河南理工大学万方科技单片机.pptx

单片机原理及应用技术教学课件单片机原理及应用技术教学课件第二章第二章 MCS-51单片机的基本结构及单片机的基本结构及工作原理工作原理lMCS-51单片机的基本结构及工作原理单片机的基本结构及工作原理u 2-1 MCS5151单片机的基本结构单片机的基本结构单片机的基本结构单片机的基本结构u 2-2 MCS5151的存储器结构的存储器结构的存储器结构的存储器结构 u 2-3 专用功能寄存器的专用功能寄存器的专用功能寄存器的专用功能寄存器的SFRSFRuu 2-4 2-4 单片机的工作方式与最小应用系统单片机的工作方式与最小应用系统单片机的工作方式与最小应用系统单片机的工作方式与最小应用系统l主要内容主要内容 uuMCS-51MCS-51系列单片机的系列单片机的系列单片机的系列单片机的内部结构、存储器结构、内部结构、存储器结构、工作原理、引脚功能、工作方式、时序和最小应工作原理、引脚功能、工作方式、时序和最小应用系统用系统l本章要点：本章要点：l掌握掌握 uMCS-51单片机的单片机的内部结构内部结构、存储器结构存储器结构、PSW特殊功能寄存器的使用特殊功能寄存器的使用、引脚功能、最小引脚功能、最小应用系统的设计应用系统的设计；l了解了解u工作时序及工作方式。工作时序及工作方式。第一节第一节 MCS-51单片机的基本结构单片机的基本结构l教学内容：教学内容：l l 一、一、MCS-51单片机内部结构单片机内部结构 l l 二、二、CPU l l 三、输入输出端口结构三、输入输出端口结构 l l 四、端口负载能力和接口要求四、端口负载能力和接口要求l l 五、五、MCS-5l引脚及功能引脚及功能 单片机原理及应用技术教学课件单片机原理及应用技术教学课件MCS-51MCS-51系列单片机配置一览表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EPROMIntelMCS-51子系列803180C31805180C51(4K字节)875187C51(4K字节)128字节2x164x8位15IntelMCS-52子系列803280C32805280C52(8K字节)875287C52(8K字节)256字节3x164x8位16ATEMLATEML89C89C系列系列(常用型常用型)10511051(1(1K)K)/20512051(2K)(2K)/40514051(4K)(4K)（2020条引脚条引脚DIPDIP封装）封装）1281282 215151 15 58989C51C51(4K)(4K)/89C5289C52(8K)(8K)（4040条引脚条引脚DIPDIP封装）封装）128/128/2562562/32/332321 15/65/6单片机原理及应用技术教学课件单片机原理及应用技术教学课件一、一、MCS-51内部结构内部结构并行口并行口并行口并行口 串行通信串行通信串行通信串行通信ROM 4KB时钟电路RAM 128计数器/定时器8051CPU控制逻辑可编程I/O口可编程全双工串行口外部时钟外部时钟外部时钟外部时钟图图2-1 8051的功能部件图的功能部件图外部中断外部中断外部中断外部中断二二、CPUl主要功能：主要功能：产生各种控制信号，去控制存储产生各种控制信号，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。术运算、逻辑运算以及位操作处理等。（一）运算器（一）运算器 组成：组成：运算器由算术逻运算部件运算器由算术逻运算部件ALU、累加累加器器Acc、暂存器、程序状态字寄存器暂存器、程序状态字寄存器PSW、BCD码运算调整电路等组成码运算调整电路等组成。对数据完成对数据完成算术运算算术运算，逻辑运算逻辑运算、循环移位循环移位、位处理位处理。（二）控制器（二）控制器组组成成：由由程程序序计计数数器器PC、指指令令寄寄存存器器、指指令令译码器、定时控制与条件转移逻辑电路等组成。译码器、定时控制与条件转移逻辑电路等组成。功能：功能：对来自存储器中的对来自存储器中的指令进行译码指令进行译码，通过，通过定时控制电路，定时控制电路，在规定的时刻发出各种操作所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需的全部内部和外部控制信号，协调各功能元，协调各功能元件的工作，完成指令所规定的功能。