第单片机的结构及原理.pptx
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1、 MCS-51系列单片机的结构框图见图2-1。5151子系列的配置如下:(1)8位CPU;(2)振荡频率1.212MHZ;(3)128个字节的片内数据存储器(片内RAM);(52系列为256字节)(4)21个专用寄存器;(5)4KB的片内程序存储器,(片内ROM 8031,8032无);(52系列为8KB)(6)8位并行I/O口P0,P1,P2,P3;(7)一个全双工串行I/O口;(8)2个16位定时器/计数器(52系列3个定时器);(9)5个中断源,分为2个优先级(52系列6个中断源);第1页/共60页8051单片机功能方框图图2-18051单片机的内部结构8031无无 8051单片机的内部
2、结构第2页/共60页图2-1 MCS-512-1 MCS-51系列单片机的结构框图 第3页/共60页CPU:由运算器和控制器组成由运算器和控制器组成(同时还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存器),是单片机的核心,完成运算和控制操作,决定单片机的性能。片内片内RAM:片内数据存储器,用于存放可读写的数据片内数据存储器,用于存放可读写的数据(如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据)。片内片内ROM:片内程序存储器,用以存放程序。片内程序存储器,用以存放程序。并可存放一些原始的数据和表格。I/O口:口:既可用作输入,也可用作输出既可用作输入,也可用作输出。定时计数器定时计数器:可用来对外部事件进
3、行计数,并可设置成定时器:可用来对外部事件进行计数,并可设置成定时器,根据定时或计数的结果进行控制。串行通信口:串行通信口:全双工的串行通信口,实现单片机和其他数据设备间的串行数全双工的串行通信口,实现单片机和其他数据设备间的串行数据传送。据传送。(既可作为全双工异步通信收发器使用,也可作为同步移位寄存器使用。)中断系统:中断系统:为提高为提高CPU的效率和数据处理的实时性而设定。的效率和数据处理的实时性而设定。内部时钟产生电路:内部时钟产生电路:具有内部时钟产生电路,但具有内部时钟产生电路,但石英晶体和微调电容需要外石英晶体和微调电容需要外接。接。最高振荡频率为12M。第4页/共60页51单
4、片机的总线结构 以上单元通过内部总线相连,在许多情况下单片机需要和外部设备或存储器相连,这时的连接仍然采用三总线(数据、地址、控制)方式。其特点如下:采用8位数据线和16位地址线,没有独立的地址和数据总线,共用P0和P2。P0分时作为8位数据线和低8位地址线,P2口作为高8位地址线。ROM和RAM分开,使用16条地址线可分别寻址64K RAM和64K ROM,使实际存储空间扩大一倍。第5页/共60页图2-2 MCS2-2 MCS5151系列单片机的引脚功能51子系列单片机引脚及其功能:第6页/共60页主电源引脚 Vss(接地)、Vcc(接5V)输入/输出引脚 P0、P1、P2、P3 P0.0P
5、0.0P0.7P0.7:P0口的8个引脚,P0口是8位漏极开路型双向I/0端口,在接有片外存储器或I/0扩展接口时,P0.0P0.7分时复用,作低8位地址总线与双向8位数据总线 P1.0P1.0P1.7P1.7:P1口的8个引脚,P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,(对于52子系列,P1.0还可用于定时器/计数器2的计数脉冲输入端2,1.1还可作定时器/计数器2的外部控制端T2EX。)P2.0P2.0P2.7P2.7:P2口的8个引脚,P2口也是一个带内部上拉电阻的双向I/O口,在访问片外存储器或扩展I/O接口时,还用于提供高8位地址。P3.0P3.7:P3口的8个引脚,P3口也是一
