单片机原理与接口技术

单片机原理与接口技术 电子教案重庆工商职业学院 第二章单片机芯片的硬件结构 内容提要 本章以80C51为例讲述MCS 51系列单片机芯片的硬件结构 其中包括信号引脚 存储器结构 输入输出口电路结构 时钟电路与时序等基本内容 学习要求 掌握单片机芯片的内部组成及存储器结构 理解单片机时钟电路与时序 输入输出口和引脚的使用 一般了解单片机的工作方法 图2 1MCS 51单片机系统结构框图 2 1MCS 51单片机的逻辑结构及信号引脚 一 MCS 51单片机系统结构框图 二 MCS 51单片机芯片内部逻辑结构 图2 2MCS 51单片机芯片内部结构框图 2 1MCS 51单片机的逻辑结构及信号引脚 中央处理器 CPU 中央处理器 CPU 是整个单片机的核心部件 是8位数据宽度的处理器 能处理8位二进制数据或代码 CPU负责控制 指挥和调度整个单元系统协调的工作 完成运算和控制输入输出功能等操作 内部数据存储器 RAM 8051内部有128字节数据存储器 RAM 和21个专用寄存器单元 它们是统一编址的 专用寄存器有专门的用途 通常用于存放控制指令数据 不能用作用户数据的存放 用户能使用的RAM只有128个字节 可存放读写的数据 运算的中间结果或用户定义的字型表 内部程序存储器 ROM 8051共有4K字节程序存储器 ROM 用于存放用户程序和数据表格 2 1MCS 51单片机的逻辑结构及信号引脚 各组成部分介绍如下 二 MCS 51单片机芯片内部逻辑结构 2 1MCS 51单片机的逻辑结构及信号引脚 定时 计数器8051有两个16位的可编程定时 计数器 以实现定时或计数 当定时 计数器产生溢出时 可用中断方式控制程序转向 并行输入输出 I O 口8051共有4个8位的并行I O口 P0 P1 P2 P3 用于对外部数据的传输 串行口8051内置一个全双工异步串行通信口 用于与其它设备间的串行数据传送 该串行口既可以用作异步通信收发器 也可以当同步移位器使用 中断控制系统8051具备较完善的中断功能 有五个中断源 两个外中断 两个定时 计数器中断和一个串行中断 可基本满足不同的控制要求 并具有2级的优先级别选择 二 MCS 51单片机芯片内部逻辑结构 2 1MCS 51单片机的逻辑结构及信号引脚 时钟电路8051内置最高频率达12MHz的时钟电路 用于产生整个单片机运行的时序脉冲 但需外接晶体振荡器和振荡电容 位处理器又称为布尔处理器 以状态寄存器中的进位标志位C为累加位 可进行置位 复位 取反 等于0转移等位操作 位处理操作是通过运算器实现的 总线以上部件都是通过总线连接起来 系统的地址信号 数据信号和控制信号都是通过总线传送的 总线结构减少了单片机的连线和引脚 提高了集成度和可靠性 二 MCS 51单片机芯片内部逻辑结构 2 1MCS 51单片机的逻辑结构及信号引脚 1 信号引脚介绍 输入输出口线P0 0 P0 7 P0口8位双向口线P1 0 P1 7 P1口8位双向口线P2 0 P2 7 P2口8位双向口线P3 0 P3 7 P3口8位双向口线 ALE 地址锁存控制信号 提供1 6晶振频率 外部程序存储器读选通信号 访问程序存储器控制信号 RST 复位信号 XTAL1 XTAL2 外接晶体引线端 Vss 地线 Vcc 5V电源 三 MCS 51单片机的信号引脚 80C51是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片 2 1MCS 51单片机的逻辑结构及信号引脚 2 信号引脚的第二功能引脚 复用 即给一些信号引脚赋予双重功能 P3口线的第二功能 三 MCS 51单片机的信号引脚 EPROM存储器程序固化所需要的信号ALE PROG 编程脉冲 VPP 编程电压 25V 备用电源引入RST VPD 两个机器周期高电平 表2 1P3口线的第二功能 图2 380C51内部数据存储器配置图 2 2MCS 51单片机的内部存储器 2 2MCS 51单片机的内部存储器 一 内部数据存储器低128单元 单元地址 00H 7FH 供用户使用的数据存储器单元 又称为内部RAM 1 寄存器区单元地址 00H 1FH 分为4组 每组8个寄存器 称为通用寄存器 任一时刻CPU只能使用其中的一组寄存器 是由程序状态字寄存器PSW中RS1 RS0位的状态组合来决定 