嵌入式系统原理与设计 课件 第三讲 单片机结构

1单片机与嵌入式系统第三讲本次课主要内容第三章单片机原理（一）2单片机的内部结构、工作原理初步认识！单片机原理（一）1.本次课的目标2.MCS-51系列单片机概述3.MCS-51系列单片机总体结构4.89C51单片机的内部架构5.89C51单片机的运算器6.89C51单片机的控制器7.89C51单片机的存储器8.小结9.下次课准备31.本次课的目标对单片机有一个初步的认识，了解单片机的发展历史、发展趋势、应用领域。了解其内部结构，为后续单片机接口和应用的学习打下基础。难点：单片机内部结构（控制器、运算器、存储器），理解单片机工作原理。4单片机原理（一）1.本次课的目标2.MCS-51系列单片机概述3.MCS-51系列单片机总体结构4.89C51单片机的内部架构5.89C51单片机的运算器6.89C51单片机的控制器7.89C51单片机的存储器8.小结9.下次课准备52.MCS-51系列单片机概述2.1什么是单片机2.2单片机的发展2.3单片机的应用领域2.4单片机的发展方向62.1什么是单片机单片机——单片微型计算机（Single-ChipMicrocomputer）的简称1946年，世界上第一台电子数字计算机ENIAC在美国宾夕法尼亚大学研制成功。单片机内部集成如下部件：中央处理器（CentralProcessingUnit，CPU）只读存储器（ReadOnlyMemory，ROM）随机存取存储器（RandomAccessMemory，RAM）定时器/计数器及I/O（Input/Output）接口等部件。7单片机成为最重要的可编程硬件控制单元，成为微控制器的典型代表！微控制器知识回顾：嵌入式微控制器将整个计算机系统的主要硬件集成到一块芯片中。一般以微处理器内核为核心，集成ROM/EPROM、RAM、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、串口、A/D、D/A等各种必要的功能和外设。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。82.2单片机的发展历史第一代4位单片机1970年~1974年：诞生了第一代4位的单片机。这类单片机已经具有了并行I/O接口，以及一些常用的A/D和D/A等资源。这在当时来说是非常强大的，通过灵活的控制能力，使其应用于电视机、收音机和电子玩具中。9第二代8位单片机1974年~1978年：单片机进入8位时代。这个时期以Intel公司的MCS-48系列单片机最具代表性。此时的单片机内部集成了更为强大的8位CPU内核、多个并行I/O接口、同时增加了定时器/计数器以及小容量的RAM和ROM等。10第三代高档8位单片机，典型：MCS-511978年~1983年：Intel公司的MCS-51系列为代表，标志着进入高档8位单片机时代。这个时期的单片机工作频率、硬件资源和RAM/ROM容量等都有极大的突破，创新地加入了串口通信接口及多级中断处理系统。我们现在所广泛使用的单片机都仍以该内核为基础，因此，也常称为51系列单片机。11随后，单片机市场便进入百花齐放、百家争鸣时代。各个厂商不仅在增强单片机的性能，同时还推出了不同类型的单片机。PIC系列AVR系列LPC系列……122.3单片机的应用领域家电产品，例如在电视、电话、冰箱、空调、洗衣机、家用防盗报警器等。其中，单片机主要用于功能控制。便携影音设备，例如MP3、MP4、录音笔等。其中，单片机用于系统控制和功能管理。电子玩具，例如各种电动玩具、发声玩具、玩具机器人、遥控电动车、遥控航模等。其中，单片机实现了核心功能的控制和智能人机接口。13机电一体化设备，例如车床、铣床、数控机床等。在这类设备中，单片机作为机电一体化设备的控制器，可以简化机械产品的结构设计，实现智能的生产和操作控制，并扩展原有设备的功能。数据通信，例如无线数传、大容量存储设备等。在这类设备中，单片机依靠串口、并口或者高速USB接口等，实现计算机之间、计算机与外围设备之间的控制和数据传输等。

