單片機馬光第2章單片機的硬件結(jié)構(gòu)與原理.ppt

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1、MCS-51單片機的硬件結(jié)構(gòu)與原理,周劍峰,MCS-51單片機的硬件結(jié)構(gòu),MCS-51單片機系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu),1、熟練掌握MCS-51系列單片機基本結(jié)構(gòu)，存儲器結(jié)構(gòu)，PC、PSW、SP、DPTR的組成及作用； 2、掌握堆棧的操作，8051的引腳功能，復位和程序工作方式，復位電路和時鐘電路的組成，時鐘和時序的基本概念,教學目的要求：,重點：MCS-51系列單片機基本結(jié)構(gòu)、存儲器結(jié)構(gòu)、PC、PSW、SP、DPTR的組成及作用、堆棧的操作和8051的引腳功能。,難點：PSW的定義和含義及應(yīng)用價值,MCS-51單片機系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu),微處理器結(jié)構(gòu) 振蕩與時鐘 時鐘周期、狀態(tài)周期和機器周期 復位和復位電路 MC

2、S-51單片機的引腳功能,MCS-51單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖,結(jié)構(gòu)框圖,中央處理器CPU：8位，運算和控制功能,內(nèi)部RAM：共256個RAM單元，用戶使用前128個單元，用于存放可讀寫數(shù)據(jù)，后128個單元被專用寄存器占用。,內(nèi)部ROM：4KB掩膜ROM，用于存放程序、原始數(shù)據(jù)和表格。,定時/計數(shù)器：兩個16位的定時/計數(shù)器，實現(xiàn)定時或計數(shù)功能。,并行I/O口：4個8位的I/O口P0、P1、P2、P3。,串行口：一個全雙工串行口。,中斷控制系統(tǒng)：5個中斷源（外部中斷2個，定時/計數(shù)中斷2 個，串行中斷1個）,時鐘電路：可產(chǎn)生時鐘脈沖序列，允許晶振頻率6MHZ和12MHZ,微處理器結(jié)構(gòu),由單片機的內(nèi)

3、部結(jié)構(gòu)可知，MCS-51單片機主要由以下幾部分組成： 中央處理器（CPU） 振蕩電路 內(nèi)部總線 程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器 定時器/計數(shù)器 I/O口 串行口 中斷系統(tǒng),MCS-51單片機外部引腳及其功能,MCS-51單片機外部引腳及其功能,制造工藝為HMOS的系列單片機大都采用40條引腳的雙列直插式封裝（DIP),外部引腳及其功能：電源及時鐘,Vcc(40腳)：接+5V電源； Vss(20腳)：接地 ; XTAL1(19腳)：接外部晶體的一個引腳; XTAL2(18腳)：接外部晶體的另一端;時鐘引腳(18、19腳)外接晶體時與片內(nèi)的反相放大器構(gòu)成一個振蕩器，它提供單片機的時鐘控制信號。時鐘引腳也可

4、外接晶體振蕩器。,外部引腳及其功能：控制引腳,RSTVPD(9腳) 當振蕩器運行時，在此引腳加上兩個機器周期的高電平將使單片機復位(RST) ； ALEPROG(30腳) 當單片機訪問外部存貯器時，ALE回路轉(zhuǎn)(地址鎖存允許)輸出脈沖的下降沿用于鎖存16位地址的低8位。即使不訪問外部存貯器，ALE端仍有周期性正脈沖輸出，其頻率為振蕩器頻率的16；,外部引腳及其功能：控制引腳,PSEN(29腳)：此輸出為訪問外部程序存貯器的讀選通信號； EAVpp(31腳)：當EA端保持高電平時，單片機訪問的是內(nèi)部程序存貯器(對8051、8751來說)，但當PC(程序計數(shù)器)值超過某值（如8751內(nèi)部含有4KB

