MCS-51單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu).ppt

第2章MCS 51單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu) 2 1MCS 51單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)2 2MCS 51單片機(jī)的引腳及片外總線結(jié)構(gòu)2 3MCS 51單片機(jī)的存儲(chǔ)器配置2 4CPU的時(shí)序及輔助電路 2 1MCS 51單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 2 1 1MCS 51單片機(jī)的基本組成2 1 2MCS 51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)2 1 3MCS 51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)2 1 4輸入 輸出 I O 端口結(jié)構(gòu) 返回本章首頁 2 1 1MCS 51單片機(jī)的基本組成 圖2 1MCS 51單片機(jī)基本結(jié)構(gòu)示意圖 2 1 1MCS 51單片機(jī)的基本組成 1 一個(gè)8位微處理器CPU 2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM和特殊功能寄存器SFR 3 內(nèi)部程序存儲(chǔ)器ROM 4 兩個(gè)定時(shí) 計(jì)數(shù)器 用以對(duì)外部事件進(jìn)行計(jì)數(shù) 也可用作定時(shí)器 5 四個(gè)8位可編程的I O 輸入 輸出 并行端口 每個(gè)端口既可做輸入 也可做輸出 6 一個(gè)串行端口 用于數(shù)據(jù)的串行通信 7 中斷控制系統(tǒng) 8 內(nèi)部時(shí)鐘電路 返回本節(jié) 2 1 2MCS 51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 1 內(nèi)部程序存儲(chǔ)器 ROM 和內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM 容量 如表2 1所示 2 輸入 輸出 I O 端口3 外部程序存儲(chǔ)器和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器尋址空間4 中斷與堆棧5 定時(shí) 計(jì)數(shù)器與寄存器區(qū)6 指令系統(tǒng) 表2 1MCS 51單片機(jī)存儲(chǔ)器容量 返回本節(jié) 2 1 3MCS 51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu) 1 運(yùn)算器運(yùn)算器由8位算術(shù)邏輯運(yùn)算單元ALU ArithmeticLogicUnit 8位累加器ACC Accumulator 8位寄存器B 程序狀態(tài)字寄存器PSW ProgramStatusWord 8位暫存寄存器TMP1和TMP2等組成 2 控制器主要由程序計(jì)數(shù)器PC 指令寄存器IR 指令譯碼器ID 堆棧指針SP 數(shù)據(jù)指針DPTR 時(shí)鐘發(fā)生器及定時(shí)控制邏輯等組成 P0 0 P0 7 P2 0 P2 7 返回本節(jié) 2 1 4輸入 輸出 I O 端口結(jié)構(gòu) 正如圖2 2所示 MCS 51單片機(jī)有4個(gè)雙向并行的8位I O口P0 P3 P0口為三態(tài)雙向口 可驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL電路 P1 P2 P3口為準(zhǔn)雙向口 作為輸入時(shí) 口線被拉成高電平 故稱為準(zhǔn)雙向口 其負(fù)載能力為4個(gè)TTL電路 1 P0口的結(jié)構(gòu) 圖2 3P0口的一位結(jié)構(gòu)圖 下圖為P0口的某位P0 n n 0 7 結(jié)構(gòu)圖 它由一個(gè)輸出鎖存器 兩個(gè)三態(tài)輸入緩沖器和輸出驅(qū)動(dòng)電路及控制電路組成 從圖中可以看出 P0口既可以作為I O用 也可以作為地址 數(shù)據(jù)線用 1 P0口作為普通I O口 輸出時(shí)CPU發(fā)出控制電平 0 封鎖 與 門 將輸出上拉場(chǎng)效應(yīng)管T1截止 