2022年单片机原理及应用C单片机内部结构和工作原理.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 80C51单片机内部结构和工作原理,80C51系列单片机内部结构,外部引脚功能,存储空间配置和功能,片内RAM结构和功能,特殊功能寄存器的用途和功能,程序计数器PC的作用和基本工作方式,I/O端口结构、工作原理及功能,时钟和时序,复位电路、复位条件和复位后状态,低功耗工作方式的作用和进入退出的方法,本章要点,单片机原理与控制技术,单片机原理与控制技术,教 材,张志良主编,单片机原理与控制技术(第2版）机械工业出版社,2-1 内部结构和引脚功能,2.1.1,内部结构,8,位的,CPU,，,片内有振荡器和时钟电路,工作频率为,1,12MHz,（,Atmel 89Cxx,为,0,24MHz,）,片内有,128/256,字节,RAM,片内有,0K/4K/8K,字节 程序存储器,ROM,可寻址片外,64K,字节 数据存储器,RAM,可寻址片外,64K,字节 程序存储器,ROM,片内,21/26,个 特殊功能寄存器（,SFR,）,4,个,8,位 的并行,I/O,口（,PIO,）,1,个 全双工串行口（,SIO/UART,）,2/3,个,16,位 定时器,/,计数器（,TIMER/COUNTER,）,可处理,5/6,个中断源，两级中断优先级,内置,1,个布尔处理器和,1,个布尔累加器（,Cy,）,MCS-51,指令集含,111,条指令,MCS-51单片机基本特性,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,8031,80C31,8051,80C51,(4K字节),8751,87C51,(4K字节),128,字节,2x16,4x8位,1,5,Intel,MCS-52,子系列,8032,80C32,8052,80C52,(8K字节),8752,87C52,(8K字节),256,字节,3x16,4x8位,1,6,注意：今后将会经常提到,ATMEL的AT89C2051/51/52等MCU！,ATEML,89C系列,(常用型),1051(1K)/2051(2K)/4051(4K),（20条引脚DIP封装）,128,2,15,1,5,89C51(4K)/89C52(8K),（40条引脚DIP封装）,128/256,2/3,32,1,5/6,单片机的引脚定义,从一片集成电路的角度去认识单片机,引脚功能,40,个引脚,双排直插DIP封装,大致可分为4类：,电源、时钟、控制和I/O引脚。,单片机的引脚（晶振端）,电源:,V,CC,-芯片电源，接；,V,SS,-接地端；,时钟:,XTAL1,、,XTAL2-,晶体振荡电路反相输入端和输出端。,1545pf,x2,112MHz（MCS-51）024MHz（Atmel-89C）,XTAL1,XTAL2,也可以由 XTAL1端接入外部时钟，此时应将 XTAL2接地：,XTAL2,XTAL1,外部时钟,通常外接一个晶振两个电容,控制线:,控制线共有4根，,ALE,/,PROG,:地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲,ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址 PROG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。,PSEN:,外ROM读选通信号。,RST,/,V,PD,:,复位/备用电源。,RST（Reset）功能：复位信号输入端。,V,PD,功能：在Vcc掉电情况下，接备用电源。,单片机,锁存器74LS373,ALE,PSEN,8D,8Q,OE,A8-A12,A0-A7,D0-D7,G,EA,OE,CE,EPROM,单片机的引脚（PSEN端）,PSEN：,寻址外部程序存储器时选通外部EPROM的,读控制端（OE）,低有效。,EPROM,EA,/,Vpp,:内外ROM选择/片内EPROM编程电源。