單片機原理及應(yīng)用.ppt

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第二章MCS 51系列單片機芯片結(jié)構(gòu) 2 1MCS 51系列單片機的結(jié)構(gòu)原理2 1 1MCS 51單片機邏輯結(jié)構(gòu)MCS 51單片機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2 1所示 圖2 1MCS 51單片機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 由圖2 1可以看出 單片機內(nèi)部主要包含下列幾個部件 u一個8位CPU u一個時鐘電路 u4Kbyte程序存儲器 u128byte數(shù)據(jù)存儲器 u兩個16位定時 計數(shù)器 u64Kbyte擴展總線控制電路 u四個8 bit并行I O端口 u一個可編程串行接口 五個中斷源 其中包括兩個優(yōu)先級嵌套中斷 2 1 2MCS 51單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)MCS 51單片機芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2 2所示 圖2 2MCS 51單片機芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 1 CPUCPU即中央處理器的簡稱 是單片機的核心部件 它完成各種運算和控制操作 CPU由運算器和控制器兩部分電路組成 1 運算器電路運算器電路包括ALU 算術(shù)邏輯單元 ACC 累加器 B寄存器 狀態(tài)寄存器 暫存器1和暫存器2等部件 運算器的功能是進行算術(shù)運算和邏輯運算 2 控制器電路控制器電路包括程序計數(shù)器PC PC加1寄存器 指令寄存器 指令譯碼器 數(shù)據(jù)指針DPTR 堆棧指針SP 緩沖器以及定時與控制電路等 控制電路完成指揮控制工作 協(xié)調(diào)單片機各部分正常工作 2 定時器 計數(shù)器MCS 51單片機片內(nèi)有兩個16位的定時 計數(shù)器 即定時器0和定時器1 它們可以用于定時控制 延時以及對外部事件的計數(shù)和檢測等 3 存儲器MCS 51系列單片機的存儲器包括數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器 其主要特點是程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的尋址空間是相互獨立的 物理結(jié)構(gòu)也不相同 4 并行I O口MCS 51單片機共有4個8位的I O口 P0 P1 P2和P3 每一條I O線都能獨立地用作輸入或輸出 P0口為三態(tài)雙向口 能帶8個TTL門電路 P1 P2和P3口為準(zhǔn)雙向口 負(fù)載能力為4個TTL門電路 5 串行I O口MCS 51單片機具有一個采用通用異步工作方式的全雙工串行通信接口 可以同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù) 6 中斷控制系統(tǒng)8051共有5個中斷源 即外中斷2個 定時 計數(shù)中斷2個 串行中斷1個 7 時鐘電路MCS 51芯片內(nèi)部有時鐘電路 但晶體振蕩器和微調(diào)電容必須外接 時鐘電路為單片機產(chǎn)生時鐘脈沖序列 振蕩器的頻率范圍為1 2MHz 12MHz 典型取值為6MHz 8 總線以上所有組成部分都是通過總線連接起來 從而構(gòu)成一個完整的單片機 系統(tǒng)的地址信號 數(shù)據(jù)信號和控制信號都是通過總線傳送的 總線結(jié)構(gòu)減少了單片機的連線和引腳 提高了集成度和可靠性 2 1 3引腳信號圖2 3為MCS 51系列單片機引腳圖及邏輯符號 它們?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的40腳DIP封裝 圖2 3MCS 51系列單片機引腳圖及邏輯符號 電源引腳Vcc和VssVcc 電源端 接 5V Vss 接地端 時鐘電路引腳XTAL1和XTAL2XTAL1 接外部晶振和微調(diào)電容的一端 在片內(nèi)它是振蕩器倒相放大器的輸入 若使用外部TTL時鐘時 該引腳必須接地 XTAL2 接外部晶振和微調(diào)電容的另一端 在片內(nèi)它是振蕩器倒相放大器的輸出 若使用外部TTL時鐘時 該引腳為外部時鐘的輸入端 地址鎖存允許ALE系統(tǒng)擴展時 ALE用于控制地址鎖存器鎖存P0口輸出的低8位地址 從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)與低位地址的復(fù)用 外部程序存儲器讀選通信號是讀外部程序存儲器的選通信號 