单片机学教程PPt第2章 内部硬件架构及资源PPT课件

.,1,第2章单片机内部硬件架构及资源,本讲重点:1.MCS-51单片机的内部结构;2.单片机的引脚与I/O口结构;3.存储器、堆栈与特殊功能寄存器;4.单片机工作的基本时序;5.这一章以一些记忆性的为主,为后续章节提供了实现的内部硬件架构和物质保障;6.(复习)自己总结一下,51单片机内部涉及哪些寄存器,写出这些寄存器的英文全称,写出一些SFR有哪些位组成,.,2,2.1单片机发展史2.1.1单片机的产生与发展2.1.2单片机与计算机之异同2.1.3单片机的特点2.2MCS-51单片机内部结构2.2.1MCS-51单片机系列区别2.2.2MCS-51单片机基本特性2.2.3单片机的引脚定义2.3并行输入/输出接口2.3.1单片机的引脚(P1口)2.3.2单片机的引脚(P0口)2.3.3单片机的引脚(P2口)2.3.4单片机的引脚(P3口),.,3,2.4单片机中几个重要的结构存储器、堆栈、SFR2.4.1单片机的存储器几个有关的概念:2.4.289C51单片机存储器配置2.4.3堆栈2.4.489C51特殊功能寄存器2.5单片机工作的基本时序2.5.1机器周期和指令周期2.5.2MCS-51指令的取指/执行时序2.5.3访问外部ROM和RAM的时序2.5.4读外部数据RAM时序2.5.5写外部数据RAM的时序2.6单片机的工作方式2.6.1复位方式2.6.2程序执行方式2.6.3节电工作方式,.,4,2.1单片机发展史(了解),2.1.1单片机的产生与发展第1阶段(19711976):单片机发展的初级阶段第2阶段(19761980):低性能单片机阶段MCS-48系列第3阶段(19801983):高性能实用性很强的单片机阶段MCS-51系列第4阶段(198380年代末):16位(全功能)单片机阶段.MCS-96系列8098/8096、80C198/80C196,第5阶段(90年代):(量体裁衣)单片机在集成度、多元化,功能、速度、可靠性、应用领域等全方位向更高水平发展.DSP,32位单片机ARM,.,5,单片机与嵌入式:微控制器MCU(Micro-ControllerUnit)嵌入式微控制器(EmbeddedMicrocontroller),单片机应用领域:测控系统、智能仪表、智能接口、办公自动化、光机电一体化设备、通讯设备、网络设备、汽车电子、消费类电子产品、智能楼宇设备,单片机的多种型号:IntelAtmel(89AVR)Motorola(M68HC08)TI(MSP430)PhilipsWinbond(华邦)Microchip(微芯PIC),.,6,Atmel标准型:AT89C51AT89C52AT89lv51AT89lv52低档型:AT89C1051AT89C2051(2Kflash)(20PIN)高档型:AT89S51AT89S52ISP功能AVR.,PhilipsP80CXXP87CXXP89CXXP87LPC7XX,TIMSP430,PIC系列,.,7,1.组成:CPU(进行运算、控制)RAM(数据存储器)I/O口(串口、并口等)ROM(程序存储器)PC机:上述部件以独立器件形式安装在主板上.包括:键盘、显示器、鼠标、硬/软/光驱、音箱、打印机、扫描仪等外设单片机:上述部件被集成到单芯片中,只是一片集成电路.(8/16/20/28/32/40/48/100条引脚).,2.1.2单片机与计算机之异同,2.功能:PC机:数据运算、采集、处理、存储、传输;单片机:控制(或受控于)外设,测控,往往嵌入某个仪器/设备/系统中,使其达到智能化的效果.,.,8,3.应用特点:PC机:体积大,功耗大,价格高(3000),用途较固定,属通用计算机.易于学习掌握和使用,但用于控制时必须安装一定的应用软件.单片机:体积小,功耗小,价格低,用途灵活,无处不在,属专用计算机.是一种特殊器件,需经过专门学习方能掌握应用,应用中要设计专门的硬件和软件.,4.联系单片机的应用开发,软件编程环境(keil)、硬件SCH,PCB的设计(Protel)都是在PC个人电脑上进行的,.,9,2.1.3单片机的特点控制功能强,指令丰富.如转移,逻辑判断,位操作等;体积小,可靠性高,结构灵活,易于组成各种微机应用系统.低功耗、低电压;便于制作便携式、网络化等产品;外部设备接口集成度高SOC(SystemOnChip).如:可以集成AD/DA/LCD驱动/串口/USB/CAN/PWM等单片机与单片机系统:单片机是指一块芯片,它不能完成特定的应用任务;单片机系统指在一块单片机芯片的基础上,扩展了显示、键盘、以及其它外围芯片,构成的系统,.,10,2.2.1MCS-51单片机系列区别(强调,考试),2.2MCS-51单片机内部结构,.,11,表中列出了MCS-51系列单片机的两个子系列,在4个性能上略有差异.在本子系列内各类芯片的主要区别在于片内有无ROM或EPROM;MCS-51与MCS-52子系列间所不同的是:(1)片内程序存储器ROM从4KB增至8KB;(2)片内数据存储器由128个字节增至256个字节;(3)定时器/计数器增加了1个;(3)中断源增加了12个.