单片机原理及接口技术-江汉大学教案.ppt

1、1 MCS-51单片机基础,1.1 单片机内部组成及其功能 1.2 管脚定义及其使用 1.3 端口结构及其使用 1.4 存储器结构 1.5 单片机工作方式 1.6 单片机工作时序 1.7 单片机最小系统构建,1.1 MCS-51单片机及内部组成,MCS-51的典型产品是8031、 8051、8751。 8031无片内ROM; 8051是ROM型单片机，内部有4KROM； 8751片内有4KEPROM； 89C51片内有4KFPEROM。 除此以外，它们的内部结构及引脚完全相同。 以8051为例给出的单片机功能方块图: 主要有CPU、存储器、可编程I/O、定时/计数器、串行口等。 各部分通过内部

2、总线相连。,MCS-51单片机组成框图,8051的内部结构框图 1. 中央处理器CPU 2. 片内RAM 3. 片内ROM 4. 定时器/计数器 5. 并行I/O口 6. 串行口 7. 中断控制系统,8051的内部结构图,8051的内部结构展开图,CPU,MCS-51 CPU,算术逻辑运算单元ALU (8位) +、算术运算 与、或、非、异或 逻辑运算、循环移位、位处理 寄存器阵列 (1)工作寄存器R0R7 (8位) 暂存运算数据和中间结果。 4个工作寄存器区，工作寄存器0区3区。 每个区均含8个寄存器R0R7 。 用PSW中的两位PSW.4和PSW.3来切换工作寄存器区，选用一个工作寄存器区进

3、行读写操作。,(2)累加器ACC(8位) 需要ALU处理的数据和计算结果多数要经过A累加器。 (3)寄存器B(8位) 与A累加器配合执行乘、除运算。也可用作通用寄存器。 (4)数据指针DPTR(16位) 存放片外存储器地址，作为片外存储器的指针。可分成两个8位寄存器DPH、DPL使用。,(5)程序状态字PSW(8位) 存放ALU运算过程的标志状态,PSW,CY（PSW.7）进位标志 AC（PSW.6）辅助进位（或称半进位）标志 F0（PSW.5）由用户定义的标志位 RS1（PSW.4）、 RS0（PSW.3）工作寄存器组选择位 OV（PSW.2）溢出标志位， 由硬件置位或清零 P （PSW.5

4、）奇偶标志，为奇时P=1,(6)堆栈指针SP(8位) 堆栈是按“先进后出”原则存取数据的存储区。 MCS-51堆栈设在片内RAM区。 数据入栈/出栈时，SP自动加1/减 1，其内容始终为栈顶地址。 复位时 SP=07H。 (7)程序计数器PC(16位) CPU总是按PC的指示读取程序。 PC可自动加1 ，因此CPU执行程序一般是顺序方式。 当发生转移、子程序调用、中断和复位等操作，PC被强制改写，程序执行顺序也发生改变。 复位时，PC=0000H。,1.2 管脚定义及其使用,1. 电源类引脚 VCC ：芯片工作电源的输入端，5V。 VSS ：电源的接地端。 2. 控制信号引脚 RST/VPD：

5、RST为复位信号输入端。 ALE/PROG：ALE为地址锁存允许输出信号。 PSEN：外部程序存储器ROM的读选通信号输出端。 EA/VPP：为访问内外部程序存储器控制信号。,3. 时钟振荡电路引脚 XTAL1、XTAL2：内部是一个振荡电路。当使用内部振荡电路时在这两个管脚上外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。 4. 并行I/O端口 P0口：8位漏极开路双向I/O口；访问外部存储器时，分时提供低8位地址并用作8位双向数据总线。 P1口：带内部提升电阻8位准双向I/O。 P2口：带内部提升电阻8位准双向I/O口；访问外部存储器时，提供高8位地址。在对8751片内E

6、PROM进行编程和检验时，P2口用于接收高8位地址和控制信号。 P3口：带内部提升电阻8位准双向I/O口。,P3口各位的第二功能,MCS-51单片机芯片引脚图,1.3 端口结构及其使用,MCS-51片内并行 I/O接口 每个端口都由锁存器、输出驱动和输入缓冲组成 P0口： 总线I/O端口、双向、三态，数据地址分时复用 通用输出口：外接上拉电阻，可驱动8个TTL负载 通用输入口 数据/地址分时复用 地址：低8位地址 数据：输入/输出,P0口作为通用I/O口使用 （1）P0口作为通用输出 必须外接上拉电阻，（比如10K）。 （2）P0口作为通用输入 应区分读引脚和读锁存器指令编译时自动选择 P0口

