单片机的内部结构及其工作原理介绍

1、.,第章单片机结构原理,本章内容,Single Chip Microcomputer,单片机内部结构及引脚,单片机时序及接口,单片机存储器配置,单片机输入输出口,.,2-1 MCS-51单片机内部结构及引脚,MCS-51系列单片机是英特尔公司1980推出的高档8位机 分为二个子系列，、三个版本：,.,掩膜ROM PROM/OTP-ROM EPROM EEPROM FLASH,.,MCS-51单片机硬件结构,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：4KB掩膜ROM

2、，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12MHZ,.,1、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

3、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12MHZ,.,2、MCS-51单片机信号引脚简介,P3口线的第二功能,VCC,VSS,XTAL2XTAL1,RST,P0. 0P0.1P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7,P1. 0P1.1P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7,P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.

4、0,ALE,P3. 0P3.1P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7,2、振荡电路：XTAL1、XTAL2,3、复位引脚：RST,4、并行口：P0、P1、P2、P3,7、ALE：地址锁存控制信号,1、电源线：VCC(+5V)、VSS(地),.,= 0 时，只访问外部程序存储器,即外ROM,= 1 时，访问内部程序存储器,即内ROM,/ Vpp 内外ROM选择端,对于8751单片机编程时，该端施加编程电压 IO引脚 P0.0 P0.7 ； P1.0 P1.7 ； P2.0 P2.7 ；P3.0 P3.7 四个I / O口，每口八条线；还兼作地址/数据线。,EA,ALE / P

5、ROG 地址锁存控制端，访问外部存储器用来锁存由P0口送出的低8位地址；不访问外存时，提供1/6 fosc振荡频率；PROG用于对8751片内的EPROM输入编程脉冲 ； PSEN 外部程序存储器的读选通信号端,.,3、时钟电路与复位电路 (1)时钟振荡电路,.,几个工作周期的区别： 振荡周期 状态周期 机器周期 指令周期,.,时钟周期 ,T:时序中最小的时间单位.其值由外接晶体或外输入时钟来决定，其值为石英振荡器频率的倒数。 例如:在单片机外接1MHZ的晶体,则单片机的系统时钟的频率为1M, 时钟周期为1us. 机器周期:完成特定功能所需要的时间,在MCS-51单片机中机器周期由12个时钟周

6、期构成,并分为6个状态(S1-S6),每个状态又分为P1和P2两拍.这样一个机器周期的12个震荡周期可以表示为: S1P1,S1P2,S2P1,S2P2,S3P1,S3P2 S6P1,S6P2 将12个震荡周期用6个状态和2拍来替代。,T,S1,S2,S6,S5,S4,S3,机器周期,.,指令周期:这是时序图中最大的时间单位,既执行一条指令所需要的时间.在MCS-51系统中,不同的指令它所包含的机器周期数不同.它们分别是: 1,单机器周期指令; 2,双机器周期指令; 3,四机器周期指令 我们知道:一个机器周期包含了12个震荡周期.如果我们使用一个12M的晶体震荡器,那么: 一个机器周期为1us

7、, 两个机器周期为2us, 四个机器周期为4us. 可见一条指令的运算速度与它所包含的机器周期数有关.机器周期数越少,执行的速度就越快.在MCS-51单片机的指令系统中,除了乘、除法指令为四个机器周期外,其余都是单周期和双周期指令.,返回,.,(2)、控制或复位引脚 RST / VPD 当出现两个机器周期高电平时，单片机复位 。 复位后，P0 - P3 输出高电平；SP寄存器为07H； 其它寄存器全部清0；不影响RAM状态。 参考复位电路如下：,.,(2)复位电路,单片机复位条件: 必须使RST引脚持续10 us以上高电平(外部时钟12MHz),谁知道 复位电路怎么起到复位的作用?,.,2-2

8、存储器配置,8031 8751 8051 89C51,256B（字节）,4K,64K,64K,.,物理上分为：4个空间，即片内ROM、片外ROM 片内RAM、片外RAM 逻辑上分为: 3个空间， 即程序内存（片内、外）统一编址 MOVC 数据存储器（片内） MOV 数据存储器（片外） MOVX,冯.诺依曼结构 哈佛结构 改进哈佛结构/超级哈佛结构,储存器结构,.,(1)程序存储器,程序存储器,内部,外部,(PC),程序存储器资源分布,中断入口地址,.,七个具有特殊含义的单元是：,0000H 系统复位，PC指向此处； 0003H 外部中断0入口 000BH T0溢出中断入口 0013H 外中断1