件的工作，完成指令所规定的功能。特点：特点：它是它是1616位位的按机器周期的按机器周期自动加自动加1 1计数器计数器一切一切分支分支/跳转跳转/调用调用/中断中断/复位复位 等操作等操作的的本质本质就是就是:改变改变 PC PC 值值总指向下一条指令所在首地址总指向下一条指令所在首地址(当前当前PCPC值值)1程序计数器程序计数器PC(Program Counter)一个一个16位的专用寄存器，用来存放下一位的专用寄存器，用来存放下一条指令的地址。它具有条指令的地址。它具有自动加自动加1的功能。的功能。l2指令寄存器指令寄存器 一个一个8位的寄存器，用于暂存待执行的指位的寄存器，用于暂存待执行的指令，等待译码。令，等待译码。l3指令译码器指令译码器 对指令寄存器中的指令进行译码，分析它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。的功能，并根据功能产生相应的电信号。l4数据指针数据指针DPTR 是一个是一个16位的位的地址指针寄存器。它主要用地址指针寄存器。它主要用来存放来存放16位地址，作间址寄存器使用。位地址，作间址寄存器使用。可用可用来访问来访问64K外部数据存储器和外部数据存储器和I/O端口端口。DPTR也可以拆成两个独立也可以拆成两个独立8位寄存器，位寄存器，即即DPH（高（高8位字节）和位字节）和DPL（低（低8位字节）位字节），分别占据分别占据83H和和82H两个地址。两个地址。5 5.定时控制部件与时序定时控制部件与时序 功能：功能：在规定的时刻发出各种操作所需的全部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，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。完成指令所规定的功能。主要任务：主要任务：产生一个工作时序，其工作需要时产生一个工作时序，其工作需要时钟电路提供一个工作频率。钟电路提供一个工作频率。（1）时钟电路设计）时钟电路设计XTAL1,XTAL2:接外部晶振的两个引脚。接外部晶振的两个引脚MCS-51内部有一个用于构成内部有一个用于构成振荡器振荡器的的高增高增益反相放大器益反相放大器，此放大器的输入和输出端分，此放大器的输入和输出端分别是引脚别是引脚XTAL1和和XTAL2，在，在XTAL1和和XTAL2上外接时钟源即可构成时钟电路。上外接时钟源即可构成时钟电路。（1）时钟电路设计）时钟电路设计XTAL1,XTAL2:接外部晶振的两个引脚。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。行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。有有内部内部和和外部外部两种时钟产生方式。两种时钟产生方式。单片机的生产工艺不同，接法也不同。单片机的生产工艺不同，接法也不同。在在XTALl和和XTAL2两两端端接接晶晶体体或或陶陶瓷瓷谐谐振振器器，与与内内部部反反向向器器构构成成稳稳定的自激振荡器。定的自激振荡器。参数选取：参数选取：C1、C2起稳定振荡频起稳定振荡频率，快速起振的作用。率，快速起振的作用。外接晶振时：外接晶振时：Cl和和C2选择选择1030pF外接陶瓷谐振器时：外接陶瓷谐振器时：Cl和和C2的典型值约为的典型值约为4010pF。振荡频率范围一般是振荡频率范围一般是1.2MHz12MHz，有的，有的可达可达40MHz。l l设计印刷电路板时，晶体和电容应设计印刷电路板时，晶体和电容应尽可能安装尽可能安装在单片机芯片附近在单片机芯片附近，以减少寄生电容，保证振，以减少寄生电容，保证振荡器稳定和可靠工作。荡器稳定和可靠工作。（2）CPU的时序的时序80C51的片内振荡器及时钟发生器的片内振荡器及时钟发生器l l振荡信号经一个振荡信号经一个二分频触发器二分频触发器向芯片提供向芯片提供了一个了一个2节拍节拍的状态信号。的状态信号。l状态周期状态周期是是振荡周期（时钟周期）振荡周期（时钟周期）的的2倍倍。l l每个每个状态周期状态周期有两个节拍有两个节拍P1和和P2。在每个。在每个状态的前半周期，节拍状态的前半周期，节拍P1有效，在每个状有效，在每个状态的后半周期，节拍态的后半周期，节拍P2有效。有效。