对于制造工艺为CHMOS的单片机,由于采用CMOS技术制造,因此具有低功耗的特点,如8051功耗约为630mW,而80C51的功耗只有120mW.,.,12,2.2.2MCS-51单片机基本特性(内部资源),1.8位的CPU,片内有振荡器和时钟电路,工作频率为112MHz(Atmel89Cxx为024MHz)2.片内有128字节RAM3.片内有0K/4K字节程序存储器ROM4.可寻址片外64K字节数据存储器RAM(216=65536=1024*64)5.可寻址片外64K字节程序存储器ROM(少用了)6.片内21个特殊功能寄存器(SFR-SpecialFunctionRegister)7.4个8位并行I/O口(P0-P3)8.1个全双工串行口(UART)9.2个16位定时器/计数器(TIMER/COUNTER)10.可处理5个中断源,两级中断优先级11.内置1个布尔处理器Cy和1个累加器ACC12.MCS-51指令集含111条指令,.,13,内部结构框图(了解),.,14,MCS-51单片机组成结构中包含运算器、控制器、片内存储器、4个I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统、振荡器等功能部件.运算部件以算术逻辑单元ALU(ArithmeticLogicUnit)为核心,包括累加器ACC(Accumulator)、寄存器B、暂存器、程序状态字PSW等许多部件.它能实现数据的算术逻辑运算、位变量处理和数据传输操作.MCS-51单片机(51子系列)内带有两个16位定时器/计数器T0和T1,它们均可作为定时器或计数器使用.,.,15,从一片集成电路的角度去认识单片机,DIP-40封装P0.0P0.7(39-32)8P1.0P1.7(1-8)8P2.0P2.7(21-28)8P3.0P3.7(10-17)8Vcc(40),GND(20)2XTAL1,XTAL2(18/19)2RESET(9)1EA*/Vpp(31)1ALE/PROG*(30)1PSEN*(29)1,2.2.3单片机的引脚(pin),Protel99中的位置ProtelDOSSchematicLibraries.ddbProtelDOSSchematicIntel.lib8031,.,16,44只引脚方形(PLCC)封装方式为(4只没有用),.,17,.,18,(1)Vcc(40),GND(20):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.(2)XTAL1,XTAL2(18,19):Crystal片内振荡电路输入/输出端,晶振实物图片,.,19,也可以由XTAL1端接入外部时钟,此时应将XTAL2接地:,典型晶振电路(OSCOscillator)通常外接一个晶振两个电容,.,20,CPU总是按照一定的时钟节拍与时序工作(后面有详细叙述),1.振荡周期/时钟周期Tc:(clock)(记忆)对于12MHz,1个振荡周期1/12us振荡周期=1/fosc2.状态周期Ts:(很少用到此概念)Ts(status)=2个时钟周期(Tc)3.机器周期:Tm(machine)=6个状态周期(Ts)=12个振荡周期(Tc)(记忆)对于12MHz,1个机器周期1us6MHz呢?4.指令周期:Ti(instruction):执行一条指令所需的机器周期(Tm)数(如DJNZR7,$两个机器周期)NOTE:1个指令周期=1、2、4个机器周期(后面提到),.,21,(3)RESET(9):复位端(正脉冲有效,两个机器周期(2us-12MHz)的高电平信号使系统复位)复位使单片机进入某种确定的初始状态:（1）PC(ProgrameCounter)值归零(0000H)（2）各个SFR被赋予初始值（3）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.,.,22,PC与SFR(SpecialFunctionRegister)特殊功能寄存器特殊功能寄存器复位状态表(记忆！),.,23,+5V,10uF,8.2k,Vcc,RST,GND,上电复位阻容复位,10uF,10K,Vcc,RST,GND,手动(少用)(5)内部RAM和外部RAM存在地址重叠,但不会造成操作混乱,通过不同的指令来区别:访问内部RAM,用MOV指令,访问外部RAM,用MOVX指令,NOTE:,.,51,几个特殊的ROM空间,涉及到后面中断知识,.,52,2.4.3堆栈(stack)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,它遵循先进后出or后进先出(LIFO/FILO)-LastInFirstOut的,顺序存储原则,这个RAM区叫堆栈-子弹夹(flash),1.