第二章单片机硬件结构

第2章8051单片机的硬件结构,8051单片机的硬件结构熟悉并掌握硬件结构对于应用设计者是十分重要的，因为它是单片机应用系统设计的基础。,2.1MCS-51的硬件结构2.2MCS-51的引脚2.3MCS-51的CPU2.4MCS-51的存储器的结构2.5并行I/O端口的结构与操作2.6时钟电路与时序2.7复位操作和复位电路,硬件结构,2.18051单片机的内部硬件结构,中央处理器CPU：8位，运算和控制功能,内部RAM：共256个RAM单元，用户使用前128个单元，用于存放可读写数据，后128个单元被专用寄存器占用。,内部ROM：4KB掩膜ROM，用于存放程序、原始数据和表格。,定时/计数器：两个16位的定时/计数器，实现定时或计数功能。,并行I/O口：4个8位的I/O口P0、P1、P2、P3。,串行口：一个全双工串行口。,中断控制系统：5个中断源（外部中断2个，定时/计数中断2个，串行中断1个）,特殊功能寄存器（SFR）：控制寄存器和状态寄存器，共21个。,1、微处理器(CPU)2、数据存储器(RAM)3、程序存储器(ROM/EPROM)如为掩膜ROM，则为8051单片机；如为EPROM，则为875l单片机；如无程序存储器，则为8031单片机。4、I/O口(P0口、P1口、P2口、P3口)5、串行口6、定时器/计数器7、中断系统8、特殊功能寄存器(SFR)。,8051单片机,2.28051的引脚,掌握8051单片机,熟悉并牢记各引脚的功能，采用40只引脚双列直插封装（DIP封装方式）采用44只引脚方形PLCC封装方式,40只引脚按其功能来分，可分为三个部分：,三I/O口引脚：P0、P1、P2、P3,一电源及时钟引脚：VCC、VSS、XTAL1、XTAL2,本课程介绍DIP40封装方式的引脚。,P1口：8位既可以8位一起输入输出，也可以1位1位地输入输出,P0口：8位既可以8位一起输入输出，也可以1位1位地输入输出。在扩展外部存储器兼作低8位地址。,P2口：8位既可以8位一起输入输出，也可以1位1位地输入输出。在扩展外部存储器兼作高8位地址。,P3口：8位既可以8位一起输入输出，也可以位1位地输入输出，同时，P3口作为第二功能时：RXD：串行接收TXD：串行发送INT0：外部中断0INT1：外部中断1T0：T0计数输入T1：T1计数输入WR：写命令RD：读命令,单片机复位信号输入,电源,电源地,XTAL1、XTAL2晶体振荡器接入端,存储器选择：高电平时访问片内程序存储器;低电平时访问片外程序存储器,用于锁存地址的低位字节（高有效）,外部程序存储器的选通信号低有效,2.2.1、电源及时钟引脚:,Vcc：接5V电源（低功耗的为+3.3V/2.7V）Vss：接地端,XTAL1：芯片内部振荡电路输入端XTAL2：芯片内部振荡电路输出端振荡频率为晶振频率（1.212MHz），另外需两个30pF左右的电容以微调频率,2外接晶振引脚,10,晶振：石英晶体振荡器的简称，通常用来构成振荡电路，产生各种频率信号。,时钟电路,11,注意：时钟电路振荡频率fosc=晶振频率时钟电路振荡周期=1/fosc单片机机器周期=振荡周期12,例如：晶振频率=12MHz振荡频率=12MHz振荡周期=1/12s机器周期=1s,2.2.2控制引脚,1.RST/VPD：(9脚)RST：复位引脚功能：当出现2个机器周期以上的高电平，使单片机复位。复位后：PC=0000HSP=07HVPD：当VCC掉电时，可以接备用电源，保持数据不丢失。,上电自动复位,按钮手动复位,上电加按钮手动复位,ALE：地址锁存允许信号端功能：将低八位地址锁存到外部地址锁存器当中。P0口时既输出数据，又输出地址。ALE接锁存器的G引脚,将地址锁存.PROG：第二功能，对EPROM型单片机编程写入时，此引脚为编程脉冲的输入端,/PSEN:外部程序存储器读选通信号端；功能:编程时，从该引脚输入编程脉冲，对程序存储器进行编程。