第二章單片機的硬件結(jié)構(gòu)

1、2.1 單片機的概念 單片微型計算機SCMC(Single Chip Micro-Computer)，是計算機、自動控制和大規(guī)模集成電路相結(jié)合的產(chǎn)物。 還有其他的稱呼，如：微控制器（MCU），嵌入式微控制器(EMCU），嵌入式微處理器（EMP）等。 目前使用最多的仍是8位單片機。在8位單片機中80c51的使用更為廣泛。本教材也是以80c51為基礎(chǔ)。2.2.1 80C51單片機的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)1. 中央處理器CPU （1）運算電路 （2）控制電路 2. 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器 3. 內(nèi)部程序存儲器 4. 定時器/計數(shù)器 5. 并行I/O口 6. 串行口 7. 中斷控制電路 8. 時鐘電路 9. 位處理器

2、10. 內(nèi)部總線圖2.2 80C51芯片邏輯結(jié)構(gòu)圖圖2.3 80C51單片機芯片引腳及芯片邏輯符號 輸入/輸出口線:P0.0P0.7, P1.0P1.7, P2.0P2.7, P3.0P3.7.地址鎖存信號控制：ALE外部程序存儲器讀寫信號：*PSEN訪問程序存儲器控制信號：*EA復(fù)位信號：RST外接晶體引線端：XTAL1和XTAL2地線：VSS+5V電源：VCC（1）80C51 的引腳復(fù)用 ALE/*PROG 編程脈沖 *EA/VPP 編程電壓（2）引腳復(fù)用不會引起混亂 引腳引腳轉(zhuǎn)義轉(zhuǎn)義引腳引腳功能說明功能說明P3.0RXD串行數(shù)據(jù)接收端串行數(shù)據(jù)接收端P3.1TXD串行數(shù)據(jù)發(fā)送端串行數(shù)據(jù)發(fā)送

3、端P3.2INT0外部中斷外部中斷0請求請求P3.3INT1外部中斷外部中斷1請求請求P3.4T0計數(shù)器計數(shù)器0外部輸入外部輸入P3.5T1計數(shù)器計數(shù)器1外部輸入外部輸入P3.6WR外部數(shù)據(jù)存儲器寫外部數(shù)據(jù)存儲器寫P3.7RD外部數(shù)據(jù)存儲器讀外部數(shù)據(jù)存儲器讀 單片機的內(nèi)部存儲器包括數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器。80C51的數(shù)據(jù)存儲區(qū)共有256個單元，按功能又劃分為:低128單元區(qū)和高128單元區(qū)。圖2.4 80C51 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器配置圖1. 寄存器區(qū) 內(nèi)部RAM的前32個單元作為通用寄存器使用，地址為00H1FH。分為4組，組號依次為0、1、2、3。每組有8個寄存器：R7R0。 任一時刻，cpu只

4、能使用其中的一組寄存器，稱為當前寄存器組，由程序狀態(tài)字寄存器PSW中的RS1，RS0位的組合來決定。2. 位尋址區(qū) 內(nèi)部RAM的20H2FH單元。既可作為一般RAM單元使用進行字節(jié)操作，也可對單元中的每一位進行位操作。這16個RAM單元總計有128個可直接尋址位，位地址為00H-7FH。3. 用戶RAM區(qū) 剩余的80個單元為供用戶使用的一般RAM區(qū)，單元地址為30H7FH。在一般應(yīng)用中常把堆棧開辟在此區(qū)。1. 專用寄存器簡介 （1）累加器A（或ACC-ACCumulator） 最常用的專用寄存器 （2）B寄存器（B register） 在乘除指令中用到B寄存器乘 MUL AB；A與B相乘，高字

5、節(jié)放在B中，低字節(jié)放在A中。 除 DIV AB；A除以B，商放在A中，余數(shù)放在B中。其他指令中，B同一般的RAM。 （4）數(shù)據(jù)指針DPTR 唯一一個供用戶使用的16位寄存器；既可以按16位寄存器用，也可以用作兩個8位寄存器：DPH（高8位） DPL（低8位）8位寄存器，它包含了程序狀態(tài)信息。 CY：進位標志。在執(zhí)行某些算術(shù)和邏輯運算時，可被硬件或軟件置位或清除。 AC：輔助進位標志。當?shù)?位數(shù)向高4位數(shù)進位或借位時，AC將被硬件置1，否則就被清除。 RS0，RS1：用軟件置位或清除來確定工作寄存器區(qū)。 （0，0）區(qū)0（00H07H） （0，1）區(qū)1（08H0FH） （1，0）區(qū)2（10H17H

