《单片机结构》PPT课件.ppt
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1、第第2章章增强型增强型MCS-51单片机结构单片机结构P PA A N N第第2 2章章 增强型增强型MCS-51MCS-51单片机结构单片机结构2.1内部结构和引脚功能2.2输入/输出(I/O)口2.3存储器系统2.4MCS-51外部存储器的连接2.5操作时序2.6复位及复位电路2.7节电运行状态和掉电运行状态1/30/20231/30/2023单片机原理与应用单片机原理与应用第第2章章增强型增强型MCS-51单片机结构单片机结构P PA A N N2.0选择MCS-51单片机的理由MCS-51系列单片机总线技术开放,开发工具成熟,单片机芯片及开发工具供货商多,价格低廉,同时该系列单片机进入
2、市场时间早,汇编语言指令书写形式与Intel公司8位通用微处理器,如8085相似,很容易被接触过Intel通用微处理器汇编语言的用户所接受。因此,在单片机应用中占有重要位置,是单片机教学的首选机种。理解MCS-51系列单片机内部结构、工作原理、应用实例后,将非常容易理解和使用其他系列,如NEC、Motorola、MicroChip单片机芯片。1/30/20231/30/2023单片机原理与应用单片机原理与应用第第2章章增强型增强型MCS-51单片机结构单片机结构P PA A N N1.增强型MCS-51单片机主要特征与标准MCS-51内核芯片相比,增强型MCS-51内核单片机芯片具有如下特征:
3、(2)片内集成了3个16位定时/计数器,其中T0、T1与标准MCS-51系列完全相同;T2除了保留标准MCS-52子系列中定时/计数器T2功能外,还增加了向下计数和时钟输出功能。(1)与标准MCS-51保持100%兼容,即可以使用增强型MCS-51芯片直接替换相应型号的标准MCS-51芯片,如用80C32取代8031/2、87C51/2取代8751/2。1/30/20231/30/2023单片机原理与应用单片机原理与应用第第2章章增强型增强型MCS-51单片机结构单片机结构P PA A N N(3)采用增强型全双工串行口,即增强型MCS-51串行口除了具有标准MCS-51串行口功能外,还具有帧
4、错误侦测和地址自动识别功能。(5)为降低电磁辐射量,可禁止地址锁存信号ALE输出。为此,增加了辅助功能寄存器AUXR。(4)Philips、TemicSeconductorTechnology公司的8XC5X、8XC5XX2芯片以及Atmel公司的AT89S5X系列芯片具有双数据指针DPTR(为此增加了辅助功能寄存器AUXR1),这极大地方便了外部RAM不同存储单元之间的数据传送。1/30/20231/30/2023单片机原理与应用单片机原理与应用第第2章章增强型增强型MCS-51单片机结构单片机结构P PA A N N(6)扩展了中断控制器功能,可以管理具有4个中断优先级的6个中断源。为此,
5、增加了高位中断优先级控制寄存器IPH。(8)改进了电源管理功能,即允许通过外部中断方式唤醒掉电模式。(7)采用CHMOS工艺,工作电压低、范围宽(1.8V6.0V);功耗小,可用电池供电,方便了野外作业使用。1/30/20231/30/2023单片机原理与应用单片机原理与应用第第2章章增强型增强型MCS-51单片机结构单片机结构P PA A N N(9)提高了时钟频率,标准MCS-51最高时钟频率为12MHZ,而增强型MCS-51最高时钟频率一般可达33MHz。(10)片内程序存储器以OTPROM和FlashROM为主。1/30/20231/30/2023单片机原理与应用单片机原理与应用第第2
6、章章增强型增强型MCS-51单片机结构单片机结构P PA A N N2.增强型MCS-51内核主流芯片增强型MCS-51及兼容单片机芯片主要包括:Intel公司的8XC52/54/58系列Philips公司的P8XC52/54/58系列(简称为8XC5X系列)Atmel公司的AT89S51/52/53系列(但Atmel公司的AT8XC5X系列采用标准MCS-51内核)Winbond公司的W87E54/58芯片。1/30/20231/30/2023单片机原理与应用单片机原理与应用第第2章章增强型增强型MCS-51单片机结构单片机结构P PA A N N2000年后Philips和ATMEL公司“
