【大学】单片机的基本结构ppt课件

1、第二章第二章 89C5189C51单片机硬件构造和原理单片机硬件构造和原理第一节第一节 MCS-51MCS-51单片机的性能及构造单片机的性能及构造 MCS-51系列单片机无论是片内RAM容量、I/O口功能、系统扩展才干、指令系统、引脚等都根本一样。在制造技术上，MCS-51系列单片机按两种工艺消费。一种是HMOS工艺，即高密度短沟道 MOS工艺。另一种是CHMOS工艺，即互补金属氧化物的HMOS工艺消费 1一个8位微处置器CPU2256B RAM和SFR34KB Flash ROM4两个16位定时/计数器5四个8位可编程的I/O输入/输出并行端口6一个全双工，用于数据的串行通讯7具有5个中断

2、源,2个中断优先级的中断控制系统一一 根本组成根本组成: :89C51单片机构造功能框图 1中央处置器CPU1运算器 包括一个可进展8位算术运算和逻辑运算的ALU单元，8位的暂存器TMP1和暂存器TMP2，8位累加器ACC，8位存放器B和程序形状存放器PSW。 2控制器 包括程序计数器PC、指令存放器IR、指令译码器ID、振荡和定时电路等部分。 2存储器 1程序存储器ROM 89C51及8751片内均有4KB字节容量的程序存储器，地址0000H开场，用于存放程序和表格常数，8031片内无ROM，运用时要进展片外扩展。 二二 内部构造内部构造2数据存储器RAM 89C51/8031/8751片内

3、数据存储器均为128B，地址为00H7FH，用于存放运算的中间结果、数据暂存及数据缓冲等。 3I/O接口 89C51有四个8位并行接口，即P0P3，它们是双向端口，可用于输入也可用于输出，每个端口各有8条I/O口线。 图2-2 MCS-51芯片内部构造框图通道0驱动器通道2驱动器RAM地址锁存器RAM通道0锁存器通 道 2 锁存器ROM/EPROMB存放器程序地址存放器缓冲器PC递增器程序计数器PCDPTR指针VCCGNDP1.0P1.7堆栈指针SPACCTMP2PSW通道3锁存器通道1锁存器通道1驱动器通道3驱动器TMP1SCON TMODPCONTCONTL0TH1TH0TL1IESBUF

4、(TX/RX)IP中断、串行口和定时器逻辑振荡器P3.0P3.7RSTEAALEPSENXTAL2XTAL1ALU(+5V)指令存放器定时和控制逻辑指令译码器P 0 . 0 P0.7P2.0P2.7P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/VPDRXD/P3.0TXD/P3.1INT0/P3.2INT1/P3.3T0/P3.4T1/P3.5WR/P3.6RD/P3.7XTAL2XTAL1VSS12345678910111213141516171819208031805187514039383736353433323130292827262521222324VCCP

5、0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VppALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0MCS-51MCS-51单片机的引脚配置图单片机的引脚配置图控制信号引脚控制信号引脚 1 1RST/VPDRST/VPD9 9脚复位信号脚复位信号 RSTRST是复位信号输入端，高电平有效。时是复位信号输入端，高电平有效。时钟电路任务后，在此引脚上延续出现两个机器钟电路任务后，在此引脚上延续出现两个机器周期的高电平，就可以完成复位操作。同一引周期的高电平，就可以完成复位操作。同一引脚的脚的VPDVPD是备用电源输入端即是备用电源输入端

6、即VPDVPD接接+5V+5V备用备用电源。在电源。在VCCVCC掉电时，为保证掉电时，为保证RAMRAM中的信息不中的信息不丧失，可运用此引脚完成掉电维护功能。丧失，可运用此引脚完成掉电维护功能。2 2ALE/ (30ALE/ (30脚地址锁存信号脚地址锁存信号 当当CPUCPU访问片外存储器时，访问片外存储器时，ALEALE用于锁存用于锁存P0P0口输出的低口输出的低8 8位地址信息到片外地址锁存器。位地址信息到片外地址锁存器。之后，之后，P0P0口作地址口作地址/ /数据复用口，数据复用口，P0P0口的信息口的信息终究是地址还是数据完全由终究是地址还是数据完全由ALEALE来判别，来判别

