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矿井维修电工技师培训班 大家好 第八章单片机原理及控制 第一节单片微型计算机概述第二节80C51单片机的硬件结构 第一节单片微型计算机概述 一 单片机单片微型计算机简称单片机 它是把组成微型计算机的各功能部件即中央处理器CPU 随机存取存储器RAM I O接口电路 定时器 计数器以及串行通讯接口等部分制作在一块集成芯片中 构成一个完整的计算机 二 单片机的发展趋势在短短的近三十年间 单片机经历了四次更新换代 其发展速度大约每二至三年要更新一代 集成度增加一倍 功能翻一番 目前按内部数据通道的宽度来说 单片机已从最初的4位发展到32位 纵观近三十年的发展 单片机正朝多功能 多选择 高速度 低功耗 低价格 扩大存储容量和加强I O功能及结构兼容方向发展 三 单片机的应用单片机的出现是近代计算机技术发展史上的一个重要里程碑 单片机的诞生标志着计算机正式形成了通用计算机系统和嵌入式计算机系统两大分支 与巨大体积和高成本的通用计算机相比 单片机的单芯片的微小体积和极低的成本 使其可广泛地嵌入到如玩具 家用电器 机器人 仪器仪表 汽车电子系统 工业控制单元 办公自动化设备 金融电子系统 舰船 个人信息终端及通信产品中 成为现代电子系统中最重要的智能化工具 单片机作为最典型的嵌入式系统 它的成功应用推动了嵌入式系统的发展 近年来 除了各种类型的工控机 各种以通用微处理器构成的计算机主板模块 以通用微处理为核心的 片内扩展一些外围功能电路单元构成的嵌入式微处理器甚至单片形态的PC机等 都实现了嵌入式应用 成为嵌入式系统的庞大家族 单片机是现代计算机 电子技术的新兴领域 无论是单片机本身还是单片应用系统设计方法都会随时代的变化而不断的发生变化 在所有单片机类型中 MCS 51系列单片机和80C51系列单片机的硬件结构简单明了 特殊功能寄存器功能规范并且软件指令系统易于掌握 是一种便于学习 理解和掌握的单片机 该系列单片机在国内介绍较多 资料比较齐全 其本身性能价格比较高 供货渠道较多 所以本书以80C51系列为例介绍单片机知识 MCS 51系列8位高档单片机是在总结MCS 48系列单片机的基础上 于20世纪80年代初推出的新产品 其主要的技术特征是 扩大了片内存储容量 外部寻址空间 程序存储器和片外数据存储器的寻址都啬到64KB 增强了并行口 增设了全双工串行口I O 4个位并行I O接口 可用于地址和数据的传送 也可以与8243 8155 8255等连接进行外部I O接口的扩展 1个全双工串行I O通信接口 可用于数据的串行接收和发送 为构成串行通信网络提供了方便 增加了定时器 计数器的个数并扩展了长度 定时器 计数器由一个变为两个 8052为三个 计数长度由8位增为16位 肯有4种工作方式 这样 既提高了定时 计数范围 又使用户使用灵活方便 增强了中断系统 设置有2级中断优先级 可接收5个中断源的中断请求 中断优先级别可由用户定义 这样 就使MCS 51单片机很适合用于数据采集与处理 智能仪器仪表和工业过程控制中 具备较强的指令寻址和运算等功能 有111条指令 可分为4大类 使用了7种寻址方式 这些指令44 为单字节指令 41 为双字节指令 15 为三字节指令 若用12MHZ晶振 50 的指令可在职 s内执行完毕 40 的指令可在2 s内执行完毕 增设了颇具特色的布尔处理机 在指令系统中设置有位操作指令 可用于位寻址空间 这些位操作指令与位寻址空间一起构成布尔处理机 布尔处理机对于实时逻辑控制处理具有突出的优点 可以看出 这一代单片机主要的技术特征是为单片机配置了完善的外部并行总线 地址总线AB 数据总线DB 控制总线CB 和具有多机识别功能的串行通信接口 UART 规范了功能单元的特殊功能寄存器 SFR 控制模式及适应控制器特点的布尔处理系统和指令系统 为发展具有良好兼容性的新一代单片机奠定了良好的基础 80C51为第三代单片机 第二节80C51单片机的硬件结构 一 80C51单片机的硬件结构特点80C51系列单片机采用了CMOS技术制造 较之NCS 51系列单片机 集成度高 速度快 功耗低 其基本硬件结构如图8 1所示 硬件结构具有如下特点 图8 180C51单片机的基本组成结构 1 内部程序存储器 ROM 和内部数据存储器 RAM 容量80C51 87C51 80C52单片机的内部ROM和内部RAM的容量如表8 1所示 2 