9、入口 001BH T1溢出中断入口 0023H 串口中断入口 002BH T2溢出中断入口,.,内部,外部,(2)数据存储器,数据存储器,RAM,专用寄存器,内部RAM存储器,工作寄存器区选择位RS0、RS1,.,位寻址区（20H2FH）16个字节。 16*8=128位，每一位都有一个位地址，范围为：00H7FH，位地址区也可作为一般RAM使用。,位寻址区,.,特殊功能寄存器SFR MCS-51单片机内共有22个特殊功能寄存器，包括PC及SFR。 PC为程序计数器。它是一个双字节寄存器,寻址范围为: 0000H FFFFH，即0 64KB。 SFR为特殊功能寄存器。其寻址空间：80H FFH

10、其中，51子系列有18个寄存器，占有21个字节； 52子系列有21个寄存器，占有26个字节。 51子系列SFR的地址分配及位地址见下页表：,.,高128个单元,离散分布有21个特殊功能寄存器SFR。, 11个可以进行位寻址。,特别提示：对SFR只能使用直接寻址方式，书写时可使用寄存器符号，也可用寄存器单元地址。,.,.,+,+,.,注意： 1、表中共有3个双字节寄存器。 2、PC也为双字节寄存器，但是不在80H FFH 范围内。 3、表中，凡地址能被8整除的寄存器都是可位 寻址的寄存器。,.,各寄存器的名称： 1、算术运算寄存器 （1）A累加器。 （2）BB寄存器，乘、除法运算用。 （3）PS

11、W程序状态字寄存器：包含程序运 行状态、信息。,.,程序状态字PSW: 8位寄存器. 表征程序执行的状态信息。 CY (PSW.7)进位标志: 在加减法运算中,累加器A的最高位A7有进位,则CY=1,否则CY=0.同理,在减法运算中,如果A7有借位,则CY=1.因此CY往往作为无符号数运算是否有溢出的标志。 AC(PSW.6):辅助进位位: 用来判断加减法运算时,低四位是否向高四位进位或借位(既A3的进位或借位).往往用来判断压缩的BCD码的运算处理. F0(PSW.5) 用户标志位: 完全由用户来定义和使用。 RS1,RS0工作寄存器区选择位:确定工作寄存器R0-R7在哪个区中. 单片机在上

12、电或复位后RS1、RS0=00。当需要人为的修改RS1,RS0的值来改变工作寄存器区的位置。 0 0 ： 0区 R0 R7 0 1 ： 1区 R0 R7 1 0 ： 2区 R0 R7 1 1 ： 3区 R0 R7,.,OV(PSW.2) 溢出标志位: 判断有符号数(补码)加减法运算时是否有溢出. OV的结果可以用一个算法来表示: OV=CP异或CS 其中:CP为A7的进位,CS为A6的进位OV=1表明有溢出。 P(PSW.0)奇偶标志位: 用来标志累加器A中运算后1的个数。 当P=1时,表明A中1的个数为奇数个,反之为偶数个。 【举例】：有两个数0FH和F8H，试将两数相加 MOV A，#0F

13、H ；将立即数0f h 送累加器A ADD A，#0F8H ；A的内容与立即数0f8h相加，结果送A 0000 1111 运算结果：A=07H，CY=1（既CP=1）， + 1111 1000 CS=1，OV=0（因为CP=1，CS=1） Cy1 0000 0111 AC=1，P=1 如何根据PSW来分析运算结果是否正确？是否有溢出？ 1，若数据为无符号数。既15+248=263=107H 既CY=1，A=07H。 2，若数据为有符号数。既+15加-8=+7=07H，OV=0表明无溢出。,.,2、指针寄存器 （1）程序计数器PC 指明即将执行的下一条指令的地址(程序存储器地址)，在物理上独立，

14、复位时PC = 0000H。 （2）堆栈指针SP 指明栈顶元素的地址，8位，可软件设置初值，复位时SP = 07H。注意压栈和出栈SP的变化。 （3）数据指针DPTR DPTR；指明访问的数据存储器的单元地址，16位，寻址范围64KB。 DPTR = DPH + DPL，也可单独使用。,.,SP 堆栈指针：8位寄存器，用来指示堆栈的位置,可由软件修改。在MCS-51单片机的设计中，片内RAM区为堆栈的可用空间。上电或复位时，SP被初始化为07H，即堆栈底部被确定在RAM的07H单元。 堆栈操作过程： 进栈: PUSH ACC指令 （设 SP=07H）， 1，SP+1送SP，此时SP=08H；

