计算机在热加工中的应用-第4章4[1].2单片机基本组成与工作原理

第4章单片机系统,本章要点1.了解数制及转换，门电路知识2.了解AT89S51单片机系统结构，组成原理，搭建简单系统。3.掌握AT89S51单片机基本指令系统，编写简单应用程序。,第4章目录,4.1单片机基础知识4.2单片机基本组成与工作原理4.3单片机汇编语言及内部RAM操作指令4.4单片机IO端口与应用实例4.5单片机指令与汇编语言程序设计,4.2.2、单片机的引脚功能与最小硬件系统,4.2.3、单片机存储器空间配置与功能,4.2.1、单片机的基本组成,目录,第4.2节单片机基本组成与工作原理,本节要点1.了解AT89S51单片机系统结构，组成原理，搭建最小硬件系统。3.了解AT89S51单片机存储器空间配置与功能。,计算机的智能是人所赋予的，计算机只会按人们所给的命令一步一步地工作，这些命令称为指令。将指令有效地组合成能够完成特定任务的指令序列，称为程序。程序是计算机工作的命令清单。,一、程序单片机工作的命令清单,LOOP:CLRP1.0CALLDELAYSETBP1.0CALLDELAYLJMPLOOPDELAY:MOVR0,#50DJNZR0,$RETEND,二、存贮器-信息存放及程序运行场所,存储器,存贮器的主要功能是存放程序和数据，程序是单片机操作的依据，数据是单片机操作的对象。,单片机向存贮单元存放信息称为“写”，取出信息称为“读”，“读”、“写”操作都称为访问存贮器。单片机访问存贮器是根据存贮单元的地址进行的。根据地址访问存贮单元又称寻址。,放数据,放程序,三、CPU程序执行者,1.运算器用于实现算术和逻辑运算2.控制器指挥控制元件,CPU是计算机的核心，由运算器控制器组成。,四、I/0接口-单片机内外交流通道,单片机控制系统在工作时，单片机要不断从外部获取信息，并向外部发出动作控制信号，信息的输入输出电路称I/O接口（Input/Output），接口是计算机与外部设备之间的交接界面和交流通道。,五、单片机的基本组成,4.2.2、单片机的引脚功能与最小硬件系统,4.2.3、单片机存储器空间配置与功能,4.2.1、单片机的基本组成,4.2节目录,1、电源VCC（P40）芯片电源，接+5V。VSS（P20）接电源地。,一、AT89S51单片机引脚功能,2、时钟XTAL1（P19）晶体振荡电路的反相器输入端XTAL2（P18）晶体振荡电路的反相器输出端。,附注：CPU时序振荡周期1/外接晶振频率时钟周期=2振荡周期机器周期=6时钟周期=12振荡周期指令周期=14机器周期,3、控制控制引脚有4个，先学习其中的两个。（1）RST/VPD（P9)复位/备用电源RST复位功能是单片机正常工作必不可少的，因为复位可以使单片机从程序的开头运行，使单片机按照人们设计的程序运行，在单片机系统上电开始工作，或单片机系统由于外界干扰偏离正常运行，都需要复位。AT89S51单片机是高电平复位，只要在该引脚上一段时间（两个机器周期以上）的高电平，单片机就复位。在正常运行程序时该引脚为低电平。VPD功能是在VCC掉电情况下，该引脚接备用电源，向片内的RAM供电，使RAM中的数据不丢失。,3、控制（2）EA/VPP(P31)内外ROM选择/EPROM编程电源在通常的应用中EA功能是作为内部和外部ROM的选择端。当EA=1，CPU从芯片内部的ROM中取指令运行，但超过4KB范围的程序，也从外部扩展的ROM中取得。反之当EA=0时，只从芯片外部扩展的ROM中取指令运行。在绝大多数的应用中，4KB空间范围足够存放程序，一般都选择内部ROM，将EA接高电平。VPP功能是在我们要把程序下载到内部ROM中才用到的功能，只有设计制造编程器时考虑，一般情况用不到。另两个控制引脚PSEN(P29),ALE/PROG(P30）跟外部接口有关，我们用不到，不介绍。,最小硬件系统,二、最小硬件系统,4、I/O口AT89S51单片机有4个8位的并行口，分别称为P0口、P1口、P2口和P3口，共32个引脚。单片机就是通过这些口线对外部电路进行控制和检测。它们的详细结构原理和功能在本章第三节中介绍。,三、AT89S51单片机内部结构,（1）一个8位的CPU；（2）一个片内振荡器及时钟电路；（3）4KB的FlashROM；（4）128B的内部RAM（5）可扩展64KB外部ROM和外部RAM的控制电路；（6）两个十六位的定时/计数器；（7）26个特殊功能寄存器（双数据指针）；（8）4个8位的并行口；（9）一个全双工的串行口；（10）5个中断源，两个外部中断，三个内部中断；（11）内部硬件看门狗电路；（12）一个SPI串行接口，用于芯片的在系统编程（ISP）。,4.2.2、单片机的引脚功能与最小硬件系统,4.2.3、单片机存储器空间配置与功能,4.2.1、单片机的基本组成,4.2节目录,一、AT89S51单片机存储空间配置,AT89S51单片机存储器结构采用的是哈佛型结构，程序存储器（ROM）和数据存储器（RAM）是分开的，有各自的寻址系统和控制信号，分别用不同的指令操作。ROM用来存放我们编写的程序和常数表格。数据存储器用来存放程序运行的数据和结果。ROM和RAM都分为内部和外部。