6、） （1，1）區(qū)3（18H1FH） OV：溢出標志。執(zhí)行算術(shù)運算時，由硬件置位或清除 。加減法時：有符號運算，結(jié)果超過范圍-128+127產(chǎn)生溢出。乘除也會影響OV，積大于255或除數(shù)為0，OV置位否則清零。 P：奇偶標志。每個指令周期都由硬件來置位或清零。A中值為1的位數(shù)為奇數(shù)，則P置位，否則清零。1. 堆棧的功用 堆棧主要是為子程序調(diào)用和中斷操作而設(shè)立的，對應(yīng)有兩項功能：保護斷點和保護現(xiàn)場。2. 堆棧的開辟 只能開辟在芯片的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲中。3. 堆棧指針 堆棧的兩種操作：進棧和出棧。都是對棧頂單元進行的。堆棧指針SP用來指示棧頂。SP的內(nèi)容就是堆棧棧頂?shù)拇鎯卧刂贰?. 堆棧類型 兩種不

7、同類型的堆棧結(jié)構(gòu) 兩種類型：向上生長型和向下生長型。80c51使用向上生長型堆棧，操作規(guī)則如下： 進棧操作：先SP加1，后寫入數(shù)據(jù)。 出棧操作：先讀出數(shù)據(jù)，后SP減1。 5. 堆棧使用方式 兩種：自動方式和指令方式。 自動方式：在調(diào)用子程序或中斷時，返回地址自動進棧。程序返回時，斷點再自動彈回PC。 指令方式：使用專用的堆棧操作指令，進行進出棧操作。進棧指令為PUSH，出棧指令為POP。功能：用于存放編好的程序和表格常數(shù) 。如何工作：程序計數(shù)器（PC），也叫PC指針，是取指地址。上電復(fù)位后內(nèi)容為0000H，即從0000H地址的指令順序執(zhí)行，最大為FFFFH，所以程序空間為64K。64K空間分為

8、片內(nèi)ROM和片外ROM，但統(tǒng)一編址。 外 部內(nèi) 部(EA=1)外 部(EA=0)00000FFF00000FFF1000FFFF在64K的程序存儲器中，有5個特殊的單元，存放5種中斷源的中斷入口： 外部中斷0 0003H 定時器0溢出 000BH 外部中斷1 0013H 定時器1溢出 001BH 串行口 0023H2.4.1 P0口邏輯結(jié)構(gòu) P0口地址為80H，位地址為80H-87H。既可做一般I/O口，又可作地址/數(shù)據(jù)總線，某一位的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖 圖2.5 P0口電路邏輯2.4.2 P1口邏輯結(jié)構(gòu) P1口地址為90H，位地址為90H-97H。只能作為通用數(shù)據(jù)I/O口使用，電路邏輯如下圖： 2

9、.4.3 P2口邏輯結(jié)構(gòu) P2口地址為A0H，位地址為A0H-A7H。 既可做通用I/O口，又可作系統(tǒng)高位地址線，某一位的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖2.4.4 P3口邏輯結(jié)構(gòu) P3口地址為B0H，位地址為B0H-B7H。 雖然可做通用I/O口，但在實際應(yīng)用中，它的第二功能信號更為重要，某一位的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖單片機本身是一個復(fù)雜的同步時序系統(tǒng)，為保證同步工作方式的實現(xiàn)，單片機必須有時鐘信號，以使其系統(tǒng)在時鐘信號的控制下按時序協(xié)調(diào)工作。1. 振蕩電路 2. 分頻電路圖2.9 80C51單片機的振蕩電路 圖2.10 80C51單片機的時鐘電路框圖 3. 晶振頻率(1.233MHz) 4. 從外部引入脈沖信號驅(qū)動

