51单片机原理与实践 C语言版 高卫东 第二章 单片机的组成及结构分析ppt课件

1、单片机与接口技术,任课教师：郑旭丹,第2章 单片机组成及结构分析,【学习目标】,1、理解单片机的内部结构、外部引脚 2、理解存储器的基本知识及80C51系列单片机的 存储器系统 3、理解并行I/O端口的工作原理 4、了解80C51的各特殊功能寄存器,【重点内容】,1、80C51系列单片机的引脚 2、80C51系列单片机的存储空间配置 3 、80C51系列单片机并行口的功能,MCS-51单片机基本结构,硬件基本配置： 1. 8位CPU 2. 片内ROM/EPROM、RAM 3. 片内16位定时器/计数器 4. 片内中断处理系统 5. 片内并行 I/O接口 6. 片内全双工串行I/O口,不同型号M

2、CS-51单片机CPU处理能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。,单片机原理与应用,一个8位的 CPU,振荡器和时钟电路,64KB 总线 扩展控制器,数据存储器 256B RAM/SFR,216位 定时器/计数器,可编程I/O,程序存储器 4KB ROM,可编程全双工 串行口,外中断2个,内中断3个,控制,并行口,串行通信,外部时钟源,外部事件计数,单片机内部结构框图,单片机的核心部件，包含了运算器、控制器、若干寄存器等,分为高128B和低128B，用于存放可读写的数据。,用于存放程序、原始数据或表格。地址范围0000H0FFFH,4个8位并行I/O口(P1、P2、P3

3、、P4)，实现数据的输入输出,实现定时和计数功能，以此对计算机进行控制,用来控制单片机扩展的外ROM、RAM的读写,实现单片机和其他设备之间的串行数据传送,为单片机产生时钟脉冲序列,MCS-51单片机内部结构,单片机原理与应用,MCS51系列单片机内部结构框图,2.1 80C51系列单片机存储器结构,存储器的基本概念,存储器由大量缓冲寄存器组成，其用途是存放程序和数据，使计算机具有记忆功能。这些程序和数据在存储器中以二进制代码表示，根据计算机的命令，按照指定地址，可以把代码取出来或存入新代码。,只读存储器（ROM） 掩膜ROM。(不能更改程序) 可编程的只读存储器(PROM)。(一次性写入)

4、可改写的只读存储器EPROM。(紫外线照射擦除) 可电改写只读存储器(EEPROM)。(电写入和清除),1存储器的类型,随机存取存储器(RAM数据存储器) 静态SRAM。(只要不断电，数据可永久保存) 动态DRAM。(只能保存若干毫秒时间),可现场改写的非易失性存储器 快擦写存储器(FLASH)。(断电后信息不丢失) 铁电存储器FRAM。(集成度高、读写快等),一、存储器空间分类,根据作用分类：,单片机原理与应用,2.1 单片机存储器分配,（1）程序存储器（ROM）,（2）数据存储器（RAM）,地址从0000H开始。 用于存放程序和表格常数。,地址为00H7FH。 用于存放运算的中间结果、数据

5、暂存以及数据缓冲等。,一、存储器空间分类,根据作用分类： 程序存储器ROM 数据存储器RAM 根据位置分类： 片内存储器 片外存储器,构成了4个结构独立的存储器空间,单片机原理与应用,2.1 单片机存储器分配,1、片内程序存储器（片内ROM） 2、片内数据存储器（片内RAM） 3、片外ROM扩展 4、片外RAM扩展,8051、8751有4KB的片内ROM（0000H0FFFH）,共有256B 007FH：128B片内RAM 80HFFH：18个特殊功能寄存器（占21B）,最多64K片外ROM，地址为0000HFFFFH或者1000HFFFFH,地址：0000HFFFFH,注：8051、8751

