第3章单片机芯片结构ppt课件

1、第3章单片机的构造和任务原理 内容提要MCS-51单片机内部构造引脚时钟电路和复位电路存 储 器. 51系列单片机内部构造如下图。图 ( 图中“/ 两边分别为根本型和加强型 )P3P1P2 可编程 串行I/O口P0外部中断基准频率源控制 128/256B数据存储器 4KB/8KB程序存储器 2/3个16位定时/计数器 振荡器及 定时电路 CPU 64KB总线扩展控制 可编程并行I/O口内部中断计数脉冲串行输出串行输入.MCS-51单片机组成原理 MCS-51单片机的组成 ：1. 8位CPU2. 片内ROM/EPROM、RAM3. 片内并行 I/O接口4. 片内16位定时器/计数器5. 片内中断

2、处置系统6. 片内全双工串行I/O口 不同型号MCS-51单片机CPU处置才干和指令系统完全 兼容，只是存储器和I/O接口的配置有所不同。.3.2.1 运算器1算术逻辑单元 ALUArithmetic Logic Unit2累加器ACCAccumulator3存放器 B4程序形状字PSWProgram Status Word5布尔处置器3.2.2 控制器1程序计数器PCProgram Counter 2指令译码器ID 3数据指针DPTR4. 堆栈指针(SPStack Pointer) 3.2 中央处置器 CPU .3.2.1 运算器 功能：运算部件 实现算术、逻辑运算、位变量处置、移位、数据传

3、送 1算术逻辑单元ALU8位用来完成二进制四那么运算和布尔代数的逻辑运算 ,运算结果影响PSW的有关标志位 2. 累加器ACC8位 存放操作数和中间结果,是CPU中运用最频繁的存放器，大多数操作均经过它进展 3存放器B 8位 乘法时用于存乘数/积的高8位,除法时用于存除数/余数 4程序形状字PSW8位 特殊功能存放器 5布尔处置器 1位 它以进位标志CY作为累加位 进展位操作 .程序形状字PSW各位标志的含义CYACF0RS1RS0OV-P PSW.7 PSW.6 PSW.5 PSW.4 PSW.3 PSW.2 PSW.1 PSW.0 CY (PSW.7) 进位标志位 ACPSW.6 辅助进位

4、或称半进位标志F0PSW.5 用户标志位 RS1和RS0PSW.4，PSW.3任务存放器组选择位 OVPSW.2 溢出标志位 PSW.1 未定义位 PPSW.0 奇偶标志位 .CY是PSW中最常用的标志位。由硬件或软件置位和清零。*在字节运算时： 它表示运算结果能否有进位或借位。 加法时：有进位 Cy由硬件置“1 即Cy=1； 无进位 CY被硬件清“0 即Cy=0。 减法时：有借位 Cy由硬件置“1 即Cy=1； 无借位 CY被硬件清“0 即Cy=0。*在位操作布尔操作时：CY作为累加器运用，其作用相当于字节操作的累加器ACC。 Cy.在指令中可作为转移的条件 JC rel ； cy=1转移

5、JNC rel ； cy=0 转移 位操作指令中做累加器 ANL C, bit ANL C, / bit ORL C, bit ORL C, / bit SETB C CLR C CPL C MOV C,bit MOV bit,c Cy.ACPSW.6 辅助进位或称半进位标志。 当执行加减运算时，其运算结果产生低四位向高四位进位或借位时, AC由硬件置“1；否那么AC位被自动清“0。 普通在BCD码运算时，系统用于进展十进制调整。 Ac.OV OVPSW.2 溢出标志位 它反映运算结果能否溢出，溢出时那么由硬件将OV 位置“1；否那么置“0。只需在补码运算时起作用。 . 溢出和进位是两种不同性

6、质的概念 溢出是指有正负号的两个数运算时，运算结果超出了累加器以补码所能表示一个有符号数的范围。 而进位那么表示两数运算最高位D7相加或相减有无进位或借位。 因此运用时应加以留意。OV 与 Cy. F0PSW.5 用户标志位。 用户可根据本人的需求对F0位赋予一定的含义，由用户置位或复位，作为软件标志。 SETB F0 ; 置位 CLR F0 ; 复位 F0. PPSW.0 奇偶标志位 P标志阐明累加器ACC中1的个数的奇偶性。在每条指令执行完后，单片机根据ACC的内容对P 位自动置位或复位。 假设累加器ACC中有奇数个“1，那么P=1； 假设累加器ACC中有偶数个“1，那么P=0。 .1程序

