第2章單片機芯片的硬件結(jié)構(gòu)ppt課件

1、第2章 單片機芯片的硬件構(gòu)造2.1 MCS-51單片機的邏輯構(gòu)造及引腳信號2.2 MCS-51單片機的內(nèi)部存儲器2.3 MCS-51單片機并行輸入/輸出接口2.4 MCS-51單片機時鐘電路與時序2.5 MCS-51單片機任務(wù)方式 . 2.1 MCS-51單片機的邏輯構(gòu)造及引腳信號MCS-51單片機的組成 ：1. 8位CPU2. 片內(nèi)ROM/EPROM、RAM3. 片內(nèi)并行 I/O接口4. 片內(nèi)16位定時器/計數(shù)器5. 片內(nèi)中斷處置系統(tǒng)6. 片內(nèi)全雙工串行I/O口 不同型號MCS-51單片機CPU處置才干和指令系統(tǒng)完全 兼容，只是存儲器和I/O接口的配置有所不同。.2.1.1MCS-51 單片

2、機構(gòu)造框圖圖2.1 MCS-51單片機系統(tǒng)構(gòu)造框圖.2.1.2 MCS-51單片機芯片內(nèi)部邏輯構(gòu)造. 1中央處置器CPU 中央處置器CPU是單片機的中心，完成運算和控制功能，MCS-51單片機的CPU能處置8位二進(jìn)制數(shù)或代碼。 . 2、內(nèi)部數(shù)據(jù)存貯器內(nèi)部RAM 8051共有256個RAM，其中128個被公用存放器占用，能作為存放器供用戶運用的只需128個單元，簡稱內(nèi)部RAM. 3、內(nèi)部程序存貯器內(nèi)部ROM 8051共有4K掩膜ROM，用于存放程序，原始數(shù)據(jù)，表格。稱程序存儲器，簡稱內(nèi)部ROM. 4、定時器/計數(shù)器 8051共有2個16位定時器/計數(shù)器，以實現(xiàn)定時或計數(shù)功能，并以定時或計數(shù)結(jié)果對

3、計算機進(jìn)展控制。. 5、并行I/O口 8051共有4個I / O口P0 P1 P2 P3以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸出，輸入。. 6、串行I/O口 MCS-51的一個全雙工的串行口，以實現(xiàn)單片機與其它設(shè)備之間的串行數(shù)據(jù)傳輸。該 口功能較強，既可作為全雙工異步通訊收發(fā)器運用，也可作為同步移位器運用。. 7、中斷控制系統(tǒng) 8051共有5個中斷源，外中斷2個，定時器/計數(shù)中斷2 個，串行中斷1 個。分為高級和低級兩個級別。. 8、時鐘電路 MCS-51內(nèi)部有時鐘，但晶振和微調(diào)電容需外接。系統(tǒng)允許最高頻率為12MHZ. 9.位處置器 以形狀存放器中的進(jìn)位標(biāo)志位C為累加位，可進(jìn)展置位、復(fù)位、取反等操作。. 10、

4、總線 部件經(jīng)過總線銜接起來。.2.1.3 MCS-51的信號引腳ALE 地址鎖存允許信號端PSEN 外部程序存儲器讀選通訊號端EA 訪問程序存儲器選擇信號端RST 復(fù)位信號XTAL1 XTAL2 外接晶體引腳VSS 地線VCC +5V電源MCS-51為規(guī)范40引腳雙列直插式集成電路芯片1信號引腳功能 P0.0P0.7 、P1.0P1.7 P2.0P2.7 、P3.0P3.7 4個8位并行雙向 I/O 接口多功能引腳，可自動切換用作數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線或I/O 接口.邏輯符號：.2信號引腳的第二功能 P3口的8條口線都定義有第二功能，見下表.2.2 MCS-51單片機的內(nèi)部存儲器 共有2

5、56單元，其中低128單元(00H-7FH)為內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲單元，高128單元(80H-FFH)為特殊功能存放器。2.2 .1 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器低128單元.內(nèi)部存儲器低128單元(00H-7FH)1、通用存放器區(qū) 存放器用于存放操作數(shù)及中間結(jié)果。 地址：00H1FH，分為4組，組號分別為0、1、2、3，每組8個存放器，按R7 R0編號，CPU每次只運用1組。 究竟用哪一組，由程序形狀字存放器PSW中的RS1/RS0位的形狀組合來決議。 通用存放器有兩種用法： 一以存放器方式運用； 二存儲單元方式運用。.內(nèi)部存儲器低128單元(00H-7FH)2、位尋址區(qū) 地址：20H2FH，可按普通RAM字節(jié)單

