单片机的内部结构及其工作原理介绍ppt课件

.,第章单片机结构原理,本章内容,SingleChipMicrocomputer,单片机内部结构及引脚,单片机时序及接口,单片机存储器配置,单片机输入输出口,.,2-1MCS-51单片机内部结构及引脚,MCS-51系列单片机是英特尔公司1980推出的高档8位机分为二个子系列，、三个版本：,.,掩膜ROMPROM/OTP-ROMEPROMEEPROMFLASH,.,MCS-51单片机硬件结构,结构框图,中央处理器CPU：8位，运算和控制功能,内部RAM：共256个RAM单元，用户使用前128个单元，用于存放可读写数据，后128个单元被专用寄存器占用。,内部ROM：4KB掩膜ROM，用于存放程序、原始数据和表格。,定时/计数器：两个16位的定时/计数器，实现定时或计数功能。,并行I/O口：4个8位的I/O口P0、P1、P2、P3。,串行口：一个全双工串行口。,中断控制系统：5个中断源（外部中断2个，定时/计数中断2个，串行中断1个）,时钟电路：可产生时钟脉冲序列，允许晶振频率6MHZ和12MHZ,.,1、8051单片机的基本组成,中央处理器CPU：8位，运算和控制功能内部RAM：共256个RAM单元，用户使用前128个单元，用于存放可读写数据，后128个单元被专用寄存器占用。内部ROM：4KB掩膜ROM，用于存放程序、原始数据和表格。定时/计数器：两个16位的定时/计数器，实现定时或计数功能。并行I/O口：4个8位的I/O口P0、P1、P2、P3。串行口：一个全双工串行口。中断控制系统：5个中断源（外中断2个，定时/计数中断2个，串行中断1个）时钟电路：可产生时钟脉冲序列，允许晶振频率6MHZ和12MHZ,.,2、MCS-51单片机信号引脚简介,P3口线的第二功能,VCC,VSS,XTAL2XTAL1,RST,P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7,P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7,P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0,ALE,P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7,2、振荡电路：XTAL1、XTAL2,3、复位引脚：RST,4、并行口：P0、P1、P2、P3,7、ALE：地址锁存控制信号,1、电源线：VCC(+5V)、VSS(地),.,=0时，只访问外部程序存储器,即外ROM,=1时，访问内部程序存储器,即内ROM,/Vpp内外ROM选择端,对于8751单片机编程时，该端施加编程电压IO引脚P0.0P0.7；P1.0P1.7；P2.0P2.7；P3.0P3.7四个I/O口，每口八条线；还兼作地址/数据线。,EA,ALE/PROG地址锁存控制端，访问外部存储器用来锁存由P0口送出的低8位地址；不访问外存时，提供1/6fosc振荡频率；PROG用于对8751片内的EPROM输入编程脉冲；PSEN外部程序存储器的读选通信号端,.,3、时钟电路与复位电路(1)时钟振荡电路,.,几个工作周期的区别：振荡周期状态周期机器周期指令周期,.,时钟周期,T:时序中最小的时间单位.其值由外接晶体或外输入时钟来决定，其值为石英振荡器频率的倒数。例如:在单片机外接1MHZ的晶体,则单片机的系统时钟的频率为1M,时钟周期为1us.机器周期:完成特定功能所需要的时间,在MCS-51单片机中机器周期由12个时钟周期构成,并分为6个状态(S1-S6),每个状态又分为P1和P2两拍.这样一个机器周期的12个震荡周期可以表示为:S1P1,S1P2,S2P1,S2P2,S3P1,S3P2S6P1,S6P2将12个震荡周期用6个状态和2拍来替代。,T,S1,S2,S6,S5,S4,S3,机器周期,.,指令周期:这是时序图中最大的时间单位,既执行一条指令所需要的时间.在MCS-51系统中,不同的指令它所包含的机器周期数不同.它们分别是:1,单机器周期指令;2,双机器周期指令;3,四机器周期指令我们知道:一个机器周期包含了12个震荡周期.如果我们使用一个12M的晶体震荡器,那么:一个机器周期为1us,两个机器周期为2us,四个机器周期为4us.可见一条指令的运算速度与它所包含的机器周期数有关.机器周期数越少,执行的速度就越快.