外部和谐存储器和外部数据存储器寻址空间80C51可对64KB的外部数据存储器寻址肯不受该系列中各种芯片型号的影响 而对于程序存储器是内外总窨为64KB 所以80C51外部程序存储器最大寻址范围为64KB 3 输入 输出 I O 口80C51单片机内的I O口的数量和种类较多且齐全 尤其是它有一个全双工的串行口 该串口是利用两根据I O口线构成的 有四种工作方式 可通过编程选定 80C51共有32根据口线 4 定时 计数器与寄存器区80C51系列单片机有2个16位定时 计数器 通过编程可以实现四种工作方式 80C52则有3个16位定时 计数器 80C51在内部RAM中开设了4个通用工作寄存器区 共32个通用寄存器 以适应多种中断或子程序嵌套的要求 表8 180C51单片机的存储器容量 5 中断与堆栈80C51有6个中断源 分为4个优先级 每个中断源的优先级是编程的 它的堆栈也是可编程的 堆栈深度可达128字节 6 指令系统80C51系统单片机完全继承了MCS 51的指令系统 共有111条指令 按其功能可分为五大数 数据传送类指令 算术运算类指令 逻辑运算类指令 控制转移类指令 布尔操作 7 布尔处理器80C51布尔处理器 实际上是一个完整的一位微计算机 这个一位微机有自己的CPU 位寄存器 I O和指令集 一位在开关决策 逻辑电路仿真和实时测控方面非常有效 而位机在运算处理 智能仪表常用的数据采集方面有明显的长处 在80C51单片机中8位机和一位机的硬件资源是结合在一起的 二者相辅相成 二 80C51单片机的内部结构及中央处理器1 80C51的内部结构框图与组成80C51单片机片总体结构详细框图如图8 2所示 它主要由九个部件组成 分别是 1个8位的中央处理器 4KB 8KB的只读存储器 ROM或EPROM 80C52为8K 128字节 256字节的数据存储器 RAM 32条I O口线 四个8位口P0 P1 P2 P3 2个或3个 80C52有三个 定时 计数器 一个具有6个中断源 4个优先级的中断嵌套结构 用于多处理机通讯 I O扩展或全双工UART 通用异步接收发器 的串行口 特殊功能寄存器 SFR 以及一个片内振荡和时钟电路和 图8 280C51的内部结构框图及组成 2 80C51的中央处理器中央处理器 CPU 单片机内部的核心部件 它决定了单片机的主要功能特性 CPU主要由运算部件和控制部分构成 下面将对这两部分以及涉及到的部分硬件进行详细的介绍 1 运算部件运算部件包括算术 逻辑部件ALU 布尔处理器 累加器A 寄存器B 暂存器1和暂存器2 程序状态寄存PSW以及十进制调整电路等 运算部件的功能是实现数据的算术运算 位变量处理和数据传送操作 算术 单元ALU80C51单片机的ALU功能十分强 它不仅可以对8位变量进行逻辑 与 或 异或 循环 求补 清零等基本操作 还可以进行加 减 乘 除等基本运算 为了乘除运算的需要 设置了N寄存器 累加器A累加器A又记作ACC 是CPU中使用最频繁的一个寄存器 其作用为 a 累加器A是ALU单元的输入之一 因而是处理数据源之 一 同时又是ALU运算结果的存放单元 b CPU中的数据传送大多都通过累加器 故又相当于一个数据的中转站 在80C51中 增加了一部分可能不经过累加器的传送指令 如 寄存器与直接寻址单元之间 直接寻址单元与间接寻址单元之间等 这样 既加快了传送速度 又减少了累加器的 堵塞 现象 B寄存器B寄存器在乘法和除法指令中作为ALU的输入之一 乘法中 ALU的两个输入分别为A C 运算结果存放于AB寄存器对中 A中放积的低沉位 B中放积的高8位 除法中 被除数取自A 除数取自B 商数存放于A 余数存放于B 在其他情况下 B寄存器可以作为内部RAM中的一个单元来使用 程序状态PSW程序状态字PSW ProgramStatusWord 是下个逐位定义的位寄存器 其内容的主要部分是算术单元 ALU 的输出 2 控制部件控制部件是单片机的神经中枢 与运算部件一起组成中央处理器 在80C51单片机中 它包括程序计数器PC 程序地址寄存器IR 指令译码器 条件转移逻辑电路及定时控制逻辑电路 它以主振频率为基准发出CPU的时序 对指令进行译码 然后发出各种控制信号 完成一系列控制的微操作 用来控制单片各部分的运行 3 时钟电路及CPU的工作时序时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号 而时序所研究的是指令执行中各信号之间的相互关系 单片机本身就如一个复杂的同步时序电路 为了保证同点工作方式的实现 