,EA/VPP：程序存储器选择信号端和编程电源输入端；EA=0:只访问片外程序存储器；EA=1:先访问片内程序存储器再片外;Vpp用于施加较高的编程电压,P0口作普通I/O8位准双向I/O扩展片外RAM或ROM标准的双向I/O接口,P1口仅用作I/O8位准双向I/O接口输入时，先写“1”,P2口作普通I/O8位准双向I/O接口输入时，先写“1”扩展片外RAM或ROM作高8位地址线,P3口8位准双向I/O接口输入时，先写“1”每个引脚有第二功能（多使用第二功能）,MCS-51配有2个16位定时器/计数器一个可编程全双工串行口5个中断源，两个中断优先级,P3口第二功能表,引脚总图三总线,MCS51的总线,数据总线(8位)P0地址总线(16位)A0A7：P0（经地址锁存器）A8A15：P2外部存储单元直接寻址范围：控制总线P3口的第二功能状态4根独立控制线RST、ALE、/EA和/PSEN,64KB(216B),P0（经地址锁存器）,P2,2.3MCS-51的CPU,中央处理器（CPU：CentralProcessingUnit）是单片机的核心部件，它决定了单片机的主要功能特性。,算术逻辑运算单元ALU功能：1、算术、逻辑运算2、位变量处理（1位二进制）3、数据的传送,2.3.1、运算器：,是在控制器控制下，对二进制数进行算术或逻辑运算及信息传送的装置。,算术逻辑单元ALU累加器A寄存器B程序状态字寄存器PSW及它逻辑电路组成。,累加器A（0E0H）累加器A是一个最常用的的寄存器，它属于SFR大部分单操作数指令的操作数取自累加器，很多双操作数指令的一个操作数取自累加器，加、减、乘、除算术运算指令的运算结果都存放在累加器A或B寄存器中。,寄存器B（0F0H）在乘、除指令中，用到了寄存器B。乘法指令的两个操作数分别取自A和B，其结果存放在AB寄存器对中。除法指令中，被除数取自A，除数取自B，运算后商数存放于A，余数存放于B。,程序状态字寄存器PSW（0D0H）,PSW是一个8位寄存器，它包含了程序运行中状态信息,Cy(PSW.7)进位标志位在执行算术和逻辑指令时，可以被硬件或软件置位或清0，在位处理器中，它可作位累加器。,辅助进位标志位,F0(PSW.5)标志位它是由用户使用的一个状态标志位，可用软件来使它置位或清0，也可以靠软件测试F0以控制程序的流向。编程时，该标志位特别有用。,RS1、RS0工作寄存器区选择用来选择4组工作寄存器区(4组寄存器在单片机内的RAM区中)中的哪一组为当前工作寄存器区,溢出标志位,奇偶标志位表示累加器A中值为l的位数的奇偶数。若为奇数，则Pl，否则P0。此标志位对串行口通讯中的数据传输有重要的意义，常用奇偶检验的方法来检验数据传输的可靠性。,时序控制逻辑电路构成。以主频为基准，发出CPU时序，通过指令译码发出各种控制信号，完成一系列控制操作。b,CPU的组成部件：,2.3.2控制器,发布操作命令的机构主要任务取出指令、分析指令、执行指令。,程序计数器（PC）指令寄存器（IR）指令译码器（ID）条件转移逻辑电路时序控制逻辑电路,1.程序计数器PC(ProgramCounter),16位的专用寄存器，用来存放下一条指令的地址，它具有自动加1的功能。,1.CPU要取指令时，PC的内容首先送至地址总线上，然后再从该地址的存储单元中取指令2.取完指令后，PC内容则自动加1，指向下一条指令的地址，以保证程序按顺序执行。,执行转移、子程序调用指令和中断响应时PC的内容不再加1，而是由指令或中断响应过程自动给PC置入新的地址。单片机复位时，PC自动清零，装入地址0000H，从而保证了复位后，程序从0000H地址开始执行。,2.指令寄存器IR、指令译码器ID,一个8位的寄存器，用于暂存待执行的指令，等待译码。