基本結(jié)構(gòu)與工作原理

第2章單片機的根本結(jié)構(gòu)與工作原理單片機的根本組成80C51單片機的引腳功能和結(jié)構(gòu)框圖80C51單片機CPU的結(jié)構(gòu)和特點80C51單片機的存儲器結(jié)構(gòu)和地址空間80C51單片機的布爾(位)處理器80C51單片機的工作方式DesignedByCYQ單片機的根本組成結(jié)構(gòu)中央處理器CPU存儲器并行I/O口串行I/O口定時器/計數(shù)器定時電路及元件DesignedByCYQ中央處理器單片機中的中央處理器和通用微處理器根本相同，只是增設(shè)了“面向控制〞的處理功能。例如：位處理(SETB,CLR)、查表(MOVC)、多種跳轉(zhuǎn)(JMP,LJMP,SJMP,AJMP)、乘除法運算(MUL,DIV)、狀態(tài)檢測(JBC)、中斷處理(RETI)等，增強了實時性DesignedByCYQ存儲器根本結(jié)構(gòu)普林斯頓(Princeton)結(jié)構(gòu)將程序和數(shù)據(jù)合用一個存儲器空間的結(jié)構(gòu)并采用統(tǒng)一尋址方式，這種結(jié)構(gòu)在通用微型計算機中被廣泛采用哈佛(Harvard)結(jié)構(gòu)將程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器截然分開并采用獨立尋址的結(jié)構(gòu)，MCS-51和80C51系列采用這種結(jié)構(gòu)DesignedByCYQ存儲器結(jié)構(gòu)形式程序存儲器ROM片內(nèi)掩膜ROM片內(nèi)可編程的ROM：OTP,EPROM,E2PROM片外只讀存儲器數(shù)據(jù)存儲器RAM片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器片外數(shù)據(jù)存儲器DesignedByCYQ80C51單片機的封裝圖DesignedByCYQ80C51的引腳功能電源VCC:運行和程序校驗時加+5V

VSS:接地晶振XTAL1:振蕩器反相放大器輸入XTAL2:振蕩器反相放大器的輸出當(dāng)用外部振蕩器時，XTAL1接收振蕩器信號，XTAL2懸空DesignedByCYQ80C51的引腳功能I/O口〔根本功能〕P0：8位、漏極開路的雙向I/O口P1：8位、準雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電阻P2：8位、準雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電阻P3：8位、準雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電阻I/O口〔第二功能〕DesignedByCYQ80C51的引腳功能端口引腳符號和作用端口引腳符號和作用P3.0串行輸入口RXDP3.4定時器/計數(shù)器0T0P3.1串行輸出口TXDP3.5定時器/計數(shù)器1T1P3.2外部中斷0/INT0P3.6寫選通信號/WRP3.3外部中斷1/INT1P3.7讀選通信號/RDP1.0定時器T2的計數(shù)輸入端（80C52系列）P1.1定時器T2的外部輸入端（80C52系列）DesignedByCYQ80C51的引腳功能控制線RST：復(fù)位輸入信號，需維持兩個機器周期以上的高電平/EA：片外程序存儲器訪問允許信號ALE：地址鎖存允許信號，輸出頻率為1/6振蕩頻率的方波/PSEN：片外程序存儲器選通信號，當(dāng)/PSEN有效時，程序存儲器的內(nèi)容被鎖存到P0口DesignedByCYQ80C51的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖和組成算術(shù)邏輯單元ALU累加器ACC〔或A〕程序計數(shù)器PC數(shù)據(jù)指針DPTR程序狀態(tài)標志存放器PSW堆棧指針存放器SPDesignedByCYQ80C51CPU的組成和作用控制器用于指令識別和計算機組成部件工作控制運算器主要用來實現(xiàn)對操作數(shù)的算術(shù)邏輯運算和位操作工作存放器時序電路用于產(chǎn)生單片機工作所需要的時鐘信號DesignedByCYQ程序計數(shù)器PC作用存放下一條將從程序存儲器中取出的指令的地址尋址空間程序計數(shù)器的寬度決定了程序存儲器可以直接尋址的范圍。