单片机的基本结构与工作原理

第二章

单片机的基本结构与工作原理学时：4要点：单片机的基本组成、引脚功能、结构及特点、存储器结构、工作方式。重点：MCS-51单片机的结构及特点、存储器结构。1内容学时：22.1单片机的基本组成2.280C51单片机的引脚功能和结构框图2.380C51CPU结构和特点学时：22.4存储器结构和地址空间2.5布尔（位）处理器2.680C51单片机的工作方式仿真软件介绍

22.1单片机的基本组成特征：将组成计算机的基本部件集成在一块芯片上。中央处理器、并行可编程I/O、可编程串行口、定时器/计数器、定时电路及元件等。32.280C51单片机的引脚功能和结构框图图2-280C51/80C52的封装及逻辑图42.2.1引脚功能管脚图P16,图2-2P15，对照书看管脚介绍。注意：T2为80C52的定时器/计数器2的计数输入端，T2EX为80C52的定时器/计数器2的定时输入端。52.2.2内部结构框图和组成

图2-380C51的内部结构框图ALUACC（A）ROMRAM指令寄存器IR地址寄存器PCDPTRT/CI/OPSW定时控制逻辑62.380C51CPU的结构和特点72.3.1中央控制器组成：程序计数器PC、程序地址寄存器、指令寄存器IR、指令译码器、条件转移逻辑电路及定时控制逻辑电路。功能：控制指令的读出、译码和执行，对指令的执行过程进行定时控制，并根据执行结果决定是否分支转移。与运算器一起构成中央处理器。81.PC和DPTR（1）PC由PC（PCH、PCL）、指令寄存器IR、指令译码器ID等组成。寻址范围64K，16根地址线。工作方式：PC+1、条件或无条件转移、调用或中断，3种。0000HFFFFHPC+10000HFFFFH转移0000HFFFFH中断0000HFFFFH调用CALLSPPC工作方式9图2-4程序计数器PC的输出与P0、P2口之间的关系10PC←A+DPTR（2）数据指针DPTR16位（DPL、DPH）访问片外数据存储器：MOVXA，@DPTR读MOVX@DPTR，A写访问程序存储器：MOVCA，@A+DPTR变址基址JMP@A+DPTR变址基址图2-5DPTR的输出与P0、P2口之间的关系11DPTR可作为寄存器使用作为16位寄存器使用：MOVDPTR，#16位地址INCDPTR作为8位寄存器使用：CJNEA，DPL，$CJNEA，DPH，$指令寄存器IR、指令译码器ID及控制逻辑参照P21，简单介绍。122.3.2运算器组成：算术和逻辑运算单元ALU、累加器ACC、暂存器TMP1和TMP2、寄存器B以及程序状态字PSW等。ACC（8位）地位特殊，很多运算都要通过其完成。以后在学习指令时，常用A来表示累加器。但有一些地方例外，比如在PUSH指令中，就必须用ACC表示。图2-7算术逻辑运算单元ALUALU功能：加减乘除；AND、OR、XOR；位操作；左、右移；半字节交换；BCD运算13ACC（最频繁使用的寄存器）（1）是ALU的输入，又是ALU运算结果的存放单元。（2）中转站。（3）有一部分传送指令不经过ACC，减少堵塞现象，如MOVDPTR，#16位地址。B寄存器一般情况下，可以做为通用的寄存器来用，但是，在执行乘法和除法运算结时。B就参与其中，存放运算的一个操作数和运算后的一个结果。14程序状态字PSW仿真程序证明可用15MULA，B时，若积>255，则OV=1，说明B中有高8位积。DIVA，B时，若除数为0，则OV=1。（3）寄存器区选择控制位RS1，RS0，在下节讲解。（4）F0，用户可使用的通用标志位。可实现分支转移。16172.3.3时钟电路及CPU的工作时序时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，而时序所研究的是指令执行中各信号之间的相互关系。1.时钟电路（1）时钟电路见图2-8，说明三个输出的作用。（2）振荡器电路：C1=C2=10~30pF，CYS=1.2~12MHz图2-880C51单片机的时钟电路182.时序定时单位（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。193.指令时序

后面演示图2-1080C51的取指/执行时序共有111条指令，按其长度可分为单字节指令、双字节指令和三字节指令。执行这些指令所需要的机器周期数目是不同的：单字节单机器周期指令、单字节双机器周期指令、双字节单机器周期指令和双字节双机器周期指令，三字节指令都是双机器周期的，而单字节乘除指令则均为四机器周期的。20演示“单片机课件”之第二章4.2谢谢各位同学212.4存储器结构和地址空间由于单片机“面向控制”的实际应用特点，一般需要较大的程序存储器，因此普遍采用哈佛结构。22图2-1180C51存储器映象图①在物理上设有4个存储器空间③在访问这3个不同的逻辑空间时，应选用不同形式的指令：MOVC、MOV、MOVX②在逻辑上设有3个存储器地址空间从片外开始执行0000H从片内开始执行52系列单片机80H~FFH是数据存储器和特殊功能寄存器地址重叠空间232.4.1程序存储器80C31无片内ROM，80C51有4K一次性的淹膜ROM，87C51有4KEPROM，89C51有4KE2PROM。以后有可能做的64KB。P2924几种ROM的区别ROM：只读存储器。一次性的。EPROM：可擦除可编程只读存储器，断电后仍能保留数据。一旦编程完成后，能用强紫外线照射来擦除。EEPROM(E2PROM)：电可擦除可编程只读存储器。25程序存储器的某些单元被保留用于特定的程序入口地址（P30，非常重要）程序存储器的某些单元被保留用于特定的程序入口地址。系统复位后的PC地址为0000H。0003H~002BH为中断服务程序入口地址，禁止主程序使用。262.4.2数据存储器RAM：随机存取记忆体。RAM和ROM相比，两者的最大区别是RAM在断电以后保存在上面的数据会自动消失，而ROM就不会。271片内数据存储器1234P3228（1）片内数据RAM区。根据寻址方式不同可分为以下4个区域。（一）工作寄存器（00H~1FH）特点：执行速度最快。其用法见下述程序：CLRPSW.3CLRPSW.4MOVR0，#01H ；（00H）=01HSETBPSW.3MOVR0，#01H ；（08H）=01HCLRPSW.3SETBPSW.4MOVR0，#01H ；（10H）=01HSETBPSW.3MOVR0，#01H ；（18H）=01H29（二）位寻址区20H~2FH共16个字节分别对应00H~7FH共128位。见P33表2-2。

