天津大学课件-单片机芯片的硬件结构-2

1、第二章单片机的硬件结构，本章介绍了MCS-51单片机的一般性能特点、内部结构和内存结构培训内容：MCS-51系列单片机核心结构；MCS-51单片机存储结构；MCS-51系列单片机针脚功能，单片机是微机的一种，因此，在原理和结构上，单片机和微机之间不仅没有根本的区别，而且微机的许多技术和特性都是由微芯片继承的。因此，可以从微机的角度来看微型计算机。单片机的想法。可以学习MCS-51单片机结构框图。到目前为止，计算机科学和技术已得到全面发展，但计算机体系结构仍未突破计算机先驱、数字家庭约翰冯诺曼首次提出的经典体系结构框架。也就是说，电脑是运算子、控制器、记忆体、记忆体微机器。单片机也不例外。因此，

2、我们必须从计算机的五个基本组件的角度理解单片机的系统结构。但是，单片机是控制应用程序，将所需内容(例如计算、控制器、少量内存、最基本的输入/输出电路、串行端口电路、中断、定时电路等)集成到有限大小的芯片中。在一个很小的芯片上集成了这么多电路，结构简单灵活，工作稳定可靠，所以单芯片必须采用精密的设计，克服芯片大小有限的诸多限制。以MCS 15L为例，单片机的系统逻辑结构如图所示。2.1 MCS-51单芯片逻辑结构和信号针，2.1.1 MCS-51单芯片结构框2.1.2 MCS-51单芯片内部逻辑结构2.1.3 MCS-51单芯片信号针，2.1.(2)数据内存RAM和特殊功能寄存器SFR。(3)内

3、部程序内存ROM。(4)两个计时/计数器(5)四个8位可编程I/o(输入/输出)并行端口，每个端口都可以输入和输出。(6)一个用于数据串行通信的串行端口。(7)中断控制系统。(8)内部时钟电路。MCS-51特性：2.1.2 MCS-51单芯片内部逻辑结构，1内部程序内存(ROM)和内部数据内存(RAM)容量(见表2-1)。2输入/输出(I/O)端口3外部程序内存和外部数据存储寻址空间4中断和堆栈5定时/计数器和寄存器区域6命令系统，、问题：8051和8751之间的区别在于(1)内部程序存储的类型不同(2)配置，功能参考书运算符由8位算术逻辑计算单元ALU(Arithmetic Logic Un

4、it，逻辑逻辑单元)和8位累加器ACC (ACCums)组成。(2)控制器：配置、功能参考书主要由程序计数器PC、命令寄存器IR、命令解码器ID、堆栈指针SP、数据指针DPTR、时钟生成器和时序控制逻辑组成。2，内部数据存储3，内部程序存储4，计时器/计数器MCS51，并行I/O端口6，串行端口7，中断控制系统8，时钟电路9，位处理器10，总线、2.1.3 MCS-51单芯片针脚、MCS-51单芯片针脚布局、40针脚。1主电源针VCC和VSS 2外部晶振针XTAL1和XTAL2 3输入/输出针P0、P1、P2、P3(共32个)4。ALE/PROG:地址锁定控制信号/编程脉冲PSEN:外部程序内

5、存选择通信VPD RAM保护功能：内存地址独立、命令独立、功能独立、针脚表示单芯片微型计算机的外部特性或硬件特性，硬件用户只能使用针脚配置系统。因此，熟悉针脚是单片机硬件学习的重要内容。问题：接脚的第一个和第二个功能不会混淆信号接脚。又是第一功能和第二功能，使用时会引起混乱和出错吗？不是。对此，至少有三个原因。1、对于每个型号的芯片，针的第一功能信号相同，区别仅在于针的第二功能信号。2、9(RST/VPD)、30(ALE/PROG)和31(EA/Vpp)每个针脚的情况下，第一个功能信号和第二个功能信号不会发生使用冲突，因为单个芯片徐璐以不同方式工作。3、P3端口线的情况不同。第二功能信号是单片

