微型计算机结构.ppt

1、第二章 微型计算机结构,2-1 微型计算机功能部件,2-2 微型计算机结构特点,2-3 微型计算机软件,2-4 MCS-51单片机结构,介绍微型计算机结构和工作原理,2-1 微型计算机功能部件,2-1 微型计算机功能部件,2-1-1 中央处理器 CPU,1算术逻辑单元ALU 运算器的核心部件，执行算术运算、逻辑运算、移位、比较等各种数据处理的操作。,CPU微型计算机的核心部件 CPU由运算器、控制器组成。,(一) 运算器 运算器进行数据分析、计算和处理。,2寄存器组 1)工作寄存器(通用寄存器) 用来暂存ALU待处理的数据和中间结果。,(一) 运算器,2)特殊功能寄存器SFR(专用寄存器) 规

2、定了特殊用途的寄存器，其内容会影响计算机的工作方式和过程。,3) 累加器(Accumulator) 使用最频繁的寄存器，配合ALU进行各种数据处理。,(二) 控制器,1.指令部件： 读取程序指令、指令译码、修改程序指针。,1）程序计数器 PC：存放当前指令地址。 CPU执行程序时，先按PC给出的地址到存储器取一条指令，PC自动加1。CPU执行完一条指令，再到存储器取下一条指令，。 2) 指令寄存器IR ：暂存当前指令。 指令操作码送指令译码器。 3) 指令译码器ID ：将每条指令译码变成控制电平。,处理程序指令，并协调各逻辑部件按一定时序工作。,(二) 控制器,CPU执行程序的简要过程： 1)

3、PC给出当前指令的存储地址。,2. 时序部件 时钟和内部分频电路。时钟信号经过分频，与指令译码信号组合，形成一定节拍的时序信号，控制各逻辑部件协调工作。,PC=,PC=,PC=,2)CPU到存储器取指令，PC自动加1,3)指令译码器对指令译码， CPU执行指令。,4)CPU到存储器取指令，PC=PC+1。,5)CPU执行下一条指令，,指令代码 i,指令代码 i,指令寄存器,2-1-2 存储器与读写操作,位 b (bit)：一个二进制位，信息最小单位。 字节 B (Byte)：8位为一个字节。 字长 W (Word Length)：一个字包含的二进制位数。,(一) 存储器基本信息单位,(二)存储

4、器结构,存储器功能：存放程序和数据等信息。 存储内容：程序或数据的二进制代码。 存储地址：存储器每个单元的位置编号 存储器容量：指存储单元的多少。 如存储器容量为1KB = 10248位。,(三)存储器读写操作,存储器读： CPU从存储器中取出信息。 存储器写： CPU将信息存入存储器。,存储器的读写操作：,2.发出读写控制时序信号，对选定单元进行读或写。,1.CPU先送出一个确定的单元地址给存储器,(四) 半导体存储器,RAM：随机读写存储器。 能方便读出和改写信息，但失电后信息将不复存在。RAM常用作数据存储器，暂存各种现场数据、运算结果和正在调试的程序。,ROM：只读存储器。工作时从RO

5、M中读出信息，不能随意改写。断电后信息不会丢失。ROM常用作程序存储器，存放已调试好的固定程序和常数。,程序存储器：存放程序指令代码。 每个指令周期CPU自动对程序存储器读操作。,数据存储器：存放待处理数据。 数据存储器读写操作发生在CPU执行程序的过程中。,2-1-3 I/O接口,I/O接口是联系微型计算机与外部设备的桥梁。每一台外部设备必须通过I/O接口与计算机连接。,微型计算机有多种功能I/O接口： PIO：并行 I/O接口。 SIO：串行 I/O接口。 CTC：定时计数器。 ADC、DAC：A/D、D/A转换器。 INT：中断输入口。,2-2 微型计算机结构特点,微型计算机由大规模集成

6、电路组成，微型机应用系统一般也采用特定功能的大规模集成电路器件和组件。,总线(Bus)：微型计算机各功能部件的连接线，各功能部件之间的公共信息通道。 总线宽度：总线上能并行传送的二进制位数。 内部总线：CPU或单片机芯片内部各逻辑部件之间的信息传输线。通常为单总线结构。 外部总线：指微型机各功能芯片之间的信息传输线。CPU或单片机芯片应用系统的主要外部引线。 系统总线：微机系统各逻辑功能板卡之间的信息传输线。通常为统一标准总线。,2-2 微型计算机的结构特点,2-2-1 微型机的总线结构,微型计算机总线的主要信号线：,(二) 数据总线 DB 双向三态。传送程序和数据的二进制代码。 数据总线宽度

