自控原理課件

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1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,,單擊此處編輯母版文本樣式,,第二級,,第三級,,第四級,,第五級,,*,*,*,第2,章,MCS-51,單片機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理,教學(xué)提示：,需要數(shù)字電路、模擬電路和計算機(jī)基礎(chǔ)等課程知識。單片機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理是單片機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)資源，屬硬件部分。本章主要講述,MCS-51,單片機(jī)芯片的組成、內(nèi)部各功能模塊的邏輯框圖、電路結(jié)構(gòu)和工作原理。,,教學(xué)要求：,本章讓學(xué)生了解單片機(jī)芯片內(nèi)部功能模塊的組成，重點(diǎn)掌握,CPU，RAM，ROM，SFR，I/O,接口，時鐘電路和復(fù)位電路的結(jié)構(gòu)與原理。,,2.1,MCS-51,單片機(jī)的組成和內(nèi)部結(jié)構(gòu),,,2.2,MCS-51,的外部引腳及功能

2、,,,2.3,MCS-51,的存儲器配置,,,2.4,時鐘電路與復(fù)位電路,,,2.5,I/O,端口電路與電氣特性,,,2.6,本章小結(jié),,第2,章,MCS-51,單片機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理,2.1,MCS-51,單片機(jī)的組成和內(nèi)部結(jié)構(gòu),MCS-51,單片機(jī)內(nèi)部主要包含下列硬件資源：,,(1) 8,位,CPU,，,片內(nèi)振蕩器；,,(2) 4,KB/8KB,程序存儲器,(,ROM),；,,(3) 128B/256B,數(shù)據(jù)存儲器,(,RAM),；,,(4) 2/3,個,16,位定時,/,計數(shù)器；,,(5) 32,個可編程的,I/O,線,(4,個,8,位并行,I/O,端口,),；,,(6) 1,個可編程全雙工

3、串行端口；,,(7) 5/6,個中斷源，,2,個中斷優(yōu)先級；,,(8),可尋址,64,KB,片外部數(shù)據(jù)存儲器空間、,64,KB,片外部程序存儲器空間的控制電路；,,(9),有位尋址功能，適用于位處理器,(,布爾處理器,),。,,2.1,MCS-51,單片機(jī)的組成和內(nèi)部結(jié)構(gòu),2.1,MCS-51,單片機(jī)的組成和內(nèi)部結(jié)構(gòu),,2.1.1,中央處理器（,CPU）,,運(yùn)算器：,運(yùn)算器包括算術(shù),/,邏輯單元,(,ALU)、,累加器,(,ACC)、,寄存器,(,B)、,暫存器,(,TEMP),及程序狀態(tài)寄存器,(,PSW),等。運(yùn)算器的功能是進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。,,,控制器：,控制器是控制單片機(jī)工作的神

4、經(jīng)中樞，它包括程序計數(shù)器,(,PC),、,指令寄存器,(,IR),、,指令譯碼器,(,ID),、,數(shù)據(jù)指針,(,DPTR),、,堆棧指針,(,SP),、,RAM,地址寄存器、時鐘發(fā)生器、定時控制邏輯等。,,位處理器（布爾處理機(jī)）：,MCS-51,的,CPU,內(nèi)有一個,1,位處理器子系統(tǒng)，它相當(dāng)于一個完整的位單片機(jī)，但每次處理的數(shù)據(jù)只有,1,位。它有自己累加器,(,CY)，,數(shù)據(jù)存儲器,(,可位尋址空間,)。,2.1,MCS-51,單片機(jī)的組成和內(nèi)部結(jié)構(gòu),,2.1.2,存儲器,,MCS-51,系列單片機(jī)的存儲器包括：數(shù)據(jù)存儲器,(,RAM),和程序存儲器,(,ROM),兩部分。,,51/52,片

5、內(nèi)有,128/256,個,8,位用戶讀寫數(shù)據(jù)存儲單元和,21/26,個特殊功能寄存器,。,當(dāng)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器不夠使用時，可擴(kuò)展片外,RAM,。,MCS-51,對外有,64,KB,數(shù)據(jù)存儲器的尋址能力。,,,51/52有4,KB/8KB(1KB=1024B),的,ROM，,用于存放用戶程序和常數(shù),(,如原始數(shù)據(jù)或表格,),等。當(dāng)需要擴(kuò)展片外,ROM,時，,MCS-51,對片外有,64,KB,程序存儲器的尋址能力。,2.1,MCS-51,單片機(jī)的組成和內(nèi)部結(jié)構(gòu),,2.1.3,接口電路,,MCS-51,單片機(jī)有,4個8,位寬度的并行輸入,/,輸出,(,I/O),端口，分別稱,P0,口、,P1,口、,P