,EA功能：内外ROM选择端。,80C51,单片机,ROM,寻址范围为,64KB,，,其中,4KB,在片内，,60KB,在片外,(80C31,芯片无内,ROM,，,全部在片外,),。,当,EA,保持高电平时,，先访问内,ROM,，,但当,PC(,程序计数器,),值超过,4KB(0FFFH),时，将自动转向执行外,ROM,中的程序。,当,EA,保持低电平时,，则只访问外,ROM,，,不管芯片内有否内,ROM,。,对,80C31,芯片，,片内无,ROM,，,因此,EA,必须接地。,Vpp,功能：,片内有,EPROM,的芯片，在,EPROM,编程期间，施加编程电源,Vpp,。,I/O线,80C51共有,4个,8位,并行,I/O端口,：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。,P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。,P3.0,RXD,：串行口输入端；,P3.1,TXD,：串行口输出端；,P3.2,INT0,：外部中断0请求输入端；,P3.3,INT1,：外部中断1请求输入端；,P3.4,T0,：定时/计数器0外部信号输入端；,P3.5,T1,：定时/计数器1外部信号输入端；,P3.6,WR,：外RAM写选通信号输出端；,P3.7,RD,：外RAM读选通信号输出端。,80C51的存储器组织结构可以分为三个不同的存储空间，分别是：,64,KB,程序存储器,(,ROM,),包括片内ROM和片外ROM；,256,B,内部数据存储器,(,内RAM,),(,包括特殊功能寄存器,）,。,64,KB,外部数据存储器,（,外RAM,）；,80C51存储空间配置图,2.2.1,程序存储器,（ROM）,地址范围,：,0000HFFFFH,，共,64KB,。其中:,低段4KB,：0000H0FFFH 80C51和87C51在片内，80C31在片外。,高段60KB,：1000HFFFFH。在片外。,读写ROM用MOVC指令，控制信号是PSEN和EA,。,读ROM是以程序计数器PC作为16位地址指针，依次读相应地址ROM中的指令和数据，每读一个字节，PC+1PC，这是CPU自动形成的。但是有些指令有修改PC的功能，例如转移类指令和MOVC指令，CPU将按修改后PC的16位地址读ROM。,读,外,ROM,的过程：,CPU从,PC,(程序计数器),中取出当前ROM的16位地址，分别由,P0口（低8位）,和,P2口（高8位）,同时输出，ALE信号有效时由地址锁存器锁存低8位地址信号，地址锁存器输出的低8位地址信号和P2口输出的高8位地址信号同时加到外ROM 16位地址输入端，,当PSEN信号有效时,，外ROM将相应地址存储单元中的数据送至数据总线（P0口），CPU读入后存入指定单元。,需要指出的是:,64KB中有一小段范围是80C51系统专用单元，0003H0023H是5个中断源中断服务程序入口地址(详见第5章)，用户不能安排其他内容。,80C51,复位后，PC=0000H,，CPU从地址为0000H的ROM单元中读取指令和数据。从0000H到0003H只有3B，根本不可能安排一个完整的系统程序，而80C51又是依次读ROM字节的。,因此,，这3B只能,用来安排,一条跳转指令,，跳转到其他合适的地址范围去执行真正的主程序。,2.2.2 外部数据存储器（外RAM）,地址范围,：,0000H,FFFFH,共,64KB,。,读写外,RAM,用,MOVX,指令，,控制信号是,P3,口中的,RD,和,WR,。,一般情况下，只有在内RAM不能满足,应用要求时，才外接RAM。,外RAM 16位地址分别由P0口（低8位）和P2口（高8位）同时输出，ALE信号有效时由地址锁存器锁存低8位地址信号，地址锁存器输出的低8位地址信号和P2口输出的高8位地址信号同时加到外RAM 16位地址输入端，当,RD,信号有效时，外RAM将相应地址存储单元中的数据送至数据总线（P0口），CPU读入后存入指定单元。