單片機(jī)第1章單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)和原理.ppt

第1章單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)和原理,概述,在一塊芯片上集成了、存儲器、I/O接口，構(gòu)成一個完整的微型計算機(jī)。,單片機(jī),1.1單片機(jī)的發(fā)展簡史,1.4位單片機(jī)（19711974）Intel40042.低檔8位單片機(jī)（19741978）Intel8048(無串行I/O口、尋址范圍4KB）3.高檔8位單片機(jī)（19781982）Intel8051(含串行I/O口、多級中斷處理、16位定時/計數(shù)器、尋址范圍64KB）4.16位單片機(jī)（19821990）Intel8096（速度、控制功能、分辨率高）,5.新一代單片機(jī)（90年代以來）,(1)雙CPU(2)內(nèi)部流水線(3)20MHz時鐘頻率(4)PWM輸出(5)監(jiān)視定時器WDT(6)可編程計數(shù)器陣列PCA(7)DMA傳輸(8)Modem總而言之，向著高集成度、低功耗方向發(fā)展。兩個發(fā)展方向：高精度、多功能；專一功能,1.2單片機(jī)的應(yīng)用,1.單機(jī)應(yīng)用,（1）測控系統(tǒng)。（2）智能儀表。（3）機(jī)電一體化產(chǎn)品。（單片機(jī)用于機(jī)械產(chǎn)品）（4）智能接口。（含單片機(jī)的接口）（5）智能民用產(chǎn)品。,2.多機(jī)應(yīng)用,（1）功能集散系統(tǒng)。（2）并行多控制系統(tǒng)。并行數(shù)據(jù)采集，處理系統(tǒng)、實時圖象處理系統(tǒng)等。（3）局部網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。分布式測控系統(tǒng)，單片機(jī)負(fù)責(zé)系統(tǒng)中的通信控制，或構(gòu)成各種子系統(tǒng)。,3.嵌入式計算機(jī)系統(tǒng),（1）嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部包含微計算機(jī)用于完成特定任務(wù)的電子系統(tǒng)。由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、潛入式操作系統(tǒng)以及用戶的應(yīng)用程序組成。以應(yīng)用為中心，以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，適用于對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的應(yīng)用領(lǐng)域。具有良好的控制效果和極高的控制效率。,對精通嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計人員有很大的需求（2）嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計；需要計算機(jī)技術(shù)（軟、硬件設(shè)計、數(shù)字信號處哩、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等）電子技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)及相應(yīng)行業(yè)的應(yīng)用技術(shù)。單片機(jī)：將組成計算機(jī)的各部分集成于一個芯片。是嵌入式系統(tǒng)計算機(jī)的最加選擇。嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)：對象的智能化控制能力，對象系統(tǒng)密切相關(guān)的嵌入性能、控制能力與控制的可靠性。,4.網(wǎng)絡(luò)與通信,（1)網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備(如:程控交換機(jī)、路由器、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)橋等）。