单片机完整.pptx

,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,#,单片机原理及应用技术教学课件,第二章,MCS-51,单片机的基本结构及工作原理,MCS-51,单片机的基本结构及工作原理,2-1 MCS,51,单片机的基本结构,2-2 MCS,51,的存储器结构,2-3,专用功能寄存器的,SFR,2-4,单片机的工作方式与最小应用系统,主要内容,MCS-51,系列单片机的,内部结构、存储器结构、工作原理、引脚功能、工作方式、时序和最小应用系统,本章要点：,掌握,MCS-51,单片机的,内部结构,、,存储器结构,、,PSW,特殊功能寄存器的使用,、,引脚功能、最小应用系统的设计,；,了解,工作时序及工作方式。,第一节,MCS-51,单片机的基本结构,教学内容：,一、,MCS-51,单片机内部结构,二、,CPU,三、输入输出端口结构,四、端口负载能力和接口要求,五、,MCS-5l,引脚及功能,单片机原理及应用技术教学课件,MCS-51,系列单片机配置一览表,系列,片内存储器（字节）,定时器,计数器,并行,I/O,串行,I/O,中,断,源,片内,ROM,片内,RAM,无,有,ROM,有,EPROM,Intel,MCS-51,子系列,8031,80,C31,8051,80,C51,(4K,字节),8751,87,C51,(4K,字节),128,字节,2,x16,4,x8,位,1,5,Intel,MCS-52,子系列,8032,80,C32,8052,80,C52,(8K,字节),8752,87,C52,(8K,字节),256,字节,3,x16,4,x8,位,1,6,ATEML,89C,系列,(常用型),1051,(1,K),/,2051,(2K),/,4051,(4K),（20,条引脚,DIP,封装）,128,2,15,1,5,89,C51,(4K),/,89C52,(8K),（40,条引脚,DIP,封装）,128/256,2/3,32,1,5/6,单片机原理及应用技术教学课件,一、,MCS-51,内部结构,并行口 串行通信,ROM,4KB,时钟电路,RAM,128,计数器/定时器,8051,CPU,控制逻辑,可编程,I/O,口,可编程全,双工串行口,外部时钟,图2,-1 8051,的功能部件图,外部中断,二、,CPU,主要功能：,产生各种控制信号，去控制存储器、输入输出端口的数据传送、数据的算术运算、逻辑运算以及位操作处理等。,（一）运算器,组成：,运算器由算术逻运算部件,ALU,、,累加器,Acc,、,暂存器、程序状态字寄存器,PSW,、,BCD,码运算调整电路等组成,。,对数据完成,算术运算,，,逻辑运算,、,循环移位,、,位处理,。,（二）控制器,组成：,由程序计数器,PC、,指令寄存器、指令译码器、定时控制与条件转移逻辑电路等组成。,功能：,对来自存储器中的,指令进行译码,，通过定时控制电路，,在规定的时刻发出各种操作所需的全部内部和外部控制信号,，协调各功能元件的工作，完成指令所规定的功能。,特点：,它是,16位,的按机器周期,自动加1,计数器,一切,分支/跳转/调用/中断/复位,等操作的,本质,就是:,改变,PC,值,总指向下一条指令所在首地址(,当前,PC,值,),1程序计数器,PC(Program Counter),一个16位的专用寄存器，用来存放下一条指令的地址。它具有,自动加1,的功能。,2指令寄存器,一个8位的寄存器，用于暂存待执行的指令，等待译码。,3指令译码器,对指令寄存器中的指令进行译码，分析它的功能，并根据功能产生相应的电信号。,4数据指针,DPTR,是一个,16位的,地址指针寄存器。它主要用来存放16位地址，作间址寄存器使用。,可用来访问,64K,外部数据存储器和,I/O,端口,。,DPTR,也可以拆成两个独立8位寄存器，即,DPH,（高8位字节）和,DPL,（低8位字节）,，分别占据83,H,和82,H,两个地址。,5,.,定时控制部件与时序,功能：,在规定的时刻发出各种操作所需的全部内部和外部的控制信号，协调各功能元件工作，完成指令所规定的功能。,主要任务：,产生一个工作时序，其工作需要时钟电路提供一个工作频率。,（,1,）时钟电路设计,XTAL1,XTAL2:,接外部晶振的两个引脚。,MCS-51,内部有一个用于构成,振荡器,的,高增益反相放大器,，此放大器的输入和输出端分别是引脚,XTAL1,和,XTAL2,，在,XTAL1,和,XTAL2,上外接时钟源即可构成时钟电路。,（,1,）时钟电路设计,XTAL1,XTAL2:,接外部晶振的两个引脚。,单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。,有,内部,和,外部,两种时钟产生方式。,单片机的生产工艺不同，接法也不同。,在,XTALl,和,XTAL2,两端接,晶体,或,陶瓷谐振器,，与内部反向器构成稳定的自激振荡器。