,对指令寄存器中的指令进行译码将指令转变为执行此指令所需要的电信号完成指令的功能。,2.4存储器,存储器空间存放程序、数据存储器空间分类根据作用分类程序存储器ROM、数据存储器RAM根据位置分类片内存储器、片外存储器,核内=片内核外=片外,存储器编址方法,2种冯.诺依曼结构程序存储器和数据存储器统一编址哈佛结构程序存储器和数据存储器分别编址,MCS-51系列单片机,程序存储器(ROM)和数据存储器(RAM)寻址空间相互独立，物理结构不相同,数据存储器：片外、片内,PC机,片外ROM扩展最多64K片外ROM根据EA引脚状态地址：0000H0FFFFH或者1000H（2000H）FFFFH,片外RAM扩展地址：0000H0FFFFH,程序存储器配置图,程序存储器配置图,数据存储器配置图,指令使用MOV、MOVX、MOVC三个不同的指令控制引脚片外ROM：控制信号/PSEN片外RAM：控制信号/RD、/WR/EA引脚接地，从片外ROM开始0000H0FFFH位于片外ROM/EA引脚接高电平，从片内ROM开始0000H0FFFH位于片内ROM注意ROM和片外RAM一定要用16位地址片内RAM和SFR，只能使用8位地址52子系列高128B普通RAM，只可采用间接寻址,区分存储器空间的方法,存放程序和常数（如：原始数据或表格）MCS-51对外程序存储器寻址能力：64KB（216B）,2.4.1程序存储器(ROM),中断向量表,中断入口地址处,复位时，PC=0000H，从该处执行程序中断向量表（中断向量）0003H002BH：中断服务程序入口存放一条无条件转移指令进行跳转不要占用ORG0000HLJMPMAIN;只写一条跳转指令ORG0030H;开始写主程序MAIN：,2.4.2数据存储器(RAM)(1)数据存储器的配置,片内数据存储器,片外数据存储器,MOVX指令,MOV指令,工作寄存器区,在任何时刻CPU只能使用其中一个区（当前寄存器组）,2.4.4位地址空间,20H2FH，共16个单元，128位。为布尔处理区各有自己的位地址，统一编址为00H7FH（1个地址代表1位）既可以字节寻址，也可以位寻址有17条位操作指令，常用：置位（SETB）、清零（CLR）、取反（CPL）,2.4.3特殊功能寄存器,组成通用数据RAM区51子系列无该区特殊功能寄存器SFR区别的方法访问通用数据RAM区，用寄存器间接寻址MOVA，R0访问特殊功能寄存器，用直接寻址MOVA，80H,SFR地址表(1),SFR地址表(2),SFR地址表(3),特殊功能寄存器位地址,B,ACC,PSW,IP,IE,P2,P3,SCON,P1,TCON,P0,字节地址能被8整除,堆栈指针SP,堆栈：先入后出，后入先出,两种类型的堆栈,堆栈是在片内RAM中临时开辟的暂存区；作用：保护现场、保护断点针对：子程序调用、中断操作特点：先进后出，后进先出指令：入栈PUSH，出栈POPPUSH和POP都是对堆栈的栈顶单元进行的栈顶SP始终指向最后压入或即将弹出的数据单元，即栈顶SP为一个8位寄存器，它的内容是栈顶存储单元的地址,单片机复位时SP=07H，此时SP指向栈顶，堆栈正落在工作寄存器R1区切换工作寄存器区时冲突一般设置：SP=30H或以上SP不能在RAM的顶端为堆栈向上发展留足够空间,数据指针DPTR,16位高位：DPH，8位低位：DPL，8位主要用途访问外部数据存储器时，作地址指针保存16位地址，有+1功能（INC）寄存器间址寻址、变址寻址,I/O端口P0P3,8位锁存器寄存器B,为执行乘法和除法操作设置的不执行乘除法操作，可把它作为普通的寄存器来使用,串行通信相关寄存器,SBUF（SerialDateBuffer）串行数据缓冲器放待发送和已接收数据的，双缓冲结构SCON（SerialControlRegister）串行接口控制寄存器PCON