10、時鐘電路 圖2.11 80C51外部脈沖源接法1. 拍節(jié)與狀態(tài)即振蕩周期，時鐘脈沖頻率的倒數(shù)，定義為拍節(jié)（P）。時鐘信號的周期定義為狀態(tài)（S）。1S=2P2. 機器周期 規(guī)定一個機器周期的寬度為6個狀態(tài)，S1S6。例：若振蕩脈沖頻率為N，先12分頻，則有N/12,而周期是頻率的倒數(shù)，所以機器周期是1/(N/12)3. 指令周期執(zhí)行一條指令所需要的時間，可包含1個、2個或4個機器周期。 復(fù)位是單片機的硬件初始化操作。復(fù)位后，單片機才能開始正常工作。2.6.1 復(fù)位方式與初始化狀態(tài) 1. 復(fù)位方式 （1）加電復(fù)位：通過專用的復(fù)位電路產(chǎn)生復(fù)位信號。 （2）手動復(fù)位： 在實際應(yīng)用中，總是把加電復(fù)位和手

11、動復(fù)位結(jié)合在一起，形成一個綜合的復(fù)位電路。 PC0000HACC00HB00HPSW00HSP07HDPTR0000HP0P30FFHIPxxx00000B完成復(fù)位操作需24個狀態(tài)周期 IE0 x000000BTMOD00HTCON00HTH0,TL0,TH1,TL100H SCON00HSBUF不定PCON0 xxxxxxxB2.7.1 單片機低功耗的意義 從便攜等方面考慮 從芯片排列方面考慮 從可靠性方面考慮 從發(fā)展趨勢方面考慮1. 待機模式（Idle Mode）：一條把IDL置1的指令執(zhí)行后，單片機進入待機工作狀態(tài)。 （1）待機模式概述提供給CPU的內(nèi)部時鐘信號被切斷，但時鐘信號仍提供給

12、中斷邏輯，定時器和串行口。 CPU的全部狀態(tài)在待機期間都保留起來，包括：堆棧指針SP、程序計數(shù)器PC、程序狀態(tài)字PSW、累加器ACC以及所有的工作寄存器。 可以通過被允許的中斷或復(fù)位來終止待機方式 。中斷結(jié)束待機，IDL自動被硬件清除；復(fù)位信號使RST保持兩個機器周期，“復(fù)位”也自動清除IDL 兩種節(jié)電運行方式（待機方式和掉電方式），由PCON的有關(guān)位來控制 。 SMOD波特率倍增位，1時，串口1，2，3方式，波特率加倍。 GF1，GF0通用標志位。 PD掉電方式位，1時，觸發(fā)掉電工作方式。 IDL待機方式位，1時，觸發(fā)待機方式。 PD和IDL同為1時，則觸發(fā)掉電工作方式。（一）填空題通過堆棧

13、實現(xiàn)子程序調(diào)用，首先要把（ ）的內(nèi)容入棧，以進行斷點保護。調(diào)用返回時再進行出棧操作，把保護的斷點送回（ ）。通常單片機有兩種復(fù)位操作，即（ ）和（ ）。復(fù)位后，PC值為（ ），SP值為（ ），通用寄存器的當前寄存器組為（ ）組，該組寄存器的地址范圍是從（ ）到（ ）。80C51單片機中，一個機器周期包含（ ）個狀態(tài)周期，一個 狀態(tài)周期又可劃分為（ ）個拍節(jié)，一個拍節(jié)為（ ）個振蕩脈沖周期。因此，一個機器周期應(yīng)包含（ ）個振蕩脈沖周期。80C51中惟一一個可供用戶使用的16位寄存器是（ ），它可拆分為兩個8位寄存器使用，名稱分別為（ ）和（ ）。單片機程序存儲器的尋址范圍由PC的位數(shù)決定。80C51的PC為16位，因此程序存儲器地址空間是（ ）。2.取指操作后，PC的值是（ ）（A）當前指令前一條指令的地址（B）當前正在執(zhí)行指令的地址（C）下一條指令的地址（D）控制寄存器中指令寄存器的地址3.80C51單片機中，設(shè)置堆棧指針SP為37H后就發(fā)生子程序調(diào)用，這時SP的值變?yōu)椋?）（A）37H （B）38H （C）39H （D）3