6、元操作，也可按位操作，共128位，位地址為00H 7FH?！拔挥袃煞N表示方法：1以位地址方式例：7FH；2以存儲單元地址加位的方式表示2FH.7；.內(nèi)部存儲器低128單元(00H-7FH)3、用戶RAM區(qū) 地址：30H7FH，供用戶運用的普通RAM區(qū)，共80個單元；堆棧常開在此區(qū)。 對于用戶RAM區(qū)，只能以存儲單元的方式運用。. 這些存放器的功能廠家已作專門規(guī)定，故稱為特殊功能存放器(SFR)，用于存放相應(yīng)功能部件的控制命令、形狀和數(shù)據(jù)。 占用字節(jié)地址：80HFFH，80C51的公用存放器共有22個，其中可尋址的21個。公用存放器： A、B、PSW、DPTR、PC2.2.2內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器高 1

7、28單元.1.公用 存放器簡介1程序計數(shù)器PC PC是一個16位的計數(shù)器。 內(nèi)容為將要執(zhí)行的指令地址，尋址范圍達(dá)64KB。 具有自動加1功能，以實現(xiàn)程序的順序執(zhí)行。 PC沒有地址，是不可尋址的； 但在執(zhí)行轉(zhuǎn)移、調(diào)用、前往等指令時能改動其內(nèi)容。2.2.2內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器高 128單元.2累加器A累加器為8位存放器；功能如下：存放操作數(shù)；運算結(jié)果的暫存，用于存放中間結(jié)果；數(shù)據(jù)傳送的中轉(zhuǎn)站；在變址尋址方式中把累加器作為變址存放器運用。2.2.2內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器高 128單元.3B存放器 B存放器為8位； 主要用于乘除運算； 乘法運算時： B為乘數(shù)，乘積的高8位存于B中。 除法運算時： B為除數(shù)，除法操作

8、后，余數(shù)存于B中。2.2.2內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器高 128單元.4程序形狀字PSW8位存放器，用于存放指令執(zhí)行的形狀信息。有些位硬件自動設(shè)置，有些位用軟件設(shè)定。一些條件轉(zhuǎn)移指令根據(jù)PSW的位形狀來進(jìn)展程序轉(zhuǎn)移的。PSW的各位定義如下：2.2.2內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器高 128單元位序PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0位標(biāo)志CYACF0RS1RS0OV/PCY：進(jìn)位標(biāo)志位一是存放算術(shù)運算的進(jìn)位標(biāo)志；二是在位操作中，作累加位運用。位傳送、位與、位或等位操作中都要用到進(jìn)位標(biāo)志位。.4程序形狀字PSW位序PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW

9、.1PSW.0位標(biāo)志CYACF0RS1RS0OV/PAC：輔助進(jìn)位標(biāo)志位加減運其中當(dāng)有低4位向高4位進(jìn)位或借位時，AC由硬件置位，否那么AC位被清0。.4程序形狀字PSW位序PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0位標(biāo)志CYACF0RS1RS0OV/PF0：用戶標(biāo)志位這是一個供用戶定義的標(biāo)志位，需求時用軟件方法置位或復(fù)位，用以控制程序的轉(zhuǎn)向。.4程序形狀字PSW位序PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0位標(biāo)志CYACF0RS1RS0OV/PRS1和RS0：存放器組選擇位由軟件設(shè)置用于設(shè)定通用存放器的組號。通用存放

10、器共有四組，其對應(yīng)關(guān)系為： RS1 RS0寄存器組R0R7地址 0 000007H 0 11080FH 1 021017H 1 13181FH.4程序形狀字PSW位序PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0位標(biāo)志CYACF0RS1RS0OV/POV：溢出標(biāo)志位在帶符號數(shù)加減運其中，OV1表示加減運算超出了累加器A所能表示的符號數(shù)有效范圍(一128一十127)，即產(chǎn)生了溢出，因此運算結(jié)果是錯誤的；否那么，OV0表示運算正確，即無溢出產(chǎn)生。在乘法運算其中，OV1表示乘積超越255，即乘積分別在B與A中;否那么，OV0，表示乘積只在A中。在除法運算中，OV1表

11、示除數(shù)為0，除法不能進(jìn)展，否那么，OV0，除數(shù)不為0，除法可正常進(jìn)展。.4程序形狀字PSW位序PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0位標(biāo)志CYACF0RS1RS0OV/PP：奇偶標(biāo)志位闡明累加器A中1的個數(shù)的奇偶性，在每個指令周期由硬件根據(jù)A的內(nèi)容對P位自動置位或復(fù)位。1為偶數(shù)，P=0；反之，P=1.5數(shù)據(jù)指針DPTR 數(shù)據(jù)指針為16位存放器，它是MCS51中獨一的一個16位存放器。編程時，DPTR既可以按16位存放器運用，也可以按兩個8位存放器分開運用，即： DPH DRTR高位字節(jié) DPL DRTR低位字節(jié) DPTR通常在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時作地址