14测控设备，例如数据采集系统、示波器、智能仪表等。在这里设备中，依靠单片机强大控制和通信能力，实现测试、测量和控制等功能。1516单片机应用

工业方面民用方面仪表方面电讯方面数据处理方面汽车方面2.4单片机的发展方向（1）高速早期的51内核只有几MHz的运行频率，现在各个公司推出的51单片机产品均能够达到几十MHz的运行频率，例如Atmel公司的AT89S系列的单片机最大运行于33MHz，还有其他一些公司的产品也都具有很高的速度。（2）缩短指令执行周期51执行一条指令的周期成为指令周期，根据指令的不同，指令周期一般需要1~4个机器周期。新的增强型51内核大大缩短了指令的执行周期，例如MAXIM的高速单片机每机器周期使用一个时钟周期。还有其他一些公司也相应提高了指令的执行时间。17（3）低功耗单片机主要应用于各种嵌入式设备中，这类设备最大的共性便是采用电池供电，需要具有出色的功耗控制。现在的单片机功耗都在逐步下降，同时还提供了丰富的低功耗模式可供选择，大大延长了电池的使用时间。（4）高度集成性现在的单片机集成了越来越多的功能，例如A/D转换、D/A转换、SPI接口、I2C接口、USART接口、USB接口、CAN接口等等。在有些设计项目中，甚至仅靠一个单片机便可以完成所有的工作，真正实现“单片”的含义。18（5）减小封装尺寸单片机在提高强度的接口功能的同时，其封装体积也在逐步减少。这样，可以减少电路板的使用面积，使最终产品小型化。19单片机原理（一）1.本次课的目标2.MCS-51系列单片机概述3.MCS-51系列单片机总体结构4.89C51单片机的内部架构5.89C51单片机的运算器6.89C51单片机的控制器7.89C51单片机的存储器8.小结9.下次课准备203.MCS-51系列单片机总体结构3.1计算机系统的硬件组成框图3.2

MCS-51单片机基本结构3.3MCS-51系列单片机的分类213.1计算机系统的硬件组成框图22运算器

存储器控制器输出设备输入设备最终结果

中间结果/最终结果数据最终结果原始数据与程序程序

单片机是一个大规模集成电路芯片，其上集成有CPU（运算器、控制器）存储器I/O口(串行口、并行口)其它辅助电路(如中断系统，定时/计数器，振荡电路及时钟电路等)。23RAM（RandomAccessMemory）1、RAM被称为随机读写存储器。2、用于存放数据。3、存储单元的内容可按需随意取出或存入，且存取的速度与存储单元的位置无关的存储器。4、具有易失性：芯片掉电后，其内的信息消失。24ROM（Read-OnlyMemory）1、ROM被称为只读存储器。2、用于存放程序。3、具有非易失性：掉电后其内的信息依然存在。2526时钟电路CPUROMRAMT0T1中断系统串行接口并行接口P0P1P2P3TXDRXDINT0INT1定时计数器结构框图中央处理器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：4KBFlashROM，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）时钟电路：可产生时钟脉冲序列，允许晶振频率6MHZ和12MHZ3.2MCS-51单片机基本结构8051单片机的基本组成中央处理器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。27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（外中断2个，定时/计数中断2个，串行中断1个）时钟电路：可产生时钟脉冲序列，允许晶振频率6MHZ和12MHZ283.3MCS-51单片机的分类常用的MCS51系列单片机有2种类型的产品：8051/8751/89C51和8031。它们的结构基本相同，其主要差别反映在存储器的配置上的不同：8051内设有4KB的掩膜ROM；8751内设有4KB的EPROM；89C51内设有4KB的E2PROM

；8031内没有ROM。29单片机原理（一）1.本次课的目标2.MCS-51系列单片机概述3.MCS-51系列单片机总体结构4.89C51单片机的内部架构5.89C51单片机的运算器6.89C51单片机的控制器7.89C51单片机的存储器8.小结9.下次课准备304.89C51单片机的内部架构4.189C51单片机的内部结构4.289C51中央处理单元（CPU）4.389C51存储器4.489C51

I/O接口314.189C51单片机的内部架构32ATMPPSWBSPDPTRRAMPCROMP1P2P3P0定时中断串口IRPLAID振荡X1X2PSENRSTALEEAP0P1P2P3ALU4.289C51中央处理单元（CPU）CPU是单片机的核心，是单片机的控制和指挥中心；CPU由运算器、控制器组成；33运算器由ALU、暂存器TMP1和TMP2、累加器ACC、寄存器B、程序状态寄存器（PSW）构成；控制器由程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器ID、振荡器及定时电路等组成。344.389C51存储器89C51片内有程序存储器、数据存储器两类；(哈佛结构)程序存储器（FlashROM），用于存放程序、表格常数；数据存储区（RAM），用于存放运算的中间结果、数据暂存以及数据缓冲等。其中也包含了32个单片机的工作寄存器和特殊功能寄存器。35第七小节详细讨论4.489C51

