第1章51单片机结构.ppt

,第1章MCS-51单片机结构,1.1.1单片机的内部编程结构,此图是内部编程结构图，掌握了内部结构和引脚功能，才有可能设计硬件电路和着手编程。,1.1单片机的内部结构及资源,01,1.1.280C51系列单片机内部资源扩展,ROM4KB,MaskROMEPROMOTPROMFLASHROM,容量扩展,I/O接口,数量扩展,功能扩展ADC,DACWDT,PWMIIC,SIPCAN,电源5V,电源扩展2.7-6V,XTAL1,XTAL2,RST,ALE,EA#,PSEN#,P0-P3,P4-P6,在保持内核不变的基础上，很多厂家对51系列单片机根据用户的需求进行了扩展，主要在以下几方面：,02,（1）速度扩展提高时钟频率，最高已达40M。提高总线速度，采取RISC和指令流水线技术，缩短机器周期。,（2）CPU外围扩展程序存储器，从原来的ROMLess、MaskROM、EPROM向OPTROM，EEPROM和FLASHROM，转变，容量也大增。数据存储器扩展，仍采用SRAM，但容量已达到1KB。I/O端口的扩展，由原来的4个扩展到6个或7个。,（3）基本功能单元扩展中断源有的达到15个。定时计数器不仅数量增加，而且在功能上增强，例如扩展的CCU(Capture/CompareUnit）和PCA(ProgramCounterArray),可以实现高速的输入输出，并将捕获、定时、高速输出、PWM和WDT以可编程的方式结合在一起。,（4）其他扩展串行口的数量和功能，例如增加UART的AAR(AutoAddressRecognition）ADC,DAC,PWM,WDT,IIC,CAN,TCP/IP等。电源范围已扩展到2.7-6V。,03,（1）并行总线的删减有用串行总线替代并行总线的趋势，一些小型芯片，由于内部ROM和RAM得到扩充，又采用串口作通信，所以芯片引脚只在20-28之间。,1.1.380C51系列单片机内部资源删减,（2）功能的删减从满足一些简单特殊的用途和降低成本出发，减少了片内存储容量，减少定时计数器数量，去除串行接口等。,1.1.4总线和非总线几种应用模式,04,（1）专用型应用模式,（2）通用总线型应用模式,（3）通用非总线型应用模式,（4）非总线型应用模式,05,1.2存储器,1.2.1存储器的结构存储器的结构分冯诺尔曼（vonNeumann)和哈佛（Harvard）两种结构。冯.诺尔曼结构将程序存储器和数据存储器合二为一，例如PC机中的内存，就是典型的冯诺尔曼结构。将两者分开的结构就称之为哈佛结构，由于单片机属于嵌入式的控制器，它的程序不需要改变，小容量的数据存储器又能与CPU集成，可以加快存取的速度，所以单片机都采用哈佛结构。这样的结构使这些存储器与ACC紧耦合，不仅速度快，还可以完成类似累加器的操作，所以在单片机中得到广泛应用。51系列单片机程序存储器和数据存储器独立编址，采用16根地址线，它们最大的容量分别可达64K，与Intel8086的存储器与I/O接口独立编址一样，靠不同的访问指令来予以区分。由于程序存储器最大有64K，片外数据存储器最大也有64K，再加上51片内有128字节的RAM和128字节的SFR，所以51系列存储器最大的容量达到(128+1/4)K。52系列则是（128+3/8)K。,06,1.2.2单片机存储器的分类如图所示分5类：在单片机的片内的有1.内部数据存储器（RAM）、2.内部程序存储器（ROM)3.特殊功能寄存器（SFR），在单片机外的有片4.外程序存储器（ROM）5.片外数据存储器（RAM）。,07,08,1.2.3程序存储器1、程序存储器的功能和分布程序存储器存放程序、表格和常数，它分片内和片外两部分，早期8031属于片内无程序存储器型，所以一定要在片外加装程序存储器，此时引脚EA一定要接低电平。51之后的单片机，都不同程度地集成了一定数量的片内存储器，此时引脚EA#应该接高电平，否则片内的存储器就白白浪费了。运行时单片机先使用片内程序存储器，当寻址范围超出片内的地址范围时，单片机会自动搜寻片外的地址，在电路设计的时候，要注意片外程序存储器地址线的接法。程序存储器只能用MOVC来读取。,09,2、几个固定的特定程序的入口地址：在51系列单片机中，它的复位后的和中断的入口地址是固定的，如下表所示：,由于入口之间的间隔很小，所以无法放入完整的中断服务子程序，常常在里面置入跳转指令，再转移到宽松的程序区域去执行。,10,1.2.4片外数据存储器用于存放随机读写的数据。由于片内已经有128字节的RAM，当它们已能满足应用的要求，就可以不扩展片外数据存储器。片外数据存储器与程序存储器采用独立编址，所以分别采用不同的访问指令。需要注意的是，它和外围扩展电路统一编址，例如扩展并行口8255，定时计数器8253以及ADC、DAC等器件时，一定要注意与接口芯片中的寄存器端口加以区分。