第二章-微型计算机结构.ppt

1、第2章 89C51单片机硬件结构和原理,2-1 单片机概述 2-2 89C51单片机内部结构及特点 2-3 89C51单片机引脚及其功能 2-4 89C51单片机存储器配置 2-5 时钟电路与复位电路 2-6 89C51的低功耗工作方式 2-7 输入/输出接口（I/O接口）,何谓微型计算机系统和微型计算机？,2-1 单片机概述,微型计算机以微处理器为核心的计算机，简称微机。其组成可写成：,输入/输出接口（I/O接口）：外部设备与CPU的连接必须要使用I/O接口。 CPU总线：所谓总线是一组连接多个部件的共用线。总线分：数据总线（DB线）、地址总线（AB线）、控制总线（CB线）。CPU总线将微机

2、内各部件连在一起，实现了微机内各部件间的信息交换。,微处理器（ CPUCentral Processing Unit ）：CPU内集运算器、控制器及其他功能于一体。能进行算术、逻辑及控制操作。 存贮器（ MEM Memory ）：MEM是用来存放数据和程序的部件（多为半导体存储器）。,何谓单片微型计算机？,单片微型计算机是将微型计算机的各部件CPU、MEM、I/O接口集成在一块硅片上的微型机。简称单片机。,单片机,单片机有哪些应用？,单片机最初是为工业测控而开发设计的，又称微控制器。其优势是：集成度高、可靠性高、性价比高。,由于单片机具有体积小、重量轻、价格便宜、功耗低、控制功能强及运算速度快

3、等特点，因而得到了广泛的应用。,测控系统 智能仪表 机电一体化产品 智能接口 智能民用产品 功能集散系统 并行多控制系统 局部网络系统,单片机的发展过程,单片机的产生与发展和微处理器大体同步, 自1971年美国Intel公司首先推出4位微处理器以来，迄今为止，单片机经历了4位机8位机 16位机的发展过程，大致可分5个阶段:,第1阶段（19711976）: 单片机发展的初级阶段。1971年11月Intel公司首先设计出集成度为2000只晶体管/片的4位微处理器Intel4004, 并配有RAM、ROM和移位寄存器, 构成了第一台MCS4微处理器, 而后又推出了8位微处理器Intel 8008,

4、以及其它各公司相继推出的8位微处理器。,第2阶段（19761980）: 低性能单片机阶段。 以1976年Intel公司推出的MCS48系列为代表, 采用将8位CPU、8位并行I/O接口、 8位定时/计数器、 RAM和ROM等集成于一块半导体芯片上的单片结构。,第3阶段（19801983）: 高性能单片机阶段。这一阶段推出的高性能8位单片机普遍带有串行口, 有多级中断处理系统, 多个16位定时器/计数器。 片内RAM、 ROM的容量加大,且寻址范围可达64 KB, 个别片内还带有A/D转换接口。,第4阶段（198380年代末）: 16位单片机阶段。 1983年Intel公司又推出了高性能的16位

5、单片机MCS96系列, 由于其采用了最新的制造工艺, 使芯片集成度高达12万只晶体管/片。,第5阶段（90年代）: 单片机在集成度、功能、速度、可靠性、 应用领域等全方位向更高水平发展。,值得一提的是：目前世界上单片机生产厂商很多，如: Intel、 Motorola、 Philips、 Siemens、 NEC、 ADM、Zilog等公司，其主流产品有几十个系列，几百个品种。,MCS-51单片机系列,尽管各类单片机很多，但无论是从世界范围或是从全国范围来看，使用最为广泛的应属Intel 公司的MCS-51单片机。,MCS-51系列共有十几种芯片。 注意：不同型号MCS-51单片机CPU处理能

