单片机基础(第3版)——第2章.ppt

1、单片机基础（第3版）,李广弟等编著 北京航空航天大学出版社 2007年6 月,第2章 80C51 单片机的硬件结构,2.1 单片机的概念 2.2 80C51单片机的逻辑结构及信号引脚 2.3 80C51单片机的存储器 2.4 80C51 单片机的并行I/O口 2.5 80C51 单片机的时钟与定时 2.6 80C51 单片机的系统复位 2.7 单片机低功耗工作模式,2.1 单片机的概念,单片微型计算机SCMC(Single Chip Micro-Computer)，是计算机、自动控制和大规模集成电路相结合的产物。 还有其他的称呼，如：微控制器（MCU），嵌入式微控制器（EMCU），嵌入式微处理

2、器（EMP）等。 目前使用最多的仍是8位单片机。在8位单片机中80c51的使用更为广泛。本教材也是以80c51为基础。,2.2 80C51单片机的逻辑结构 及信号引脚,2.2.1 80C51单片机的内部逻辑结构 1. 中央处理器CPU （1）运算电路 （2）控制电路 2. 内部数据存储器 3. 内部程序存储器 4. 定时器/计数器 5. 并行I/O口 6. 串行口 7. 中断控制电路 8. 时钟电路 9. 位处理器 10. 内部总线,80C51芯片逻辑结构图,P0驱动器,RAM 地址 寄存器,RAM,EPROM或ROM,P2驱动器,P0锁存器,P2锁存器,B寄存器,A,暂存器2,暂存器1,SP

3、,16位地址寄存器,缓冲器,PSW,ALU,P1锁存器,P1驱动器,振荡器,P3锁存器,P3驱动器,PC加1,PC,DPTR,中断系统 串行口 定时/计数器,定时 及 控制,指 令 寄 存 器,PSEN,ALE,EA,RST,Vcc,Vss,P0.0P0.7,P2.0P2.7,P1.0P1.7,P3.0P3.7,MCS-51系列单片机性能表,一、MCS-51系列单片机的基本组成和内部结构,MCS51单片机的结构,图2.1 单片机组成框图,1.适于控制应用的8位CPU 2.具有布尔处理（位处理）能力 3.64KB程序存储器空间 4.64KB数据存储器空间 5.128个字节片内数据存储器,二、51

4、系列单片机硬件电路特征,6. 4K字节片内程序存储器 7. 32根双向并可按位寻址的并行I/O接口线 8. 两个16位定时/计数器 9. 一个全双工的串行I/O接口 10. 6源5向量中断结构，每个中断源都具有两级 11. 片内时钟振荡器,中断系统,T0 T1,运算和控制功能,三、组成单片机的各部分功能：,存放用户程序、原始数据或表格,存放可读写的数据或运算结果,中断系统,T0 T1,用于内外数据并行传输,实现定时或计数并产生中断,串行数据传输,产生系统运行脉冲,中断系统,T0 T1,中断系统六源五向量,外部中断, , ,中断系统,T0 T1,三总线数据总线、地址总线、控制总线,内部总线有三种

5、,数据总线：专门用来传送数据信息 。,地址总线：专门用来传送地址信息，选中各操作单元。,控制总线：专门用来传送CPU各种控制命令，以便CPU统一指挥协调工作。完成程序所要执行的各种功能。,51系列三总线结构的特点：,16条地址总线: 寻址 64KB ROM和64KB RAM， 用控制线区分,无独立的地址总线、数据总线，与P0、P2口复用,P0口分时作低8位地址总线/8位数据总线 P2口分时作高8位地址总线,2.2.2 80C51单片机的封装与信号引脚 1. 芯片封装形式,2. MCS-51系列单片机引脚功能 a、电源引脚 VCC和VSS: VCC=+5V VSS=地 b、时钟引脚XTAL1（1

6、9）和XTAL2（18）: 接石英晶体 c、控制信号引脚RST, ALE,PSEN和EA RST（9）: 复位 ALE/PROG（30）:地址锁存允许/8751片内EPROM固化程序时加入编程脉冲.,d、输入/输出口 P0,P1,P2和P3 P0口是8位双向I/O口。在CPU访问片外存储器时,P0口分时提供低8位地址和8位数据的复用总线。 P1口是8位双向I/O口 P2口是8位双向I/O口。在访问片外存储器时, 它输出高8位地址。 P3口是8位双向I/O口。P3口的的每一位还有第二功能。 第一功能与第二功能是不同工作方式下的信号，不会发生使用上的矛盾。,2.3 MCS-51系列单片机存储器,2

7、.3.1 程序存储器 2.3.2 数据存储器,MCS-51存储器空间分布图,2.3.1 程序存储器,功能：用于存放编好的程序、表格和常数 。 特点：为只读存储器。,通过MOVC指令进行访问,。,0000H,0FFFH,0000H,0FFFH,1000H,FFFFH,片内ROM /EA=1,片外ROM /EA=0,片外ROM,程序存储器,存储空间：64KB的寻址空间，片内片外由EA控制,，寻址内部ROM；,，寻址外部ROM。,程序存储器中6个具有特殊含义的单元,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入口 001BH T

