大学单片机原理及其接口技术课程第2章-结构与时序.ppt

1、第2章：51单片机的结构与时序,本章基本要求： 51-单片机内部结构* 51-单片机外部结构* 51-单片机工作方式 51-单片机时序*,2.151-单片机内部结构,MCS-51是美国INTEL公司的8位高档单片机系列。有多个公司的多种单片机是以此为内核指令及工作方式相同。 其中，8051（52）是最有代表性的产品。 从制造工艺来看，可以分为CMOS、HMOS。,8 位的 CPU， 片内有振荡器和时钟电路,工作频率为 112MHz（Atmel 89Cxx为024MHz） 片内有 128/256字节 RAM 片内有 0K/4K/8K字节 程序存储器ROM 可寻址片外 64K字节 数据存储器RAM

2、 可寻址片外 64K字节 程序存储器ROM 片内 21/26个 特殊功能寄存器（SFR） 4个8位 的并行I/O口（PIO） 1个 全双工串行口（SIO/UART） 2/3个16位 定时器/计数器（TIMER/COUNTER） 可处理 5/6个中断源，两级中断优先级 内置1个布尔处理器和1个布尔累加器（Cy） MCS-51指令集含 111条指令,MCS-51单片机基本特性,MCS-51系列单片机配置一览表,注意：今后将会经常提到ATMEL的AT89C2051/51/52等MCU！,MCS-51单片机基本结构 包括：CPU、存储器（ROM、RAM）、I/O接口等计算机的基本组成。,2.151-单

3、片机内部结构,2.151-单片机内部结构,8051的内部主要包括三部分。 1、算术逻辑部件：实现算术和逻辑运算功能，它主要是由一个加法器和一个布尔处理器构成。 2、定时控制部件（控制器）：它由定时控制逻辑电路、指令寄存器、振荡器电路组成。实现指令的执行取指令、存放指令、指令译码、产生指令时序脉冲。其中，振荡器是指挥的核心。,2.151-单片机内部结构,3、专用寄存器组：其功能是存放指令地址、操作数、指令执行后的状态。它由程序计数器PC、累加器ACC、通用寄存器B、状态字寄存器PSW、数据指针DPTR组成。 PC：16位寄存器，专门用来存放下一条要执行的指令的内存地址。其内容随着指令的读取，可由

4、硬件自动加1。它可描述的指令空间（寻址范围）64K。 ACC：存放操作数或运算结果。 B：用来存放乘除法的第二个操作数。,2.151-单片机内部结构,状态字PSW：它是一个标志寄存器，存放指令执行以后的状态标志以及设置标志。 PSW.7：进位位Cy PSW.6：辅助进位位AC PSW.5：用户标志位F0 PSW.4、3：寄存器选择位RS1、RS0 PSW.2：溢出标志OV PSW.0：奇偶标志P奇计数时，P=1,堆栈指针SP：专用于指出堆栈顶部数据的地址。堆栈中数据存取按先进后出、后进先出的原则。 堆栈操作分自动方式和指令方式。自动方式是在调用子程序或发生中断时CPU自动将断口地址存人或者取出

5、；指令方式是使用进出栈指令进行操作。 数据指针DPTR： 16位，由两个8位寄存器DPH、DPL组成。主要用于存放一个16位地址，作为访问外部存储器（外RAM和ROM）的地址指针。,RS1、RS0 工作寄存器区选择控制位。 RS1、RS0 = 00 0区（00H-07H） RS1、RS0 = 01 1区（08H-0FH） RS1、RS0 = 10 2区（10H-17H） RS1、RS0 = 11 3区（18H-1FH）,仅用来访问外部程序 存储器和外部数据存储器,2.1.2 存储器结构,存储器,数据存储器,程序存储器,对单片机来讲，ROM和RAM的寻址机构和寻址方式是分开的。,ROM、 EPR