6、个带上拉电阻的I/O口,除可以作双向的输入输出口外,还具有第2功能,见表2.1第7页/共60页表 P3P3口第二功能表引脚 第二功能 P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7 RXD(串行口输入)TXD(串行口输出)INT0(外部中断0输入)INT1(外部中断1输入)T0(定时器0的外部输入)T1(定时器1的外部输入)WR(片外数据存储器写控制信号)RD (片外数据存储器读控制信号)第8页/共60页(控制线(4 4条):ALE/PROGALE/PROG:双功能引脚。由于P0口的8个引脚是低8位地址总线与数据总线分时复用,因此必须将P0口输出的低8位地址进行锁存。ALE(
7、地址锁存允许信号);在访问片外存储器时,每每机机器器周周期期该该信信号号出出现现2 2次次。其下降沿用于控制锁存P0口输出的低8 位地址。即使不访问片外存储器,该引脚上仍出现上述频率的周期性信号,因此也可作为对外输出的时钟脉冲,频率为振荡器频率的1/6,(必须注意的是:在访问片内外存储器时,ALE脉冲会跳空1个,不能用作时钟信号。)PROG:对片内含有EPROM的机型(如8751等),此引脚在编程时可作为编程脉冲PROG的输入端。PSENPSEN:片外ROM读选通信号输出端,在CPU访问ROM时,此信号每个机器周期两次有效,以通过P0口读入指令,在访问片外RAM时,该信号不出现。第9页/共60
8、页 EA/VppEA/Vpp:双功能引脚,为片外程序存储器选用端。当该引脚信号有效时,选择片外程序存储器,即EA/Vpp=1EA/Vpp=1时,访问片内程序存储器。对片内含有EPROMEPROM的机型,此引脚在编程期间用于施加+21V+21V的编程电压。RST/VRST/VPOPO:双功能引脚,在单片机工作期间,当此引脚上出现连接2 2个机器周期的高电平时可实现复位操作,详见2.42.4节。在VccVcc掉电期间,若该引脚接备用电源(+5v+5v),可向片内RAMRAM供电,以保存片内RAMRAM中的信息。第10页/共60页 外接晶振引脚 XTAL1、XTAL2内部方式时钟电路如下图(a)所示
9、为51单片机的振荡电路,XTAL1端和XTAL2端将晶振、电容C1和C2与内部的反相放大器连接起来组成并联谐振电路,图中C1、C2取31pF,对频率有微调作用,振荡频率范围在212MHz,一般常用6MHz或12MHz。外部方式时钟电路也可采用外接振荡器,对于HMOS单片机,外部振荡器的信号接至XTAL2端,即内部时钟发生器的输入端,而内部反相放大器的输入端XTAL1端应接地,如下图(b)所示。由于XTAL2端的逻辑电平不是TTL的,故建议外接一个上拉电阻;而对于CHMOS单片机,XTAL2端悬空,XTAL1端接外振荡器输入(带上拉电阻)。第11页/共60页2.2 MCS2.2 MCS5151系
10、列单片机的CPUCPU及其时序cpu结构 ALU ACC B 控制器控制器 PC ID IR 存储器存储器 PSW第12页/共60页CPU由运算器,控制器和若干特殊功能寄存器组成:运算器:可以完成加、减、乘、除及各种逻辑和位运算。(由算逻运算单元ALU、累加器A、B寄存器、暂存器1、暂存器2、及程序状态字PSW构成。)控制器:可根据不同的指令产生相应的控制信号,使各部分之间协调工作,完成指令所规定的功能。(由指令寄存器、指令译码器、定时控制部分组成)累加器A A:是一个8位专用寄存器,在很多传递与运算操作中以A为一方(源或目的),使用最为频繁。B B寄存器:在做乘除运算时,B寄存器用来存放一个
