第02章 单片机芯片的硬件结构

第2章 单片机芯片的硬件结构,2.1 MCS-51单片机的逻辑结构及引脚信号2.2 MCS-51单片机的内部存储器2.3 MCS-51单片机并行输入/输出接口2.4 MCS-51单片机时钟电路与时序2.5 MCS-51单片机工作方式,2.1 MCS-51单片机的逻辑结构及引脚信号,MCS-51单片机的组成 ：1. 8位CPU2. 片内ROM/EPROM、RAM3. 片内并行 I/O接口4. 片内16位定时器/计数器5. 片内中断处理系统6. 片内全双工串行I/O口,不同型号MCS-51单片机CPU处理能力和指令系统完全 兼容，只是存储器和I/O接口的配置有所不同。,2.1.1 MCS-51 单片机结构框图,图2.1 MCS-51单片机系统结构框图,2.1.2 MCS-51单片机芯片内部逻辑结构,1、中央处理器（CPU） 中央处理器（CPU）是单片机的核心，完成运算和控制功能，MCS-51单片机的CPU能处理8位二进制数或代码。,2、内部数据存贮器（内部RAM） 80C51共有256个RAM，其中128个被专用寄存器占用，能作为寄存器供用户使用的只有128个单元，简称内部RAM,3、内部程序存贮器（内部ROM） 80C51共有4K掩膜ROM，用于存放程序，原始数据，表格。称程序存贮器，简称内部ROM,4、定时器/计数器 80C51共有2个16位定时器/计数器，以实现定时或计数功能，并以定时或计数结果对计算机进行控制。,单片机组成部分如下,5、并行I/O口 80C51共有4个I / O口：P0、P1、P2、P3以实现数据的并行输出输入。,6、串行I/O口 MCS-51的一个全双工的串行口，以实现单片机与其它设备之间的串行数据传输。该 口功能较强，既可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为同步移位器使用。,7、中断控制系统 80C51共有5个中断源，外中断2个，定时器/计数中断2 个，串行中断1 个。分为高级和低级两个级别。,8、时钟电路 MCS-51内部有时钟，但晶振和微调电容需外接。系统允许最高频率为12MHZ,9.位处理器 以状态寄存器中的进位标志位C为累加位，可进行置位、复位、取反等操作。,10、总线 部件通过总线连接起来。,2.1.3 MCS-51的信号引脚,ALE 地址锁存允许信号端PSEN 外部程序存储器读选通信号端EA 访问程序存储器选择信号端RST 复位信号XTAL1 XTAL2 外接晶体引脚VSS 地线VCC +5V电源,MCS-51为标准40引脚双列直插式集成电路芯片,1信号引脚功能,P0.0P0.7 、P1.0P1.7 P2.0P2.7 、P3.0P3.7 4个8位并行双向 I/O 接口多功能引脚，可自动切换用作数据总线、地址总线、控制总线或I/O 接口,逻辑符号：,2信号引脚的第二功能 P3口的8条口线都定义有第二功能，见下表,2.2 MCS-51单片机的内部存储器,共有256单元，其中低128单元(00H-7FH)为内部数据存储单元，高128单元(80H-FFH)为特殊功能寄存器。,2.2 .1 内部数据存储器低128单元,内部存储器低128单元(00H-7FH)1、通用寄存器区 地址：00H1FH，分为4组，组号分别为0、1、2、3，每组8个寄存器，按R7 R0编号，CPU每次只使用1组。 到底用哪一组，由程序状态字寄存器PSW中的RS1/RS0位的状态组合来决定。,内部存储器低128单元(00H-7FH)2、位寻址区 地址：20H2FH，可按一般RAM字节单元操作，也可按位操作，共128位，位地址为00H 7FH。,内部存储器低128单元(00H-7FH)3、用户RAM区 地址：30H7FH，供用户使用的一般RAM区，共80个单元，堆栈常开在此区。,占用字节地址：80HFFH，这些寄存器的功能厂家已作专门规定，故称为特殊功能寄存器(SFR)，80C51的专用寄存器共有22个，其中可寻址的21个。寄存器： A、B、PSW、DPTR、PCI/O接口寄存器： P0、P1、P2、P3、SBUF、 TMOD、TCON、SCON ,2.2.2内部数据存储器高 128单元,1.专用 寄存器简介（1）程序计数器（PC） PC是一个16位的计数器。 内容为将要执行的指令地址，寻址范围达64KB。 