單片機(jī)內(nèi)部硬件資源介紹.ppt

1、第二章 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu),硅谷芯微 技術(shù)貢獻(xiàn) 網(wǎng)址：www.threeway.cc,本章重點(diǎn)：, 單片機(jī)內(nèi)部有哪些硬件資源 處理器 管腳定義 - 復(fù)位原理 - 脈沖時序 存儲結(jié)構(gòu) - ROM區(qū)地址編址 - RAM區(qū)存儲結(jié)構(gòu),2.1 單片機(jī)硬件資源,單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示，主要包括CPU，存儲器 和I/O口，時鐘，定時器，中斷以及串口。,2.2.1.運(yùn)算器,2.2 微處理器的組成,1 算術(shù)邏輯單元ALU 對8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)/邏輯運(yùn)算.算術(shù)運(yùn)算、加1和減1運(yùn)算、十進(jìn)制調(diào)整、邏輯操作。2 暫存器TEMP1、TEMP2 用于存放參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)，用戶不可以直接使用。3 累加器ACC/A 8位寄存器

2、，是CPU中使用最頻繁的寄存器 進(jìn)入ALU作算術(shù)和邏輯運(yùn)算的操作數(shù)多來自于A，運(yùn)算結(jié)果也常送回A保存。4 寄存器B（8位） 寄存器B是為ALU進(jìn)行乘除法運(yùn)算而設(shè)置的。若不作乘除運(yùn)算時，則可作為通用寄存器使用。在乘、除運(yùn)算中，與累加器A配合使用，存放操作數(shù)。5 程序狀態(tài)字PSW（8位專用寄存器） 寄存/存貯當(dāng)前機(jī)器指令/程序執(zhí)行后操作結(jié)果的特征狀態(tài)，以供程序查詢和判別。,2.2.2.控制器 主要由程序計(jì)數(shù)器PC、指令寄存器IR、指令譯碼器ID、堆棧指針SP、數(shù)據(jù)指針DPTR、時鐘發(fā)生器及定時控制邏輯等組成。控制器用以控制計(jì)算機(jī)各部分協(xié)調(diào)工作的部件，控制指令的讀取、譯碼/分析和執(zhí)行。 程序計(jì)數(shù)器（

3、Program Counter簡稱PC），是一個16位的有自動加1功能的計(jì)數(shù)器。PC沒有地址，是不可尋址的，因此用戶不能對它進(jìn)行讀寫。16位PC中的內(nèi)容總是CPU將要執(zhí)行的那條指令所存放的存儲單元的首地址。 在單片機(jī)復(fù)位時，PC中的內(nèi)容為0000H，指向第1條要執(zhí)行的指令的首地址，在CPU從存儲單元取指令的過程中，每取1個字節(jié)的內(nèi)容，程序計(jì)數(shù)器PC就自動加1，在取完這條指令后，PC中的內(nèi)容就是下一條要執(zhí)行的指令所存放的存儲單元的首地址。 在實(shí)際應(yīng)用中，有時CPU還要執(zhí)行程序的轉(zhuǎn)移、子程序的調(diào)用和中斷響應(yīng)等操作，那時PC中的內(nèi)容不再是上述情況中簡單的加1，而是根據(jù)不同的情況自動地被置入或修改成新

4、的目的地址，從而改變程序的執(zhí)行順序。PC不屬于特殊功能寄存器。,2.3 單片機(jī)管腳說明,51單片機(jī)有40個管腳，其中32根IO、2根時鐘信號線、2根電源線、4根控制線，管腳定義如圖所示：,P0P3：4個8位雙向輸入輸出端口，每個端口都有鎖存器、輸出 驅(qū)動器和輸入緩沖器。4個端口都可以做輸入輸出口使用，其中，P0 和P2通常用于對外部存儲器的訪問。在這種方式下，把P0口作為地 址/數(shù)據(jù)總線使用，分時輸出外部存儲器的地址和傳送8位數(shù)據(jù)。當(dāng) 擴(kuò)充外部存儲器的地址為16位時，P2口作為地址總線的高8位地址使 用。P3口是一個多功能的端口， P3口第二功能如表所示：,2.3.1 輸入輸出端口,2.3.2

