第三章、單片機的結(jié)構(gòu)

1、第三章 單片機的結(jié)構(gòu)及原理教學(xué)內(nèi)容：1、單片機結(jié)構(gòu) 2、單片機工作原理 3、存儲器的結(jié)構(gòu) 4、單片機輸入/輸出口結(jié)構(gòu) 5、CPU時序及時鐘電路 6、單片機工作方式本章重點：1、單片機結(jié)構(gòu)及工作原理2、存儲器結(jié)構(gòu)3、輸入/輸出口結(jié)構(gòu)本章難點：1、單片機工作原理 2、存儲器結(jié)構(gòu)，輸入/輸出口結(jié)構(gòu)教學(xué)要求：通過本章學(xué)習(xí)，應(yīng)對單片機的結(jié)構(gòu)有初步認(rèn)識，對單片機的工作原理和工作時序有所了解，熟悉存儲器地址空間，掌握輸入/輸出口電路結(jié)構(gòu)，對單片機的工作方式有所了解。教 案：第一節(jié) 單片機的結(jié)構(gòu)、單片機的發(fā)展過程單片機的發(fā)展過程如表所示：表單片機發(fā)展過程時間產(chǎn)品特點1976年MCS-48無串行口、RAM、RO

2、M容量小、4K尋址1980年MCS-518位，集成度高、1983年MCS-96集成度高、32位、有A/D轉(zhuǎn)換、速度快1990年全面發(fā)展高速、大容量、外圍集成到內(nèi)部、性能強2、單片機生產(chǎn)廠及產(chǎn)品簡介單片機生產(chǎn)廠主要有：Intel、Motorola、Zilog公司。從型號來看：MCS系列、68系列、Z8系列。從位數(shù)來看：4、8、16、32位，51單片機有80C31（無ROM）、80C51（4KROM）、87C51（4KEPROM）。前些年國內(nèi)教材和產(chǎn)品開發(fā)，基本上以8051系列為使用對象，近年國際上廣泛使用80C51單片機，80C51單片機是目前8位機中的佼佼者。現(xiàn)以80C51為例來介紹單片機的結(jié)

3、構(gòu)。3、單片機結(jié)構(gòu)1)、80C51單片機的功能結(jié)構(gòu) 如下圖所示，單片機是屬于三總線結(jié)構(gòu)，80C51單片機功能方框圖如圖1所示：圖1 單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖2)、單片機內(nèi)容結(jié)構(gòu)單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。從圖中看出，它具有以下特征；適于控制應(yīng)用的8位CPU56字節(jié)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器，分高低兩個128字節(jié)4K字節(jié)片內(nèi)程序存儲器64KB程序存儲器空間64KB數(shù)據(jù)存儲器空間4個8位共32根雙向并可按位尋址的I/O口線兩個16位定時/計數(shù)器；一個全雙工的串行I/O接口有5個中斷源片內(nèi)時鐘振蕩器具有布爾處理（位處理）能力圖2 單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)4、單片機的封裝形式、引腳定義及功能1)、80C51封裝80C51系列單片

4、機具有雙列直插式和方形兩種封裝。2)、80C51系列單片機引腳功能、引腳分布：如圖3所示為雙列直插式引腳分布圖、引腳功能VCC-工作電源+5VGND-電源地ALE/ PROG -訪問外部存儲器時作為低8位地址鎖存控制信號；在對EPROM編程時作為編程脈沖輸入；在不訪問外部存儲器和非EPROM編程狀態(tài)下，該腳輸出頻率為1/6單片機晶振頻率的方波信號，該信號，可作為時鐘脈沖，但在訪問數(shù)據(jù)存儲器時會丟失一個脈沖； PSEN外部程序存儲器讀選通信號.EA/VPP訪問程序存儲器控制信號。當(dāng)EA為低電平時，只讀外部存儲器，當(dāng)EA為高電平時則先讀內(nèi)部程序存儲器，再讀外部程序存儲器；這個引腳在編程時接編程電壓