在80C51中，程序計數(shù)器PC是一個16位的計數(shù)器，故最大尋址空間為64KB(216)DesignedByCYQ程序計數(shù)器PC的根本工作方式一般情況下，程序計數(shù)器PC自動加1當(dāng)執(zhí)行有條件或無條件轉(zhuǎn)移指令時，程序計數(shù)器將根據(jù)跳轉(zhuǎn)指令置入新的數(shù)值當(dāng)執(zhí)行調(diào)用指令或響應(yīng)中斷時，PC的現(xiàn)行值先壓棧保護，再將子程序的入口地址或者中斷矢量地址送入PC，執(zhí)行子程序或中斷效勞程序，當(dāng)遇到返回指令RET或RETI時，將棧頂?shù)膬?nèi)容送到PC存放器中，程序流程又返回到原來的地方，繼續(xù)執(zhí)行DesignedByCYQPC的輸出與P0、P2口之間的關(guān)系DesignedByCYQ數(shù)據(jù)指針DPTR從結(jié)構(gòu)上說，DPTR是一個16位的特殊功能存放器，主要功能是作為片外數(shù)據(jù)存儲器尋址用的地址存放器〔間接尋址方式〕DPTR存放器也可以作為訪問程序存儲器時的基址存放器〔基址+變址尋址方式〕DPTR既可以作為一個16位存放器處理，也可以作為兩個8位存放器處理，其高8位用DPH表示，低8位用DPL表示DesignedByCYQ算術(shù)邏輯運算單元ALU

從結(jié)構(gòu)上，該單元實質(zhì)上是一個全加器，其輸入有兩個：通過暫存器1的輸入：存放器、立即數(shù)、直接尋址單元〔含I/O口〕、內(nèi)部RAM及存放器B。通過暫存器2或累加器ACC的輸入DesignedByCYQ累加器ACC或A累加器是CPU中使用最頻繁的一個存放器ALU單元的輸入之一，是處理數(shù)據(jù)源之一ALU運算結(jié)果的存放單元，即ALU運算結(jié)果又通過內(nèi)部總線送入累加器A中存放CPU中的數(shù)據(jù)傳送大多都通過累加器，故又相當(dāng)于一個數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站DesignedByCYQB存放器在乘法和除法指令中作為ALU的輸入之一乘法中：ALU的兩個輸入分別為AB，運算結(jié)果存放在AB存放器對中，其中A中存放積的低8位，B中存放積的高8位除法中：被除數(shù)取自A，除數(shù)取自B，商數(shù)存放于A，余數(shù)存放于B在其它情況下，B存放器可以作為內(nèi)部RAM中的一個單元來使用DesignedByCYQ程序狀態(tài)字PSW作用是一個逐位定義的8位的存放器，其內(nèi)容的主要局部是算術(shù)邏輯運算單元(ALU)的輸出。它是一個程序可訪問的存放器，而且可以按位訪問格式MSBLSBCYACF0RS1RS0OV-PDesignedByCYQ程序狀態(tài)字PSW位含義位名稱符號含義PSW.0PP=1表示累加器A中值包含1的位數(shù)是奇數(shù)PSW.1-保留位PSW.2OVOV=1表示運算結(jié)果超出8位有符號數(shù)的范圍PSW.3RS0工作寄存器選擇控制位（低位）PSW.4RS1工作寄存器選擇控制位（高位）PSW.5F0用戶可使用的通用標志位PSW.6ACAC=1表示字節(jié)運算中低字節(jié)產(chǎn)生進位或借位PSW.7CYCY=1表示運算結(jié)果中高位產(chǎn)生進位或借位DesignedByCYQ時鐘電路80C51單片機內(nèi)帶有時鐘電路，只需要在片外通過XTAL1和XTAL2引腳接入定時控制元件〔晶體振蕩器和微調(diào)電容〕，即可構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器DesignedByCYQ振蕩器及定時控制元件參數(shù)振蕩器的工作頻率一般在1.2~12MHz之間，目前所能采用的頻率范圍0Hz~40MHz電容C1和C2的大小影響振蕩器振蕩的穩(wěn)定性和起振的快速性，通常選擇在10~30pF左右在設(shè)計電路板時，晶振、電容等均應(yīng)盡可能靠近芯片，以減小分布電容，保證振蕩器振蕩的穩(wěn)定性當(dāng)由外部輸入時鐘信號時，對外部信號的占空比沒有要求，但上下電平持續(xù)時間應(yīng)不小于20nsDesignedByCYQ內(nèi)部時鐘發(fā)生器內(nèi)部時鐘發(fā)生器實質(zhì)上是一個2分頻的觸發(fā)器。其輸入由振蕩器引入的，輸出為兩個節(jié)拍的時鐘信號。輸出的前半周期，節(jié)拍1(P1)信號有效；后半周期，節(jié)拍2(P2)信號有效。每個輸出周期為一個計算機CPU的狀態(tài)周期，即時鐘發(fā)生器的輸出為狀態(tài)時鐘。每個狀態(tài)周期內(nèi)包括一個P1節(jié)拍和一個P2節(jié)拍，形成CPU內(nèi)的根本定時時鐘DesignedByCYQ時序定時單位節(jié)拍最小的時序定時單位節(jié)拍周期=振蕩周期=1/fosc狀態(tài)包含兩個節(jié)拍狀態(tài)周期=2*

