2022年单片机2(4).ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第2章,8051单片机的体系结构,主讲 朱兆优,本章学习要点：,(1)8051单片机内部结构、功能部件；,(2)8051单片机引脚名称、功能和三总线信号；,(3)单片机的存储结构、编址、特殊功能寄存器；,(4)单片机工作时序、时钟电路、复位电路；,(5)单片机I/O的结构功能特点；,(6)单片机的工作模式。,2.1 8051单片机内部结构,八大功能部件：,（1）,微处理器,（8位CPU）,（2）,程序存储器,（ROM、EPROM或Flash等）,（3）,数据存储器,（RAM、E2PROM）,（4）,四个8位并行可编程I/O端口,（P0、P1、P2、P3）,（5）,一个串行口,（UART）,（6）,两个16位定时器/计数器,（T0/T1）,（7）,中断系统,（含8个中断源、2个优先级）,（8）,特殊功能寄存器,（SFR）,还包含：,时钟振荡器、总线控制器和供电电源,此外，有的还有,其它功能部件,，如：,A/D、D/A,PWM、PCA,WDT,SPI、I,2,C、ISP、IAP,8051单片机内部结构图,2.2 8051单片机芯片引脚功能,单片机芯片,方形封装方式,引脚图,2.2 8051单片机芯片引脚功能,单片机芯片引脚功能,1主电源引脚,（1）GND 接地,（2）VCC正常操作时为十5V电源。,2时钟电路引脚,（1）XTAL1：,（2）XTAL2：,3控制线与电源复用引脚,（1）RST/VPD：,RST,是复位信号，,高电平,有效。,VPD,为第二功能，即备用电源输入端。,（2）ALE/PROG：,ALE,为地址锁存允许信号输出引脚。,PROG,为编程信号，第二功能，,低电平,有效。,（3）,PSEN,：片外ROM选通信号输出端，,低电平,有效。,（4）EAVPP：,EA,为内部和外部ROM控制端,当EA1,时，从内ROM开始访问,当EA0时，只访问外部ROM,VPP,是编程电源输入端,4并行输入/输出引脚,（1）,P0口,（2）,P1口,（3）,P2口,（4）,P3口,P3口每一位可用作,第二功能,，而且P3口的每一条引脚都可以独立设置为第一功能的,I/O口功能,和,第二功能,。,2.3 8051中央处理器,单片机的CPU是完整的1位微计算机。这个1位微计算机包含CPU、位寄存器、I/O口和指令集。,CPU内部,包含：,1、运算器,2、控制器,3、存储器。,2.3.1 运算器,运算器包含：,1.,算术逻辑运算单元ALU,-算术运算、逻辑运算,2.,累加器A,-相当于数据加工厂,3.,位处理器,-位运算,4.,BCD码修正电路,-十进制数的运算处理,5.,PSW,-记录程序运行状态,2.3.2 控制器,单片机的指挥部件，,主要任务是,识别指令,，,控制各功能部件,，保证各部分,有序工作,。,主要包括指令寄存器、指令译码器、程序计数器、程序地址寄存器、条件转移逻辑电路、时序控制逻辑电路。,按键手动复位，有电平方式和脉冲方式两种。,对于8031单片机无内部程序存储器，EA接低电平，从片外读取程序执行。,ADD A，30H,（1）微处理器（8位CPU）,图2-19中（b）的电路能输出高、低两种电平的复位控制信号，以适应外围I/O接口芯片所要求的不同复位电平信号。,（2）程序存储器（ROM、EPROM或Flash等）,这是P3口与其它各口的不同之处。,PCON电源控制寄存器格式如下：,52子系列内部有256个单元的数据存储器，用户RAM区范围为30HFFH，共208个单元。,(2)(RAM)和(ROM)在操作使用上是严格区分的，不同的操作指令不能混用。,8051单片机存储器从物理结构上分四种：,3、P0W为端口输出写信号，用于锁存输出状态,这个1位微计算机包含CPU、位寄存器、I/O口和指令集。,1、有一根地址和数据总线。,晶体的振荡频率在12MHz之间。,1、指令、指令译码及控制器,指令-,就是完成某项操作的命令。,指令译码-,对指令进行解析和翻译,控制器-,发出相应的控制信息，指挥运算器和存储器协同完成指令所要求的操作。,例如：,下面是单片机的一条指令：,00100101 00110000,(A)+(30H),该指令是加法指令,指令占2字节,2、指令集和指令助记符,指令译码器所能解析系统在设计时规定的。