[工學(xué)]第2章MCS-51單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu).ppt

第 2 章 MCS-51單片機(jī)的 硬件結(jié)構(gòu),2.1 MCS-51 單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu),按功能可分成8個(gè)部件，通過片內(nèi)單一總線連接起來,1.微處理器,2.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,3.程序存儲(chǔ)器,4.I/O口,5.串行口,6.定時(shí)/計(jì)數(shù)器,7.中斷系統(tǒng),8.特殊功能寄存器,控制方式：SFR對(duì)各功能部件集中控制,片內(nèi)總線,各功能部件： 1.CPU（微處理器） 2.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM） 片內(nèi)為128個(gè)字節(jié)（52子系列的為256個(gè)字節(jié)） 3.程序存儲(chǔ)器（ROM/EPROM） 8031:無此部件； 8051:4K字節(jié)ROM； 8751:4K字節(jié)EPROM ； 89C51/89C52/89C55:4K/8K/20K 字節(jié)閃存。 4. P1口、P2口、P3口、P0口：為4個(gè)并行8位I/O口。 5. 串行口 1個(gè)全雙工的異步串行口,6. 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,7. 中斷系統(tǒng),8. 特殊功能寄存器（SFR）,51內(nèi)部有2個(gè)16位的定時(shí)和計(jì)數(shù)器，可以分別用程序控制用作定時(shí)和計(jì)數(shù)。,51內(nèi)部有5個(gè)中斷源，分別為：外部中斷0，定時(shí)器0，外部中斷1，定時(shí)器1，串口中斷。中斷優(yōu)先級(jí)由高到低。,共有21個(gè)，是一個(gè)具有特殊功能的RAM區(qū)。,2.2 MCS-51的引腳 40只引腳雙列直插封裝（DIP）,44只引腳方形封裝方式（4只無用）,引腳邏輯圖 8051單片機(jī)為40條引腳雙列直插式封裝 引腳可分為三個(gè)部分,控制引腳,并行I/O口引腳,電源及時(shí)鐘引腳,（1）電源及時(shí)鐘引腳: Vcc、Vss；XTAL1、XTAL2。 （2）控制引腳：PSEN*、EA*、ALE、RESET （3）I/O口引腳：P0、P1、P2、P3，4個(gè)8位I/O口 2.2.1 電源及時(shí)鐘引腳 1電源引腳 （1）Vcc（40腳）：+5V電源； （2）Vss（20腳）：接地。 2時(shí)鐘引腳 （1）XTAL1（19腳）：采用外接晶體振蕩器時(shí)，此引腳應(yīng)接地。 （2）XTAL2（18腳）：接外部晶體的另一端。,2.2.2 控制引腳 (1) RST/VPD(9腳)：復(fù)位與備用電源 (2) ALE/PROG*（30腳）： 第一功能ALE ：地址鎖存允許 第二功能PROG*：編程脈沖輸入端。 (3) PSEN* （29腳）：讀外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)?？梢则?qū)動(dòng)8個(gè)LS型TTL負(fù)載。 (4) EA*/VPP (31腳)： EA*為內(nèi)外程序存儲(chǔ)器選擇控制 EA*=1，訪問片內(nèi)程序存儲(chǔ)器， EA*=0，單片機(jī)則只訪問外部程序存儲(chǔ)器。 第二功能VPP，用于施加編程電壓。,2.2.3 I/O口引腳 (1) P0口：雙向8位三態(tài)I/O口，地址總線（低8位）及數(shù)據(jù)總線分時(shí)復(fù)用口，可驅(qū)動(dòng)8個(gè)LS型TTL負(fù)載。 (2) P1口：8位準(zhǔn)雙向I/O口，可驅(qū)動(dòng)4個(gè)LS型TTL負(fù)載。 (3) P2口：8位準(zhǔn)雙向I/O口，與地址總線（高8位）復(fù)用，可驅(qū)動(dòng)4個(gè)LS型TTL負(fù)載。 (4) P3口：8位準(zhǔn)雙向I/O口，雙功能復(fù)用口，可驅(qū)動(dòng)4個(gè)LS型TTL負(fù)載。 注意:準(zhǔn)雙向口與雙向三態(tài)口的差別。 當(dāng)3個(gè)準(zhǔn)雙向I/O口作輸入口使用時(shí)，要向該口先寫“1”，另外準(zhǔn)雙向I/O口無高阻的“浮空”狀態(tài)。,2.3 MCS-51的CPU 由運(yùn)算器和控制器所構(gòu)成 2.3.1 運(yùn)算器 對(duì)操作數(shù)進(jìn)行算術(shù)、邏輯運(yùn)算和位操作。 1算術(shù)邏輯運(yùn)算單元ALU 2累加器A 使用最頻繁的寄存器，可寫為Acc。 