具有自动加1功能，以实现程序的顺序执行。,（2）累加器A 累加器为8位； 存放操作数； 运算结果的暂存，用于存放中间结果； 数据传送的中转站； 在变址寻址方式中把累加器作为变址寄存器使用。,（3）B寄存器 B寄存器为8位； 主要用于乘除运算；,（4）程序状态字（PSW） 8位寄存器，用于存放指令执行的状态信息。 PSW的各位定义如下：,CY：进位标志位一是存放算术运算的进位标志；二是在位操作中，作累加位使用。位传送、位与、位或等位操作中都要用到进位标志位。,（4）程序状态字（PSW）,AC：辅助进位标志位 加减运算中当有低4位向高4位进位或借位时，AC由硬件 置位，否则AC位被清0。,（4）程序状态字（PSW）,F0：用户标志位 这是一个供用户定义的标志位，需要时用软件方法置位或复位，用以控制程序的转向。,（4）程序状态字（PSW）,RS1和RS0：寄存器组选择位 用于设定通用寄存器的组号。通用寄存器共有四组，其对应关系为：,（4）程序状态字（PSW）,OV：溢出标志位 在带符号数加减运其中，OV1表示加减运算超出了累加器A所能表示的符号数有效范围(-128+127)，即产生了溢出，因此运算结果是错误的；否则，OV0表示运算正确，即无溢出产生。 在乘法运其中，OV1表示乘积超过255，即乘积分别在B与A中；否则，OV0，表示乘积只在A中。 在除法运算中，OV1表示除数为0，除法不能进行，否则，OV0，除数不为0，除法可正常进行。,（4）程序状态字（PSW）,P：奇偶标志位 表明累加器A中1的个数的奇偶性，在每个指令周期由硬件根据A的内容对P位自动置位或复位。1为偶数，P=0；反之，P=1.,（5）数据指针,数据指针为16位寄存器，它是MCS-51中唯一的一个16位寄存器。编程时，DPTR既可以按16位寄存器使用，也可以按两个8位寄存器分开使用，即： DPH DRTR高位字节 DPL DRTR低位字节DPTR通常在访问外部数据存储器时作地址指针使用，由于外部数据存储器的寻址范围为64KB，故DPTR设计为16位。,2.专用寄存器的字节寻址,21个可字节寻址的专用寄存器是不连续地分散在内部RAM高128单元之中。尽管还余有许多空闲地址，但用户并不能使用。在22个专用寄存器中，唯一一个不可寻址的专用寄存器就是程序计数器(PC)。PC不占据RAM单元，它在物理上是独立的，因此是不可寻址的寄存器。对专用寄存器只能使用直接寻址方式指令中既可使用寄存器符号，也可使用寄存器单元地址。,2.2.3 MCS-51的堆栈操作,堆栈是一种数据结构，是一种只允许在一端进行操作的线性表。数据写入堆栈叫做入栈，数据从堆栈中读出叫做出栈。堆栈数据操作的特点是“后进先出”（LIFO）。1. 堆栈的功能 堆栈用于子程序调用和中断操作，主要功能是保存断点和保护现场。通过保存断点和保护现场，能够使计算机执行子程序或中断服务程序后正确返回主程序。 2. 堆栈的开辟 堆栈只能开辟在内部数据存储器中。3. 堆栈指示器 堆栈数据操作都是在栈顶进行的，栈顶地址保存在堆栈指示器（SP-Stack Pointer）中。,4堆栈类型 两种类型：向上生长型和向下生长型 向上生长型堆栈：栈底在低地址单元。数据进栈，地址递增，堆栈指针SP上移。数据出栈，地址递减，堆栈指针SP下移。 向下生长型堆栈：栈底在高地址单元。数据进栈，地址递减，堆栈指针SP下移。数据出栈，地址递增，堆栈指针SP上移。 MCS-51单片机使用向上生长型堆栈。,2.2.4 内部程序存储器,80C51内部有4KROM存储单元，地址为0000H-0FFFH。其中0000H-002AH单元为保留单元。 其中0000H-0002H单元为系统启动或复位后的程序起始执行单元。系统复位后，（PC）=0000H，单片机从0000H单元开始读取指令执行程序。 0003H-002AH单元共40个单元被分成5段，每段8个单元，分别作为5个中断源的中断程序地址区，具体为： 0003H-000AH单元：外部中断0的中断服务程序地址区。 000BH-0012H单元：定时器/计数器0的中断服务程序地址区。 0013H-001AH单元：外部中断1的中断服务程序地址区。 001BH-0022H单元：定时器/计数器1的中断服务程序地址区。 0023H-002AH单元：串行中断的中断服务程序地址区。