第2章-单片机的硬件结构概要.ppt

1、单片机原理及应用,第2章 单片机的硬件结构,1.了解AT89C51单片机的基本结构； 2.掌握AT89C51单片机的引脚功能； 3.掌握AT89C51单片机的时钟电路和复位电路； 4.掌握AT89C51单片机最小系统的构成； 5.掌握AT89C51单片机的存储器结构。,本章学习要求：,2.1 AT89C51的基本结构及外部引脚,2.1 AT89C51的基本结构及外部引脚,AT89C51单片机的基本组成,2.1 AT89C51的基本结构及外部引脚,一个8位CPU 128字节特殊功能寄存器(SFR) 128字节数据存储器(RAM) 4K字节内部程序存储器(ROM) 两个16位定时器/计数器 四组3

2、2位可编程的并行I/O端口 一个串行通信端口 中断控制系统 内部振荡器和时钟电路 系统总线,AT89C51单片机的基本组成,2.1 AT89C51的基本结构及外部引脚,AT89C51的外形-DIP40,AT89C51的引脚排列-DIP40,AT89C51的引脚介绍,2.1 AT89C51的基本结构及外部引脚,P0、P1、P2、P3：I/O端口,VCC：电源，+5V,GND：地线,XTAL1/XTAL2：外接晶振,RST：复位信号,/EA：程序存储器选择信号，为0选择外部程序存储器， 为1选择内部程序存储器。,RXD/TXD：串行接口,/INT0、/INT1：外部中断口,T0、T1：定时器/计数

3、器,/WR、/RD、ALE、/PSEN、AD0-7、A15-8：外部总线,2.2 AT89C51的外部I/O端口,2.2 AT89C51的外部I/O端口,4组32个I/O端口,P0.0P0.7,P1.0P1.7,P2.0P2.7,P3.0P3.7,2.2 AT89C51的外部I/O端口,输出端口的作用,电阻R的作用是什么? 如何确定电阻R的大小? 假设电流I=5mA,发光二极管压降为1.3V.,欧姆定律 I=U/R;,引脚输出高电平-输出电流; 引脚输出低电平-吸入电流;,2.2 AT89C51的外部I/O端口,输入端口的作用,如何让一个端口输出1或0？,如何读取一个端口的电平？,2.2 AT

4、89C51的外部I/O端口,2.2 AT89C51的外部I/O端口,2.3 AT89C51的复位电路,2.3 AT89C51的复位电路,复位电路如何设计? 复位电路的作用是什么？,2.3 AT89C51的复位电路,复位电路结构,单片机为什么需要复位？,复位脉冲信号使PC指针指向0000H单元； 复位脉冲信号使SFR得到固定的初始值。,复位使单片机具有固定的初始状态。,电容EC1一般取值22uF电阻R1一般取值1K,思考题：试分析复位电路在上电时，如何实现在RST引脚上产生高电平复位脉冲的？,因电容两端电压不可突变，在上电瞬间，在电容负极（也就是复位引脚）上得到电压为5V； 这样在电阻R1上获得

5、5V电势差，该电势差将通过电阻R1放电，经过一定时间t，电压降为0V。,2.4 AT89C51的时钟电路,2.4 AT89C51的时钟电路,时钟是什么？ 时钟电路的作用是什么？ 时钟电路的关键参数？,1 内部振荡电路连接,振荡周期，大小由外接晶振决定。,2.4 AT89C51的时钟电路,2 外部振荡电路连接,2.4 AT89C51的时钟电路,3 内部分频电路,如外接晶体为12MHz, 则振荡频率（fosc）为12MHz,振荡周期约为83.3ns,如focs为12MHz, 则状态周期频率为6MHz. 状态周期约为167ns,如focs为12MHz, 则ALE脚输出脉冲频率为2MHz. 脉冲周期为

6、500ns,如focs为12MHz, 则机器周期频率为1MHz. 机器周期为1us,2.4 AT89C51的时钟电路,所有指令的执行时间都是机器周期的整数倍（1-4倍）。,2.5 AT89C51的最小应用系统,2.5 AT89C51的最小应用系统,试根据单片机最小硬件系统连接图，制作电路。,2.6 AT89C51的存储器结构,2.6.1 计算机中二进制的单位：位、字节,位（bit/比特）:,位是二进制数的最小单位，英文名称是bit，也写作比特，位仅有0和1两种状态。 4bit用一个十六进制数表达。,字节（Byte）:,一个字节有8位组成，字节是单片机中最基本的数据单位，数据、地址、指令等都以字