6、2,口和,P3,口，,I/O,線共,32,根。單片機(jī)輸出的控制信號和采集外部的輸入信號，都是通過這,32根,I/O,線進(jìn)行傳輸?shù)摹?,2.1.4,時鐘振蕩電路,,51/52,內(nèi)置一個振蕩器和時鐘電路，用于產(chǎn)生整個單片機(jī)運(yùn)行的脈沖時序 。,,2.2,MCS-51,的外部引腳及功能,有,DIP,封裝、,PLCC,封裝等，本書,DIP40,為例。,2.2,MCS-51,的外部引腳及功能,,2.2.1,I/O,端口,,4個并行,I/O,端口分別為,P0,口、,P1,口、,P2,口及,P3,口。,,P0：,數(shù)據(jù)/地址復(fù)用總線,,P1：,通用靜態(tài),I/O,口,,P2：,通用,I/O,口和高8位地址總線,,

7、P3：,通用,I/O,口和第二功能,,,注意：,驅(qū)動能力(拉：幾十微安；灌：,mA,級)，注意硬件設(shè)計。,2.2,MCS-51,的外部引腳及功能,,P3,的第二功能口,,P3.0：,RXD，,串口輸入口,,P3.1：,TXD，,串行輸出口,,P3.2：,/INT0，,外部中斷0輸入口,,P3.3：,/INT1，,外部中斷1輸入口,,P3.4：,T0，,定時器0外部輸入口,,P3.5：,T1，,定時器1外部輸入口,,P3.6：,/WR，,寫選通輸出口,,P3.7：,/RD，,讀選通輸出口,2.2,MCS-51,的外部引腳及功能,,2.2.2 控制引腳,,控制引腳包括,ALE//PROG（30）：

8、,地址鎖存信號輸出及編程脈沖輸入端。,①,地址鎖存允許，在單片機(jī)訪問外部存儲器（包括外,ROM,和外,RAM）,時，該引腳的輸出信號,ALE,用于鎖存,P0,的低8位地址（結(jié)合最小系統(tǒng)稍細(xì)講一下），信號的輸出頻率一般為,fosc,/6（,特殊的到第4章再介紹）；②編程時的編程脈沖輸入端，與我們使用,CPU,的用戶無關(guān)，與設(shè)計編程器的廠商有關(guān)。,,/,PSEN（29）：,程序存儲器輸出使能。在擴(kuò)展外,ROM,時，為取指時的外部,ROM,選通信號。信號頻率一般為,fosc,/6。,但,CPU,內(nèi)部有,ROM,時，即在訪問內(nèi),ROM,時，該信號不出現(xiàn)，由于,CPU,的內(nèi),ROM,化，使目前的該引腳功

9、能有退化的趨勢。,,RST/VPD（9）：,復(fù)位信號輸入及后備電源輸入端。,2.2,MCS-51,的外部引腳及功能,,2.2.2 控制引腳,,/,EA/VPP（31）：,片內(nèi)程序存儲器屏蔽控制及編程電壓輸入端。,① /,EA=0，,只訪問外,ROM，/EA=1，,先內(nèi)后外，但隨著,CPU,的內(nèi),ROM,容量的不斷增大，一般只訪問內(nèi),ROM，,因此使用時目前的趨勢/,EA,只接高電平，而且一般通過一上拉電阻接高電平；②編程時，該腳作編程電源輸入端，與我們使用,CPU,的用戶無關(guān)，與設(shè)計編程器的廠商有關(guān)。,,2.2.3,電源與晶振引腳,,VCC(40,腳)：,主電源正端，接+5,V。,,VSS(2

10、0,腳)：,主電源負(fù)端，接地。,,XTAL1(19,腳)：,片內(nèi)高增益反相放大器的輸入端。若使用外部輸入時鐘，該引腳必須接地。,,XTAL2(18,腳)：,片內(nèi)高增益反相放大器的輸出端。若使用外部輸入時鐘，該引腳作為外部輸入時鐘的輸入端。,2.2,MCS-51,的外部引腳及功能,,2.3,MCS-51,的存儲器配置,,內(nèi),RAM,：,內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器，存放運(yùn)算中間結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存。,,SFR,：,特殊功能寄存器，,設(shè)置片內(nèi)電路運(yùn)行方式，記錄電路的運(yùn)行狀態(tài)，表明有關(guān)標(biāo)志，映射和實現(xiàn),I/O,口操作等。,,ROM,：,程序存儲器，,存放程序或表格。,,外,RAM,：,外部數(shù)據(jù)存儲器，,存放運(yùn)算中間結(jié)果