6、OM E2ROM或FLASH,RAM,按地址访问的一维线性（逻辑）空间,按地址访问的一维线性（逻辑）空间,单片机,容量小仅256B,容量大达64KB,普林斯顿结构,哈佛结构,普林斯顿结构,从物理上分，MCS-51分为4个存储空间,片内程序存储器 ROM,片内数据存储器 RAM,片外程序存储器 ROM,片外数据存储器 RAM（I/O）,从逻辑上分，MCS-51分为3个逻辑空间, 片内、外统一编址的程序存储器地址空间, 256B或384B片内数据存储器地址空间, 64KB片外数据存储器或I/O地址空间,片内固有,需要扩展,需要扩展,从功能上分，MCS-51分为5个地址空间, 程序存储器 ROM,

7、片内数据存储器 RAM, 特殊功能寄存器区 SFR, 位寻址区, 外部扩展的数据存储器 RAM（I/O）区,一、程序存储器,8051 / 8751内部有4KB ROM / EPROM,地址：0000H 0FFFH,8051 / 8751外部的ROM / EPROM,地址：1000H FFFFH,8031 / 8032内部没有ROM / EPROM,地址：0000H FFFFH,52 子系列内部有8KB ROM / EPROM,地址：0000H 1FFFH,52：2000H FFFFH,0000H,0FFFH,0FFFH,0000H,1000H,FFFFH,8051/ 8751,8031,51系

8、列程序存储器配置图,4KB,0000H,1FFFH,1FFFH,0000H,2000H,FFFFH,8052/ 8752,8032,52系列程序存储器配置图,8KB,二、内部数据存储器 RAM 地址:00H FFH,内部数据存储器从物理上分为几个不同的块：,MCS-51,128B RAM （地址00H7FH）,128B SFR （地址80HFFH）,MCS-52,128B RAM （地址00H7FH）,128B SFR (地址80HFFH）,256B,384B,间接寻址,直接寻址,128B RAM （地址80HFFH）,间接直接皆可,MCS-51内部 RAM配置,直接寻址,内部数据存储器配置图

9、,地址重叠,256B,384B,间接寻址,仅52 系列有,1、内部RAM区（MCS-51）,MCS-51内部RAM只有128B,内部RAM区 分为三部分,地址：00H7FH,7FH 00H,80个字节 为真正的 RAM,16个字节分为 128个RAM位,32个字节分为 四个工作寄存器区 每个区8个工作寄存器,0FH 08H,17H 10H,2FH 20H,7FH 30H,80个字节 RAM,只能按字节寻址,16个字节分为 128个RAM位,可按位亦可按字节寻址,四个工作寄存器区,内部RAM区功能配置图,00H,1FH,07H 00H,1FH 18H,亦可作普通RAM使用, 通用寄存器组 32个

10、RAM单元,共4个区，每个区8个通用工作寄存器 R0R7,“区”的选择由程序状态字PSW中的RS1和RS0确定, 位寻址区 （16个RAM单元 VS 12个SFR）, 字节地址：20H 2FH, 16个 RAM 字节共128个 RAM 位, 位地址：00H 7FH, 12个SFR中的93位具有位寻址功能,位寻址区,128个RAM位,93个SFR位, 布尔处理机数据存储器的主要组成部分,共221位,位地址请参看下页,直接地址能被8所整除的,构成,其中3位无定义,特殊功能寄存器SFR,片内RAM, 用户RAM区（数据缓冲区）共80个单元,字节地址：30H 7FH,8051单片机复位时，堆栈指针SP

11、指向 07H 单元,片内RAM的部分单元可用作堆栈,51的栈区不是固定的，为避开工作寄存器区、位寻址区，用户堆栈一般设置在 30H 7FH 之间,真正的RAM单元,SP 指针是可编程的寄存器, 程序计数器PC,16位专用寄存器 ，寻址范围64KB,此时的程序是顺序执行的,2. 专用寄存器区,通电时自动复位，运行时可手动复位，复位 后，,PC的内容自动清零,用来存放下一条指令地址。CPU取指令时，,将PC内容经地址总线送到程序存储器，从该地址单元取回指令，译码并执行；同时，PC自动加1,如果程序需要转移，可在程序中安排转移或条件转移指令,（JMP或JNC）、调用子程序指令CALL等,23个专用（