,为直观表达，用指令助记符表示。,例如，上面的加法指令的助记符为：,ADD A，30H,3、程序及程序计数器PC,什么叫计算机程序：,为完成一个完整的运算任务，按照执行步骤用计算机指令编写的指令集合。,执行程序指示：,地址由PC指示。,执行程序时，在计算机控制器的控制下，取指令装置会按PC的指向从存储器中读出第一条指令并译码，执行指令所要求的操作。,2.3.3 程序执行过程,执行程序线路实际上按PC的指取指令运行，PC就象引路人，称为程序指针。执行流程如下图：,程序指令取指执行过程,1、复位PC=0000,2、从PC取指，PC+1,3、取数据,4、执行指令,5、取下一条指令,2.4 8051单片机的存储结构,8051单片机存储器采用,哈佛结构,：,1、有一根地址和数据总线。,2、程序存储器空间和数据存储器空间采用独立编址。,3、拥有各自的寻址方式和寻址空间。,2.4.1 8051单片机的存储器结构,8051单片机存储器从物理结构上分四种：,1、片内程序存储器（只读存储器ROM）,（,类型：,ROM、PROM、EPROM、E2PROM、Flash）,2、片外程序存储器(,类型同上,),3、片内数据存储器（读写存储器RAM）,(,类型：,SRAM、DRAM、E2PROM、Flash),4、片外数据存储器(,类型同上,),从寻址空间分布上分三种：,程序存储器、内部数据存储器外部数据存储器。,从功能作用上可五种：,程序存储器、内部数据存储器、特殊功能寄存器、位地址空间存储器和外部数据存储器。,2.4.1 8051单片机的存储器结构图,2.4.2 程序存储器：,可寻址的地址空间为64KB，从0000H开始编址，最大地址可至FFFFH。,用EA信号选择片内、片外程序存储器,：,对于STC89C51单片机（片内有4 KB），编址为00000FFFH，EA 接高电平，从片内0000H开始执行程序。,对于8031单片机无内部程序存储器，EA接低电平，从片外读取程序执行。,中断向量：,单片机至少有5个中断地址，在0000002FH程序存储器地址之间占5个特殊地址，被固定用于5个中断源的中断服务程序入口地址。中断地址如下：,2.4.3 片内数据存储器,1、片内RAM编址,片内数据存储器(RAM)，128B/256B)，用来存放程序运行时所需要的常数或变量。编址如下：,51子系列,片内RAM有128字节编址为007FH,特殊功能寄存器块有128字节编址为为80FFH,52子系列,片内RAM有256字节,低128字节编址为007FH,（直接寻址）,高128字节编址为80FFH,（间接寻址）,SFR有128字节编址为为80FFH,（间接寻址）,2、内部数据存储器的划分,片内RAM编址为007FH，分,工作寄存器区,、,位寻址区,、,数据缓冲区,和,堆栈数据区,三个部分。结构如下图：,(1)工作寄存器区,从上图中可以看到，单片机内部RAM的001FH区是R工作寄存器区，分为四个组，由RS1、RS0配置选择：,(2)位寻址区,内部RAM的20H2FH为位寻址区域(见表2-4)。,这16个单元(共128位)的位地址编址范围为00H7FH。,(3)数据缓冲区,内部RAM的30H7FH是数据缓冲区，也称为用户RAM区，共80个单元。,52子系列内部有256个单元的数据存储器，用户RAM区范围为30HFFH，共208个单元。,工作寄存器区和位寻址区的地址及单元数与上述一致。,3、堆栈和堆栈指针,堆栈的概念：,是一种数据项按序排列的数据结构，采用后进先出，这种后进先出操作的缓冲器区称为堆栈。,堆栈指针总是指向栈顶。,堆栈就好比水桶或手枪中的弹匣，更象一个装兵乓球的小圆筒。,堆栈的几个名词：,满堆栈、空堆栈、递增堆栈和递减堆栈,堆栈特点：后进先出,堆栈有3个具体功能：,(1)保护断点,(2)现场保护,(3)临时暂存数据,2.4.4 特殊功能寄存器,单片机是通过特殊功能寄存器（SFR）对各种功能部件进行集中控制。如下表：,2.4.5 外部数据存储器,单片机,一般的内部RAM,只有128 B或256B。,现在有,大RAM容量,单片机或集成了Data Flash的单片机。,系统需要,海量存储器,必须扩展外部存储器。,扩展外部存储器方式：,（1）并行方式扩展（最大64KB）,（2）串行方式扩展（最大1MB以上）,存储器使用总结如下：,(1)地址有重叠性，用不同的控制命令分开。