（PowerControlRegister）电源控制寄存器,定时器/计数器,16位：T0：TH0、TL0T1：TH1、TL1,定时器模式控制寄存器，确定T1和T0的功能和工作方式,定时器控制寄存器，控制T1和T0的启动和停止,作定时/计数器可16位数加“1”(INC),其他情况作8位寄存器,程序计数器PC,程序地址寄存器，不属于特殊功能寄存器程序不能访问16位，范围：0000H0FFFFH当一条指令被取出后，PC的内容会自动增量，指向下一条要执行指令的地址,中断相关寄存器,IP（InterruptPriorityRegister）中断优先级寄存器IE（InterruptEnableRegister）中断允许寄存器,2.5并行I/O端口的结构与操作,4个8位并行I/O口，32根I/O引脚端口的每一位均由锁存器、输出驱动器和输入缓冲器所组成扩展时P0口地址/数据总线，分时输出：低8位地址；传送：8位数据P2口高8位地址总线,P3口：第二功能,2.5.1P0口结构,P0口是由8个相同结构的引脚组成的。内部包含一个输出锁存器、一个输出驱动电路、一个输出控制电路、多路开关和两个三态缓冲器，其中输出驱动电路由一对场效应管（FET）组成，整个端口的工作状态受控于输出控制电路。,功能1、可作为8位双向I/O口功能2、扩展外部总线时作为地址总线低8位和8位数据总线复用口使用。,P0口,引脚P0.X,P0口用作基本输出/输入口使用时,P0口,P0口用作地址/数据总线使用时,“控制”=0,作I/O口；,“控制”=1,作地址/数据口；（外部扩展）,0,0,截止,截止,写1,1,输出地址/数据=0时,输出地址/数据=1时,P0口,P0口作为地址/数据总线使用（外部扩展）输入情况,高阻状态：,截止,截止,=0,输入指令时，引脚的状态与地址/数据总线的地址相同,转换开关MUX打向下面，控制端=0并自动向P0写入=0FFH,P0口作为地址/数据总线使用,具有高阻抗输入的I/O口具有高电平、低电平和高阻抗3种状态。因此，P0口作为地址/数据总线使用时是一个真正的双向端口，简称双向口。,P0口作为一般I/O口使用,0,0,截止,P0口输出：,例:P0=0 x55,0,0,1,导通,0,1,1,0,截止,1,P0口用作输入：,P0口作为一般I/O口使用,0,0,截止,key_in=P0,?,若T2导通；P0.X始终为低电平,不能输入1。因此，在P0口作输入口使用前必须先置1。,作普通I/O8位准双向I/O需要输出高电平时，要接上拉电阻输入时，先写“1”扩展片外RAM或ROM标准的双向I/O接口分时复用，作低8位地址线和8位双向数据总线,P1口仅用作I/O自带上拉电阻，8位准双向I/O接口输入时，先写“1”,P1口内部一位结构图,P2口作普通I/O自带上拉电阻，8位准双向I/O接口输入时，先写“1”扩展片外RAM或ROM作高8位地址线,P2口内部一位结构图,P3口,自带上拉电阻，8位准双向I/O接口输入时，先写“1”每个引脚有第二功能（多使用第二功能）,1,对于口线为通用I/O口方式,作第二功能输出时，内部D自动给1,1,P3口线为第二功能使用,1,1,WD,RD,作第二功能输入时，内部D自动给1，第二输出功能自动给1,1,P3口线为第二功能使用,1,1,此端自动给1,1,RxD，T0，T1，INT0，INT1,有4个8位并行I/O口,共32条端线：P0、P1、P2和P3口。每一个I/O口都能用作一般输入或输出。用作一般输入时，均须先写入“1”；用作一般输出时，P0口应外接上拉电阻。在并行扩展外存储器或I/O口情况下，P0口用于低8位地址总线和数据总线(分时复用)P2口用于高8位地址总线，P3口常用于第二功能，,P0P3的功能及使用时的注意事项,2.6时钟电路与指令的时序,1.时钟电路内部振荡电路,晶振,外部振荡电路,时序发生器框