7、节为单位。 一个字节用两个十六进制数表达。,2.6 AT89C51的存储器结构,2.6 AT89C51的存储器结构,2.6.2 AT89C51的存储器结构,2.6 AT89C51的存储器结构,2.6.2 AT89C51的存储器结构,2.6 AT89C51的存储器结构,程序存储器,内部和外部程序存储器统一编址，64KB最大寻址空间； AT89C51内部集成4KB程序存储器； /EA接高电平，低4KB选择片内程序存储器，超过部分选择片外程序存储器； /EA接低电平，64KB寻址空间全部选择片外程序存储器。 PC指针，又叫程序计数器，是一个16位的寄存器，用来存储程序存储器的地址。CPU总是执行PC

8、指针所指程序存储器单元内的程序。,0000H：上电或复位入口地址 0003H：外部中断0入口地址 000BH：定时器T0中断入口地址 0013H：外部中断1入口地址 001BH：定时器T1中断入口地址 0023H：串口中断入口地址,2.6 AT89C51的存储器结构,程序存储器的6个特殊地址：,在上述六个事件发生时，CPU将转到固定地址单元执行程序，这个固定地址称为入口地址。 而这个过程实际是通过PC指针实现的，也就是说，在上述事件发生时，首先是PC指针获得固定的地址，然后是CPU执行PC指针所指地址单元内的程序。,数据存储器,2.6 AT89C51的存储器结构,内部和外部数据存储器独立编址；

9、 内部数据存储器256Byte，地址为00H-FFH; 外部数据存储器最大寻址空间64KB，地址为0000H-FFFFH。 外部数据存储器的相关内容在第8章将详细介绍。 内部数据存储器共256字节，分为低128字节和高128字节。 低128字节为用户数据存储器，地址为00H-7FH 高128字节为特殊功能寄存器，地址为80H-FFH,2.6.3 AT89C51的内部数据存储器,2.6 AT89C51的存储器结构,内部数据存储器256Byte，地址为00H-FFH； 低128字节为用户数据存储器， 地址为00H-7FH 高128字节为特殊功能寄存器（SFR）， 地址为80H-FFH,字节地址、位

10、地址的概念,2.6 AT89C51的存储器结构,（1）低128字节用户数据存储器,寄存器区(00H-1FH),共32字节，地址00H-1FH 分成4组寄存器区； 每组寄存器区8个字节，R0-R7； 当前使用的工作寄存器组由RS1、RS0选择；,如何设置RS1、RS0的值？,位寻址区(20H-2FH),2.6 AT89C51的存储器结构,共16字节，地址20H-2FH； 可位寻址，即每一位进行单独读写； 共128位,位地址00H-7FH；,通用数据存储器区（30H-7FH）,2.6 AT89C51的存储器结构,共80字节，地址30H-7FH； 只能进行字节读写； 一般将堆栈也设在该区域。,2.6

11、 AT89C51的存储器结构,（2）高128字节特殊功能寄存器(SFR),共128字节，字节地址80H-FFH； 实际使用了21个地址单元； 11个SFR有位寻址功能，位地址80H-FFH；, SFR中共有11个寄存器可以位寻址； 可位寻址SFR的字节地址具有能被8整除的特征。可位寻址SFR的最低位位地址与该SFR的字节地 址相同。,每个SFR寄存器都与特定功能有关； 对单片机的控制，实际就是通过向SFR寄存器里写入不同的值来实现的。,2.6 AT89C51的存储器结构,2.6 AT89C51的存储器结构,P0：字节地址80H，位地址80H-87H P1：字节地址90H，位地址90H-97H

12、P2：字节地址A0H，位地址A0H-A7H P3：字节地址B0H，位地址B0H-B7H,2.6 AT89C51的存储器结构,对单片机的控制，实际就是通过向特殊功能寄存器里写入不同的值来实现的。,字节地址： (1) MOV P1，#FFH（关闭 (2) MOV 90H，#00H（打开 位地址： (3) SETB P10（关闭） (4) CLR 90H（打开）,A,2.6 AT89C51的存储器结构,累加器，字节地址EOH； 可以位寻址，位地址E0H-E7H； 算术运算和数据交换一般都要通过该寄存器实现；,例：将内部数据存储器30H单元和31H单元的值相加， 结果保存到3FH单元中。 MOVA，3

13、0H； ；将30H单元内的值复制到累加器A中 ADD A，31H ；将累加器A和31H单元相加 MOV 3FH，A ；将和保存到3FH单元中,B,2.6 AT89C51的存储器结构,辅助寄存器，字节地址FOH； 可以位寻址，位地址F0H-F7H； 一般用于乘法和除法运算；,例：将内部数据存储器30H单元和31H单元内的值相乘， 结果保存到3FH、3EH单元中。 MOVA，30H； ；将30H单元内的值复制到累加器A中 MOV B，31H； ；将31H单元内的值复制到寄存器B中 MUL AB ；将累加器A和寄存器B中的值相乘 MOV 3FH，B ；将乘积高字节保存到3FH单元 MOV 3EH，A