5、 EPROM，值為0FFFH）時，將自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存貯器內(nèi)的程序。當EA端保持低電平時，則不管是否有內(nèi)部程序存貯器而只訪問外部程序存貯器 。,外部引腳及其功能：輸入輸出,4個8位并行 I/O 接口引腳P0.0P0.7 、P1.01.7 、P2.0P2.7 和P3.0P3.7 為多功能引腳，可自動切換用作數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線和或I/O 接口外部引腳, P0口：MCS51單片機中有個雙向（位）并行I/O 端口（線），每線都配備獨立的端口鎖存器、輸出驅(qū)動器和輸入緩沖器，用于與外界設(shè)備之間交換信息。,P0口一位結(jié)構(gòu)圖,P0口除了作普通的I/O口，直接和外部設(shè)備打交道外;還用作片外總線的地

6、址總線AB0-AB7的低八位和數(shù)據(jù)總線。注：單片機復位后4個端口對外均呈現(xiàn)高電平,外部引腳及其功能：輸入輸出,P1口一位結(jié)構(gòu)圖,P1口只用作普通輸入輸出口, P1口 從單片機的使用角度來看，P1是一個真正的雙向口，而其他三個端口都是準雙向口。注意：和P0、P2口一樣，為防止口鎖存器對輸入口線造成影響，P1口作輸入時，也必須先往口鎖存器寫1。,外部引腳及其功能：輸入輸出,外部引腳及其功能：輸入輸出,P2口除了作普通的I/O口，直接和外部設(shè)備打交道外;還用作片外總線的地址總線的高八位地址線AB8-AB15, P2口： P0口在作輸出入口使用時，由于它無內(nèi)部上拉電阻，為了在口線上輸出高電平并具有一定

7、的驅(qū)動能力，必須外接上拉電阻。注意：作輸入口使用時，為了防止口鎖存器對輸入口線的輸入信號造成影響，必須先往口鎖存器寫1。同理，P2口作輸入時，也必須先往口鎖存器寫1。,P2口一位結(jié)構(gòu)圖,P3口一位結(jié)構(gòu)圖,P3口除了作普通的I/O口（功能和P1口一樣）直接和外部設(shè)備打交道外;還具有第二功能。,P3.0 串行輸入口(RXD) P3.1 串行輸出口(TXD) P3.2 外中斷0(INT0) P3.3 外中斷1(INT1) P3.4 定時/計數(shù)器0的外部輸入口(T0) P3.6 外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通(WR) P3.5 定時/計數(shù)器1的外部輸入口(T1) P3.7外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通(RD),外部引腳及

8、其功能：輸入輸出,外部引腳及其功能：輸入輸出,I/O端口小結(jié)： P0-P3均可作I/O端口，但只有P1口只作I/O端口； 只有P0口是雙向口，P1-P3為準雙向口 只有P0口可用作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線,內(nèi)部寄存器及其功能,內(nèi)部寄存器及其功能,累加器Accumulator (ACC) 功能: 累加器A是一個最常用的專用寄存器，大部分單操作指令的一個操作數(shù)取自累加器，很多雙操作數(shù)指令中的一個操作數(shù)也取自累加器。 加、減、乘、除法運算的指令，運算結(jié)果都存放于累加器A或寄存器B中。 大部分的數(shù)據(jù)操作都會通過累加器A進行，它形象于一個數(shù)據(jù)運輸中轉(zhuǎn)站，在數(shù)據(jù)傳送過程中，任何兩個不能直接實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送單元之間，通

9、過累加器A中轉(zhuǎn)，都能送達目的地。,內(nèi)部寄存器及其功能,寄存器B 功能: 在乘除法指令中，乘法指令中的兩個操作數(shù)分別取自累加器A和寄存器B，其結(jié)果存放于A、B寄存器對中。除法指令中，被除數(shù)取自累加器A，除數(shù)取自寄存器B，結(jié)果商存放于累加器A，余數(shù)存放于寄存器B中。,內(nèi)部寄存器及其功能,程序狀態(tài)字（PSW） 功能:標志寄存器,保存指令執(zhí)行結(jié)果的特征信息,以供程序查詢和判斷,PSW格式及含義,內(nèi)部寄存器及其功能,Cy 進位/借位標志位；反映無符號數(shù)運算時有無進（借）位；累加器（ C ）在加法（減法）運算時，最高位有進位（借位）時，Cy由硬件置1，否則Cy清0，在進行位操作時，Cy又是位累加器 AC