低電平有效 程序存儲器地址允許輸入端 VPP當(dāng)為高電平時 CPU執(zhí)行片內(nèi)程序存儲器指令 但當(dāng)PC中的值超過0FFFH時 將自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行片外程序存儲器指令 當(dāng)為低電平時 CPU只執(zhí)行片外程序存儲器指令 復(fù)位信號RST該信號高電平有效 在輸入端保持兩個機器周期的高電平后 就可以完成復(fù)位操作 1 輸入 輸出口引腳P0 P1 P2和P3P0口 P0 0 P0 7 該端口為漏極開路的8位準(zhǔn)雙向口 負(fù)載能力位8高LSTTL負(fù)載 它為8位地址線和8位數(shù)據(jù)線的復(fù)用端口 P1口 P1 0 P1 7 它是一個內(nèi)部帶上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I O口 P1口的驅(qū)動能力為4個LSTTL負(fù)載 P2口 P2 0 P2 7 它為一個內(nèi)部帶上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I O口 P2口的驅(qū)動能力也為4個LSTTL負(fù)載 在訪問外部程序存儲器時 它作存儲器的高8位地址線 P3口 P3 0 P3 7 P3口同樣是內(nèi)部帶上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I O口 P3口除了作為一般的I O口使用之外 其還具有特殊功能 2 2MCS 51單片機的存儲器MCS 51的存儲器結(jié)構(gòu)如圖2 4所示 在本節(jié)中我們將對單片機的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器 內(nèi)部程序存儲器和外部存儲器分別作一介紹 圖2 4MCS 51的存儲器結(jié)構(gòu)如 2 2 1內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器 1 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器低128單元在低128字節(jié)存儲單元中 前32個單元 00H 1FH 作為工作寄存器使用 這32個寄存器分作4組 每組由8個通用寄存器 R0 R7 組成 組號依次為0 1 2和3 通過對程序狀態(tài)字中RS1和RS0的設(shè)置 可以決定選用哪一組工作寄存器 通常沒有選中的單元也可作為一般的數(shù)據(jù)緩存使用 系統(tǒng)上電復(fù)位時 默認(rèn)選中第0組寄存器 在工作寄存器后的16個數(shù)據(jù)單元 20H 2FH 它們既可以作為一般的數(shù)據(jù)單元使用 由可以按位對每個單元進行操作 因此這16個數(shù)據(jù)單元又稱作位尋址區(qū) 位尋址區(qū)共計128位 其位地址為00H 0FH 在內(nèi)部RAM的低128個單元中 剩余的80個數(shù)據(jù)單元即30H 7FH為真正的用戶RAM區(qū) 對于這些區(qū)域 用戶只能以存儲單元的形式來使用 通常在應(yīng)用中也把堆棧開辟在這段區(qū)域 2 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器高128單元內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器的高128個單元是為專用寄存器提供的 因此該區(qū)也稱作特殊功能寄存器區(qū) SFR 它們主要用于存放控制命令 狀態(tài)或數(shù)據(jù) 除去程序計數(shù)器PC外 還有21個特殊功能寄存器 其地址空間為80H FFH 這21個寄存器中有11個特殊功能寄存器具有位尋址能力 它們的字節(jié)地址剛好能被8整除 下面將對部分專用寄存器作簡要介紹 累加器ACC累加器為8位寄存器 是程序中最常用的專用寄存器 在指令系統(tǒng)中累加器的助記符為A 大部分單操作數(shù)指令的操作取自累加器 很多雙操作數(shù)指令的一個操作數(shù)也取自累加器 加 減乘和除等算術(shù)運算指令的運算結(jié)果都存放在累加器A或AB寄存器中 在變址尋址方式中累加器被作為變址寄存器使用 在MCS 51中由于只有一個累加器 而單片機 中的大部分?jǐn)?shù)據(jù)操作都是通過累加器進行的 故累加器的使用是十分頻繁的 B寄存器B寄存器為8位寄存器 主要用于乘除指令中 乘法指令的兩個操作數(shù)分別取自累加器A和寄存器B 其中B為乘數(shù) 乘法結(jié)果的高8位存放于寄存器B中 除法指令中 被除數(shù)取自A 除數(shù)取自B 除法的結(jié)果商數(shù)存放于A 余數(shù)存放于B中 