12、3个属于52）其中5个是双字节寄存器，PC物理上是独立的，其余22个属于SFR，共占用26个字节,PC 管理程序执行顺序的过程：,74H,0001H,08H,0002H,24H,0003H,04H,0004H,02H,22H,00H,0005H,0006H,0007H,2200H,78H,2201H,74H,2202H,2202H,下一条指令, 累加器A 地址：0E0H,最常用的一个专用寄存器,大部分单操作数指令的操作数取自A,很多双操作数指令的一个操作数取自A,算术运算和逻辑运算的结果放在A或AB对中,指令系统采用A 作为累加器的标识符,例：INC A,；执行A中的内容加1操作,ADD A，

13、#data,位寻址功能, 寄存器B 地址：0F0H, 8位寄存器,与累加器 A 配合使用，一般用于乘除法运算,例：MUL A B,DIV A B,次累加器,作 一 RAM单元用,余 B, 程序状态字PSW 地址：0D0H, 8位寄存器，存放程序的状态信息,格式如下：,进/借位标志CY（PSW.7）,加法运算时，如果D7有进位，则CY=1，否则CY=0,减法运算时，如果D7有借位，则CY=1，否则CY=0,布尔运算中被定义为位累加器,PSW,D7 D0,CY,辅助进位标志AC（PSW.6）,8位加法运算时，如果低半字节的D3向D4有进位，则 AC=1，否则AC=0,8位减法运算时，如果低半字节的

14、D3向D4有借位，则AC=1，否则AC=0,标志F0（PSW.5）,由用户定义,可用软件来使它置“1”、或清“0”,可由软件测试F0来控制程序流向,AC,工作寄存器区选择位RS1 、RS0（PSW.4、 PSW .3）,通过软件来改变RS1 、RS0的组合，以确定当前 工作寄存器区。,PSW.4 PSW.3,用布尔操作来改变,溢出标志OV（PSW.2）,作为有符号数加、减法时由硬件置位或清除，以指示运算结果是否溢出,执行加/减法指令时，用Ci 表示i位向i+1有进/借位,a) 第6位向第7位有进/借位，而第7位不向CY进/借位时,b) 第6位不向第7位进/借位，而第7位向CY有进/借位时,OV

15、=1, 否则 OV=0,若OV=1，意味着加/减法的结果已超出了一个字节 有符号补码数 所表示的范围（-128 +127）,D7D6D5D4 D3D2D1D0,例：,0 1 0 1 0 1 1 0 （+86）(正),0 0 1 1 0 0 1 0 (+50） (正),0,0,0,1,0,0,0,1,此时C6=1、 C7=0 则,D7D6D5D4 D3D2D1D0,1 0 0 1 0 1 1 0 （-106）(负),1,1,0,1,1,1,0,0,1,( +136) (正),(-197) (负),符 号 位,1,1 0 1 0 0 1 0 1 （-91） (负),Cy,奇偶标志P（PSW.0）,

16、 每个指令周期都由硬件置位或清零，以表示累加器A中值为“1”的位数的奇偶性, 该标志可用于串行数据通讯，验证数据传输的可靠性,P =,1 A中1的个数为奇数,0 A中1的个数为偶数,?,思 考,后，程序状态字 PSW中 CY，AC，OV，P 的状态是什么？,D7D6D5D4 D3D2D1D0,0 1 1 1 1 1 1 1 （7FH）,0 1 0 0 0 1 1 1 （47H）,0,1,1,0,0,0,1,1,（C6H）,MOV A, #7FH,ADD A, #47H,执行第一条指令后P=1，执行第二条指令后P=0,此时C6=1、 C7=0 则, 堆栈指针 SP,8位寄存器，存放栈顶地址,保护

