单片机基本原理.ppt

,单片机基本原理,MCS-51系列单片机简介,MCS-51系列单片机的结构原理,MCS-51系列单片机的外部引脚及片外总线,MCS-51单片机的工作方式,重点理解：1.MCS-51系列单片机存储器结构特点2.单片机特殊功能寄存器的作用3.四个并行I/O端口的使用,MCS-51单片机的时序,51子系列的主要特点为：,第2章单片机基本原理,2,MCS-51系列单片机简介,MCS-51系列单片机是美国Intel公司在1980年推出的高性能8位单片机，它包含51和52两个子系列。,8位CPU。片内带振荡器，频率范围1.212MHZ。片内带128字节的数据存储器。片内带4K的程序存储器。程序存储器的寻址空间为64K字节。片外数据存储器的寻址空间为64K字节。128个用户位寻址空间。,21个字节特殊功能寄存器。4个8位的并行I/O接口：P0、P1、P2、P3。,2个16位定时器/计数器2个优先级别的5个中断源。1个全双工的串行I/O接口，可多机通信。111条指令，含乘法指令和除法指令。片内采用单总线结构。有较强的位处理能力。采用单一+5V电源。,52子系列与51子系列相比大部分相同，不同之处在于：片内数据存储器增至256字节；8032芯片不带ROM，8052芯片带8KROM，8752芯片带8KEPROM；有3个16位定时器/计数器；6个中断源。,第2章单片机基本原理,MCS-51系列单片机的结构原理,4,8位的CPU:运算部件和控制部件,内部RAM：共256个单元,内部ROM：4K字节ROM,2个16位的定时/计数器：处理突发事件，及时作出反应。,4个8位的并行I/O口,一个全双工串行口。双机通讯,5个中断源的中断系统,时钟电路：产生时钟脉冲序列,MCS-51系列单片机的中央处理器（CPU）,1运算部件,运算部件以算术逻辑运算单元ALU为核心，包含累加器ACC（简称A）、B寄存器、暂存器、标志寄存器PSW等许多部件，它能实现算术运算、逻辑运算、位运算、数据传输等处理。,标志寄存器PSW是一个8位的寄存器，它用于保存指令执行结果的状态，以供程序查询和判别。,C（PSW.7）：进位标志位。D7有进/借位CY=1，否则CY=0,AC（PSW.6）：辅助进位标志位。低4位向高4位是否有进/借位,F0（PSW.5）：用户标志位。,RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）：寄存器组选择位。,OV（PSW.2）：溢出标志位。补码运算有溢出，结果超过-128127，OV=1，无溢出，OV=0。OV=D7CD6C,P（PSW.0）：奇偶标志位（偶）。若累加器A中1的个数为奇数，则P置位，若累加器A中1的个数为偶数，则P清零。,二控制部件,控制部件是单片机的控制中心，它包括定时和控制电路、指令寄存器、指令译码器、程序计数器PC、堆栈指针SP、数据指针DPTR以及信息传送控制部件等。,它先以振荡信号为基准产生CPU的时序，从ROM中取出指令到指令寄存器，然后在指令译码器中对指令进行译码，产生指令执行所需的各种控制信号，送到单片机内部的各功能部件，指挥各功能部件产生相应的操作，完成对应的功能。,MCS-51系列单片机的存储器结构,主要掌握以下3个问题：MCS-51程序存储器地址空间与操作MCS-51数据存储器地址空间与操作特殊功能寄存器地址空间与操作,MCS-51系列单片机内集成有一定容量的程序存储器和数据存储器。其存储结构特点之一是将程序存储器和数据存储器分开，并有各自的寻址机构和寻址方式，这种结构的单片机称为哈佛结构单片机。,存储器组织与操作,11,在物理上：有4个相互独立的存储空间：片内和片外程序存储器；片内和片外数据存储器增强型单片机中通常还包含有一个片内EEPROM，能为数据的掉电保存提供服务。在逻辑上：有三个彼此独立的地址空间：片内外统一编地址的64KB程序存储器地址间片内128字节数据存储器地址空间（不同型号可以有2561280字节）片内128字节的特殊功能寄存器（SFR）64KB片外数据存储器地址空间,在访问这些不同的逻辑空间的时候，应选用不同形式的指令,一程序存储器,程序存储器用于存放单片机工作时的程序，单片机工作时先由用户编制好的程序和表格常数，把它存放于程序存储器中，然后在控制器的控制下，依次从程序存储器中取出指令送到CPU中执行，实现相应的功能。PC-程序计数器，用来存放要执行指令的地址。能够自动计数，每取出一条指令，内容自动加1，以指向下一条要执行的指令，PC为16位。