7、，ALEALE高高电平期间，电平期间，P0P0口出现的是地址信息，口出现的是地址信息，ALEALE下降下降沿到来时，沿到来时，P0P0口上的地址信息被锁存，在口上的地址信息被锁存，在ALEALE低电平期间低电平期间P0P0口上出现指令和数据信息。口上出现指令和数据信息。 PROG 此引脚的第二功能是对片内带有4K EPROM的89c51编写固化程序时，作为编程脉冲输入端。 3 29脚：片外程序存储器读选通讯号。 低电平有效。89c51在访问片外程序存储器时，此引脚端输出负脉冲作为读片外程序存储器的选通讯号。4 /VPP31脚：内部和外部程序存储器选择信号 高电平: CPU先访问片内4KEPRO

8、M/ROM，执行内部程序存储器中的指令，但在程序计数器超越0FFFH时即地址大于4KB时，将自动转向执行片外大于4KB程序存储器内的程序。 低电平接地:CPU只访问外部程序存储器. 此引脚的第二功能VPP，在对EPROM编程固化程序时，需施加21V编程电压。 PSENEAI/OI/O输入输入/ /输出端口输出端口 MCS-51MCS-51单片机有单片机有4 4个双向并行的个双向并行的8 8位位I/OI/O口口P0P0P3P3，P0P0口为三态双向口，可驱动口为三态双向口，可驱动8 8个个TTLTTL电路，电路，P1P1、P2P2、P3P3口为口为准双向口作为输入时，口线被拉成高电平，准双向口作

9、为输入时，口线被拉成高电平，故称为准故称为准双向口，其负载才干为双向口，其负载才干为4 4个个TTLTTL电路。电路。1)P0口P0.0P0.7，占3932脚 P0口为三态双向口，图2-4是P0口的某一位的构造图。它包括一个输出锁存器、两个三态输入缓冲器，一个输出驱动电路和一个输出控制端。 1.P01.P0口作为普通口作为普通I/OI/O口运用口运用 C=0C=0 无外扩存储器无外扩存储器 输入口用时，应先向锁存器写入输入口用时，应先向锁存器写入“1 1，使，使 =0 =0，由于，由于控制线为控制线为“0 0，因此，因此T1T1与与T2T2全截止，引脚处于高阻抗输入形状，以全截止，引脚处于高阻

10、抗输入形状，以防止由于防止由于T1T1并接在引脚上，并接在引脚上，T1T1的导通误将高电平拉成低电平而误读。的导通误将高电平拉成低电平而误读。当当CPUCPU读端口读端口数据时，数据时，“读引脚信号有效，翻开三态缓冲器，端口数读引脚信号有效，翻开三态缓冲器，端口数据经缓冲器据经缓冲器读入内部总线。读入内部总线。P0P0口作为地址口作为地址/ /数据总线运用数据总线运用C=1C=1 访问外扩存储器访问外扩存储器 1) 1)低低8 8位地址位地址/ /数据总线：数据总线： 2 2输入口：输入口：总结总结:(1):(1)当当P0P0作为输出时，输出级漏极，必需外接作为输出时，输出级漏极，必需外接10

11、K10K欧欧的电阻，才的电阻，才 能有高电平输出；能有高电平输出； (2) (2)当当P0P0作为输入时，必需先向锁存器写作为输入时，必需先向锁存器写1 1，使，使FET2FET2截至；截至； (3) (3)当当P0P0作为地址作为地址/ /数据总线时，就无法在用作数据总线时，就无法在用作I/0I/0口口运用。运用。 Q2)P1口P1.0P1.7，占18脚 P1口是一个准双向I/O口，某一位构造如图2-5所示。P1口在构造上与P0口的区别是：没有多路开关MUX和控制电路部分，输入驱动电路与P0也不一样，只需一个场效应管，上拉电阻与电源相连。P1口位构造原理图 3)P2口P2.0P2.7，占21

12、28脚 图2-6是P2口的位构造图。P2口的位构造中上拉电阻的构造与P1口一样，但P2口比P1口多了一个输出控制部分，所以P2口还能用作高8位地址输出。P2口位构造原理图 4)P3口P3.0P3.7，占1017引脚 P3口是一个多功能端口，图2-7是P3口位构造图，与P1口构造对比，P3口与P1口的差别是多了一个与非门和缓冲器3，正式由于有了这两部分，使得P3口除了具有P1口的双向I/O功能之外，还可以使P3口的各引脚具有第二功能。 P3口位构造原理图 P3口8位口线第二功能 综上所述，MCS-51单片机很容易将I/O口线及管脚组成传统微机系统的三总线构造，运用和系统扩展都很方便。如图2-11

