單片機(jī) 教案 的結(jié)構(gòu)和原理

單片機(jī)課件教案的結(jié)構(gòu)和原理第1頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2722.1

80C51系列概述2.1.1MCS-51系列

8051/8751/80318052/8752/803280C51/87C51/80C3180C52/87C52/80C32等

MCS-51是Intel公司生產(chǎn)的一個(gè)單片機(jī)系列名稱。這一系列的單片機(jī)有多種，如：第2頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/273

生產(chǎn)工藝有兩種：在產(chǎn)品型號(hào)中凡帶有字母“C”的即為CHMOS芯片，CHMOS芯片的電平既與TTL電平兼容，又與CMOS電平兼容。如87C51。一是HMOS工藝（高密度短溝道MOS工藝）。二是CHMOS工藝（互補(bǔ)金屬氧化物的HMOS工藝）。第3頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/27480C51典型產(chǎn)品資源配置第4頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/275功能上，有基本型和增強(qiáng)型2大類：增強(qiáng)型：8052/8752/803280C52/87C52/80C32基本型：8051/8751/803180C51/87C51/80C31第5頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/276

由表可見：增強(qiáng)型與基本型的幾點(diǎn)不同：片內(nèi)ROM：從4K增加到8K

片內(nèi)RAM：從128增加到256

定時(shí)/計(jì)數(shù)器：從2個(gè)增加到3個(gè)中斷源：從5個(gè)增加到6個(gè)。

第6頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/277無ROM型，要在片外擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器；掩膜ROM型，程序由芯片生產(chǎn)廠寫入；EPROM型，程序通過寫入裝置寫入；FlashROM型，程序可電寫入（常用）。片內(nèi)ROM的配置形式：還有OTPROM型，具有較高的可靠性。第7頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2782.1.280C51系列各廠商以8051為基核開發(fā)出的CMOS單片機(jī)統(tǒng)稱為80C51系列。常用產(chǎn)品有：Intel：80C31、80C51、87C51，80C32、80C52、87C52等；ATMEL：89C51、89C52、89C2051等；Philips、華邦、Dallas、Siemens等公司的許多產(chǎn)品。第8頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2792.2

80C51的基本結(jié)構(gòu)與應(yīng)用模式2.2.180C51的基本結(jié)構(gòu)第9頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一80C51單片機(jī)主要由以下功能部件組成：

（1）8位微處理器（CPU）；（2）128B數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），片外可擴(kuò)展到64KB；（3）4KB程序存儲(chǔ)器（ROM/FLASH），片外可擴(kuò)展到64KB（4）21個(gè)特殊功能寄存器（SFR）（5）4個(gè)8位并行I/O口（P0口、P1口、P2口、P3口）（6）1個(gè)全雙工異步串行口（UART）；（7）2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（T0，T1）；（8）5個(gè)中斷源的中斷系統(tǒng)（X0，T0，X1，T1，S）。2023/4/2710第10頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/27112.2.280C51的應(yīng)用模式

帶總線擴(kuò)展引腳的產(chǎn)品擴(kuò)展總線的應(yīng)用模式不擴(kuò)展總線的應(yīng)用模式

第11頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2712

沒有總線擴(kuò)展引腳的產(chǎn)品引腳數(shù)減少、體積減小。對(duì)于不需進(jìn)行并行外圍擴(kuò)展，裝置的體積要求苛刻且程序量不大的系統(tǒng)極其適合。典型產(chǎn)品,如：AT89S2051/AT89S4051。第12頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2713QFP封裝2.3

80C51典型產(chǎn)品資源配置與引腳封裝第13頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2714LCC封裝第14頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/271580C51的引腳電源引腳:Vcc、Vss時(shí)鐘引腳：XTAL1、XTAL2控制引腳：/PSEN、/EA、ALE、RSTI/O引腳:P0、P1、P2、P3第15頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一第16頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/27172.480C51的CPU第17頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/27182.4.1CPU的功能單元