,(2)(RAM)和(ROM)在操作使用上是严格区分的，不同的操作指令不能混用。,(3)位地址空间有两个区域：,20H2FH区和SFR区,(4)片外数据存储器区中，RAM存储单元与单片机外部扩展的I/O端口是统一编址的。,2.5 并行I/O端口,共有4个8位双向I/O口，共32口线。每位均有自己的锁存器(SFR)，输出驱动器和输入缓冲器。,多路开关,功能,：用于控制选通,I/O,方式,还是,地址,/,数据输出方式,方式控制,：由内部控制信号产生,输入锁存器,两个输入缓冲器,(,BUF1,和,BUF2),推拉式,I/O,驱动器,2.5.1 P0口位图内部结构,BUF2,BUF1,5、P0R2为,读引脚,信号，执行“MOV A,P0”时该信号有效,6、读引脚（端口）时，输出锁存器应为“1”,说明：,1、当控制信号为0时，P0口做双向I/O口，为漏极开路（三态）,2、控制信号为1时，P0口为地址/数据复用总线（用于口扩展）,3、P0W为端口输出写信号，用于锁存输出状态,4、P0R1为,读锁存器,信号，执行“ANL P0,#0FH”时该信号有效,Q,Q,D,C,Vcc,控制,AD0,P0R1,P0R2,D0,P0W,图1、P0口内部结构,读锁存器,读引脚,锁存器,内部总线,写锁存器,地址/数据,P00,多路开关,1,0,2.5.2 P1口内部结构,P1口内部结构如图2所示,输出部分有内部上拉电阻R*约为20K。,其他部分与P0端口使用相类似（读引脚时先写入1）。,写数据,读端口,2.5.3 P2口内部结构,2、当控制信号为1时,P2口输出地址信息，,此时单片机完成外部的取指操作或对外部数据存储器16位地址的读写操作。,3、当P2口作为普通I/O口使用时,用法和P1口类似。,说明：,1、P2可以作为通用的I/O，也可以作为,高8位地址,输出。,P,0.3,地址锁存器,CB,I/O,A,15,A,14,A,13,A,12,A,11,A,10,A,9,A,8,A,7,A,6,A,5,A,4,A,3,A,2,A,1,A,0,D,7,D,6,D,5,D,4,D,3,D,2,D,1,D,0,DB,AB,P,1.0,P,1.1,P,1.2,P,1.3,P,1.4,P,1.5,P,1.6,P,1.7,RESET,P,3.0,P,3.1,P,3.3,P,3.4,P,3.5,P,3.6,P,3.7,V,SS,V,CC,P,0.0,P,0.1,P,0.2,P,0.5,P,0.6,P,0.7,EA,ALE,PSEN,P,2.7,P,2.6,P,2.5,P,2.4,P,2.3,P,2.2,P,2.1,P,2.0,P,3.2,MCS-51片外总线结构示意图,返回,MCS-51单片机片外总线,P,返回,单片机,8031,P2.0,P2.1,P2.2,A8,A9,A10,ALE,RD,74LS,373,G,6264,A7,A6,A5,A4,A3,A2,A1,A0,O0,O1,O2,O3,O4,O5,O6,O7,P0.0,P0.1,P0.2,P0.3,P0.4,P0.5,P0.6,P0.7,OE,CE,Q0,Q1,Q2,Q3,Q4,Q5,Q6,Q7,D0,D1,D2,D3,D4,D5,D6,D7,WE,WR,P2.7,P2.3,P2.4,A11,A12,6264,WE,单片机,8031,:,.,A8,.,.,ALE,RD,74LS,373,G,A7,.,.,A0,:,OE,CE,Q0,.,.,Q7,D0,.,.,D7,A12,WR,D7,.,.,D0,2.5.4 P3口内部结构,说明：,1、做普通端口使用时，第二功能应为“1”。,2、使用第二功能时，输出端口锁存器应为“1”。,3、变异功能（）,P3.0 TXD P3.4 T0,P3.1 RXD P3.5 T1,P3.2 INT0 P3.6 WR,P3.3 INT1 P3.7 RD,1,输出I/O口,1,读I/O口,1,1,（3）只有,P0口,是一个真正的,双向口,，,P1P3口,都是,准双向口,。,原因:,P0口作数据总线使用时，为保证数据正确传送，需解决芯片内外的隔离问题，,即只有在数据传送时芯片内外才接通；否则应处于隔离状态。为此，P0口的输出缓冲器应为三态门。,（4）P3口具有第二功能。因此在P3口电路增加了第二功能控制逻辑。这是P3口与其它各口的不同之处,。