lCPU就以两相时钟就以两相时钟P1和和P2为基本节拍指挥为基本节拍指挥51单片机各个部件协调地工作。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单片机原理及应用技术教学课件CPUCPU总是按照一定的时钟节拍与时序工作：总是按照一定的时钟节拍与时序工作：振荡周期（时钟周期）振荡周期（时钟周期）：晶振频率晶振频率foscfosc（或外加频率）或外加频率）的倒数的倒数状态周期：状态周期：2 2个振荡周期个振荡周期机器周期：完成一个规定操作机器周期：完成一个规定操作所需要的时间。所需要的时间。如，取指令、存储器读、存储器写等；如，取指令、存储器读、存储器写等；1 1个机器周期个机器周期=6 6个状态周期个状态周期=1212个振荡周期个振荡周期指令周期指令周期:执行一条指令所需的机器周期数执行一条指令所需的机器周期数 1 1个机器周期个机器周期=12=12个振荡周期；个振荡周期；1 1个指令周期个指令周期=1=1、2 2或或4 4个机器周期个机器周期思考：思考：若采用若采用12MHz12MHz的晶振频率，其机器周期的晶振频率，其机器周期=？l通常，每个机器周期中，通常，每个机器周期中，ALE两次两次有效，第一次有效，第一次出现在出现在S1P2和和S2P1期间，第二次出现在期间，第二次出现在S4P2和和S5P1期间。期间。CPU取指、执行时序取指、执行时序l l每条指令的执行都可以包括每条指令的执行都可以包括每条指令的执行都可以包括每条指令的执行都可以包括取指令取指令和和和和执行执行两个阶段。两个阶段。两个阶段。两个阶段。l l在取指阶段，根据在取指阶段，根据在取指阶段，根据在取指阶段，根据程序计数器程序计数器PC的内容，的内容，CPUCPUCPUCPU从从从从内内部部或或或或外部外部ROMROM中取出中取出中取出中取出指令操作码及操作数指令操作码及操作数，然后再执，然后再执，然后再执，然后再执行这条指令。行这条指令。行这条指令。行这条指令。l按指令执行时间分类：按指令执行时间分类：uu单周期、双周期、四周期单周期、双周期、四周期单周期、双周期、四周期单周期、双周期、四周期l按指令所占字节数分类：按指令所占字节数分类：uu单字节、双字节、三字节单字节、双字节、三字节单字节、双字节、三字节单字节、双字节、三字节 各指令的微操作在时间上有严格的次序，各指令的微操作在时间上有严格的次序，各指令的微操作在时间上有严格的次序，各指令的微操作在时间上有严格的次序，这种这种这种这种微操作的时间次序微操作的时间次序我们称作我们称作我们称作我们称作时序。时序。单字节指令单字节指令单字节指令单字节指令如：如：INC A（1）单周期指令时序）单周期指令时序双字节指令双字节指令双字节指令双字节指令如：如：ADD A,#data单字节单周期指令单字节单周期指令l 指令特点指令特点:在程序存储器ROM中仅占一个存储单元。l l在ALE第一次有效第一次有效(S2P1)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单片机的工作过程取指过程例例:MOV A,#09H MOV A,#09H 74H74H 09H09H ;把把09H09H送到累加器送到累加器A A中中执行过程执行过程PC=0000H0001H0000H0002H0 1 1 1 0 1 0 00 0 0 0 1 0 0 1(PC)(PC)0001H0002H0000H外部控制总线CB取指过程(PC)执行过程执行过程你知道你知道PC的作用吗的作用吗？五、五、MCS-51单片机的引脚及其功能单片机的引脚及其功能AT89S52DIP 40 封装封装 单片机原理及应用技术教学课件单片机原理及应用技术教学课件认识单片机的引脚MCS-51MCS-51单片机单片机4040脚脚Vcc,GND Vcc,GND 2 2XTAL1,XTAL2 XTAL1,XTAL2 2 2RESET RESET 1 1EAEA/Vpp/Vpp 1 1ALE/ALE/PROG PROG 1 1PSENPSEN 1 1P0.0P0.0P0.7P0.7 8 8 P1.0P1.0P1.7 P1.7 8 8 P2.0P2.0P2.7 P2.7 8 8 P3.0P3.0P3.7 P3.7 8 8l（1）Vcc（40脚）脚）,GND（20脚）脚）u正电源端与接地端正电源端与接地端u不同的单片机可以允许不同的工作电压不同的单片机可以允许不同的工作电压（+5V/3.3V/2.7V)，不同的单片机表现，不同的单片机表现出的功耗也不同。