6、芯片根据EA状态,单片机原理与应用,2.1 单片机存储器分配,2.1 存储器结构,MCS-51（8051）存储结构如图所示,单片机原理与应用,2.1 单片机存储器分配,片内外统一编址的64KB的程序存储器地址空间 片内片外的程序存贮器在同一逻辑空间中，地址从0000HFFFFH，共有64K字节范围 片内256B数据存储地址空间 片内数据存贮器为00HFFH 片外64KB的数据存储器地址空间 片外为0000HFFFFH,从用户使用的角度，即从逻辑上划分3个存储器地址空间：,单片机原理与应用,2.1 单片机存储器分配,二、区分四个独立空间的方法,EA引脚接地，程序从片外ROM开始 0000H0FF

7、FH位于片外ROM EA引脚接高电平，程序从片内ROM开始 0000H0FFFH位于片内ROM,硬件连接决定空间:,单片机原理与应用,2.1.2 80C51的程序存储器（ROM）,地址范围： 0000HFFFFH，共64KB。 低段4KB：0000H0FFFH 80C51和87C51在片内，80C31内部无，在片外。 高段60KB： 1000HFFFFH。在片外。 读写ROM用MOVC指令， 控制信号是PSEN和EA。,保留的存储单元,编程时在入口0000H处放一条转移指令，使程序转移到相应的地方运行,5个中断服务程序地址区通常难以放下中断服务程序，编程时在这些入口单元，放一条转移指令，使程序

8、转移到相应的中断服务程序的地方运行,2.1.3 80C51的数据存储器（RAM）,数据存储器分为外RAM和内RAM。 外RAM地址范围：0000HFFFFH 共64KB。 内RAM地址范围：00HFFH共256B。 分为两个部分： 地址为00H7FH（低128B）的内部数据存储空间 地址为80HFFH（高128B）的特殊功能寄存器区。,访问片外RAM用“MOVX”指令 访问片内RAM用“MOV”指令。,（一）片内RAM地址空间,寻址：用指令MOV最大可寻址256个单元。,低128B（00H-7FH）： 真正RAM区,高128B（80H-FFH）： 特殊功能寄存器（SFR）区,地址：00H-FF

9、H,MCS-51（8051）存储结构如图所示,单片机原理与应用,2.1 单片机存储器分配,（二）低128字节RAM（00H7FH）,1、工作寄存器区（00H1FH） 2、位寻址区（20H2FH） 3、用户RAM区（30H7FH）,1、工作区寄存器,共32字节，地址00H-1FH 分成4组寄存器区； 每组寄存器区8个字节，R0-R7； 当前使用的工作寄存器组由RS1、RS0选择；,在任何时刻CPU 只能使用其中一个区 （当前寄存器组）,每个区有8个单元，都用R0R7编号。 在任何时刻CPU只能使用其中一个区（当前寄存器组），即将这个区的8个单元作为工作寄存器，其他区仍是一般的RAM。具体使用哪个

10、区，由程序状态寄存器PSW中的RS1、RS0两位的状态来决定。,单片机原理与应用,2、位寻址区,共16字节，地址20H-2FH； 可位寻址，即每一位进行单独读写； 共128位,位地址00H-7FH； 这些可寻址位，通过执行指令可直接对某一位操作，如置1、清0、判断转移等。 位寻址是80C51的一个重要特点。,表2 RAM位寻址区位地址表,3、通用数据存储区,共80字节，地址30H-7FH，用户RAM区，用于存放运算数据和结果； 只能进行字节读写； 一般将堆栈也设在该区域。例：MOV SP，#5FH 则从607FH单元为堆栈区,堆栈,堆栈是在片内RAM中临时开辟的暂存区； 作用：保护现场、保护断

11、点 针对：子程序调用、中断操作 特点：先进后出，后进先出 指令：入栈PUSH，出栈POP,单片机原理与应用,堆栈,4、堆栈指针SP (81H),RAM中底端固定，顶端浮动的特殊寄存器区堆栈。用来临时存放还需使用的数据。数据的存取遵循“先进后出”的原则。,堆栈指针SP用来指示栈顶，数据压入时，SP先加1，栈区向地址增大方向生成；数据弹出时，先弹出数据，SP再减1。,SP总是指示栈顶。,如：MOV SP，#60H,使用堆栈时，为防止与工作寄存器重叠冲突，将30H7FH设为栈区。需先给SP赋值。,单片机复位后SP指向堆底07H。,4、堆栈指针SP (81H),堆栈,4、特殊功能寄存器,共128字节，