,参数选取：,C,1,、,C,2,起稳定振荡频率，快速起振的作用。,外接晶振时：,C,l,和,C,2,选择,10,30pF,外接陶瓷谐振器时：,C,l,和,C,2,的典型值约为,4010pF,。,振荡频率范围一般是,1.2MHz,12MHz,，有的可达,40MHz,。,设计印刷电路板时，晶体和电容应,尽可能安装在单片机芯片附近,，以减少寄生电容，保证振荡器稳定和可靠工作。,（,2,）,CPU,的时序,80C51,的片内振荡器及时钟发生器,振荡信号经一个,二分频触发器,向芯片提供了一个,2,节拍,的状态信号。,状态周期,是,振荡周期（时钟周期）,的,2,倍,。,每个,状态周期,有两个节拍,P1,和,P2,。在每个状态的前半周期，节拍,P1,有效，在每个状态的后半周期，节拍,P2,有效。,CPU,就以两相时钟,P1,和,P2,为基本节拍指挥,51,单片机各个部件协调地工作。,单片机原理及应用技术教学课件,CPU,总是按照一定的时钟节拍与时序工作：,振荡周期（时钟周期）,：,晶振频率,fosc,（,或外加频率）,的倒数,状态周期：,2,个振荡周期,机器周期：完成一个规定操作,所需要的时间。,如，取指令、存储器读、存储器写等；,1,个机器周期,=,6,个状态周期,=,12,个振荡周期,指令周期:,执行一条指令所需的机器周期数,1个机器周期=12个振荡周期；,1个指令周期=1、2或4个机器周期,思考：,若采用,12MHz,的晶振频率，其机器周期,=,？,通常，每个机器周期中，,ALE,两次,有效，第一次出现在,S,1,P,2,和,S,2,P,1,期间，第二次出现在,S,4,P,2,和,S,5,P,1,期间。,CPU,取指、执行时序,每条指令的执行都可以包括,取指令,和,执行,两个阶段。,在取指阶段，根据,程序计数器,PC,的内容，,CPU,从,内部,或,外部,ROM,中取出,指令操作码及操作数,，然后再执行这条指令。,按指令执行时间分类：,单周期、双周期、四周期,按指令所占字节数分类：,单字节、双字节、三字节,各指令的微操作在时间上有严格的次序，这种,微操作的时间次序,我们称作,时序。,单字节指令,如：,INC A,（,1,）单周期指令时序,双字节指令,如：,ADD A,#data,单字节单周期指令,指令特点,:,在程序存储器,ROM,中仅占一个存储单元。,在,ALE,第一次有效,(S,2,P,1,),时,从,ROM,中读取指令的操作码，送入指令寄存器,IR,中，,PC,加一，并译码执行，在,ALE,第二次有效时,封锁,PC,加一，并丢弃第二次读的操作码。,指令,寄存器,译码,地址,译码,程序计数器,地址寄存器,累加器,A,运算器,存,储,器,内部数据总线,外部地址总线,AB,数据缓冲器,外部数据总线,DB,寄存器区,外部控制总线,CB,内部控制信号,时钟及清零,单片机的工作过程,取指过程,例,:,MOV A,#09H,74H,09H,;,把,09H,送到累加器,A,中,执行过程,PC=,0000H,0001H,0000H,0002H,0 1 1 1 0 1 0 0,0 0 0 0 1 0 0 1,(PC),(PC),0001H,0002H,0000H,外部控制总线,CB,取指过程,(PC),执行过程,你知道,PC,的作用吗？,五、,MCS-51,单片机的引脚及其功能,AT89S52,DIP 40,封装,单片机原理及应用技术教学课件,认识单片机的引脚,MCS-51,单片机,40脚,Vcc,GND,2,XTAL1,XTAL2,2,RESET,1,EA,/Vpp,1,ALE/,PROG,1,PSEN,1,P0.0,P0.7,8,P1.0,P1.7,8,P2.0,P2.7,8,P3.0,P3.7,8,（,1,）,Vcc,（,40,脚）,GND,（,20,脚）,正电源端与接地端,不同的单片机可以允许不同的工作电压,（+5,V/3.3V/2.7V),，不同的单片机表现出的功耗也不同。,（,2,）,XTAL1,（,19,脚）,XTAL2,（,18,脚）,片内振荡电路输入,/,输出端,单片机原理及应用技术教学课件,对,A,T89S51/S52,单片机，,通常,外接一个晶振两个,20,或,30pf,电容，一个,12M,或,11.0592MHz,的晶振,（,3,）,RST/V,PD,(9,脚,),、,ALE/PROG,(30,脚,),、,EA/Vpp,(31,脚,),、,PSEN,(29,脚,),控制信号引脚。,RST/V,PD,：,复位（正脉冲有效,）/,备用电源引脚,复位使单片机进入某种确定的,初始状态,退出处于节电工作方式的停顿状态、退出一切程序进程、退出程序的死循环，,从头开始,。,V,cc,掉电期间，此引脚可接备用电源，能保护片内,RAM,中的内容不丢失。,无论是,HMOS,型还是,CHMOS,型的单片机，在振荡器正在运行的情况下，复位是靠在,RST,引脚上施加持续,2,个机器周期,的,高电平,来实现的。