10、輔助進/借位標志；用于十進制調(diào)整。在進行加（減）法運算時，D3位向D4位有進（借）位時，AC位由硬件自動置，否則AC位清. F0 由 用戶根據(jù)需要自行定義標志位；軟件置位/清零。 OV 溢出標志位；反映有符號數(shù)運算時有無溢出；由硬件置位/清零。在進行補碼運算時，運算結(jié)果超出128 +127范圍時，稱之產(chǎn)生溢出，則OV自動置，否則OV清零在進行加法或減法運算時，OV=C7C6，即D6位和D7位的進位位的異或運算。在進行乘法或除法運算時也會影響OV若A和B中的兩個數(shù)的乘積超過255時，OV=1，否則OV=0;當除數(shù)為0時，OV=1,否則為0。,內(nèi)部寄存器及其功能,PSW.1 保留位（未定義） P

11、奇偶校驗標志位; 常用于校驗串行通信中數(shù)據(jù)傳送是否正確.該位始終跟蹤累加器A中1的數(shù)目的奇偶性,當A中有奇數(shù)個1,則P=1;否則P=0. RS1、RS0 工作寄存器組選擇位；用于選擇工作寄存器物理地址,內(nèi)部寄存器及其功能,例: 兩數(shù)相加：,若把兩加數(shù)認為是無符號二進制數(shù)，則分別表示十進制數(shù)201、76，相加后，用CY作進位位，結(jié)果為1 0001 0101B，對應(yīng)十進制數(shù)277。 若把兩加數(shù)認為是有符號二進制數(shù)，則分別表示十進制數(shù)55、76，相加后，用OV作溢出位，結(jié)果為0001 0101B，對應(yīng)十進制數(shù)21。,內(nèi)部寄存器及其功能,若把兩減數(shù)認為是無符號二進制數(shù)，則分別表示十進制數(shù)201、76，

12、相減后，用CY作借位位，結(jié)果為0 0111 1101B，對應(yīng)十進制數(shù)125。 若把兩減數(shù)認為是有符號二進制數(shù)，則分別表示十進制數(shù)55、76，相減后，用OV作溢出位，發(fā)生溢出，表明結(jié)果錯誤。,內(nèi)部寄存器及其功能,程序計數(shù)器 (PC) 程序計數(shù)器在物理上是獨立的，它不屬于特殊內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器塊中。PC是一個16位的計數(shù)器，由兩個八位寄存器PCH和PCL組成，用于存放一條要執(zhí)行的指令地址，尋址范圍為64kB，PC有自動加1功能，即完成了一條指令的執(zhí)行后，其內(nèi)容自動加1。 PC本身并沒有地址，因而不可尋址，用戶無法對它進行讀寫，但是可以通過轉(zhuǎn)移、調(diào)用、返回等指令改變其內(nèi)容，以控制程序的執(zhí)行順序。,內(nèi)部寄

13、存器及其功能,數(shù)據(jù)指針 (DPTR) 數(shù)據(jù)指針為16位寄存器，編程時，既可以16 位寄存器來使用，也可以按兩個8位寄存器來使用,即高位字節(jié)寄存器DPH和低位字節(jié)DPL。DPTR主要是用來保存16位地址，當對64kB外部數(shù)據(jù)存儲器尋址時，可作為間址寄存器使用，此時,使用如下兩條指令: MOVXA,DPTRMOVXDPTR,A 在訪問程序存儲器時，DPTR可用來作基址寄存器，采用基址+變址尋址方式訪問程序存儲器，這條指令常用于讀取程序存儲器內(nèi)的表格數(shù)據(jù) MOVCA,A+DPTR,堆棧指針SP（Stack Pointer）,指明棧頂元素的地址，8位，可軟件設(shè)置初值，復位時SP = 07H。,堆棧示意