8、1溢出中断入口 0023H 串口中断入口,片内程序存储器,0000H 0003H 000BH 0013H 001BH 0023H 002BH,例如,主程序实际从2000H开始存放，复位后，通过 跳转指令LJMP转移至2000H开始执行。,ORG 0000H LJMP 2000H . . . ORG 2000H START：-,2.3.2 数据存储器,用途：存放程序执行的中间结果和过程数据的 。 特点：CPU工作时可以随时进行数据的读写。,物理上、逻辑上分为两大区域： 内部数据存储器00H FFH 。 外部数据存储器0000H FFFFH。,51系列单片机片内含有256个字节RAM。其中低 12

9、8B地址(00H7FH)为用户数据RAM。,1、片内数据存储器,高128B地址(80HFFH)为特殊寄存器（SFR） 单元。,8051系列单片机内部数据存储器分布如图所示：,1、片内数据RAM,工作寄存器区： 地址：00H 1FH 四组R0 R7,例,已知：程序状态字PSW中的RS0 = 1， RS1 = 1，求R0R7对应内部RAM地址。,解：因RS0=1，RS1=1 根据前表可知： R0R7对应内部RAM地址为18H 1FH,1、已知：程序状态字PSW中的RS0 = 0， RS1 = 1，求R5的地址。 2、已知：程序状态字PSW中的RS0 = 1， RS1 = 0，求R0R7对应内部RA

10、M地址，其中R2的地址又是多少？,答：R5的地址为15H。,答：R0R7对应内部RAM地址为08H 0FH， R2的地址为0AH。,位寻址区：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的用户RAM使用。,用户RAM区：,地址：30H 7FH，80个单元 特点：用户可随意使用,实际RAM区：007FH,（2）特殊功能寄存器（SFR）,占用片内RAM 80FFH中部分单元。80 FFH未被SFR占用的单元保留，用户不能使 用。SFR也称专用寄存器，专用于控制、 管理片内ALU部件、并行I/O口、串行I/O 口、定时/计

11、数器、中断系统，如下表所 示。其中有些专用寄存器有位地址或位名 称，可以进行位操作。,特殊功能寄存器,特殊功能寄存器SFR区,21个特殊功能寄存器SFR：, CPU：ACC，B，PSW，SP，DPTR, 并行口：P0，P1，P2，P3,定时/计数器 (T0，T1) ： TMOD ，TCON TH0，TL0，TH1，TL1, 中断系统：IE，IP, 串行口：SBUF，SCON，PCON,1）寄存器B,2）程序状态字(Program Status Word),RS1、RS0 寄存器组选择位 选择指令当前工作的工作寄存器组。 OV 溢出标志 带符号加减运算中，超过累加器A所能表示的符号数有效范围（-

12、128+127）则OV1。 乘法指令，乘积超过255时，OV=1。除法指令，OV=1，表示除数为0。 P 奇偶标志 A中1的个数若为奇数P=1,否则P=0,例：已知累加器A=3DH，请问PSW中的奇偶校验位P=？解：A=3DH=00111101B P=1,1、已知累加器A=34H，请问PSW中的奇偶校验位P=？ 2、已知累加器A=C6H，请问PSW中的奇偶校验位P=？,答案：A=00110100 ，P=1,答案：A=11000110 ，P=0,3）数据指针(DPTR),数据指针为16位寄存器，编程时，既可以按16位寄存器来使用，也可以按两个8位寄存器来使用，即高位字节寄存器DPH和低位字节DP

13、L。,DPTR主要是用来保存16位地址，当对64kB外部数据存储器寻址时，可作为间址寄存器使用，此时，使用如下两条指令： MOVXA,DPTR MOVXDPTR,A,在访问程序存储器时，DPTR可用来作基址寄存器，采用基址+变址寻址方式访问程序存储器，这条指令常用于读取程序存储器内的表格数据。 MOVCA,A+DPTR,4）堆栈指针SP(Stack Pointer),指明栈顶元素的地址，8位，可软件设置初值，复位时SP = 07H。,5）I/O口专用寄存器(P0、P1、P2、P3),I/O口寄存器P0、P1、P2和P3分别是MCS-51单片机的四组I/O口锁存器。,6）定时/计数器(TL0、T

14、H0、TL1和TH1),MCS-51单片机中有两个16位的定时/计数器T0和T1，它们由四个8位寄存器组成的，两个16位定时/计数器却是完全独立的。我们可以单独对这四个寄存器进行寻址，但不能把T0和T1当作16位寄存来使用。,7）定时/计数器方式选择寄存器(TMOD),TMOD寄存器是一个专用寄存器，用于控制两个定时计数器的工作方式，TMOD可以用字节传送指令设置其内容，但不能位寻址 。,MCS-51系列单片机有一个数据指针DPTR可用于寻址片外程序存储器或片外数据存储器单元。它为16位，可寻址范围为64KB（0000HFFFFH）。,通过MOVX指令进行访问。,2、片外数据存储器,2.3.3

