单片机第2章zct

1、第第2章章 单片机结构和原理单片机结构和原理2.1 单片机结构单片机结构2.2 单片机引脚及功能单片机引脚及功能2.3 单片机存储器配置单片机存储器配置2.4 时钟电路与时钟电路与CPU时序时序2.5 输入输出端口结构输入输出端口结构2.6 复位与复位电路复位与复位电路 2.1 单片机结构单片机结构1 单片机微处理器单片机微处理器 控制器主要由控制器主要由程序计数器程序计数器 PC 、程序地址寄存器、程序地址寄存器AR、指令寄存器指令寄存器 IR 、指令译码器、指令译码器ID、条件转移逻辑电路、条件转移逻辑电路及时序控制电路及时序控制电路构成。构成。 程序计数器程序计数器 PC ：程序计数器是

2、一个独立的计数器，：程序计数器是一个独立的计数器，它存放着下一条将要从程序存储器中取出的指令的地它存放着下一条将要从程序存储器中取出的指令的地址。址。 工作过程工作过程:(1)读指令时，程序计数器中的数作为所取指读指令时，程序计数器中的数作为所取指令的地址输出给程序存储器，令的地址输出给程序存储器，(2)然后程序存储器按此然后程序存储器按此地址输出指令字节，地址输出指令字节，(3)同时程序计数器本身自动加同时程序计数器本身自动加 1 ，读完本条指令，读完本条指令， PC 指向下一条指令在程序存储器中指向下一条指令在程序存储器中的地址。的地址。 指令寄存器指令寄存器 IR 及指令译码器及指令译码

3、器 ID ：由：由 PC 中的内容指中的内容指定定 Flash ROM 地址，取出来的指令经指令寄存器地址，取出来的指令经指令寄存器 IR 送至指令译码器送至指令译码器 ID ，由，由 ID 对指令译码并送对指令译码并送 PLA（可编程逻辑阵列） 产生一定序列的控制信号，以执行指产生一定序列的控制信号，以执行指令所规定的操作。令所规定的操作。 例如，控制例如，控制 ALU 的操作，在的操作，在 89C51 片内工作寄片内工作寄存器间传送数据，以及发出存器间传送数据，以及发出 ACC 与与 I/O口（口（ P0-P3 ）或存储器之间通信的控制信号等。或存储器之间通信的控制信号等。 振荡器及定时电

4、路：振荡器及定时电路： 该脉冲信号就作为该脉冲信号就作为 89C51 工作的工作的基本节拍，即最小的时间单位。基本节拍，即最小的时间单位。ramrom2 存储器存储器 匹配匹配CPU 与外围设备之间速度；与外围设备之间速度； 对外围设备进行驱动。对外围设备进行驱动。3 I/O接口电路接口电路 2.2 89c51 单片机引脚及功能单片机引脚及功能 单片机芯片单片机芯片40个引脚。个引脚。 HMOS（高性能金属氧化物半导体）工艺制造的芯（高性能金属氧化物半导体）工艺制造的芯片采用片采用双列直插（双列直插（DIP）方式）方式封装。封装。 CMOS（互补金属氧化物半导体）工艺制造的低功（互补金属氧化物

5、半导体）工艺制造的低功耗芯片也有采用耗芯片也有采用方型封装方型封装(贴片式贴片式)的的, 但为但为44个引脚个引脚, 其其中中4个引脚是不使用的。个引脚是不使用的。 40个引脚按照功能可分为：个引脚按照功能可分为：电源及时钟引脚；控制引电源及时钟引脚；控制引脚和输入输出引脚脚和输入输出引脚。最小系统原理图最小系统原理图.pdf 1. 主电源引脚主电源引脚Vcc和和Vss VCC（40脚）脚）: 接接+5 V电源正端电源正端; VSS（20脚）脚）: 接接+5 V电源地端。电源地端。 2. 外接晶体引脚外接晶体引脚XTAL1和和XTAL2 XTAL1（19脚）脚）: 接外部石英晶体的一端。接外部

