部分单片机硬件基础知识

第二讲：单片机硬件基础,本讲重点：MCS-51的基本特性;单片机的引脚与I/O口结构;存储器、堆栈与特殊功能寄存器;低功耗运行方式最小系统设计,MCS-51单片机基本特性,8位的CPU，片内有振荡器和时钟电路,工作频率为112MHz（Atmel89Cxx为024MHz）片内有128/256字节RAM片内有4K/8K字节程序存储器ROM可寻址片外64K字节数据存储器RAM可寻址片外64K字节程序存储器ROM片内21/26个特殊功能寄存器（SFR）4个8位的并行I/O口（PIO）1个全双工串行口（SIO/UART）2/3个16位定时器/计数器（TIMER/COUNTER）可处理5/6个中断源，两级中断优先级内置1个布尔处理器和1个布尔累加器（Cy）MCS-51指令集含111条指令,MCS-51系列单片机配置一览表,注意：今后将会经常提到ATMEL的AT89C2051/51/52等MCU！,.,.,P1.0,P1.1,P1.2,P1.3,P1.4,P1.5,P1.6,P1.7,P0.0,P0.1,P0.2,P0.3,P0.4,P0.5,P0.6,P0.7,P2.0,P2.1,P2.2,P2.3,P2.4,P2.5,P2.6,P2.7,RST/VPD,RXDP3.0,TXDP3.1,INT0P3.2,INT1P3.3,T0P3.4,T1P3.5,WRP3.6,RDP3.7,XTAL2,XTAL1,VCC,VSS,EA/VPP,ALE/PROG,PSEN,1,20,21,40,MCS-51,MCS51单片机的硬件结构,硬件结构,CPU,时钟电路,RAM,定时/计数器,并行接口,串行接口,中断系统,T0T1,P0P1P2P3,TXDRXD,INT0INT1,ROM,MCS51单片机的基本组成框图,MCS-51单片机内部结构展开图,1288RAM,RAM地址寄存器,P3口,P1口,P2口,P0口,锁存器,锁存器,锁存器,锁存器,中断控制定时/计数器串行I/O口,SP,寄存器B,累加器A,暂存器1,暂存器2,程序状态字PSW,指令寄存器IR,指令译码器ID,数据指针DPTR,缓冲器,程序计数器,PC增1,程序地址寄存器AR,定时与控制,4K8ROM,ALU,CPU,CPU,单片机的引脚定义,从一片集成电路的角度去认识单片机,认识单片机的引脚,MCS-51单片机40脚Vcc,GND2XTAL1,XTAL22RESET1EA/Vpp1ALE/PROG1PSEN1,P0.0P0.78P1.0P1.78P2.0P2.78P3.0P3.78,单片机的引脚（电源端）,Vcc,GND:正电源端与接地端（+5V/3.3V/2.7V)不同的单片机可以允许不同的工作电压，不同的单片机表现出的功耗也不同。,单片机的引脚（晶振端）,Vcc,GND:正电源端与接地端（+5V/3.3V/2.7V)不同的单片机可以允许不同的工作电压，不同的单片机表现出的功耗也不同。,XTAL1,XTAL2:片内振荡电路输入/输出端,单片机的引脚（晶振端）,Vcc,GND:正电源端与接地端(+5V/3.3V/2.7V)XTAL1,XTAL2:片内振荡电路输入/输出端,1545pfx2,112MHz（MCS-51）024MHz（Atmel-89C）,XTAL1,XTAL2,也可以由XTAL1端接入外部时钟，此时应将XTAL2接地：,XTAL2,XTAL1,外部时钟,通常外接一个晶振两个电容,单片机的引脚（晶振端）,Vcc,GND:正电源端与接地端（+5V/3.3V/2.7V)XTAL1,XTAL2:片内振荡电路输入、输出端,CPU总是按照一定的时钟节拍与时序工作：,振荡周期/时钟周期：Tc=晶振频率fosc（或外加频率）的倒数状态周期：Ts=2个时钟周期(Tc)（很少用到此概念）机器周期：Tm=6个状态周期(Ts)=12个振荡周期(Tc)指令周期:Ti:执行一条指令所需的机器周期(Tm)数,牢牢记住：振荡周期=晶振频率fosc的倒数；,1个机器周期=12个振荡周期；,1个指令周期=1、2、4个机器周期,单片机的引脚（复位端）,Vcc,GND:电源端（+5V/3.3V/2.7V)XTAL1,XTAL2:片内振荡电路输入、输出端RESET:复位端（正脉冲有效，宽度8mS）,复位使单片机进入某种确定的初始状态：PC值归零（0000H）；各个SFR被赋予初始值（见P.42）：P0P3=0FFH，Acc=0，B=0，TH0=0，TL0=0，TH1=0，TL0=0，SP=7，PSW=0退出处于节电工作方式的停顿状态、退出一切程序进程、退出程序的死循环，从头开始。