,对于内部没有ROM的8031和8032，工作时只能扩展外部ROM，最多可扩展64K，地址范围为0000HFFFFH。,对于内部有ROM的芯片，根据情况外部可以扩展ROM，但内部ROM和外部ROM共用64K存储空间，其中，片内程序存储器地址空间和片外程序存储器的低地址空间重叠。51子系列重叠区域为0000H0FFFH，52子系列重叠区域为0000H1FFFH。,1程序存储器的编址与访问,2程序存储器的7个特殊地址,复位后PC内容为0000H,64K程序存储器中有7个地址单元具有特殊功能，用于存放对应中断程序的跳转指令，被称为中断的入口地址。,二数据存储器,从物理结构上分为片内数据存储器和片外数据存储器。,1片内数据存储器,对于51子系列，片内数据存储器RAM有128字节，编址为00H7FH；对于52子系列，片内数据存储器有256字节，编址为00HFFH；除了RAM块外，还有特殊功能寄存器（SFR）块，编址为80HFFH，与52系列RAM后128字节编址重叠的。后者也有128字节，编址为80HFFH。访问时通过不同的指令相区分。,片内数据存储器按功能分成以下几个部分：工作寄存器组区、位寻址区、一般RAM区，其中还包含堆栈区。,当访问内部RAM时，用MOV类指令；当访问外部RAM时，则用MOVX类指令，所以地址重叠不会造成操作混乱。,(1).工作寄存器组区,00H1FH单元为工作寄存器组区，共32个字节。工作寄存器也称为通用寄存器，用于临时寄存8位信息。工作寄存器共有4组，称为0组、1组、2组和3组，每组8个，分别依次用R0R7表示,(2).位寻址区,20H2FH为位寻址区，共16字节，128位。这128位每位都可以按位方式使用，每一位都有一个位地址，位地址范围为00H7FH,(3).一般RAM区,30H7FH是一般RAM区，也称为用户RAM区，共80字节，对于52子系列，一般RAM区从30HFFH单元。另外，对于前两区中未用的单元也可作为用户RAM单元使用。注意：只能进行字节寻址，一般是作为数据缓冲区或堆栈区。,(4).堆栈区与堆栈指针,堆栈是按先入后出、后入先出的原则进行管理的一段存储区域。,在MCS-51单片机中通常指定RAM的一部分作为堆栈。第一个进栈的数据所在的存储单元称为栈底，最后进栈的叫栈顶。堆栈指针SP为一个8位专用寄存器，它指出栈顶在内部RAM中的位置。每存入(或取出)一个字节数据，SP就自动加1(或减1)，SP始终指向新的栈顶。PUSH或POP,系统复位后SP指针初始化为07H。,(5).特殊功能寄存器,特殊功能寄存器反映了MCS-51的状态，实际上是MCS-51的状态字及控制字寄存器。51单片机通过写SFR来控制相应的功能部件（定时器、串口、中断等）的工作方式，同时SFR也综合的、实际的反映了整个单片机系统内部的工作状态。例如，前面提到的PSW程序字寄存器，就是一个特殊功能寄存器。共有21个。,有的SFR可进行位寻址，其字节地址的末位是0H或8H。,2片外数据存储器,扩展的外部数据存储器最多64KB，地址范围为0000H0FFFFH，通过DPTR作指针间接方式访问，对于低端的256字节，可用两位十六进制地址编址，地址范围为00H0FFH，可通过R0和R1间接方式访问。,说明：第一，64K的程序存储器和64K的片外数据存储器地址空间都为0000H0FFFFH，地址空间是重叠的，它们如何区分呢？,第二，片内数据存储器和片外数据存储器的低256字节的地址空间是重叠的，它们如何区分呢？,片外数据存储器的读写通过RD和WR信号来控制。程序存储器的读通过PSEN信号控制。同时两者通过不同的指令来实现访问，片外数据存储器用MOVX，程序存储器用MOVC。,片内用MOV指令，片外用MOVX指令,MCS-5l单片机内有四个8位并行I/O端口，分别记作P0、P1、P2和P3。每个端口都是8位准双向I/O口，共占32根引脚。每个端口都包含一个锁存器、一个输出驱动器和一个输入缓冲器。,MCS-51系列单片机的输入/输出口,24,在无片外扩展存储器的系统中，这四个端口的每一位都可以作为准双向通用I/O端口使用。,在具有片外扩展存储器的系统中：P0口访问外部存储器时分时作为低8位地址/数据总线复用口,P3口的每位还具有第二功能,P2口访问外部存储器时作为高8位地址总线口。,P1口只能作通用I/O接口使用。,1、P0口的位结构与功能,并行I/O接口的内部结构,25,P0口某位的结构图,使用：做系统总线：地址数据分时复用用ALE（地址锁存信号输出端）的下跳沿控制锁存，P0口输出的低8位地址。