1/fosc機器周期包含六個狀態(tài)機器周期=12*

1/fosc指令周期執(zhí)行一條指令所需要的時間可包含1,2,4個機器周期DesignedByCYQ80C51時序定時單位關(guān)系圖DesignedByCYQ存儲器地址空間物理存儲器地址空間〔4個〕片內(nèi)程序存儲器和片外程序存儲器片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器和片外數(shù)據(jù)存儲器邏輯存儲器地址空間〔3個〕片內(nèi)、片外統(tǒng)一的64KB程序存儲器地址空間片內(nèi)256(或384)Byte數(shù)據(jù)存儲器地址空間片外64KB的數(shù)據(jù)存儲器地址空間DesignedByCYQ80C51存儲器映象圖DesignedByCYQ程序存儲器80C51單片機的程序存儲器用于存放經(jīng)調(diào)試正確的應(yīng)用程序和表格之類的固定常數(shù)采用16位的程序計數(shù)器PC和16位的地址總線(P0和P2端口)，其可擴展的地址空間為64KB，且這64KB地址是空間連續(xù)、統(tǒng)一的程序存儲器可以分為片內(nèi)和片外兩局部，CPU訪問片內(nèi)或片外存儲器由/EA引腳所接的電平來確定DesignedByCYQ程序存儲器的訪問/EA引腳接高電平時，CPU先訪問片內(nèi)存儲器；當(dāng)PC值超出片內(nèi)ROM容量時，會自動轉(zhuǎn)向片外程序存儲器空間執(zhí)行/EA引腳接低電平時，迫使系統(tǒng)全部執(zhí)行片外程序存儲器程序80C51系列單片機正常運行時，應(yīng)將引腳接高電平；80C31/32單片機應(yīng)將/EA引腳固定接低電平DesignedByCYQ程序存儲器的特定入口地址特定入口地址作用0000H復(fù)位或非屏蔽中斷0003H外部中斷0000BH定時器T0溢出中斷0013H外部中斷1001BH定時器T1溢出中斷0023H串行口中斷002BH定時器T2/T2EX下降沿DesignedByCYQ數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)存儲器用來存放隨機數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)存儲器分片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器和片外數(shù)據(jù)存儲器片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器通常采用直接尋址或利用Ri(i=0,1)存放器的間接尋址，其最大尋址范圍為256個字節(jié)片外數(shù)據(jù)存儲器可利用Ri(i=0,1)存放器的間接尋址方式，其最大尋址范圍為256個字節(jié)；也可以通過專門設(shè)置的16位數(shù)據(jù)指針存放器DPTR進行間接尋址，其最大尋址范圍為64KBDesignedByCYQ片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器片內(nèi)數(shù)據(jù)RAM區(qū)(00H~7FH/0FFH)工作存放器區(qū)(00H~1FH)位尋址區(qū)(20H~2FH)字節(jié)尋址區(qū)(30H~7FH)堆棧區(qū)及堆棧指示器((SP)=07H(默認))特殊功能存放器SFR區(qū)(80~0FFH)DesignedByCYQ片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器地址空間分布圖DesignedByCYQ工作存放器區(qū)有4個通用工作存放器組，每組包含8個8位存放器，編號為R0~R7，共32個單元，字節(jié)地址00H~1FH在某一時刻只能選用一個工作存放器組使用?？