单片机的基本结构与工作原理.pptx

1内 容n学时：2n 2.1 单片机的基本组成n 2.2 80C51单片机的引脚功能和结构框图n 2.3 80C51 CPU结构和特点n学时：2n2.4 存储器结构和地址空间n2.5 布尔（位）处理器n2.6 80C51单片机的工作方式n仿真软件介绍 22.1 单片机的基本组成特征：将组成计算机的基本部件集成在一块芯片上，如特征：将组成计算机的基本部件集成在一块芯片上，如CPU、I/O口、口、UART、C/T、RAMROM等。等。32.2 80C51单片机的引脚功能和结构框图图2-2 80C51/80C52的封装及逻辑图42.2.1 引脚功能n管脚图P16,图2-2P15，对照书，对照书看管脚介绍。看管脚介绍。注意：T2为80C52的定时器/计数器2的计数输入端，T2EX为80C52的定时器/计数器2的定时输入端。52.2.2 内部结构框图和组成 图图2-3 80C512-3 80C51的内部结构框图的内部结构框图ALUACC（A）ROMRAM指令寄存器指令寄存器IR地址寄存器地址寄存器PCDPTRT/CI/OPSW定时控制逻辑定时控制逻辑62.3 80C51 CPU的结构和特点72.3.1 中央控制器n组成：程序计数器PC、程序地址寄存器、指令寄存器IR、指令译码器、条件转移逻辑电路及定时控制逻辑电路。n功能：控制指令的读出、译码和执行，对指令的执行过程进行定时控制，并根据执行结果决定是否分支转移。n与运算器一起构成中央处理器。81.PC和DPTRn（1）PCn由PC（PCH、PCL）、指令寄存器IR、指令译码器ID等组成。n寻址范围64K，16根地址线。n工作方式：PC+1、条件或无条件转移、调用或中断，3种。0000HFFFFHPC+10000HFFFFH转移0000HFFFFH中断0000HFFFFH调用CALLSPPC工作方式9图2-4程序计数器PC的输出与P0、P2口之间的关系10PC A+DPTR（2）数据指针DPTR 16位（DPL、DPH）n访问片外数据存储器：n MOVX A，DPTR 读读n MOVX DPTR，A 写写n访问程序存储器：n MOVC A，A+DPTRn 变址 基址n JMP A+DPTRn 变址 基址图2-5 DPTR的输出与P0、P2口之间的关系11DPTR可作为寄存器使用n作为16位寄存器使用：n MOV DPTR，#16位地址n INC DPTRn作为8位寄存器使用：n CJNE A，DPL，$n CJNE A，DPH，$n指令寄存器IR、指令译码器ID及控制逻辑参照P21，简单介绍。122.3.2 运算器n组成：算术和逻辑运算单元ALU、累加器ACC、暂存器TMP1和TMP2、寄存器B以及程序状态字PSW等。nACC（8位）地位特殊，很多运算都要通过其完成。n以后在学习指令时，常用A来表示累加器。但有一些地方例外，比如在PUSH指令中，就必须用ACC表示。图2-7算术逻辑运算单元ALUALU功能：功能：加减乘除；AND、OR、XOR；位操作；左、右移；半字节交换；BCD运算13ACC（最频繁使用的寄存器）n（1）是ALU的输入，又是ALU运算结果的存放单元。n（2）中转站。n（3）有一部分传送指令不经过ACC，减少堵塞现象，如MOV DPTR，#16位地址。nB寄存器n一般情况下，可做为通用寄存器使用，但在执行乘法和除法运算结时，B存放运算的一个操作数和运算后的一个结果。14程序状态字PSW 仿真程序证明可用15nMUL A，B时，若积255，则OV=1，说明B中有高8位积。nDIV A，B时，若除数为0，则OV=1。（3）寄存器区选择控制位RS1，RS0，在下节讲解。（4）F0，用户可使用的通用标志位。可实现分支转移。16172.3.3 时钟电路及CPU的工作时序n时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号时钟信号，而时序所研究的是指令执行中各信号之间的相互关系相互关系。n1.时钟电路n（1）时钟电路见图2-8。n（2）振荡器电路：C1=C2=1030pF，CYS=1.212MHz图2-8 80C51单片机的时钟电路182.时序定时单位n（1）振荡周期：为单片机提供时钟信号的振荡源的周期。