功用:1)在调用子程序和中断服务程序时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(PUSH/POP)3)数据传输,.,53,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,仍指向栈顶,2.堆栈区由SFR的堆栈指针SP(StackPointer)管理,就51单片机而言,SP指示的是堆栈空间栈顶的地址(记忆)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(MOVSP,#60H).,.,54,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,仍指向栈顶,.,55,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,仍指向栈顶,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,.,56,ProgrammingTip:Bydefault,the8052initializestheStackPointer(SP)to07h,whenthemicrocontrollerisbooted.Thismeansthatthestackwillstartataddress08handexpandupwards.Ifyouwillbeusingthealternateregisterbanks(banks1,2or3),youmustinitializethestackpointertoanaddressabovethehighestregisterbankyouwillbeusing,otherwisethestackwilloverwriteyouralternateregisterbanks.Similarly,ifyouwillbeusingbitvariables,itisusuallyagoodideatoinitializethestackpointertosomevaluegreaterthan2Fhtoguaranteethatyourbitvariablesareprotectedfromthestack.(翻译),.,57,2.4.489C51特殊功能寄存器(SFR)SpecialFunctionRegister,1.作用：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.2.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).,.,58,ProgrammingTip#1:SFRsareusedtocontrolthewaythe8052functions.EachSFRhasaspecificpurposeandformat.Notalladdressesabove80hareassignedtoSFRs.However,thisareamayNOTbeusedasadditionalRAMmemoryevenifagivenaddresshasnotbeenassignedtoanSFR.ProgrammingTip#2:Sincedirectaccesstoaddresses80hthroughFFhreferstoSFRs,directaccesscannotbeusedtoaccessInternalRAMaddresses80hthroughFFh.Theupper128bytesofInternalRAMmustbeaccessedusingIndirectAddressing,.,59,特点:（看下一页的图）1.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!2.它是系统内部唯一的一个不可寻址的16位寄存器,按机器周期自动加1计数器（记忆）3.PC总是指向下一条指令所在首地址(当前PC值)4.PC没有地址,不可寻址,用户无法对它进行读写,复位后,PC=0000H,系统从ROM:0000h单元开始执行程序5.一切分支/跳转/调用/中断/复位等操作的本质就是:改变PC值,程序计数器PC(ProgramCounter)记忆,.,60,内部结构框图(了解),.,61,89C51有21个SFR1-4.P0:P0口锁存器(Latch)80hP1:P1口锁存器90hP2:P2口锁存器0A0hP3:P3口锁存器0B0h（看上面那张图）BITADDRESSABLESETBP1.05.堆栈指针寄存器SP(StackPointer)81h总是指向栈顶,压栈时:先(SP)+1,后数据进栈;弹栈时:数据先出栈,然后(SP)-1.（注意这个顺序）,.,62,6.累加器ACC(Accumulator)Bitaddressable0E0H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).JBACC.7,NEXT7.