12、地址80H-FFH； 每个SFR寄存器都与特定功能有关； 对单片机的控制，实际就是通过向SFR 寄存器里写入不同的值来实现的。 部分SFR有位寻址功能，位地址80H-FFH；, SFR中共有11个专用寄存器可以位寻址，它们字节地址的低半字节都为0H或8H(即可位寻址的特殊功能寄存器字节地址具有能被8整除的特征) 。,4、特殊功能寄存器,4、特殊功能寄存器,4、特殊功能寄存器,注：,SFR中的寄存器都有复位值，用到的寄存器在复位后应考虑到是否重新赋值； SFR可视为专用RAM，有11个可以位寻址（可以由布尔处理器控制），共21单元，其余107单元用户不能使用； 8052另有3个SFR，占据5个单

13、元。,单片机原理与应用,2.1.5 几个特殊功能寄存器 1）累加器ACC 累加器ACC是最常用的专用寄存器。用A作为ACC的助记符。 用于存放第一个操作数及运算结果。,单片机原理与应用,2）B寄存器 是特殊功能寄存器之一。 在乘法指令中，B用于存放乘数和乘积的高8位。 AB=B（高位）A（低位） 在除法指令中用于存放除数和余数。 AB=（商A，余数B） 在其它指令中用作一般的寄存器或RAM单元。,单片机原理与应用,3 ）程序状态字PSW,程序状态字PSW是一个8位寄存器，PSW包含了程序执行后的状态信息，供程序查询或判断用。 PSW的格式：,单片机原理与应用,3、程序状态寄存器PSW(地址为D

14、0H),用来保存ALU运算结果的特征（如：结果是否为0，是否有溢出等）和处理器状态。它的各位包含了程序执行后的状态信息，供程序查询或判别之用。,PSW除有确定的字节地址(0D0H)外，每一位均有位地址。,（1）CY(PSW.D7)进位标志位,8051在进行位操作(布尔操作)时，CY作为位累加器C。在MOV指令中，判断是否为位操作，主要看是否对C操作。,在执行加法(或减法)运算指令时，如果运算结果最高位(位7)向前有进位(或借位)，CY位由硬件置“1”；如运算结果最高位(位7)无进位(或借位)，则CY由硬件清“0”。,1,0,（2）AC(PSW.D6)半进位标志位,当执行加法(或减法)操作时，其

15、运算结果(和或差)产生由低半字节(位3)向高半字节有半进位(或借位)时AC位将被硬件自动置“1“，否则AC被硬件自动清“0”。,用户根据自己的需要对F0位赋予一定含义，由用户置位、复位，作为软件标志。,1,0,（4）RS0和RSl工作寄存器组选择控制位,8051上电复位后，(RSl)=(RS0)=0，CPU自然选择第0组为当前工作寄存器组。,决定选择哪一组工作寄存器为当前工作寄存器组。,利用传送指令对PSW整字节操作或用位操作指令，改变RSl和RS0的状态，以切换当前选用的工作寄存器组.,（5）OV(PSW.D2)溢出标志位,当进行补码运算时，如有溢出，即当运算结果超出128+127的范围时，

16、OV位由硬件自动置OV=1；无溢出时，OV=0。对无符号数此位无标志。,（6）PSW.D1为保留位：8051未用，8052为F1用户标志位。,（7）P（PSW.D0）奇偶检验标志位： 每条指令执行完后，该位始终跟踪指示累加器A中1的个数。如结果A中有奇数个“1”则置P=1 ，否则P=0。常用于校验串行通信中的数据传送是否出错。,1,0,1,0,堆栈,4、堆栈指针SP (81H),RAM中底端固定，顶端浮动的特殊寄存器区堆栈。用来临时存放还需使用的数据。数据的存取遵循“先进后出”的原则。,堆栈指针SP用来指示栈顶，数据压入时，SP先加1，栈区向地址增大方向生成；数据弹出时，先弹出数据，SP再减1