n（2）时钟周期：是振荡源信号经二分频后形成的时钟脉冲信号。n（3）机器周期：将完成一个基本操作所需的时间称为机器周期。n（4）指令周期：CPU执行一条指令所需要的时间。一个指令周期通常含有14个机器周期。193.指令时序指令时序后面演示后面演示图图2-10 80C51的取指的取指/执行时序执行时序共111条指令，按长度分为单字节、双字节和三字节指令。执行这些指令所需要的机器周期数目是不同的：单周期、双周期和多周期。202.4 存储器结构和地址空间n单片机普遍采用哈佛结构。21图2-11 80C51存储器映象图 在物理上在物理上设有设有4个存储个存储器空间器空间在访问这在访问这3个不同的逻辑空间时，应选用个不同的逻辑空间时，应选用不同形式的指令：不同形式的指令：MOVC、MOV、MOVX 在逻辑上在逻辑上设有设有3个存储个存储器地址空间器地址空间从片外开从片外开始执行始执行0000H从片内开从片内开始执行始执行52系列单片机系列单片机80H FFH是数据存储器和特殊功能是数据存储器和特殊功能寄存器地址重叠空间寄存器地址重叠空间222.4.1 程序存储器n80C31无片内ROM，80C51有4K一次性的淹膜ROM，87C51有4K EPROM，89C51有4K E2PROM。P2923几种ROM的区别nROM：1次性只读存储器。nEPROM：可擦除可编程只读存储器，只能用强紫外线照射来擦除。nEEPROM(E2PROM)：电可擦除可编程只读存储器。24程序存储器的某些单元被保留用于特程序存储器的某些单元被保留用于特定的程序入口地址定的程序入口地址n程序存储器的某些单程序存储器的某些单元被保留用于特定的元被保留用于特定的程序入口地址程序入口地址。n系统复位后的系统复位后的PCPC地址地址为为0000H0000H。n 0003H002BH为中断服务程序入口地址，禁止主程序使用。252.4.2 数据存储器nRAM：随机存取记忆体。nRAM和ROM相比，两者的最大区别是RAM在断电以后保存在上面的数据会自动消失，而ROM就不会。261 片内数据存储器1234P3227（1）片内数据RAM区。n根据寻址方式不同可分为以下4个区域。n（一）工作寄存器（00H1FH）n特点：执行速度最快。其用法见下述程序：nCLR PSW.3nCLR PSW.4nMOV R0，#01H；（00H）=01HnSETB PSW.3nMOV R0，#01H；（08H）=01HnCLR PSW.3nSETB PSW.4nMOV R0，#01H；（10H）=01HnSETB PSW.3nMOV R0，#01H；（18H）=01H 28（二）位寻址区 n20H2FH共16个字节分别对应00H7FH共128位。见P33表2-2。SP=07H29n特点：既可字节寻址，也可位寻址。与SFR构成布尔（位）处理器。n例：下面程序执行结果是一样的。n CPL 0CH；将（21H）中的第4位取反n MOV A，21Hn ANL A，#00010000Bn JZ LB1n ANL 21H，#11101111Bn SJMP LB2nLB1：ORL 21H，#00010000BnLB2：SJMP$30（三）字节寻址区（30H7FH）n注意：对于MCS-52系列单片机，80HFFH RAM区只能采用间接寻址方式访问。讲完SFR后举例。（四）堆栈区特点：先进后出，进栈时SP加1，出栈时SP减1。功能：调用子程序和中断时保护现场。系统复位时，SP=07H。使使用时要特别小心用时要特别小心。31（2）特殊功能寄存器SFR n高128字节中，51系列占用了21个，52系列占用了26个，其余访问无效，详情见P34表23。nSFR中低位地址为0H和8H的特殊功能寄存器，共12个可位寻址，详情见P34表2-3。nSFR的空间分布见P35表2-4及右图。322 片外数据存储器n64K字节。采用MOVX指令和DPTR、R0或R1寄存器以间接寻址方式访问。nMOV DPTR，#1000HnMOVX DPTR，AnMOV DPTR，#0029HnMOVX A，DPTRnMOV R0，#30HnMOVX R0，A；该指令不能超过256B 332.5 布尔(位)处理器n布尔处理功能是MCS-51系列单片机的一个重要特征。