A的作用： （1）是ALU單元的輸入之一，又是運(yùn)算結(jié)果存放單元。 （2）數(shù)據(jù)傳送大多都通過累加器A。 （3）A的進(jìn)位標(biāo)志Cy同時(shí)又是位處理機(jī)的位累加器。,3程序狀態(tài)字寄存器PSW （1）Cy（PSW.7）進(jìn)位標(biāo)志位 （2）Ac(PSW.6)輔助進(jìn)位標(biāo)志位 （3）F0（PSW.5）標(biāo)志位 由用戶使用的一個(gè)狀態(tài)標(biāo)志位。 （4）RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）：4組工作寄存器區(qū)選擇控制位1和位0。,工作寄存器區(qū)的選擇,（5）OV（PSW.2）溢出標(biāo)志位 指示運(yùn)算是否產(chǎn)生溢出。各種算術(shù)運(yùn)算指令對(duì)該位的影響情況較復(fù)雜， （6）PSW.1位: 保留位，未用 （7）P(PSW.0)奇偶標(biāo)志位 P=1，A中“1”的個(gè)數(shù)為奇數(shù) P=0，A中“1”的個(gè)數(shù)為偶數(shù),2.3.2 控制器 1程序計(jì)數(shù)器PC（Program Counter） 存放下一條要執(zhí)行的指令在程序存儲(chǔ)器中的地址。 基本工作方式： （1）程序計(jì)數(shù)器自動(dòng)加1 （2）執(zhí)行有條件或無條件轉(zhuǎn)移指令時(shí)，程序計(jì)數(shù)器將被置入新的數(shù)值，從而使程序的流向發(fā)生變化。 （3）執(zhí)行子程序調(diào)用或中斷調(diào)用時(shí)完成下列操作： PC的當(dāng)前值保護(hù) 將子程序入口地址或中斷向量的地址送入PC。 2指令寄存器IR、指令譯碼器及控制邏輯電路,2.4 MCS-51存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu) 哈佛（Har-vard）結(jié)構(gòu) 存儲(chǔ)器空間可劃分為5類： 1.程序存儲(chǔ)器空間 8031無內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。 2.內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間 3.特殊功能寄存器 4.位地址空間 211個(gè)可尋址位。 5.外部數(shù)據(jù)寄存器空間 片外可擴(kuò)展64K字節(jié)RAM。,2.4.1 程序存儲(chǔ)器 存放應(yīng)用程序和表格之類的固定常數(shù)。 分為片內(nèi)和片外兩部分，由EA*引腳上所接電平確定 程序存儲(chǔ)器中的0000H地址是系統(tǒng)程序的啟動(dòng)地址 5個(gè)單元具有特殊用途 表2-1 5種中斷源的中斷入口地址 外中斷0 0003H 定時(shí)器T0 000BH 外中斷1 0013H 定時(shí)器T1 001BH 串行口 0023H,2.4.2 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 共128個(gè)字節(jié)， 字節(jié)地址為00H7FH。 00H1FH：32個(gè)單元，是4組通用工作寄存器區(qū) 20H2FH：16個(gè)單元，可進(jìn)行128位的位尋址 30H7FH：用戶RAM區(qū)，只能進(jìn)行字節(jié)尋址，用作數(shù)據(jù)緩沖區(qū)以及堆棧區(qū)。,2.4.3 特殊功能寄存器（SFR） CPU對(duì)各種功能部件的控制采用特殊功能寄存器集中控制方式，共21個(gè)。 有的SFR可進(jìn)行位尋址，其字節(jié)地址的末位是0H或8H。,表2-2 SFR的名稱及其分布,SFR中的某些寄存器 1堆棧指針SP 指示出堆棧頂部在內(nèi)部RAM塊中的位置 復(fù)位后 ，SP中的內(nèi)容為07H。 （1）保護(hù)斷點(diǎn) （2）現(xiàn)場(chǎng)保護(hù) 堆棧向上生長(zhǎng) 2. 數(shù)據(jù)指針DPTR 16位特殊功能寄存器，高位字節(jié)寄存器用DPH表示，低位字節(jié)寄存器用DPL表示。 3. I/O端口P0P3 P0P3分別為I/O端口P0P3的鎖存器。,4.寄存器B 為執(zhí)行乘法和除法操作設(shè)置的。 在不執(zhí)行乘、除的情況下，可當(dāng)作一個(gè)普通寄存器來使用。 5.串行數(shù)據(jù)緩沖器SBUF 存放欲發(fā)送或已接收的數(shù)據(jù)，一個(gè)字節(jié)地址，物理上是由兩個(gè)獨(dú)立的寄存器組成，一個(gè)是發(fā)送緩沖器，另一個(gè)是接收緩沖器。 6.