14、圖,注意：MCS-51單片機的堆棧操作遵循先入后出的原則。入棧時，堆棧指針SP的值先加1，然后再將數(shù)據(jù)存入到SP所指向的哪個存儲單元；出棧則是先將數(shù)據(jù)取出，然后SP指針減1。,內(nèi)部寄存器及其功能,存儲器結(jié)構(gòu),存儲器結(jié)構(gòu),MCS-51系列的單片機有5個獨立的存儲空間： 片內(nèi)/片外程序存儲器64K（0000-0FFFFH）； 128B的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器（00-7FH）； 128B特殊功能寄存器SFR（80-0FFH）； 位尋址區(qū)（20H-2FH）； 片外數(shù)據(jù)存儲器64K（0000-0FFFFH）。 注：MCS-51系列單片機各型號芯片在各個存儲器空間的物理單元個數(shù)可能是不同的,8031 8751 8

15、051 89C51,256B（字節(jié)）,4K,64K,64K,MCS-51單片機的程序存儲器分為： 片內(nèi)程序存儲器 片外程序存儲器 MCS-51單片機的最大存儲空間為64KB。 MCS-51單片機程序存儲器的地址指針為程序計數(shù)器PC。 MCS-51單片機程序存儲器的讀取順序由EA確定。 MCS-51單片機存儲空間的6個特殊功能區(qū)域。,程序存儲器,一、對于片內(nèi)有4KB程序存儲器的單片機 EA=1時，則PC的值在0000H-0FFFH之間，CPU先從片內(nèi)程序存儲器空間取指執(zhí)行；當PC的值大于0FFFH時才訪問外部的程序存儲器空間。 若EA=0時，則片內(nèi)程序存儲器空間被忽略，CPU只從片外程序存儲器空

16、間取指執(zhí)行。 二、對于片內(nèi)沒有程序存儲器的單片機 在構(gòu)成系統(tǒng)時必須在外部擴展程序存儲器，其EA必須接地。(最好不要擴展片外程序存儲器的單片機，單片機型號多達數(shù)百種，可選用片內(nèi)Flash容量大的型號，除非特殊原因。),EA作用,（1）程序存儲器,程序存儲器,內(nèi)部,外部,(PC),程序存儲器資源分布,中斷入口地址,0000H ：系統(tǒng)的啟動單元（系統(tǒng)復位后，單片機從此處開始取指令開始執(zhí)行） 0003H ：外部中斷0入口地址 000BH ：定時器/計數(shù)器0中斷入口地址 0013H ：外部中斷1入口地址 001BH ：定時器/計數(shù)器1中斷入口地址 0023H ：串行中斷入口地址,程序存儲器空間的6個特殊

17、功能區(qū)域,數(shù)據(jù)存儲器RAM單元結(jié)構(gòu) 內(nèi)部RAM數(shù)據(jù)存儲器可劃分為三個區(qū)域： 工作寄存區(qū) 00H1FH(R0R7) 位尋址區(qū) 20H2FH 堆棧和數(shù)據(jù)緩沖區(qū) 30H7FH CPU當前使用的工作寄存器區(qū)由程序狀態(tài)字PSW的3、4位決定 位尋址區(qū)16個單元的每一位都有一個位地址(16*8)。 在實際應(yīng)用中，往往需要一個后進先出(LIFO)的RAM緩沖器用于保護CPU的現(xiàn)場，這種后進先出的緩沖器稱之為堆棧。堆棧的棧頂位置由堆棧指針SP確定。,(2)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器SRAM (00H-7FH),內(nèi)部,外部,(2)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器SRAM,數(shù)據(jù)存儲器,RAM,專用寄存器,內(nèi)部RAM存儲器,工作寄存器區(qū)選擇位R

18、S0、RS1,位尋址區(qū)（20H2FH）16個字節(jié)。 16*8=128位，每一位都有一個位地址，范圍為：00H7FH，位地址區(qū)也可作為一般的用戶RAM使用。,位地址表,存儲器結(jié)構(gòu)：位尋址區(qū),堆棧的概念,堆棧是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 讀寫操作必須遵守特定的順序：后進先出，先進后出 生活中的例子： 堆棧的作用用于數(shù)據(jù)的暫存，中斷、子程序調(diào)用時斷點和現(xiàn)場的保護與恢復，或作為特殊的數(shù)據(jù)交換區(qū)。,標準51系列單片機的內(nèi)部RAM堆棧 堆棧是在RAM區(qū)中劃定的一個區(qū)域，對該區(qū)域RAM單元的讀寫操作必須遵守特定的順序，先入后出原則。 堆棧的作用主要用在子程序的調(diào)用過程中或作為特殊的數(shù)據(jù)交換區(qū)。 堆棧的開辟 棧頂?shù)奈恢糜蒘