5、VPP. RST復(fù)位信號，對系統(tǒng)復(fù)位信號要求>2T時頻。XTAL1片內(nèi)振蕩電路輸入端。XTAL2片內(nèi)振蕩電路輸出端。 圖3 單片機引腳分布P0-P3輸入輸出端口。第二節(jié) 單片機的工作原理1、指令與程序1)、指令規(guī)定計算機執(zhí)行特定操作的命令，分成操作碼和操作數(shù)，以二進(jìn)制編碼形式出現(xiàn)，具有固定的格式。 例如：2000H：MOV A，#34H 2000H是標(biāo)號，即程序地址。 該指令的機械碼：7434H 其中：74操作碼，表示執(zhí)行何種操作； 34-操作數(shù)，表示操作的數(shù)據(jù)；2)、程序程序就是跟據(jù)要求編制的指令集合；例如，將外部數(shù)據(jù)存儲器5000H單元內(nèi)容送累加器A的程序； MOV DPTR，#50

6、00H MOV A， DPTR2、CPU的工作原理CPU是微機的核心部件，由控制器和運算器兩部分組成如圖4所示。1)、控制器控制器由指令部件、時序部件、控制部件三部分組成。、指令部件：由程序計數(shù)器、指令寄存器和指令操作碼譯碼器構(gòu)成。程序計數(shù)器用來存放指令的地址的部件。指令寄存器用來暫時存放指令的部件。指令操作碼譯碼器對指令操作碼進(jìn)行分析、解釋并在輸出端產(chǎn)生各種電平。、時序部件：由時鐘系統(tǒng)和節(jié)拍發(fā)生器構(gòu)成。時鐘系統(tǒng)它產(chǎn)生具有一定頻率和寬度的脈沖信號。節(jié)拍發(fā)生器節(jié)拍發(fā)生器產(chǎn)生節(jié)拍電位和節(jié)拍脈沖。、微操作控制部件：對節(jié)拍信號和指令操作碼信號進(jìn)行加工處理，產(chǎn)生各種信號。圖4 CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)2)、運算器

7、運算器是數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運算和邏輯運算的執(zhí)行部件，單片機不僅有很強的算術(shù)運算能力，而且有非常強的位處理能力，因此，特別適合用在實時控制場合。3)、單片機執(zhí)行程序的過程系統(tǒng)復(fù)位， 程序計數(shù)器PC的值為0000H。在控制信號的作用下，根據(jù)PC值從內(nèi)存單元中取出相應(yīng)的指令。將取出的指令送指令寄存器，經(jīng)指令譯碼器分析，譯碼信號與時序信號合成，形成所需的各種微操作信號。循環(huán)往復(fù)執(zhí)行，直到結(jié)束。第三節(jié) 存儲器結(jié)構(gòu)1、單片機存儲器空間分布如圖5所示，80C51單片機存儲器在物理結(jié)構(gòu)上分片內(nèi)程序存儲器、片外程序存儲器、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器、片外數(shù)據(jù)存儲器四個空間；在邏輯結(jié)構(gòu)上（使用上）分成片內(nèi)外統(tǒng)一編址的64KB程序存

8、儲器、256B的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器以及64KB片外數(shù)據(jù)存儲器。在訪問不同的存儲器空間時，使用的指令不同。圖5 單片機存儲器結(jié)構(gòu)2、程序存儲器1)、程序存儲器的作用用來存放操作程序。2)、程序存儲器的空間分布分片內(nèi)和片外，共64KB空間，EA=1，先訪問片內(nèi)程序存儲器再訪問片外存儲器，其地址是連續(xù)的；當(dāng)EA=0時，只訪問片程序存儲器。復(fù)位時PC=0000H，值得注意的是，程序存儲器從0003H0030H共40個單元作為中斷處理用，如表2所示：表2 中斷入口地址地 址 空 間字節(jié)數(shù)說 明0003H000AH8外部中斷0入口000BH0012H8定時器0溢出中斷入口0013H001AH8外部中斷1入口0