定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T1和T0，各由兩個(gè)獨(dú)立的8位寄存器組成： TH1、TL1、TH0、TL0，只能字節(jié)尋址，但不能把T1或T0當(dāng)作一個(gè)16位寄存器來尋址訪問。,2.4.4 位地址空間 211個(gè)（128個(gè)+83個(gè)）尋址位。位地址范圍為：00HFFH。 內(nèi)部RAM的可尋址位128個(gè)(字節(jié)地址20H2FH)見表2-3（P24）。 特殊功能寄存器SFR為83個(gè)可尋址位，見表2-4（P24）。,表2-3 內(nèi)部的可尋址位及位地址,表2-4 SFR中的位地址分布,2.4.5 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 最多可外擴(kuò)64K字節(jié)的RAM或I/O。幾點(diǎn)注意： (1) 地址的重疊性 程序存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器全部64K字節(jié)地址空間重疊 程序存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器在使用上是嚴(yán)格區(qū)分的 (3) 位地址空間共有兩個(gè)區(qū)域 (4) 片外與片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器由指令來區(qū)分 (5) 片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)中，RAM與I/O端口統(tǒng)一編址。 所有外圍I/O端口的地址均占用RAM地址單元，使用與訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器相同的傳送指令。,多路開關(guān) 功能：用于控制選通I/O方式還是地址/數(shù)據(jù)輸出方式 方式控制：由內(nèi)部控制信號(hào)產(chǎn)生,輸入鎖存器,兩個(gè)輸入緩沖器(BUF1和BUF2),推拉式I/O驅(qū)動(dòng)器,2.5 并行I/O端口,共有4個(gè)8位雙向I/O口，共32口線。每位均有自己的鎖存器(SFR)，輸出驅(qū)動(dòng)器和輸入緩沖器。,2.5.1 P0口位圖內(nèi)部結(jié)構(gòu),5、P0R2為讀引腳信號(hào)，執(zhí)行“temp = P0”時(shí)該信號(hào)有效 6、讀引腳（端口）時(shí)，輸出鎖存器應(yīng)為“1”,說明： 1、當(dāng)控制信號(hào)為0時(shí)，P0口做雙向I/O口，為漏極開路（三態(tài)） 2、控制信號(hào)為1時(shí)，P0口為地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線（用于口擴(kuò)展） 3、P0W為端口輸出寫信號(hào)，用于鎖存輸出狀態(tài) 4、P0R1為讀鎖存器信號(hào)，執(zhí)行“P0&=0x0FH”時(shí)該信號(hào)有效,1,0,2.5.2 P1口內(nèi)部結(jié)構(gòu),P1口內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示 輸出部分有內(nèi)部上拉電阻R*約為20K。 其他部分與P0端口使用相類似（讀引腳時(shí)先寫入1）。,寫數(shù)據(jù),讀端口,2.5.3 P2口內(nèi)部結(jié)構(gòu),2、當(dāng)控制信號(hào)為1時(shí) P2口輸出地址信息， 此時(shí)單片機(jī)完成外部的取指操作或?qū)ν獠繑?shù)據(jù)存儲(chǔ)器16位地址的讀寫操作。 3、當(dāng)P2口作為普通I/O口使用時(shí) 用法和P1口類似。,說明： 1、P2可以作為通用的I/O，也可以作為高8位地址輸出。,MCS-51片外總線結(jié)構(gòu)示意圖,返回,MCS-51單片機(jī)片外總線,P0.4,返回,6264,WE,單片機(jī) 8031,P2.0,:,.,A8,. .,ALE,RD,74LS 373,G,A7 . . A0,P0.0 : P0.7,OE,CE,Q0 . . Q7,D0 . . D7,A12,P2.4,WR,D7 . . D0,2.5.4 P3口內(nèi)部結(jié)構(gòu),說明： 1、做普通端口使用時(shí)，第二功能應(yīng)為“1”。,2、使用第二功能時(shí)，輸出端口鎖存器應(yīng)為“1”。 3、變異功能（） P3.0 RXD P3.4 T0 P3.1 TXD P3.5 T1 P3.2 INT0 P3.6 WR P3.3 INT1 P3.7 RD,2.5.5 P0P3端口功能總結(jié) 使用中應(yīng)注意的問題： P0P3口都是并行I/O口，但P0口和P2口還可用來構(gòu)建數(shù)據(jù)總線和地址總線，所以電路中有一個(gè)MUX，進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 而P1口和P3口無構(gòu)建系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線和地址總線的功能，因此，無需轉(zhuǎn)接開關(guān)MUX。 