同時(shí)使多路開關(guān)MUX把鎖存器與輸出 驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管T2柵極接通 故內(nèi)部總線與P0口同相 由于輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)是漏極開路電路 若驅(qū)動(dòng)NMOS或其它拉流負(fù)載時(shí) 需要外接上拉電阻 P0的輸出級(jí)可驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL負(fù)載 輸入時(shí) 分讀引腳或讀鎖存器讀引腳 由傳送指令 MOV 實(shí)現(xiàn) 下面一個(gè)緩沖器用于讀端口引腳數(shù)據(jù) 當(dāng)執(zhí)行一條由端口輸入的指令時(shí) 讀脈沖把該三態(tài)緩沖器打開 這樣端口引腳上的數(shù)據(jù)經(jīng)過緩沖器讀入到內(nèi)部總線 輸入時(shí) 分讀引腳或讀鎖存器讀鎖存器 有些指令如 ANLP0 A稱為 讀 改 寫 指令 需要讀鎖存器 上面一個(gè)緩沖器用于讀端口鎖存器數(shù)據(jù) 原因 如果此時(shí)該端口的負(fù)載恰是一個(gè)晶體管基極 且原端口輸出值為1 那么導(dǎo)通了的PN結(jié)會(huì)把端口引腳高電平拉低 若此時(shí)直接讀端口引腳信號(hào) 將會(huì)把原輸出的 1 電平誤讀為 0 電平 現(xiàn)采用讀輸出鎖存器代替讀引腳 圖中 上面的三態(tài)緩沖器就為讀鎖存器Q端信號(hào)而設(shè) 讀輸出鎖存器可避免上述可能發(fā)生的錯(cuò)誤 P0口必須接上拉電阻 在讀信號(hào)之前數(shù)據(jù)之前 先要向相應(yīng)的鎖存器做寫1操作的I O口稱為準(zhǔn)雙向口 三態(tài)輸入緩沖器的作用 ANLP0 A 準(zhǔn)雙向口 從圖中可以看出 在讀入端口數(shù)據(jù)時(shí) 由于輸出驅(qū)動(dòng)FET并接在引腳上 如果T2導(dǎo)通 就會(huì)將輸入的高電平拉成低電平 產(chǎn)生誤讀 所以在端口進(jìn)行輸入操作前 應(yīng)先向端口鎖存器寫 1 使T2截止 引腳處于懸浮狀態(tài) 變?yōu)楦咦杩馆斎?這就是所謂的準(zhǔn)雙向口 2 P0作為地址 數(shù)據(jù)總線 在系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí) P0端口作為地址 數(shù)據(jù)總線使用時(shí) 分為 P0引腳輸出地址 數(shù)據(jù)信息 CPU發(fā)出控制電平 1 打開 與 門 又使多路開關(guān)MUX把CPU的地址 數(shù)據(jù)總線與T2柵極反相接通 輸出地址或數(shù)據(jù) 由圖上可以看出 上下兩個(gè)FET處于反相 構(gòu)成了推拉式的輸出電路 其負(fù)載能力大大增強(qiáng) 2 P0作為地址 數(shù)據(jù)總線 P0引腳輸出地址 輸入數(shù)據(jù)輸入信號(hào)是從引腳通過輸入緩沖器進(jìn)入內(nèi)部總線 此時(shí) CPU自動(dòng)使MUX向下 并向P0口寫 1 讀引腳 控制信號(hào)有效 下面的緩沖器打開 外部數(shù)據(jù)讀入內(nèi)部總線 2 P0作為地址 數(shù)據(jù)總線 真正的雙向口 2 P2的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 1 P2口作為普通I O口 CPU發(fā)出控制電平 0 使多路開關(guān)MUX倒向鎖存器輸出Q端 構(gòu)成一個(gè)準(zhǔn)雙向口 其功能與P1相同 2 P2口作為地址總線在系統(tǒng)擴(kuò)展片外程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器且容量超過256B 用MOVX DPTR指令 時(shí) CPU發(fā)出控制電平 1 使多路開關(guān)MUX倒內(nèi)部地址線 此時(shí) P2輸出高8位地址 4 1 2P1口 P3口的內(nèi)部結(jié)構(gòu) P1口的一位的結(jié)構(gòu)它由一個(gè)輸出鎖存器 兩個(gè)三態(tài)輸入緩沖器和輸出驅(qū)動(dòng)電路組成 準(zhǔn)雙向口 P3的內(nèi)部結(jié)構(gòu) DQCLKQ P3 n 讀鎖存器 內(nèi)部總線 寫鎖存器 讀引腳 VCC R T P3口引腳 第二輸入功能 第二輸出功能 一 作為通用I O口與P1口類似 準(zhǔn)雙向口 W 1 