出的功耗也不同。l（2）XTAL1（19脚）脚）,XTAL2（18脚）脚）u 片内振荡电路输入片内振荡电路输入/输出端输出端单片机原理及应用技术教学课件单片机原理及应用技术教学课件对对A AT89S51/S52T89S51/S52单片机，单片机，通常通常外接一个晶振两个外接一个晶振两个2020或或30pf30pf电容，一个电容，一个12M12M或或11.0592MHz11.0592MHz的晶振的晶振l（3）RST/VPD(9脚脚)、ALE/PROG(30脚脚)、EA/Vpp(31脚脚)、PSEN(29脚脚)控制信号引脚。控制信号引脚。lRST/VPD：复位（正脉冲有效复位（正脉冲有效）/备用电源引脚备用电源引脚u复位使单片机进入某种确定的复位使单片机进入某种确定的初始状态初始状态 u退出处于节电工作方式的停顿状态、退出一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，切程序进程、退出程序的死循环，从头开始从头开始。uVcc掉电期间，此引脚可接备用电源，能保掉电期间，此引脚可接备用电源，能保护片内护片内RAM中的内容不丢失。中的内容不丢失。l l无论是无论是HMOS型还是型还是CHMOS型的单片机，型的单片机，在振荡器正在运行的情况下，复位是靠在在振荡器正在运行的情况下，复位是靠在RST引脚上施加持续引脚上施加持续2个机器周期个机器周期的的高电平高电平来实现的。来实现的。lMCS-51单片机通常采用的简单复位电路有：单片机通常采用的简单复位电路有：上电自动复位上电自动复位、外部脉冲复位、上电外部脉冲复位、上电+按钮按钮电平复位电平复位、程序运行监视复位程序运行监视复位等方式。等方式。单片机原理及应用技术教学课件单片机原理及应用技术教学课件简单复位电路简单复位电路+5V10uF10kVccRSTGND上电复位上电复位10uF10kVccRSTGND上电上电+按钮复位按钮复位1k+5Vl程序运行监视复位程序运行监视复位l程序运行监视复位通常是由各种类型程序运行监视复位通常是由各种类型的程序监视定时器的程序监视定时器WDT（Watchdog Timer）俗称为俗称为“看门狗看门狗”实现。实现。WDT可保证程序非正常运行（如程序可保证程序非正常运行（如程序“飞逸飞逸”、“死机死机”）时，能及时进）时，能及时进入复位状态，恢复程序正常运行。入复位状态，恢复程序正常运行。l“看门狗看门狗”工作原理：工作原理：l l在规定时间内必须至少在规定时间内必须至少“喂狗喂狗”一次，即一次，即复位复位“看门狗看门狗”。否则否则“看门狗看门狗”电路将电路将复位单片机。复位单片机。l实现：实现：l l可在软件的合适地方加一条可在软件的合适地方加一条“喂狗喂狗”指令，指令，使看门狗的定时时间永远达不到预置。使看门狗的定时时间永远达不到预置。lWDT通常有几种实现方法供用户选择：通常有几种实现方法供用户选择：l1）单片机内部带有的单片机内部带有的WDT功能功能单元单元（如：（如：S51）l2）选择选择P（microprocessor）监视控制器监视控制器件，这些器件中大多有件，这些器件中大多有WDT电路，如电路，如Max705芯片等。芯片等。P 监视控制器件监视控制器件lMAX705/706、DS1232等等l lDS1232（看门狗）是（看门狗）是DALLAS 公司生产的公司生产的一种一种微机监控电路芯片微机监控电路芯片。l主要功能：主要功能：产生上电复位和手动复位，监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。运行出现飞车时，产生复位信号。TD 引脚连接至引脚连接至定时时间定时时间地（地（GNDGND）150ms150ms悬空悬空600ms600ms电源（电源（VccVcc）1200ms1200ms看门狗定时器定时时间设置看门狗定时器定时时间设置Tol：电源检测选择端：电源检测选择端Tol接地接地，电源电压跌至，电源电压跌至4.75V以下产生复位信号以下产生复位信号Tol接接VCC，电源电压跌至，电源电压跌至4.5V以下产生复位信号以下产生复位信号注意注意：保证看门狗定时器计数溢出前复位看：保证看门狗定时器计数溢出前复位看门狗定时器门狗定时器89S51看门狗功能的使用方法看门狗功能的使用方法l l在在ATMEL的的89S51系列的系列的89S51与与89C51功功能相同，指令兼容。