,为了不使程序执行产生矛盾，在0000H-0002H单元需要存放一条无条件转移指令，使程序执行转到主程序的首地址。 对于中断源的中断程序存放地址区，一般说来，只有8个单元不够存放完整的中断服务程序。因此，各中断源的中断服务程序地址区的首地址也存放一条无条件转移指令，使程序执行能够转去到该中断源的中断服务程序的首地址。,MCS-51单片机系统的存储器结构特点,2.3 MCS-51单片机 并行输入/输出口电路,MCS-51单片机有4个8位并行I/O口，P0P3，共32根口线。 每个端口都包括：锁存器（SFR）、输出驱动器、两个三态缓冲器以及控制电路。,2.3.1 P0口（地址：80H）,作为低8位地址总线/8位数据总线使用,图2.7 P0口电路逻辑,特点：（1）作为通用I/O口使用，准双向口。作为I/O输入时，口锁存器必须置“1”，使T截止，输入信号通 过“读引脚”三态缓冲器进入内部总线。（2）内部有上拉电阻（20K40K）；（3）CPU读P1口的二种情况： 读P1口的锁存器状态值：“读改写”指令。例：ANL P1，#0FH； 读P1口的引脚（外部输入）。例：MOV A，P1；,2.3.2 P1口（地址：90H）,图2.8 P1口电路逻辑,2.3.3 P2口（地址：A0H）,作为高8位地址总线使用。,图2.9 P2口电路逻辑,特点：（1）作为通用I/O口使用，准双向口。（2）第二功能口。,2.3.4 P3口（地址：B0H）,图2.10 P3口电路逻辑,2.4 MCS-51 单片机时钟电路与时序,2.4.1 时钟电路,图2.11 MCS-51单片机的振荡电路 图2.12 MCS-51单片机的时钟电路框图,2.4.2 时序定时单位时序是用定时单位来说明的。1 拍节与状态 把振荡脉冲的周期定义为拍节(用P表示)。 振荡脉冲经过二分频后，就是单片机的时钟信号，把时钟信号的周期定义为状态(用s表示)。 这样，一个状态就包含两个拍节，其前半周期对应的拍节叫拍节1(PI)，后半周期对应的拍节叫拍节2(P2）。2 机器周期 MCS-51采用定时控制方式，因此它有固定的机器周期。规定一个机器周期的宽度为6个状态，并依次表示为S1S6。由于一个状态又包括两个拍节，因此一个机器周期总共有12个拍节。由于一个机器周期共有12个振荡脉冲周期，因此机器周期就是振荡脉冲的十二分频，,2.4.3典型指令时序,MCS51共有111条指令，全部指令按其长度可分为单字节指令、双字节指令和三字节指令。执行这些指令所需要的机器周期数目是不同的，概括起来共有以下几种情况：单字节指令单机器周期和单字节指令双机器周期，双字节指令单机器周期和双字节指令双机器周期，三字节的指令都是双机器周期，而单字节的乘除指令则为四机器周期。,现对几个典型指令的时序作如下说明：1）单字节单周期指令(例如INC A) 由于是单字节指令，因此只需进行一次读指令操作。当第二个ALE有效时由于PC没有 加1，所以读出的还是原指令，一次无效的操作。2）双字节单周期指令(例如ADD A，#data) 这种情况下对应于ALE的两次读操作都是有效的，第一次是读指令操作码，第二次是读指令第二字节。3）单字节双周期指令 两个机器周期共进行4次读指令的操作，但其中后3次的操作全是无效的4）单字节双周期(MOVX类指令) 执行这类指令时，先在ROM渎取指令，然后对外部RAM进行读写操作。第一机器周期时，与其它指令一样，第一次读指令(操作码)有效，第二次读指令操作无效。第二机器周期时，进行外部RAM访问，此时与ALE信号无关，因此不产生谈指令操作。,图2.15 MCS-51单片机指令系统,2.5.1复位方式和复位电路,2.5 MCS-51单片机工作方式,1.复位操作 复位是单片机的初始化操作，其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复值键以重新启动。,除PC之外。复位操作还对其它一些专用寄存器有影响，它们的复位状态如下：,RST/VPD： 复位信号端和后备电源输入端。 输入10ms以上高电平脉冲，单片机复位。 VPD使用后备电源，可实现掉电保护。,2 复位信号及其产生 RST引脚是复位信号的输入端，复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡脉冲周期(即二个机器周期)以上，若使用频率为6MH