19、P（堆棧指針）寄存器指示。 復位時SP的初值為07H，在系統(tǒng)初始化時可以根據(jù)用戶的需要重新設(shè)置。 標準8051的堆棧一般設(shè)在30H7FH的范圍內(nèi)。,存儲器結(jié)構(gòu)：堆棧,內(nèi)部,外部,是內(nèi)部RAM中一段連續(xù)的區(qū)域,數(shù)據(jù)存儲器,RAM,專用寄存器,內(nèi)部RAM存儲器,MCS51單片機堆棧的位置,棧底和棧頂,堆棧是在單片機內(nèi)部RAM中從某個選定的存儲單元開始劃定的一個地址連續(xù)的區(qū)域，這個區(qū)域本身沒有任何特殊之處，它就是內(nèi)部RAM的一部份 不同的是這個區(qū)域以選定的某個存儲單元作為棧底，只允許向一個方向?qū)懭霐?shù)據(jù)，最后一個寫入數(shù)據(jù)的存儲單元稱為棧頂。 堆棧的生成有兩種情況，向高地址方向?qū)懭霐?shù)據(jù)生成的堆棧稱為向上

20、生長型堆棧，反之稱為向下生長型堆棧，MCS-51單片機屬于向上生長型堆棧（即向高地址方向生成）,指明棧頂元素的地址，8位，可軟件設(shè)置初值，復位時SP = 07H。,堆棧示意圖,注意：MCS-51單片機的堆棧操作遵循先入后出的原則。入棧時，堆棧指針SP的值先加1，然后再將數(shù)據(jù)存入到SP所指向的那個存儲單元；出棧則是先將數(shù)據(jù)取出，然后SP指針減1。,堆棧指針SP（Stack Pointer）,堆棧命令,入棧 PUSH direct 出棧 POP direct,X Y Z,PUSH PUSH PUSH,X Y Z,入棧過程,POP Z POP Y POP X,X,Y,Z,出棧過程,先入后出 后入先出

21、,棧頂SP,棧頂SP,棧頂SP,棧頂,棧頂,棧頂,堆棧的操作,思考題,1、PSW寄存器各位標志的意義如何？ 2、當前工作寄存器組如何選擇？,MCS-51單片機工作原理,時鐘電路,MCS-51單片機的時鐘與時序,晶振的取值通常為：1MHZ-33MHZ（不同型號的單片機的上限頻率可能有差別）,常用單片機的最高時鐘頻率,時序 CPU在執(zhí)行指令過程中，控制器發(fā)出的一系列特定的定時信號和控制信號具有一定時間順序，這種在時間上的相互關(guān)系稱為時序。,MCS-51單片機的時鐘與時序,MCS-51單片機的時鐘與時序,【振蕩周期】：單片機外接石英晶體振蕩器的周期（時鐘周期），也稱為 節(jié)拍，用P表示如外接石英晶體

22、的頻率若為2MHz，其振蕩周期就是1/2=0.5us。 【狀態(tài)周期】：單片機完成一個最基本的動作所需的時間周期。用S表示，一個狀態(tài)周期2個振蕩周期，因此，一個狀態(tài)周期S就包含兩個節(jié)拍P，前一振蕩周期稱為P1拍，后一振蕩周期稱為P2拍,MCS-51單片機的時鐘與時序,【機器周期】：單片機完成一次完整的具有一定功能的動作所需的時間周期。如一次完整的讀操作或?qū)懖僮鲗?yīng)的時間。一個機器周期6個狀態(tài)周期12個振蕩周期，依次表示為：S1P1、S1P2、S2P1、S2P2、S6P1、S6P2。 【指令周期】： 執(zhí)行完某條指令所需要的時間周期。一般需要14個機器周期。,MCS-51單片機的時鐘與時序,1個機器

