第三章单片机的结构及原理.ppt

1、,第三章 结构及原理,单片机结构与原理,教学目的：了解80C51系列单片机的内部结构、工作原理 、存储器结构、时序及复位电路等硬件内容。 教学重点：1.内部主要组成及工作原理 ； 2.存储器结构特点； 3. I/O 的复用结构,及应用特点； 4 .时序及复位电路的作用。 教学难点：1 .特殊功能寄存器的作用； 2 .堆栈及堆栈指针的作用。,第一节 内部结构与引脚说明,一.单片机芯片的组成,主要组成部分*,1、中央处理器,是单片机最核心的部分，是单片机的大脑和心脏，主要完成运算和控制功能。80C51的CPU是一个字长为8位的中央处理器。,2、内部数据存储器（内部RAM）,AT89S51共有256

2、个字节的RAM,前128个位用户寄存器区， 后128个专用寄存器区。,3、内部程序存储器（内部ROM）,AT89S51共有4K个字节的FLSH,用于存放数据，原始数据。,4、定时/计数器,AT89S51共有2个16位的定时器/计数器，可以实现定时和计数,5、并行I/O口,AT89S51共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2、P3）,6、串行口,AT89S51有一个全双工的可编程串行口,及一个ISP串行编程 接口,7、时钟电路,AT89S51单片机内部有时钟电路，但晶振和微调电容需外接。,8、中断系统,AT89S51单片机共有5个中断源，2个外部 3个内部中断源，即2个定时/计数中断，1个串行

3、口中断。,二.MCS-51引脚功能（P27）*,1、主电源引脚Vss和Vcc,Vss (20脚)：接地。 Vcc（40脚）：主电源4V +5.5V,2、时钟电路引脚XTAL1和XTAL2,XTAL1(19脚)：接外部晶体的一端，在片内它是振荡电路 反向放大器的输入端。,XTAL2(18脚)：接外部晶体的另一端，在片内它是振荡电路 反向放大器的输出端。,3、RST、ALE/PROG、PSEN、EA/Vpp,RST(9脚) 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：,ALE/PRO

4、G:访问片外存储器时，作为锁存扩展地址低位字节的控制信号。,平时不访问片外存储器时，该端也以1/6的时钟振荡频率固定输出正脉冲，供定时或其它需要使用。,ALE,PSEN(29脚)：在访问片外程序存储器时，此端输出负脉冲作为程序存储器的读选通信号,EA/Vpp(29脚):当该端输入高电平时，,= 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 CPU从片内程序存储器地址0000H单元开始执行程序。当地址超出4KB时，自动执行片外程序存储器的程序。,/ Vpp 内外ROM选择端,EA,EA,4、输入/输出引脚,P0.00.7(3932脚)：在访问片外存储器时，

5、它分时提供低8位地址和8位双向数据。,P2.02.7(3932脚)：在访问片外存储器时，它输出高8位地址。,P3.03.7(3932脚)：双功能输入输出口。,第二节 单片机的工作原理,一、指令与程序概述,指令：是规定计算机执行特定操作的命令，CPU就是根据指令来指挥和控制计算机各部件协调动作，完成规定操作。指令通常分为操作码和操作数。例：,ADD A , #23H,操作码,操作数,指令系统：计算机全部指令的集合,二、CPU的工作原理,CPU主要由运算器和控制器这两大部分组成。,1.控制器,根据指令码产生控制信号，使运算器、存储器、输入/输出 端口之间能自动协调地工作。主要由以下各部件构成：,程

6、序计数器PC:16位专用寄存器，用于存放和指示下一条 要执行指令的地址。具有自动加1的功能。,指令寄存器:8位寄存器，用于暂时存放指令，等待译码,指令译码器:对送入其中的指令进行翻译，产生相应的控 制信号，协调各部件进行工作。,运算器：用于进行算术、逻辑运算以及位操作处理。,2.运算器,ALU：对数据进行算术运算及逻辑运算。,ACC：累加器。属于8位寄存器，用于存放操作数、 暂存ALU的运算结果等。,暂存器：用以暂存进入运算器之前的数据。,PSW：状态字寄存器。存储运算结果的标志。,三、执行程序的过程*,单片机的工作实质就是执行人们所编制的程序的过程。逐条执行指令的过程。单片机执行每一条指令都