7、计数器PC16位计数器重要 PC是程序的字节地址计数器，其内容是将要执行的下一条指令的地址，寻址范围达64KB。 PC 有自动加1功能，从而实现程序的顺序执行。可以经过转移、调用、前往等指令改动其内容，以实现程序的转移。3.2.2 控制器.2指令译码器ID 当指令取出经指令存放器IR送至指令译码器ID时 ，ID对该指令进展译码，即把指令转变成所需的电平信号，CPU 根据ID输出的电平信号使定时控制电路定时地产生执行该指令所需的各种控制信号，以使计算机能正确执行程序所要求的各种操作。 程序存储器PC取出指令码指令存放器IR指令译码器ID把指令转变成所需求得电平信号 CPU 产生执行该指令所需的各

8、种控制信号取指令分析指令执行指令.3数据指针DPTR16bit 数据指针DPTR为16位存放器。它的功能是存放16位的地址，作为访问外部程序存储器和外部数据存储器时的地址。 编程时，DPTR既可按16位存放器运用，也可以按两个8位存放器分开运用。即：DPHDPTR的高8位DPLDPTR的低8位4. 堆栈指针(SP)8 bit SP的内容就是堆栈栈顶的存储单元地址。不论是数据进栈还是数据出栈，都是对堆栈的栈顶单元进展的，即对栈顶单元的写和读操作。. MCS-51系列单片机有40个引脚，HMOS工艺制造的芯片采用双列直插式封装DIP。3.3 MCS-51单片机外部特性.1.电源引脚Vcc和Vss

9、Vcc为+5V电源端， Vss为电压接地端。2.时钟电路引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1和XTAL2是外接晶体引线端。当芯片运用内部时钟时，用于外接石英晶体和电容；当用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。3.3.1 引脚功能3.控制信号引脚 ALE /PROG 地址锁存控制信号。 ALE 地址锁存允许。 ALE输出脉冲的频率为振荡频率的1/6。 PROG 对8751单片机片内 EPROM 编程时，编程脉冲由该引脚引入。 输出读外部程序存储器的选通讯号。.PSEN 程序存储器允许。输出读外部程序存储器的选通讯号。EA/VPP 访问外部程序存储器的控制信号，低电平有效 EA =0，单片机只访

10、问外部程序存储器。 EA =1，单片机访问内部程序存储器。 在8751单片机片内EPROM编程期间，此引脚引入21V编程电源VPP。.RST/VPP 复位信号，高电平有效。复位信号输入。 接备用电源，当VCC掉电后，在低功耗条件下坚持内部RAM中的数据。P0.0P0.7：P0口，数据/低八位地址复用总线端口。P1.0P1.7：P1口，静态通用端口。P2.0P2.7：P2口，高八位地址总线端口。 P3.0P3.7：P3口，双功能静态端口。.3.3.2 引脚的第二功能P3.0 RxD 串行口输入端P3.1 TxD 串行口输出端P3.2 INT0 外部中断0恳求输入端P3.3 INT1 外部中断1恳

11、求输出端P3.4 T0 定时器/计数器0计数脉冲输入端P3.5 T1 定时器/计数器1计数脉冲输入端P3.6 WR 外部RAM写选通输出端P3.7 RD 外部RAM读选通输出端1. P3口线的第二功能.图1-7在51系列单片机的2051/1051型号中因无P0口和P2口总线引脚，因此只需20个引脚见图1.7，由于不能进展外部扩展，因此无PSEN引脚，它们内部有一个模拟比较器，相比较的模拟信号由P1.0AIN0和P1.1AIN1输入，而模拟比较器的输出接P3.6，在内部已衔接，因此外部无P3.6引脚。.在加强型的52系列单片机中，P1.0、P1.1除为端口线外，还为定时/计数器2的外部引脚 T2

12、和T2EX。.3.4 MCS-51单片机时钟电路及CPU的任务时序3.4.1 时钟电路 单片机的时钟信号用来提供单片机内各种微操作时间基准，8XX51单片机的时钟信号通常有两种电路方式：内部振荡方式和外部振荡方式。.内部振荡方式： 在引脚 XTAL1和 XTAL2外接晶体振荡器简称晶振如图1-3所示。电容器C01、C02起稳定振荡频率、快速起振的作用。电容值普通为 530PF。XTAL1XTAL2GND8XX51C01C02图1-3 内部振荡方式由于单片机内部有一个高增益运算放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。. 外部振荡方式把已有的时钟信号引入单片机。这种方式适宜用于