2 用户RAM区单元地址 30H 7FH 只能以存储单元的形式来使用 一般应用中常把堆栈开辟在此区中 2 2MCS 51单片机的内部存储器 3 位寻址区单元地址 20H 2FH 既可作为一般RAM单元使用 进行字节操作 也可以对单元中的每一位进行位操作 表2 2内部RAM位寻址区的位地址 一 内部数据存储器低128单元 2 2MCS 51单片机的内部存储器 二 内部数据存储器高128单元 单元地址 80H FFH 用于存放相应功能部件的控制命令 状态或数据 称为专用寄存器 SFR 又称为特殊功能寄存器 表2 3专用寄存器位地址表 说明 表中 表示可以位寻址的寄存器 2 2MCS 51单片机的内部存储器 三 MCS 51的堆栈操作 栈是一种存储结构 LIFO 先进后出 后入先出 压栈 将数据存放到栈的顶部 出栈 将栈顶的数据取出 SP 栈指针 指向栈顶所在的单元 复位时的初值为07H 作用 用来保护现场 主要用于中断和子程序调用中 图2 4堆栈结构示意图 2 2MCS 51单片机的内部存储器 四 内部程序存储器 图2 5内部程序存储器 地址单元 0000H 0FFF 共有4K的寻址空间 特殊区间 中断入口表 0003H 000AH外部中断0中断地址区 000BH 0012H定时 计数器0中断地址区 0013H 001AH外部中断1中断地址区 001BH 0022H定时 计数器1中断地址区 0023H 002AH串行中断地址区 2 2MCS 51单片机的内部存储器 五 MCS 51单片机系统的存储器结构特点 一是把数据存储器和程序存储器截然分开 二是存储器有内外之分 图2 680C51单片机系统的存储器结构和存储空间分配 2 3MCS 51单片机并行输入输出口电路 一 P0口 P0口的字节地址为80H 位地址为80H 87H 口的各位口线具有完全相同但又相互独立的逻辑电路 图2 7P0口电路逻辑 2 3MCS 51单片机并行输入输出口电路 二 P1口 P1口的字节地址为90H 位地址为90H 97H 只能作为通用I O口使用 是准双向口 图2 8P1口电路逻辑 2 3MCS 51单片机并行输入输出口电路 三 P2口 P2口的字节地址为0A0H 位地址为0A0H 0A7H 只能作为地址线使用而不作为数据线使用 是准双向口 图2 9P2口电路逻辑 2 3MCS 51单片机并行输入输出口电路 四 P3口 P3口的字节地址为0B0H 位地址为0B0H 0B7H 最重要的使用是作为第二功能信号使用 图2 10P3口电路逻辑 2 4MCS 51单片机时钟电路与时序 一 时钟电路 时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号 1 内部振荡方式MCS 51单片机片内有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器 引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端 把放大器与作为反馈元件的晶体振荡器或陶瓷谐振器连接 就构成了内部自激振荡器并产生振荡时钟脉冲 图2 11内部振荡方式 2 4MCS 51单片机时钟电路与时序 一 时钟电路 2 外部振荡方式外部振荡方式就是把外部已有的时钟信号引入单片机内 图2 12外部振荡方式 2 4MCS 51单片机时钟电路与时序 二 时序定时单位 图2 13MCS 51单片机各种周期的相互关系 振荡周期 时钟周期 机器周期和指令周期 1 振荡周期 为单片机提供时钟信号的振荡源的周期 2 时钟周期 是振荡源信号经二分频后形成的时钟脉冲信号 3 机器周期 通常将完成一个基本操作所需的时间称为机器周期 4 指令周期 是指CPU执行一条指令所需要的时间 一个指令周期通常含有1 4个机器周期 若MCS 51单片机外接晶振为12MHz时 则单片机的四个周期的具体值为 振荡周期 1 12MHz 1 12 s 0 0833 s时钟周期 1 6 s 0 167 s机器周期 1 s指令周期 1 4 s 2 4MCS 51单片机时钟电路与时序 二 时序定时单位 2 4MCS 51单片机时钟电路与时序 三 典型指令时序 图2 14MCS 51单片机指令时序 1 单字节单周期指令 INCA 2 双字节单周期指令 ADDA 3 单字节双周