作I/O口线：读引脚先写“1”,输出锁存器,两个输入缓冲器（BUF1和BUF2）,推拉式I/O驱动器,多路开关,1、功能：用于控制选通I/O方式还是地址/数据输出方式。,2、方式控制：由内部控制信号产生。,2、P1口的位结构与功能,28,并行I/O接口的内部结构,P1口某位的结构图,P1口也是个准双向IO口，与P0口不同的是，没有多路开关MUX和控制电路部分。输出驱动电路只有一个FET场效应管（T2)，同时内部带上拉电阻，此电阻与电源相连。P1口作通用双向IO口用，而不必再外接上拉电阻。,3、P2口的位结构与功能,29,并行I/O接口的内部结构,P2口某位的结构图,P2口在结构上比P0口少了一个输出转换控制部分，多路开关MUX的倒向由CPU命令控制，且P2口内部接有固定的上拉电阻。,P2口既可作为通用I/O口使用，又可作为地址总线口。当P2口用来作通用I/O口时，是一个准双向的I/O口，,4、P3口的位结构与功能,30,并行I/O接口的内部结构,P3口某位的结构图,P3口与Pl口的输出驱动部分及内部上拉电阻相同，但比P1口多了一个第二功能控制部分的逻辑电路,P3口的第二功能P3.0(RXD)：串行输入端。P3.1(TXD)：串行输出端。P3.2(INTO)：外部中断0输入端，低电平有效。P3.3(INT1)：外部中断1输入端，低电平有效。P3.4(T0)：定时计数器0外部事件计数输入端。P3.5(T1)：定时计数器1外部事件计数输入端。P3.6(WR)：外部数据存储器写选通信号，低电平有效。P3.7(RD)：外部数据存储器读选通信号，低电平有效。,控制总线,MCS-51单片机的外部引脚及片外总线,4.电源引脚：Vcc(40脚)：接+5V；Vss(20脚)：接地。,32,3.时钟信号引脚：XTALl(19脚)，XTAL2(18脚)：外部时钟信号的两个引脚。,2.控制线ALE/PROG(30脚):地址锁存信号RST/Vpd(9脚):复位（掉电保护端）,晶振工作时该引脚出现2个机器周期的高电平复位CPUPSEN(29脚):外部程序存储器读选通：低电平有效EA/VPP(31脚):访问内部或外部程序存储器的选择（低电平-片外；高电平或悬空-片内）,1.输入/输出口线:P0口（32-39脚）P1口（1-8脚）P2口（21-28脚）P3口（10-17脚）,MCS-5l单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTALl和XTAL2分别是反相放大器的输入端和输出端，通常，经由片外晶体振荡器或陶瓷谐振器与两个匹配电容一起构成了一个自激振荡电路。,33,内部时钟方式,CHMOS外部时钟方式,时钟电路,复位是单片机的初始化操作，其作用是使CPU和系统中其它部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。MCS-5l的RST/VPD引脚是复位输入引脚，在RST端变为高电平的第二个机器周期执行内部复位。,MCS-51单片机的工作方式,MCS-51单片机的复位电路一般有上电复位和按键复位两种形式，如下图所示：,上电复位电路,按键上电复位电路,1、复位方式,2、程序执行方式,由于系统复位后，PC指针总是指向0000H，程序总是从0000H开始执行，而从0003H到0032H又是中断服务程序，因而，用户程序一般放在从0100H开始的区域。通过转移指令来执行。,3、单步执行方式,所谓单步执行，是指在外部单步脉冲的作用下，使单片机一个单步脉冲执行一条指令后就暂停下来，再一个单步脉冲再执行一条指令后又暂停下来。它通常用于调试程序、跟踪程序执行和了解程序执行过程。,单片机没有单步执行中断，MCS-51单片机的单步执行也要利用中断系统完成。MCS-51的中断系统规定，从中断服务程序中返回之后，至少要再执行一条指令，才能重新进入中断。,将外部脉冲加到INT0引脚，平时让它为低电平，通过编程规定INT0为电平触发。那么，不来脉冲时INT0总处于响应中断的状态。在INT0的中断服务程序中安排下面的指令：PAUSE0：JNBP3.2，PAUSE0；若INT0=0，不往下执行PAUSE1：JBP3.2，PAUSE1；若INT0=1，不往下执行RETI；返回主程序执行下一条指令,4、掉电和节电方式,一HMOS单片机的掉电方式,HMOS芯片本身运行功耗较大，这类芯片没有设置低功耗运行方式。为了减小系统的功耗，设置了掉电方式，RST/Vpd端接有备用电源，