6、机的重要控制信号。因此，实际使用时，总是根据需要优先使用第二功能，而不使用其他功能作为口头禅。(David aser，Northern Exposure(TV)，使用)，2.2 MCS-51单片机的内部内存，2.2.1内部数据内存低128个单位(逻辑结构研究)80C51的内部总共有256个数据存储设备。一般来说，256个单位分为两部分：低128个单位(单位地址00H-7FH)和高12h。如图所示。其中，低128单元是用于单片机用户的数据内存单元，即我们称为内部RAM的内存，根据用途，低128个单元可以分为三个区域：完整介绍(注释内容) (内部硬件资源：使用软件)、1、寄存器区域内部RAM的前3

7、2个单元用作寄存器，寄存器用作操作数和中间结果等其功能和使用未预先指定，因此称为通用寄存器，也称为操作寄存器。4组通用寄存器占用内部RAM的00H-1FH单位地址。任何时候，CPU只能使用这些寄存器组中的一个，正在使用的寄存器组称为当前寄存器组。究竟是该组，由程序状态字母PSW中的RSl，RS2位的状态组合决定。优点：(1)通用寄存器可以提供接近CPU的数据访问，提高处理速度，()提高编程灵活性，简化程序设计，以及加快程序执行速度。(例如，生产线设计)因此，在MCS-51上使用通用寄存器的命令特别多，单字节命令很多，执行速度最快。此外，使用通用寄存器可以提高编程的灵活性，因此，在单片机的应用程

8、序编程中，应充分利用这些寄存器，简化程序设计，加快程序执行速度。2位寻址区域内部RAM的20H-2FH单元可以用作常规RAM单元，执行字节操作，或对单元内的每个位进行位操作，从而将该区域森林用作位寻址区域。位寻址区域共有16个RAM单元，总计128位，位地址为00H-7FH。位寻址区域是为位操作准备的，MCS-51位处理器的数据存储空间，其中所有位都可以直接寻址。表是位寻址区域的位地址表。“位”通常以两种方式使用。一种是位地址格式，如表22所示。例如，位寻址区域的最后一位为7FH是。另一个标记为添加存储单元地址(例如，相同的最后一个位标记为2FH7)。，3，用户RAM区域内部RAM低128个单

9、位，通用寄存器为32个单位，位寻址区域为16个单位，其馀80个单位，这是用户可用的常规RAM区域。单位地址为30H-7FH。对于用户RAM区域，只能用作存储设备，没有其他法规或限制。但是，在一般应用程序中，必须提到堆栈经常对这个区域开放。222内部数据存储高度128个单元内部数据存储的高度128个单元为专用寄存器提供，因此称为专用寄存器区域，并且具有用于存储所述功能部件的控制命令、状态或数据的80H-FFH的单元地址。这些寄存器的功能已经特别规定，因此也称为专用寄存器(SFR)，也称为特殊功能寄存器。MC551到80C51的专用寄存器共有22个，其中21个可寻址寄存器(部分硬件受影响，部分软件

10、编程位置受影响)。专用寄存器介绍现在22个专用寄存器中的5个将如下介绍，剩下的将在后面的章节中陆续说明。1 PC-Program Counter PC是16位计数器。里面的客人是要执行的命令地址，寻址范围达64KB。PC具有自动1附加功能，可按顺序执行程序。PC没有地址，无法寻址，用户无法读写。但是，您可以在执行传送、呼叫、传回等指令时自动变更内容，以变更程式执行的顺序。2累加器A(或ACC-Accumulator)累加器是8位寄存器，是程序中最常用的专用寄存器，功能多，地位重要。概括地说，它具有以下功能：累加器用于保存操作数，是ALU数据输入的重要来源。单片机中大多数单操作指令的操作数来自累

11、加器，许多双操作指令中的一个来自累加器。累加器是ALU运算结果的舞台单位，用于保存运算的中间结果。累加器是数据传输的中继站，单芯片微型计算机的大部分数据传输是通过累加器进行的。地址更改寻址方式使用累加器作为地址更改寄存器。MCS-51只有一个累加器，而且单片机的数据操作大部分是通过累加器进行的，因此累加器的使用非常频繁。这种情况像城市交通繁忙的路口，容易发生堵塞现象。为此，在80C51上设置不经过累加器的数据传输命令(例如，寄存器和直接寻址单元之间的数据传输命令、直接寻址单元和间接寻址单元之间的数据传输命令、当前寄存器、直接寻址单元、间接寻址单元和即时计数之间的数据传输命令等)，以缓解累加器的