6、石英晶体的一端。 在单片在单片机内部机内部, 它是一个反相放大器的输入端它是一个反相放大器的输入端, 这个放大器构成这个放大器构成了片内振荡器。了片内振荡器。 当采用外部时钟时当采用外部时钟时, 对于对于HMOS单片机单片机, 该引脚接地该引脚接地; 对于对于CHMOS单片机单片机, 该引脚作为外部振荡该引脚作为外部振荡信号的输入端。信号的输入端。 XTAL2（18脚）脚）: 接外部晶体的另一端。接外部晶体的另一端。 在单片机内在单片机内部部, 接至片内振荡器的反相放大器的输出端。接至片内振荡器的反相放大器的输出端。 当采用外部当采用外部时钟时时钟时, 对于对于HMOS单片机单片机, 该引脚作

7、为外部振荡信号的该引脚作为外部振荡信号的输入端输入端; 对于对于CHMOS芯片芯片, 该引脚悬空不接。该引脚悬空不接。 2. 控制信号或与其它电源复用引脚控制信号或与其它电源复用引脚 控制信号或与其它电源复用引脚有控制信号或与其它电源复用引脚有RST/VPD、 、 和和 等等4种种形式。形式。 （1） RST/VPD（9脚）脚）: RST即为即为RESET, VPD为为备用电源备用电源, 所以该引脚为单片机的上电复位或掉电保护所以该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。端。 （2） (30脚脚): 当访问外部存储器时当访问外部存储器时, ALE（允许地址锁存信号）以每机器周期两次的信号输出（允许

8、地址锁存信号）以每机器周期两次的信号输出, 用于锁存出现在用于锁存出现在P0口的低口的低8位地址。位地址。 /.ALE PROGPSEN/PPEA V/ALE PROG （3） （29脚）脚）: 片外程序存储器读选通信号片外程序存储器读选通信号输出端输出端, 低电平有效。低电平有效。 （4） （31脚）脚）: 为访问外部程序存储器控为访问外部程序存储器控制信号制信号, 低电平有效。低电平有效。PSEN/PPEA VEA 3. 输入输入/输出（输出（I/O）引脚）引脚P0、 P1、 P2及及P3 （1） P0口（口（39脚脚32脚）脚）: P0 . 0 - P0 . 7，是一个，是一个 8 位漏

9、极开路型双向位漏极开路型双向 I / O 端口，能以吸收电流的方式驱动端口，能以吸收电流的方式驱动 8 个个 LS（低功耗，肖特基三极管）型型 TTL 负载。在访问负载。在访问片外存储器时，它分时作低片外存储器时，它分时作低 8 位地址线和位地址线和 8 位双向数据位双向数据总线用。总线用。 （2） P1口（口（1脚脚8脚）脚）: P1.0P1.7, 是一个带内部是一个带内部上拉电阻的上拉电阻的 8 位双向位双向 I / O口，能驱动（吸收或输出电流）口，能驱动（吸收或输出电流） 4 个个 LS 型型 TTL 负载。负载。 。 （3） P2口（口（21脚脚28脚）脚）: P2.0P2.7统称为

10、统称为P2口口,在访问外部存储器时，由它输出高在访问外部存储器时，由它输出高 8 位地址。位地址。 。 （4） P3口（口（10脚脚17脚）脚）: P3.0P3.7统称为统称为P3口。口。 表2-1 P3口第2功能表 2.3 51单片机存储器及存储空间单片机存储器及存储空间从物理结构上可分为从物理结构上可分为: 片内、片内、 片外程序存储器片外程序存储器（8031和和8032没有片内程序存储器）与没有片内程序存储器）与片内、片内、 片外数据存储器片外数据存储器4个部分个部分;这种程序存储器和数据存储器分开的结构形式称这种程序存储器和数据存储器分开的结构形式称为为哈佛结构哈佛结构。从寻址空间分布

11、可分为从寻址空间分布可分为: 程序程序存储器、存储器、 内部内部数据存储器数据存储器和和外部外部数据存储器数据存储器3大部分大部分; 从功能上可分为从功能上可分为: 程序程序存储器、存储器、 内部数据内部数据存储器、存储器、 特殊特殊功能寄存器功能寄存器、 位地址空间位地址空间和和外部数据外部数据存储器存储器5大部分。大部分。 不同的数据传送指令符号：不同的数据传送指令符号：MOVC 用于用于 CPU 访问片内、片外访问片内、片外 ROM 指令；指令； MOVX 用于访问片外用于访问片外 RAM 指令；指令；MOV 用于访问片内用于访问片内 RAM 指令。指令。 2.3.1 程序存储器程序存储