11、操作数,也存放运算后的部分结果,除此之外,可作为通用寄存器用。PSW(PSW(程序状态字):是1个8位的专用寄存器,用于存放程序运行中的各种状态信息,可进行位寻址。(相当于一般的标志寄存器)PSW的各位定义见图23。第13页/共60页(1)进位标志C(PSW.7);很多算术逻辑运算指令执行 后都会影响进位标志C。例如加减运算,若运算结果有进位或借位,则C=1C=1,若无,则C=0。可用专门的指令或硬件将C置位或清零,在进行位操作时,C又起着位累加器的作用,类似于累加器A。(2)辅助进位标志AC(PSW.6):做加减运算时,若低半字节有进位(借位),则AC=1,否则AC=0,辅助进位标志主要用于
12、BCD运算调整时。(3)软件标志FO(PSW.5):这是可由用户定义的一个状态标志,可由用户置位或复位。F1的定义与F0相同。图23程序状态字各位的含义PSW 7 PSW6 PSW 5 PSW4 PSW3 PSW2 PSW1 PSW0C ACRS1RS0OVF1PFO第14页/共60页(4 4)工作寄存器组选择位RS1RS1、RS0RS0(PSW.4PSW.4,PSW.3PSW.3):RS1RS1、RS0RS0与工作寄存器组的对应关系如下:RS1 RS0 工作寄存器组 片内RAMRAM地址 0 0 0 0 第0 0组 00H00H07H07H 0 0 1 1 第1 1组 08H08H0FH0F
13、H 1 1 0 0 第2 2组 10H10H17H17H 1 1 1 1 第3 3组 18H18H1FH1FH 单片机上电复位后,RS1.RS0=00RS1.RS0=00,此时第0 0组的8 8个工作寄存器为当前工作寄存器组。第15页/共60页(5 5)溢出标志OVOV(PSW.2PSW.2):当运算结果超出机器所能表示的范围时称溢出。OV是带符号数运算的溢出标志,如发生溢出,则OV=1;否则OV=0。(6 6)奇偶标志P P(PSW.0PSW.0):P反映执行指令后累加器A中1的个数的奇偶,若A中1的个数为奇数,则P=1,若 A中1的个数为偶数,则P=0。程序状态字可反映运算结果的状态,下面
14、以加法指令为例进行说明。例:分析执行下列指令序列后,A、C、AC、OV、P的内容是什么?MOV A,#79H ADD A,#58H 该指令序列的功能是将79H+58HA。计算过程如下:(79H)01111001 +(58H)01011000 (D1H)11010001指令执行后,A=D1H最高位无进位,故=0;低半字节有进位,AC=1;OV=0 1=1,发生溢出;A中1的个数为偶数,故P=0。第16页/共60页CPUCPU时序 CPU实质上是一个复杂的同步时序电路,所有工作都是在同时钟信号的控制下进行的。每执行一条指令,CPU的控制器都要发出一系列特定的控制信号,这些控制信号在时间上的相互关系
15、就是CPUCPU的时序。控制信号有两类:一类用于单片机内部,对用户来说,并不直接接触这些信号,可以不做了解;另一类是通过控制总线送到片外的,对于这部分信号的时序,是用户因该关心的。一振荡器 CPU执行指令的一系列动作是在时序电路的控制下一拍一拍进行的。其节拍信号由振荡器产生,MCS-51系列单片机的内部有一个高增益的反相放大器。外接晶体后可构成自激振荡器产生节拍信号,接法见图2-1,也可使用片外振荡器,采用不同工艺制造的单片机芯片接法不同:芯片状态 接法 XTAL1 XTAL2HMOS型 接地 接片外振荡脉冲输入端(带上拉电阻)CHMOS型 接片外振荡脉冲输入端(带上拉电阻)悬浮 第17页/共
16、60页二、时钟周期,机器周期、指令周期 振荡器输出的振荡脉冲经2分频后作为内部节拍信号,作单片机内部各部件协调工作的控制信号,其周期称为时钟周期。计算机一条指令的执行分几个阶段,每一阶段完成一项规定的操作,完成某一规定操作所需的时间称为一个机器周期。对MCS51系列单片机,6个时钟周期构成一个机器周期。CPU执行一条指令所需的时间为指令周期。指令周期以机器周期为单位,MCS51系列单片机的指令多为单周期、双周期指令,只有乘除指令为4周期指令,若用12MHZ晶振,则单周期指令、双周期指令的执行时间分别为1s和2s,而乘除指令则需4s第18页/共60页MCS-51单片机时钟电路框图第19页/共60