,读外,RAM,的过程,：,写,外,RAM,的过程,：,写外RAM的过程与读外RAM的过程相同。只是控制,信号不同，信号换成,WR,信号。当,WR,信号有效时，,外RAM将数据总线（P0口分时传送）上的数据写入相,应地址存储单元中。,2.2.3 内部数据存储器（内RAM）,从广义上讲，80C51内RAM（128B）和特殊功能寄存器（128B）均属于片内RAM空间，读写指令均用MOV指令。但为加以区别，内RAM,通常,指00H7FH的低128B空间。,作用,：,工作寄存器区,工作寄存器区分为4个区：,0,区、,1,区、,2,区、,3,区。每区有8个寄存器：,R0R7,，寄存器名称相同。但是，当前工作的寄存器区只能有一个，由,PSW中的D4、D3位决定,。,有专用于工作寄存器操作的指令，读写速度比一般内,RAM,要快，指令字节比一般直接寻址指令要短，还具有间址功能，能给编程和应用带来方便。,位寻址区,地址:,从,20H2FH,共16,字节,（Byte，缩写为英文大写字母,B,）。,每B有8,位,（bit，缩写为小写,b,），共128位，每一位均有一个位地址，可位寻址、位操作。即按位地址对该位进行,置1,、,清0,、,求反,或,判转,。,用途,：存放各种标志位信息和位数据。,注意事项,:位地址与字节地址编址相同，容易混淆。,区分方法,:位操作,指令,中的地址是位地址;字节操作,指令,中的地址是字节地址。,位寻址区的位地址映象表,字节,地址,位 地 址,D7,D6,D5,D4,D3,D2,D1,D0,2FH,7FH,7EH,7DH,7CH,7BH,7AH,79H,78H,2EH,77H,76H,75H,74H,73H,72H,71H,70H,2DH,6FH,6EH,6DH,6CH,6BH,6AH,69H,68H,2CH,67H,66H,65H,64H,63H,62H,61H,60H,2BH,5FH,5EH,5DH,5CH,5BH,5AH,59H,58H,2AH,57H,56H,55H,54H,53H,52H,51H,50H,29H,4FH,4EH,4DH,4CH,4BH,4AH,49H,48H,28H,47H,46H,45H,44H,43H,42H,41H,40H,27H,3FH,3EH,3DH,3CH,3BH,3AH,39H,38H,26H,37H,36H,35H,34H,33H,32H,31H,30H,25H,2FH,2EH,2DH,2CH,2BH,2AH,29H,28H,24H,27H,26H,25H,24H,23H,22H,21H,20H,23H,1FH,1EH,1DH,1CH,1BH,1AH,19H,18H,22H,17H,16H,15H,14H,13H,12H,11H,10H,21H,0FH,0EH,0DH,0CH,0BH,0AH,09H,08H,20H,07H,06H,05H,04H,03H,02H,01H,00H,数据缓冲区,内RAM中,30H7FH,为数据缓冲区，,用于存放各种数据和中间结果，起到数据缓冲的作用。,2.2.4,特殊功能寄存器（SFR）,特殊功能寄存器地址映象表（一）,特殊功能寄存器地址映象表（二）,特殊功能寄存器地址映象表（三）,注：,带括号的字节地址表示每位有位地址可位操作。,累加器,Acc,寄存器,B,MOV A,R0 MOV A,R1,MOV A,30H ADD A,32H,ADD A,#32H,MOV A,B ADD A,B,程序状态字寄存器,PSW,PSW,也称为标志寄存器，存放各有关标志。其结构和定义如下：,Cy,进位标志,。,用于表示有否向更高位进位。,AC,辅助进位标志,。,用于表示进位。,RS1、RS0 工作寄存器区选择控制位,。,RS1、RS0=00 0区（00H07H）,RS1、RS0=01 1区（08H0FH）,RS1、RS0=10 2区（10H17H）,RS1、RS0=11 3区（18H1FH）,OV 溢出标志,。,表示Acc在,有符号数,算术运算中的溢出。,P 奇偶标志,。表示Acc中“1”的个数的奇偶性。,F0、F1 用户标志,。