单片机原理及应用(2b)

1、1,单 片 机 原 理 及 应 用,穆道明 电气与自动化工程学院自动化系,2,第2章 80C51 单片机的硬件结构,2.1 单片机的概念,单片机：,是集成在一个芯片上的计算机。在一个芯片上集成有运算器、控制器、存储器、输入输出接口以及不同的功能部件。,8051 单片机是一款八位单片机，在单片机领域有十分重要的代表性。,80C51 单片机是8051单片机CMOS工艺的改进型。8051 单片机是一个系列产品。,3,第2章 80C51 单片机的硬件结构,80C51 系列单片机的分类,4,第2章 80C51 单片机的硬件结构,2.2 80C51单片机的逻辑结构与信号引脚,2.2.1 80C51 单片机

2、的内部逻辑结构,80C51 是一个8位单片机，他是Intel公司产品。是一款最典型和应用范围最广的单片机，其逻辑结构如下图。,5,第2章 80C51 单片机的硬件结构,内部结构,6,第2章 80C51 单片机的硬件结构,80C51 单片机仍然保持经典的计算机结构。由五大基本部分组成。,1. 8位中央处理器CPU；,CPU由运算器和控制器组成,（1. ） 运算器 由累加器A、寄存器B、暂存器、算术逻辑运算单元（ALU）及程序状态字（PSW）构成。 （A）算术逻辑运算单元（ALU） 由加法器和其它逻辑电路等组成，用于对数据进行算术运算和逻辑操作的执行部件。,7,（B）累加器A 最常用的一个8位专用

3、寄存器。,第2章 80C51 单片机的硬件结构,（C）程序状态字（PSW）,一个8位的寄存器，存放机器的现行运行状态,包括：运算结果、各部件的状态等。,8,（2. ） 控制器 由程序计数器PC、指令寄存器、指令译码器、定时控制等部分构成。 （A）程序计数器PC 16位专用寄存器，用于存放下一条要执行的指令的地址。 （B）指令寄存器 8位寄存器，用于暂时存放指令，等待译码。 （C）指令译码器 进行指令译码操作。 （D）定时控制逻辑电路,第2章 80C51 单片机的硬件结构,9,第2章 80C51 单片机的硬件结构,2. 片内128B/256B RAM数据存储器和特殊功能寄存器（SFR）；,3.

4、片内4KB/8KB ROM程序存储器,4. 2/3个16位定时/计数器,5. 4个8位并行I/O口；,6. 一个全双工串行口；,10,第2章 80C51 单片机的硬件结构,7. 一个有2个优先级的5/6个中断源的中断系统,8. 片内振荡器及时钟电路,9. 位处理器（布尔处理机）,10 内部总线,总线：具有同一性质和功能的一组连线的总称。,总线的特点：在某一时间内，总线的信号流向只有一个方向。,总线有三种：,数据总线,地址总线,控制总线,11,第2章 80C51 单片机的硬件结构,2.2.2 80C51单片机的封装与信号引脚,12,第2章 80C51 单片机的硬件结构,13,第2章 80C51

5、单片机的硬件结构,2. 芯片引脚介绍,(1.) 时钟类引脚 XTAL1 （19） XTAL2 （18） (2.) 控制类引脚 RST/VPD （9） ALE/PROG （30） PSEN （29） EA/VPP （31）,14,第2章 80C51 单片机的硬件结构,(3). I/O类引脚 P0.0 P0.7 （22 29） P1.0 P1.7 （1 8） P2.0 P2.7 （40 33） P3.0 P3.7 （10 17） (4). 电源类引脚 VCC （40） VSS （20）,15,第2章 80C51 单片机的硬件结构,3. 芯片引脚的第二功能,80C51 的P0、P2、P3 并行I/O

6、接口除了作为I/O接口，还有第二种功能。,P0、P1 口作为外部存储器扩展的地址总线和数据总线,P3 口的第二功能每根线不同，其功能见下表。,16,第2章 80C51 单片机的硬件结构,小结：,80C51 是一八位单片机，内部有八位的运算器，控制器。,有四个八位的并行输入输出接口。,有128字节的片内RAM（数据存储器）,有4K字节的程序存储器,有两个16位的定式/计数器,有一个TTL电平的异步串行通信接口。,芯片内部有三种总线：数据总线、地址总线、控制总线。,17,第2章 80C51 单片机的硬件结构,2.3 80C51 单片机的内部存储器,内部存储器,内部数据存储器,内部程序存储器,2.3

7、.1 内部数据存储器低128字节的单元,两种存储器为两个地址空间.,18,第2章 80C51 单片机的硬件结构,片内数据存储器区（00H FFH）,片内数据存储器：,低128B RAM区 （00H 7FH）,高128B RAM区 （80H FFH）,SFR区 （80H FFH）,FFH,80H,7FH,00H,SFR,FFH,80H,高128B RAM,低128B RAM,高128字节的RAM区与SFR区在地址的命名是重合的，但访问方式不同。只有80C52系列才有。,19,第2章 80C51 单片机的硬件结构,内部数据存储器低128B RAM区（00H 7FH）,片内低128B RAM区：,通