在其它指令中 B寄存器也可作為一般的數(shù)據(jù)單元來使用 程序狀態(tài)字PSW程序狀態(tài)字是一個8位寄存器 它包含程序的狀態(tài)信息 在狀態(tài)字中 有些位狀態(tài)是根據(jù)指令執(zhí)行結(jié)果 由硬件自動完成設(shè)置的 而有些狀態(tài)位則必須通過軟件方法設(shè)定 PSW中的每個狀態(tài)位都可由軟件讀出 PSW的各位定義如表2 1 表2 1PSW的各狀態(tài)位定義 1 CY 進位標(biāo)志位在執(zhí)行某些算術(shù)和邏輯指令時 可以被硬件或軟件置位或清零 在算術(shù)運算中它可作為進位標(biāo)志 在位運算中 它作累加器使用 在位傳送 位與和位或等位操作中 都要使用進位標(biāo)志位 2 AC 輔助進位標(biāo)志進行加法或減法操作時 當(dāng)發(fā)生低四位向高四位進位或借位時 AC由硬件置位 否則AC位被置 0 在進行十進制調(diào)整指令時 將借助AC狀態(tài)進行判斷 3 用戶標(biāo)志位該位為用戶定義的狀態(tài)標(biāo)記 用戶根據(jù)需要用軟件對其置位或清零 也可以用軟件測試F0來控制程序的跳轉(zhuǎn) 4 RS1和RS0 寄存器區(qū)選擇控制位該兩位通過軟件置 0 或 1 來選擇當(dāng)前工作寄存器區(qū) 5 OV 溢出標(biāo)志位當(dāng)執(zhí)行算術(shù)指令時 由硬件置位或清零來指示溢出狀態(tài) 在帶符號的加減運算中 OV 1表示加減運算結(jié)果超出了累加器A所能表示的符號數(shù)有效范圍 128 127 即運算結(jié)果是錯誤的 反之 OV 0表示運算正確 即無溢出產(chǎn)生 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 若置于累加器A和寄存器B的兩個數(shù)的乘積超過了255 則OV 1 反之OV 0 由于乘積的高8位存放于B中 低8位存放于A中 OV 0則意味著只要從A中取得乘積即可 否則要從BA寄存器對中取得乘積結(jié)果 在除法運算中 DIV指令也會影響溢出標(biāo)志 當(dāng)除數(shù)為0時 OV 1 否則OV 0 6 P 奇偶標(biāo)志位每個指令周期由硬件來置位或清零用以表示累加器A中1的個數(shù)的奇偶性 若累加器中1的個數(shù)為奇數(shù)則P 1 否則P 0 l數(shù)據(jù)指針DPTR數(shù)據(jù)指針DPTR為一個16位的專用寄存器 其高位用DPH表示 其低位用DPL表示 它即既可以作為一個16位的寄存器來使用 也可作為兩個8位的的寄存器DPH和DPL使用 DPTR在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時既可用來存放16位地址 也可作地址指針使用 如MOVX DPTR A lI O端口P0 P3 P0 P3為四個8位的特殊功能寄存器 分別是四個并行I O端口的鎖存器 當(dāng)I O端口的某一位用作輸入時 對應(yīng)的鎖存器必須先置 1 l定時器 計數(shù)器在MCS 51中 除8032 8052外都只有兩個16位定時器 計數(shù)器T0和T1 它們由兩個相互獨立的8位寄存器組成TH和TL 共有四個獨立的寄存器TH0 TL0 TH1和TL1 只可對這四個寄存器獨立尋址 而不能作為一個16位寄存器來尋址 l串行數(shù)據(jù)緩沖寄存器串行數(shù)據(jù)緩沖器SBUF用于存放將要發(fā)送或已接收的數(shù)據(jù) 它由發(fā)送緩沖器和接收緩沖器組成 將要發(fā)送的數(shù)據(jù)被送入SBUF時進入發(fā)送緩沖器 反之進入接收緩沖器 2 2 2外部數(shù)據(jù)存儲器在MCS 51中 其片外數(shù)據(jù)存儲器和I O口與片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器空間0000FH FFFFH是重疊的 在8051單片機中采用MOV和MOVX兩種指令來區(qū)分片內(nèi)外RAM空間 其中片內(nèi)RAM使用MOV指令 片外RAM和I O口使用MOVX指令 2 2 3程序存儲器在MCS 51系列中 程序存儲器被用來存放程序 常數(shù)或表格等 在8051中 其片內(nèi)有4K字節(jié)的ROM存儲單元 地址為0000H 0FFFH 8751有4K字節(jié)的EPROM 而8052和8752則有8K字節(jié)的片內(nèi)存儲器 8031和8032無片內(nèi)程序存儲器 所以片內(nèi)程序存儲器的有無是區(qū)分芯片的主要標(biāo)志 在程序存儲器中 以下6個單元具有特殊含義 0000H 單片機復(fù)位后 PC 0000H 程序從0000H開始執(zhí)行指令 0003H 外部中斷0入口地址 