W P3的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 二 P3第二功能 Q 1 此時(shí)引腳部分輸入 Q 1 W 1 部分輸出 Q 1 W輸出 DQCLKQ P3 n 讀鎖存器 內(nèi)部總線 寫鎖存器 讀引腳 VCC R T P3口引腳 第二輸入功能 第二輸出功能 W 綜上所述 當(dāng)P0作為I O口使用時(shí) 特別是作為輸出時(shí) 輸出級(jí)屬于開漏電路 必須外接上拉電阻才會(huì)有高電平輸出 如果作為輸入 必須先向相應(yīng)的鎖存器寫 1 才不會(huì)影響輸入電平 當(dāng)CPU內(nèi)部控制信號(hào)為 1 時(shí) P0口作為地址 數(shù)據(jù)總線使用 這時(shí) P0口就無法再作為I O口使用了 P1 P2和P3口為準(zhǔn)雙向口 在內(nèi)部差別不大 但使用功能有所不同 P1口是用戶專用8位準(zhǔn)雙向I O口 具有通用輸入 輸出功能 每一位都能獨(dú)立地設(shè)定為輸入或輸出 當(dāng)有輸出方式變?yōu)檩斎敕绞綍r(shí) 該位的鎖存器必須寫入 1 然后才能進(jìn)入輸入操作 P2口是8位準(zhǔn)雙向I O口 外接I O設(shè)備時(shí) 可作為擴(kuò)展系統(tǒng)的地址總線 輸出高8位地址 與P0口一起組成16位地址總線 對(duì)于8031而言 P2口一般只作為地址總線使用 而不作為I O線直接與外部設(shè)備相連 2 2MCS 51單片機(jī)的引腳及片外總線結(jié)構(gòu) 2 2 1MCS 51單片機(jī)芯片引腳描述2 2 2MCS 51單片機(jī)的片外總線結(jié)構(gòu) 返回本章首頁 2 2 1MCS 51單片機(jī)芯片引腳描述 圖2 7為MCS 51單片機(jī)的引腳配置圖 1 主電源引腳VCC和VSS2 外接晶振引腳XTAL1和XTAL23 控制或其他電源復(fù)用引腳RST VPD ALE 和 VPP4 輸入 輸出引腳P0 P1 P2 P3 共32根 圖2 7MCS 51單片機(jī)的引腳配置圖 返回本節(jié) 2 2 2MCS 51單片機(jī)的片外總線結(jié)構(gòu) 圖2 8MCS 51片外總線結(jié)構(gòu)示意圖 微型計(jì)算機(jī)中的總線通常分為 1 地址總線 AB 地址總線寬度為16位 由P0口經(jīng)地址鎖存器提供低8位地址 A0 A7 P2口直接提供高8位地址 A8 A15 地址信號(hào)是由CPU發(fā)出的 故地址總線是單方向的 2 數(shù)據(jù)總線 DB 數(shù)據(jù)總線寬度為8位 用于傳送數(shù)據(jù)和指令 由P0口提供 3 控制總線 CB 控制總線隨時(shí)掌握各種部件的狀態(tài) 并根據(jù)需要向有關(guān)部件發(fā)出命令 返回本節(jié) 2 3MCS 51單片機(jī)的存儲(chǔ)器配置 2 3 1片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器2 3 2片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器2 3 3程序存儲(chǔ)器 返回本章首頁 2 3 1片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)如圖2 9 a 所示 其具體位地址單元如表2 3所示 專用寄存器的地址映像如表2 4所示 1 累加器累加器是一個(gè)最常用的專用寄存器 其自身帶有全零標(biāo)志Z 若A 0則Z 1 若A 0則Z 0 該標(biāo)志常用作程序分支的判斷條件 圖2 9MCS 51單片機(jī)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu) 位尋址區(qū) 表2 3內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的位地址 表2 4特殊功能寄存器地址及功能表 2 寄存器 1 PSW 程序狀態(tài)字寄存器 定義格式如右上邊 其中 CY 進(jìn)借位標(biāo)志 AC 輔助進(jìn)借位標(biāo)志 F0 用戶標(biāo)志 RS1 RS0 工作寄存器組選擇 如表2 5所示 2 SP 堆棧指針 3 DPTR 數(shù)據(jù)地址指針寄存器 表2 5工作寄存器組選擇控制表 返回本節(jié) 2 3 2片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器又稱外部RAM 