片外数据存储器只能用MOVX来读写。,11,1.2.5片内数据存储器它有以下区域和实现相应的功能：通用寄存器区，堆栈区，位寻址区，运算操作数存放区，存放随机读写的数据。片内数据存储器用MOV来读写。,F8,12,1、8051片内数据存储器分布图,13,从图中可知，内部数据存储器一共有128个字节，地址是从00H到7FH，它分成4个区：寄存器区：内含4个寄存器组，每组8个字节，共32个字节，通过对特殊功能寄存器（SFR）中的PSW（ProgramStatusWord）内的RS1和RS0两位的设置，来决定用此4组中的那一组作为工作寄存器组。被选中的一组相当于一般CPU中的通用寄存器，可以使用R0、R1、.R7作寄存器名进行访问。未被选中的其它3组如同一般的数据存储器，只能按字节来读写。,14,位地址区：地址20H-2FH的区域，共16个字节（Byte），128位（Bit），其中的每一位都可以单独操作，所以位处理的能力很强。,剩下来的是通用的RAM区，用来存放中间值和作为堆栈，其地址范围是从30H-7FH，共有80个字节。,特殊功能寄存器，完成各种功能的设置，相当8086系统接口芯片中的控制寄存器。,2、内部数据RAM的操作所谓操作就是如何访问这些存储器，即如何完成对它们的读写，采用的是MOV指令，寻址方式可以用直接寻址或用工作寄存器组中的R0和R1作间接寻址。注意：对52系列，它有256BRAM，由于超出80H的存储器和SFR的地址重叠，因此这部分只能用间接寻址的方法访问，而SFR只能用直接寻址的方法，如此来加以区分。其中另一个难点是，对于位地址区的存储单元，它既可以按字节也可以按位操作，而且字节地址和位地址重名，一般区分的方法是：根据指令符，例如：CLRC；SETB00H；这种指令是专门对位进行操作的。根据操作数的类型，例如：MOV43H，#22H；立即数是8位的，因此肯定是进行字节操作。,15,1.2.6特殊功能寄存器（SFR)1、结构和功能：,从图中可见，51系列的特殊功能寄存器一共才21个，分布在80H-FFH的区域内，只占此区域中很小的一部分，而且它的字节地址不是连续的。剩下来的可以作为功能升级时的扩充用。,第一列的寄存器可进行位操作（它们的地址可以被8整除）,16,从功能上它分成3类：作为I/O端口的镜对称寄存器，例如，若P0口设为输出，只要往P0寄存器写入数据就可以通过P0口往外输出，输入也一样。作为控制寄存器，完成对中断、定时计数、串口等的初始化。作为累加器、缓存器、指针（地址、堆栈）以及初始值等的设置。SFR中也有83个可进行位操作的单元，使用时要注意。另外，SFR中无论字节地址还是位地址，常常都有双名，一个是它的地址，另一个是它的别名，由于别名是唯一的，而且用英文缩写符来命名，更便于记忆和区分，所以推荐使用。,17,这一排的寄存器有位处理的功能,18,2、具体的SFR的功能：Port0(P0.0-P0.7)：引脚P0的镜对称寄存器。Port1(P1.0-P1.7)：引脚P1的镜对称寄存器。Port2(P2.0-P2.7)：引脚P2的镜对称寄存器。Port3(P3.0-P3.7)：引脚P3的镜对称寄存器。,19,Accumulator：A累加器是用来存放运行过程中间结果的通用寄存器，运算前的操作数、由ALU运算获得的结果都存放在这里，当两个寄存器进行数据交换的时候也要经过它。由于它担当多重角色，所以它是使用最频繁的寄存器，是任何一个MCU最重要的组成部分。自带有全零标志Z，A=0则Z=1；A0则Z=0.,Bregister：B寄存器在乘法和除法中要用到它，有些指令也要用它作为第二累加器。,StackPointer(SP)：堆栈指针，它始终指向堆栈中的栈顶，每压入一个数据SP就自动增1，每弹出一个数据就自动减1.一旦复位后，SP恢复到常值07，如果将它改成其他数值，整个堆栈就会移动到相应的新的位置。,ProgramStatusWord(PSW)：程序状态字，它是最重要的SFR寄存器，它就是标志寄存器，能自动反映指令执行的结果，常利用它进行分支处理。它由8位构成，51中只用了7位，分别如下：,20,P(bit0)-Paritybit.奇偶标志位，若累加器中8位数据里1的个数是奇数，则它为0，否则为1.常用在串行通信时作奇偶校验。(bit1)这位目前没有使用，可用于日后的扩展。OV(bit2)-Overflowbit.溢出位，当算术运算的结果超出255，它就等于1，表示数据已经超出可运算的范围，溢出了。,RS1,RS0(bits3and4)工作寄存器选择位，通过对它的设定，从RAM中4个寄存器组中去选定那一组作为工作寄存器组，设定的方法如下表所示：,21,F0(bit5)-Flag0。无特别的用途，可用来做标志位。