9、01BH0022H8定時器1溢出中斷入口0023H0030H8串行口中斷入口3、數(shù)據(jù)存儲器1)、數(shù)據(jù)存儲器的作用數(shù)據(jù)存儲器用于存放中間運算結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖、標(biāo)志位等。 2)、數(shù)據(jù)存儲器空間分布數(shù)據(jù)存儲器由片內(nèi)256字節(jié)（含低128單元和高128單元）和片外64KB兩個存儲空間組成，結(jié)構(gòu)如圖6所示：圖6 單片機數(shù)據(jù)存儲器下面分別說明：（1)、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器片內(nèi)256B的數(shù)據(jù)存儲器分高128B和低128B兩部分 、低128字節(jié)工作寄存器區(qū)： 地址從00H1FH，共32個字節(jié)，每8個字節(jié)構(gòu)成一個區(qū)，記作R0R7。寄存器區(qū)的選擇由程序狀態(tài)字PSW中的RS0位和RS1位的值定：系統(tǒng)復(fù)位時，系統(tǒng)自動指

10、向工作寄存器0區(qū)。工作寄存器一般用作數(shù)據(jù)緩沖寄存器，如果不用作工作寄存器，這個區(qū)域中的32個字節(jié)也可以作數(shù)據(jù)寄存器使用，直接按字節(jié)尋址。位尋址區(qū)：該區(qū)域地址從20H到2FH，共16個字節(jié)，128位，使用指令可以尋址到位，位地址00H7FH。注意：這個區(qū)域也可按字節(jié)尋址。數(shù) 據(jù) 區(qū)：地址從30H7FH，共80個字節(jié)。可作為用戶數(shù)據(jù)存儲器，按字節(jié)訪問，用戶堆棧通常在該區(qū)域開辟。、高128B（特殊功能寄存器區(qū)SFR）80C51把CPU中的專用寄存器、并行端口鎖存器、串行口、定時器/計數(shù)器內(nèi)的控制寄存器等集中安排在一個區(qū)域（共21個專用寄存器），離散地分布在地址從80H到FFH范圍內(nèi)，這個區(qū)域稱為特殊

11、功能寄存器區(qū) 。它共有128個字節(jié)，在物理上與片內(nèi)RAM分別占有高128字節(jié)地址和低128字節(jié)地址。構(gòu)成了連續(xù)的256個字節(jié)空間，在性質(zhì)上都屬于數(shù)據(jù)存儲器。下面介紹常用的SFR，對在本節(jié)尚未介紹的其它SFR，在后面介紹。累加器Acc：Acc是一個具有特殊用途的8位寄存器，主要用存放操作數(shù)和運算結(jié)果。例如：ADD A，#55H 表示累加器A的內(nèi)容與55H相加，結(jié)果放到累加器中并暫存起來。程序狀態(tài)字PSW：PSW是一個可編程的8位寄存器，如圖7所示，用來存放當(dāng)前指令執(zhí)行結(jié)果的有關(guān)狀態(tài)。單片機有許多指令的執(zhí)行會影響PSW的位狀態(tài)。PSW的位狀態(tài)可通過指令設(shè)置，它是一個可以位尋址的特殊寄存器。 圖7

12、狀態(tài)寄存器例如：單片機在運算，Y=84+105時，會發(fā)生溢出錯誤，因為運算結(jié)果189，已經(jīng)超出-128-+127的范圍。寄存器B：寄存器B是一個8位寄存器，主要用于乘除法。乘法運算時，B是乘數(shù), 乘法操作后，積的高8位存于B中；除法運算時，B是除數(shù)，除法操作后，余數(shù)存于B中。此外，B寄存器也可作為一般數(shù)據(jù)寄存器使用。堆棧指釷：堆棧指釷（SP）：是專門用來指示椎棧的起始位置的 8位寄存器，地址在81H，復(fù)位時堆棧指釷初始化地址為07H，用戶開辟堆棧時必須指明SP的初始值（棧底）和長度，如圖8所示。注意：堆棧的存貯區(qū)域在RAM的30H7FH之間。 圖8 單片機堆棧進(jìn)棧用PUSH，出棧用POP。堆棧