,MCS-51,单片机通常采用的简单复位电路有：,上电自动复位,、,外部脉冲复位、上电,+,按钮电平复位,、,程序运行监视复位,等方式。,单片机原理及应用技术教学课件,简单复位电路,+5,V,10,uF,10,k,Vcc,RST,GND,上电复位,10,uF,10,k,Vcc,RST,GND,上电,+,按钮复位,1,k,+5,V,程序运行监视复位,程序运行监视复位通常是由各种类型的程序监视定时器,WDT,（Watchdog Timer）,俗称为“,看门狗,”实现。,WDT,可保证程序非正常运行（如程序“飞逸”、“死机”）时，能及时进入复位状态，恢复程序正常运行。,“看门狗”工作原理：,在规定时间内必须至少“,喂狗,”一次，即复位“看门狗”。,否则“看门狗”电路将复位单片机。,实现：,可在软件的合适地方加一条“喂狗”指令，使看门狗的定时时间永远达不到预置。,WDT,通常有几种实现方法供用户选择：,1）,单片机内部带有的,WDT,功能,单元,（如：,S51,）,2）,选择,P,（,microprocessor,）,监视控制器件，这些器件中大多有,WDT,电路，如,Max705,芯片等。,P,监视控制器件,MAX705/706,、,DS1232,等,DS1232,（看门狗）是,DALLAS,公司生产的一种,微机监控电路芯片,。,主要功能：,产生上电复位和手动复位，监视电源电平，监视软件运行状态，当程序运行出现飞车时，产生复位信号。,TD,引脚连接至,定时时间,地（,GND,）,150ms,悬空,600ms,电源（,Vcc,）,1200ms,看门狗定时器定时时间设置,Tol,：电源检测选择端,Tol,接地,，电源电压跌至,4.75V,以下产生复位信号,Tol,接,VCC,，电源电压跌至,4.5V,以下产生复位信号,注意,：保证看门狗定时器计数溢出前复位看门狗定时器,89S51,看门狗功能的使用方法,在,ATMEL,的,89S51,系列的,89S51,与,89C51,功能相同，指令兼容。,89S51,比,89C51,增加了一个看门狗功能。,要激活,AT89S51/52,的看门狗功能，只需依次向,WDTRST,寄存器,（,SFR,地址为,0A6H,）单元送入,#01EH,和,#0E1H,即可，使看门狗定时计数器工作。,AJMP MAIN,;,启动看门狗,MAIN:MOV 0A6H,#01EH,;,先送,1E,MOV0A6H,#0E1H,;,后送,E1,;,主程序,START:,.,ACALL WDT,;,调用复位看门狗子程序,.,AJMP START,;,主程序*,;,复位看门狗子程序,WDT:MOV 0A6H,#01EH,;,先送,1E,MOV 0A6H,#0E1H,;,后送,E1,RET,END,注意事项：,1,89S51,的看门狗必须由程序激活后才开始工作。所以,必须保证,CPU,有可靠的上电复位,。否则看门狗也无法工作。,2,看门狗使用的是,CPU,的晶振。在晶振停振的时候看门狗也无效。,3,89S51,只有,14,位计数器。在,16383,个机器周期内必须至少喂狗一次。而且这个时间是固定的，无法更改。,当晶振为,12M,时每,16,个毫秒需喂狗一次。,ALE/PROG,（,30,脚）,:,地址锁存允许/编程脉冲输入端。,P0,口寻址外部低8位地址时接,外部锁存器,74ls373,的,G,端；,ALE,端,平时会输出周期正脉冲,：,f,fosc,/6,；,对片内,ROM,编程时编程脉冲由此端加入。,（指并行编程模式）,EA/Vpp,（,31,脚）,:,寻址外部,ROM,控制端,/,编程电源输入端。,低电平有效,，,片内,无,ROM,时,必须,接地,；,片内,有,ROM,时,可以,接高电平,，也可以,接低电平,；,接低电平时，只访问片外,ROM,，接高电平时，访问片内,ROM,，超范围时，访问片外,ROM,对,S51/S52,单片机，若不扩展,ROM,，,/EA,要接,+5V,对片内,ROM,编程时编程正电源加到此端。,（指并行编程模式）,单片机原理及应用技术教学课件,PSEN,（,29,脚）：,寻址外部程序存储器时选通外部,EPROM,的,读控制端,（,OE）,，,低电平有效。,单片机,锁存器74,LS373,P0.0-P0.7,ALE,PSEN,P2.0-P2.4,8,D,8,Q,OE,A8-A12,A0-A7,D0-D7,G,EA,OE,CE,EPROM,小结,1,、时钟电路设计,2,、,CPU,的时序,振荡周期、机器周期、指令周期,按指令编码长短：,单字节、双字节、三字节,3,、,单片机的引脚,电源引脚：,Vcc,（,40,）,、,GND,（,20,）,XTAL1,（,19,）,、,XTAL2,（,18,）,控制引脚：,RST/V,PD,(9),、,ALE/PROG,(30),、,EA/Vpp,(31),、,PSEN,(29),输入输出引脚：,P0,、,P1,、,P2,、,P3,4,、常用的复位电路、控制引脚的功能,