7、6时钟/机器周期”的P8XC52X2/8XC54X2/8XC58X2和TS8XC52X2/8XC54X2/8XC58X2系列简称8XC5XX2系列,特点是硬件资源与8XC5X系列兼容,但运行速度比8XC5X系列快一倍。为了便于比较表2-1列出增强型MCS-51主流芯片的主要性能。1/30/20231/30/2023单片机原理与应用单片机原理与应用第第2章章增强型增强型MCS-51单片机结构单片机结构P PA A N N2.1内部结构和引脚功能2.1.1内部结构内部结构8XC5X芯片由一个8位通用中央处理器(CPU)、程序存储器、随机读写数据存储器、常用外围电路等部分组成,如图2-1所示。1/3
8、0/20231/30/2023单片机原理与应用单片机原理与应用第第2章章增强型增强型MCS-51单片机结构单片机结构P PA A N N图2-1增强型MCS-51CPU内部结构1/30/20231/30/2023单片机原理与应用单片机原理与应用第第2章章增强型增强型MCS-51单片机结构单片机结构P PA A N N将一些基本的、常用的外围电路,如振荡器、定时/计数器、串行通讯、中断控制和I/O接口电路器与CPU内核集成在同一芯片内是单片机芯片的又一特征。增强型MCS-51芯片内部含有三个16位定时/计数器,可以管理6个中断源的中断控制器(具有四个优先级),用于多机通信或I/O口扩展的增强型全
9、双工串行口UART(通用异步收发器),片内振荡器及时钟电路。1/30/20231/30/2023单片机原理与应用单片机原理与应用第第2章章增强型增强型MCS-51单片机结构单片机结构P PA A N N2.1.2引脚功能增强型MCS-51系列CPU封装形式、引脚排列与标准MCS-51兼容,如图2-2所示(为了便于比较图中还给出了标准MCS-51内核芯片DIP40封装引脚排列图),引脚逻辑如图2-3所示,而引脚功能如表2-2所示。1/30/20231/30/2023单片机原理与应用单片机原理与应用第第2章章增强型增强型MCS-51单片机结构单片机结构P PA A N N1/30/20231/30
10、/2023单片机原理与应用单片机原理与应用1/30/20231/30/2023单片机原理与应用单片机原理与应用1/30/20231/30/2023单片机原理与应用单片机原理与应用第第2章章增强型增强型MCS-51单片机结构单片机结构P PA A N N图2-3增强型MCS-51CPU引脚逻辑符号1/30/20231/30/2023单片机原理与应用单片机原理与应用第第2章章增强型增强型MCS-51单片机结构单片机结构P PA A N N在MCS-51中,CPU引脚功能与CPU内特定单元电路有关:与振荡电路有关的引脚分别是XTAL1(片内晶振电路反相放大器输入端,接CPU内部时钟电路)、XTAL2
11、(片内晶振电路反相放大器的输出端)。与复位电路有关的引脚为RST。与外存储器连接有关的引脚是P0、P2口、ALE、以及P3口中的P3.6(,外部数据存储器的写选通信号)、P3.7(,外部数据存储器的读选通信号)。与中断控制有关的引脚是P3口的(P3.2)、(P3.3)。与定时/计数器有关的引脚是P3口的T0(P3.4)、T1(P3.5);P1口的P1.0(T2)、P1.1(T2EX)。与串行通信口有关的引脚为TXD(P3.1)、RXD(P3.0)。1/30/20231/30/2023单片机原理与应用单片机原理与应用第第2章章增强型增强型MCS-51单片机结构单片机结构P PA A N NXTA
12、L1、XTAL2分别系统时钟信号fOSC输入、输出端。1.晶振电路及晶振电路及XTAL1、XTAL2引脚的连接引脚的连接当采用外部时钟信号时,外部时钟信号需从XTAL1引脚输入,XTAL2引脚不用(悬空)。电阻Rs用于限制晶振驱动电平,阻值在1002.7K之间。但一般不需要,只有当晶振频率较低时才需要。当使用片内振荡电路时,XTAL1、XTAL2与晶体振荡器及电容C1、C2按图2-4所示方式连接。振荡电容C1、C2容量取值范围与晶振种类及频率有关,如表2-3所示。1/30/20231/30/2023单片机原理与应用单片机原理与应用第第2章章增强型增强型MCS-51单片机结构单片机结构P PA