电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作 1 时钟电路80C51单片机的时钟电路框图8 3所示 时钟信号通常用两种电路形式得到 内部振荡方式和外部振荡方式 内部振荡方式 80C51单片机内带有时钟电路 因此 只需要在片外通过XTAL1和XTAL2引脚接入定时控制元件 晶体振荡器和电容 即可构成一个稳定地自激振荡器 如图8 4所示 图8 380C51单片机的时钟电路 图8 4内部振荡方式图8 5外部振荡方式 外部振荡方式 把外部已有的时钟信号引入单片机内 这种方式适宜用来使单片机的时钟与外部信号保持同步 外部振荡方式的外部电路如图8 5所示 由图可见 外部振荡信号由XTAL2引入 XTAL1接地 为了使时入单处机的时钟信号为TTL电平 通常外部信号一个带有上拉电阻的TTL 反相器后接入XTAL2 2 CPU时序及有关概念 振荡周期 是指为单片机提供定时信号的振荡源的周期 单片机以晶体振荡器的振荡周期 或外部引入的时钟周期 为最小的时序单位 片内的各种微操作都以此周期为时序基准 状态周期 振荡频率二分频后形成状态周期 又称时钟周期或称S周期 所以 一个状态周期包含两个振荡周期 状态周期被分为两个节拍 即P1节拍和P2节拍 在每个时钟的前半周期 P1信号有效 这时通常完成算术逻辑操作 在每个时钟的后半周期 P2信号有效 内部寄存器与寄存器间的传输一般在此状态发生 机器周期 一个机器周期由6个状态 12个振荡脉冲 组成 即六个时钟周期 12个振荡周期 是指执行一条指令所占用的全部时间 一个指令周期通常含有1 4个机器周期 三 80C51单片机的工作方式80C51单片机共有复位 程序执行 低功耗等工作方式 1 复位方式 1 复位操作复位是单片机的初始化操作 其主要功能是PC初始化为0000H 使单片机从0000H单元开始执行程序 除了进入系统的正常初始化之外 当由于程序运行时出错或错误使系统处于死锁状态时 为使单片机正常工作 也需按复位键以重新启动 除PC之外 复位操作还对其他一些特殊功能寄存器有影响 他们的复位状态见表2 9所示 2 复位信号及其产生1 复位信号RST引脚是复位信号的输入端 复位信号是高电平有效 其有效时间应持续24个振荡脉冲周期 即两个机器周期 以上 若使用频率为6MHZ的晶振 则复位信号持续时间应超过4 s才能完成复位操作 产生复位信号的电路逻辑图如图8 6所示 表8 2特殊功能寄存器的复位状态 图8 6复位电路结构图 2 复位方式复位操作有上自动复位 按键电平复位 外部脉冲复位和自动复位四种方式 示于图8 7中 上电自动复位是通过外部电路的电容充电来实现的 其电路如图8 7 a 所示 按键电平复位是通过使复位端经电阻与Vce电源接通而实现的 其电路如图8 7 b 所示 而按键上述电路图中的电阻 电容参数适宜于6MHz晶振 能保证复位信号高电平 持续时间大于2个机器周期 外部脉冲复位是由外部提供一个复位脉冲 此复位脉冲应保持宽度大于2个机器周期 如图8 7 c 所示 IMP805L是单片机自动复位电路 是低功耗 带监控器的复位器 具有看门狗等功能 上电时 可使单片机可靠复位 单片机正常工作时 看门狗输入端WDI的电平若在1 6s内不变化 看门狗输出端将由低电平变为高电平 大约200mm 迫使单片机复位 2 程序执行方式程序执行方式是单片机的基本工作方式 由于复位后PC 0000H 因此程序执行总是从地址0000H开始的 但一般程序并不是真正从0000H开始 为此就得在0000H开始的单元中存放一条无条件转移指令 以使跳转到实际程序的入口去执行 3 低功耗方式80C51有两种低功耗方式 即待机方式和掉电保护方式 待机方式和掉电保护方式时所涉及硬件如图8 8所示 图8 880C51低功耗方式的内部结构 待机方式和掉电方式都是由电源控制寄存器 PCON 的有关位业控制的 电源控制寄存器是一个逐位定义的位寄存器 1 待机方式1 待机方式的进入如果使用指令使PCON寄存器IDL位置1 则80C51即进入待机方式 这时振荡器仍然运行 并行中断逻辑 串行口和定时器 计数器提供时钟 但向CPU提供时钟的电路被阻断 因此 CPU不能工作 而中断功能继续存在 与CPU有关的如SP PC PSW ACC以及全部通用寄存器都被 冻结 在原状态 2 待机方式的退出采用中断方法退出待机方式 在待机方式下 若引入一个外中断请求信号 在单片机响应中断的同时 PCON 0位 PD 被硬件自动清 0 单片机就退出待机方式面进入正常工作方