单片微型计算机的组成原理

第四章单片微型计算机的组成原理

微处理器、微型计算机和单片机的概念；单片机的结构，指令的执行过程；

MCS-51单片机的组成原理。本节重点：MCS-51单片机的组成原理。本节难点：MCS-51单片机的组成原理。

本节内容：RAM00H01H02HFEHFFHD0HE0H001H000H002HFFFHROMPSWA………………………………7FH10110000100010111100001110001011ABAddressBusDBDataBusCBControlBus补充内容第一节微型计算机的结构及指令执行过程一、微型计算机结构五大部分：运算器，控制器，存储器，输入输出装置。

微处理器：由运算器和控制器组成，是计算机的核心，也称中央处理单元（CPU）。常用的有Intel公司的8086系列，Zilog公司的Z80、Z8000，Motorola公司的6800等。总线：

所谓总线(Bus)，一般指通过时分复用的方式，将信息以一个或多个源部件传送到一个或多个目的部件的一组传输线。ABC总线ABC总线t1~t2t2~t3优点：(1)减少部件之间信息传送线数，提高整机可靠性；(2)使得计算机扩充能力增强。单板机：微型计算机采用大规模集成电路组成，各组成部件可以方便地装配在一块印刷电路板上，构成单板机。由于单板机结构简单、体积小、携带方便、抗干扰能力强、工作可靠、价格低廉、易于扩充使用，因此在国防、科研、工业、医疗卫生等许多方面得到了广泛应用。

二、单片微型计算机结构4KBROM128BRAM8位CPU2X16位定时计数器可编程I/O接口时钟单片微型机组成原理框图

单片机的性能特点：（1）集成度高；（2）结构紧凑，可靠性好；（3）数据处理能力强、速度快；（4）功耗小、成本低。由于具有以上优点，若配以适当的外围设备，构成单片单板机，则功能更强，应用更广。目前单片机发展很快，大有取代当年单板机之势，成为计算机发展的一个重要方面。

三、指令执行过程程序计数器地址寄存器累加器运算器寄存器区指令寄存译码数据缓冲器存储器7409400000000001000200030004外部地址总线外部数据总线外部控制总线内部控制信号内部数据总线XXPCARDR时钟及清零（1）程序计数器PC（16位）（2）地址寄存器AR（16位）（3）数据缓冲器DR（8位）（4）指令寄存译码器（5）寄存器区执行指令过程：取指阶段；执行阶段。第二节MCS-51单片计算机组成原理4KB程序存储器128B数据存储器2*16位定时/记数器64KB扩展控制器可编程I/O可编程串行口8051CPU振荡器及定时器中断RAM程序存储器0000H0001H0002H0010HFFFFH00H01H02HFEHFFHD0HE0H001H000H002HFFFHROMPCPSWA………………………………8051单片机ABDB…………7FHCB…………数据存储器一般缓冲区位寻址区寄存器3区寄存器2区寄存器1区寄存器0区00R007R708R00FR710R017R718R01FR7202F307F

一、寄存器1通用寄存器共分4个区，每个区8个寄存器：R0R1R2...R7。单片机每次只能选择一个区，由程序状态字中的RS1、RS0来确定。RS1RS0寄存器区000区011区102区113区2专用寄存器（1）程序计数器PC（2）累加器A（3）B寄存器（4）程序状态字PSW7PSW6PSW5PSW4PSW3PSW2PSW1PSW0CYACF0RS1RS0OVP(I)CY(PSW7)：进位标志。

11000111＋）01101100100110011进位(II)AC(PSW6)：辅助进位标志。加法或减法运算时，低4位向高四位数进位或借位。辅助进位(III)F0(PSW5)：标志0。用户定义的一个状态标志(IV)RS0RS1：寄存器选择控制位。(V)OV(PSW2)：溢出标志。OV=1溢出溢出与进位的区别：进位表示8位二进制加法是否产生进位与借位。溢出则主要用于表示二进制加法的正确性。

0101101191＋）001110115910010110符号位正数相加

11110110+）11101000111011110符号位进位位-10-24-34负数相减第6位第0位结论：当第6位与第7位同时不向前进位或同时向前进位时，没有溢出，OV=0;当第6位与第7位只有一个发生进位，则溢出发生，OV=1乘法指令：无符号乘法MUL，当累加器A和寄存器B的乘积超过255时，OV=1，否则OV=0。除法指令：DIV，当除数为0时，OV=1，否则OV=0。（VI）P(PSW0)：奇偶标志。累加器中值为1的位数的奇偶数。若为奇数则P=1，否则P=0。（5）栈指针寄存器SP堆栈是指在CPU外部存储器中一个按先进后出原则组织的存储区域。（1）是一个存储区域；（2）按照先进后出原则组织。功用：1）子程序调用和中断服务时CPU自动将当前PC