6、力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。,MCS-51系列又分51和52两子系列，并以芯片型号的最末位数字为标志。其中，51子系列是基本型，而52子系列则属增强型。,51子系列其下芯片型号有： 8031、8051、8751、AT89C51、AT89S51等，可用8XX51表示。,本书主要介绍AT89C51芯片。,2-2 89C51单片机内部结构及特点,一个8位80C51中央处理机CPU。 一个时钟电路，外接晶振（24MHz）和电容， 4KB 程序存储器 Flash ROM 256B 数据存储器RAM/SFR,一、89C51基本组成,4个8位并行I/O接口: P0口、P1口、

7、P2口、P3口（共32线）, 用于并行输入/输出数据 2个16位定时器/计数器，用于对外部事件的计数或定时。 1个全双工串行I/O口，实现单片机之间或单片机与PC机之间的串行通信。 5个中断源，2个优先级的中断系统。,具有节电工作方式（空闲方式和掉电方式）。 空闲方式：CPU停工，而RAM、定时器/计数器、串行口和中断系统继续工作。此时电流可降至约正常工作的15%。 掉电方式：振荡器停工，只保存RAM内容。此时电流可降至15A以下。,另外89C51有一种低电压的89LV51型号。89LV51仅工作电压低，其余特性与89C51完全一致。,二、 89C51 CPU（ 8位）,CPU 是微机的核心部

8、件（具有大脑的功能） ，由运算器、控制器等部件组成。,控制器处理程序指令，并协调各逻辑部件按一定时序工作，控制器有两大关键部件：,运算器执行算术与逻辑运算、移位、比较等各种数据处理的操作。,指令部件读取程序指令、指令译码、修改程序指针，内设如下几个寄存器： 程序计数器PC：存放当前指令地址。 指令寄存器IR ：暂存当前指令，指令操作码送指令译码器。 指令译码器ID ：将每条指令译码变成控制电平。,时序部件时钟和内部分频电路。时钟信号经过分频，与指令译码信号组合，形成一定节拍的时序信号，控制各逻辑部件协调工作。,1)PC给出当前指令的存储地址。,PC=,PC=,PC=,2)CPU到存储器取指令，

9、PC自动加1,3)指令译码器对指令译码，CPU执行指令。,4)CPU到存储器取指令，PC=PC+1。,5)CPU执行下一条指令，,指令代码 i,指令代码 i,指令寄存器,CPU执行程序的简要过程：,注意：PC是一个16位的寄存器，可以对64KB的程序存储器直接寻址（216=64KB）。,2-3 89C51单片机引脚及其功能,电源脚 VCC：接+5V；VSS：接地。,外接晶振脚XTAL1和XTAL2,控制线 RST：复位信号输入端，高电平有效。 ALE/PROG：地址锁存允许信号/编程写入脉冲输入端。 /PSEN：外部程序存储器读选通信号端。 /EA/VPP：程序存储器选择信号端/编程电源输入端

10、。,I/O口线 4个8位并行 I/O 接口引脚 P0.0P0.7 、P1.0P1.7 、P2.0P2.7和 P3.0P3.7,P3口的第二功能：,除P1口外，P0口、P2口和P3口为多功能引脚，可自动切换用作数据总线、地址总线、控制总线或I/O 接口外部引脚。,P0口：外扩存储器时，作8位数据线/低8位地址线的复用总线。 P2口：外扩存储器时，作高8位地址总线。,一、存储器的基本概念,位 b (bit)：一个二进制位，信息最小单位。 字节 B (Byte)：8位为一个字节。 字 W (Word )：一个字为2个字节。,存储器结构,存储器功能：存放程序和数据等信息。 存储内容：程序或数据的二进制

11、代码。 存储地址：存储器每个单元的位置编号 存储器容量：指存储单元的多少。 如存储器容量为1KB = 10248位。,2-4 89C51单片机存储器配置,存储器基本信息单位,存储器读： CPU从存储器中取出信息。 存储器写： CPU将信息存入存储器。,存储器的读写操作：,CPU先送出一个确定的单元地址给存储器 发出读写控制时序信号，对选定单元进行读或写。,存储器读写操作,RAM（随机读写存储器）：能方便读出和改写信息，但失电后信息将不复存在。RAM常用作数据存储器，暂存各种现场数据、运算结果和正在调试的程序。,ROM（只读存储器）：工作时从ROM中读出信息，不能随意改写。断电后信息不会丢失。R