13、所示为系统组成的三总线接线图，图中，A0A15为16位地址总线，可用于扩展64KB的外部程序存储器和64KB的外部数据存储器。P0口作地址/数据复用口，访问外部存储器时，由ALE的下降沿将P0.0P0.7端口上的低8位地址信号锁存到地址锁存器中，P2口的P2.0P2.7送出系统地址的高八位A8A15，从而构成16位地址总线。D0D7构成数据总线，在访问外部程序存储器时， 有效低电平，P0口作数据总线出现指令信号；在访问外部数据存储器时， 或 信号有效时，P0口上出现数据信号。其他是12条控制信号组成的控制总线。PSENWRRD一、存储器配置一、存储器配置89C5189C51单片机的存储器从物理

14、上分四个存储空间：单片机的存储器从物理上分四个存储空间：片内程序存储器、片外程序存储器、片内数据片内程序存储器、片外程序存储器、片内数据存储器、片外数据存储器存储器、片外数据存储器 。从用户的角度思索，从用户的角度思索， 89C5189C51单片机的存储器又可单片机的存储器又可分三个逻辑空间：片内、片外一致遍址的分三个逻辑空间：片内、片外一致遍址的64KB64KB0000H0000HFFFFHFFFFH程序存储器地址空间运用程序存储器地址空间运用1616位地址线，位地址线，256B256B的片内数据存储器地址空的片内数据存储器地址空间间00H00HFFHFFH，其中，其中80H80HFFHFF

15、H内仅有二十几内仅有二十几个字节单元供特殊功能存放器公用，片外可个字节单元供特殊功能存放器公用，片外可扩展的扩展的64KB64KB0000H0000HFFFFHFFFFH数据存储器地址数据存储器地址空间运用空间运用1616位地址线。位地址线。第二节第二节 单片机的存储器构造单片机的存储器构造这三个存储器空间地址是重叠的， 89C51的指令系统为区别这几个空间，有针对性地设置了这三个地址空间的数据传送指令：CPU访问片内RAM用MOV指令，访问片内、片外程序存储器用MOVC指令，访问片外数据存储器用MOVX指令。MOVMOVMOVCMOVCMOVXMOVX二、二、MCS-51MCS-51程序存储

16、器地址空间程序存储器地址空间 ( (一一) )程序存储器的分类程序存储器的分类 1.1.掩膜掩膜ROM :ROM :在制造时由消费厂家根据用户在制造时由消费厂家根据用户需求需求2.PROM:2.PROM:由用户编程由用户编程,PROM,PROM出厂时为熔丝断出厂时为熔丝断裂型，编程输入时，对需求写裂型，编程输入时，对需求写1 1的单元经的单元经过大电流熔断其熔丝，丝断后不可再恢过大电流熔断其熔丝，丝断后不可再恢复，故只能写入一次复，故只能写入一次 3. EPROM: 3. EPROM: 一种可多次写入的一种可多次写入的ROMROM。当芯片。当芯片在紫外线照射时，入射光子驱散在紫外线照射时，入射

17、光子驱散EPROMEPROM中中的电子，将原来存储的电荷信息擦除，的电子，将原来存储的电荷信息擦除，EPROMEPROM所存信息被擦除。当再次运用时，所存信息被擦除。当再次运用时，可重新写入新内容。可重新写入新内容。4. E2PROM :4. E2PROM :可电檫除可电檫除二程序存储器的运用二程序存储器的运用 MCS-51 MCS-51系列单片机上电复位后，程序计数器指针系列单片机上电复位后，程序计数器指针PCPC为为0000H0000H，故，故CPUCPU总是从总是从0000H0000H开场执行程序，假设用户编开场执行程序，假设用户编写写的主程序或初始化程序不从此地址开场，那么应在的主程序

18、或初始化程序不从此地址开场，那么应在0000H0000H单单元内存放一条绝对跳转指令，将元内存放一条绝对跳转指令，将PCPC转向主程序或初始化转向主程序或初始化程序的入口地址。程序的入口地址。 例如例如: : ORG 0000H ORG 0000H START:SJMP START:SJMP MAINMAIN ORG ORG 0040H0040H MAIN:MOV MAIN:MOV P1,#00H P1,#00H RET RET END END三、三、MCS-51MCS-51数据存储器地址空间数据存储器地址空间 一分类一分类 : : 1 1SRAM :SRAM :其存储电路以双稳态触发器其存储