17、CPU现场和断点地址,作用：,工作方式：“先进后出”或“后进先出”,数据压入堆栈时，SP自动加1,数据弹出堆栈时，SP自动减1,SP始终指向栈顶地址,中断时,转子时,栈区“向上生成”,按“先进后出”工作原则，由SP组织的内部 RAM区域，被称为堆栈。,例：堆栈操作,建立堆栈,压入操作,弹出操作,A的内容,B的内容,MOV SP, #60H,PUSH A,PUSH B,POP direct,direct,栈 底, 数据指针 DPTR,16位寄存器，高字节用DPH表示，低字节用DPL表示,对外部 RAM 或 I/O 口寻址，范围64KB,例：,MOVX A，DPTR,MOVX DPTR， A,;将

18、外部RAM中地址为DPTR的单元内容读到A中,;将A中的内容写到外部RAM中地址为DPTR的单元,MOVC A， A+ DPTR,;采用基址+变址的方法读程序存储器内的表格常数,;DPTR为基址寄存器， A为变址寄存器,（DPTR）,A,(A),DPTR,(A)+(DPTR),A, I/O 端口P0 P3 地址:80H 90H 0A0H 0B0H,专用寄存器P0 P3分别是端口P0 P3的锁存器, 串行数据缓冲器 SBUF 地址:99H,存放欲发送的数据,存放已接收的数据,一个地址: 99H, 定时/计数器 T0 T1,MCS-51系列有2个16位定时/计数器T0 、T1,MCS-52系列增加

19、了1个16位定时/计数器T2,SBUF,两个缓冲器共用,“写”发送缓冲器,“读”接受缓冲器,MOV SBUF，A,MOV A ，SBUF, 其他控制寄存器,寻址空间64KB,采用寄存器间接寻址方式,间址寄存器有R0、R1（256B）,数据指针DPTR（64KB）,采用MOVX指令单片机产生读/写信号，对外部RAM产生读写操作,3、外部数据存储器,FFFFH,0000H,MOVX A，Ri,MOVX A，DPTR,MOVX Ri，A,MOVX DPTR ，A,“读”指令,“写”指令,通过三条总线扩展,2.151-单片机内部结构,2.1.3I/O端口 他们的功能是：在CPU与外部设备之间传输信息。

20、可分为：并行I/O端口、串行I/O端口。 1、并行I/O端口： 它可将8位信息同时在CPU与外设之间进行传送。特点是：传输距离近、传输线多、传输速度快。 8051具有四个并行I/O端口，每个都可用于传输8位二进制信息。 四个端口取名为：P0、P1、P2、P3。,2.151-单片机内部结构,注意： 每个端口的结构：8位输入缓冲器、8位输出锁存器。 P0P3端口的操作可以分为：写端口、读端口、读引脚三种，各自的含义有所不同。,2.151-单片机内部结构,2、串行I/O端口 CPU与外设使用串口传送信息时，8位信息必须分时逐位传送。特点是：传输距离远、传输线少、传输速度慢。 8051有一个全双工可编

21、程串行I/O端口。使用TXD、RXD两条线在CPU与外设之间传输信息。 串口占CPU资源有： SCON：串口控制寄存器，存放串口工作方式信息 PCON：串口波特率寄存器，存放收发波特率信息 SBUF：串口收、发数据缓冲器，存放收发数据。,2.151-单片机内部结构,2.1.4定时/计数器 其功能是：对外部事件或内部时钟脉冲按照一定的规则进行计数。 51单片机内部设有2个（52系列设有3个）16位定时/计数器。取名为：T0、T1、（T2）。 各个16位计数器采用两个8位寄存器组成。 各定时/计数器均为加1操作，当计数的个数满时，则会产生计数/计时满输出信号。 各个定时/计数器有多种工作、控制方式