12、拥塞。累加器的“瓶颈”作用限制了单芯片计算速度的提高，因此我们开始考虑使用寄存器文件(Register File)而不是累加器。也就是说，通过授予更多的累加器功能，形成累加器结构，完全解决累加器的“瓶颈”问题，可以提高单片机的效率。(程序寻址时的多样性)，3，B寄存器B寄存器主要是用于乘法和除法的8位寄存器。在乘法中，b是乘数。乘法操作后，乘积的高度8位存储在B中。在除法运算中，b是除数。除作业外，其他存储在B中。B寄存器还可以用作常规数据寄存器。4、程序状态字(PSW-Program Status Word)程序状态字是保存命令执行状态信息的8位寄存器。其中一些位状态是根据命令执行结果由硬件

13、自动设置的，有些位状态不是使用软件方法确定的。可以使用特殊命令测试PSW的位状态，或使用命令读取PSW的位状态。某些条件切换命令根据PSW的相关位状态执行程序切换。PSW的定义如下：请参阅第页，5 .数据指针(DPTR)数据指针是16位寄存器，是MCS-51中唯一可用于用户的16位寄存器。DPTR可用作16位寄存器或两个8位寄存器。也就是说，DPH DPTR超字节DPL DPTR子字节DPTR在访问外部数据存储区时用作地址指针。外部数据存储的寻址范围为64KB，因此DPTR设计为16位。寻址方法还允许使用DPTR作为主地址寄存器来访问程序内存。两个专用寄存器的字节寻址如上所述，MCS-5l的2

14、2个专用寄存器中的21个可以寻址。这些可寻址寄存器的名称、符号和地址见表23。讨论专用寄存器的字节寻址问题，如下所示：21个可寻址专用寄存器不连续地分布在内部RAM高度128个单元中。还有很多空闲设备，但用户无法使用。访问这些未定义的单元格时，读取数不确定，写入数被删除。在22个专用寄存器中，唯一不能寻址的专用寄存器是程序计数器(PC)。PC是物理独立的寄存器，不占用RAM设备，因此不能寻址。专用寄存器只能使用直接寻址方法，指令可以用寄存器符号和寄存器地址来表示。3 .专用寄存器的位寻址是21个可寻址专用非桥接内存中的11个寄存器可位寻址。即，在表23中，在寄存器符号前加上星号(*)的寄存器。

15、80C51专用寄存器的可寻址位共有83个，其中许多位具有专用名称，在寻址时可以同时使用位地址和位名称。专用寄存器的可寻址位和位寻址区域的128个通用位构成了MCS 151位处理器的总数据位存储空间。下表24列出了每个专用寄存器的位地址位名。(位地址，位命名)，表2-6单芯片专用寄存器列表，MCS-51单芯片内存结构特征单芯片微型计算机的内存结构与微型计算机大不相同。MCS-51单片机的内存结构有两个重要特征。一个是完全分离数据内存和程序内存，另一个是内存内外的分隔。程序内存对于控制应用程序的无盘单芯片系统非常重要，但数据内存也是必不可少的。(David aser，Northern Exposu

16、re，计算机)这款单芯片微型计算机的内存分为具有地址空间、访问指令和控制信号集的数据内存和程序内存。除了类型之外，单片机应用系统中的内存还有内部和外部，即内部和外部内存。片上内存的特点是使用方便。对于简单的应用系统，有时只要使用片上内存就足够了。但是片上内存的容量有限，程序内存通常只有4KB，数据内存为128个单位，这对于更复杂的应用程序来说是不够的。为此，单片机应用系统经常需要在芯片外进一步扩展内存。为了区别芯片内部的内存，扩展的存储通常称为外部内存。为了扩展外部内存，单片芯片的针脚已经提前准备好了。例如，可以通过端口线提供高达16位的地址，外部存储的地址范围为64KB，某些pin信号也用于扩展存储。例如，用于外部存储器的地址锁定控制的ALE信号、用于外部程序存储器的读取选择EA信号用于控制