13、- 堆棧是在RAM中由用戶開辟的一個區(qū)域。在這個區(qū)域中數(shù)據(jù)的存取是按“先進(jìn)后出的原則”進(jìn)行。在這個區(qū)域的數(shù)據(jù)是不能按字節(jié)訪問的，它是專用來為程序中斷、子程序調(diào)用等臨時保護(hù)現(xiàn)場的一個存儲空間。數(shù)據(jù)指釷DPTR：數(shù)據(jù)指釷是一個16位地址寄存器，由高位字節(jié)DPH和低位字節(jié)DPL組成，這兩個字節(jié)也可單獨作為8位寄存器使用。使用DPTR可以訪問64K字節(jié)外部數(shù)據(jù)存儲器的任一單元。例如：MOV DPTR， #dataMOVX A，DPTR這兩條指令的意思是：把常數(shù)data傳送到DPTR，再把DPTR所指向的外部RAM單元的數(shù)據(jù)送入累加器中。（2)、外部數(shù)據(jù)存儲器64KB的外部數(shù)據(jù)存儲器是通過擴展而形成的，

14、外部數(shù)據(jù)存儲器地址從0000H-FFFFH。外部存儲器的訪問只能間接尋址。第四節(jié) 單片機輸入/輸出口結(jié)構(gòu)1、P0端口(如圖9所示)1)、作為通用I/O口使用內(nèi)部控制信號為0電平，此時，與門將封鎖上拉場效應(yīng)管，MUX接通鎖存器的反向輸出端。由于T1處于斷路狀態(tài)，因此在輸出端要接上拉電阻（5-10K），P0口的工作過程如下：、數(shù)據(jù)輸出：內(nèi)部的寫脈沖加在D觸發(fā)器的CL端，數(shù)據(jù)從總線寫入D，并向端口引腳輸出。、數(shù)據(jù)輸入（分讀引腳和讀端口兩種情況）：² 讀引腳：讀引腳信號打開三態(tài)緩沖器，信號通過三態(tài)門傳送到內(nèi)部總線.² 讀端口：讀端口則是通過讀鎖存器實現(xiàn)的。注意：數(shù)據(jù)輸入，口線必須先

15、置1，否則讀數(shù)有可能出錯；P0口作通用I/O口使用時，無論輸入還是輸出，必須接上拉電阻；2)、作地址/數(shù)據(jù)總線使用P0口作為總線使用時，內(nèi)部發(fā)出控制信號，打開上面的與門，MUX接通地址/數(shù)據(jù)線，地址和數(shù)據(jù)分時工作。 圖9 P0口結(jié)構(gòu)2、P1端口（如圖10所示）1)、數(shù)據(jù)輸出：系統(tǒng)發(fā)出寫鎖存器命令，內(nèi)部總線的數(shù)據(jù)通過D鎖存器FET從引腳輸出。2)、數(shù)據(jù)輸入：先向鎖存器寫入1封鎖FET，引腳信號在讀引腳控制信號下由引腳通過三態(tài)門傳入內(nèi)部總線（注意在編程時要先將該位先置1再輸入數(shù)據(jù)）。圖10 P1口結(jié)構(gòu)3、P2端口（如圖11所示）P2口可作為通用I/O口和高位地址線使用。作通用I/O口時控制信號使M

16、UX接鎖存器，內(nèi)部上拉電阻被截斷，作地址線時MUX與地址線相聯(lián)。1)、P2口作通用I/O口使用輸出：在寫鎖存器控制下，內(nèi)部總線的數(shù)據(jù)通過D輸出到引腳。輸入：在讀引腳控制下，數(shù)據(jù)從三態(tài)門輸入到內(nèi)部總線（同樣要接上拉電阻，要置1指令）。圖11 P2口結(jié)構(gòu)2)、作總線使用控制信號使地址與輸出相聯(lián)，與門接通，內(nèi)部上拉電阻有效。P2與P0配合作地址線的高8位。此時就不能作通用的I/O口使用了3)注意事項、單片機外部不接程序存儲器時，如果外部數(shù)據(jù)存儲器只有256B，則可使用MOVX A，RI指令訪問。在這個過程中，地址由P0口輸出，P2口不變。、如果外部存儲容量較大（或外部接程序存儲器），需用MOVX A