,单片机的引脚（复位端）,Vcc,GND:电源端（+5V/3.3V/2.7V)XTAL1,XTAL2:片内振荡电路输入、输出端RESET:复位端（正脉冲有效，宽度8mS）,PC与SFR复位状态表,单片机的引脚（复位端）,+5V,10uF,10K,Vcc,RST,GND,上电复位,10uF,10K,Vcc,RST,GND,手动亮绿灯REDO:SETBP1.3;P1.3作输入口必先置1CHECK:JNBP1.3,CHECK;检测通道是否被阻断？LOOP:;有入侵者，报警！AJMPREDO;再跳回去检测,任务三：红外防盗报警,P1.3口用于输入状态检测的语句：,红外线光路通畅时，P1.3端低电平红外线光路阻断时，P1.3端高电平,单片机的引脚（P0口）,P0.0P0.7:双向I/O（内置场效应管上拉）寻址外部程序存储器时分时作为双向8位数据口和输出低8位地址复用口；不接外部程序存储器时可作为8位准双向I/O口使用。,2,1,D,Q,CK,/Q,读引脚,读锁存器,写锁存器,内部总线,地址/数据,控制,引脚P0.X,3,4,Vcc,MOVP0,#0FFH;作I/O总线用；MOVXDPTR,A;作地址/数据总线用。,2,1,D,Q,CK,/Q,读引脚,读锁存器,写锁存器,内部总线,地址/数据,控制,引脚P0.X,3,4,控制=0时，此脚作输入口（事先必须对它写“1”）,0,0,1,0,0,截止,截止,=0,Vcc,单片机的引脚（P0口）,P0.0P0.7:双向I/O（内置场效应管上拉）寻址外部程序存储器时分时作为双向8位数据口和输出低8位地址复用口；不接外部程序存储器时可作为8位准双向I/O口使用。,2,1,D,Q,CK,/Q,读引脚,读锁存器,写锁存器,内部总线,地址/数据,控制=1,引脚P0.X,3,4,控制=1时，此脚作地址/数据复用口：（1）输出地址/数据=0时,1,0,1,1,=0,导通,截止,=0,Vcc,单片机的引脚（P0口）,P0.0P0.7:双向I/O（内置场效应管上拉）寻址外部程序存储器时分时作为双向8位数据口和输出低8位地址复用口；不接外部程序存储器时可作为8位准双向I/O口使用。,2,1,D,Q,CK,/Q,读引脚,读锁存器,写锁存器,内部总线,地址/数据,控制=1,引脚P0.X,3,4,控制=1时，此脚作地址/数据复用口：（2）输出地址/数据=1时,1,1,0,0,=1,截止,导通,=1,Vcc,单片机的引脚（P0口）,P0.0P0.7:双向I/O（内置场效应管上拉）寻址外部程序存储器时分时作为双向8位数据口和输出低8位地址复用口；不接外部程序存储器时可作为8位准双向I/O口使用。,单片机的引脚（P2口）,P2.0P2.7:双向I/O（内置了上拉电阻）寻址外部程序存储器时输出高8位地址；不接外部程序存储器时可作为8位准双向I/O口使用。,2,1,D,Q,CK,/Q,读引脚,读锁存器,写锁存器,内部总线,地址高8位,控制,引脚P2.X,3,内部上拉电阻,Vcc,2,1,D,Q,CK,/Q,读引脚,读锁存器,写锁存器,内部总线,地址高8位,控制,引脚P2.X,控制=0时，此脚作通用输出口：输出=1时,1,1,0,截止,3,内部上拉电阻,1,1,Vcc,=1,=0,单片机的引脚（P2口）,P2.0P2.7:双向I/O（内置了上拉电阻）寻址外部程序存储器时输出高8位地址；不接外部程序存储器时可作为8位准双向I/O口使用。,2,1,D,Q,CK,/Q,读引脚,读锁存器,写锁存器,内部总线,地址高8位,控制,引脚P2.X,控制=0时，此脚作通用输出口：输出=0时,0,0,1,导通,3,内部上拉电阻,0,0,Vcc,=0,=0,单片机的引脚（P2口）,P2.0P2.7:双向I/O（内置了上拉电阻）寻址外部程序存储器时输出高8位地址；不接外部程序存储器时可作为8位准双向I/O口使用。,2,1,D,Q,CK,/Q,读引脚,读锁存器,写锁存器,内部总线,地址高8位,控制=1,引脚P2.X,控制=1时，此脚作高8位地址A8A15输出口：当输出=1时,1,0,截止,3,内部上拉电阻,1,=1,Vcc,=1,单片机的引脚（P2口）,P2.0P2.7:双向I/O（内置了上拉电阻）寻址外部程序存储器时输出高8位地址；不接外部程序存储器时可作为8位准双向I/O口使用。