22、，可通过设置定时器方式寄存器（TMOD）和定时器控制寄存器（TCON）来选择。,2.151-单片机内部结构,2.1.5中断系统 无论是那种CPU，其中断系统都是其核心组成部分。其功能是：可以中断处理方式调整CPU处理过程，以满足某些操作的实时性要求。 所谓中断：是指CPU暂停当前的程序执行而转去为某个设备服务，在服务完成后，再返回原程序继续执行。 中断源：能向CPU发出中断请求信号的来源。 8051单片机具有5个（8052为6个）中断源。 CPU在管理中断源时，可采用级别高/低排队、请求开放/屏蔽等控制。,2.151-单片机内部结构,8051的中断系统设有： 5个中断源，分为2个外部中断源和3

23、个内部中断源，分别是：外部中断0、1，内部定时器0、1以及串口中断源。8052设有6个中断源，它比8051多了一个定时器2中断源。 8051的中断系统主要是通过：中断允许控制器IE以及中断优先级控制器来实现中断管理。 注意：有关中断的内容是本课程的重点之一，会在后面专门章节讲述。,2.251-单片机外部结构引脚功能,无论是那种CPU或者是集成电路，掌握其引脚功能是使用他们的重要前提。 51系列单片机有多种封装形式，引脚的定义及位置各有不同。大体上可分为双列直插式封装和方形封装。,2.251-单片机外部结构引脚功能,2.251-单片机外部结构引脚功能,2.2.151单片机引脚及功能 本课程以双列

24、直插式封装芯片引脚为例。 共40条引脚，分为端口、控制、电源三类： 1、端口线：4个8位端口共32条引脚，用于传输数据、地址、控制、状态等信息。 P0口（P0.0P0.7）：多功能端口，用于传输数据、地址。P0口在传输数据信息时，输入带缓冲、输出带锁存，使用非常方便。 P1口（P1.0P1.7）：单功能端口，用于数据输入/输出传输。,2.251-单片机外部结构引脚功能,P2口（P2.0P2.7）：多功能端口，用于传输地址信息或作为普通I/O端口。 P3口（P3.0P3.7）：多功能端口，用于传输控制信息或作为普通I/O端口。传输控制信息时： P3.0：RXD，串口输入 P3.1：TXD，串口数

25、出 P3.2：INT0，外部中断0输入 P3.3：INT1，外部中断1输入 P3.4：T0，计数器0输入 P3.5：T1，计数器1输入 P3.6：WR，“写”控制信号线 P3.7：RD，“读”控制信号线,2.251-单片机外部结构引脚功能,2、电源线：共2条，VCC、VSS(GND) 3、控制线：共6条，传送控制信号。 ALE：地址锁存，用于区分在多功能端口传送的数据/地址信息，ALE=0/1：数据/地址。 EA：允许访问外存储器。EA=0/1：片外/片内存储器有效。 PSEN：片外ROM选通。 RST：芯片复位线。 XTAL1、XTAL2：外接石英晶体输入线。,2.251-单片机外部结构引脚

26、功能,2.2.28031对片外存储器的连接 8031单片机的存储器分为片内、片外存储器两个部分。在一些外部连接存储器时，如下图：,2.251-单片机外部结构引脚功能,对上图的说明： 1、8031单片机分为数据、程序两个存储空间，各个空间最大为64K字节。 2、存储容量与地址线的关系，必须是对应的。 3、ROM空间的选通线为PSEN，RAM空间的选通线为WR、RD。 举例说明： 8031单片机对外部数据、程序存储器读/写一个字节的操作。,2.3MCS-51单片机工作方式,单片机的工作方式是指：一种单片机的复位方式、程序执行方式、节电方式、编程方式的操作过程。 2.3.1复位方式 1、无论何种CP

27、U都设有一种固定的复位方式。 2、所谓复位：是指一种过程，是一种使CPU处在一种确定的初始状态的过程，其作用是为CPU开始后续操作设定一个确定的起点。 3、51单片机的复位过程需要24个时钟周期。 4、51单偏激的复位电路（P64）。 4、51单片机的复位所确定的初始状态见表：,2.3MCS-51单片机工作方式,51复位状态(P67)。注意:几个重要寄存器的初值。,2.3MCS-51单片机工作方式,2.3.2程序执行方式 可以分为单步执行、连续执行。 1、单步执行：是利用单片机的中断功能，结合特殊按键所设立的工作方式，用于调试程序。 2、连续执行：是指单片机从复位状态开始的顺序工作方式，程序的