能相同，指令兼容。89S51比比89C51增加了增加了一个看门狗功能。一个看门狗功能。l l要激活要激活AT89S51/52的看门狗功能，只需依的看门狗功能，只需依次向次向WDTRST寄存器寄存器（SFR地址为地址为0A6H）单元送入单元送入#01EH和和#0E1H即可，使看门狗定即可，使看门狗定时计数器工作。时计数器工作。l AJMP MAINl ;启动看门狗启动看门狗lMAIN:MOV 0A6H,#01EH ;先送先送1E MOV0A6H,#0E1H ;后送后送E1l ;主程序主程序 START:.l ACALL WDT ;调用复位看门狗子程序调用复位看门狗子程序 .AJMP START ;主程序主程序*l;复位看门狗子程序复位看门狗子程序lWDT:MOV 0A6H,#01EH ;先送先送1E MOV 0A6H,#0E1H ;后送后送E1RET END注意事项：注意事项：l l1 1 89S5189S51的看门狗必须由程序激活后才开始工的看门狗必须由程序激活后才开始工的看门狗必须由程序激活后才开始工的看门狗必须由程序激活后才开始工作。所以作。所以作。所以作。所以必须保证必须保证CPU有可靠的上电复位有可靠的上电复位。否则。否则。否则。否则看门狗也无法工作。看门狗也无法工作。看门狗也无法工作。看门狗也无法工作。l l2 2 看门狗使用的是看门狗使用的是看门狗使用的是看门狗使用的是CPUCPU的晶振。在晶振停振的的晶振。在晶振停振的的晶振。在晶振停振的的晶振。在晶振停振的时候看门狗也无效。时候看门狗也无效。时候看门狗也无效。时候看门狗也无效。l l3 3 89S5189S51只有只有只有只有1414位计数器。在位计数器。在位计数器。在位计数器。在1638316383个机器周期个机器周期个机器周期个机器周期内必须至少喂狗一次。而且这个时间是固定的，内必须至少喂狗一次。而且这个时间是固定的，内必须至少喂狗一次。而且这个时间是固定的，内必须至少喂狗一次。而且这个时间是固定的，无法更改。无法更改。无法更改。无法更改。当晶振为当晶振为12M时每时每16个毫秒需喂狗一个毫秒需喂狗一次。次。lALE/PROG（30脚）脚）:地址锁存允许地址锁存允许/编程脉冲输入端。编程脉冲输入端。u P0口寻址外部低口寻址外部低8位地址时接位地址时接外部锁存器外部锁存器74ls373的的G端；端；u ALE端端平时会输出周期正脉冲平时会输出周期正脉冲：f fosc/6；u 对片内对片内ROM编程时编程脉冲由此端加入。编程时编程脉冲由此端加入。（指并行编程模式）（指并行编程模式）lEA/Vpp（31脚）脚）:寻址外部寻址外部ROM控制端控制端/编编程电源输入端。程电源输入端。u低电平有效低电平有效，u片内片内无无ROM时时必须必须接地接地；u片内片内有有ROM时时可以可以接高电平接高电平，也可以，也可以接低电平接低电平；u接低电平时，只访问片外接低电平时，只访问片外ROM，接高电平时，访问片内，接高电平时，访问片内ROM，超范围时，访问片外，超范围时，访问片外ROMu对对S51/S52单片机，若不扩展单片机，若不扩展ROM，/EA要接要接+5Vl 对片内对片内ROM编程时编程正电源加到此端。编程时编程正电源加到此端。（指并行编程模式）（指并行编程模式）单片机原理及应用技术教学课件单片机原理及应用技术教学课件PSENPSEN（2929脚）：脚）：寻址外部程序存储器时选通外部寻址外部程序存储器时选通外部EPROMEPROM的的读控读控制端制端（OEOE），低电平有效。低电平有效。单片机单片机锁存器锁存器74LS373P0.0-P0.7ALEPSENP2.0-P2.48D8QOEA8-A12A0-A7D0-D7GEAOECEEPROM小结小结l l1、时钟电路设计l l2、CPU的时序u振荡周期、机器周期、指令周期振荡周期、机器周期、指令周期u按指令编码长短：按指令编码长短：单字节、双字节、三字节单字节、双字节、三字节l l3、单片机的引脚u电源引脚：Vcc（40）、GND（20）uXTAL1（19）、XTAL2（18）u控制引脚：控制引脚：RST/VPD(9)、ALE/PROG(30)、EA/Vpp(31)、PSEN(29)u输入输出引脚：输入输出引脚：P0、P1、P2、P3l4、常用的复位电路、控制引脚的功能