17、。,SP总是指示栈顶。,如：MOV SP，#60H,使用堆栈时，为防止与工作寄存器重叠冲突，将30H7FH设为栈区。需先给SP赋值。,单片机复位后SP指向堆底07H。,4、堆栈指针SP (81H),堆栈,部分特殊功能寄存器介绍,5、数据指针DPTR（83H，82H）： DPTR是一个16位的特殊功能寄存器。 由DPH（83H），DPL（82H）组成。 DPH，DPL可以单独使用。,5、数据指针DPTR（83H，82H）：,程序计数器PC,PC是单片机CPU内一个物理结构独立的特殊寄存器。 作用就是用来存放将要从ROM中读出的下一指令的地址，共16位，可对64K ROM直接寻址。,PC具备的功能

18、：,（1）自动加1功能，即CPU从存储器中读出一个字节的指令码后，PC自动加1（指向下一个存储单元）。 （2）执行转移指令时，PC能根据该指令的要求修改下一个指令的地址。 （3）在执行调用子程序或发生中断时，CPU会自动将当前PC值压入堆栈，将子程序或中断入口地址装入PC；子程序或中断返回时，恢复原压入堆栈的PC值，继续执行原顺序程序指令。,2.2 外部引脚功能,2时钟引脚 XTAL1、XTAL2：晶体振荡电路反相输入端和输出端。,1电源引脚 VCC：芯片电源，+5V。 VSS：接地。,3控制引脚 RST/VPD：复位信号输入端/备用电源输入端 EA/VPP：内外ROM选择端/片内EPROM编

19、程电源。 ALE/PROG：地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲。 PSEN：外部ROM读选通信号。,3、控制信号引脚： RST、EA、ALE、PSEN,RST/VPD（9脚）： RST：复位信号输入端，高电平有效。当此输入端保持两个机器周期的高电平时，就可以完成复位操作。,VPD ：RST引脚的第二功能，备用电源输入端。当主电源Vcc 发生故障，降低到低电平规定值时，将+5V电源自动接入该引脚，为RAM提供备用电源，以保证RAM中的信息不丢失，使得复位后能继续正常运行。,EA/Vpp（31脚）： EA：内外ROM选择端 Vpp：对80C51片内 Flash ROM固化编程时，编程电压输入端（

20、12-21V）。,ALE/PROG（30脚）： ALE：地址锁存允许信号端。 CPU访问片外存储器时，该引脚输出信号作为锁存低8位地址的控制信号。它的负载能力为8个LS型TTL负载。 ALE接高电平，P0口上信息视为地址信息； ALE接低电平，P0口上信息视为数据信息。,PSEN（29脚）： 程序存储器允许信号输出端。 在访问片外ROM时，定时输出负脉冲作为读片外ROM的选通信号，接片外ROM 的OE端。 它的负载能力为8个LS型TTL负载。,EPROM存储器扩展电路：,数据存储器扩展电路,四个8位的双向并行端口:P0、P1、P2、P3。,P0、P1、P2、P3口对应四个数据锁存器：P0、P1

21、、P2、P3，对应内部RAM地址分别为80H、90H、A0H、B0H 访问并行I/O端口除了可以用字节地址访问外，还可以按位寻址。当单片机复位时，P0P3锁存器的内容均为1。,2P3口第二功能,2.3 振荡电路和复位电路,2.3.1 时钟电路,1内部时钟信号的产生,2引入外部时钟信号,80C51芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。反相放大器的输入端为XTAL1，输出端为XTAL2，两端跨接石英晶体及两个电容就可以构成稳定的自激振荡器。 电容器和通常取30 pF左右，可稳定频率并对振荡频率有微调作用。振荡脉冲频率范围为fOSC=024 MHz。 振荡器的频率为fOSC，振荡信号从XT