17、， DTPR指令訪問。此時，P0，P2將分別輸出高低地址。值得注意的是在輸出地址的過程中，P2口的鎖存器內(nèi)容始終保持不變，因此在輸出地址后，P2口可作通用的I/O口使用。、如果單片機外部接有程序存儲器，由于程序是在不斷進(jìn)行，因此P2口，在這種狀態(tài)下是不能再你通用I/O口使用。4、P3端口（如圖12所示）1)、第一功能使用 輸出：此時，“第二輸出功能”為高電平，與非門打開，內(nèi)部數(shù)據(jù)通過鎖存器的Q經(jīng)過與非門到T； 輸入：從引腳在讀引腳控制信號控制下，通過三態(tài)門進(jìn)入（同樣要置1）。2)、第二功能使用 圖12 P3口結(jié)構(gòu)P3口的第二功能；P3.0 RXD (串行數(shù)據(jù)輸入口)P3.1 TXD （串行數(shù)據(jù)

18、輸出口）P3.2 INT0 （外部中斷0）P3.3 INT1 （外部中斷1）P3.4 T0 （定時器/計數(shù)器0外部輸入）P3.5 T1 （定時器/計數(shù)器1外部輸入）P3.6 WR （外部數(shù)據(jù)存儲器寫脈沖）P3.7 RD （外部數(shù)據(jù)存儲器讀脈沖）當(dāng)P3口作為第二功能使用時，此時Q為高電平，與非門打開，數(shù)據(jù)從“第二輸出功能”端輸出；輸入時，端口引腳的“第二功能信號”通過緩沖器送到第二輸入功能端。5、端口負(fù)載能力和接口要求 1)、P0口可帶動8個LSTTL（在TTL電路基礎(chǔ)上研制的一種低功耗電路）。既可作通用I/O口使用，也可作地址/數(shù)據(jù)線使用，作I/O口使用時，要接上拉電阻，作地址/數(shù)據(jù)使用時，不

19、須接上拉電阻，此時，不能再作I/O口使用。2)、P1P3口輸出可帶動4個LSTTL電路和MOS電路。3)、P0P3均為雙向I/O口，作輸入時，必須先在端口鎖存器上寫“1”。第五節(jié) CPU時序及時鐘電路CPU從取指令、分析指令到執(zhí)行指令的全過程中，都是在時序控制下一拍一拍地進(jìn)行的。下面介紹時序的幾個概念：時鐘周期時鐘周期又叫節(jié)拍，定義為時鐘脈沖頻率的的倒數(shù)，如f=12MHZ，則T=1/12，在單片機中，節(jié)拍用P表示，二個節(jié)拍定義為一個狀態(tài)，狀態(tài)用S表示，機器周期CPU完成一種基本操作所需的時間稱機器周期。如CPU取指令、分析指令、執(zhí)行指令等。一個機器周期分6個狀態(tài)，記為S1S6，因此，一個周期由

20、12個節(jié)拍組成，分別記為S1P1、S1P2、S6P1、S6P2。指令周期CPU執(zhí)行一條指令所需要的時間稱之為指令周期，如圖13所示。圖13 單片機指令周期1、指令時序1)、取指令和執(zhí)行指令： 取指令：CPU在每出現(xiàn)一次ALE取一次指令，一個周期出現(xiàn)二次ALE。第一次出現(xiàn)在S1P2、第二次出現(xiàn)在S4P2，寬度為一個狀態(tài)。執(zhí)行指令：80C51共有111條指令，指令時序分成單字節(jié)、單周期指令時序；雙字節(jié)單周期指令時序；單字節(jié)雙周期指令時序；二字節(jié)二周期指令時序；一字節(jié)四周期指令時序。2)、指令執(zhí)行過程如圖14是單片機指令執(zhí)行過程：圖14 單片機指令執(zhí)行過程現(xiàn)說明如下：、單字節(jié)、單周期指令時序：在S1