,执行调用子程序或发生中断时，CPU会自动将当前 PC值压入堆栈，将子程序入口地址或中断入口地址装入PC；子程序返回或中断返回时，恢复原有被压入堆栈的PC值，继续执行原顺序程序指令。,2.2.5,程序计数器PC,PC不属于特殊功能寄存器，不可访问，在物理结构上是独立的。,PC是一个16位的地址寄存器，用于存放将要从ROM中读出的下一字节指令码的地址，因此也称为地址指针。,PC的基本工作方式有：,自动加1。CPU从ROM中每读一个字节，自动执行,PC+1PC；,执行转移指令时，PC会根据该指令要求修改下一次,读ROM新的地址；,2-3,I/O端口结构及工作原理,有4个8位并行I/O口,共32条端线,：,P0、P1、P2和P3口,。,每一个I/O口都能用作输入或输出。,用作输入时，均,须先写入“1”,；,用作输出时，P0口应,外接上拉电阻,。,P0口的,负载能力,为8个LSTTL门电路；,P1P3口的负载能力为4个LSTTL门电路。,在并行扩展外存储器或I/O口情况下，,P0口用于低8位地址总线和数据总线(分时传送),P2口用于高8位地址总线,，,P3口常用于第二功能,，,用户能使用的I/O口只有P1口和未用作第二功能,的部分P3口端线。,单片机的I/O引脚结构,众多功能各异的,I/O,引脚源于它结构的不同,它是将时钟脉冲二分频后的脉冲信号。,特殊功能寄存器地址映象表（二）,读写时，只能整体字节操作，不能按位操作。,控制线:控制线共有4根，,用作输入时，均须先写入“1”；,待机（休闲）方式状态,（2）作地址/数据输出：输出地址/数据=1 时,7:8位数据口和输出低8位地址复用口,RS1、RS0=11 3区（18H1FH）,IDL：待机(休闲)方式控制位,1 内部结构,堆栈操作分自动方式和指令方式。,P0口的负载能力为8个LSTTL门电路；,7:通用I/O口（准双向口）,特殊功能寄存器地址映象表（三）,单片机的引脚（P0口）,P0.0P0.7:双向I/O（内置,场效应管,上拉）,寻址外部程序存储器时分时作为双向8位数据口和输出低8位地址复用口；不接外部程序存储器时可作为8位准双向I/O口使用。,2,1,D,Q,CK,/,Q,读引脚,读锁存器,写锁存器,内部总线,地址/数据,控制,3,4,Vcc,V1,V2,2,1,D,Q,CK,/Q,读引脚,=1,读锁存器,写锁存器,内部总线,地址/数据,控制,3,4,0,0,1,0,0,截止,截止,=0,Vcc,单片机的引脚（P0口）,P0用作通用I/O时，控制=0：,（1）此脚作输入口（事先必须对它写“1”）,V2,V1,2,1,D,Q,CK,/Q,读引脚,读锁存器,写锁存器,内部总线,地址/数据,控制,3,4,0,0,1,0,0,截止,截止,=0,Vcc,单片机的引脚（P0口）,P0用作通用I/O时，控制=0：,（2）此脚作输出口时，,当P0口用作输出口时，因,输出级处于开漏状态，必须外接上拉电阻。,当“写锁存器”信号加在锁存器的时钟端CLK上，此时D触发器将“内部总线”上的信号反相后输出到Q端，若D端信号为0，Q=1，v2导通，P0 x引脚输出“0”；若D端信号为1，Q=0，v2截止，虽然V1截止，因P0 x引脚已外接上拉电阻，P0 x引脚输出“1”。,V2,V1,2,1,D,Q,CK,/Q,读引脚,=0,读锁存器,写锁存器,内部总线,地址/数据,控制=1,3,4,1,0,1,1,=0,导通,截止,=0,Vcc,单片机的引脚（P0口）,P0口用作地址/数据复用口，控制=1,（1）作地址/数据输出：输出地址/数据=0 时,V1,V2,2,1,D,Q,CK,/Q,读引脚,=0,读锁存器,写锁存器,内部总线,地址/数据,控制=1,3,4,1,1,0,0,=1,截止,导通,=1,Vcc,单片机的引脚（P0口）,P0口用作地址/数据复用口，控制=1,（2）作地址/数据输出：输出地址/数据=1 时,V1,V2,2,1,D,Q,CK,/Q,读引脚,=1,读锁存器,写锁存器,内部总线,地址/数据,控制=0,3,4,Vcc,单片机的引脚（P0口）,P0口用作地址/数据复用口,（3）作/数据输入：与P0用作通用I/O时输入时情况相同，CPU使V1、V2均截止，从,引脚上输入的外部数据经缓冲器U2进入内部数据总线。