在MCS-51单片机的指令系统中,除了乘、除法指令为四个机器周期外,其余都是单周期和双周期指令.,返回,.,(2)、控制或复位引脚RST/VPD当出现两个机器周期高电平时，单片机复位。复位后，P0-P3输出高电平；SP寄存器为07H；其它寄存器全部清0；不影响RAM状态。参考复位电路如下：,.,(2)复位电路,单片机复位条件:必须使RST引脚持续10us以上高电平(外部时钟12MHz),谁知道复位电路怎么起到复位的作用?,.,2-2存储器配置,80318751805189C51,256B（字节）,4K,64K,64K,.,物理上分为：4个空间，即片内ROM、片外ROM片内RAM、片外RAM逻辑上分为:3个空间，即程序内存（片内、外）统一编址MOVC数据存储器（片内）MOV数据存储器（片外）MOVX,冯.诺依曼结构哈佛结构改进哈佛结构/超级哈佛结构,储存器结构,.,(1)程序存储器,程序存储器,内部,外部,(PC),程序存储器资源分布,中断入口地址,.,七个具有特殊含义的单元是：,0000H系统复位，PC指向此处；0003H外部中断0入口000BHT0溢出中断入口0013H外中断1入口001BHT1溢出中断入口0023H串口中断入口002BHT2溢出中断入口,.,内部,外部,(2)数据存储器,数据存储器,RAM,专用寄存器,内部RAM存储器,工作寄存器区选择位RS0、RS1,.,位寻址区（20H2FH）16个字节。16*8=128位，每一位都有一个位地址，范围为：00H7FH，位地址区也可作为一般RAM使用。,位寻址区,.,特殊功能寄存器SFRMCS-51单片机内共有22个特殊功能寄存器，包括PC及SFR。PC为程序计数器。它是一个双字节寄存器,寻址范围为:0000HFFFFH，即064KB。SFR为特殊功能寄存器。其寻址空间：80HFFH其中，51子系列有18个寄存器，占有21个字节；52子系列有21个寄存器，占有26个字节。51子系列SFR的地址分配及位地址见下页表：,.,高128个单元,离散分布有21个特殊功能寄存器SFR。,11个可以进行位寻址。,特别提示：对SFR只能使用直接寻址方式，书写时可使用寄存器符号，也可用寄存器单元地址。,.,.,+,+,.,注意：1、表中共有3个双字节寄存器。2、PC也为双字节寄存器，但是不在80HFFH范围内。3、表中，凡地址能被8整除的寄存器都是可位寻址的寄存器。,.,各寄存器的名称：1、算术运算寄存器（1）A累加器。（2）BB寄存器，乘、除法运算用。（3）PSW程序状态字寄存器：包含程序运行状态、信息。,.,程序状态字PSW:8位寄存器.表征程序执行的状态信息。CY(PSW.7)进位标志:在加减法运算中,累加器A的最高位A7有进位,则CY=1,否则CY=0.同理,在减法运算中,如果A7有借位,则CY=1.因此CY往往作为无符号数运算是否有溢出的标志。AC(PSW.6):辅助进位位:用来判断加减法运算时,低四位是否向高四位进位或借位(既A3的进位或借位).往往用来判断压缩的BCD码的运算处理.F0(PSW.5)用户标志位:完全由用户来定义和使用。RS1,RS0工作寄存器区选择位:确定工作寄存器R0-R7在哪个区中.单片机在上电或复位后RS1、RS0=00。当需要人为的修改RS1,RS0的值来改变工作寄存器区的位置。00：0区R0R701：1区R0R710：2区R0R711：3区R0R7,.,OV(PSW.2)溢出标志位:判断有符号数(补码)加减法运算时是否有溢出.OV的结果可以用一个算法来表示:OV=CP异或CS其中:CP为A7的进位,CS为A6的进位OV=1表明有溢出。P(PSW.0)奇偶标志位:用来标志累加器A中运算后1的个数。当P=1时,表明A中1的个数为奇数个,反之为偶数个。【举例】：有两个数0FH和F8H，试将两数相加MOVA，#0FH；将立即数0fh送累加器AADDA，#0F8H；A的内容与立即数0f8h相加，结果送A00001111运算结果：A=07H，CY=1（既CP=1），+11111000CS=1，OV=0（因为CP=1，CS=1）Cy100000111AC=1，P=1如何根据PSW来分析运算结果是否正确？是否有溢出？1，若数据为无符号数。既15+248=263=107H既CY=1，A=07H。2，若数据为有符号数。既+15加-8=+7=07H，OV=0表明无溢出。,.,2、指针寄存器（1）程序计数器PC指明即将执行的下一条指令的地址(程序存储器地址)，在物理上独立，复位时PC=0000H。（2）堆栈指针SP指明栈顶元素的地址，8位，可软件设置初值，复位时SP=07H。