第二章单片机的硬件结构

1、2.1 单片机的概念 单片微型计算机SCMC(Single Chip Micro-Computer)，是计算机、自动控制和大规模集成电路相结合的产物。 还有其他的称呼，如：微控制器（MCU），嵌入式微控制器(EMCU），嵌入式微处理器（EMP）等。 目前使用最多的仍是8位单片机。在8位单片机中80c51的使用更为广泛。本教材也是以80c51为基础。2.2.1 80C51单片机的内部逻辑结构1. 中央处理器CPU （1）运算电路 （2）控制电路 2. 内部数据存储器 3. 内部程序存储器 4. 定时器/计数器 5. 并行I/O口 6. 串行口 7. 中断控制电路 8. 时钟电路 9. 位处理器

2、10. 内部总线图2.2 80C51芯片逻辑结构图图2.3 80C51单片机芯片引脚及芯片逻辑符号 输入/输出口线:P0.0P0.7, P1.0P1.7, P2.0P2.7, P3.0P3.7.地址锁存信号控制：ALE外部程序存储器读写信号：*PSEN访问程序存储器控制信号：*EA复位信号：RST外接晶体引线端：XTAL1和XTAL2地线：VSS+5V电源：VCC（1）80C51 的引脚复用 ALE/*PROG 编程脉冲 *EA/VPP 编程电压（2）引脚复用不会引起混乱 引脚引脚转义转义引脚引脚功能说明功能说明P3.0RXD串行数据接收端串行数据接收端P3.1TXD串行数据发送端串行数据发送

3、端P3.2INT0外部中断外部中断0请求请求P3.3INT1外部中断外部中断1请求请求P3.4T0计数器计数器0外部输入外部输入P3.5T1计数器计数器1外部输入外部输入P3.6WR外部数据存储器写外部数据存储器写P3.7RD外部数据存储器读外部数据存储器读 单片机的内部存储器包括数据存储器和程序存储器。80C51的数据存储区共有256个单元，按功能又划分为:低128单元区和高128单元区。图2.4 80C51 内部数据存储器配置图1. 寄存器区 内部RAM的前32个单元作为通用寄存器使用，地址为00H1FH。分为4组，组号依次为0、1、2、3。每组有8个寄存器：R7R0。 任一时刻，cpu只

4、能使用其中的一组寄存器，称为当前寄存器组，由程序状态字寄存器PSW中的RS1，RS0位的组合来决定。2. 位寻址区 内部RAM的20H2FH单元。既可作为一般RAM单元使用进行字节操作，也可对单元中的每一位进行位操作。这16个RAM单元总计有128个可直接寻址位，位地址为00H-7FH。3. 用户RAM区 剩余的80个单元为供用户使用的一般RAM区，单元地址为30H7FH。在一般应用中常把堆栈开辟在此区。1. 专用寄存器简介 （1）累加器A（或ACC-ACCumulator） 最常用的专用寄存器 （2）B寄存器（B register） 在乘除指令中用到B寄存器乘 MUL AB；A与B相乘，高字

5、节放在B中，低字节放在A中。 除 DIV AB；A除以B，商放在A中，余数放在B中。其他指令中，B同一般的RAM。 （4）数据指针DPTR 唯一一个供用户使用的16位寄存器；既可以按16位寄存器用，也可以用作两个8位寄存器：DPH（高8位） DPL（低8位）8位寄存器，它包含了程序状态信息。 CY：进位标志。在执行某些算术和逻辑运算时，可被硬件或软件置位或清除。 AC：辅助进位标志。当低4位数向高4位数进位或借位时，AC将被硬件置1，否则就被清除。 RS0，RS1：用软件置位或清除来确定工作寄存器区。 （0，0）区0（00H07H） （0，1）区1（08H0FH） （1，0）区2（10H17H

6、） （1，1）区3（18H1FH） OV：溢出标志。执行算术运算时，由硬件置位或清除 。加减法时：有符号运算，结果超过范围-128+127产生溢出。乘除也会影响OV，积大于255或除数为0，OV置位否则清零。 P：奇偶标志。每个指令周期都由硬件来置位或清零。A中值为1的位数为奇数，则P置位，否则清零。1. 堆栈的功用 堆栈主要是为子程序调用和中断操作而设立的，对应有两项功能：保护断点和保护现场。2. 堆栈的开辟 只能开辟在芯片的内部数据存储中。3. 堆栈指针 堆栈的两种操作：进栈和出栈。都是对栈顶单元进行的。堆栈指针SP用来指示栈顶。SP的内容就是堆栈栈顶的存储单元地址。4. 堆栈类型 两种不

7、同类型的堆栈结构 两种类型：向上生长型和向下生长型。80c51使用向上生长型堆栈，操作规则如下： 进栈操作：先SP加1，后写入数据。 出栈操作：先读出数据，后SP减1。 5. 堆栈使用方式 两种：自动方式和指令方式。 自动方式：在调用子程序或中断时，返回地址自动进栈。程序返回时，断点再自动弹回PC。 指令方式：使用专用的堆栈操作指令，进行进出栈操作。进栈指令为PUSH，出栈指令为POP。功能：用于存放编好的程序和表格常数 。如何工作：程序计数器（PC），也叫PC指针，是取指地址。上电复位后内容为0000H，即从0000H地址的指令顺序执行，最大为FFFFH，所以程序空间为64K。64K空间分为