11、、數(shù)據(jù)暫存。,存儲器的配置分類,2.3,MCS-51,的存儲器配置,,功能,：存放運(yùn)算中間結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存。,,數(shù)量,：128字節(jié),,地址范圍,：00,H~7FH,,3,個區(qū),：,00,H ~ 1FH：,寄存器區(qū),,20,H ~ 2FH：,位地址區(qū),,30,H ~ 7FH：,通用,RAM,區(qū),2.3.1內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器：,內(nèi),RAM,7,FH,通用,RAM,區(qū),,,,,,,,?,,,,,,,,,30,H,,,,,,,,,,D7,D6,D5,D4,D3,D2,D1,D0,2,FH,7,F,7,E,7,D,7,C,7,B,7,A,79,78,2,EH,77,76,75,74,73,72,71,70,2

12、,DH,6,F,6,E,6,D,6,C,6,B,6,A,69,68,2,CH,67,66,65,64,63,62,61,60,2,BH,5,F,5,E,5,D,5,C,5,B,5,A,59,58,2,AH,57,56,55,54,53,52,51,50,29,H,4,F,4,E,4,D,4,C,4,B,4,A,49,48,28,H,47,46,45,44,43,42,41,40,27,H,3,F,3,E,3,D,3,C,3,B,3,A,39,38,26,H,37,36,35,34,33,32,31,30,25,H,2,F,2,E,2,D,2,C,2,B,2,A,29,28,24,H,27,26

13、,25,24,23,22,21,20,23,H,1,F,1,E,1,D,1,C,1,B,1,A,19,18,22,F,17,16,15,14,13,12,11,10,21,H,0,F,0,E,0,D,0,C,0,B,0,A,09,08,20,H,07,06,05,04,03,02,01,00,1,FH,3區(qū)、2區(qū)、1區(qū)、0區(qū),,,,,,,,?,,,,,,,,,00,H,,,,,,,,,寄存器區(qū),,位地址區(qū),,通用,RAM,區(qū),,內(nèi),RAM,組織圖,2.3,MCS-51,的存儲器配置,,寄存器區(qū),,,00,H-1FH：32,個單元，4個區(qū)，每區(qū)8個寄存器，稱為,R0、R1、…R7,（,Regis

14、ter,）,。,,0,區(qū)：00,H-07H,,1,區(qū)：08,H-0FH,,2,區(qū)：10,H-17H,,3,區(qū)：18,H-1FH,,由,RS0RS1,(PSW,中的兩個位),,組合決定當(dāng)前工作寄存器區(qū),,,R0-R7,是哪個區(qū)。,RS1、RS0,寄存器工作區(qū),0 0,0區(qū),0 1,1區(qū),1 0,2區(qū),1 1,3區(qū),2.3.1內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器：,內(nèi),RAM,位地址區(qū),,字節(jié)地址范圍,：,,20,H~2FH,,位地址范圍,：,,00,H-7FH，,,128,個位,,通用,RAM,區(qū),,字節(jié)地址范圍,：,,,30,H-7FH,,功能,：,,暫存數(shù)據(jù)；,,也可作堆棧區(qū)使用。,2.3.1,內(nèi)

15、,RAM,7,FH,通用,RAM,區(qū),,,,,,,,?,,,,,,,,,30,H,,,,,,,,,,D7,D6,D5,D4,D3,D2,D1,D0,2,FH,7,F,7,E,7,D,7,C,7,B,7,A,79,78,2,EH,77,76,75,74,73,72,71,70,2,DH,6,F,6,E,6,D,6,C,6,B,6,A,69,68,2,CH,67,66,65,64,63,62,61,60,2,BH,5,F,5,E,5,D,5,C,5,B,5,A,59,58,2,AH,57,56,55,54,53,52,51,50,29,H,4,F,4,E,4,D,4,C,4,B,4,A,49,48

16、,28,H,47,46,45,44,43,42,41,40,27,H,3,F,3,E,3,D,3,C,3,B,3,A,39,38,26,H,37,36,35,34,33,32,31,30,25,H,2,F,2,E,2,D,2,C,2,B,2,A,29,28,24,H,27,26,25,24,23,22,21,20,23,H,1,F,1,E,1,D,1,C,1,B,1,A,19,18,22,F,17,16,15,14,13,12,11,10,21,H,0,F,0,E,0,D,0,C,0,B,0,A,09,08,20,H,07,06,05,04,03,02,01,00,1,FH,3區(qū)、2區(qū)、1區(qū)、