12、器 1. 程序存储器的编址程序存储器的编址 计算机的工作是按照事先编制好的程序命令一条计算机的工作是按照事先编制好的程序命令一条条循序执行的条循序执行的, 程序存储器就是用来存放这些已编好的程序存储器就是用来存放这些已编好的程序和表格常数程序和表格常数, 它由它由只读存储器只读存储器ROM或或EPROM组成。组成。 2. 程序运行的入口地址程序运行的入口地址 实际应用时实际应用时, 程序存储器的容量由用户根据需要扩程序存储器的容量由用户根据需要扩展，展， 而程序地址空间原则上也可由用户任意安排。而程序地址空间原则上也可由用户任意安排。 但但程序最初运行的入口地址，程序最初运行的入口地址， MC

13、S51单片机是固定的单片机是固定的, 用户不能更改。用户不能更改。 程序存储器中有程序存储器中有复位和中断源共复位和中断源共7个个固定的入口地址固定的入口地址见表见表24。 表表24 MCS51单片机复位、单片机复位、 中断入口地址中断入口地址 单片机复位后程序计数器单片机复位后程序计数器PC的内容为的内容为0000H, 故必须从故必须从0000H单元开始取指令来执行程序。单元开始取指令来执行程序。 0000H单元是系统的单元是系统的起始地址起始地址, 一般在该单元存放一条无条件转移指令一般在该单元存放一条无条件转移指令, 用户设用户设计的程序是从转移后的地址开始存放执行的。计的程序是从转移后

14、的地址开始存放执行的。p 8051只为每个中断保留了只为每个中断保留了8个单元（字节）存放中断的个单元（字节）存放中断的服务程序服务程序，在实际应用中，常常在相应的入口地址处使用，在实际应用中，常常在相应的入口地址处使用转移指令，使程序转向被实际分配的中断服务程序段。转移指令，使程序转向被实际分配的中断服务程序段。u例如，外部中断引脚例如，外部中断引脚 INT0 (P3.2）引起中断申请，）引起中断申请， CPU 响响应中断后自动将地址应中断后自动将地址0003H装入装入PC ，程序就自动转向，程序就自动转向 0003H 单元开始执行。如果事先在单元开始执行。如果事先在0003H000AH 存

15、有引导存有引导（转移）指令，程序就被引导（转移）到指定的中断服务（转移）指令，程序就被引导（转移）到指定的中断服务程序空间去执行。程序空间去执行。 2.3.2 数据存储器数据存储器 用于存放运算的用于存放运算的中间结果、数据暂存和缓冲中间结果、数据暂存和缓冲等。等。1.片外数据存储器片外数据存储器：用：用 MOV 和和 MOVX 两种指令区两种指令区分片内、分片内、片外片外 RAM 空间空间，片内，片内 RAM 使用使用 MOV 指令，片外指令，片外 64KB RAM 空间使用空间使用 MOVX 指令（使引脚指令（使引脚 RD 或或 WR 信号有效）。信号有效）。采用采用16为地址总线（为地址

16、总线（P0，P2）。2.片内存储器片内存储器空间。空间。 最大可寻址最大可寻址 256 个单元个单元 低低 128B ( 00H - 7FH ) 是真正的是真正的 RAM 区区 高高 128B ( 80H - FFH ）为特殊功能寄存器（为特殊功能寄存器（ SFR ）区）区p 低低RAM（用户（用户ram）：）： 工作寄存器区工作寄存器区 位寻址区位寻址区数据缓冲区数据缓冲区。 1） 工作寄存器区工作寄存器区 内部内部RAM块的块的00H1FH区区, 共分共分4个组个组, 每组有每组有8个个工作寄存器工作寄存器R0R7, 共共32个内部个内部RAM单元，也称为通用寄单元，也称为通用寄存器。存器

17、。 89C51 的的 32 个工作寄存器与个工作寄存器与 RAM 安排在同一个队列安排在同一个队列空间里，空间里，统一编址并使用同样的寻址方式统一编址并使用同样的寻址方式【直接寻址（字直接寻址（字节地址）、寄存器寻址和间接寻址（节地址）、寄存器寻址和间接寻址（R0）】。程序中每次只能用一组寄存器，由程序状态寄存器程序中每次只能用一组寄存器，由程序状态寄存器 PSW 中的中的 PSW.3 ( RS0）和）和 PSW.4 ( RS1）两位来选择。）两位来选择。 CPU 复位后，选中第复位后，选中第0组寄存器为当前的工作寄存器。组寄存器为当前的工作寄存器。未被选用的寄存器可用做缓冲器。未被选用的寄存