7、一般与微型机的字长相同。,(三) 控制总线CB 单向三态。传送各种控制脉冲、联络、状态电平等信号，使存储器、I/O接口等部件协调工作。 控制总线的根数根据微型计算机控制功能的需要而定。,(一) 地址总线 AB 单向三态。传送存储器和 I/O接口的地址信息。 地址总线宽度决定计算机寻址空间(最大寻址)。,MCS-51有16根地址总线，寻址空间216 = 64K=65536,思考题： 1. MCS-51 数据总线有几根？ 2. 64KB寻址空间的地址范围为 ？H,2-2-2 单片机的结构特点,2-2-3 单片机系统结构性能 (一)高可靠性、高抗干扰能力 (二)配置灵活 (三)丰富的位处理功能 (四

8、)功能齐全 (五)系统设计简便,一块芯片集成了CPU、存储器和I/O接口等功能部件。 内部总线为单总线结构，地址、数据和控制三种信息分时占用内部总线。 外部总线用于连接片外扩展存储器和I/O接口芯片。 单片机的芯片引脚为多功能引脚，以节省芯片引脚。,2-3 微型计算机软件,（二）汇编语言 与机器语言指令一一对应的英文单词缩写，称为指令助记符。汇编语言编写的程序称为汇编语言程序。 MCS-51两个寄存器相加汇编语言指令：ADD A，R0,（三）高级语言 语句和语法接近人们习惯的表达方式。高级语言编写的程序称为高级语言源程序。,（一）机器语言 指令的二进制代码，又称指令代码。机器语言指令组成的程序

9、称目标程序。 MCS-51两个寄存器相加的机器语言指令 00101000,2-3-1 计算机语言,不同计算机语言的应用,源程序通过编译得到机器能执行的目标程序。,汇编语言程序可以高效率利用计算机资源，目标程序占用内存少，执行速度快，适合于自动测控系统反应快速、结构紧凑的要求。实际应用中，常与C语言配合使用。 高级语言程序容易掌握，通用性好，但编译程序系统开销大，目标程序占用内存多，且执行时间比较长，多用于科学计算、工业设计、企业管理。,2-4 MCS-51单片机硬件结构,硬件配置基本配置： 1. 8位CPU 2. 片内ROM/EPROM、RAM 3. 片内并行 I/O接口 4. 片内16位定时

10、器/计数器 5. 片内中断处理系统 6. 片内全双工串行I/O口,MCS-51系列基本产品型号： 8051、8031、8751称为 51子系列。 不同型号MCS-51单片机CPU处理能力和指令系统完全兼容，只是存储器和I/O接口的配置有所不同。,2-4-1 MCS-51总体结构,MCS-51单片机内部结构,2-4-2 MCS-51 CPU,(一) CPU内部结构 1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。,2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R

11、0R7 。 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行读写操作。,(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)程序状态字PSW(8位) 存放ALU运算过程的标志状态 Cy AC F0 RS1 RS0 OV P (5)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。,(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。,2寄存器阵列,(6)堆栈指针SP(8位),(7)程序计数器PC(16位) CPU总是按PC的指示读取程序。PC可自

12、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。,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。,MCS-51的寄存器在片内RAM都有映像地址。使用时，既可用寄存器名，也可用对应单元地址。,(二) MCS-51时钟及时序,时钟频率范围要求在1.2MHz12MHz之间。 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。 晶体振荡器的振荡频

13、率决定单片机的时钟频率。,思考题：设应用单片机晶振频率为12MHz， 问机器周期为多少？指令周期分别为多少？,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、双周期和四周期指令。,2外部时钟方式：外部振荡器输入时钟信号。,2-4-3 MCS-51单片机引脚,1I/O口线功能 4个8位并行 I/O 接口引脚 P0.0P0.7 、P1.0P1.7 、P2.0P2.7和 P3.0P3.7,2控制线 ALE：地址锁存允许信号端 PSEN：外部程序存储器读选通信号端 EA/VPP：程序存储器选择信号端和编程电源输入端

14、,为多功能引脚，可自动切换用作数据总线、地址总线、控制总线和或I/O 接口外部引脚。,2控制线,RST/VPD：复位信号端和后备电源输入端。 输入10ms以上高电平脉冲，单片机复位。 VPD使用后备电源，可实现掉电保护。,3. 电源及时钟引线 工作电源：VCC、VSS、 时钟输入：XTAL1、XTAL2 。,复位电路： 1）上电复位 2）外部信号复位,2-4-4 MCS-51存储器配置,普林斯顿结构：程序和数据共用一个存储器逻辑空间，统一编址。 哈佛结构：程序与数据分为两个独立存储器逻辑空间，分开编址。,物理上4个存储器地址空间： 片内/片外程序存储器空间 片内/片外数据存储器空间 逻辑上3个存储器地址空间： 64KB 程序存储器 256B 片内数据存储器 64KB 片外数据存储器,2-4-4 MCS-51存储器配置,(一)程序存储器 64KB 程序存储器空间 EA不同电平，选择片内或片外低位存储单元,(二)数据存储器 164KB片外数据存储器空间(与扩展I/O接口共用) 2. 256B片内数据存储器: 1) 片内RAM 2) 特殊功能寄存器 SFR,特殊存储单元： 复位入口: 0000H 中断入口: 0003H0023H,(二)数据存储器,2. 256B片内数据