,V1,V2,2-4,时钟和时序,CPU总是按照一定的时钟节拍与时序工作,2-4,时钟和时序,2.4.1 时钟电路,80C51单片机内有一高增益反相放大器，按图2-8a连接即可构成自激振荡电路，振荡频率取决于石英晶体的振荡频率.,2.4.2,时钟周期和机器周期,时钟周期,。,80C51,振荡器产生的时钟脉冲频率的倒数，是最基本最小的定时信号。,状态周期,。,它是将时钟脉冲二分频后的脉冲信号。状态周期是时钟周期的两倍。状态周期,又称S周期。在S周期内有两个时钟周期，即分为两拍，分别称为P1和P2,机器周期是,6个状态周期、,12个时钟周期。,当时钟频率为12MHz时，机器周期为1,S；,当时钟频率为6MHz时，机器周期为2,S,。,(3),机器周期,80C51,单片机工作的基本定时单位，简称机周。,一个机器周期含有6个状态周期，分别为S1、S,2、S6，每个状态周期有两拍，分别为S1P1、S1P2、S2P1、S2P2，S6P1、S6P2,（4）,指令周期,指CPU执行一条指令占用的时间(用机器周期表示),。80C51执行各种指令时间是不一样的，可分为三类：单机周指令、双机周指令和四机周指令。其中单机周指令,有64条，双机周指令有45条，四机周指令只有2条(乘法和除法指令)，无三机周指令。,图2-9 80C51的取指执行时序,a)单字节单周期指令，例：INC A b)双字节单周期指令，例：ADD A，#data,c)单字节双周期指令，例 INC DPTR d)双字节双周期指令：例 PHSH direct,牢牢记住：,振荡周期(,时钟周期),=晶振频率fosc的倒数；,1个机器周期=6个状态,周期,1个机器周期=12个,时钟周期,；,1个指令周期=1、2、4个机器周期,80C51单片机的工作方式共有四种：,复位,方式；,程序执行,方式；,低功耗,方式；,片内ROM编程,（包括校验）方式。,2-5,复位和低功耗工作方式,2.5.1,复位方式,复位条件,RST引脚保持,2,个机器周期,以上的,高电平,。,实现复位操作，必须使RST引脚(9)保持两个机器周期以上的高电平。例如，若时钟频率为12MHz，每机周为,1,S,，则只需持续,2,S,以上时间的高电平；若时钟频率为6MHz，每个机器周期为,2,S,，则需要持续,4,S,以上时间的高电平。,复位电路,上电复位电路。RC构成微分电路，在上电瞬间，产生一个微分脉冲，其宽度若大于2个机器周期，80C51将复位。为保证微分脉冲宽度足够大，RC时间常数应大于两个机器周期。,一般取22电容、1k电阻。,按键复位电路。该电路除,具有上电复位功能外，若要复位，只需按下图中RESET键，R1C2仍构成微分电路，使RST端产生一个微分脉冲复位，复位完毕C2,经R2放电，等待下一次按下复位按键。,复位后,CPU,状态,PC：0000H,TMOD：00H,Acc：00H TCON：00H,B：00H TH0：00H,PSW：00H TL0：00H,SP：07H,TH1：00H,DPTR：0000H,TL1：00H,P0P3：FFH,SCON：00H,IP：,00000B SBUF：不定,IE：0,00000B PCON：0,0000B,2.5.2,低功耗工作方式,待机(休闲),方式（Idle）,掉电保护,方式（Power Down）。,在Vcc=5V，fosc=12MHz条件下，,正常工作时电流约,20mA,；,待机(休闲)方式时电流约,5mA,；,掉电保护方式时电流仅,75,A,。,两种低功耗工作方式由电源控制寄存器,PCON,确定。,其中：,SMOD,：波特率倍增位（在串行通信中使用）,GF1、GF0,：通用标志位,PD,：掉电方式控制位，,PD=1，进入掉电工作方式；,IDL,：待机(休闲)方式控制位,IDL=1,进入待机工作方式。,注意:,PCON字节地址87H，,不能位寻址,。,读写时，只能整体字节操作，不能按位操作。,SMOD,GF1,GF0,PD,IDL,PSON,MSB,LSB,待机（休闲）方式,待机（休闲）状态,退出,产生中断；,复位。