19、电路以双稳态触发器为根底，其优点是形状稳定，只需不掉为根底，其优点是形状稳定，只需不掉电，信息不会丧失，不需求刷新电路；电，信息不会丧失，不需求刷新电路；缺陷是集成度低。缺陷是集成度低。 2 2DRAM :DRAM :其存储单元以电容为根底，其存储单元以电容为根底，电路简单，集成度高。但存在电容中电电路简单，集成度高。但存在电容中电荷由于漏电会逐渐丧失的问题，需定时荷由于漏电会逐渐丧失的问题，需定时刷新。它适于大存储容量的计算机，常刷新。它适于大存储容量的计算机，常说的内存条就是由说的内存条就是由DRAMDRAM组成。组成。3 3非易失非易失RAMRAM或掉电自维护或掉电自维护RAM:RAM:

20、二二MCS-51MCS-51单片机的数据存储器单片机的数据存储器 片内片内: 00H: 00HFFH,FFH,用用MOVMOV指令访问指令访问 片外片外:0000H:0000HFFFFH,FFFFH,用用MOVXMOVX指令访问指令访问1.1.片内片内RAMRAM低低128128字节区域字节区域 ( 00H( 00H7FH ) 7FH ) 真正真正RAMRAM区区工作寄存组RS1、RS0的状态R0R7占用的地址单元00 000H07H10 108H0FH21 010H17H31 118H1FH(1)任务存放组区(00H-1FH)8051内部数据存储器地址空间 2位寻址区 RAM位寻址区地址分配

21、 (20H -2FH)字节地址位 地 址 D7D7D6D6D5D5D4D4D3D3D2D2D1D1D0D02FH7FH7EH7DH7CH7BH7AH79H78H2EH77H76H75H74H73H72H71H70H2DH6FH6EH6DH6CH6BH6AH69H68H2CH67H66H65H64H63H62H61H60H2BH5FH5EH5DH5CH5BH5AH59H58H2AH57H56H55H54H53H52H51H50H29H4FH4EH4DH4CH4BH4AH49H48H28H47H46H45H44H43H42H41H40H字节地址位 地 址 D7D7D6D6D5D5D4D4D3D3D

22、2D2D1D1D0D027H3FH3EH3DH3CH3BH3AH39H38H26H37H36H35H34H33H32H31H30H25H2FH2EH2DH2CH2BH2AH29H28H24H27H26H25H24H23H22H21H20H23H1FH1EH1DH1CH1BH1AH19H18H22H17H16H15H14H13H12H11H10H21H0FH0EH0DH0CH0BH0AH09H08H20H07H06H05H04H03H02H01H00H3用户RAM区 (30H7FH 共80个单元): 也称为数据堆栈缓冲区,该区域主要用于存放用户数据或作堆栈区运用。2. 片内特殊功能存放器SFR

23、(80H - FFH 高128字节)符 号 名 称 地址 * ACC累加器E0H* BB寄存器F0H* PSW程序状态字D0HSP堆栈指针81HDPTRDPH83HDPL82H * P0P0口锁存器80H* P1P1口锁存器90H* P2P2口锁存器A0H* P3P3口锁存器B0H* IP中断优先级控制寄存器B8H符 号 名 称 地址 * IE中断允许控制寄存器A8HTMOD定时/计数器状态寄存器89H* TCON定时/计数器控制寄存器88HTH0T/C0高字节8CHTL0T/C0低字节8AHTH1T/C1高字节8DHTL1T/C1低字节8BH* SCON串行口控制寄存器98HSBUF串行数据

24、缓冲器99HPCON电源控制寄存器97H注：表中带*号者既可按位寻址，也可按字节寻址 三部分特殊功能存放器简介三部分特殊功能存放器简介1 1、累加器、累加器ACC ACC 2 2存放器存放器B: B: 完成乘法和除法运算完成乘法和除法运算. .此外，此外，B B也可作也可作暂存结果的通用存放器。暂存结果的通用存放器。3 3程序形状字存放器程序形状字存放器PSW: 8PSW: 8位特殊功能存放器，用位特殊功能存放器，用于存放程序的形状和指令的执行形状，供程序查询于存放程序的形状和指令的执行形状，供程序查询和判别用和判别用 。D7D7D6D6D5D5D4D4D3D3D2D2D1D1D0D0CYAC