SP=07H30特点：既可字节寻址，也可位寻址。与SFR构成布尔（位）处理器。例：下面程序执行结果是一样的。CPL0CH ；将（21H）中的第5位取反MOVA，21H ANLA，#00010000BJZLB1ANL21H，#11101111BSJMPLB2LB1：ORL21H，#00010000BLB2：SJMP$31（三）字节寻址区（30H~7FH）注意：对于MCS-52系列单片机，80H~FFHRAM区只能采用间接寻址方式访问。讲完SFR后举例。（四）堆栈区特点：先进后出，进栈时SP加1，出栈时SP减1。功能：调用子程序和中断时保护现场。系统复位时，SP=07H。使用时要特别小心。32（2）特殊功能寄存器SFR

高128字节中，51系列占用了21个，52系列占用了26个，其余访问无效，见P34表2-3。SFR中低位地址为0H和8H的特殊功能寄存器，除了有字节寻址能力外，还有12个有位寻址能力见P34表2-3。SFR的空间分布见P35表2-4及右图。3352系列高128字节的寻址方式寄存器间接寻址。128-26=102B。MOVR0，#8FHMOV@R0，#01H ；对51系列是无效的MOVA，@R0 ；对51系列是无效的MOVR0，#80HMOV@R0，A ；对P0口操作，而非52系列高的128字节342片外数据存储器64K字节。采用MOVX指令和DPTR、R0或R1寄存器以间接寻址方式访问。MOVDPTR，#1000HMOVX@DPTR，AMOVDPTR，#0029HMOVXA，@DPTRMOVR0，#30HMOVX@R0，A ；该指令不能超过256B352.5布尔(位)处理器布尔处理功能是MCS-51系列单片机的一个重要特征。布尔变量也即开关变量，它是以位（bit）为单位进行操作的。它以进位标志C做为累加位，以内部RAM可寻址的128个为存储位。布尔操作指令集：位传送指令（2条）位置位复位指令（4条）位运算指令（6条）位控制转移指令（5）362.680C51单片机的工作方式四种：复位、程序执行、低功耗以及编程和校验。2.6.1复位功能：PC=0000H，跳出死机。复位的影响：（1）SFR的状态见P37表2-6；（2）复位期间，ALE=1，PSEN=1。37特殊寄存器的复位状态（见P37表2-6）38复位电路（P38图2-14）

要求：高电平持续时间>2个机器周期。fosc=12MHz时>2us，fosc=6MHz时>4us。392.6.2程序执行方式 ORG0000H0000HAJMPMAIN ORG000BH0003HAJMPINT0 ORG0030H0030HMAIN：MOVR3，#00H......ORG0100H0100HINT0:CLRC......

402.6.3低功耗工作方式介绍P39。对于MCS－51系列机型来说，它们有待机方式和掉电保护方式两种低功耗方式。通过设置电源控制寄存器PCON的相关位可以确定当前的低功耗方式。PCON寄存器格式如下：41PCONSMOD：波特率倍增位。当SMOD=1时，串行口方式1、2、3的波特率提高一倍。GF0，GF1：通用标志位。供用户使用。PD：掉电方式位，PD＝1为掉电方式IDL：待机方式位，IDL＝1为待机方式SMOD———GF1GF0PDIDL42（1）待机方式使IDL=1，则CPU进入待机方式。

由图2-15中可看出这时振荡器仍然运行，并向中断逻辑、串行口和定时器/计数器电路提供时钟，中断功能继续存在

。

向CPU提供时钟的电路被阻断，因此CPU不能工作，与CPU有关的如SP、PC、PSW、ACC以及全部通用寄存器都被冻结在原状态。图2-15手机：锁定方式计算机：待机、休眠方式43待机方式的退出可采用中断方式或硬件复位来退出式。在待机方式下，若产生一个外部中断请求信号，在单片微机响应中断的同时，PCON.0位（IDL位）被硬件自动清‘0’，单片微机就退出待机方式而进入正常工作方式。在中断服务程序中安排一条RETI指令，就可以使单片微机恢复正常工作，从设置待机方式指令的下一条指令开始继续执行程序。44（2）掉电保护方式⑴PD=1，单片机进入掉电保护方式。当80C51检测到电源故障时，除进行信息保护外，还应把PCON.1位置‘1’，使之进入掉电保护方式。此时单片微机一切工作都