5、 控制管腳,第29號引腳：當(dāng)訪問外部程序存儲器時，此腳輸出負(fù)脈沖選通信 號，PC的16位地址將出現(xiàn)在P0和P2口，PC的16位地址數(shù)據(jù)將出現(xiàn)在P0和 P2口上，外部程序存儲器則把指令數(shù)據(jù)放到P0口上，由CPU讀入并執(zhí)行。 第30號引腳：ALE，地址鎖存引腳，當(dāng)訪問外部程序存儲器時， ALE(地址鎖存)的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。而訪問內(nèi)部程序存儲器 時，ALE端將有一個1/6時鐘頻率的正脈沖信號，這個信號可以用于識別 單片機(jī)是否工作，也可以當(dāng)作一個時鐘向外輸出。 第31號引腳：程序存儲器的內(nèi)外部選通線，80C51內(nèi)置有4kB的程序 存儲器，當(dāng)EA為高電平并且程序地址小于4kB時，讀取內(nèi)部程序

6、存儲器指 令數(shù)據(jù)，而超過4kB地址則讀取外部指令數(shù)據(jù)。如EA為低電平，則不管地 址大小，一律讀取外部程序存儲器指令。,振蕩周期：晶振的振蕩周期，為最小的時序單位(我們的實(shí)驗(yàn)板上有11.0592MHz、 12MHz、24MHz三種晶振，可以通過跳線冒進(jìn)行選擇)。 機(jī)器周期：一個機(jī)器周期由12個振蕩周期組成，是計(jì)算機(jī)執(zhí)行一個基本操作的時間 單位。 指令周期：執(zhí)行一條指令所需要的時間，一條指令由14個機(jī)器周期組成，依據(jù)指 令的不同而不同。 振蕩周期、機(jī)器周期、指令周期之間的換算如下(假設(shè)所使用的晶振為12MHz)： 振蕩周期 = 0.0833 機(jī)器周期 = 1 指令周期 = (1-4)個機(jī)器周期,機(jī)

7、器周期和指令周期 第18、19號引腳：為外部時鐘輸入引腳，為單片機(jī)的工作提供時鐘周期。 51單片機(jī)的時鐘是為單片機(jī)提供工作時序，單片機(jī)從內(nèi)部Flash ROM中取指令和各 種操作都是按時序走的，所以時序是單片機(jī)正常工作的一個必要的條件。,8051單片機(jī)內(nèi)部有一個高增益的反相放大器，用于構(gòu)成振蕩器，反相輸入端為XTAL1(第19號引腳)，輸出端為XTAL2(第18號引腳)，只需要在兩端跨接一個無源的石英晶體以及兩個電容就可以構(gòu)成一個穩(wěn)定的振蕩電路，但石英晶體和微調(diào)電容需要外接。最高允許振蕩頻率為37MHz。SST89V58RD 最高允許振蕩頻率達(dá)40MHz，因而大大的提高了指令的執(zhí)行速度。 另一

8、種接法就是直接由外部的電路提供標(biāo)準(zhǔn)的振蕩時序直接輸入單片機(jī)的XTAL2引腳，將XTAL1引腳直接接地，這樣，在外部時鐘與XTAL2引腳之間連接了一個反相器，用于波形的放大和緩沖。,單片機(jī)時鐘電路,用單片機(jī)內(nèi)部振蕩電路 由外部電路提供時鐘源,第9號引腳：復(fù)位引腳，復(fù)位信號是高電平有效，其有效時間應(yīng)持續(xù)連續(xù)24個時鐘周期(兩個機(jī)器周期)。復(fù)位電路大致可以分為上電復(fù)位和手動復(fù)位兩種。,上電自動復(fù)位 手動復(fù)位,第20號管腳： VCC，電源，+5V。,第40號管腳： GND，接地。,復(fù)位后PC及SFR的初始值,存儲器分為程序存儲器(ROM)和隨機(jī)存儲器(RAM),程序存儲器用于存放我們編寫的程序代碼，隨

9、機(jī)存儲器用于保存程序運(yùn)行時的中間變量，他們之間最大的區(qū)別就是，程序存儲器為只讀存儲器，其中的數(shù)據(jù)在單片機(jī)掉電后數(shù)據(jù)依然保持，而數(shù)據(jù)存儲器(隨機(jī)存儲器）在單片機(jī)掉電后數(shù)據(jù)丟失。,2.4 單片機(jī)存儲結(jié)構(gòu),2.4.1.程序存儲器（只讀存儲器ROM） MCS-51單片機(jī)可以尋址64KB的程序存儲空間，其地址為0000H0FFFH（如圖所示），他的主要功能是存放用戶的程序數(shù)據(jù)和表格等信息。單片機(jī)啟動復(fù)位后，程序計(jì)數(shù)器PC的內(nèi)容為0000H，所以系統(tǒng)將從0000H單元開始執(zhí)行程序。但在程序存儲中有些特殊的單元，所以在編程時需要注意。,ROM分布圖,中斷響應(yīng)后，按中斷的類型，自動轉(zhuǎn)到各自的中斷區(qū)去執(zhí)行程序。