15、 堆栈操作,1. 堆栈的功用 堆栈主要是为子程序调用和中断操作而设立的，对应有两项功能：保护断点和保护现场。 2. 堆栈的开辟 只能开辟在芯片的内部数据存储中。 3. 堆栈指针 堆栈的两种操作：进栈和出栈。都是对栈顶单元进行的。堆栈指针SP用来指示栈顶。SP的内容就是堆栈栈顶的存储单元地址。,4. 堆栈类型 两种不同类型的堆栈结构 两种类型：向上生长型和向下生长型。80c51使用向上生长型堆栈，操作规则如下： 进栈操作：先SP加1，后写入数据。 出栈操作：先读出数据v，后SP减1。,5. 堆栈使用方式 两种：自动方式和指令方式。 自动方式：在调用子程序或中断时，返回地址自动进栈。程序返回时，断

16、点再自动弹回PC。 指令方式：使用专用的堆栈操作指令，进行进出栈操作。进栈指令为PUSH，出栈指令为POP。,2.4 80C51 单片机的并行I/O口 80C51共有4个8位的并行双向I/O口：P0，P1，P2，P3。可以按字节寻址外，还可以按位寻址。,2.4.1 P0口逻辑结构 P0口地址为80H，位地址为80H-87H。 既可做一般I/O口，又可作地址/数据总线，某一位的内部结构如下图,2.4.2 P1口逻辑结构 P1口地址为90H，位地址为90H-97H。只能作为通用数据I/O口使用，电路逻辑如下图：,2.4.3 P2口逻辑结构 P2口地址为A0H，位地址为A0H-A7H。 既可做通用I

17、/O口，又可作系统高位地址线，某一位的内部结构如下图,2.4.4 P3口逻辑结构 P3口地址为B0H，位地址为B0H-B7H。 虽然可做通用I/O口，但在实际应用中，它的第二功能信号更为重要，某一位的内部结构如下图,2.5 80C51 单片机的时钟与定时,单片机本身是一个复杂的同步时序系统，为保证同步工作方式的实现，单片机必须有时钟信号，以使其系统在时钟信号的控制下按时序协调工作。,2.5.1 时钟电路,1. 振荡电路 石英晶体作为感性元件，与电容构成振荡回路，为片内放大器提供正反馈和振荡所需的相移条件，从而构成一个稳定的自激振荡器，如下图。,2. 分频电路 振荡电路产生的振荡信号并不直接为单

18、片机所用，而要进行分频，以得到单片机各种相关的时钟信号。,3. 晶振频率 1.233MHz. 4. 从外部引入脉冲信号驱动时钟电路 除了由振荡电路产生高频振荡信号外，还可从外部脉冲源直接引入。,2.5.2 定时单位,1. 拍节与状态 即振荡周期，时钟脉冲频率的倒数，定义为拍节（P）。时钟信号的周期定义为状态（S）。1S=2P 2. 机器周期 规定一个机器周期的宽度为6个状态，S1S6。 3. 指令周期 执行一条指令所需要的时间，可包含1个、2个或4个机器周期。,【振荡周期】：单片机外接石英晶体振荡器的周期。如外接石英晶体的频率若为12MHz，其振荡周期就是1/12微秒。 【状态周期】：单片机完

19、成一个最基本的动作所需的时间周期。如扫描一次定时器T0引脚状态所需要的时间。一个状态周期2个振荡周期。 【机器周期】：单片机完成一次完整的具有一定功能的动作所需的时间周期。如一次完整的读操作或写操作对应的时间。一个机器周期6个状态周期。 【指令周期】： 执行完某条指令所需要的时间周期，一般需要14个机器周期，如MUL AB指令是四机器周期指令。一个指令周期14个机器周期。,例:一个时钟频率为6MHz的单片机应用系统，它的时钟周期、机器周期、指令周期分别是多少？,解: f=6MHz T=1/6(s) TM=12(1/6)=2(s) T指=28 s,2.6 80C51 单片机的系统复位,复位是单片

20、机的硬件初始化操作。复位后，单片机才能开始正常工作。 2.6.1 复位方式与初始化状态 1. 复位方式 （1）加电复位：通过专用的复位电路产生复位信号。 （2）手动复位： 在实际应用中，总是把加电复位和手动复位结合在一起，形成一个综合的复位电路。,2. 初始化状态复位后的片内状态为,PC0000H ACC00H B00H PSW00H SP07H DPTR0000H P0P30FFH IPxxx00000B 完成复位操作需24个状态周期,IE0 x000000B TMOD00H TCON00H TH0,TL0,TH1,TL100H SCON00H SBUF不定 PCON0 xxxxxxxB,2.6.2 复位电路,1. 复位电路概述 使用过的复位电路：积分电路型、微分电路型、比较型和看门狗型。常用前两种。 （1）积分电路型 用于产生低电平复位信号，见下图。,（2）微分电路型 用于产生高电平复位信号，见下图。,2. 80C51 基本复位电路,3. 80C51 芯片内复位电路,2.7