,P3口的第二功能,2.6 单片机时序与复位,时钟电路用于产生单片机工作所必需的时钟控制信号。,2.6.1 时钟电路,时钟频率直接影响单片机的,速度,，电路的质量直接影响系统的,稳定性,。常用的时钟电路有两种方式：,内部时钟,方式和,外部时钟,方式。,一、内部时钟方式,内部有一个用于构成振荡器的,高增益反相放大器,，其输入端：XTAL1，输出端：XTAL2。,C1,和,C2,典型值通常选择为,30pF,左右。,晶体的振荡频率,在,12MHz,之间。,某些高速单片机芯片的时钟频率已达,40MHz,。,二、外部时钟方式,常用于多片单片机同时工作。,三、时钟信号的输出,为应用系统中的其它芯片提供时钟，但需增加驱动能力。,2.6.2 机器周期、指令周期与指令时序,一、时钟周期,单片机的,基本时间单位,。,若时钟的晶体的振荡频率为fosc，则时钟周期Tosc=1/fosc。如fosc=6MHz，Tosc=166.7ns。,二、机器周期,CPU,完成一个基本操作所需要的时间,。,执行一条指令分为几个机器周期。每个机器周期完成一个基本操作。MCS-51单片机每,12个时钟周期为一个机器周期，,一个机器周期又分为6个状态,：,S1S6,。,每个状态又分为两拍,：,P1和P2,。因此，,一个机器周期中的12个时钟周期表示为：,S1P1、S1P2、S2P1、S2P2、SP6P1、S6P2,三、指令周期,执行一条指令时，可分为,取指令阶段,和,指令执行阶段,。,取指令阶段,，,PC中地址送到程序存储器，并从中取出需要执行指令的操作码和操作数。,指令执行阶段,，对指令操作码进行译码，以产生一系列控制信号完成指令的执行。,ALE信号是为地址锁存而定义的,，以时钟脉冲1/6的频率出现，在一个机器周期中，ALE信号两次有效（注意，在执行访问外部数据存储器的指令MOVX时，将会丢失一个ALE脉冲）,8051,X2,X1,Vss,TTL,外接时钟源,Vcc,时钟电路,需外接晶振的频率,1.212MHZ,，,C1,和,C2,取,3010PF,X1,X2,C2,C1,X,8051,振荡电路,S1,S2,S3,S4,S5,S6,S1,S2,P1,P2 P1,P2 P1 P2,P1 P2 P1,P2 P1,P2,P1 P2 P1 P2,f,osc,一个状态周期,一个机器周期,T=12*(1/fosc),X,2,CPU,的时序（时钟周期、状态周期、机器周期）,若外接晶振为12MHz时，则单片机的四个周期的具体值为：,时钟周期,1/12MHz,1/12s,状态周期,1/6s,机器周期,1s,指令周期,1,4s,可用于计算指令、程序的执行时间，以及定时器的定时时间,2.6.3 复位电路,单片机的初始化操作，摆脱死锁状态。,引脚RST加上,大于2个机器周期（即24个时钟振荡周期）的高电平就可使MCS-51复位。,复位时，PC初始化为0000H,，使MCS-51单片机从0000H单元开始执行程序。,除PC之外，复位操作还对其它一些寄存器有影响，见,表2-8,(P43),。,SP=07H，P0-P3的引脚均为高电平,。,在复位有效期间，,ALE脚,和,PSEN,*,脚,均为高电平，内部RAM的状态不受复位的影响。,2.7.2 复位电路,片内复位结构：,上电自动复位,和,按钮复位,最简单的上电自动复位电路:,按键手动复位,，有,电平方式,和,脉冲方式,两种。,电平方式 脉冲方式,两种实用的兼有上电复位与按钮复位的电路。,图2-19中（b）,的电路能输出高、低两种电平的复位控制信号，以适应外围I/O接口芯片所要求的不同复位电平信号。,74LS122为单稳电路，实验表明，,F较好。,2.6.4 复位和复位状态,单片机复位后，各个特殊功能寄存器的复位状态如表2-8所示,2.7 单片机的省电工作模式,单片机工作方式：,（1）正常工作方式,（2）空闲模式,（3）掉电模式,空闲模式,和,掉电模式,由PCON中的IDL和PD位设置。,PCON电源控制寄存器格式如下：,PCON,的字节地址为87H，不能位寻址，系统复位时PCON=00 x1 0000B。,IDL=1,进入空闲模式。,(1)用中断方式退出空闲模式。,(2)用硬件复位方式退出空闲模式。,PD=1,进入掉电模式。,STC89C51单片机的功耗：,（1）正常工作时功耗为25 mA,（2）空闲节电模式下功耗是6.5 mA,（3）掉电模式时功耗仅50,A。,