運(yùn)算器累加器ACC

寄存器BPSW

控制器指令寄存器IR

譯碼與控制邏輯

其他寄存器程序計(jì)數(shù)器PC

數(shù)據(jù)指針DPTR

堆棧指針SP

工作寄存器R0~R7第18頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一1．運(yùn)算器

運(yùn)算器由算術(shù)邏輯單元ALU、累加器ACC、寄存器B、程序狀態(tài)字寄存器PSW、BCD碼運(yùn)算調(diào)整電路等組成。（1）累加器ACCACC是一個(gè)8位的寄存器，簡稱為A，它通過暫存器與ALU相連。它是CPU執(zhí)行指令時(shí)使用最頻繁的寄存器，用來存一個(gè)操作數(shù)或中間結(jié)果。第19頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2720（2）算術(shù)邏輯單元ALUALU是由加法器和其它邏輯電路等組成的，它用于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)四則運(yùn)算和邏輯運(yùn)算、移位操作、位操作等功能。ALU的兩個(gè)操作數(shù)，一個(gè)由A通過暫存器2輸入，另一個(gè)由暫存器1輸入，運(yùn)算結(jié)果的狀態(tài)送PSW。（3）寄存器B乘除運(yùn)算時(shí)候存放一個(gè)操作數(shù)第20頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一（4）程序狀態(tài)字寄存器PSWPSW是一個(gè)8位的專用寄存器，用于存程序運(yùn)行中的各種狀態(tài)信息。它可以進(jìn)行位尋址。PSW各位的定義如下:D7HD6HD5HD4HD3HD2HD1HD0HCYACF0RS1RS0OV-------PPSW位地址字節(jié)地址D0H第21頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一

CY(PSW.7)：進(jìn)位標(biāo)志，在進(jìn)行加或減運(yùn)算時(shí)，如果操作結(jié)果最高位有進(jìn)位或借時(shí)，CY由硬件置“1”，否則清“0”。在進(jìn)行位操作時(shí)。AC(PSW.6)：輔助進(jìn)位標(biāo)志（又稱半進(jìn)位），在進(jìn)行加或減運(yùn)算時(shí)，低四位數(shù)向高四位產(chǎn)生的進(jìn)位或借位，將由硬件置“1”，否則為0。F0(PSW.5)：用戶標(biāo)志位，由用戶置位或復(fù)位。它可作為用戶自行定義的一個(gè)狀態(tài)標(biāo)記。RS1RS0(PSW.4PSW.3)：工作寄存器組指針，用以選擇CPU當(dāng)前工作的寄存器組。2023/4/2722第22頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一RS1RS0與工作寄存器組的對(duì)應(yīng)關(guān)系第23頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一

OV(PSW.2)

:溢出標(biāo)志，當(dāng)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算時(shí)，如果產(chǎn)生溢出，則由硬件將OV位置1，否則清“0”。

P(PSW.0):奇偶標(biāo)志位，該位始終跟蹤累加器A內(nèi)容中“1”的奇偶性。當(dāng)累加器A內(nèi)容中有奇數(shù)個(gè)“1”時(shí)，P置1；否則，P置“0”。改變累加器A中內(nèi)容的指令均會(huì)影響P標(biāo)志位。2023/4/2724第24頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一2．控制器（1）指令寄存器（IR，8位）保存當(dāng)前正在執(zhí)行的一條指令，內(nèi)容包含操作碼和地址碼。（2）譯碼與控制邏輯是微處理器的核心部件。它的任務(wù)是完成讀指令、執(zhí)行指令、存取操作數(shù)運(yùn)算結(jié)果，向其他部件發(fā)出各種微控制信號(hào)，協(xié)調(diào)各部件工作。第25頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一263.其他寄存器堆棧指針SP:指示棧頂在內(nèi)部RAM中的位置，復(fù)位后，SP中的內(nèi)容為07H，堆棧從08H開始向上生長。

數(shù)據(jù)指針DPTR:由DPH和DPL兩個(gè)8位寄存器構(gòu)成，可對(duì)片外64KB范圍內(nèi)的RAM或ROM進(jìn)行間接尋址或變址尋址操作。

程序計(jì)數(shù)器PC:16位計(jì)數(shù)器，它總是存放著下一個(gè)要取指令的16位存儲(chǔ)單元地址，復(fù)位時(shí)PC裝入0000H。第26頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2727工作寄存器R0-R7：第27頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/27282.4.280C51的時(shí)鐘與時(shí)序時(shí)鐘產(chǎn)生方式（時(shí)序）內(nèi)部時(shí)鐘方式外部時(shí)鐘方式