7、可以分为三个阶段进行：取指令、分析指令、执行指令。,取指令：根据程序计数器PC中的值从程序存储器读出现 行指令，送到指令寄存器。,分析指令：将指令寄存器中的操作码取出后进行译码分 析指令的性质。如指令要求操作数，则寻找 操作数的地址。,执行指令：取出操作数，然后按照操作码的性质对操作 数进行操作。,MOV A , #23H,例：,机器码,74H , 23H,ADD A , #23H,24H , 23H,0001H,0010H,46H,启动单片机后，指令执行顺序：,2.4 80C51单片机的时序,所谓时序就是CPU在执行指令时各控制信号之间的时间顺序。日常生活中很多事情都和时序有关。 单片机作为

8、一个整体，为保证各部分有条不紊按顺序工作，必须在同一个时钟信号的控制下工作。即发令者只能有一个。 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。,时钟周期（P）：即振荡周期，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 。 例如：单片机18、19脚外接的石英晶振频率为1MHZ，则其时钟周期为1uS；石英晶振频率为6MHZ，则时钟周期为1/6uS。石英晶振频率为12MHZ，则时钟周期为1/12uS。,状态周期（S）：80C51系列单片机中，一般将1个时钟周期定义为一个节拍，用2个

9、节拍即两个时钟周期表示一个状态周期。 机器周期：完成一个基本操作（取指令等）所需要的时间。80C51中一个机器周期等于12个时钟周期，即6个S周期。,指令周期：指执行一条指令所需时间，书后附录有表格可供查找，目前不需要记忆。,石英晶体振荡器,第三节 存储器,问题1：存储容量为256个字节的存储器需要多少位地址？,问题2：存储容量为4K字节的存储器需要多少位地址？,问题3：存储容量为64K字节的存储器需要多少位地址？,00HFFH,000HFFFH,0000HFFFFH,8051在物理结构上设计成程序存储器与数据存储器独立分开的哈佛结构： 片内程序存储器4KB（ROM 0000H0FFFH） 片

10、内数据存储器128B（RAM 00H7FH）,程序存储器用于存放程序和固定不变的数据，断电后数据不消失； 数据存储器用于（暂时）存放中间数据的变量和运算结果，断电后数据消失。,一、MCS-51单片机的内存结构,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,整理一下思路,物理上的四个存储器空间相当于四栋楼房。 程序存储器的这两栋楼房的住户只能是程序和固定数据；数据存储器的这两栋楼房住户只能是暂存数据。相互之间不允许换房子。 片内程序存储器的住户住

11、满后，新住户可以换到片外程序存储器居住。但房间的编号必须是接着片内存储器的最后一个编号排列。不得另起炉灶。,数据存储器的这两栋楼房有所不同。片内数据存储器这栋房子住满后，新的暂存数据也可以住到片外数据存储器这栋房子去。 但是房间号得重新排列，不能接着片内数据存储器的房号排列。 这种存储器结构我们称为哈佛（Harward）体系结构。 与之相对应的称为冯诺依曼（Von Neumann）体系结构 。 思路理顺后我们接着往下深入分析。,二、程序存储器 寻址范围：0000H FFFFH 容量64KB，即地址长度：16位,，寻址内部ROM；,，寻址外部ROM。,当PC值超过片内ROM容量时会自动转向 外部

12、存储器空间。,作 用： 存放程序及程序运行时所需的常数。,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,因此编程时我们应养成良好的习惯，将主程序放置在这些存储单元之后。,数据存储器的结构图,二、数据存储器及地址空间,数据存储器,片外RAM64KB，地址范围0000HFFFFH,片内RAM128B，地址范围00H7FH,使用时只能用MOVX指令访问,使用MOV指令访问，可以进行堆栈操作,三、内部数据存储器 物