22、AL2端输入到片内的时钟发生器上,片内时钟信号的产生,2.3.2 CPU时序,执行一条指令需要多长时间则以机器周期为单位。 一个机器周期是指CPU访问存储器一次所需的时间。例如，取指令、读存储器、写存储器等等。 一个机器周期包括12个振荡周期，分为6个S状态：S1S6。 每个状态又分为两拍，称为P1和P2。 因此，一个机器周期中的12个振荡周期表示为S1P1，S1P2，S2P1，S6P1，S6P2。 若采用6MHz晶体振荡器，则每个机器周期为多少？,MCS-51的时序单位有4个，分别是时钟周期、状态周期、机器周期和指令周期,设:晶体振荡器频率 fosc=6MHz, 则:振荡周期=1/fosc=

23、1/6 s（微秒） 因为:一个机器周期包括12个振荡周期, 所以:一个机器周期=12*(1/6) s（微秒） = 2s（微秒）,问:如果fosc=12MHz, 一个机器周期为多少?,答案,1s（微秒）,每条指令都由一个或几个机器周期组成。 指令周期：执行一条指令所需的时间。 每条指令由一个或若干个字节组成。有单字节指令，双字节指令，多字节指令等。字节数少则占存储器空间少。 每条指令的指令周期都由一个或几个 机器周期 组成。有单周期指令、双周期指令、和四周期指令。机器周期数少则执行速度快。,设振荡周期为6MHz，则一个机器周期为 2s（微秒）。 单周期指令：指令周期为 2s（微秒） 双周期指令：

24、指令周期为 4s（微秒） 四周期指令：指令周期为 8s（微秒） 如果振荡周期为12MHz，则其指令周期分别为 1s、2s 和4s。,控制P0.0口的灯时亮时暗： ORG 0000H JMP START ORG 0030H START: SETB P0.0 ；P0.0=1 CALL DELAY CLR P0.0 ;P0.0=0 CALL DELAY JMP START DELAY: MOV R3,#20 ;延时0.2s D1: MOV R4,#20 D2: MOV R5,#250 DJNZ R5,$ DJNZ R4,D2 DJNZ R3,D1 RET END START,2.3 80C51系列单

25、片机的工作方式,2.3.4 复位电路,1复位条件,复位（RST）引脚（9脚）上加一个持续时间为两个机器周期的高电平。 若单片机的时钟频率为12MHz，则机器周期为1s，那么需要持续2s以上的时间； 若单片机的时钟频率为6MHz，则机器周期为2s，那么需要持续4s以上的时间。,复位就是对单片机或系统中其它部件设置初始状态，以便单片机从复位后开始工作。,1）上电复位电路。,接通电源，单片机自动完成复位。,2、复位电路,+5V,开机瞬间RST脚获高电平，对C1充电， 由于电容两端电压不能突变，所以RST维持高电平，只要在RST处有足够长时间（两个机器周期）的阈值以上的电压时就能可靠复位。,晶振频率为

26、12MHz时， C1为10F， R1为8.2K，晶振频率为6MHz时， C1为22F， R1为1K,+5V,2）上电和按键都有效的复位电路,接通电源，单片机自动完成复位。,晶振频率为6MHz时， R2为200,单片机运行期间利用按键完成复位。,3复位后内部寄存器状态,预备知识,二、数制,计算机只识别和处理数字信息，数字是以二进制数的形式表示的。它易于物理实现，同时，资料存储、传送和处理简单可靠；运算规则简单，使逻辑电路的设计、分析、综合方便，使计算器具有逻辑性。 1、常用数制 （1.）十进制数： 1985 = 1000+900+80+5 = 1103+9102+8101+5100 特点：有0 -9 十个不同的符号。 逢十进一。 一般用下脚标 D 表示，如 1985D ,或无下脚标。,预备知识,（ 2.）二进制数： 特点：有0，1两个不同的符号。 逢二进一。二进制数的下脚标为B 例如：对于整数， 1001B=123+022+021+120 = 9D 对于小数， 0.101B