7、在作为一般输入口使用时，在读取管脚之前应向锁存器写入“1” ，使输出管都截止准双向口 （3）P0口作为地址/数据总线使用 P0口作为地址/数据总线使用时，无需外接上拉电阻。,P1口： 通用I/O端口、准双向静态口，具有输出锁存，单功能端口，没有特殊功能 输出：不需上拉电阻 输入：与P0相同,P2口： 动态I/O端口，总是在输出从外存中取指令地址高8位和输出从内部总线来的数据之间进行切换，准双向口 通用I/O口：与P1相同 高8位地址线,P3口： 双功能静态I/O口，各端口线都有两种功能（第一功能和P1口相同，第二功能为特殊功能）选择，准双向口,具有第二功能输出的P3口位结构图,P0口、P2口和

8、P3的第二功能用法: 初学时往往对P0口、P2口和P3口的第二功能用法迷惑不解，认为第二功能和原功能之间要有一个切换的过程，或者说要有一条指令 事实上，各端口的第二功能完全是自动的，不需要用指令来转换。 并口小结P18 表1-7,MCS-51全双工串行I/O口 P3口各线第二功能 P3.0： RXD 串行接收 P3.1： TXD 串行发送,1.4 存储器结构,存储器的基础知识 存储器的分类方式: ROM/RAM 存储器的常用单位及术语 位(Bit):计算机中最基本和最小的数据单位。 字节(Byte):1Byte=8Bit。 字(Word):16位二进制数 字长:字长是指计算机一次处理二进制数码

9、位数。 存储器的编址方式 冯 诺依曼(Von Neumann)结构将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构统一编址 哈佛(Haward)结构将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构独立编址 MCS-51采用的是哈佛结构。,MCS-51存储器 MCS-51单片机存储器的分类 从物理结构上可分为4个部分: 片内、 片外程序存储器 8031和8032没有片内程序存储器 片内、 片外数据存储器 从寻址空间分布可分为3大部分: 程序存储器 内部数据存储器 外部数据存储器,从功能上可分为5大部分: 程序存储器 内部数据存储器 特殊功能寄存器 位地址空间 外部数据存储器 片内、 片外程序存储器和数

10、据存储器各自总容量为64 KB。,存储器结构图,(1)程序存储器ROM,程序存储器用来存放程序，有时也存放常数表。 以PC为地址指针，PC为16位，可寻址范围为64K字节。 片内ROM与片外ROM统一编址，单片机执行程序时，由EA引脚决定是片外ROM还是片内ROM EA=1，若PC在0000H0FFFH（4K）内，则CPU从片内ROM取指令；若PC大于0FFFH时，CPU自动转向片外ROM取指令 EA=0，片内ROM不起作用，CPU只从片外ROM取指令。,8051、8751、89C51内部有4K程序存储器，占用地址0000H-0FFFH，1000H-FFFFH为外部扩展存储空间。 8052、8

11、752等内部有8K程序存储器，占用地址0000H-1FFFH，2000H-FFFFH为外部扩展存储空间。 8031、8032内部无程序存储器，0000HFFFFH为外部存储空间，故对8031、8032单片机，EA应接地。,(2)内部数据存储器,MCS-51单片机内部有128字节的RAM，编址为00H-7FH，工作寄存器和数据寄存器统一编址。 MCS-52系列有256字节的RAM，上半部分的128字节只能用间址寻址。 00H-1FH为工作寄存器区，分四个区，每个区8个寄存器R0R7。 任何时刻CPU只能使用其中一个工作寄存器组， 其它单元可当一般数据存储器使用。 通过修改PSW中的RS1、RS2

12、两位的值就能任选一个工作区。,堆栈,堆栈的作用： 在程序调用和中断时用来保护断点和现场 堆栈是内部RAM的一个区域，是用来存放数据的，这个区域本身没有任何特殊之处，特殊的是 它存放和取用数据的方式，即所谓的“先进后出，后进先出” 并且堆栈有特殊的数据传输指令，即PUSH和POP 有一个特殊的专为其服务的单元，即堆栈指针SP 每执一次PUSH指令，SP就在原来值的基础上自动加1， 每执行一次POP指令，SP就在原来值的基础上自动减1。,由于SP中的值可以用指令加以改变，所以只要在程序开始阶段更改了SP的值，就可以把堆栈设置在规定的内存单元中，如在程序开始时，用一条MOV SP，#5FH指令，就时

13、把堆栈设置在从内存单元60H开始的单元中。 一般程序的开头总有这么一条设置堆栈指针的指令，因为开机时，SP的初始值为07H，这样就使堆栈从08H单元开始往后，而08H到1FH这个区域正是8051的第二、三、四工作寄存器区，经常要被使用，这会造成数据的浑乱。 当设置好堆栈区后，并不意味着该区域成为一种专用内存，它还是可以象普通内存区域一样使用，只是一般情况下编程者不会把它当成普通内存用了。,(3)位地址空间,20H-2FH为位寻址区，这16个单元的每一位都有一个8位的地址，位地址范围从00H-7FH，可由程序直接进行位操作。当然也可通过它们的字节地址访问，当作一般数据存储器使用。 51系列单片机