I/O89C51有4个与外部交换信息的8位并行接口以及一个可编程全双工串行口；4个并行口均为准双向口；4个并行口同RAM统一编址，可当做一般特殊功能寄存器来寻址。36第四讲详细讨论单片机原理（一）1.本次课的目标2.MCS-51系列单片机概述3.MCS-51系列单片机总体结构4.89C51单片机的内部架构5.89C51单片机的运算器6.89C51单片机的控制器7.89C51单片机的存储器8.小结9.下次课准备375.89C51单片机的运算器5.1算术逻辑单元ALU5.2累加器ACC5.3寄存器B5.4程序状态寄存器PSW385.1算术逻辑单元ALU算术逻辑单元(ArithmeticLogicUnit,ALU)是中央处理器(CPU)的执行单元，是所有中央处理器的核心组成部分，由“AndGate”和“OrGate”构成的算术逻辑单元，主要功能是进行二进制的算术运算和逻辑运算；39ALUATMPPSWBSPDPTRRAMPCROMP1P2P3P0定时中断串口IRPLAID振荡X1X2PSENRSTALEEAP0P1P2P3ALUALU有2个输入端和2个输出端，其中一端接至累加器，接收由累加器送来的一个操作数；另一端接收TMP中的第二个操作数。参加运算的操作数在ALU中进行规定的操作运算，运算结束后，一方面将结果送至累加器，同时将操作结果的特征状态送标志寄存器。405.2累加器ACC通常用A表示，单片机在做运算时它的中间结果需要放在某个地方，这个地方就是累加器，它的名字很特殊，功能也很特殊，几乎所有的运算类指令都离不开它。41ATMPPSWBSPDPTRRAMPCROMP1P2P3P0定时中断串口IRPLAID振荡X1X2PSENRSTALEEAP0P1P2P3ALU1、ACC为8位寄存器。2、累加器是一个特殊的寄存器，它的字长和微处理器的字长相同，累加器具有输入／输出和移位功能，微处理器采用累加器结构可以简化某些逻辑运算。3、由于所有运算的数据都要通过累加器，故累加器在微处理器中占有很重要的位置。（演示：Project4）42Project4： a=1; b=5; c=7; d=a+b+c;//累加器用于存放中间结果，从本例中可以看出首先将1放入累加器A，和5相加后，将中间结果6放入累加器A，和7相加后，再将结果放入A435.3寄存器BB寄存器在做乘法时用来存放一个乘数，在做除法时用来存放一个除数，不做乘除法时可以作为一般的寄存器来用。1、8位寄存器。2、在进行乘除法运算时，存放参与运算的一个操作数。3、除此之外，作为一般REG使用。（演示：Project5）445.4程序状态寄存器PSWPSW非常重要！里面放了CPU工作时的很多状态，知道它就可以了解CPU当前的工作状态，它有点象平时看书用的目录，我们浏览它就可以了解一本书的内容。它是一个8位的寄存器，用到了其中的7位。格式如下：45D7D6D5D4D3D2D1D0CYACF0RS1RS0OVP461.CY：进位标志位可用PSW.7来表示；MCS-51是一种8位的单片机，它的运算结果只能表示到28（即0-255），但我们有时候的运算结果要超过255，怎么办呢？就要用CY位。例如：79H+87H(01111001+01010111)=100000000，这里的“1”就进到了CY中去了；借位也会使CY置1。(演示：Project1)CY应用举例：串行IIC通信voidWrite_A_Byte(ucharb){ uchari; for(i=0;i<8;i++) { b<<=1; SDA=CY;_nop_(); SCL=1;NOP4();SCL=0;} RACK();}47b<<=1; SDA=CY即b=b<<1;SDA=CY每次将b左移1位，CY即为移出的那一位可以通过仿真例子来演示。(演示：Project2)482.AC：半进位标志位也可用PSW.6来表示；当D3位向D4位进位／借位时，AC=1，通常用于十进制调整运算中。(演示：Project3)493.F0：用户自定义标志位也可用PSW.5来表示；由编程人员自行决定，什么时候用，什么时候不用。504.RS0和RS1也可用PSW.3和PSW.4表示；工作寄存器组选择控制位，可以用于选择哪一组工作寄存器作为当前工作寄存器组。51525.OV：溢出标志位也可用PSW.2来表示；运算结果超出范围时，产生溢出。当运算结果产生溢出时，OV=1；当运算结果没有产生溢出时，OV=0。注意溢出与进位没有必然联系演示（Project6）536.P：奇偶校验位也可用PSW.0来表示；当A中二进制数“1”的个数为奇数时，P=1；当A中二进制数“1”的个数为偶数时，P=0。例：某运算结果是58H(01011000)，显然“1”的个数为奇数，所以P=1。演示（Project7）54单片机原理（一）1.本次课的目标2.MCS-51系列单片机概述3.MCS-51系列单片机总体结构4.89C51单片机的内部架构5.89C51单片机的运算器6.89C51单片机的控制器7.89C51单片机的存储器8.小结9.下次课准备556.89C51单片机的控制器控制器：扮演了一个管理者的角色，用来统一指挥和控制单片机参与工作的各个部件。566.1程序计数器PC6.2指令寄存器IR6.3指令译码器ID57ATMPPSWBSPDPTRRAMPCROMP1P2P3P0定时中断串口IRPLAID振荡X1X2PSENRSTALEEAP0P1P2P3ALU6.1程序计数器PC1、16位寄存器。2、存放下一条将要执行的指令地址。程序中的指令是按照顺序存放在存储器中的某个连续区域。每条指令都有自己的地址，CPU根据PC中的指令地址从存储器中取出将要执行的指令。583、具有自动加1功能,从而指向下一条将要执行的指令地址。4、PC的值可以修改，一般程序是按顺序执行指令的。若改变了的PC的值,则程序将不再按顺序执行。演示（Project8）596.2指令寄存器IRIR：用来存放当前正在执行的指令代码。606.3指令译码器IDID：用来对指令代码进行分析、译码，根据指令译码的结果，输出相应的控制信号。61单片机原理（一）1.本次课的目标2.MCS-51系列单片机概述3.MCS-51系列单片机总体结构4.89C51单片机的内部架构5.89C51单片机的运算器6.89C51单片机的控制器7.89C51单片机的存储器8.小结9.下次课准备627.89C51单片机的存储器7.1存储器结构7.2程序存储器7.3寄存器的种类7.4MCS-51片内RAM的配置631