布尔变量也即开关变量，它是以位（bit）为单位进行操作的。n它以进位标志C做为累加位，以内部RAM可寻址的128个为存储位。n布尔操作指令集：n 位传送指令（2条）n 位置位复位指令（4条）n 位运算指令（6条）n 位控制转移指令（5条）342.6 80C51单片机的工作方式n四种：复位、程序执行、低功耗以及编程和校验。n2.6.1 复位n功能：PC=0000H，跳出死机。n复位的影响：n（1）SFR的状态见P37表2-6；n（2）复位期间，ALE=1，PSEN=1。35特殊寄存器的复位状态（见P37表2-6）36复位电路（P38图2-14）要求：高电平持续时间2个机器周期。fosc=12MHz时2us，fosc=6MHz时4us。372.6.2 程序执行方式n ORG 0000Hn0000H AJMP MAINn ORG 000BHn0003H AJMP INT0n ORG 0030Hn0030H MAIN：MOV R3，#00Hn .n ORG 0100Hn0100H INT0:CLR Cn .382.6.3 低功耗工作方式n对于MCS51系列机型来说，它们有待机方式和掉电保护方式掉电保护方式两种低功耗方式。通过设置电源控制寄存器PCON的相关位可以确定当前的低功耗方式。PCON寄存器格式如下：39PCONnSMOD：波特率倍增位。当SMOD=1时，串行口方式1、2、3的波特率提高一倍。nGF0，GF1：通用标志位。供用户使用。nPD：掉电方式位，PD1为掉电方式 nIDL：待机方式位，IDL1为待机方式SMODGF1GF0PDIDL40（1）待机方式）待机方式n使IDL=1，则CPU进入待机方式。n由图2-15中可看出这时振荡器仍然运行，并向中断逻辑、串行口和定时器/计数器电路提供时钟，中断功能继续存在。n向CPU提供时钟的电路被阻断，因此CPU不能工作，与CPU有关的如SP、PC、PSW、ACC以及全部通用寄存器都被冻结在原状态。图2-15手机：锁定方式手机：锁定方式计算机：待机、休眠方式计算机：待机、休眠方式41待机方式的退出待机方式的退出n可采用中断方式或硬件复位来退出式。可采用中断方式或硬件复位来退出式。n在待机方式下，若产生一个外部中断请在待机方式下，若产生一个外部中断请求信号，在单片微机响应中断的同时，求信号，在单片微机响应中断的同时，PCON.0位（位（IDL位）被硬件自动清位）被硬件自动清0，单片微机就退出待机方式而进入单片微机就退出待机方式而进入正常工作方式。在中断服务程序中安排正常工作方式。在中断服务程序中安排一条一条RETI指令，就可以使单片微机恢复指令，就可以使单片微机恢复正常工作，从设置待机方式指令的下一正常工作，从设置待机方式指令的下一条指令开始继续执行程序。条指令开始继续执行程序。42（2）掉电保护方式掉电保护方式nPD=1，单片机进入掉电保护方式。，单片机进入掉电保护方式。n当当80C51检测到电源故障时，除进行信息保护检测到电源故障时，除进行信息保护外，还应把外，还应把PCON.1位置位置1，使之进入掉电，使之进入掉电保护方式。此时单片微机一切工作都停止，只保护方式。此时单片微机一切工作都停止，只有内部有内部RAM单元的内容被保护。单元的内容被保护。n 只能依靠复位退出掉电保护方式。只能依靠复位退出掉电保护方式。n80C51备用电源由备用电源由Vcc端引入。当端引入。当Vcc恢复正恢复正常后，只要硬件复位信号维持常后，只要硬件复位信号维持10ms，就能使，就能使单片微机退出掉电保护方式，单片微机退出掉电保护方式，CPU则从进入待则从进入待机方式的下一条指令开始重新执行程序。机方式的下一条指令开始重新执行程序。n在待机和掉电保护期间引脚的状态见在待机和掉电保护期间引脚的状态见表表27。432.6.4 编程方式编程方式n对于片内具有对于片内具有EPROM型程序存储器的型程序存储器的87C51(87C52)和片和片内具有闪速存储器的内具有闪速存储器的89C51(89C52)、78E51(78E52)等等单片微机可以通过编单片微机可以通过编程来修改程序存储器程来修改程序存储器中的程序。中的程序。n编程器编程器44作业P47：5、6、7、8、10。