12、OM常用作程序存储器，存放已调试好的固定程序和常数。,半导体存储器,程序存储器存放程序指令代码。每个指令周期CPU自动对程序存储器读操作。,数据存储器存放待处理数据。数据存储器读写操作发生在CPU执行程序的过程中。,普林斯顿结构：ROM和RAM共用一个存储器逻辑空间，统一编址。 哈佛结构：ROM和RAM分为两个独立存储器逻辑空间，独立编址。,存储器两种编址方法,采用哈佛结构编址 物理上有4个存储器地址空间： 片内程序存储器空间 片外程序存储器空间 片内数据存储器空间 片外数据存储器空间 逻辑上有3个存储器地址空间： 64KB 程序存储器 64KB 片外数据存储器 256B 片内数据存储器,二、

13、89C51存储器配置,程序存储器ROM,分两块，内部ROM和外部ROM，最大配置64KB，地址范围：0000HFFFFH。 /EA=1时：先用内部4KB后用外部60KB，PC由内部 0FFFH执行到外部 1000H 时, 会自动跳转。 /EA=0时：全部用外部64KB,ROM中设特殊存储单元： 复位入口：0000H 中断入口：0003H0023H,注意：8031内部无ROM, 必须外接ROM。 ,外扩ROM的连接,P0.0P0.7：8位数据线/低8位地址线复用总线 P2.0P2.7：高8位地址 ALE：地址锁存允许控制信号 /PSEN：片外ROM读控制信号 /EA：片内、外ROM选择,外部数据

14、存储器RAM,最大配置64KB，地址范围：0000HFFFFH 64KB片外RAM空间与扩展I/O接口共用,P0.0P0.7：8位数据线/低8位地址线复用总线 P2.0P2.7：高8位地址 ALE：地址锁存允许控制信号 /RD： 片外RAM读控制信号 /WR：片外RAM写控制信号,外扩RAM的连接,内部数据存储器RAM,分为两部分： 低128字节为真正RAM区，地址范围00H7FH。 高128字节为特殊功能寄存器（SFR）区，地址范围80HFFH。,低128字节RAM的使用分配：,工作寄存器区：地址00H1FH,工作寄存器分4组，每组都有8个寄存器，用R0R7来表示。程序中每次只能用1组。用哪

15、一组由PSW中的PSW.3（RS0）和 PSW.4（RS1）两位来选择，通过软件设置RS0和RS1两位的状态，就可任意选一组工作。,位寻址区： 字节地址：20H2FH 位地址为：00H7FH,20H2FH单元是位寻址区。这16个单元（共计168=128位）的每一位都赋予了一个位地址，位地址范围为00H7FH。位寻址区的每一位都可当作软件触发器，由程序直接进行位处理。通常可以把各种程序状态标志、位控制变量存于位寻址区内。,数据缓冲区： 字节地址：30H7FH,30H7FH是数据缓冲区，也即用户RAM区，共80个单元。 由于工作寄存器区、位寻址区、数据缓冲区统一编址，使用同样的指令访问，这三个区的

16、单元既有自己独特的功能，又可统一调度使用。因此，前两个区未使用的单元也可作为用户RAM单元使用，使容量较小的片内RAM得以充分利用。,内部单元地址为80HFFH分布了21个寄存器。 因这些寄存器的功能已作专门规定，故称之为特殊功能寄存器（Special Function Register），各寄存器的字节地址及位地址列表如下：,高128字节RAM的使用分配：,#4,89C51共有21个SFR，现把其中部分寄存器介绍如下：,累加器（ACCAccumulator）。 ACC是8位寄存器，功能较多，地位重要，最常用 。它既可用于存放操作数，也可用来存放运算的中间结果。89C51单片机中大部分单操作数