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80318751805189C51片内RAM片内ROM256B（字节）4K64K64K7.1存储器结构片内程序存储器（片内ROM）：4KB，物理地址为0000H～0FFFH片外程序存储器（片外ROM）：64KB，物理地址为0000H～FFFFH，其中1000H～FFFFH为外部ROM片内数据存储器（片内RAM）：256B，物理地址为00H～FFH片外数据存储器（片外RAM）：64KB，物理地址为0000H～FFFFH66程序存储器内部外部0000H0FFFH(4K)0000HFFFFH(64K)0000H0FFFH(4K)0000H0001H0002H(PC)0000H是程序执行的起始单元,在这三个单元存放一条无条件转移指令中断5中断4中断3中断2中断10003H000BH0013H001BH0023H002BH

外部中断0定时器0中断外部中断1定时器1中断

串行口中断8位．．．0FFFH0FFEHEA=1EA=0程序存储器资源分布中断入口地址7.2程序存储器7.3寄存器的种类

通用寄存器：51系列单片机具有4组共32个通用寄存器R0~R7，在同一时刻只能有一组通用寄存器参与运算。4个通用寄存器区位于单片机片内RAM的00H～1FH（共32B）空间，每组共有8个8位的寄存器R0～R7。67专用寄存器：在运算时只用于特定的功能，是专门为某些功能部件而设计的。特殊功能寄存器SFR(SFR，即SpecialFunctionRegisters)：专用寄存器，专用于控制、管理片内算术逻辑部件、并行I/O口、串行I/O口、定时器/计数器、中断系统等功能模块的工作。687.4MCS-51片内RAM的配置89C51内有256B的RAM单元，其地址范围为00H—FFH，分为两大部分:低128字节（00H~7FH）为真正的RAM区;高128字节（80H~FFH）为特殊功能寄存器区SFR。697FH

真正RAM区00HFFH

SFR区80H7FH

普通RAM区30H2FH

位寻址区20H1FH

工作寄存器区00H89C51内有256B的RAM单元，其地址范围为00H—FFH，分为两大部分:低128字节（00H~7FH）为真正的RAM区;高128字节（80H~FFH）为特殊功能寄存器区SFR。707FH