18、器可用做缓冲器。这个特点使得这个特点使得51单单片机具有快速现场保护功能，提高程序效率。片机具有快速现场保护功能，提高程序效率。 2） 位寻址区位寻址区 20H2FH单元为位寻址区单元为位寻址区, 这这16个单元个单元（共计（共计128位）位）的每的每1位都有一个位都有一个8位表示的位地址位表示的位地址, 位地址范围为位地址范围为00H7FH。 位寻址区的每位寻址区的每1位都可当作位都可当作软件触发器软件触发器, 由程序直接由程序直接进行位处理进行位处理。 通常可以把各种通常可以把各种程序状态标志程序状态标志, 位控制变量位控制变量存于位寻址存于位寻址区内。同样区内。同样, 位寻址的位寻址的R

19、AM单元也可以按字节操作作为一单元也可以按字节操作作为一般的数据缓冲区般的数据缓冲区。 MOV C，06H；将（将（20H）.6-CY “C为位累加器为位累加器”CLR A；累加器；累加器A清零（字节操作）清零（字节操作）CLR E0H;将累加器将累加器A的第的第0位清零，位清零，A的字节地址为的字节地址为E0H ，A的第的第0位的位地址为位的位地址为E0H。CLR 27H；将（；将（24H）.7位清零。位清零。 表 内部RAM中位地址表 3） 数据缓冲区数据缓冲区 30H7FH是数据缓冲区是数据缓冲区, 也即用户也即用户RAM区区, 共共80个单元。个单元。 MCS52子系列片内子系列片内R

20、AM有有256个单元个单元, 前两前两个的单元数与地址都和个的单元数与地址都和MCS51子系列一致。子系列一致。 用户用户RAM区从区从30HFFH, 共共208个单元。个单元。 堆栈与堆栈指针堆栈与堆栈指针 在程序实际运行中在程序实际运行中, 往往需要一个后进先出的往往需要一个后进先出的RAM区区, 在子程序调用、在子程序调用、 中断服务处理等场合用以保中断服务处理等场合用以保护护CPU的现场的现场, 这种后进先出的缓冲区称为这种后进先出的缓冲区称为堆栈堆栈。 MCS51单片机堆栈区不是固定的单片机堆栈区不是固定的, 原则上可设在原则上可设在内部内部RAM的任意区域内的任意区域内, 但但为了

21、避开工作寄存器区和为了避开工作寄存器区和位寻址区位寻址区, 一般设在一般设在30H以后的范围内以后的范围内, 栈顶的位置由栈顶的位置由专门设置的专门设置的堆栈指针堆栈指针寄存器寄存器SP（8位）指出。位）指出。 数据传输指令，即数据传输指令，即 PUSH 和和 POP ；MCS51单单片机的堆栈属向上生长型片机的堆栈属向上生长型, 如下图所示。如下图所示。 图26 MCS51单片机堆栈 3. 特殊功能寄存器特殊功能寄存器SFR块块 特殊功能寄存器特殊功能寄存器SFR, 又称为又称为专用寄存器专用寄存器。 它专用它专用于控制、于控制、 管理单片机内算术逻辑部件、管理单片机内算术逻辑部件、 并行并

22、行I/O口锁口锁存器、存器、 串行口数据缓冲器、串行口数据缓冲器、 定时器定时器/计数器、计数器、 中断系中断系统等功能模块的工作统等功能模块的工作, SFR的地址空间为的地址空间为80HFFH。 表28 特殊功能寄存器名称、 标识符、 地址一览表 n 除上述除上述 21 个个 SFR 以外，还有一个以外，还有一个 16 位的位的 PC ，称为程序计数器，称为程序计数器，它是它是不可寻址不可寻址的。的。n 程序计数器程序计数器 PC 是一个是一个 16 位计数器，用来存放下一条要执行的指令位计数器，用来存放下一条要执行的指令地址。它控制着程序的运行轨迹。当单片机开始执行程序时，给地址。它控制着