14、 ；将乘积低字节保存到3EH单元,DPTR,2.6 AT89C51的存储器结构,DPTR是一个16位的数据指针，由DPH和DPL组成； 可以寻址64K地址空间； DPL，字节地址82H，不可以位寻址； DPH，字节地址83H，不可以位寻址； DPTR用于读写外部数据存储器。,例：将数值#7CH保存到外部数据存储器3A6FH单元中。 MOVA，#7AH； ；先将数值#7CH写入累加器A中 MOVDPTR，#3A6FH ；指针指向3A6FH单元 MOVX DPTR，A ；将累加器A中的值写入DPTR所指单元中,PSW,2.6 AT89C51的存储器结构,Cy进（借）位标志，其主要作用是保存算术运算

15、的进或借位，并在进行位操作时做累加器。 在执行某些算术和逻辑指令时，可以被硬件或软件置位或清零。在算术运算中它可作为进位标志，在位运算中，它作累加器使用，在位传送、位与和位或等位操作中，都要使用进位标志位。,位地址 位名称,AC辅助进位标志，当进行以A为目的的运算时，运算结果从D3位产生进位或借位时AC=1，另外可用于BCD码调整。 进行加法或减法操作时，当发生低四位向高四位进位或借位时，AC由硬件置位，否则AC位被置0。在进行十进制调整指令时，将借助AC状态进行判断。,F0用户存储位，不具有其它任何软硬件功能。,RS1,RS0选择当前工作寄存器组,OV溢出标志位，在有符号数运算结果超出允许范

16、围OV=1,否则OV=0。 当执行算术指令时，由硬件置位或清零来指示溢出状态。在带符号的加减运算中，OV1表示加减运算结果超出了累加器A所能表示的符号数有效范围（128127），即运算结果是错误的，反之，OV0表示运算正确，即无溢出产生。 无符号数乘法指令MUL的执行结果也会影响溢出标志，若置于累加器A和寄存器B的两个数的乘积超过了255，则OV1，反之OV0。由于乘积的高8位存放于B中，低8位存放于A中，OV0则意味着只要从A中取得乘积即可，否则要从B和A寄存器对中取得乘积结果。 在除法运算中，DIV指令也会影响溢出标志，当除数为0时，OV1，否则OV0。,P奇偶标志位，当A中1的个数为奇P

17、=1，否则为P=0 ，由硬件置/复位。 每个指令周期由硬件来置位或清零用以表示累加器A中1的个数的奇偶性，若累加器中1的个数为奇数则P1，否则P0。,程序状态字，字节地址DOH； 可以位寻址，位地址D0H-D7H。,SP,2.6 AT89C51的存储器结构,堆栈指针，字节地址81H； 不可以位寻址； 用于指示栈顶位置。,思考题：什么是堆栈，堆栈具有哪些特点？,PC,2.6 AT89C51的存储器结构,AT89C51单片机内唯一隐含特殊功能寄存器，没有分配字节地址； PC为程序计数器,Program Counter，是一个16位寄存器； 程序按照PC所指地址依次执行，既功能为程序存储器指针，简称

18、PC指针； 上电或复位后PC值为0000H ； 用户既不能直接对其进行写操作，也不能直接对其进行读操作； PC内容是通过执行指令改变的； 执行数据传送类指令时，PC值按照指令长度依次增加； 执行跳转指令（LJMP）、调用指令（LCALL）、调用返回指令（RET）、中断响应、中断返回指令（RETI）时，PC值出现跳变。,2.6 AT89C51的存储器结构,2.6 AT89C51的存储器结构,部分特殊功能寄存器SFR的初始化状态,2.假设某AT89C51单片机系统外接晶体为11.0592MHz, （1）试计算该单片机的状态周期、状态周期频率、机器周期、机器周期频率、地址锁存信号ALE的频率。 （2）已知乘法指令MUL AB需要4个机器周期，加法指令ADD A，Rn需要1个机器周期，试计算单片机执行上述两条指令分别需要多长时间？,1.试分析复位电路在上电时，如何实现在RST引脚上产生高电平复位脉冲的？单片机为什么需要复位？,习题一,3.单片机是依靠什么来区分内部数据存储器的 字节地址和位地址的？请举例说明。,4.AT89C51单片机是依据 ，判断低4K字节程序存储位置的，当 ，选择片内的低4K字节程序存储器，当 ，选择片外的低4K字节程序存储器？,第2章 单片机的硬件结构,5.数制转换 0FH = D；10H= D； 7FH =