13、使单片机的时钟与外部信号坚持一致。外部振荡方式如图1-4所示。 对HMOS的单片机8031、8031AH等外部时钟信号由XTAL2引入，对于CHMOS的单片机8XCXX，外部时钟由XTAL1引入。外部时钟XTAL1XTAL2GND8XX51悬空外部时钟XTAL1XTAL2GND悬空CHMOSHMOS图14外部振荡方式8XX51. 时序是非常重要的概念，它指明单片机内部以及内部与外部相互联络所遵守的规律。 3.4.2 CPU的任务时序 单片机在执行指令时，通常将一条指令分解为假设干根本的微操作，这些微操作所对应的脉冲信号在时间上的先后次序称为单片机的时序。 .MCS-51的时序定时单位从小到大依

14、次为：振荡周期节拍、时钟周期形状、机器周期和指令周期。1振荡周期 振荡周期是指为单片机提供定时信号的振荡源的周期，也称为节拍用P表示。2. 时钟周期 时钟周期又称形状周期或S周期。时钟周期是振荡周期的两倍，时钟周期被分成两个节拍，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，内部存放器与存放器间的传输普通在此形状发生。3. 机器周期 一个机器周期由6个形状(S1、S2S6)组成，即6个时钟周期，12个振荡周期。可依次表示为S1P1、S1P2、S 2P1、S2P2、S6P1、S6P2共12个节拍，每个节拍继续一个振荡周期，

15、每个形状继续两个振荡周期。可以用机器周期把一条指令划分成假设干个阶段，每个机器周期完成某些规定操作。4. 指令周期 指令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14个机器周期(依指令类型而定)。 显然，当振荡频率为12MHz时，一个机器周期为1s , 当振荡频率为6MHz时，一个机器周期为2s 。.3.5 存储器分类及配置 3.5.1 程序存储器3.5.2 数据存储器总结. 80C51单片机在系统上采用了哈佛型，其存储器在物理构造上分程序存储器ROM 和数据存储器RAM。 有四个物理上相互独立的存储空间 ：其配置如下图。60KB4KB64KB片内ROM片外ROM片内RAM 片

16、外RAM/I/O口128BRAM128B SFR. 用户运用的角度上看，80C51存储空间分为3类： 片内、片外一致编址0000H0FFFFH的64K字节的程序存储器地址空间； 256字节数据存储器地址空间； 64K字节片外数据存储器/I/O口地址空间，地址也从0000H0FFFFH。 上述三个空间地址是重叠的，即 程序存储器中片内外低4K字节地址重叠； 数据存储器与程序存储器64K地址全部重叠； 数据存储器中片内外低256个字节地址重叠。 虽然地址重叠，但由于采用了不同的操作指令及控制信号EA、PSEN的选择，因此不会产生混乱。 阐明.保管单元：0000H-0002H复位后初始化引导程序 3

17、个 0003H-000AH外部中断0 8个000BH-0012H定时器0溢出中断 8个0013H-001AH外部中断1 8个001BH-0022H定时器0溢出中断 8个0023H-002AH串行端口中断 8个002BH 定时器2中断80 C52才有 3.5.1 程序存储器 程序存储器用来存放程序代码和常数，程序存储器包括内部程序存储器和外部程序存储器。其中80C51内部有4kB的ROM，地址范围是0000H-0FFFH，片外用16位地址线扩展64kB的ROM，两者一致编址。从片内还是从片外取指取决于EA引脚。. 当CPU的引脚EA接高电平常， PC在0000H0FFFH范围内，CPU从片内RO

18、M取指令； 而当PC0FFFH后，那么自动转向片外ROM去取指令。 当引脚EA接低电平常，80C51片内ROM不起作用，CPU只能从片外ROM取指令，地址可以从0000H开场编址 对于片内无ROM的 8031、8032单片机，EA应接地。以便从外部扩展EPROM中取指令。 80C51从片内ROM和片外ROM取指时执行速度一样。访问程序存储器运用MOVC指令. 数据存储器用来存放运算的中间结果、标志位，以及数据的暂存和缓冲等。数据存储器包括内部数据存储器和外部数据存储器。内部数据存储器分为128字节的RAM区和128字节的特殊功能存放器区，总的地址范围为00HFFH。在特殊功能存放器地址空间中离