28、起点：(PC)=0000H。,2.3MCS-51单片机工作方式,2.3.3节电工作方式 可以分为空闲、掉电两种（CHMOS类型）。（自学） 2.3.4编程和校验方式 是单片机中带有片内ROM空间类芯片所特有的工作方式。对片内的程序存储空间可以有编程、校验、保密三种方式。（自学）,2.4MCS-51单片机时序,在学习任何一种微型计算机的原理时，其时序的内容都是基本的重要概念。 所谓时序是指：CPU执行指令时所产生的各种信号（数据、地址、控制信号）的时间顺序。 从CPU执行指令的角度来看，每条指令的执行过程可以分为：取指令、执行指令两个过程。 CPU在执行指令时，产生的信号可以分为：作用于片内的数

29、据、地址、控制信号，作用于片外的数据、地址、控制信号。 本课程主要讨论作用于片外的数据、地址、控制信号。,2.4MCS-51单片机时序,OSC,ALE,S1,S2,S3,S4,S5,S6,机器周期,机器周期,XTAL2,2.4.1 机器周期和指令周期,时钟周期、机器周期、指令周期。,1、时钟周期：又可称为振荡周期，是由单片机的时钟输入引脚产生的信号。时钟周期是单片机时序中最小的时间单位。 2、机器周期：是指单片机完成某个特定功能所需要的时间，一般是由若干个时钟周期组成。MCS-51单片机的机器周期是固定的，由12个时钟周期组成。每两个时钟周期定为一个S状态，取名为：S1S6。 3、指令周期：是

30、指单片机执行一条指令所需要的时间。对不同的指令，指令周期的差异较大。有些指令需要一个、有些需要多个机器周期。,2.4.1 机器周期和指令周期,机器周期、状态、相位,一个机器周期包括6个S 状态S1S6，每个S状态 分为2 (拍)个振荡周期（相位P1，相位P2）。, 1个机器周期 6个S状态12 (拍)个振荡周期,采用主频为 12MHz 振荡源，每个机器周期为1S,又称为CPU周期,二、典型指令的取指和执行时序,OSC,ALE,S1,S2,S3,S4,S5,S6,机器周期,读操作码 04H,读下一个操作码（丢掉）PC不增“1”,再读下一个操作码,(a) 单字节单周期指令 如： INC A,机器周

31、期,XTAL2,(a) 单字节单周期指令,指令长度为一个字节,执行时间为一个机器周期,在S4P2期间的取指无效，PC不增“1”,在本周期的S6P2期间执行完毕,在S1P2期间读入操作码并锁存在指令寄存器中,读操作码 24H,读第二字节 #data,再读下一个操作码,(b) 双字节单周期指令 如：ADD A，#data,XTAL2,(b) 双字节单周期指令,指令长度为2个字节,执行时间为一个机器周期,在S4P2期间读入第2字节,在本周期的S6P2期间执行完毕,在S1P2期间读入操作码并锁存在指令寄存器中,读操作码 A3H,(c) 单字节双周期指令 如：INC DPTR,读下一个操作码（丢掉）PC不增“1”,“+1”,XTAL2,(c) 单字节双周期指令,指令长度为1个字节,执行时间为2个机器周期，因DPTR是16位的,即在本周期的S4P2及下一周期的2次取指无效,在第2周期的S6P2期间执行完毕,在S1P2期间读入操作码并锁存在指令寄存器中 在后面3个ALE出现时（PC）不加1,而CPU是8位的，,需要2次运算,读操作码 E0H,不取指,不取指 无ALE,读下一个操作码（丢掉）PC不增“1”,XTAL2,MO