第28頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2729

80C51的時(shí)鐘信號(hào)1個(gè)機(jī)器周期：12個(gè)晶振周期（或6個(gè)時(shí)鐘周期）指令的執(zhí)行時(shí)間稱作指令周期（單、雙、四周期）第29頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一1、若外接晶振fOSC=12MHz時(shí)：振蕩周期＝1/6MHz＝1/6μs＝0.167μsS狀態(tài)周期＝2×(1/6μs)=0.334μs機(jī)器周期＝12×(1/6μs)=2μs指令周期＝2～8μs振蕩周期＝1/12MHz＝1/12μs＝0.0833μsS狀態(tài)周期＝2×(1/12μs)=1/6μs＝0.167μs機(jī)器周期＝12×(1/12μs)=1μs指令周期＝1～4μs2、若外接晶振fOSC=6MHz時(shí)：時(shí)鐘參數(shù)第30頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/273180C51的典型時(shí)序單字節(jié)指令雙字節(jié)指令

單周期指令第31頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2732程序存儲(chǔ)器中的指令代碼及其觀察第32頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2733雙周期指令

2個(gè)機(jī)器周期中ALE有效4次，后3次讀操作無效。

第33頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2734訪問外部RAM的雙周期指令時(shí)序

第二機(jī)器周期無讀操作碼的操作，而是進(jìn)行外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的尋址和數(shù)據(jù)選通。ALE信號(hào)會(huì)出現(xiàn)非周期現(xiàn)象。

第34頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/27352.4.380C51單片機(jī)的復(fù)位復(fù)位可使單片機(jī)或系統(tǒng)部件處于確定的初始狀態(tài)。

復(fù)位電路上電復(fù)位電路按鍵與上電復(fù)位第35頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2736單片機(jī)復(fù)位后的狀態(tài)

PC=0000H

RAM：隨機(jī)值（運(yùn)行中復(fù)位不改變RAM內(nèi)容）

SFR：

P0~P3=FFHSP=07HIP、IE和PCON：有效位為0PSW=00H第36頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一作業(yè)：MCS-51單片機(jī)的時(shí)針周期、機(jī)器周期、指令周期是什么？當(dāng)主頻為12MHZ時(shí)，一個(gè)機(jī)器周期為多少微秒？執(zhí)行一條最長的指令需要多少秒？單片機(jī)復(fù)位以后的狀態(tài)。第37頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/27382.580C51的存儲(chǔ)器組織80C51存儲(chǔ)器可以分成兩大類：

RAM，CPU在運(yùn)行時(shí)能隨時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的寫入和讀出，但在關(guān)閉電源時(shí)，其所存儲(chǔ)的信息將丟失。用來存放暫時(shí)性的輸入輸出數(shù)據(jù)、運(yùn)算的中間結(jié)果或用作堆棧。

ROM，寫入信息后不易改寫的存儲(chǔ)器。斷電后，其中的信息保留不變。用來存放固定的程序或數(shù)據(jù)，如系統(tǒng)監(jiān)控程序、常數(shù)表格等。

第38頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/27392.5.180C51單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器配置片內(nèi)與片外程序存儲(chǔ)器的選擇

EA引腳接高電平---片內(nèi)第39頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2740

EA引腳接低電平---片外第40頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2741程序存儲(chǔ)器低端的幾個(gè)特殊單元第41頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2742程序存儲(chǔ)器中的指令代碼及其觀察第42頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/27432.5.280C51單片機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器配置片內(nèi)、片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器概況片內(nèi)RAM及SFR片外RAM第43頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一4451存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)總結(jié)第44頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一45（1）00H～7FH(0～127)單元組成低128字節(jié)的片內(nèi)RAM區(qū)，對(duì)其訪問可采用直接尋址或間接尋址的方式。

（2）80H～FFH(128～256)單元組成高128字節(jié)的專用寄存器(SFR)區(qū)，只能采用直接尋址方式來訪問。（3）MCS-52子系列中的片內(nèi)RAM增大了128字節(jié)，其地址范圍也是從80H～FFH；為了與SFR區(qū)分，對(duì)此段的范圍只能采用間接尋址方式來訪問。第45頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2746工作寄存器區(qū)（含寄存器組0~3）寄存器組0：地址00H~07H