23、周期=6個狀態(tài)周期=12個時鐘周期,MCS-51單片機的時鐘與時序,若外接晶振頻率為fosc=12 MHz，則4 個基本周期的具體數(shù)值為： (1) 振蕩（時鐘）周期=1/12s； (2) 狀態(tài)周期=1/6s； (3) 機器周期=1s； (4) 指令周期=1s、2s 和4s。,單片機工作過程,第一，取指令，指令的地址由PC指針提供。 第二，執(zhí)行指令，取出的指令代碼首先被送到CPU中控制器中的指令寄存器，再通過指令譯碼器譯碼變成各種電信號，從而實現(xiàn)指令的各種功能。,單片機工作過程,單片機工作過程,復位電路 單片機在重新啟動時都需要復位，MCS-51系列單片機有一個復位引腳輸入端RST。 MCS-5

24、1系列的單片機復位方法為：在RST上加一個維持兩個機器周期以上的高電平，則單片機被復位。 復位時單片機各部分將處于一個固定的狀態(tài)。,單片機工作過程,復位后單片機各單元的初始狀態(tài),單片機工作過程,自動復位電路,Va,利用電容上電壓不能突變而是按指數(shù)規(guī)律上升或下降的特性 ,產(chǎn)生所需的復位脈沖,優(yōu)點：使用最為普遍且成本低廉的復位電路 缺點：在電源出現(xiàn)瞬時跌落的情況下，將無法獲得參數(shù)符合要求的復位脈沖或根本無法產(chǎn)生復位脈沖。,手動復位電路,在系統(tǒng)運行過程中，有時可能需要對系統(tǒng)進行復位，以避免對硬件經(jīng)常加電或斷電而造成的傷害，我們可以采用手動復位的方式。具體的電路如圖所示。,按鍵復位是通過按壓鍵使復位端

25、經(jīng)電阻與VCC接通得到短時的高電平。,單片機工作過程,小結(jié),MCS51系列單片機引腳及I/O口 硬件結(jié)構(gòu)：特殊功能寄存器、存儲器（程序存儲器，數(shù)據(jù)存儲器） 工作原理：時鐘與時序、復位與復位電路,練習,(1) 在MCS-51單片機中，如果采用6MHz晶振，一個機器周期為（ ）。 (2)若A中的內(nèi)容為63H，那么，P標志位的值為（ ）。 (3)內(nèi)部RAM中，哪些單元可作為工作寄存器區(qū)，哪些單元可以進行位尋址？寫出它們的字節(jié)地址。 (4)使用8031單片機時，需將EA引腳接（ ）電平，因為其片內(nèi)無（ ）存儲器。 (5)片內(nèi)RAM低128個單元劃分為哪三個主要部分？各部分的主要功能是什么？ (6) 8

26、051單片機復位后，R4所對應(yīng)的存儲單元的地址為( )，因上電復位時，PSW=( ), 這時當前的工作寄存器區(qū)是( )組工作寄存器區(qū)。,練習,(7)判斷以下有關(guān)PC和DPTR的結(jié)論是否正確？ (A) DPTR是可以訪問的，而PC不能訪問。 (B) 它們都是16位的寄存器。 (C) 它們都具有加“1”的功能。 (D) DPTR可以分為2個8位的寄存器使用，但PC不能。 (8) PC的值是： (A) 當前正在執(zhí)行指令的前一條指令的地址 (B) 當前正在執(zhí)行指令的地址 (C) 當前正在執(zhí)行指令的下一條指令的地址 (D) 控制器中指令寄存器的地址,答案,(1) 2微秒 (2) 0 (3)字節(jié)地址為00H1FH的單元可以作為工作寄存器區(qū)；字節(jié)地址為20H2FH的單元可以進行位尋址 (4)低；程序 (5)工作寄存器區(qū)，可位尋址區(qū)，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)/堆棧區(qū) (6)04H, 00H, 0 (7) （A）對（B）對（C）錯（D）對 (8) C,The End,