17、指令的操作数就取自累加器。,程序计数器PC（Program Counter） PC是16位的计数器，作用是控制程序的执行顺序。其内容为将要执行指令的地址，寻址范围达64 KB。PC有自动加1功能，从而实现程序的顺序执行。PC没有地址，是不可寻址的，因此用户无法对它进行读写，但可以通过转移、调用、返回等指令改变其内容，以实现程序的转移。 注意：PC因没有地址，没列在SFR之内。 复位时，PC=0000H,寄存器B B是8位寄存器，主要用于乘除运算。此外，B也可作为一般数据寄存器使用。,数据指针DPTR DPTR为16位寄存器，存放片外RAM地址，作为片外RAM的指针。 DPTR亦可分成两个8位寄

18、存器DPH、DPL使用。,堆栈指针SP（Stack Pointer） 堆栈是一个特殊的存储区，用来暂存数据和地址，它是按“先进后出”的原则存取数据的。 堆栈共有两种操作：进栈和出栈。堆栈设在片内RAM区。数据入栈/出栈时，SP自动加1/减 1，其内容始终为栈顶地址。 复位时 SP=07H,程序状态字PSW（Program Status Word） PSW是8位寄存器，用于存放程序运行中的各种状态信息。其中有些位的状态是根据程序执行结果，由硬件自动设置，而有些位的状态则用软件方法设定。PSW各位定义如下：,标志位(自动设置状态) Cy: 进位标志位，保存运算后最高位的进位/借位状态，当有进位/借

19、位，Cy=1，否则Cy=0。 AC: 辅助进位标志位，保存低半字节的进位/借位状态，当D3产生进位/借位，AC=1，否则AC=0。用于十进制调整。 OV: 溢出标志位，OV=C7C6，补码运算产生溢出OV=1，否则OV=0。 P： 奇偶标志位，反映累加器A中数据的奇偶性。当1的个数为奇数，P=1，否则P=0。,用户选择位（编程设置状态） F0：用户自定义标志位。 RS1、RS0：工作寄存器区选择位。 复位时，PSW=00H,提示：其余的SFR将在以后章节中陆续介绍。,21个寄存器不连续地分散在内部80HFFH单元之中，尽管还有许多空闲地址，但用户并不能使用。 对SFR只能使用直接寻址方式，书写

20、时既可使用寄存器符号，也可使用寄存器地址。,SFR的字节寻址问题说明,一、时钟电路,2-5 时钟电路与复位电路,内部时钟方式：内部一个高增益反相放大器与片外石英晶体或陶瓷谐振器构成了一个自激振荡器。,一般地，电容C1和C2取30 pF左右，晶振通常用6MHz、12MHz或24 MHz 。晶振频率高，则系统的时钟频率也高，单片机运行速度也就快。,外部时钟方式：外部振荡器输入时钟信号。通常很少使用。,时序是用定时单位来说明的。时序定时单位共有4个，从小到大依次是：振荡周期、状态周期、机器周期和指令周期。,二、时序单位,振荡周期：晶振的振荡周期，或叫时钟周期。 状态周期：一个状态就包含两个振荡周期。

21、 机器周期：完成一个基本操作所需要的时间。一个机器周期由12个时钟周期组成。 指令周期：一条指令的执行时间。以机器周期为单位：单周期、双周期和四周期指令。,指令的执行速度与指令所包含的机器周期有关，机器周期 数越少的指令执行速度越快。,思考题：设单片机的晶振频率为12MHz，问机器周期为多少？指令周期分别为多少？,三、复位电路,复位信号端RST引脚输入5ms以上高电平脉冲，单片机复位。,复位电路：上电复位 外部信号复位,单片机一旦被复位，某些寄存器则进入复位状态。,2-6 89C51的低功耗工作方式,51系列单片机采用两种半导体工艺生产： HMOS工艺，即高密度短沟道MOS工艺。特点是高速度和