000BH 定時器0中斷入口地址 0013H 外部中斷1入口地址 001BH 定時器1中斷入口地址 0023H 串行口中斷入口地址 在系統(tǒng)中斷相應(yīng)之后 將自動轉(zhuǎn)各中斷入口地址處執(zhí)行程序 而中斷服務(wù)程序一般無法存放于幾個單元之內(nèi) 因此在中斷入口地址處往往存放一條無條件轉(zhuǎn)移指令進行跳轉(zhuǎn) 以便執(zhí)行中斷服務(wù)程序 2 3MCS 51單片機輸入 輸出 I O 口2 3 1P0口圖2 6給出了P0口的邏輯結(jié)構(gòu) 它由一個鎖存器 兩個三態(tài)輸入緩沖器 一個多路復(fù)用開關(guān)以及控制電路和驅(qū)動電路等組成 圖2 6P0口的邏輯結(jié)構(gòu) P0口可以作為輸入輸出口 在實際應(yīng)用中它通常作為地址 數(shù)據(jù)復(fù)用總線 在訪問外部存儲器時 P0口為真正的雙向口 2 3 2P1口P1口是一個準(zhǔn)雙向口 通常作為I O口使用 其位結(jié)構(gòu)圖如圖2 7 由于在其輸出端接有上拉電阻 故可以直接輸出而無需外接上拉電阻 圖2 7位結(jié)構(gòu)圖 2 3 3P2口P2口位結(jié)構(gòu)圖如圖2 8 P2通用為一個準(zhǔn)雙向口 其位結(jié)構(gòu)與P0口相似 對于8031單片機來說 P2口通常用作地址信號輸出 圖2 8P2口位結(jié)構(gòu)圖 2 3 4P3口P3口的位結(jié)構(gòu)圖如圖2 9 P3口為雙功能口 當(dāng)P3口作為通用I O口使用時 它為準(zhǔn)雙向口 且每位都可定義為輸入或輸出口 其工作原理同P1口類似 圖2 9P3口的位結(jié)構(gòu)圖 P3口還具有第二功能 其引腳描述如表2 5 表2 5P3口特殊功能 2 4單片機的工作方式2 4 1復(fù)位及復(fù)位電路在MCS 51中 最常見的復(fù)位電路為圖2 10所示的上電復(fù)位電路 它能有效的實現(xiàn)上電復(fù)位和手動復(fù)位 RST引腳是復(fù)位信號輸入端 復(fù)位信號為高電平有效 其有效時間應(yīng)持續(xù)24個振蕩周期以上才能完成復(fù)位操作 若使用6MHz晶振 則需持續(xù)4 S以上才能完成復(fù)位操作 圖2 10中 在通電瞬間 由于RC的充電過程 在RST端出現(xiàn)一定寬度的正脈沖 只要該正脈沖保持10ms以上 就能使單片機自動復(fù)位 在6MHz時鐘時 通常CR取22 F R1取200 R2取1K 這時能可靠的上電復(fù)位和手動復(fù)位 CPU在第二個機器周期內(nèi)執(zhí)行內(nèi)部復(fù)位操作 以后每個機器周期重復(fù)一次 直至RST端電平變低 在單片機復(fù)位期間 AlE和信號都不產(chǎn)生 復(fù)位操作將對部分專用寄存器產(chǎn)生影響 圖2 10上電復(fù)位電路 2 4 2時鐘電路和時序1 時鐘電路根據(jù)硬件電路的不同 單片機的時鐘連接方式可分為內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式 如圖2 11所示 a 內(nèi)部方式時鐘電路 b 外接時鐘電路圖2 11時鐘電路 2 指令時序 1 振蕩周期振蕩周期指為單片機提供定時信號的振蕩源的周期或外部輸入時鐘的周期 2 時鐘周期時鐘周期又稱作狀態(tài)周期或狀態(tài)時間S 它是振蕩周期的兩倍 它分為P1節(jié)拍和P2節(jié)拍 通常在P1節(jié)拍完成算術(shù)邏輯操作 在P2節(jié)拍完成內(nèi)部寄存器之間的傳送操作 3 機器周期一個機器周期由6個狀態(tài)組成 如果把一條指令的執(zhí)行過程分作幾個基本操作 則將完成一個基本操作所需的時間稱作機器周期 單片機的單周期指令執(zhí)行時間就為一個機器周期 4 指令周期指令周期即執(zhí)行一條指令所占用的全部時間 通常為1 4個機器周期 在圖2 12中給出了MCS 51單片機的典型取指 執(zhí)行時序 圖2 12MCS 51單片機取指 執(zhí)行時序 2 4 3單片機的低功耗方式對于MCS 51系列機型來說 它們有待機方式和掉電保護方式兩種低功耗方式 通過設(shè)置電源控制寄存器PCON的相關(guān)位可以確定當(dāng)前的低功耗方式 PCON寄存器格式如下 其中SMOD 波特率倍增位GF0 GF1 通用標(biāo)志位PD 掉電方式位 PD 1為掉電方式IDL 待機方式位 IDL 1為待機方式 1 待機方式將PCON寄存器的IDL位置 1 單片機則進入待機方式 通常在待機方式下 單片機的中斷仍然可以使用 這樣可以通過中斷觸發(fā)方式退出待機模式 2 掉電保護方式將PCON寄存器的PD位置 1 單片機則進入掉電保護方式 如果單片機檢測到電源電壓過低 此時除進行信息保護外 還需將PD位被置 1 使單片機進入掉電保護方式