19、散地分布着21个特殊功能存放器。如累加器A、存放器B、程序形状标志存放器PSW等。外部可扩展64KB的数据存储器，地址范围为0000HFFFFH。 3.5.2 数据存储器. 内部数据存储器和外部数据存储器在00HFFH地址区重叠。对于内部数据存储器可以直接寻址，也可以间接寻址。间接寻址时，间接地址存放器为R0和R1，指令格式如下： MOV A，R0 MOV A，R1 MOV R0，A MOV R1，A 外部数据存储器只能间接寻址，间接地址存放器为R0、R1和DPTR。用R0和R1只能访问低256个字节单元，用DPTR可访问64KB个字节单元。指令格式如下； MOVX A，R0 MOVX A，R

20、1 MOVX A，DPTR MOVX R0，A MOVX R1，A MOVX DPTR, A 3.5.2 数据存储器.80C51内部数据存储器配置.用户RAM区堆栈、数据缓冲30H-7FH位寻址区位地址00H-7FH20H-2FH第3组通用存放器18H-1FH第2组通用存放器10H-17H第1组通用存放器08H-0FH第0组通用存放器00H-07H 用于存放操作数及中间结果。由于它们的功能预先不作规定，因此称为任务存放器。 任一时辰，CPU只能运用一组任务存放器。由PSW的RS0和RS1决议 可以直接对位进展寻址。共16个单元，128个位 用于存放用户数据和及做堆栈用。00H7FH1内部RAM

21、内部RAM共128字节单元，分为任务存放器、位寻址区和数据缓冲区三个区域。. 1)、任务存放器00H1FH) RS1 RS0 存放器组 片内RAM地址 0 0 第0组 00H07H 0 1 第1组 08H0FH 1 0 第2组 10H17H 1 1 第3组 18H1FH 内部RAM 的三个区域：R0R74个. 内部RAM的20H2FH单元为位寻址区，这16个单元(合计128位)的每一位都有一个8位表示的位地址，位寻址范围为00H7FH. 位寻址区的每一个单元既可作为普通RAM单元运用，进展字节操作，也可以对单元中的每一位进展位操作。 MCS-51布尔处置器的存储空间就是指这个位寻址空间。47H

22、46H45H44H43H42H41H40HD0D1D2D3D4D5D6D7 28H 字节地址位地址2)、位寻址区20H2FH).47H46H45H44H43H42H41H40HD0D1D2D3D4D5D6D7 28H 字节地址MOV 28H,#56H SETB 43HCLR 42H0010101110字节操作位操作.如 MOV 20H，C (这里C是Cy进位标志位，该指令是将Cy内容送20H位,假设Cy1，位20H值为“1。. 30H7FH是供用户运用的普通RAM区，也是数据缓冲区，共80个单元。对用户RAM区的运用没有任何规定或限制，普通用于存放用户数据及作堆栈区运用。 3). 用户RAM区

23、30H7FH. 4堆栈区 8XX51单片机的堆栈设在内部RAM区，深度不大于128字节，初始化时SP指向07H。 注： 对51根本型单片机只需00H7FH单元128字节的RAM区。对52加强型的单片机还有80HFFH组成的高128字节RAM区共256字节RAM 。.2. 特殊功能存放器 SFRSpecial Function Register 80C51片内高128字节RAM中，有21个特殊功能存放器，又称为公用存放器SFR。它们离散地分布在80H0FFH RAM空间中。1. 特殊功能存放器的字节寻址 8051片内21个特殊功能存放器的称号、符号及单元地址如表3-8所示. .2) 特殊功能存放

24、器的位寻址 在21个特殊功能存放器中，有11个存放器具有位寻址功能，即表3-9(P58)中，有11个可位寻址的存放器，它们的字节地址正好能被8整除，而且字节地址与该字节最低位的位地址一样。8FH8EH8DH8CH8BH8AH89H88HD0D1D2D3D4D5D6D7 TCON 88HTF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IE0 IT0.21个特殊功能存放器的称号及主要功能引见如下，详细的用法见后面各节的内容。 A累加器，自带有全零标志Z，A=0那么Z=1；A0那么Z=0。该标志常用于程序分支转移的判别条件。 B存放器，常用于乘除法运算 PSW程序形状字。 SP堆栈指针。. DPTR