8、用寄存器区（00H 1FH）,位寻址区（20H 2FH）,数据缓冲区（30H 7FH）,20,第2章 80C51 单片机的硬件结构,1. 寄存器区,寄存器：,具有特定的目的而设立的存储单元。寄存器的访问方式与一般寄存器不同,内部RAM 的前32个单元可作为通用寄存器使用，共分为4个区。,四个区只能使用一个且必定有一个，不能同时作为寄存器使用。,使用哪一区（每区八个），由程序状态字（PSW）中的RS1、RS0为决定。,作为寄存器使用时，指令访问的速度快。,21,第2章 80C51 单片机的硬件结构,7FH,2FH,1FH,00H,通用寄 存器区,片内低128B RAM区,20H,30H,位寻址区

9、,数据缓 冲区,0组,00H,1组,2组,3组,07H,08H,0FH,10H,17H,18H,1FH,7FH,7EH,7DH,7CH,7BH,7AH,79H,78H,17H,16H,15H,14H,13H,12H,11H,10H,0FH,0EH,0DH,0CH,0BH,0AH,09H,08H,07H,06H,05H,04H,03H,02H,01H,00H,20H,21H,22H,2FH,22,第2章 80C51 单片机的硬件结构,2. 位寻址区,内部RAM的20H2FH单元为位寻址区。,一般的指令访问存储器是以字为单位的（80C51的字长为八位）。存储器的访问基本也是以字为单位的。,而内部R

10、AM 的20H2FH共16字节，128位的每一位又被编了另一种地址位地址，供专门的位地址指令使用。这样对布尔代数的运算非常方便。,23,第2章 80C51 单片机的硬件结构,3. 用户RAM区,内部RAM的低128字节中除去通用寄存器和位寻址区占用的单元，其余的都供用户作为一般的存储器使用。,另外系统的堆栈也开辟在128字节内。,24,第2章 80C51 单片机的硬件结构,2.3.2 内部数据存储器高128字节的单元,80C51 的内部数据存储器的高128单元区的地址（命名权）分配给了专用寄存器使用。地址范围为80H0FFH。,专用功能寄存器SFR(Special Function Regis

11、tor) :,用于存放相应的功能部件的控制命令、状态信息或数据的专门单元。,SFR 共有21个，都是一字节为单位的，即八位。,25,第2章 80C51 单片机的硬件结构,1. 专用寄存器简介,（1） 累加器 A （ACC -Accumulator）,累加器是八位的寄存器，使最常用的专用寄存器。,累加器的主要功能：,累加器用于存放操作数，使ALU数据的一个来源。,累加器是ALU运算结果的暂存单元。,累加器是数据传送的中转站。,26,第2章 80C51 单片机的硬件结构,（2） B寄存器,B寄存器是一个八位寄存器，主要用于乘除运算时使用。,（3）程序状态字 PSW,PSW寄存器是一个八位寄存器，用

12、于寄存指令执行后的状态信息。,PSW 在复位后 其值为 00H,27,第2章 80C51 单片机的硬件结构,C,AC,F0,RS1,RS0,OV,F1,P,进位标志,辅助进位,用户标志,通用寄存器组选择,溢出标志,用户标志,奇偶标志,D7,D6,D5,D4,D3,D2,D1,D0,28,第2章 80C51 单片机的硬件结构,（4）数据指针 DPTR,数据指针DPTR是一个十六位的寄存器，它是两个八位寄存器合并而成的。这两个寄存器位（DPH和DPL）。,DPTR是80C51单片机中唯一一个可以访问的16位寄存器。,功能为：,作为访问外部数据存储器的地址指针。,由于是十六位因此可指向64K的外部数

13、据存储器空间。也就是说80C51克以扩展的最大数据存储器空间为64K（65536）。,29,第2章 80C51 单片机的硬件结构,2. 专用寄存器的单元寻址,30,第2章 80C51 单片机的硬件结构,3. 专用寄存器的位地址与位名称,31,第2章 80C51 单片机的硬件结构,32,第2章 80C51 单片机的硬件结构,4. 程序计数器 PC (program counter),PC 是一个十六位寄存器，在物理上是独立的，是指令不可访问的,PC不在21个专用寄存器之列，没有分配地址。因此是不可访问的。,因为是十六位计数器，所以程序存储器最大为 64K 。,PC计数器在复位后为0000H,33

14、,第2章 80C51 单片机的硬件结构,2.3.3 堆栈操作,堆栈是一种数据结构。,所谓堆栈是允许在其一端进行数据插入和数据删除的操作的线性表。,堆栈的操作有两种：,压栈（入栈）和弹栈（出栈）,1. 堆栈的功能,保护断点和现场,34,第2章 80C51 单片机的硬件结构,2. 堆栈的开辟,-即堆栈的在什么地方和位置。,80C51 的内部RAM的低128字节区域（00H7FH）。,建议：开辟在低128字节的后面的位置。,3. 堆栈指针 SP（Stack Pointer),SP 的内容就是堆栈栈顶的存储单元的地址。SP是八位的存储器。,SP 是专用寄存器 ，地址为 81H,35,第2章 80C51