,2,1,D,Q,CK,/Q,读引脚,读锁存器,写锁存器,内部总线,地址高8位,控制=1,引脚P2.X,0,1,导通,3,内部上拉电阻,0,=0,Vcc,=0,控制=1时，此脚作高8位地址A8A15输出口：当输出=0时,单片机的引脚（P2口）,P2.0P2.7:双向I/O（内置了上拉电阻）寻址外部程序存储器时输出高8位地址；不接外部程序存储器时可作为8位准双向I/O口使用。,单片机的引脚（P3口）,P3.0P3.7:双功能口（内置了上拉电阻）它具有特定的第二功能。在不使用它的第二功能时它就是普通的通用准双向I/O口。,2,1,D,Q,CK,/Q,读引脚,读锁存器,写锁存器,内部总线,第二功能输出,引脚P3.X,3,内部上拉电阻,Vcc,第二功能输入,4,2,1,D,Q,CK,/Q,读引脚,读锁存器,写锁存器,内部总线,第二功能输出（WR，RD，TxD）,引脚P3.X,3,内部上拉电阻,Vcc,4,第二功能输出时，内部自动D=1,1,1,1,反相器,单片机的引脚（P3口）,P3.0P3.7:双功能口（内置了上拉电阻）它具有特定的第二功能。在不使用它的第二功能时它就是普通的通用准双向I/O口。,2,1,D,Q,CK,/Q,读引脚,读锁存器,写锁存器,内部总线,此端自动1,引脚P3.X,3,内部上拉电阻,Vcc,第二功能输入（RxD，T0，T1，INT0，INT1）,4,第二功能输入时，信号经缓冲器4直接进入内总线,1,1,1,0,截止,单片机的引脚（P3口）,P3.0P3.7:双功能口（内置了上拉电阻）它具有特定的第二功能。在不使用它的第二功能时它就是普通的通用准双向I/O口。,P3口第二功能表（P.31表23）,51单片机的8个特殊引脚,Vcc,GND:电源端XTAL1,XTAL2:片内振荡电路输入、输出端RESET:复位端正脉冲有效（宽度8mS）EA/Vpp:寻址外部ROM控制端。低有效片内有ROM时应当接高电平。ALE/PROG:地址锁存允许控制端。PSEN：选通外部ROM的读(OE)控制端。低有效,小结,51单片机的4个8位的I/O口,P0.0P0.7:8位数据口和输出低8位地址复用口(复用时是双向口；不复用时也是准双向口)P1.0P1.7:通用I/O口（准双向口）,P2.0P2.7:输出高8位地址（用于寻址时是输出口；不寻址时是准双向口）P3.0P3.7:具有特定的第二功能（准双向口）,注意：在不外扩ROM/RAM时，P0P3均可作通用I/O口使用，而且都是准双向I/O口(例如:AT89C51)！,小结,存储器、堆栈、SFR,数据存储器RAM（RandomAccessMemory）程序存储器ROM（ReadOnlyMemory）闪速存储器FlashMemoryEPROM（UV）ErazibleProgrammableROMEEPROM/E2PROMElectricalErasableProgrammableROM静态存储器SRAMStaticRAM（动态存储器DRAMDynamicRAM）按字节寻址：每个字节(8个位)占一个地址按位寻址：有的存储器每一个位就有一个地址,单片机的存储器几个有关的概念：,89C51单片机存储器配置,片内RAM128字节（00H7FH）；片内RAM前32个单元是工作寄存器区(00H1FH)片内RAM有128个可按位寻址的位，占16个单元。位地址编号为：00H7FH，分布在20H2FH单元片内21个特殊功能寄存器(SFR)中：地址号能被8整除的SFR中的各位也可按位寻址可寻址片外RAM64K字节（0000HFFFFH）可寻址片外ROM64K字节（0000HFFFFH）片内FlashROM4K字节（000HFFFH）,存储器配置（片内RAM）,片内RAM128字节（00H7FH）,00H,20H,2FH,7FH,1FH,30H,80H,FFH,52子系列才有的RAM区,普通RAM区,位寻址区,工作寄存器区,SFR分布在80H-FFH其中92个位可位寻址,80H,FFH,所有的RAM区(包括位寻址区、工作寄存器区）都可以用于存放数据，故也称为数据缓存寄存器,89C51128字节,片内RAM前32个单元是工作寄存器区(00H1FH),00H,20H,2FH,7FH,1FH,30H,80H,FFH,52子系列才有的RAM区,普通RAM