寄存器BBitaddressable0F0H一个经常与ACC配合在一起使用的特殊功能寄存器(如:乘法MULAB、除法DIVAB),此外,它也经常当作普通寄存器使用.,.,63,8.程序状态字寄存器PSW(ProgramStatusWord):Bitaddressable(0D0h),Cy(PSW.7CarryFlag)进位/借位标志位.若ACC在运算过程中,D7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.使用频繁,JC/JNC/CJNE/ADDC/SUBB多条指令(常用)AC(PSW.6AuxiliaryCarryFlag)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.(少用)F0(PSW.5GeneralPurposeStatusFlag0)用户可以根据需要对F0赋以一定的含义,判断标志(有时用到),.,64,RS1(PSW.4)、RS0(PSW.3)RegisterBankSelect工作寄存器组选择位RS1,RS0=00则选择了工作寄存器组0区R0R7分别代表00H07H单元.movpsw,#00hRS1,RS0=01则选择了工作寄存器组1区R0R7分别代表08H0FH单元.movpsw,#08hRS1,RS0=10则选择了工作寄存器组2区R0R7分别代表10H17H单元.movpsw,#10hRS1,RS0=11则选择了工作寄存器组3区R0R7分别代表18H1FH单元.movpsw,#18hsetbrs1setbrs0,.,65,ProgrammingTip:Ifyouonlyusethefirstregisterbank(i.e.bank0),youmayuseInternalRAMlocations08hthrough1Fhforyourownuse.Ifyouplantouseregisterbanks1,2,or3,beverycarefulaboutusingaddressesbelow20hasyoumayendupoverwritingthevalueofRregistersfromotherregisterbanks.,.,66,片内RAM前32个单元(00H1FH)是工作寄存器区(由PSW中的RS1,RS0决定)系统复位后,PSW=00H,自动选择00-07h单元,工作寄存器区0,默认设置,.,67,OV(PSW.2OverflowFlag)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保留位,未定义.P(PSW.0Parityofaccumulator)奇偶标志位P=1表示累加器中“1”的个数为奇数(odd)P=0表示累加器中“1”的个数为偶数(even)(通信一节提到)CPU随时监视着ACC中的“1”的个数,并反映在PSW中,.,68,9-10.DPTR(DataPointer)数据指针寄存器82H,83H单片机内部唯一的一个可以供用户使用的16位寄存器(比较:PC16位不可寻址),用来存放16位地址值,以便用间接寻址或变址寻址片外存储器.MOVDPTR,#4000HDPTR可分成DPL(LOW)和DPH(HIGH)两个8位寄存器分别使用.(变形金刚)PUSHDPTR(X)Register16-RAM8PUSHDPL(V)PUSHDPH(V),.,69,此外还有如下寄存器,它们将在后面章节介绍(蓝色勾BITADDRESSABLE)11.IP(InterruptPriorities)中断优先级控制寄存器12.IE(InterruptEnable)中断允许控制寄存器13.TMOD(TimerModeRegister)定时器/计数器方式控制寄存器14.TCON(TimerControlRegister)定时器/计数器控制寄存器.15-16.TH0,TL0(Timer0Low/High)定时器/计数器017-18.TH1,TL1(Timer1Low/High)定时器/计数器119.SCON(SerialControlRegister)串行端口控制寄存器20.SBUF(SerialBufferRegister)串行数据缓冲器21.PCON(PowerControlRegister)电源控制寄存器,.,70,11个可位寻址的寄存器,bitaddressable,.,71,2.5单片机工作的基本时序,2.5.1机器周期和指令周期(1)振荡周期Tc(Clock):也称时钟周期,是指为单片机提供时钟脉冲信号的振荡源的周期.(晶振频率的倒数)(2)状态周期Ts(Status):每个状态周期为时钟周期的2倍,是振荡周期经二分频后得到的.(少用)(3)机器周期Tm(Machine):一个机器周期包含6个状态周期S1-S6,也就是12个时钟周期.在一个机器周期内,CPU可以完成一个独立的操作.(12MHz1us6MHz2us记忆在定时器中用到)(4)指令周期Ti:它是指CPU完