17、页三、CPU时序MCS51系列单片机的一个机器周期包含6个时钟周期。我们用S1、S2、S6表示,每个时钟周期的2个振荡节拍用P1、P2表示,则一个机器周期包括12个振荡周期,不同周期、不同字节数的指令时序不同。每一条指令的执行都包括取纸令和执行两个阶段,CPU从内部或外部ROM中取出指令操作码及操作数,然后再执行其逻辑功能。对于绝大多数指令,在指令的执行过程中,ALE信号是周期性的,如图2.4所示。在每个机器周期中,ALE信号出现两次。出现ALE的时刻为S1P2和S4P2,信号宽度为1个S状态。每出现一次ALE信号,CPU就进行一次取指操作。对于不同的指令,由于字节数和指令的周期的不同,所以具
18、体的取指操作也有些不同,如图2.4所示。并不是对每种指令,出现ALE时都会有效的读取指令码。例如,对一字节一周期指令,只须读一次,当第二次ALE出现时,仍然有一个读操作码的操作,但PC没加1,读入的仍是原指令字节,读无效,丢弃。如图2.4(a)所示,其他指令类似。以上情况有一种例外,当执行对外部数据RAM读写时,ALE信号不是周期的。第20页/共60页图2-3 CPU2-3 CPU时序图第21页/共60页2.32.38051 8051 存储器配置 MCS51系列单片机内部一般既有只读存储ROM,又有随机存储器RAM,片内存储器的类型及容量见表23.当片内存储器容量不够时,可在片外扩展,加用片外
19、程序存储器与片外数据存储器。从结构上讲共有四个存储空间:片内程序存储器、片外程序存储器、片内数据存储器、片外数据存储器,见图2-5。MCS-51系列单片机型号存储器类型片内程序存储器容量(B)片内数据存储器容量(B)掩膜ROMEPROMRAMSFR51子系列8031805187514KB4KB128128128128.12812852子系列803280528KB256256128128第22页/共60页图4 MCS4 MCS5151系列单片机存储器配置图第23页/共60页程序存储器 程序存储器存放程序及各种表格、常数,其寻址范围为64KB,编址范围为0000H至FFFFH。对于片内无程序存储器
20、的机型(8031、8032),其程序存储器均在片外扩展,对于片内有程序存储器的机型(8051、8052、8751),也可在需要时扩展片外程序存储器。在既有片内又有片外程序存储器时,通常编址时先片内,后片外,片内片外连续不重叠。EA有两种接法:EA=1,此时复位后先执行片内程序存储器的程序;当PC中的内容超过片内程序存储器最后的一个单元的地址时,将自动转去执行片外程序存储器的程序。EA=0,此时将不访问片内程序存储器而直接访问片外程序存储器。第24页/共60页程序存储器中有特殊用途的7 7个单元:0000H单元:MCS51系列单片机复位后PC=0000H,即系统复位后从0000H单元开始执行程序
21、,0003H 外部中断0 中断服务程序入口地址000BH 定时器/计数器1溢出中断入口地址0013H 外部中断1入口地址001BH 定时器/计数器1溢出中断入口地址0023H 串行口中断入口地址002BH 定时器/计数器2溢出或T2EX端负跳变(仅8032、8052 用)中断入口地址注意:以上7个单元相隔很近,通常要执行的程序并不在此,单元内通常是一条绝对转移指令,转到程序真正的起始地址去执行程序.。第25页/共60页数据存储器 MCS51系列单片机的片内数据存储器分为片内RAM块与特殊功能寄存器(SFR)块,对于51子系列,片内RAM块的地址从00H7FH,占128个字节,SFR块从80HF
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- 单片机 结构 原理
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