只有P0口是一個(gè)真正的雙向口，P1P3口都是準(zhǔn)雙向口。 原因:P0口作數(shù)據(jù)總線使用時(shí)，為保證數(shù)據(jù)正確傳送，需解決芯片內(nèi)外的隔離問題，即只有在數(shù)據(jù)傳送時(shí)芯片內(nèi)外才接通；否則應(yīng)處于隔離狀態(tài)。為此，P0口的輸出緩沖器應(yīng)為三態(tài)門。 P3口具有第二功能。因此在P3口電路增加了第二功能控制邏輯。這是P3口與其它各口的不同之處。,2.6 時(shí)鐘電路與時(shí)序 時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所必需的時(shí)鐘控制信號(hào)。 2.6.1 時(shí)鐘電路 時(shí)鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，電路的質(zhì)量直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常用的時(shí)鐘電路有兩種方式：內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。,一、內(nèi)部時(shí)鐘方式 內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，其輸入端：XTAL1，輸出端：XTAL2。,C1和C2典型值通常選擇為30pF左右。 晶體的振蕩頻率在1.2MHz12MHz之間。 某些高速單片機(jī)芯片的時(shí)鐘頻率已達(dá)40MHz。,二、外部時(shí)鐘方式 常用于多片MCS-51 單片機(jī)同時(shí)工作。,三、時(shí)鐘信號(hào)的輸出 為應(yīng)用系統(tǒng)中的其它芯片提供時(shí)鐘，但需增加驅(qū)動(dòng)能力。,2.6.2 機(jī)器周期、指令周期與指令時(shí)序 一、時(shí)鐘周期 單片機(jī)的基本時(shí)間單位。 若時(shí)鐘的晶體的振蕩頻率為fosc，則時(shí)鐘周期Tosc=1/fosc。如fosc=6MHz，Tosc=166.7ns。 二、機(jī)器周期 CPU完成一個(gè)基本操作所需要的時(shí)間。 執(zhí)行一條指令分為幾個(gè)機(jī)器周期。每個(gè)機(jī)器周期完成一個(gè)基本操作。MCS-51單片機(jī)每12個(gè)時(shí)鐘周期為一個(gè)機(jī)器周期，,一個(gè)機(jī)器周期又分為6個(gè)狀態(tài)：S1S6。每個(gè)狀態(tài)又分為兩拍：P1和P2。因此，一個(gè)機(jī)器周期中的12個(gè)時(shí)鐘周期表示為： S1P1、S1P2、S2P1、S2P2、S6P2。,三、指令周期 執(zhí)行一條指令時(shí)，可分為取指令階段和指令執(zhí)行階段 。 取指令階段，PC中地址送到程序存儲(chǔ)器，并從中取出需要執(zhí)行指令的操作碼和操作數(shù)。 指令執(zhí)行階段，對(duì)指令操作碼進(jìn)行譯碼，以產(chǎn)生一系列控制信號(hào)完成指令的執(zhí)行。 ALE信號(hào)是為地址鎖存而定義的，以時(shí)鐘脈沖1/6的頻率出現(xiàn)，在一個(gè)機(jī)器周期中，ALE信號(hào)兩次有效（注意，在執(zhí)行訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的指令temp=XBYTEADD時(shí)，將會(huì)丟失一個(gè)ALE脈沖）,時(shí)鐘電路 需外接晶振的頻率1.212MHZ，C1和C2取3010PF,CPU的時(shí)序（時(shí)鐘周期、 狀態(tài)周期、機(jī)器周期）,若外接晶振為12MHz時(shí)，則單片機(jī)的四個(gè)周期的具體值為： 時(shí)鐘周期1/12MHz1/12s0.0833s 狀態(tài)周期1/6s0.167s 機(jī)器周期1s 指令周期14s 可用于計(jì)算指令、程序的執(zhí)行時(shí)間，以及定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間,2.7 復(fù)位操作和復(fù)位電路 2.7.1 復(fù)位操作 單片機(jī)的初始化操作，擺脫死鎖狀態(tài)。 引腳RST加上大于2個(gè)機(jī)器周期（即24個(gè)時(shí)鐘振蕩周期）的高電平就可使MCS-51復(fù)位。復(fù)位時(shí)，PC初始化為0000H，使MCS-51單片機(jī)從0000H單元開始執(zhí)行程序。 除PC之