23、程序的运行轨迹。当单片机开始执行程序时，给 PC 装入第一条指令所在的地址，每取出一个指令字节，装入第一条指令所在的地址，每取出一个指令字节， PC的内容就自的内容就自动加动加 1 ，以指向下一学节的地址，使指令能顺序执行。当程序遇到转，以指向下一学节的地址，使指令能顺序执行。当程序遇到转移指令、子程序调用指令、中断时，移指令、子程序调用指令、中断时， PC按转移地址转到指定的地方。按转移地址转到指定的地方。 2.3.2 控制部件及振荡器控制部件及振荡器片内的时钟产生有两种方式片内的时钟产生有两种方式: 一种是一种是内部时钟方式内部时钟方式; 一一种是种是外部时钟方式外部时钟方式。 1 ）振荡

24、周期振荡周期：晶体振荡器的振荡周期。：晶体振荡器的振荡周期。 2 ）状态周期状态周期：振荡信号经二分频后形成的：振荡信号经二分频后形成的时钟脉冲信号时钟脉冲信号，用用 S 表示。表示。3）机器周期）机器周期包括包括 12 个振荡周期，分为个振荡周期，分为 6 个个 S 状态：状态： S1-S6 。每个。每个状态又分为两拍，称为状态又分为两拍，称为 P1和和 P2 。 若采用若采用 6MHz 晶体振荡器，则每个机器周期恰为晶体振荡器，则每个机器周期恰为 2us；若采用若采用 12MHz 晶体振荡器，则每个机器周期为晶体振荡器，则每个机器周期为 1 us。4 ）指令周期）指令周期 CPU 执行一条

25、指令所需要的时间为一个指令周期。一执行一条指令所需要的时间为一个指令周期。一个指令周期通常含有个指令周期通常含有 1-4 个机器周期。个机器周期。 MCS 一一 51 系系列单片机除了乘法指令、除法指令是列单片机除了乘法指令、除法指令是 4 个机器周期外，个机器周期外，其余都是单周期指令或双周期指令。其余都是单周期指令或双周期指令。2 . 4 . 2 CPU 取指、执指时序取指、执指时序每一条指令都可以包括取指和执指两个阶段。在取指每一条指令都可以包括取指和执指两个阶段。在取指阶段，阶段， CPU 从内部或者外部从内部或者外部 ROM 中取出指令操作码中取出指令操作码及操作数，然后再执行这条指

26、令。及操作数，然后再执行这条指令。2.5 并行输入并行输入/输出接口输出接口 2.5.1 P0口口 1. P0口结构口结构 P0口是一个三态双向口口是一个三态双向口, 可作为地址可作为地址/数据分时复用口数据分时复用口, 也可也可作为通用作为通用I/O接口。接口。 锁存器起输出锁存作用锁存器起输出锁存作用, 8个锁存器构成了特殊功能寄存器个锁存器构成了特殊功能寄存器P0; 场效应管（场效应管（FET）V1、 V2组成输出驱动器组成输出驱动器, 以增大带负载能力以增大带负载能力; 三态门三态门1是引脚输入缓冲器是引脚输入缓冲器; 三态门三态门2是用于读锁存器控制是用于读锁存器控制; 与门与门3、

27、 倒相器倒相器4及模拟转换开关构成输出控制电路。及模拟转换开关构成输出控制电路。 图图 P0口口1位结构原理图位结构原理图 2. 地址地址/数据分时复用功能数据分时复用功能 当当P0口作为地址口作为地址/数据分时复用总线时数据分时复用总线时, 可分为两种可分为两种情况：情况： 一种是从一种是从P0口输出地址或数据口输出地址或数据,另一种是从另一种是从P0口输入数据。口输入数据。 3. 通用通用I/O接口功能接口功能当当P0口作为通用口作为通用I/O接口时接口时, 要注意两点要注意两点: 第一第一, 在输出数据时在输出数据时, 由于由于V2截止截止, 输出级是漏极开路输出级是漏极开路电路电路, 要使要使“1”信号正常输出信号正常输出, 必须外接上拉电阻。必须外接上拉电阻。 第二第二, 在端口引脚输入前，应先向端口锁存器写入在端口引脚输入前，应先向端口锁存器写入 1，使引脚处于悬浮状态，作高阻抗。使引脚处于悬浮状态，作高阻抗。P0口作为通用口作为通用I/O使使用时是一准双向口。用时是一准双向口。 4. 端口