14、提供布尔处理，可直接进行位操作。 在内部RAM中，既有字节地址又有位地址，两者的地址范围都是00H7FH，使用时采用不同寻址方式来区分。 字节地址：直接寻址或间接寻址 位地址：位寻址,(4)特殊功能寄存器,MCS-51的I/O锁存器、定时器、串行口数据缓冲器以及各种控制寄存器和状态寄存器都以特殊功能寄存器（SFR）的形式出现，离散的分布在80H-FFH（128个字节）的范围内，51系列单片机可操作的寄存器有21个，其它地址保留（留给扩充功能使用）。 所有字节地址为8的整数倍的特殊功能寄存器都具有为位地址，共有11个。特殊功能寄存器的位地址一般不需记忆，只需记得相应的寄存器名，一般在汇编中用A.

15、X的方式即可访问，由汇编程序完成地址的对应转换。,(5)外部数据存储器,当内部RAM不能满足数量上的要求时,可通过总线端口和其他I/O端口扩展外部数据RAM。 MCS-51提供了扩展64K程序存储器和64K数据存储器的能力。 对片内RAM和片外RAM的操作其区别是： 片内RAM操作时无读写信号产生 片外RAM操作时则有读写信号产生,单片机存储器结构小结,物理结构： 逻辑结构：,片内数据存储器,片外数据存储器,片内外统一编址程序存储器,独立编址？,程序存储器 片内4KB 片外最多可扩展64KB,问题：总的程序存储器容量为？ 64+4=68KB？,统一编址,数据存储器 片内128B 片外最多可扩展

16、64KB,片内片外地址重叠！,解决方法：不同的指令,MOV,MOVX,独立编址,工作寄存器区 00H1FH (32个) 分4个组 每个组都有8个寄存器R0R7 工作区的选择由PSW.4 PSW.3确定 位寻址区 20H2FH 16个字节，128个位 既可以字节寻址，也可以位寻址 51单片机特有的功能 可用于开关量控制,堆栈或数据区 30H7FH 堆栈指针SP 复位时堆栈设在07H，一般需要修改到30H之后 除了工作寄存器区、位寻址区和堆栈外的内部RAM都可作为数据缓冲区 特殊功能寄存器SFR 80HFFH 21个 与片内RAM统一编址 有11个能位寻址（字节地址为8的整数倍） 未定义的单元是随

17、机数，可读，不可写 A、B、PSW、DPTR、SP,可扩展64KB 采用寄存器间接寻址方式访问 DPTR、R0、R1 R0、R1需要P2口配合，P2+R0(R1)组成16位地址,单片机存储器结构总结,1.5 MCS-51的工作方式,复位方式 上电复位 手动复位 自动复位（WATCHDOG） 程序执行方式 ：从0000H单元开始 单步执行方式 ：用于调试时，每按键一次执行一步 低功耗工作方式与掉电保护,复位电路,复位操作有两种形式： 1）上电复位 2）按键复位 复位后单片机的初始状态： PC=0000H SP=07H P0P3=FFH PSW=00H IP=IE=00000000B,1.6 单片

18、机时钟及时序,时钟频率范围要求在1.2MHz12MHz之间。 单片机的时钟信号的产生通常有两种有两种电路形式： 1内部时钟方式：内部一个高增益反相放大器与片外石英晶体或陶瓷谐振器构成了一个自激振荡器。 XTAL1、XTAL2 晶体振荡器的振荡频率决定单片机的时钟频率。 2外部时钟方式：外部振荡器输入时钟信号。,基本时序单位： 晶体振荡器的振荡周期或外部时钟的时钟周期 振荡频率二分频后形成状态周期，即一个状态周期包含2个振荡周期 振荡频率12分频后形成机器周期 机器周期：完成一个基本操作所需要的时间。 一个机器周期由12个时钟周期组成。 指令周期：一条指令的执行时间。 以机器周期为单位：单周期、

19、双周期和四周期指令。,振荡频率、振荡周期(时钟周期)、状态周期、机器周期、指令周期几者的关系: 振荡频率f、振荡周期T: f=1/T 状态周期、振荡周期: 状态周期=2个振荡周期 机器周期、时钟周期： 机器周期=12时钟周期 指令周期、机器周期: 单周期 双周期 四周期,单字节单机器周期指令（例如： INC A） 双字节单机器周期指令（例如：ADD A，#data） 单字节双机器周期指令（例如：INC DPTR）,1.7 单片机最小系统构建,单片机系统的扩展是以基本的最小系统为基础的, 故应首先熟悉最小应用系统的结构。 实际上, 内部带有程序存储器的8051或8751单片机本身就是一个最简单的最小应用系统,许多实际应用系统就是用这种成本低和体积小的单片结构实现了高性能的控制。 对于目前国内较多采用的内部无程