12、指針運用由于外部數(shù)據(jù)存儲器的尋址范圍為64KB，故DPTR設(shè)計為16位。 在變址尋址方式中，用DPTR作基址存放器，用于對程序存儲器的訪問。.2.公用存放器的字節(jié)尋址21個可尋址的公用存放器是不延續(xù)地分散在內(nèi)部RAM高128單元之中。雖然還余有許多空閑地址，但用戶并不能運用。在22個公用存放器中，獨一一個不可尋址的公用存放器就是程序計數(shù)器(Pc)。PC不占據(jù)RAM單元，它在物理上是獨立的，因此是不可尋址的存放器。對公用存放器只能運用直接尋址方式,指令中既可運用存放器符號，也可運用存放器單元地址。 .2.2.3 MCS-51的堆棧操作 堆棧是一種數(shù)據(jù)構(gòu)造，是一種只允許在一端進(jìn)展操作的線性表。 數(shù)

13、據(jù)寫入堆棧叫做入棧，數(shù)據(jù)從堆棧中讀出叫做出棧。 堆棧數(shù)據(jù)操作的特點是“后進(jìn)先出LIFO。1. 堆棧的功能 堆棧用于子程序調(diào)用和中斷操作，主要功能是保管斷點和維護(hù)現(xiàn)場。經(jīng)過保管斷點和維護(hù)現(xiàn)場，可以使計算機執(zhí)行子程序或中斷效力程序后正確前往主程序。 .2.2.3 MCS-51的堆棧操作2. 堆棧的開辟 堆棧只能開辟在內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器中。3. 堆棧指示器 堆棧數(shù)據(jù)操作都是在棧頂進(jìn)展的，棧頂?shù)刂繁９茉诙褩Ｖ甘酒鱏P-Stack Pointer中。SP中的內(nèi)容就是堆棧棧頂?shù)拇鎯卧刂贰?系統(tǒng)復(fù)位后，SP的內(nèi)容為07H。程序設(shè)計時，把SP值初始化為30H以后，以免占用珍貴的存放器區(qū)和位尋址區(qū)。.4堆棧類型

14、 兩種類型：向上生長型和向下生長型 向上生長型堆棧：棧底在低地址單元。數(shù)據(jù)進(jìn)棧，地址遞增，堆棧指針SP上移。數(shù)據(jù)出棧，地址遞減，堆棧指針SP下移。 向下生長型堆棧：棧底在高地址單元。數(shù)據(jù)進(jìn)棧，地址遞減，堆棧指針SP下移。數(shù)據(jù)出棧，地址遞增，堆棧指針SP上移。2.2.3 MCS-51的堆棧操作.MCS-51屬于向上生長型，堆棧的操作規(guī)那么如下：進(jìn)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15堆棧運用方式 進(jìn)棧指令：PUSH 出棧指令：POP.2.2.4 內(nèi)部程序存儲器 80C51內(nèi)部有4KROM存儲單元，地址為0000H-0FFFH。 其中0000H-002AH單元為保管單元，

15、為系統(tǒng)啟動單元。 系統(tǒng)復(fù)位后，PC=0000H，單片機從0000H單元開場讀取指令執(zhí)行程序。為了不使程序執(zhí)行產(chǎn)生矛盾，在0000H-0002H單元需求存放一條無條件轉(zhuǎn)移指令，使程序執(zhí)行轉(zhuǎn)到主程序的首地址。 0003H-002AH單元共40個單元被分成5段，每段8個單元，分別作為5個中斷源的中斷程序地址區(qū)，詳細(xì)為： 0003H-000AH單元：外部中斷0的中斷效力程序地址區(qū)。 000BH-0012H單元：定時器/計數(shù)器0的中斷效力程序地址區(qū)。 0013H-001AH單元：外部中斷1的中斷效力程序地址區(qū)。 001BH-0022H單元：定時器/計數(shù)器1的中斷效力程序地址區(qū)。 0023H-002AH單

16、元：串行中斷的中斷效力程序地址區(qū)。 . 對于中斷源的中斷程序存放地址區(qū)，普通說來，只需8個單元不夠存放完好的中斷效力程序。因此，各中斷源的中斷效力程序地址區(qū)的首地址也存放一條無條件轉(zhuǎn)移指令，使程序執(zhí)行可以轉(zhuǎn)去到該中斷源的中斷效力程序的首地址。. 2.2.5 MCS-51單片機系統(tǒng)的存儲器構(gòu)造特點兩個重要特點：一是把數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器分開；二是存儲器有內(nèi)外之分。. 8051 的系統(tǒng) RAM、ROM 構(gòu)造總結(jié) 訪問片內(nèi)外 RAM 用不同指令識別 訪問片內(nèi)外 ROM 用控制線 /EA 識別 訪問片內(nèi) RAM 用 MOV 訪問片外 RAM 用 MOVX 訪問片內(nèi)外 ROM 使 /EA = 1 僅訪