AC(bit6)-AuxiliaryCarryFlag。辅助进位位，在使用BCD码进行运算时用。CY(bit7)-CarryFlag。进/借位位，用于算术运算和移位操作。,DataPointer(DPTR):数据指针由2个8位的寄存器组成，一个是DPH,另一个是DPL,由它们组成一个完整的16位地址，来实现片外程序存储器和数据存储器的寻址，它是唯一的的一个可编程的16位寄存器，当不用做寻址的时候，也可以用来存放数据。,22,TMOD-TimerMode:定时计数器的模式寄存器，它用来给定时计数器0和1设置工作模式，请看下面的表格，它的低4位用来设置T0,高4位用来设置T1。,TCON-TimerControl:定时计数器的控制寄存器，通过对它的设置和查询，来实现定时计数的操作，其中定时计数器只用到高4位，低4位用于中断管理。,23,TimerT0:T0的计数初值寄存器，如下图所示，它也由2个8位的寄存器构成，可以设置16位二进制数。但是在51单片机中，定时计数是采用加1计数的方法，所以存进去的初值要采用补码。,TimerT1:T1的计数初值寄存器，它的功能和T0的完全一样。,24,SCON(SerialPortControlRegister):串行通信控制寄存器，用它来完成串行通信的各种设置。,SBUF:串行通信的数据缓冲寄存器，用它来装载待发送或已经接收到的数据。,IE(InterruptEnable):中断使能寄存器，用来开通或屏蔽中断源。,25,PCON(PowerControl):电源控制寄存器，8051只用了其中的3位，IDL用来设置休闲模式，PD用来设置掉电模式，SMOD设成1可以使串行通信的波特率提高1倍。,IP(InterruptPriority):中断优先级寄存器，用它来设置中断源的优先级，来实现中断的嵌套。,Doublethebaud,GeneralFlag,26,3、SFR的操作注意它也分字节和位两种操作，在编程时通常采用它的别名作为地址的方法，用对片内RAM访问的指令MOV来完成数据的传送，只能采用直接寻址的方式。对它进行操作主要是完成模式初始化、完成初值的设置以及完成数据的输入输出，所以对SFR的掌握十分重要。,1.4时钟与复位电路,1.4.1时钟1、时钟电路内部振荡方式利用片内的振荡电路和外接的石英晶振构成，如右图所示：,27,外部振荡方式,28,2、基本的时序单位以12M的时钟频率为例：时钟周期：CLK=1/fosc=1/12MH=0.0833s状态周期：S=2*CLK=0.167s机器周期：MC=6*S=12*CLK=1s指令周期=1-4个机器周期=1-4s,29,30,1.4.2复位电路1、复位的作用复位操作使单片机的片内电路初始化（置零或进入特定状态），使单片机的程序指针返回到规定的位置（0000H）开始运行。当MCS-51系列单片机的复位引脚RST出现5ms以上的高电平时，单片机就完成了复位操作。如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。复位操作通常有2种基本形式：上电复位，开关复位。,5ms,31,2、几种典型的复位电路,记住一些特殊功能寄存器复位后的主要状态，对于熟悉单片机操作，缩短应用程序中的初始化部分的内容是十分有好处的。,32,2、复位后各寄存器的状态,33,1.5引脚功能,（1）电源VccVss(2个)（2）时钟XTAL1XTAL2（2个）,（3）控制引脚（相当8086的控制总线，4个）,RST/Vpd（Reset/Vpowerdrop）此引脚的功能一是作为清零，二是当掉电时接备用电源。,ALE/PROG（AddressLatchEnable/Programming）它也有两种功能，一是作为地址的锁存信号，二是作为往片内的EPROM写入程序时的编程脉冲的输入端。,PSENProgramStoreEnable它作为读外部程序存储器的选通信号，常用作ROM的读信号。,EA/Vpp（ExternalAccess/Vprogrammingpower）它有两种功能：一是作为片内或片外地址的寻址信号，二是作为往片内的EPROM写入程序时的编程脉冲电源的输入端。,34,（4）输入输出接口（32个）,P0(P0.0-P0.7)可作输入或输出，当访问外部寄存器时，它分时复用，既作地址的低8位，又作数据线，常称作总线口。P1(P1.0P1.7)可作输入或输出，是51系列中唯一的单功能静态通用I/O端口。P2(P2.0P2.7)可作输入或输出，当访问外部寄存器时，它作地址的高8位，与P0一起构成完整的16位寻址地址。P3(P3.0P3.7)双功能静态端口。既可以作输入输出，也能作为单片机的控制总线，输出控制信号和接受外设的请求信号。,Pin0:RXDPin1:TXDPin2:INT0