区,位寻址区,工作寄存器区,存储器配置（片内RAM）,00H,20H,2FH,7FH,1FH,30H,80H,FFH,52子系列才有的RAM区,普通RAM区,位寻址区,工作寄存器区,R0,R2,R1,R3,R4,R5,R6,R7,07H,02H,01H,00H,06H,04H,05H,03H,08H,1FH,工作寄存器区3,工作寄存器区2,工作寄存器区1,工作寄存器区0,0FH,10H,17H,18H,片内RAM前32个单元是工作寄存器区(00H1FH),存储器配置（片内RAM）,00H,20H,2FH,7FH,1FH,30H,80H,FFH,52子系列才有的RAM区,普通RAM区,位寻址区,工作寄存器区,片内RAM中有128个可按位寻址的位。位地址:00H7FH分布在:20H2FH单元,存储器配置（片内RAM）,00H,20H,2FH,7FH,1FH,30H,80H,FFH,52子系列才有的RAM区,普通RAM区,位寻址区,工作寄存器区,27H,22H,21H,20H,26H,24H,25H,23H,28H,2FH,单元地址,0706050403020100,0F0E0D0C0B0A0908,1716151413121110,1F1E1D1C1B1A1918,2726252423222120,2F2E2D2C2B2A2928,3736353433323130,3F3E3D3C3B3A3938,4746454443424140,7F7E7D7C7B7A7978,位地址,总共128个可按位寻址的位,片内RAM中有128个可按位寻址的位。位地址:00H7FH分布在:20H2FH单元,存储器配置（片内RAM）,可寻址片外RAM64K字节（0000HFFFFH）；可寻址片外ROM64K字节（0000HFFFFH）；片内FlashROM4K字节（000HFFFH）；,FFFFH,0000H,可寻址片外RAM,64K字节,FFFFH,0000H,可寻址片外ROM,64K字节,FFFH,000H,可寻址片内FlashROM,4K字节,89C51,7FH,00H,片内RAM,128字节,FFH,80H,存储器配置（片内RAM）,堆栈：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,它遵循顺序存取和后进先出(LIFO/FILO）的原则,这个RAM区叫堆栈。,功用：1）子程序调用和中断服务时CPU自动将当前PC值压栈保存，返回时自动将PC值弹栈。2）保护现场/恢复现场3）数据传输,00H,20H,2FH,7FH,1FH,30H,80H,FFH,52子系列才有的RAM区,普通RAM区,位寻址区,工作寄存器区,SP栈顶,下一个进栈的数据将存在此,数据进栈,已经进栈的数据存放在此,初始SP,复位后SP=07H，数据进栈时：首先SP+1指向08H单元，第一个放进堆栈的数据将放进08H单元，然后SP再自动增1，仍指着栈顶,堆栈区由特殊功能寄存器堆栈指针SP管理堆栈区可以安排在RAM区任意位置，一般不安排在工作寄存器区和可按位寻址的RAM区，通常放在RAM区的靠后的位置。,从堆栈取出数据时：取出的数据是最近放进去的一个数据，也就是当前栈顶的数据。然后SP再自动减1，仍指着栈顶,00H,20H,2FH,7FH,1FH,30H,80H,FFH,52子系列才有的RAM区,普通RAM区,位寻址区,工作寄存器区,SP栈顶,当前要出栈的数据,数据出栈,SP-1指向下一个将要出栈的数据,初始SP,堆栈区由特殊功能寄存器堆栈指针SP管理堆栈区可以安排在RAM区任意位置，一般不安排在工作寄存器区和可按位寻址的RAM区，通常放在RAM区的靠后的位置。,从堆栈取出数据时：取出的数据是最近放进去的一个数据，也就是当前栈顶的数据。然后SP再自动减1，仍指着栈顶,00H,20H,2FH,7FH,1FH,30H,80H,FFH,52子系列才有的RAM区,普通RAM区,位寻址区,工作寄存器区,SP-1指向新的栈顶,也就是下一个将要出栈的数据,数据出栈,初始SP,堆栈区由特殊功能寄存器堆栈指针SP管理堆栈区可以安排在RAM区任意位置，一般不安排在工作寄存器区和可按位寻址的RAM区，通常放在RAM区的靠后的位置。,89C51特殊功能寄存器(SFR),特殊功能寄存器SFR（专用寄存器）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、结果的寄存器。