17、問片外 ROM 使 /EA = 0.2.3 MCS-51單片機并行輸入/輸出口電路 MCS-51單片機有4個8位并行I/O口，P0P3，共32根口線。 每個端口都包括：鎖存器SFR、輸出驅(qū)動器、兩個三態(tài)緩沖器以及控制電路。. P0 口的功能和特點 當(dāng) 8051 僅運用片內(nèi) RAM、ROM 時 當(dāng) 8051 要運用片外 RAM、ROM 時 P0口作為普通 I/O 口運用 字節(jié)操作時的名 P0 P0 口的字節(jié)地址 80H 位操作時的名 P0.0 P0.7 P0 口的位地址 80H 87H P0 口作 8 位數(shù)據(jù)線和 16 位地址線的低 8 位 即AD0 AD7 需處理數(shù)據(jù)/地址復(fù)用線的分別2.3.

18、1 P0口地址：80H.2.3.1 P0口圖2.7 P0口電路邏輯. P1 口的功能和特點 僅作普通 I/O 口運用 字節(jié)操作時的名 P1 P1 口的字節(jié)地址 90H 位操作時的名 P1.0 P1.7 P1 口的位地址 90H 97H2.3.2 P1口地址：90H.圖2.8 P1口電路邏輯2.3.2 P1口地址：90H. P2 口的功能和特點 當(dāng) 8051 僅運用片內(nèi) RAM、ROM 時 當(dāng) 8051 要運用片外 RAM、ROM 時 P2 口作為普通 I/O 口運用 字節(jié)操作時的名 P2 P2口的字節(jié)地址 A0H 位操作時的名 P2.0 P2.7 P2口的位地址 A0H A7H P2 口作 1

19、6 位地址線的高 8 位 即A8 A15 由于未復(fù)用，可直接運用2.3.3 P2口地址：A0H.2.3.3 P2口圖2.9 P2口電路邏輯.特點：1作為通用I/O口運用，準(zhǔn)雙向口。2第二功能口。2.3.4 P3口地址：B0H圖2.10 P3口電路邏輯.2.4 MCS-51 單片機時鐘電路與時序2.4.1 時鐘電路圖2.11 MCS-51單片機的振蕩電路 圖2.12 MCS-51單片機的時鐘電路框圖 .2.4.2 時序定時單位1 拍節(jié)與形狀 把振蕩脈沖的周期定義為拍節(jié)(用P表示)。 振蕩脈沖經(jīng)過二分頻后，就是單片機的時鐘信號，把時鐘信號的周期定義為形狀(用s表示)。 這樣，一個形狀就包含兩個拍節(jié)

20、，其前半周期對應(yīng)的拍節(jié)叫拍節(jié)1(PI)，后半周期對應(yīng)的拍節(jié)叫拍節(jié)2(P2。.2 機器周期 MCS51采用定時控制方式，因此它有固定的機器周期。規(guī)定一個機器周期的寬度為6個形狀，并依次表示為S1S6。由于一個形狀又包括兩個拍節(jié)，因此一個機器周期總共有12個拍節(jié)。由于一個機器周期共有12個振蕩脈沖周期，因此機器周期就是振蕩脈沖的十二分頻，.3. 指令周期 指令周期是最大的時序定時單位；執(zhí)行一條指令所需的時間。.2.4.3典型指令時序 MCS51共有111條指令，全部指令按其長度可分為單字節(jié)指令、雙字節(jié)指令和三字節(jié)指令。 執(zhí)行這些指令所需求的機器周期數(shù)目是不同的，概括起來共有以下幾種情況：單字節(jié)指令

21、單機器周期和單字節(jié)指令雙機器周期，雙字節(jié)指令單機器周期和雙字節(jié)指令雙機器周期，三字節(jié)的指令都是雙機器周期，而單字節(jié)的乘除指令那么為四機器周期。.現(xiàn)對幾個典型指令的時序作如下闡明：1單字節(jié)單周期指令(例如INC A) 由于是單字節(jié)指令，因此只需進(jìn)展一次讀指令操作。當(dāng)?shù)诙€ALE有效時由于PC沒有 加1，所以讀出的還是原指令，一次無效的操作。2雙字節(jié)單周期指令(例如ADD A，#data) 這種情況下對應(yīng)于ALE的兩次讀操作都是有效的，第一次是讀指令操作碼，第二次是讀指令第二字節(jié)。.3單字節(jié)雙周期指令 兩個機器周期共進(jìn)展4次讀指令的操作，但其中后3次的操作全是無效的4單字節(jié)雙周期(MOVX類指令) 執(zhí)行這類指令時，先在ROM瀆取指令，然后對外部RAM進(jìn)展讀寫操作。第一機器周期時，與其它指令一樣，第一次讀指令(操作