赏ㄟ^軟件對程序狀態(tài)字PSW中的RS0、RS1位進行設(shè)置RS1RS0組號單元地址000組（0體）00H~07H011組（1體）08H~0FH102組（2體）10H~17H113組（3體）18H~1FHDesignedByCYQ位尋址區(qū)有16個字節(jié)單元，共包含128位，既可進行字節(jié)尋址又可實現(xiàn)位尋址字節(jié)地址20H~2FH，位地址00H~7FH字節(jié)地址位地址765432102FH7FH7EH7DH7CH7BH7AH79H78H………………………20H07H06H05H04H03H02H01H00HDesignedByCYQ字節(jié)尋址區(qū)對于80C51型單片機，字節(jié)尋址區(qū)共80個字節(jié)單元，字節(jié)地址30H~7FH，可以采用直接字節(jié)尋址的方法訪問對于80C52型單片機，高128B的RAM區(qū)和SFR區(qū)的地址空間是重疊的，字節(jié)地址80H~0FFH。訪問高128BRAM區(qū)時，應(yīng)選用間接尋址方式；訪問SFR區(qū)，那么應(yīng)選用直接尋址方式DesignedByCYQ堆棧區(qū)及堆棧指示器SP堆棧是在片內(nèi)數(shù)據(jù)RAM區(qū)中，數(shù)據(jù)先進后出或后進先出的區(qū)域，80C51中利用一個8位存放器即堆棧指示器SP存放當(dāng)前的堆棧棧頂所指存儲單元地址堆棧有兩種操作：進棧(PUSH)和出棧(POP)80C51單片機的堆棧是向上生成的：進棧操作時，(SP)+1→SP；出棧操作時，(SP)-1→SP系統(tǒng)復(fù)位后，(SP)=07H，可通過軟件對SP的內(nèi)容重新定義，堆棧深度以不超過片內(nèi)RAM空間為限D(zhuǎn)esignedByCYQ特殊功能存放器SFR區(qū)特殊功能存放器是80C51單片機中各功能部件所對應(yīng)的存放器，用以存放相應(yīng)功能部件的控制命令、狀態(tài)或數(shù)據(jù)的區(qū)域80C51系列單片機設(shè)有128Byte片內(nèi)數(shù)據(jù)RAM結(jié)構(gòu)的特殊功能存放器空間，字節(jié)地址80H~0FFH80C51中共定義了21個特殊功能存放器，80C52中中共定義了26個特殊功能存放器，除此而外，其它地址訪問無效DesignedByCYQ特殊功能存放器名稱和地址序號標識符名稱字節(jié)地址位地址1ACC累加器0E0H0E0H~0E7H2BB寄存器0F0H0F0H~0F7H3PSW程序狀態(tài)字0D0H0D0H~0D7H4SP堆棧指針81H5DPH數(shù)據(jù)指針（高位）83H6DPL數(shù)據(jù)指針（低位）82H7P0P0口80H80H~87HDesignedByCYQ特殊功能存放器名稱和地址序號標識符名稱字節(jié)地址位地址8P1P1口90H90H~97H9P2P2口0A0H0A0H~0A7H10P3P3口0B0H0B0H~0B7H11IP中斷優(yōu)先級控制0B8H0B8H~0BFH12IE中斷允許控制0A8H0A8H~0AFH13TMOD定時/計數(shù)器方式控制89H14TCON定時/計數(shù)器控制88H88H~8FHDesignedByCYQ特殊功能存放器名稱和地址序號標識符名稱字節(jié)地址位地址15T2CON定時/計數(shù)器2控制0C8H0C8H~0CFH16TH0定時/計數(shù)器0(高位)8CH17TL0定時/計數(shù)器0(低位)8AH18TH1定時/計數(shù)器1(高位)8DH19TL1定時/計數(shù)器1(低位)8BH20TH2定時/計數(shù)器2(高位)0CDH21TL2定時/計數(shù)器2(低位)0CCHDesignedByCYQ特殊功能存放器名稱和地址序號標識符名稱字節(jié)地址位地址22RCAP2H定時/計數(shù)器2自動再裝載(高位)0CBH23RCAP2L定時/計數(shù)器2自動再裝載(低位)0CAH24SCON98H98H~9FH25SBUF99H26PCON97HDesignedByCYQ布爾(位)處理器在位處理中的累加器CY位尋址的數(shù)據(jù)存儲RAM位尋址的存放器位尋址的并行I/O口位操作指令系統(tǒng)DesignedByCYQ復(fù)位操作寄存器復(fù)位內(nèi)容寄存器復(fù)位內(nèi)容寄存器復(fù)位內(nèi)容PC0000HP0~P30FFHTL100HACC00HTMOD00HTH100HB00HTCON00HSCON00HPSW00HIE0XX00000BSBUF不定SP07HTL000HPCON0XXX0000BDPTR0000HTH000HIPXXX00000BDesi