21、期間讀入操作碼，并把它送入指令寄存器，接著開始執(zhí)行，并在本周期的S2P2執(zhí)行完畢。如：INC A；、雙字節(jié)單周期指令時序：在S1期間讀入指令操作碼并鎖存，在S4期間讀入指令第二字節(jié)，指令在相周期的S6P2期間執(zhí)行完畢。如：ADD A，#data、單字節(jié)雙周期指令時序： 在S1期間讀入操作碼并鎖存，然后開始執(zhí)行，在第二周期的最后一個狀態(tài)S6P2執(zhí)行完畢。如：MOVX A，DPTR2、振蕩器和時鐘電路如圖15所示，80C51的時鐘主生方法分內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式：圖15 振蕩器1)、內(nèi)部時鐘電路 此時在芯片XTAL1和XTAL2兩端跨接晶體，C取30PF；若跨接陶瓷諧振器，C取47pF；晶振頻

22、率可在1.212MHZ之間選擇。2)、外部時鐘方式 此方式是利用外部振蕩脈沖接入XTAL1或XTAL2。HMOS和CHMOS單片機外時鐘信號接入方式不同。如圖16所示：圖16 單片機外接時鐘電路8051的時鐘信號由XTAL2輸入，考慮到XTAL2不是TTL電平，因此接有上拉電阻。80C51的時鐘由XTAL1輸入。第六節(jié) 單片機工作方式單片機有復(fù)位、程序執(zhí)行、低功耗、編程和校驗四種工作方式，下面介紹前三種，編程和校驗工作方式。1、復(fù)位方式 1） 復(fù)位操作復(fù)位操作是單片機的初始化操作，單片機在進(jìn)入運行前和在運行過程中程序出錯或操作失誤使系統(tǒng)不能正常運行時，需要進(jìn)行復(fù)位操作。復(fù)位操作后，程序?qū)?0

23、00H開始重新執(zhí)行，復(fù)位時特殊功能寄存器的狀態(tài)如表3所示。除此之外，復(fù)位操作還使單片機的ALE和PSEN引腳信號在復(fù)位期間變?yōu)闊o效狀態(tài)。表3 特殊功能寄存器復(fù)位狀態(tài)表寄存器名稱復(fù)位狀態(tài)寄存器名稱復(fù)位狀態(tài)PC0000HTCON0 000000BACC00HTL000HB00HTH000HPSW00HTL100HSP07HTH100HTMOD 000000BPCON0 0000BDPTR0000HSBUF不定P0-P3FFHSCON00H2） 復(fù)位工作方式 （1）復(fù)位信號單片機對復(fù)位信號的要求：一是復(fù)位信號為高電平，二是復(fù)位信號有效持續(xù)時間不少于24個振蕩脈沖（兩個機器周期）以上。在這里特別要提醒

24、的是，在一個應(yīng)用系統(tǒng)中，如果有幾片單片機同時工作，在程序上有連接關(guān)系，系統(tǒng)復(fù)位時，應(yīng)確保每一片單片機同時復(fù)位。 （2）復(fù)位工作方式復(fù)位信號由單片機的RST引腳輸入，復(fù)位操作有上電自動復(fù)位、按鍵復(fù)位和外部脈沖復(fù)位三種方式，見圖25所示。隨著單片機技術(shù)的發(fā)展，目前有些單片機內(nèi)部帶有看門狗電路，當(dāng)程序進(jìn)行出錯或進(jìn)入了無休止循環(huán)時，看門狗電路將利用軟件強行使系統(tǒng)復(fù)位。2、 程序執(zhí)行方式程序執(zhí)行方式是單片機的基本工作方式。系統(tǒng)復(fù)位PC=0000H，程序從0000H開始執(zhí)行，考慮到單片機存儲器結(jié)構(gòu)的特殊性（0003H-0002BH共四十個單元，預(yù)留用于中斷程序），在0000H-0002H中放一條無條件轉(zhuǎn)移指令，程序從指定的地址開始執(zhí)行。配合程序調(diào)試，程序又可運行在單步、跟蹤、全速運行三種執(zhí)行方式。目前一般仿真器都提供了這三種程序執(zhí)行方式。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在線可編程（ISP）單片