10、,只讀存儲器的存儲介質(zhì)的發(fā)展如圖所示。 掩膜ROM，這種ROM是芯片生產(chǎn)廠根據(jù)ROM要存儲的信息，設(shè)計(jì)固定的半導(dǎo)體掩模板進(jìn)行生產(chǎn)的，一旦制作成為成品，其內(nèi)部的信息只能讀取不能進(jìn)行修改寫入，由于這種ROM的成本低廉，所以這種ROM現(xiàn)在也大量使用，主要用在產(chǎn)品的量產(chǎn)中。 一次性編程ROM（PROM），容許用戶對其進(jìn)行一次性編程，即寫入數(shù)據(jù)或者程序，一旦編程信息就永久性的保存，用戶只能讀出和使用，但不能改變其中的內(nèi)容。 紫外線可擦除可改寫EPROM，可改寫ROM芯片的內(nèi)容也由用戶寫入，但容許用戶反復(fù)擦除重新寫入，EPROM用電信號編程而用紫外線擦除的只讀存儲器芯片，在芯片外殼上方的中央有一個圓形窗口

11、，通過此窗口照射紫外線可以擦除原有的信息。 電可擦除EEPROM，這是一種由電信號編程也由電信號擦除的ROM芯片，它可以通過讀寫操作進(jìn)行逐個存儲單元的讀出和寫入。 Flash是在EEPROM的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種只讀存儲器，讀寫速度都很快，寫EEPROM雖然具有即可讀又可寫的特點(diǎn)但其速度較慢。,2.4.2 數(shù)據(jù)存儲器(RAM) 存儲器也稱為隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器，作數(shù)據(jù)緩沖器用。單片機(jī)的內(nèi)部RAM結(jié)構(gòu)如圖所示：,1.通用寄存器區(qū)（00H1FH） 在00H1FH共32個單元中被均勻地分為四塊，每塊包含八個8位寄存器，均以R0R7來命名，我們常稱這些寄存器為通用寄存器。我們在編程的時候會經(jīng)常使用到這些

12、寄存器，這就產(chǎn)生一個問題，在程序中所使用的到底是哪一組呢？這里就引出了前邊所講到的程序狀態(tài)寄存器PSW，PSW中的第3、4位(RS0,RS1)決定了我們程序中所使用的到底是哪一組工作寄存器(如表所示)。,C： 進(jìn)位標(biāo)志位，當(dāng)無符號數(shù)據(jù)在運(yùn)算過程中出現(xiàn)進(jìn)位或者借位時，C置1。 AC：輔助進(jìn)位標(biāo)志位，當(dāng)?shù)谌幌虻谒奈贿M(jìn)位時置1。 F1/F2：用戶標(biāo)志位。 OV：溢出標(biāo)志位，當(dāng)有符號數(shù)據(jù)在運(yùn)算過程中發(fā)生溢出則置1。 P： 奇偶校驗(yàn)位，若累加器A中1的個數(shù)為基數(shù)個，則P為1，為偶數(shù)則置0。,2.可位尋址區(qū)(20H2FH) 單片機(jī)RAM的20H2FH為位可尋址區(qū)，在這段空間中，每個字節(jié)的每一位都有一個位

13、地址(共128個位，如圖所示)，每一位都可以進(jìn)行位操作?？梢姳菊?6頁。,3.通用RAM區(qū)(30H7FH) 30H-7FH的80個單元只能以存儲單元的形式來使用，沒有其它規(guī)定或限制，存儲程序的中間結(jié)果或者變量。,4.特殊功能寄存器（SFR） 單片機(jī)片內(nèi)RAM的高128字節(jié)為單片機(jī)的21個特殊功能寄存器，他們離散的分布在80H-FFH的地址中，如表所示，其中有一部分特殊功能寄存器是可以位尋址的。,單片機(jī)的最小系統(tǒng)，就是指單片機(jī)可以工作的最小系統(tǒng)，沒有任何外 設(shè)。那么51單片機(jī)工作的最小必要條件是什么？當(dāng)然首先要有電源，為單 片機(jī)提供能量，有振蕩電路為單片機(jī)提供時序，要有復(fù)位電路，還有一個 很重要的條件，那就是我們單片機(jī)的第31號引腳,由于我們所使用的是單片 機(jī)的內(nèi)部的存儲器，所以第31號引腳必須接高電平如圖所示：,2.5 單片機(jī)最小系統(tǒng),2.6 課后