25、数据指针存放器 P0 P1 P2 P3I/O端口存放器 是四个并行I/O端口映射入SFR中的存放器。经过对该存放器的读/写，可实现从相应I/O端口的输入/输出。 例如：指令 MOV P1，A实现了把A累加器中的内容从P1端口输出的操作。指令MOV A，P3实现了把P3端口线上的信息输入到A中的操作。.此外还有如下存放器，它们将在后面章节引见：IP中断优先级控制存放器。IE中断允许控制存放器。 TMOD定时器/计数器方式控制存放器。TCON定时器/计数器控制存放器。TH0，TL0定时器/计数器0。TH1，TH1定时器/计数器1。SCON串行端口控制存放器。SBUF串行数据缓冲器。 PCON电源控

26、制存放器。.注：在52子系列中，高128字节RAM和SFR的地址是重叠的，终究访问哪一块可经过不同的寻址方式加以区分，访问高128字节RAM采用存放器间址，访问SFR那么只能采用直接寻址，访问低128字节RAM时，两种寻址均可采用。 .3 . 外部数据存储器RAM/I/O) 外部RAM地址范围为0000H0FFFFH，其中在0000H00FFH区间与内部数据存储器空间是重叠的，CPU运用MOV指令和MOVX指令加以区分。 假设用户运用系统有扩展的I/O接口时，数据区与扩展的I/O口一致编址，一切的外围接口地址均占用片外RAM的地址单元，因此要合理地分配地址空间，保证译码的独一性。 外部数据存储

27、器，即片外RAM普通由静态RAM组成。MCS-51系列单片机访问外部数据存储器经过一个特殊存放器DPTR寻址。由于DPTR是16位，那么外部数据存储器可寻址的范围是64kB。.3.6 布尔处置器 3.6.1 布尔处置机布尔处置机实践上是一位字长的计算机，它有中央处置器、位累加器、位地址空间和位操作指令。经过编程可实现位处置或位控制功能，经常用于简单的开关信号控制系统中。 .3.6.2MCS-51单片机中布尔处置机的组成 在MCS-51单片机的内部RAM中，20H2FH 16个字节单元既可以按字节寻址，也可以由CPU按位直接寻址。这16个单元共有128位，每位有一个位地址，寻址范围为00H7FH

28、，如表3-7所示。另外，有11个特殊功能存放器，如累加器A、存放器B、程序形状字PSW等，既有字节地址，也有位地址，其详细地址如表3-9所示。 在指令系统中，设有位操作指令，与位累加器C和位地址空间结合起来，构成一个完好的布尔处置机。位操作指令有位传送、位清0、位置1、位取“反、按位“与、按位“或及位测试转移等。中央处置器CPU可经过位操作指令对位累加器和位地址空间进展位操作。.3.7 并行I/O接口3.7.1 P0口与P2口 P0口是一个8位双向三态输入输出接口，P2口是一个准双向输入输出接口，而且每一位都有本人的位地址。中央处置器可接字节进展数据传送，也可按位进展位操作。在衔接外部存储器时

29、，P0口一方面作为8位数据输入输出口，另一方面输出外部存储器的低8位地址，地址数据分时传送。因此，P0口实践上是地址数据总线接口。P2口输出外部存储器的高8位地址，其衔接如图3-10所示。3.7.2 P1口与P3口 P1口与P3口是8位准双向输入输出接口，每一位也有本人的位地址。中央处置器可按字节进展数据传送，也可按位进展位操作。另外，P3口具有第二功能。 MCS-51单片机内部设置有4个并行I/O接口，其中P0口为双向三态输入输出接口，P1、P2、P3口为8位准双向输入输出接口。. MCS-51单片机的任务方式有 复位方式 单步执行方式 程序执行方式 低功耗方式 以及EPROM编程、校验与加

30、密方式等。3.8 MCS-51单片机的任务方式.复位是指单片机的初始化操作 3.8.1 复位方式1复位信号(RSTVPD) RST引脚是复位信号的输入端，复位信号为高电平有效。当高电平继续24个振荡脉冲周期两个机器周期以上时，单片机完成复位。 2复位 单片机复位后，要留意程序计数器PC和特殊功能存放器的形状。 复位后，PC初始化为0000H，使单片机从0000H开场执行程序。复位后不影响片内RAM。3. 复位方式 复位分为上电自动复位和按键手动复位。.复位后各SFR的初始形状重要存放器内容存放器内容PC0000HTMOD00HACC00HTCON00HB00HTL000HPSW00HTH000HSP07HTL100HDPTR0000HTH100HP0P3FFHSCON00HIPXX000000BSBUF不定IE0X000000BPCON0XXX0000B. 单步执行就是经过外来脉冲控制程序的执行，使之到达