13、A N N图2-4增强型MCS-51振荡电路及连接1/30/20231/30/2023单片机原理与应用单片机原理与应用第第2章章增强型增强型MCS-51单片机结构单片机结构P PA A N NRST引脚对GND(地)引脚电阻(即复位电阻RRST)约为40K220K之间,因此在RST引脚和电源Vcc之间接一容量为10uF22uF的电容后,即可构成最简单RC复位电路(可参看2.6节“复位电路”中的图2-22)。2.复位电路及复位引脚复位电路及复位引脚RST的连接的连接RST引脚为复位输入端,MCS-51采用高电平复位方式。1/30/20231/30/2023单片机原理与应用单片机原理与应用第第2章
14、章增强型增强型MCS-51单片机结构单片机结构P PA A N N图2-22分立元件构成的MCS-51外部复位电路1/30/20231/30/2023单片机原理与应用单片机原理与应用第第2章章增强型增强型MCS-51单片机结构单片机结构P PA A N NMCS-51系列单片机理论上有四个8位I/O口,即P0口、P1口、P2口和P3口,等效电路如图2-5所示。2.2 输入/输出(I/O)口1/30/20231/30/2023单片机原理与应用单片机原理与应用第第2章章增强型增强型MCS-51单片机结构单片机结构P PA A N N(a)P1口(b)P0口(c)P2口(d)P3口图2-5MCS-5
15、1I/O口等效电路1/30/20231/30/2023单片机原理与应用单片机原理与应用第第2章章增强型增强型MCS-51单片机结构单片机结构P PA A N N关于I/O引脚第二输入/输出功能使用说明:从图2-5看出,作为“第二功能输出”引脚使用前并不需要对引脚切换进行任何设置,只要相应外设处于使能状态,对应I/O引脚就具有第二功能输出。例如,在“MOVXDPTR,A”指令执行期间,P3.6引脚自动输出外部数据存储器写控制信号。而作为第二功能输入引脚使用前,也无须设置,只要相应引脚I/O口锁存器为1(否则I/O口下拉MOS管导通,输入信号被钳位在0电平),则当对应外设处于使能状态时,就自动具有
16、第二功能输入特性(当然这时仍可通过读引脚指令获取引脚的电平状态)。1/30/20231/30/2023单片机原理与应用单片机原理与应用第第2章章增强型增强型MCS-51单片机结构单片机结构P PA A N N2.2.5I/O口负载能力口负载能力由于P1P3口上拉电阻较大,约为20K40K,属于“弱上拉”,因此P1P3口引脚输出高电平电流IOH很小(约为30uA60uA)。而输出低电平时,下拉MOS管导通,可吸收1.6mA15mA的灌电流,负载能力较强,即P1P3口负载能力为34个TTL门电路。作为I/O口使用时,P0口漏极开路,当需要驱动拉电流负载时,必须外接上拉电阻;输出低电平负载能力比P1
17、P3口强,可以吸收3.2mA以上的灌电流,能驱动8个TTL门电路。由于P1P3口上拉电阻较大,而P0口为漏极开路,因此作为输出口使用时P0、P1P3口引脚均具有“线与”功能。1/30/20231/30/2023单片机原理与应用单片机原理与应用第第2章章增强型增强型MCS-51单片机结构单片机结构P PA A N N图2-8P1P3口驱动三极管电路1/30/20231/30/2023单片机原理与应用单片机原理与应用第第2章章增强型增强型MCS-51单片机结构单片机结构P PA A N N2.2.6读锁存器和读引脚指令当把P0P3口作为输入引脚使用时,以I/O口作为源操作数的数据传送指令、算术及逻
18、辑运算指令、位测试转移指令等属于读引脚指令,如:MOVC,P1.0;将P1.0引脚状态读到位累加器C中。MOVA,P1;将P1口的P1.0P1.7引脚信号读到累加器A中。ANLA,P1;将P1口的P1.0P1.7引脚信号与累加器A相与。ADDA,P1;将P1口的P1.0P1.7引脚信号与累加器A相加。JBP1.0,LOOP;P1.0引脚信号为1,则转移。JNBP1.0,LOOP;P1.0引脚信号为0,则转移。而所有的“读改写”指令均读I/O口锁存器,如:JBCP1.0,LOOP;P1.0锁存器为1转移,且将P1.0锁存器清0。DECP1INCP1CPLP1.01/30/20231/30/202
19、3单片机原理与应用单片机原理与应用第第2章章增强型增强型MCS-51单片机结构单片机结构P PA A N N8XC5X系列单片机的存储器由三部分组成:程序存储器(包括片内程序存储器,大小与芯片型号有关,如89C52片内程序存储器容量为8KB,地址编码从0000H1FFFH;89C54片内程序存储器容量为16KB,地址编码从0000H3FFFH;89C58片内程序存储器容量为32KB,地址编码从0000H7FFFH;外部程序存储器地址编码从0000HFFFFH,共64KB)。片内数据存储器(包括内部RAM存储器00HFFH,共256字节;特殊功能寄存器)。外部数据存储器(0000HFFFFH,共