25、F0RS1RS0OV未用PCY：进位标志位。在执行加、减法指令时，假设运算结 果的最高位D7位有进位或借位，CY位被置“1 否那么清“0。AC：半进位标志位。在执行加、减法指令时，其低半字节 向高半字节有进位或借位时D3位向D4位，AC位被 置“1，否那么清“0。 F0：用户自定义标志位。 RS1和RS0：任务存放器组选择位。 OV：溢出标志位。在补码运算，当运算结果超出-128+127的范围时溢出，OV位被置“1，无溢出，OV位为“0。 P：奇偶校验标志位。每条指令执行终了，A中有奇数个1，那么P=1，否那么P=0。4堆栈指针SP: 8位的特殊功能存放器，用于指出堆栈栈顶的地址。数据被压入堆

26、栈，SP自动加1，数据从堆栈中弹出，SP自动减1。系统复位时由硬件使SP=07H。堆栈深度为128个字节。5数据指针DPTR: 16位的特殊功能存放器 对64KB片外RAM寻址时，DPTR可以作间地址存放器运用，执行MOVX A,DPTR指令或MOVX DPTR,A指令。 在访问程序存储器时，DPTR作基址，执行MOVC A,A+DPTR指令，以读取程序存储器内存放的表格常数。 6程序计数器PC: 不可寻址程序计数器PC是一个16位公用计数器，在物理构造上是独立的，不属于特殊功能存放器SFR。 PC用于存放CPU下一条要执行指令的地址，即程序存储器地址。PC本身是没有地址的，是不可以寻址的，因

27、此用户不能对它进展读写操作，但可以经过转移、调用、前往等指令改动其内容，从而实现程序的转移。PC的寻址范围为64KB。第三节第三节 单片机的任务方式单片机的任务方式一、单片机的时序一、单片机的时序 任务方式任务方式: : 采用采用“存储程序的方式，事先把程序加载存储程序的方式，事先把程序加载到计算机的存储器中，到计算机的存储器中，CPUCPU按程序中的指令一条一条地按程序中的指令一条一条地执行。执行。1. 时钟电路时钟电路 a 内部时钟电路； b 外部振荡源 1振荡周期：为单片机提供时钟信号的振荡源的周期。2时钟周期：是振荡源信号经二分频后构成的时钟脉冲信号。 3机器周期：完成一个根本操作所需

28、的时间 4指令周期：是指CPU执行一条指令所需求的时间。一个指令周期通常含有14个机器周期。 MCS-51单片机各种周期的相互关系 假设MCS-51单片机外接晶振为12MHz时，那么单片机的四个周期的详细值为：振荡周期1/12MHz1/12s0.0833s时钟周期1/6s0.167s机器周期1s指令周期14s二MCS-51指令时序 1.单字节单周期指令如：INC A指令 只需进展一次读指令操作，指令读取后即可执行。当第二次ALE有效时，PC不加1，此次操作无效2.双字节单周期指令如：ADD A,#data指令 在两次ALE有效时，分别读取两个字节的内容。 3.单字节双周期指令 如：INC DP

29、TR指令 两个机器周期的四次ALE有效，只需一次读指令有效，后三次无效。4.双字节双周期指令如：MOVX类指令 这类指令在第一个机器周期的第一次ALE有效期间读操作码送指令存放器，第二次ALE有效，PC不加1，而在S5期间送出外部RAM的地址，随后在S6 到下一周期的S3期间送出或读入数据。读写数据期间ALE端不输出有效信号。 典型指令时序图 单片机的任务方式:主要指复位、程序执行、掉电维护、 低功耗、EPROM编程和校验六种。一单片机的复位方式 1复位形状复位是使CPU和系统中的部件处于一个确定的初始形状，并从这个形状开场任务。此外，当程序运转错误或系统处于死锁形状时，复位也是重新启动单片机的方法。 注注: :高电平的复位信号继续两个机器周期以上的有效时间高电平的复位信号继续两个机器周期以上的有效时间a上电复位电路 b按键电平复位电路 c按键脉冲复位电路复位电路复位电路特殊功能存放器初始形状特殊功能存放器初始形状A00H