使相应单元完成指令要求的操作。,1）外部ROM访问时序,5.6时钟电路及80C51CPU时序,嵌入式微处理器,1）外部RAM访问时序,5.6时钟电路及80C