17、0區(qū),,,,,,,,?,,,,,,,,,00,H,,,,,,,,,2.3,MCS-51,的存儲器配置,,功能,：用來存放運(yùn)算過程的中間值,,容量,：64,K，0000H~FFFFH,,器件,：6116、6264、62256等,,與內(nèi),RAM,區(qū)分,：,,片外有讀寫引腳信號，指令用,MOVX,,,片內(nèi)無讀寫引腳信號，指令用,MOV,2.3.2外部數(shù)據(jù)存儲器：,外,RAM,2.3,MCS-51,的存儲器配置,,數(shù)據(jù)存儲器配置圖,2.3,MCS-51,的存儲器配置,,功能,：設(shè)置片內(nèi)電路運(yùn)行方式，記錄電路的運(yùn)行狀態(tài)，表明有關(guān)標(biāo)志，映射和實現(xiàn),I/O,口操作,,數(shù)量,：21個,SFR,,地址范圍,：不

18、連續(xù)地分布在80,H~FFH,中，11個,SFR,具有83個位地址。與內(nèi),RAM,統(tǒng)一編址,。,,A,、,B,、,PSW,、,SP,、,DPTR(DPH+DPL),、P0、P1,、P2、P3、IP、IE、TMOD、TCON、TH0、TL0、TH1、TL1、SCON、SBUF、PCON,2.3.3特殊功能寄存器：,SFR,2.3,MCS-51,的存儲器配置,,A （,Accumulator,）*,:,累加器，,ACC，,最繁忙的專用寄存器。0,E0H,,B*,:,可作為一般寄存器使用。但在乘除指令中，,B,寄存器有專門的用途。0,F0H,,,PSW,（,Program Status Word,）

19、,*,:,程序狀態(tài)寄存器是一個8位寄存器。它包含了程序狀態(tài)信息和一些可控制位。0,D0H,,,說明：,寄存器右上腳帶*為能進(jìn)行位尋址！,SFR,2.3,MCS-51,的存儲器配置,,,CY,：,借進(jìn)位標(biāo)志，＝1，有；＝0，無,,,AC,：,輔助借進(jìn)位標(biāo)志，高低半字節(jié)間,,,F0,：,用戶設(shè)置標(biāo)志位,,,RS1RS0,：,當(dāng)前工作寄存器選擇位,,,OV,：,溢出位， ＝1，有；＝0，無；,,,X,：,無效位，保留,,,P,：,奇偶校驗位，累加器中奇數(shù)個1為1，偶數(shù)個1為0，經(jīng)常被用在通信時為增加通信的可靠性而使用。,CY,AC,F0,RS1,RS0,OV,X,P,D7,D0,PSW:,程序狀態(tài)字

20、,2.3,MCS-51,的存儲器配置,,對8位運(yùn)算而言，溢出是指,兩個帶符號數(shù)運(yùn)算,時，結(jié)果超出了累加器,A,所能表示的帶符號數(shù)的范圍（+127～-128）。,,還有,無符號數(shù)乘法,指令,MUL,的執(zhí)行結(jié)果也會影響溢出標(biāo)志位。置于累加器,A,和寄存器,B,的兩個乘數(shù)的積超過255（0,FFH）,時，,OV=“1”，,否則,OV=“0”。,較少使用！,,,除法指令,DIV,也會影響溢出標(biāo)志位。當(dāng)除數(shù)為0時，,OV=“1”，,否則,OV=“0”。,較少使用！,OV：,溢出位,， ＝1，有；＝0，無,2.3,MCS-51,的存儲器配置,,SP （,Stack Pointer,）,：,堆棧指針,SP,

21、是一個8位的特殊功能寄存器。81,H,,堆棧,是指數(shù)據(jù)只允許在其一端進(jìn)出的一段,存儲空間,。,,堆棧數(shù)據(jù)寫入和讀出遵守“,先入后出，后進(jìn)先出,” 的規(guī)則。要實現(xiàn)這一功能，需要有一個特殊的地址指針,SP 。,,MCS-51,的堆棧指針是,指向棧頂,的。復(fù)位時，堆棧指針,SP=07H，,根據(jù),SP,是指向棧頂?shù)奶攸c(diǎn)。堆棧正落在,工作,寄存器1區(qū)。,SFR,2.3,MCS-51,的存儲器配置,,DPTR（,Data Pointer,）,：,數(shù)據(jù)指針寄存器,DPTR,是一個16位專用寄存器。,,DPTR=DPH+DPL（83H、82H）,,它既可以是一個16位專用寄存器；,,也可以拆開，作為2個獨(dú)立的