值压栈保存，返回时自动将PC值弹栈；2）保护现场/恢复现场；3）数据传输。00H20H2FH7FH1FH30H普通RAM区位寻址区工作寄存器区SP栈顶下一个进栈的数据将存在此数据进栈已经进栈的数据存放在此初始SP复位后SP=07H，数据进栈时：首先SP+1指向08H单元，第一个放进堆栈的数据将放进08H单元，然后SP再自动增1，仍指着栈顶……堆栈区由特殊功能寄存器堆栈指针SP管理

堆栈区可以安排在RAM区任意位置，一般不安排在工作寄存器区和可按位寻址的RAM区，通常放在RAM区的靠后的位置。从堆栈取出数据时：取出的数据是最近放进去的一个数据，也就是当前栈顶的数据。然后SP再自动减1，仍指着栈顶……00H20H2FH7FH1FH30H普通RAM区位寻址区工作寄存器区SP栈顶当前要出栈的数据数据出栈SP-1指向下一个将要出栈的数据初始SP从堆栈取出数据时：取出的数据是最近放进去的一个数据，也就是当前栈顶的数据。然后SP再自动减1，仍指着栈顶……00H20H2FH7FH1FH30H普通RAM区位寻址区工作寄存器区SP-1指向新的栈顶,也就是下一个将要出栈的数据数据出栈初始SPpushapushbpushPSW……….

popapopbpopPSW这样的指令顺序对不对？

popPSWpopbpopa（6）其它专用寄存器数据指针寄存器（DPTR），端口寄存器（P0P1P2P3），串行数据缓冲器（SBUF），定时/计数器（T0T1），及IPIETMODTCONSCONPCON控制寄存器等等。

二、运算器包括：ALUA暂存寄存器、PSW。用来实现对操作数的算术/逻辑运算和位操作。带进位和不带进位的加法、减法运算；加1、减1和位操作；左移位、右移位和半字节移位；BCD码调整等。

三、控制器控制器包括定时器控制逻辑电路、指令寄存器IR、指令译码器ID等，是微处理器的大脑中枢。需要掌握的问题：1单片微型计算机组成原理框图？(Page.72Page.75)2指令的执行过程？(Page.73~75)3

MCS-51通用寄存器、专用寄存器作用？(Page.76~79)思考题：（不交作业）习题1习题4第三节MCS-51存储器配置微处理器存储器结构：ALU控制部件输入/输出部件存储器ALU控制部件输入/输出部件程序存储器数据存储器CPU（a）（b）普林斯顿结构哈佛结构MCS-51单片机程序与数据分别在2个存储器。因为：单片机往往为某个特定的对象服务，程序设计好后，一般固定不变。因而程序（包括常数表）可以而且也应该一次性永久放到单片机内。这样不仅省去每次开机重新装入步骤，还可以有效地防止因掉电和其它干扰而引起的程序丢失的错误。

MCS-51 单片机存储器的配置：物理上：(1)片内程序存储器(2)片外程序存储器(3)片内数据存储器(4)片外数据存储器逻辑上：(1)片内外统一的64KB的程序数据存储器(2)256B片内数据存储器(3)64KB片外数据存储器

一、程序存储器作用：用于存放编好的程序和表格常数。牢记8051：4KB的ROM8751：4KB的EPROM8031：没有程序存储器程序存储器可以通过MOVC指令访问。使用方式：（1）片内程序存储器EA=1（2）片外程序存储器EA=0（3）内外结合的程序存储器EA=1此时片外存储器中低位地址未被使用。

二、内部数据存储器数据存储器的作用：用于存放运算的中间结果、数据暂存和缓冲以及标志位等。牢记访问内部数据存储器：MOV指令访问外部数据存储器：MOVX指令内部数据存储器内部数据存储器专用寄存器寄存器区位寻址区一般缓冲存储区1内部数据存储器（一般RAM区）一般缓冲区位寻址区寄存器3区寄存器2区寄存器1区寄存器0区00R007R708R00FR710R017R718R01FR7202F307F(1)寄存器区RS1RS0寄存器区000区011区102区113区单片机对寄存器操作最灵活，响应速度最快。内部数据寄存器4组工作寄存器根据PSW中的RS0和RS1来确定，每次只能选择其中1组；单片机对寄存器操作最灵活，响应速度最快。因此编程时应首先选用；有效地设置4个寄存器工作区，可以提高现场保护能力和CPU的实时响应速度。4组工作寄存器如何选用？（2）位寻址区（20H~2FH共16个单元）位寻址空间（位地址）00~7FHH（3）一般缓冲区（字节寻址区）内部RAM块中的30H~7FH构成一般缓冲区，可用于存放数据，也可以作为堆栈存储区域。它是按照字节寻址。2专用寄存器8051内部有19个专用寄存器，其中4个双字节寄存器，PC寄存器在物理上是独立的，其余18个寄存器都属于内部数据存储器的专用寄存器（SFR）块。特殊功能寄存器功能名称地址复位后初态B通用寄存器F0H00HA累加器E0H00HPSW程序状态寄存器D0H00HIP中断优先级控制B8H***00000BP3P3口数据B0HFFHIE中断允许A8H0**00000BP2P2口数据A0HFFH表4-3MCS-51专用寄存器特殊功能寄存器功能名称地址复位后初态SBUF串行口发送接收99H不定SCON串行口控制98H00HP1P1口数据90HFFHTH1T1计数器高8位8DH00HTH0T0计数器高8位8CH00HTL1T1计数器低8位8BH00HTL0T0计数器低8位8AH00H表4-3MCS-51专用寄存器特殊功能寄存器功能名称地址复位后初态TMOD定时器/计数器方式控制寄存器89H00HTCON定时器控制字88H00HPCON电源控制寄存器87H00HDPH地址寄存器高8位83H00HDPL地址寄存器低8位82H00HSP堆栈指针寄存器81H07HP0P0口数据80HFFH表4-3MCS-51专用寄存器在专用寄存器中有11个寄存器有专门的位地址，可以按位寻址（参考图4-9）。