8、片内ROM和片外ROM，但统一编址。 外 部内 部(EA=1)外 部(EA=0)00000FFF00000FFF1000FFFF在64K的程序存储器中，有5个特殊的单元，存放5种中断源的中断入口： 外部中断0 0003H 定时器0溢出 000BH 外部中断1 0013H 定时器1溢出 001BH 串行口 0023H2.4.1 P0口逻辑结构 P0口地址为80H，位地址为80H-87H。既可做一般I/O口，又可作地址/数据总线，某一位的内部结构如下图 图2.5 P0口电路逻辑2.4.2 P1口逻辑结构 P1口地址为90H，位地址为90H-97H。只能作为通用数据I/O口使用，电路逻辑如下图： 2

9、.4.3 P2口逻辑结构 P2口地址为A0H，位地址为A0H-A7H。 既可做通用I/O口，又可作系统高位地址线，某一位的内部结构如下图2.4.4 P3口逻辑结构 P3口地址为B0H，位地址为B0H-B7H。 虽然可做通用I/O口，但在实际应用中，它的第二功能信号更为重要，某一位的内部结构如下图单片机本身是一个复杂的同步时序系统，为保证同步工作方式的实现，单片机必须有时钟信号，以使其系统在时钟信号的控制下按时序协调工作。1. 振荡电路 2. 分频电路图2.9 80C51单片机的振荡电路 图2.10 80C51单片机的时钟电路框图 3. 晶振频率(1.233MHz) 4. 从外部引入脉冲信号驱动

10、时钟电路 图2.11 80C51外部脉冲源接法1. 拍节与状态即振荡周期，时钟脉冲频率的倒数，定义为拍节（P）。时钟信号的周期定义为状态（S）。1S=2P2. 机器周期 规定一个机器周期的宽度为6个状态，S1S6。例：若振荡脉冲频率为N，先12分频，则有N/12,而周期是频率的倒数，所以机器周期是1/(N/12)3. 指令周期执行一条指令所需要的时间，可包含1个、2个或4个机器周期。 复位是单片机的硬件初始化操作。复位后，单片机才能开始正常工作。2.6.1 复位方式与初始化状态 1. 复位方式 （1）加电复位：通过专用的复位电路产生复位信号。 （2）手动复位： 在实际应用中，总是把加电复位和手

11、动复位结合在一起，形成一个综合的复位电路。 PC0000HACC00HB00HPSW00HSP07HDPTR0000HP0P30FFHIPxxx00000B完成复位操作需24个状态周期 IE0 x000000BTMOD00HTCON00HTH0,TL0,TH1,TL100H SCON00HSBUF不定PCON0 xxxxxxxB2.7.1 单片机低功耗的意义 从便携等方面考虑 从芯片排列方面考虑 从可靠性方面考虑 从发展趋势方面考虑1. 待机模式（Idle Mode）：一条把IDL置1的指令执行后，单片机进入待机工作状态。 （1）待机模式概述提供给CPU的内部时钟信号被切断，但时钟信号仍提供给

12、中断逻辑，定时器和串行口。 CPU的全部状态在待机期间都保留起来，包括：堆栈指针SP、程序计数器PC、程序状态字PSW、累加器ACC以及所有的工作寄存器。 可以通过被允许的中断或复位来终止待机方式 。中断结束待机，IDL自动被硬件清除；复位信号使RST保持两个机器周期，“复位”也自动清除IDL 两种节电运行方式（待机方式和掉电方式），由PCON的有关位来控制 。 SMOD波特率倍增位，1时，串口1，2，3方式，波特率加倍。 GF1，GF0通用标志位。 PD掉电方式位，1时，触发掉电工作方式。 IDL待机方式位，1时，触发待机方式。 PD和IDL同为1时，则触发掉电工作方式。（一）填空题通过堆栈

13、实现子程序调用，首先要把（ ）的内容入栈，以进行断点保护。调用返回时再进行出栈操作，把保护的断点送回（ ）。通常单片机有两种复位操作，即（ ）和（ ）。复位后，PC值为（ ），SP值为（ ），通用寄存器的当前寄存器组为（ ）组，该组寄存器的地址范围是从（ ）到（ ）。80C51单片机中，一个机器周期包含（ ）个状态周期，一个 状态周期又可划分为（ ）个拍节，一个拍节为（ ）个振荡脉冲周期。因此，一个机器周期应包含（ ）个振荡脉冲周期。80C51中惟一一个可供用户使用的16位寄存器是（ ），它可拆分为两个8位寄存器使用，名称分别为（ ）和（ ）。单片机程序存储器的寻址范围由PC的位数决定。80C51的PC为16位，因此程序存储器地址空间是（ ）。2.取指操作后，PC的值是（ ）（A）当前指令前一条指令的地址（B）当前正在执行指令的地址（C）下一条指令的地址（D）控制寄存器中指令寄存器的地址3.80C51单片机中，设置堆栈指针SP为37H后就发生子程序调用，这时SP的值变为（ ）（A）37H （B）38H （C）39H （D）3