,不同的SFR管理不同的硬件模块，负责不同的功能各司其职换言之：要让单片机实现预订的功能，必须有相应的硬件和软件，而软件中最重要的一项工作就是对SFR写命令（要求）。,程序计数器PC（ProgramCounter）PC不是一个特殊功能寄存器SFR，但其作用又十分重要和特殊!,特点：它是16位的按机器周期自动增1计数器,一切分支/跳转/调用/中断/复位等操作的本质就是:改变PC值,总指向下一条指令所在首地址(当前PC值),特殊功能寄存器(PC),89C51有21个SFR(89C52有26个)P3940已知的P0、P1、P2、P3等四个8位I/O口分别由名为P0、P1、P2、P3四个SFR代表。,堆栈指针寄存器SP（StackPointer):总是指向栈顶,压栈时先(SP)+1然后数据进栈；弹栈时数据先出栈然后(SP)-1。,累加器ACC:一个被众多指令用得最频繁的特殊功能寄存器(如：运算、数据传输)。,副累加器B:一个经常与ACC配合在一起使用的特殊功能寄存器(如：乘法、除法)，此外，它也经常当作普通寄存器使用。,特殊功能寄存器(P0P3,SP,A,B),程序状态字寄存器PSW：,CY,AC,F0,RS0,OV,P,RS1,PSW.7,PSW.0,CY(PSW.7)进位/借位标志位。若ACC在运算过程中发生了进位或借位，则CY=1；否则=0。它也是布尔处理器的位累加器，可用于布尔操作。,AC(PSW.6)半进位/借位标志位。若ACC在运算过程中，D3位向D4位发生了进位或借位，则CY=1,否则=0。机器在执行“DAA”指令时自动要判断这一位，我们可以暂时不关心它。,F0(PSW.5)可由用户定义的标志位。,PSW.6,PSW.5,特殊功能寄存器(PSW),程序状态字寄存器PSW（续）：,CY,AC,F0,RS0,OV,P,RS1,PSW.7,PSW.0,RS1(PSW.4)、RS0(PSW.3)工作寄存器组选择位。,RS1，RS0=01则选择了工作寄存器组1区R0R7分别代表08H0FH单元。,RS1，RS0=10则选择了工作寄存器组2区R0R7分别代表10H17H单元。,RS1，RS0=11则选择了工作寄存器组3区R0R7分别代表18H1FH单元。,PSW.4PSW.3,RS1，RS0=00则选择了工作寄存器组0区R0R7分别代表00H07H单元。,片内RAM前32个单元(00H1FH)是工作寄存器区(由PSW中的RS1,RS0决定),00H,20H,2FH,7FH,1FH,30H,80H,FFH,52子系列才有的RAM区,普通RAM区,位寻址区,工作寄存器区,R0,R2,R1,R3,R4,R5,R6,R7,07H,02H,01H,00H,06H,04H,05H,03H,08H,1FH,工作寄存器区3,工作寄存器区2,工作寄存器区1,工作寄存器区0,程序状态字寄存器PSW（续）：,CY,AC,F0,RS0,OV,P,RS1,PSW.7,PSW.0,OV(PSW.2)溢出标志位。OV=1时特指累加器在进行带符号数(-128+127)运算时出错（超出范围）；OV=0时未出错。,PSW.1未定义。,P(PSW.0)奇偶标志位。P=1表示累加器中“1”的个数为奇数P=0表示累加器中“1”的个数为偶数CPU随时监视着ACC中的“1”的个数,并反映在PSW中,PSW.2,PSW.1,PC与SFR复位状态表,回顾,89C51单片机存储器配置,片内RAM128字节（00H7FH）；片内RAM前32个单元是工作寄存器区(00H1FH)片内RAM有128个可按位寻址的位，占16个单元。位地址编号为：00H7FH分布在：20H2FH单元片内21个特殊功能寄存器(SFR)中：地址号能被8整除的SFR中的各位也可按位寻址可寻址片外RAM64K字节（0000HFFFFH）可寻址片外ROM64K字节（0000HFFFFH）片内FlashROM4K字节（000HFFFH）,小结,存储器配置（片内RAM）,片内RAM128字节（00H7FH）,00H,20H,2FH,7FH,1FH,30H,80H,FFH,52子系列才有的RAM区,普通RAM区,位寻址区,工作寄存器区,SFR分布在80H-FFH其中92个位可位寻址,80H,FFH,所有的RAM区(包括位寻址区、工作寄存器区）都可以用于存放数据，故也称为数据缓存寄存器,