三、外部数据存储器MCS51外部数据存储器寻址空间为64KB。对外部数据存储器可用R0、R1及DPTR间接寻址寄存器。R0、R1为8位寄存器，寻址范围为256B；DPTR为16位寄存器，寻址范围为64KB。第四节时钟电路及时序

一、时钟电路

图4-10MCS-51内部方式时钟电路图4-11MCS-51外部方式时钟电路外部晶振在2~12MHz，C1C2一般30或47PF1一般为频率低于12MHz的方波

二、时序振荡周期：单片机振荡电路输出的脉冲信号的周期。状态周期：内部时钟信号的周期，为振荡周期的2倍。机器周期：CPU完成一个独立操作的时间。指令周期：CPU执行一条指令的时间。一个机器周期有6个状态，一个状态有2个节拍P1P2。因此一个机器周期：S1P1、S1P2、S2P1、S2P2、...、S6P1、S6P6。图4-128051取指/执行时序ALE：MCS51扩展系统的外部存储器低8位的锁存信号，在访问程序存储器的机器周期内，ALE信号二次有效（S1P2~S2P1产生正脉冲）因此可以作为时钟信号输出。CPU程序存储器P0P1P3P2DATA地址:0~7位地址:8~15位ALE但是在执行MOVX命令时，要跳过一个ALE信号，因此ALE的频率可能是不稳定的。需要掌握的问题：1数据存储器和程序存储器作用？2MCS-51数据存储器和程序存储器如何配置（记住地址分配）？(Page.80~81)3振荡周期、状态周期、机器周期、指令周期的定义？习题（本章结束后一起交上来）习题2习题3第五节输入输出端口MCS-51单片机有4个口，共32根I/O线。所有4个口都是双向口，每口包含一个锁存器，即专用寄存器P0~P3，一个输出驱动和一个输入缓冲器。CPU存储器P0P1P3P2DATA地址:0~7位地址:8~15位ALE地址低8位地址高8位数据无MOVX指令（访问程序存储器）S1S2S3S4S5S6S1S2S3S4S5S6ALEPSENRDP2P0PCHOUTPCHOUTDPHOUT或P2OUTPCLOUTPCLOUTPCLOUTPCLOUTINSTININSTINDATAIN机器周期机器周期一P0口（1）作输出口时，接上拉电阻（2）准双向口：作输入口时，必须先向锁存器写1，关断2个输出场效应管。作I/O口时：作地址/数据总线：（1）在实际应用中，P0口常用来传送8位数据信息。（2）当P0口当地址数据总线使用时，就不能做为I/O口使用了。

P0口给出地址低8位。二P1口P1口是8位准双向口，作通用输入/输出使用；在输出部分有别于P0口，它接有上拉电阻；每一位可以独立的定义为输入或输出。CPU既可以对P1口进行字节操作，也可以位操作；当做输入方式时，该位锁存器必须写1。DQCLKQP1.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚VCCRTP1口引脚内部上拉电阻12三P2口P2口是8位准双向口，可作通用输入/输出用；在输出部分接有上拉电阻；当外接程序存储器时，P2口给出地址高8位，此时不能作I/O口；当外接数据存储器时，分为两种情况：（1）RAM<256B;（2）RAM>256B。D

QCLP2.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚VCCRTP2口引脚内部上拉电阻121地址控制四P3口P3口是8位准双向口，可作通用输入/输出用；在输出部分接有上拉电阻；可以独立地作为串行输入/输出口；作为控制信号线。DQCLKQP3.n读锁存器内部总线写锁存器读引脚VCCRTP3口引脚第二输入功能第二输出功能W&123P3口的第二功能五P0-P3口的负载能力及接口要求每位输出驱动P0可驱动8个LSTTL输入当通用口时需接上拉电阻当地址数据总线不接上拉电阻P1~P3可驱动8个LSTTL输入六I/O口的读-修改-写特性读锁存器指令是从锁存器中读出数据，进行处理，并把处理以后的数据重新写入锁存器，这类指令称为“读-修改-写”指令。如：ANL（逻辑与，例如ANLP1，A）

INC（递增，例如INCP2）

“读-修改-写”指令的理由：避免误解引脚上的电平。第六节复位电路复位即