22、8位寄存器,DPH,和,DPL,使用。,,主要用途,是保持16位的地址，常用于尋址片外64,KB,的數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器空間。,SFR,2.3,MCS-51,的存儲器配置,,P0~P3*,：,專用寄存器,P0(80H)、P1(90H)、P2(0A0H),和,P3(0B0H),分別是,I/O,端口,P0～P3,的8位鎖存器。,,,IP （,Interrupt Priority Register,）*,：,中斷優(yōu)先級寄存器，0,B8H,,IE （,Interrupt Enable Register,）*,：,中斷允許寄存器，0,A8H,SFR,2.3,MCS-51,的存儲器配置,,TMOD （,

23、Timer/Counter Mode Register,）,：,定時器模式控制寄存器，89,H,,TCON （,Timer/Counter Control Register,）*,：,定時器控制寄存器，88,H,,TH1、TL1,：,定時器1的16位計數(shù)值寄存器，8,DH、8BH,,TH0、TL0,：,定時器0的16位計數(shù)值寄存器，8,CH、8AH,SFR,2.3,MCS-51,的存儲器配置,,SBUF （,Serial Date Buffer,）,：,串行數(shù)據(jù)緩沖器，用于串行通信，存放欲發(fā)送和已接收數(shù)據(jù)的，雙緩沖結(jié)構(gòu)。99,H,,SCON （,Serial Control Register,

24、）*,：,串行接口控制寄存器，98,H,,PCON （,Power Control Register,）,：,電源控制寄存器，97,H,SFR,2.3,MCS-51,的存儲器配置,,PC （,Program Counter）,不屬于,特殊功能寄存器,SFR,。,,編程是,不能,對它進(jìn)行,訪問,。,,它是一個,16位程序地址寄存器,。,,專門用于存放,下一條,要執(zhí)行指令的,地址,。,,當(dāng)一條指令被取出后，,PC,的內(nèi)容會,自動增量,，指向下一條要執(zhí)行指令的地址。除非遇到子程序調(diào)用、跳轉(zhuǎn)等轉(zhuǎn)移類指令。,程序計數(shù)器,PC**,2.3,MCS-51,的存儲器配置,,功能,：存放程序或表格,,最大容量,

25、：64,K，0000H~FFFFH（,有內(nèi)、有外擴(kuò)）,,與外,RAM,重址,,,ROM,：,只讀，讀時由/,PSEN,引腳提供信號,,,外,RAM,：,讀寫，由/,RD、/WR,引腳提供信號,,工作時有程序計數(shù)器,PC,指針進(jìn)行取指，具有,自動增量,，轉(zhuǎn)移類指令可修改,PC,值。,,專用器件,：2716、2764、27256等,,目前的發(fā)展趨勢,：,CPU,的內(nèi),ROM,化，容量增大化,2.3.4程序存儲器：,ROM,2.3,MCS-51,的存儲器配置,,程序存儲器配置圖,2.3,MCS-51,的存儲器配置,,0000,H：,復(fù)位后的入口地址,,0003,H：,外部中斷0的入口地址,,000,

26、BH：T0,溢出中斷的入口地址,,0013,H：,外部中斷1的入口地址,,001,BH：T1,溢出中斷的入口地址,,0023,H：,串口中斷的入口地址,,特殊的入口地址,2.3,MCS-51,的存儲器配置,,內(nèi),RAM,與位地址的重址問題,,內(nèi),RAM、,外,RAM,區(qū)分,,ROM,與外,RAM,重址區(qū)分,,不要死記,SFR,的物理地址！,,幾個注意點(diǎn),2.3,MCS-51,的存儲器配置,,內(nèi),RAM、SFR、,外,RAM、ROM,四種類型的存儲器,,內(nèi),RAM：128,個，3個區(qū)，寄存器區(qū)、位地址區(qū)、通用,RAM,區(qū),,21個,SFR，,重點(diǎn),PSW、SP、DPTR、A、B,等,,PC**：,程序計數(shù)器,,外,RAM：,暫存數(shù)據(jù)，64,K,,ROM：,程序與表格，64,K,小結(jié),