（2）網(wǎng)絡(luò)增值服務(wù)（如VOIP）VoiceOvorInternetProtocol,（如：基于Internet的網(wǎng)絡(luò)電話）,第2章MCS-51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu),2.1MCS-51單片機(jī)總體結(jié)構(gòu),2.1.1MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖及應(yīng)用P23,圖2.28051單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖,2.3中央處理器CPU,2.3.1運算器,算術(shù)邏輯單元ALU二進(jìn)制數(shù)算術(shù)、邏輯運算；位處理。2.累加器ACC（Accumulator）最活躍！3.寄存器B用于乘、除運算；通用4.程序狀態(tài)字PSW（ProgrameStateWord）,D7D6D5D4D3D2D1D0,PSW,表2.2RS1、RS0與片內(nèi)工作寄存器組的對應(yīng)關(guān)系,提請注意：P（PSW.0)奇/偶標(biāo)志若ACC中的1的個數(shù)為”奇”數(shù),P=1ACC中的1的個數(shù)為”偶”數(shù),P=0,2.3.2控制,1.時鐘電路,圖2.2單片機(jī)時鐘電路（a）內(nèi)部時鐘電路；（b）外部振蕩源外接定時元件，內(nèi)部電路自激振蕩外接振蕩器頻率低于12MHz通常選6MHz,器,包括:控制邏輯，指令寄存、譯碼器，PC，SP，DPTR及控制部件。,2.復(fù)位電路使單片機(jī)內(nèi)各寄存器值變?yōu)槌跏紶顟B(tài)的操作。,圖2.3單片機(jī)復(fù)位電路（a）上電復(fù)位電路；(b)開關(guān)復(fù)位電路需要：在RESET引腳上持續(xù)兩個機(jī)器周期的高電平。,表2.3復(fù)位后內(nèi)部寄存器狀態(tài),3.指令寄存器和指令譯碼器指令寄存器中存放指令代碼。CPU執(zhí)行指令時,由程序存儲器中讀取的指令代碼送入指令存儲器,經(jīng)譯碼器譯碼后由定時與控制電路發(fā)出相應(yīng)的控制信號,完成指令所指定的操作。,4.程序計數(shù)器PC（ProgramCounter）PC用于存放CPU下一條要執(zhí)行的指令地址,是一個16位的專用寄存器,可尋址范圍是0000H0FFFFH共64KB。在順序執(zhí)行程序中,當(dāng)PC的內(nèi)容被送到地址總線后,會自動加1,即(PC)(PC)+1,又指向CPU下一條要執(zhí)行的指令地址。不能用指令修改PC值。,5.堆棧指針SP（StackPointer）堆棧設(shè)在內(nèi)部RAM中;向大地址方向生成；單字節(jié)操作；SP為8位堆棧指針，可用指令設(shè)置MCS-51系統(tǒng)復(fù)位后，SP=07H；在進(jìn)行操作之前,先用指令給SP賦值,以規(guī)定棧區(qū)在RAM區(qū)的起始地址（棧底層）。當(dāng)數(shù)據(jù)推入棧區(qū)后,SP的值也自動隨之變化。SP初始化為07H。,6.數(shù)據(jù)指針寄存器DPTR數(shù)據(jù)指針DPTR是一個16位的專用寄存器,其高位字節(jié)寄存器用DPH表示,低位字節(jié)寄存器用DPL表示。既可作為一個16位寄存器DPTR來處理,也可作為兩個獨立的8位寄存器DPH和DPL來處理。DPTR主要用來存放16位地址,當(dāng)對64KB外部數(shù)據(jù)存儲器空間尋址時,作為間址寄存器用。在訪問程序存儲器時,用作基址寄存器。,2.4存儲器的結(jié)構(gòu),圖2.4MCS-51單片機(jī)的存儲器結(jié)構(gòu),1.程序存儲器對于8051來說,程序存儲器（ROM）的內(nèi)部地址為0000H0FFFH,共4KB;外部地址為1000HFFFFH,共60KB。當(dāng)程序計數(shù)器由內(nèi)部0FFFH執(zhí)行到外部1000H時,會自動跳轉(zhuǎn)。對于8751來說,內(nèi)部有4KB的EPROM,將它作為內(nèi)部程序存儲器;8031內(nèi)部無程序存儲器,必須外接程序存儲器。8031最多可外擴(kuò)64KB程序存儲器,其中6個單元地址具有特殊用途,是保留給系統(tǒng)使用的。