,内部ROM(4KB)EA=1,外部ROM(4KB)EA=0,外部ROM(60KB),内部RAM128B,SFR(21个),外部RAM(64KB),0000H,0000H,0000H,0FFFH,0FFFH,1000H,FFFFH,FFFFH,FFH,00H,7FH,80H,MOVC指令操作,MOV指令操作,MOVX指令操作,ROM地址空间,RAM地址空间,RD,WR引脚信号有效,PSEN引脚信号有效,1、程序存储器（ROM）不管是内部的还是外部的ROM，开头的0003H002AH空间地址是中断源的入口地址区，是专用单元，一般情况下用户不能用来存放其它程序。所以000H0002H三个单元一定要存放一个绝对跳转指令（JMP指令），跳转到用户程序的首址。CPU在访问片外ROM时，从PSEN输出低电平信号，选通片外ROM，而不是RAM。ROM只有读出，没有写入，无须读、写信号RD、WR控制。CPU是根据PC（程序计数器）值从ROM中取指令来执行的。CPU每从ROM中读取一个字节，自动执行（PC）+1PC，即PC指向下一个地址空间，一般情况下CPU是按ROM地址空间顺序从小到大依次执行。只有执行的指令是转移类指令，才根据转移类指令所指示的新地址，调整PC值，然后根据新的PC值从对应的地址空间中取指令来执行。当调用子程序或中断发生时，PC值也会改变。,2、内部数据存储器（内RAM）AT89S51单片机内部有128B字节划分为三部分：工作寄存器区、位寻址区和数据缓冲区。,0区,1区,2区,3区,位寻址区,数据缓冲区,工作寄存器区8位整体操作,位寻址区8位整体操作、位操作,堆栈与数据缓冲区8位整体操作,0007H,080FH,1017H,181FH,202FH,位地址,D7,D0,PSW,D7,D0,20H（字节地址）,（R0R7）,307FH,（1）工作寄存器区从00H1FH共32个单元为工作寄存器区，每8个一组，分为4个区。在任一时刻只有一个区作为当前的工作寄存器区，相应的空间单元作为工作寄存器使用。工作寄存器区的选择可通过程序状态字PSW中的D4、D3位实现。不是当前工作寄存器区的可以作为一般的RAM空间使用。操作方式：8位整体操作。,（2）位寻址区20H2FH共计16个单元为位寻址区，每个单元的8位又位操作，有位的置1、清0、取反以及判断操作有自己的位地址。位地址的范围：007FH。（要注意和内RAM空间单元地址的区别）位寻址区空间单元操作的有两种方法，即可以象其它RAM空间一样进行8位整体操作，也可以通过位地址对这些空间单元的某一位操作。,位寻址区的位地址映象表,位寻址区的位地址形式有两种：位地址和位编号。,位地址,D7,D0,20H（字节地址）,如20H单元的8个位位地址为：00H07H位编号为：20H.020H.7它们的含义是一致的，都表示20H单元的位地址，在应用中可以互换，位编号更便于记忆。,（3）堆栈与数据缓冲区30H7FH为数据缓冲区，用于存放数据和中间结果，起到数据缓冲的作用，这些空间数据的操作是8位的整体操作,堆栈指针SP,上电初始化后，SP=07H。,3、特殊功能寄存器（SFR）51系列单片机的状态字、并行口、串行口、定时器和中断系统的寄存器等，是一些有专门用途的寄存器，称为特殊功能寄存器SFR，离散地分布在80HFFH地址范围内。SFR操作同内部RAM的操作，其中字节地址能被8整除的特殊功能器，它们的每一位也有自己的位地址，也可以进行位操作。字节地址不能被8整除的特殊功能寄存器，只能8位的整体操作。8位整体操作既可以对它们的字节地址操作，也可以对它们的符号（名称）操作。,几个常用的特殊功能寄存器：（1）累加器ACC(E0H)累加器ACC是51系列单片机最常用的寄存器，许多指令都用到累加器，特别是算术运算都需要用到，在指令中ACC简写为A。（2）寄存器B(F0H)乘除法指令都要用到寄存器B，B也可以作为一般的寄存器使用。（3）数据指针DPTR(82H,83H)。用DPH表示DPTR的高8位，DPL表示低8位。可以十六位整体操作，也可以分开按8位操作。在实际的应用中DPTR一般用来存放ROM空间或外部RAM空间的地址。(4)堆栈指针SP(81H)SP在片内128个字节中开辟堆栈区，并随时跟踪栈顶地址。栈的原理后进先出,多用于调用子程序保护现场。上电复位SP=07H,（5）程序状态字PSW,CY或C（PSW.7）进位标志位，位操作累加器AC（PSW.6）辅助进位标志位F0（PSW.5）用户标志位RS1，RS0（PSW.4，PSW.3）当前寄存器区选择位OV（PSW.2）溢出标志位P（PSW.0）奇偶标志位,程序计数器PC寄存器PC是一个16位计数器，其内容为将要执行指令的存放地址。PC具有自动加1功能，CPU每进行一次ROM的读数操作，PC内容自动加1，指向下一个ROM单元。PC没有地址，用户不可以对它进行读写，但可以通过转移、调用、返回等指令改变其内容，以改变程序的执行顺序。当系统复位时，PC为0000H，CPU从ROM0000H单元运行程序。,二、存储器总结,ROM,RAM单独编址，ROM只读，指令MOVC。内部RAM访问用MOV指令，外部RAM访问用MOVX指令。片内的4KROM，128字节RAM在大多情况下够用，不用搭电路扩展，同时单片机存储资源很有限，要珍惜使用。内存与IO端口统一编址，即访问IO端口