15、 单片机的硬件结构,4. 堆栈类型,堆栈有两种类型：,向上生长型：,向下生长型：,栈底在低地址单元，随着数据压栈，SP的内容增加。,栈底在高地址单元，随着数据压栈，SP的内容减小。,80C51 的堆栈是向上生长型：,入栈操作： SP+1,SP，后数据入栈。,除栈操作： 数据先出栈，然后SP-1,SP,36,第2章 80C51 单片机的硬件结构,堆栈的使用方法,堆栈的使用有两种：,自动方式: 出现在调用子程序和中断时。,指令使用：使用压栈和弹栈指令时。,37,第2章 80C51 单片机的硬件结构,2.3.4 内部程序存储器,80C51 系列单片机内部有的内部有程序存储区，有的没有（80C31）。

16、,80C51 单片机的程序存储器和数据存储器是分别编址的。,对于没有内部程序存储器的芯片。就必须外扩外部（片外）程序存储器。这时/EA 信号脚必须接地。这是系统使用P0、P2、/EA、/PSEN引脚进行外部程序存储器的扩展。,其中/EA、/PSEN 的“/”是表示低电平有效,38,第2章 80C51 单片机的硬件结构,对于程序存储器的扩展注意事项：,对于没有内部程序存储器的芯片(80C31) /EA 必须接地。表示全部使用片外存储器,对于有内部程序存储器的芯片（80C51），/EA可接地或高电平。,接地时： 表示先使用内部存储器，如果访问内部存储器以外的地址空间，就使用外部存储器。,接高电平时

17、： 表示全部使用外部程序存储器，而不访问内部存储器。,39,第2章 80C51 单片机的硬件结构,不管程序存储器是否有片内ROM，其中：,系统在上电复位或其他复位后，第一条被执行的指令的首地址在：,0000H 单元,即系统在上电复位或其他复位后,PC = 0000H,40,第2章 80C51 单片机的硬件结构,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,访问方式：,按字节方式,按位寻址,电路上每个口的每一位都是独立。,作为I/O口每个口也有不同的地方,41,第2章 80C51 单片机的硬件结构,P0 口的结构：,包含1个输出锁存器、

18、2个三态缓冲器、1个输出驱动电路和1个输出控制电路。,P0.X 引脚,地址/数据,Vcc,控制,读锁存器,读引脚,内部总线,写锁存器,T0,T1,42,第2章 80C51 单片机的硬件结构,P0 口作为I 口使用时应外接 一个上拉电阻。,P1、P2、 P3 口作为I 口使用时不需外接 一个上拉电阻。,P0、P1、P2、P3 四个口作为 I 使用时 应先发送出一个“1”的高电平，在进行读操作。,43,第2章 80C51 单片机的硬件结构,2.5 80C51 单片机的时钟与定时,单片机是一个复杂的同步时序电路。,单片机的各个部分按一定的时间顺序 协调 工作的。,指令执行过程中各信号的相互时间的顺序

19、关系, 时序,2.5.1 时钟电路,时钟电路,振荡电路,分频电路,44,第2章 80C51 单片机的硬件结构,1 . 振荡电路,振荡电路需外接 一部份器件,XTAL1,XTAL2,石英振荡器,电容,45,第2章 80C51 单片机的硬件结构,2. 分频电路,振荡脉冲,时钟信号,ALE 信号,机器周期信号,二分频,三分频,六分频,3. 振荡频率,十二分频,六分频,46,第2章 80C51 单片机的硬件结构,2.5.2 定时单位,80C51 的定时单位 有 4 个：,1. 拍节 与 状态,振荡脉冲的周期为 拍节P,时钟信号的周期为 状态S,一个状态包含两个拍节前半周期为拍节1，后半周期为拍节2,3

20、. 机器周期,一个机器周期就是振荡脉冲周期的12倍。,一个机器周期有12个拍节，6个状态。,47,第2章 80C51 单片机的硬件结构,3. 指令周期,指令周期是对大的时序单位，执行一条指令的时间称为指令周期。,80C51 的指令周期根据指令的不同可包含1、2、4个机器周期。,P1,P2,P1,P2,P1,P2,P1,P2,P1,P2,P1,P2,P1,P2,P1,P2,P1,P2,P1,S1,S2,S3,S4,S5,S6,S1,S2,S3,机器周期,48,第2章 80C51 单片机的硬件结构,2.6 80C51 单片机的系统复位,系统复位时是单片机的硬件初始化操作。,系统只有在复位后才能正常工作。,2.6.1 复位方式与初始化状态,1. 复位方式,80C51 有复位引脚RST，用于从外界引入复位信号。,复位操作有两种,加电复位,手动复位,每个系统必须具备的,为了调试或死机等现象,49,第2章 80C51 单片机的硬件结构,2. 初始化状态,复位的功能有：,为专用寄存器设置初始状态,为程序寄存器PC赋值,为芯片的引脚设置电平状态,50,第2章 80C51 单片机的硬件结构,各个寄存器的复位后的状态,51,第2章 80C51 单片机的硬件结构,2.6.2 复位电路,复位电路有：4 种,积分型、微