22、高密度。 CHMOS工艺，即互补金属氧化物的MOS工艺，是CMOS和HMOS的结合。特点是高速度、高密度、低功耗。,89C51采用CHMOS工艺生产，耗电少，并且提供两钟节电方式：空闲方式和掉电方式，目的是进一步降低功耗。,空闲方式：/IDL=0，因“与”门被封，CPU得不到时钟信号，CPU停工。 掉电方式：/PD=0，振荡器冻结。,方式设定,IDL=1，启动空闲方式。 PD=1，启动掉电方式。 SMOD：波特率倍频位。 GF1、GF2：通用标志位。 其余位保留用。,空闲方式和掉电方式的运行，可以通过对PCON寄存器中的两位设定完成。,注意：当IDL和PD两位均设定为1时，PD优先。 复位时，

23、PCON=0 0000B。,空闲（等待、待机）工作方式,进入空闲工作方式后的状态 CPU得不到时钟信号，处于停工状态。 内部RAM、定时器/计数器、串行口和中断系统继续工作。 CPU内部寄存器状态维持。 ALE和/PSEN引脚保持高电平。,退出空闲工作方式的两种方法 任何中断响应，硬件会自动将ILD清0终止空闲工作方式。 硬件复位，即通过RST将ILD清0终止空闲工作方式。,掉电（停机）工作方式,进入掉电工作方式后的状态 由于振荡器停止工作，因没有时钟，所有功能部件都停工。 内部RAM和SFR的内容都保存。 ALE和/PSEN引脚保持低电平。 进入掉电工作方式后，VCC可降至2V，但退出前必须

24、恢复正常工作电压。,退出掉电工作方式的唯一方法 硬件复位，此时SFR内容被初始化，内部RAM内容不变。,2-7 输入/输出接口（I/O接口）,输入/输出设备是计算机系统的重要组成部分。,常用输入装置有： 键盘、扫描仪等 常用输出装置有： 显示器、打印机等,微机有多种功能I/O接口： PIO：并行 I/O接口 SIO：串行 I/O接口 CTC：定时器/计数器 ADC、DAC：A/D、D/A转换器 INT：中断输入口,一、 I/O接口概述,二、P0P3端口的功能和内部结构,89C51共有4个8位的并行I/O口，分别记作P0、P1、P2、P3。实际上它们已被归入SFR之列，并且具有字节寻址和位寻址功

25、能。 其中P0、P2、P3口为多功能I/O接口，CPU按当前操作自动进行功能切换。 4个I/O口都是8位双向口，这些口在结构和特性上是基本相同的，但又各具特点。,1、P0口,电路中包含有一个数据输出锁存器、两个三态数据输入缓冲器、一个数据输出的驱动电路和一个输出控制电路。,P0口内部结构,输出操作：输出数据经内部总线到输出锁存器中，经过输出驱动器送到I/O引脚上。输出锁存器的内容可经过缓冲器1读入修改。,输入操作：I/O引脚输入数据经过缓冲器2送到内部总线上。,因P0口既可作I/O口用，也可作系统的地址/数据线用，据此在电路中有一个多路转接电路MUX。在控制信号作用下， MUX可分别接通锁存器

26、输出或地址/数据线。当作为I/O口使用时，内部的控制信号为低电平，封锁与门，使输出驱动电路的上拉场效应管（V1）截止，同时使MUX接通锁存器/Q端 的输出通路。,输入操作：从I/O引脚上输入信号，读信号打开，引脚信号通过三态门2进入内部总线。为保证可靠输入，必须先向输出锁存器写入“1” ，使V2截止。 MOVP1，#0FFH；使输出驱动器V2截止 MOVA，P1；读引脚 注意：输入要点，先向输出锁存器写入“1” 。,P0口I/O操作分析,注意：当P0口进行I/O输出时，由于输出电路是漏极开路电路（V1截止），因此必须外接上拉电阻才能有正常电平输出。,输出操作：输出数据写入输出锁存器。 输出指令：MOV P1，A ；字节输出操作 MOV P1