15、2，ACC送RAM的08H单元； 出栈: POP ACC （设SP=08H）； 1，将RAM 中08H单元内容送A； 2，SP-1送SP ，此时SP=07H。,07H,SP,08H 07H,RAM,x,累加器A,堆栈操作示意图,.,3、并行输入/输出端口 寄存器P0、P1、P2、P3实为相应端口锁存器。 4、串行输入/输出端口 （1）串行数据缓冲器 SBUF 是物理上独立的两个寄存器，共同使用一个地址（99H）。 （2）串行控制/状态寄存器SCON 控制监视串行口的工作状态 （3）电源控制寄存器PCON 控制单片机的低功耗工作方式及波特率选择。,.,5、中断系统 （1）中断优先级寄存器IP：2

16、级优先，可软件设定 （2）中断允许寄存器IE 6、定时/计数器 （1）定时器方式寄存器：TMOD （2）定时器控制寄存器：TCON （3）计数寄存器：TH0、TL0；TH1、TL1。 可用于设定计数初值。,.,时钟的基本概念 启动单片机后，指令执行顺序：,2-3 CPU时序,.,单片机工作的基本时序,所谓时序就是CPU总线信号在时间上的顺序关系。 CPU控制器实际上是复杂的同步时序电路，所有的工作都是在时钟信号的控制下进行的。每执行一条指令，CPU控制器都要发出一系列特定的控制信号，这些控制信号在时间上的相互关系就是CPU的时序。 一个单片机系统要想正常工作，除了要做到电平匹配、功率匹配外，还

17、要做到时序匹配。,.,.,以上是单周期单字节指令在执行过程中ALE脉冲、取指 操作、执行操作等在时间上的先后关系。 时序的定义： 单片机内的各种操作都是在一系列脉冲控制下进行的，而各脉冲在时间上是有先后顺序的，这种顺序就称为时序。 指令周期：即从取指到执行完，所需时间。 不同机器指令周期不一样；即使相同机器，不同的 指令其指令周期也不一样。 机器周期：机器的基本操作周期。一个指令周期含若干机器周 期（单、双、四周期）,.,每个状态周期含两个振荡周期，即相位P1、P2。 振荡周期：由振荡时钟产生。 振荡周期Tosc = 1/fosc 一个机器周期 = 12个振荡周期 = 121/fosc 。 例

18、如，若fosc = 12MHz，则一个机器周期 = 1s。,状态周期：一个机器周期分6个状态周期Si,.,指令的字节数与指令周期之间的关系： 在MCS-51单片机的指令系统中有： 单字节； 双字节； 三字节指令。 在MCS-51的111条指令中,可以分为六种基本的时序: 1,单字节单周期指令; 4,双字节单周期指令; 2,单字节双周期指令; 5,双字节双周期指令; 3,单字节四周期指令; 6,三字节双周期指令.,.,指令特点:在程序存储器ROM中仅占一个存储单元。 在ALE第一次有效(S1P2)时,从ROM中读取指令的操作码,送入指令寄存器IR中.并译码执行,在ALE第二次有效时,封锁PC加一

19、,使第二次读数无效.可见: 1, ALE信号对应着从ROM中读指令,所以在一个机器周期中CPU可以读两次指令; 2,对于单字节单周期的指令,CPU通过译码后封死PC,实际上指令的后半部不做任何工作.,单字节单周期指令的时序:,机器周期,读操作码一,读操作无效,ALE,S1,S2,S6,S5,S4,S3,.,指令特点:一条指令长度为两个字节，并存储在ROM相邻的两个单元中。要想完整的将这样的指令执行完,必须从ROM中读两次操作码. 在ALE第一次有效时,CPU 从ROM的n单元中取出指令的第一个字节OP1-1,并送入IR译码,通过译码CPU知道这是一条双字节指令,所以使PC加一,并在ALE第二次有效时,从ROM的n+1单元取出指令的第二个字节OP1-2送入IR进行译码,并产生对应的操作.最后在S6P2时完成本条指令的运行.,S1,S2,S6,S5,S4,S3,机器周期,读操作码一,读操作码二,OP1-2,OP1-1,n+1 n,程序ROM,PC,双字节单周期指令时序,ALE,.,指令特点:单字节, 需要两个机器周期运行.如: INC DPTR DPTR为两个8位的寄存器,加一时,必须分两步完成.既第一步 DPL加一,如果DPL加一有进位则还要进