注意压栈和出栈SP的变化。（3）数据指针DPTRDPTR；指明访问的数据存储器的单元地址，16位，寻址范围64KB。DPTR=DPH+DPL，也可单独使用。,.,SP堆栈指针：8位寄存器，用来指示堆栈的位置,可由软件修改。在MCS-51单片机的设计中，片内RAM区为堆栈的可用空间。上电或复位时，SP被初始化为07H，即堆栈底部被确定在RAM的07H单元。堆栈操作过程：进栈:PUSHACC指令（设SP=07H），1，SP+1送SP，此时SP=08H；2，ACC送RAM的08H单元；出栈:POPACC（设SP=08H）；1，将RAM中08H单元内容送A；2，SP-1送SP，此时SP=07H。,07H,SP,08H07H,RAM,x,累加器A,堆栈操作示意图,.,3、并行输入/输出端口寄存器P0、P1、P2、P3实为相应端口锁存器。4、串行输入/输出端口（1）串行数据缓冲器SBUF是物理上独立的两个寄存器，共同使用一个地址（99H）。（2）串行控制/状态寄存器SCON控制监视串行口的工作状态（3）电源控制寄存器PCON控制单片机的低功耗工作方式及波特率选择。,.,5、中断系统（1）中断优先级寄存器IP：2级优先，可软件设定（2）中断允许寄存器IE6、定时/计数器（1）定时器方式寄存器：TMOD（2）定时器控制寄存器：TCON（3）计数寄存器：TH0、TL0；TH1、TL1。可用于设定计数初值。,.,时钟的基本概念启动单片机后，指令执行顺序：,2-3CPU时序,.,单片机工作的基本时序,所谓时序就是CPU总线信号在时间上的顺序关系。CPU控制器实际上是复杂的同步时序电路，所有的工作都是在时钟信号的控制下进行的。每执行一条指令，CPU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就是CPU的时序。一个单片机系统要想正常工作，除了要做到电平匹配、功率匹配外，还要做到时序匹配。,.,.,以上是单周期单字节指令在执行过程中ALE脉冲、取指操作、执行操作等在时间上的先后关系。时序的定义：单片机内的各种操作都是在一系列脉冲控制下进行的，而各脉冲在时间上是有先后顺序的，这种顺序就称为时序。指令周期：即从取指到执行完，所需时间。不同机器指令周期不一样；即使相同机器，不同的指令其指令周期也不一样。机器周期：机器的基本操作周期。一个指令周期含若干机器周期（单、双、四周期）,.,每个状态周期含两个振荡周期，即相位P1、P2。振荡周期：由振荡时钟产生。振荡周期Tosc=1/fosc一个机器周期=12个振荡周期=121/fosc。例如，若fosc=12MHz，则一个机器周期=1s。,状态周期：一个机器周期分6个状态周期Si,.,指令的字节数与指令周期之间的关系：在MCS-51单片机的指令系统中有：单字节；双字节；三字节指令。在MCS-51的111条指令中,可以分为六种基本的时序:1,单字节单周期指令;4,双字节单周期指令;2,单字节双周期指令;5,双字节双周期指令;3,单字节四周期指令;6,三字节双周期指令.,.,指令特点:在程序存储器ROM中仅占一个存储单元。在ALE第一次有效(S1P2)时,从ROM中读取指令的操作码,送入指令寄存器IR中.并译码执行,在ALE第二次有效时,封锁PC加一,使第二次读数无效.可见:1,ALE信号对应着从ROM中读指令,所以在一个机器周期中CPU可以读两次指令;2,对于单字节单周期的指令,CPU通过译码后封死PC,实际上指令的后半部不做任何工作.,单字节单周期指令的时序:,机器周期,读操作码一,读操作无效,ALE,S1,S2,S6,S5,S4,S3,.,指令特点:一条指令长度为两个字节，并存储在ROM相邻的两个单元中。要想完整的将这样的指令执行完,必须从ROM中读两次操作码.在ALE第一次有效时,CPU从ROM的n单元中取出指令的第一个字节OP1-1,并送入IR译码,通过译码CPU知道这是一条双字节指令,所以使PC加一,并在ALE第二次有效时,从ROM的n+1单元取出指令的第二个字节OP1-2送入IR进行译码,并产生对应的操作.最后在S6P2时完成本条指令的运行.,S1,S2,S6,S5,S4,S3,机器周期,读操作码一,读操作码二,OP1-2,OP1-1,n+1n,程序ROM,PC,双字节单周期指令时序,ALE,.,指令特点:单字节,需要两个机器周期运行.如:INCDPTRDPTR为两个8位的寄存器,加一时,必须分两步完成.既第一步DPL加一,如果DPL加一有进位则还要进行第