當(dāng)片內(nèi)RAM不能滿足數(shù)量上的要求時(shí) 可通過總線端口和其他I O口擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)RAM 其最大容量可達(dá)64K字節(jié) 其結(jié)構(gòu)如圖2 9 b 所示 在片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中 數(shù)據(jù)區(qū)和擴(kuò)展的I O口是統(tǒng)一編址的 使用的指令也完全相同 因此 用戶在應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí) 必須合理地進(jìn)行外部RAM和I O端口的地址分配 并保證譯碼的唯一性 返回本節(jié) 2 3 3程序存儲(chǔ)器 程序存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)如圖2 9 c 所示 包括片內(nèi)和片外程序存儲(chǔ)器兩個(gè)部分 其主要用來存放編好的用戶程序和表格常數(shù) 它以16位的程序計(jì)數(shù)器PC作為地址指針 故尋址空間為64KB 返回本節(jié) 2 3 3程序存儲(chǔ)器 1 編址與訪問 返回本節(jié) 計(jì)算機(jī)的工作是按照事先編制好的程序命令序列一條條順序執(zhí)行的 程序存儲(chǔ)器就是用來存放這些已編好的程序和表格常數(shù) 它由只讀存儲(chǔ)器ROM或EPROM或EEPROM或FLASH組成 計(jì)算機(jī)為了有序地工作 設(shè)置了一個(gè)專用寄存器 程序計(jì)數(shù)器PC 用以存放將要執(zhí)行的指令地址 每取出指令的 個(gè)字節(jié)后 其內(nèi)容自動(dòng)加 指向下一字節(jié)地址 使計(jì)算機(jī)依次從程序存儲(chǔ)器取出指令予以執(zhí)行 完成某種程序操作 由于MCS 51單片機(jī)的程序計(jì)數(shù)器為16位 因此 可尋址的地址空間為64KB 2 3 3程序存儲(chǔ)器 返回本節(jié) 2 程序的7個(gè)特殊入口地址 MCS 51單片機(jī)復(fù)位 中斷入口地址 2 3 3程序存儲(chǔ)器 返回本節(jié) 2 程序的7個(gè)特殊入口地址 表2 3MCS 51單片機(jī)復(fù)位 中斷入口地址 2 4CPU的時(shí)序及輔助電路 2 4 1單片機(jī)的時(shí)鐘電路2 4 2振蕩周期 時(shí)鐘周期 機(jī)器周期和指令周期2 4 3MCS 51單片機(jī)指令的取指和執(zhí)行時(shí)2 4 4單片機(jī)復(fù)位電路及復(fù)位狀態(tài) 返回本章首頁 2 4 1單片機(jī)的時(shí)鐘電路 單片機(jī)時(shí)鐘電路通常有兩種形式 1 內(nèi)部振蕩方式 MCS 51單片機(jī)片內(nèi)有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器 引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端 把放大器與作為反饋元件的晶體振蕩器或陶瓷諧振器連接 就構(gòu)成了內(nèi)部自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘脈沖 如圖2 10所示 2 外部振蕩方式 外部振蕩方式就是把外部已有的時(shí)鐘信號(hào)引入單片機(jī)內(nèi) 如圖2 11所示 圖2 10內(nèi)部振蕩方式 圖2 11外部振蕩方式 返回本節(jié) 圖2 12MCS 51單片機(jī)各種周期的相互關(guān)系 2 4 2振蕩周期 時(shí)鐘周期 機(jī)器周期和指令周期 1 時(shí)鐘周期 為單片機(jī)提供時(shí)鐘信號(hào)的振蕩源的周期 2 狀態(tài) 兩個(gè)時(shí)鐘周期稱為一個(gè)狀態(tài) 3 機(jī)器周期 通常將完成一個(gè)基本操作所需的時(shí)間稱為機(jī)器周期 4 指令周期 是指CPU執(zhí)行一條指令所需要的時(shí)間 一個(gè)指令周期通常含有1 4個(gè)機(jī)器周期 若MCS 51單片機(jī)外接晶振為12MHz時(shí) 則單片機(jī)的四個(gè)周期的具體值為 振蕩周期 1 12MHz 1 12 s 0 0833 s時(shí)鐘周期 1 6 s 0 167 s機(jī)器周期 1 s指令周期 1 4 s 返回本節(jié) 2 4 3MCS 51單片機(jī)指令的取指和執(zhí)行時(shí)序 圖2 13MCS