13、理上分为两大区域：00H 7FH即128B内RAM区 80H FFH即SFR区。,R0、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7,即可位寻址，又可字节寻址,数据缓冲区、堆栈区、工作单元,寄存器区 4组(32B),00H1FH是通用工作寄存器区。一共32个单元，共分为四组，每组8个寄存器，分别被命名为R0R7。 问题出来了：四组都有R0R7，重名了。 解决办法：SFR中有一个特殊功能寄存器叫程序状态字寄存器PSW（8位），其中有两位是RS1和RS1。用这两位的四种不同状态来解决重名问题。 注意：此区域存储器只能按字节进行访问。,由PSW中的2位RS1、RS0来决定选 哪一组为当前工作寄存器： R

14、S1、RS0=00 选0组 RS1、RS0=01 选1组 RS1、RS0=10 选2组 RS1、RS0=11 选3组,00H1FH,通用工作寄存器地址表,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(20H-2FH共16个存储单元，是位寻址区),20H2FH,30H7FH,30H7FH是用户RAM区，即用户可以自由使用的存储区域。对它们的访问和通用工作寄存器区一样，只能以字节为单位。,共80个字节，作为一般的数据缓冲区并可设置堆栈区,80HFFH,80HFFH是特殊功能寄存器区，主要用于管理单片

15、机的功能部件，如设置工作方式和查看工作结果等。以AT89S51为例，它有21个8位的特殊功能寄存器，离散分布于80HFFH的128个单元中。,51子系列SFR的地址分配及位地址见下页表：,+,+,注意： 1、表中共有5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： A Register (Accumulator)： 累加器，通常用A或ACC表示。可字节寻址(E0H)， 也可位寻址(E0HE7H) 它是一个寄存器，而不是一个做加法的部件。 在运算器做运算时其中一个数一定是在ACC中。 B

16、Register：暂存寄存器。 暂存寄存器。在做乘、除法时放乘数或除数及结果。,PSW (Program Status Word ）：,它的各位功能如下：,当CPU进行各种逻辑操作或算术运算时，为反映操作或运算结果的状态，把相应的标志位置1或清0。这些标志的状态，可由专门的指令来测试，也可通过指令来读出。它为计算机确定程序的下一步进行方向提供依据。PSW寄存器中各位的名称及位置如上所示，下面说明各标志位的作用。,CY 进位/借位标志；位累加器。 AC 辅助进/借位标志；用于十进制调整。 F0 用户定义标志位；软件置位/清零。 OV 溢出标志； 如果发生溢出，OV置“1”，否则清“0”。 P 奇

17、偶标志；A中1的个数为奇数 P = 1；否则 P = 0。 RS1、RS0 寄存器区选择控制位。 0 0 ： 0区 R0 R7 0 1 ： 1区 R0 R7 1 0 ： 2区 R0 R7 1 1 ： 3区 R0 R7,P,RS0,RS1,OV,F0,AC,CY,PSW,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，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。 （3）数据指针DPTR（可分成DPH、DPL两个） 数据指针可以用它来访问外部数据存储器中的任一单元，也可以作

18、为通用寄存器来用，由我们自已决定如何使用。,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

19、计数初值。,第四节 并行输入输出端口,第四节 并行输入输出端口,8051单片机有4个I/O端口，每个端口都是8位准双向口，共占32根引脚。每个端口都包括一个锁存器(即专用寄存器P0P3)、一个输出驱动器和输入缓冲器。通常把4个端口笼统地表示为P0P3。,下图为P0口的某位P0.n(n=07)结构图，它由一个 输出锁存器、两个三态输入缓冲器和输出驱动电路 及控制电路组成。从图中可以看出，P0口既可以作 为I/O用，也可以作为地址/数据线用。,一、P0口的结构,2、通用I / O口 1）读（端口外数据 内部寄存器） 方式1（读锁存器） Q G2 D 内部总线, 适于“读修改写” 方式2（读引脚）：P0.x G1 D 内部总线。 作为通用I / O使用， 是一个准双向口： “在输入数据时应先把口置1，使两个FET都截止，引脚处于悬浮状态，可作高阻抗输入” 2）写（片内数据 端口） 数据 锁存 MUX P0.x,3）地址/数