,待机（休闲）方式,状态,片内时钟仅向中断源提供，其余被阻断；,PC、特殊功能寄存器和片内RAM状态保持不变；,I/O引脚端口值保持原逻辑值；,ALE、保持逻辑高电平；,CPU,不工作，,但中断功能继续存在。,待机（休闲）状态,进入,只要使PCON中IDL位置1。,掉电保护方式,掉电保护状态,退出,掉电保护方式,状态,片内振荡器停振，所有功能部件停止工作；,片内RAM数据信息,保存不变；,ALE、PSEN为低电平；,Vcc可降至2V，但不能真正掉电。,掉电保护状态,进入,只要使PCON中PD位置1。,唯一方法是硬件复位，复位后片内,RAM,数据不变，特殊功能寄存器内容按复位状态初始化。,51单片机的8个特殊引脚,Vcc,GND:电源端,XTAL1,XTAL2:,片内振荡电路输入、输出端,RESET:复位端 正脉冲有效（宽度,8 mS）,EA/Vpp:寻址外部ROM控制端。低有效,片内有ROM时应当接高电平。,ALE/PROG:地址锁存允许控制端。,PSEN：选通外部ROM的读(OE)控制端。低有效,小结,51单片机的4个8位的I/O口,P0.7:,8,位数据口和输出低,8,位地址复用口,(,复用时是双向口；不复用时也是准双向口,),P1.0P1.7:,通用,I/O,口（准双向口）,P2.0P2.7:,输出高,8,位地址,（用于寻址时是输出口；不寻址时是准双向口）,P3.0P3.7:,具有特定的第二功能（准双向口）,注意：,在不外扩ROM/RAM时，P0P3均可作通用I/O口使用，而且,都是,准双向I/O口(例如:,AT89C51,)！,小结,P3口第二功能表（P.26 表23）,引 脚,第 二 功 能,P3.0,RxD:串行口接收数据输入端,P3.1,TxD:,串行口发送数据输出端,P3.2,INT0:外部中断申请输入端 0,P3.3,INT1:外部中断申请输入端 1,P3.4,T0:外部计数脉冲输入端 0,P3.5,T1:外部计数脉冲输入端 1,P3.6,WR:写外设控制信号输出端,P3.7,RD:读外设控制信号输出端,小结,PC与SFR复位状态表,寄存器,复位状态,寄存器,复位状态,PC,0000H,TCON,00H,A,00H,T2CON,00H,B,00H,TH0,00H,PSW,00H,TL0,00H,SP,07H,TH1,00H,DPTR,0000H,TL1,00H,P0-P3,FFH,SCON,00H,IP,XX000000B,SBUF,XXH,IE,0X000000B,PCON,0XXX0000B,TMOD,00H,回顾,89C51,单片机存储器配置,片内RAM 128字节（00H7FH）；,片内RAM前32个单元是工作寄存器区(00H1FH),片内RAM有128个可按位寻址的位，占16个单元。,位地址编号为：00H7FH,分布在：20H2FH单元,片内21个特殊功能寄存器(SFR)中：地址号能被 8整除的 SFR中的各位也可按位寻址,可寻址片外RAM 64K字节（0000HFFFFH）,可寻址片外ROM 64K字节（0000HFFFFH）,片内 Flash ROM 4K字节（000HFFFH）,小结,存储器配置（片内RAM）,片内RAM 128字节（00H7FH）,00H,20H,2FH,7FH,1FH,30H,80H,FFH,52子系列才有,的RAM区,普通RAM区,位寻址区,工作寄存器区,SFR分布在80H-FFH,其中92个位可位寻址,80H,FFH,所有的RAM区(包括位寻址区、工作寄存器区）都可以用于存放数据，故也称为数据缓存寄存器,128字节,小结,单片机存储器配置（片外RAM/ROM）,可寻址片外RAM 64K字节（0000HFFFFH）；,可寻址片外ROM 64K字节（0000HFFFFH）；,片内 Flash ROM 4K字节（000HFFFH）；,FFFFH,0000H,可寻址,片外,RAM,64K字节,FFFFH,0000H,可寻址,片外,ROM,64K字节,FFFH,000H,可寻址,片内,Flash ROM,4K字节,89C51,7FH,00H,片内 RAM,128字节,FFH,80H,小结,OVER!,