真正RAM区00HFFH

SFR区80H7FH

普通RAM区30H2FH

位寻址区20H1FH

工作寄存器区00H1、工作寄存器区是指00H～1FH区,共分4个组,每组有8个单元,共32个内部RAM单元。2、每次只能有1组作为工作寄存器使用,其它各组可以作为一般的数据缓冲区使用。3、作为工作寄存器使用的8个单元，又称为R0—R74、程序状态字PSW中的PSW.3（RS0）和PSW.4（RS1）两位来选择哪一组作为工作寄存器使用。CPU通过软件修改PSW中RS0和RS1两位的状态,就可任选一个工作寄存器工作。07H0组00H0FH1组08H17H2组10H1FH3组18H

RS1、RS0与片内工作寄存器组对应关系71RS1RS0寄存器组片内PAM地址通用寄存器名称000组00H~07HR0~R7011组08H~0FHR0~R7102组10H~17HR0~R7113组18H~1FHR0~R7问题：PSW为“11H”（即00010001），则通用寄存器的地址范围是什么？72D7D6D5D4D3D2D1D0CYACF0RS1RS0OVPRS1RS0寄存器组片内PAM地址通用寄存器名称000组00H~07HR0~R7011组08H~0FHR0~R7102组10H~17HR0~R7113组18H~1FHR0~R7答案：RS1=1，RS0=0，则用到了第2组寄存器组（地址10H~17H），R0-R7即为10H~17H。7FH

真正RAM区00HFFHSFR区80H7FH

普通RAM区30H2FH

位寻址区20H1FH

工作寄存器区00H20H21H22H23H24H25H26H27H2FH1、位寻址区是指20H～2FH单元，共16个单元。2、位寻址区的每1位都可当作软件触发器,由程序直接进行位处理。3、位寻址区的16个单元（共计128位）的每1位都有一个8位表示的位地址。

如表所示。4、同样,位寻址的RAM单元也可以按字节操作作为一般的数据缓冲区。

内部RAM位地址表74需要特别注意位地址为00H~7FH演示（Project9）757FH

真正RAM区00HFFH

SFR区80H1、高128B的RAM单元中有21个单元可用，称为SFR。这21个SFR分散在高128B的地址空间内，分别是A，B，PSW，SP，DPH，DPL，P0，P1，P2，P3，IP，IE，TCON，TMOD，TH0，TL0，TH1，TL1，SCON，SBUF，PCON。2、有些可以按位寻址。3、特殊功能寄存器名称、标识符、地址见表

特殊功能寄存器名称、标识符、地址一览表767778DPTR（DPH，DPL）：数据指针数据指针是一个16位的寄存器，我们可以用它来访问外部RAM，也可以访问外部ROM中的表格。1、数据指针DPTR是一个16位的专用寄存器,其高位字节寄存器用DPH表示,低位字节寄存器用DPL表示。792、既可作为一个16位寄存器DPTR来处理,也可作为两个独立的8位寄存器DPH和DPL来处理。3、DPTR主要用来存放16位地址，当对64KB外部数据存储器空间寻址时,作为间址寄存器用。在访问程序存储器时,用作基址寄存器。80问题：为何8051支持的外部RAM最大为64K？81访问外部RAM需要使用数据指针DPTR，该指针为16位，因此：所能访问的外部数据RAM最大为64KB。SP堆栈指针1、SP称为堆栈指针，8位寄存器2、SP用来存放堆栈栈顶的地址。82关于堆栈1、堆栈是在内RAM区专门开辟出来的按照“先进后出”原则进行数据存取的一块连续的存储区域。2、堆栈有栈顶和栈底，堆栈中没有数据时，二者重叠，SP指向最下端（栈底），向堆栈推入数据后，栈顶向上生长，SP也向上生长。833、堆栈栈顶：最后推入堆栈的数据所在的存储单元。4、SP用来指示堆栈所处的位置,在进行操作之前,先用指令给SP赋值,以规定栈区在RAM区的起始地址（栈底层）。84单片机原理（一）1.本次课的目标2.MCS-51系列单片机概述3.MCS-51系列单片机总体结构4.89C51单片机的内部架构5.89C51单片机的运算器6.89C51单片机的控制器7.89C51单片机的存储器8.小结9.下次课准备858.小结86870000HFFFFH(64K)内部外部数据存储器小节数据存储器00HFFH7FH80H(高128B)(低128B)RAM专用

寄存器00H07H08H0FH10H17H18H1FH0区R0R7R0R7R0R7R0R71区2区3区工作寄存器区可位寻址区20H2FH7F7807