0000H是系統(tǒng)的啟動地址,一般在該單元中存放一條絕對跳轉(zhuǎn)指令。0003H、000BH、000BH、001BH和0023H對應(yīng)5種中斷源的中斷服務(wù)入口地址。,2.內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器MCS-51單片機(jī)片內(nèi)RAM的配置如圖2.4（b）所示。片內(nèi)RAM為256字節(jié),地址范圍為00HFFH,分為兩大部分:低128字節(jié)（00H7FH）為真正的RAM區(qū);高128字節(jié)（80HFFH）為特殊功能寄存器區(qū)SFR。在低128字節(jié)RAM中,00H1FH共32單元是4個通用工作寄存器區(qū)。每一個區(qū)有8個通用寄存器R0R7。寄存器和RAM地址對應(yīng)關(guān)系如表2.4。,表2.4寄存器與RAM地址對照表,表2.5RAM中的位尋址區(qū)地址表,表2.6SFR特殊功能寄存器地址表,表2.6SFR特殊功能寄存器地址表,表2.6SFR特殊功能寄存器地址表,3.外部數(shù)據(jù)存儲器外部數(shù)據(jù)存儲器一般由靜態(tài)RAM構(gòu)成，其容量大小由用戶根據(jù)需要而定,最大可擴(kuò)展到64KBRAM,地址是0000H0FFFFH。CPU通過MOVX指令訪問外部數(shù)據(jù)存儲器,用間接尋址方式,R0、R1和DPTR都可作間接寄存器。注意,外部RAM和擴(kuò)展的I/O接口是統(tǒng)一編址的,所有的外擴(kuò)I/O口都要占用64KB中的地址單元。,2.5并行輸入/輸出接口,4個8位雙向、并行I/O接口；輸入有緩沖作用，輸出時，數(shù)據(jù)可以被鎖存；每一條I/O口線都能單獨使用；允許有三種工作方式：輸入、輸出、讀-修改-寫。輸出時，P0口可驅(qū)動8個LSTTL負(fù)載，其余口只能驅(qū)動4個LSTTL負(fù)載。,圖2.5P0口內(nèi)部一位結(jié)構(gòu)圖p26,1.P0口地址/數(shù)據(jù)分時復(fù)用,2.P1、P2和P3口準(zhǔn)雙向口,P1口專用8位準(zhǔn)雙向I/O口每一位都能獨立地設(shè)定為輸入或輸出。當(dāng)由輸出方式變?yōu)檩斎敕绞綍r,該位必須寫入“1”,然后才能進(jìn)入輸入操作。P2口8位準(zhǔn)雙向I/O口?？勺鳛閿U(kuò)展系統(tǒng)的地址總線,輸出高8位地址,與P0口一起組成16位地址總線。對于8031而言,P2口一般只作為地址總線使用。,表2.7P3口的第二功能,P3口為雙功能口或通用I/O口,2.6單片機(jī)的引腳及其功能,圖2.6MCS-51單片機(jī)引腳及總線結(jié)構(gòu)(a)管腳圖；(b)8031引腳功能分類,關(guān)于控制引腳:,ALE/PROG地址鎖存允許/編程信號線ALE鎖存P0口輸出的低8位地址信號;頻率為1/6震蕩頻率;PROG用于8755時,輸入編程脈沖信號。PSEN程序存儲器選通信號。EA/VPPEA訪問程序存儲器控制信號。EA=1，CPU從片內(nèi)開始讀取指令；EA=0，CPU從片外開始讀取指令。RST/VPDRST復(fù)位。（需要兩個機(jī)器周期以上的高電平）。VPD后備電源輸入端（掉電保護(hù)）。,2.7單片機(jī)工作的基本時序,1.機(jī)器周期和指令周期（1）振蕩周期:也稱時鐘周期,是指為單片機(jī)提供時鐘脈沖信號的振蕩源的周期。（2）狀態(tài)周期:每個狀態(tài)周期為時鐘周期的2倍,是振蕩周期經(jīng)二分頻后得到的。（3）機(jī)器周期:一個機(jī)器周期包含6個狀態(tài)周期S1S6,也就是12個時鐘周期。在一個機(jī)器周期內(nèi),CPU可以完成一個獨立的操作。（4）指令周期:它是指CPU完成一條操作所需的全部時間。每條指令執(zhí)行時間都是有一個或幾個機(jī)器周期組成。MCS-51系統(tǒng)中,有單周期指令、雙周期指令和四周期指令。,2.MCS-51指令的取指/執(zhí)行時序,圖2.7MCS-51單片機(jī)取指/執(zhí)行時序,3.訪問外部ROM和RAM的時序,圖2.8讀外部程序ROM時序,圖2-9讀外部數(shù)據(jù)RAM時序,圖2.10寫外部數(shù)據(jù)RAM的時序,