20、64KB),如图2-9所示。2.3存储器系统1/30/20231/30/2023单片机原理与应用单片机原理与应用第第2章章增强型增强型MCS-51单片机结构单片机结构P PA A N N图2-98XC5X/8XC5XX2系列单片机存储器结构1/30/20231/30/2023单片机原理与应用单片机原理与应用尽管数据存储器地址空间与程序存储器地址空间重叠,但不会造成混乱,原因是MCS-51采用Harvard双总线结构,且访问外部程序存储器时用信号选通;而访问外部数据存储器时,由(P3.6)信号(读)和(P3.7)信号(写)选通。数据存储器由片内数据存储器(内部RAM)和外部数据存储器组成,尽管地
21、址空间重叠,但也不会造成混乱。原因是内部数据存储器通过MOV指令读写,使用内部数据总线,此时外部数据存储器选通信号(、)无效;而外部数据存储器通过MOVX指令访问,分别由(读操作)或信号(写操作)选通。在8XC32/8XC52/54/58芯片中,尽管高128字节内部RAM地址空间与特殊功能寄存器地址重叠,但同样不会造成混乱,原因是MCS-51约定:只能用寄存器间接寻址方式访问高128字节内部RAM;只能用直接寻址方式访问特殊功能寄存器。例如:MOVR0,#90HMOVR0,A;累加器A内容送内部RAM90H单元MOV90H,A;累加器A内容送地址为90H的特殊功能寄存器(即P1口)1/30/2
22、0231/30/2023单片机原理与应用单片机原理与应用第第2章章增强型增强型MCS-51单片机结构单片机结构P PA A N N片内数据存储器由内部RAM和特殊功能寄存器组成。对于8XC51、8XC31芯片来说,内部RAM的容量为128字节(00H7FH);对于8XC52/54/58芯片来说,片内RAM容量为256字节(00H0FFH)。根据用途、存取方式的不同,256字节内部RAM可分为:00H-1FH:工作寄存器区20H-2FH:可按位寻址区30H-7FH:用户数据区80H-FFH:堆栈区或用户数据区2.3.1片内数据存储器片内数据存储器1.片内片内RAM及其寻址方式及其寻址方式1/30
23、/20231/30/2023单片机原理与应用单片机原理与应用第第2章章增强型增强型MCS-51单片机结构单片机结构P PA A N N(1)工作寄存器区大小为32个字节,分为四个区,每区8个字节,分别用R0R7作这8个字节的寄存器名。任何时候只能选择四个工作寄存器区中的一个区作为当前工作寄存器区,当前工作寄存器区由程序状态字寄存器PSW的b4、b3位决定,具体情况如下:PSW寄存器b4、b3位当前工作寄存器区寄存器R7R0地址000区07H00H011区0FH08H102区17H10H113区 1FH18H复位后,PSW的b4、b3位为00,因此复位后将选择0区作为当前工作寄存器区。1/30/
24、20231/30/2023单片机原理与应用单片机原理与应用第第2章章增强型增强型MCS-51单片机结构单片机结构P PA A N N(2)20H2FH单元,共16字节,属于位寻址区。该区域可以按字节读写,也可以按位读写。位地址从20H单元开始,共有16字节8位,即128个位地址(20H单元b0位的位地址为00H,20H单元b1位的位地址为01H,20H单元b2位的位地址为02H。依此类推,21H单元b0位的位地址为08H,2FH单元b7位的位地址为7FH),如表2-3所示。1/30/20231/30/2023单片机原理与应用单片机原理与应用字节地址高128字节内部RAMFFH80H用户RAM和
25、堆栈区7FH30H位寻址区(位地址)7FH7EH7DH7CH7BH7AH79H78H2FH77H76H75H74H73H72H71H70H2EH6FH6EH6DH6CH6BH6AH69H68H2DH67H66H65H64H63H62H61H60H2CH5FH5EH5DH5CH5BH5AH59H58H2BH57H56H55H54H53H52H51H50H2AH4FH4EH4DH4CH4BH4AH49H48H29H47H46H45H44H43H42H41H40H28H3FH3EH3DH3CH3BH3AH39H38H27H37H36H35H34H33H32H31H30H26H2FH2EH2DH2CH
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