寄存器組1：地址08H~0FH寄存器組2：地址10H~17H寄存器組3：地址18H~1FH當(dāng)前工作寄存器組選擇

PSW寄存器中：

第46頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2747片內(nèi)RAM詳圖第47頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2748位尋址區(qū)字節(jié)地址位地址D7D6D5D4D3D2D1D020H07H06H05H04H03H02H01H00H21H0FH0EH0DH0CH0BH0AH09H08H22H17H16H15H14H13H12H11H10H23H1FH1EH1DH1CH1BH1AH19H18H24H27H26H25H24H23H22H21H20H25H2FH2EH2DH2CH2BH2AH29H28H26H37H36H35H34H33H32H31H30H27H3FH3EH3DH3CH3BH3AH39H38H28H47H46H45H44H43H42H41H40H29H4FH4EH4DH4CH4BH4AH49H48H2AH57H56H55H54H53H52H51H50H2BH5FH5EH5DH5CH5BH5AH59H58H2CH67H66H65H64H63H62H61H60H2DH6FH6EH6DH6CH6BH6AH69H68H2EH77H76H75H74H73H72H71H70H2FH7FH7EH7DH7CH7BH7AH79H78H第48頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2749通用RAM區(qū)

30H~7FH，共80字節(jié)

數(shù)據(jù)緩沖

堆棧

SP指示棧頂復(fù)位時(shí)SP=07H

系統(tǒng)初始化通常重新設(shè)置第49頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2750RAM內(nèi)容查看第50頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/27512.5.380C51單片機(jī)的特殊功能寄存器（SFR）基本型單片機(jī)有21個(gè)SFR離散地分布在80H~FFH空間。與運(yùn)算器相關(guān)3個(gè)

ACC

B

PSW與定時(shí)/計(jì)數(shù)器相關(guān)6個(gè)

TH0,TL0

TH1,TL1

TMODTCON指針類3個(gè)

SP

DPH,DPL與口相關(guān)7個(gè)

P0,P1,P2,P3

SBUFSCON

PCON與中斷相關(guān)2個(gè)

IE

IP第51頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/275280C51的邏輯結(jié)構(gòu)（IO）第52頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/27532.680C51的并行口結(jié)構(gòu)與操作P0口結(jié)構(gòu)

P0作通用I/O口（當(dāng)EA=1或“MOV”傳送時(shí)C=0）輸出時(shí)2.6.1P0、P2口的結(jié)構(gòu)第53頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2754輸入時(shí)

讀鎖存器（“讀-修改-寫”類指令，如ANLP0,A）

讀引腳（“MOV”類指令，如MOVA,P0）,要先寫“1”

10P0作通用I/O時(shí)為：準(zhǔn)雙向口！第54頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2755

P0作地址數(shù)據(jù)總線（當(dāng)EA=1或“MOVX”類傳送時(shí)C=1）輸出時(shí)，地址/數(shù)據(jù)信息分時(shí)出現(xiàn)在輸出引腳。輸入時(shí)，先輸出地址，然后自動(dòng)向鎖存器寫1，再讀引腳。此時(shí)為真正雙向口。第55頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2756P2口結(jié)構(gòu)

P2作通用I/O口（未擴(kuò)片外存儲(chǔ)器，或雖擴(kuò)RAM但采用“MOVX@Ri”傳送時(shí)C=0）P2作通用I/O時(shí)為：準(zhǔn)雙向口！

P2作地址總線高8位（C=1）第56頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2757P1口結(jié)構(gòu)

P1僅能為通用的準(zhǔn)雙向口！2.6.2P1、P3口的結(jié)構(gòu)第57頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2758P3口結(jié)構(gòu)

第一功能：通用I/O口（對(duì)口尋址時(shí)）第58頁，共68頁，2023年，2月20日，星期一2023/4/2759

第二功能（不對(duì)口尋址時(shí)）

P3.0：RXD（串行口輸入）

P3.1：TXD（串行口輸出）

P3.2：INT0（外部中斷0輸入）

P3.3：INT1（外部中斷1輸入）

P3.4：T0（定時(shí)器0的外部輸入）

P3.5：T1（定時(shí)器1的外部輸入）

P3.6：WR（片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器“寫”選通控制輸出）

P3.7：