電子教案單片機原理及應用——基于Proteus和Keil C(第2版)[林立,張俊亮]第2章.ppt

第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,2.1mcs-51單片機結(jié)構(gòu)2.2mcs-51的存儲器結(jié)構(gòu)2.3單片機的復位、時鐘與時序2.4并行i/o口,2.1mcs-51單片機結(jié)構(gòu)2.2mcs-51的存儲器結(jié)構(gòu)2.3單片機的復位、時鐘與時序2.4并行i/o口,第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,scm將通用微計算機基本功能部件集成在一塊芯片上構(gòu)成的一種專用微計算機系統(tǒng),scm=cpu+程序存儲器+數(shù)據(jù)存儲器+定時器/計數(shù)器+內(nèi)外中斷+可編程i/o+可編程全雙工串行口+,第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,80c51=(8位)cpu+4kbrom+128bram+(216)t/c+(48)i/o+1個uart+5個int,87c52,intelmcs-51系列單片機一覽表,2.1.1mcs-51單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu),第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,51單片機主要內(nèi)部資源的學習安排,中央處理器cpu第2章程序存儲器rom第2章數(shù)據(jù)存儲器ram第2章并行i/o口第2章中斷源int第5章定時器/計數(shù)器t/c第6章全雙工串行口uart第7章,第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,1、cpu（centralprocessingunit）,cpu=控制器+運算器,第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,控制器的用途：統(tǒng)一指揮和控制各單元協(xié)調(diào)工作控制器的任務：從rom中取出指令譯碼執(zhí)行指令控制器的組成：程序計數(shù)器pc、數(shù)據(jù)指針寄存器dptr、,第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,運算器的用途：對數(shù)據(jù)進行算術(shù)運算和邏輯操作運算器的任務：計算緩沖器內(nèi)容暫存修改運行標志運算器的組成：累加器acc、程序狀態(tài)字寄存器psw、,第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,（1）程序計數(shù)器（programcounterpc）,指向rom存儲單元的地址指針（引導程序運行）,永遠存放著下一條指令的首地址具有16位字長可尋址范圍216（=65536字節(jié)=64kb）具有自動加“1”功能順序運行程序功能具有可被指令修改功能跳轉(zhuǎn)運行程序功能復位時，pc初值=0復位后程序從0開始運行,第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,（2）數(shù)據(jù)指針寄存器（datapointerdptr）,具有16位字長，可尋址范圍216（64kb）具有可被指令修改功能可變更數(shù)據(jù)地址可拆為2個8位的獨立寄存器dpl和dph,指向rom或ram存儲單元的地址指針（引導數(shù)據(jù)傳送）,第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,（3）累加器（accumulatera）,具有8位字長是利用率最高的寄存器具有可被指令修改功能,存放操作數(shù)或中間運算結(jié)果的寄存器,第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,（4）程序狀態(tài)字寄存器（programstatewordpsw）,具有8位字長各位都具有特殊含義狀態(tài)信息通常自動形成，但也可用指令修改,存放程序運行過程中的各種狀態(tài)信息的寄存器,第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,ac,cy（psw.7）進位標志在進行加或減運算時，如果操作結(jié)果最高位有進位或借位時，cy由硬件置“1”，否則清“0”。,cy,ac,f0,rs1,rs0,ov,f1,p,cy,ac,f0,rs1,rs0,ov,f1,p,位,7,位,6,位,5,位,4,位,3,位,2,位,1,位,0,cy,ac,f0,rs1,rs0,ov,f1,p,cy,ac,f0,rs1,rs0,ov,f1,p,psw.7,psw.6,psw.5,psw.4,psw.3,psw.2,psw.1,psw.0,位,7,位,6,位,5,位,4,位,3,位,2,位,1,位,0,用途：1、根據(jù)cy判斷有無進位或借位；2、在位操作中cy可作為位累加器用。,舉例,第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,ac（psw.6）輔助進位標志在進行加或減運算時，如果操作結(jié)果的低四位數(shù)向高四位產(chǎn)生進位或借位時，將由硬件置“1”，否則清“0”。,cy,ac,f0,rs1,rs0,ov,f1,p,cy,ac,f0,rs1,rs0,ov,f1,p,位,7,位,6,位,5,位,4,位,3,位,2,位,1,位,0,cy,ac,f0,rs1,rs0,ov,f1,p,cy,ac,f0,rs1,rs0,ov,f1,p,psw.7,psw.6,psw.5,psw.4,psw.3,psw.2,psw.1,psw.0,位,7,位,6,位,5,位,4,位,3,位,2,位,1,位,0,舉例,用途：1、根據(jù)ac判斷加減運算時有無半進位或半借位；2、在bcd碼調(diào)整運算中要用到ac標志,第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,f0（psw.5）和f1（psw.1）用戶標志位可作為用戶自行定義的一個狀態(tài)標記舉例定義f0為安全門的狀態(tài)，f0=0開；f0=1閉定義f1為指示燈的狀態(tài)，f1=0開；f1=1閉,用途：在程序運行中判斷門或燈的工作狀態(tài),第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,rs1和rs0（psw.4和psw.3）工作寄存器組指針用途：用于指定cpu的當前工作寄存器組,第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,ov（psw.2）溢出標志在有符號數(shù)加減運算或無符號數(shù)乘除運算中若有異常結(jié)果，ov硬件置1，否則硬件清0。,用途：判斷運算的結(jié)果是否正確，正確=0；出錯=1,第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,ov=c6yc7y=10=1,101111011100001011000011,正數(shù)的補碼是它本身，負數(shù)的補碼是除符號位外每位求反，然后末尾加1,ov=c6yc7y=11=0,111010111001010010010101,運算出錯,運算正確,舉例,舉例,第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,p（psw.0）奇偶標志位該位始終跟蹤累加器a中含“1”個數(shù)的奇偶性如果a中有奇數(shù)個“1”，則p置“1”，否則置“0”,舉例若a=10011111，則p=0若a=11000001，則p=1,用途：用于串行通訊中的數(shù)據(jù)校驗，判斷是否存在傳輸錯誤。,第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,51系列單片機一般采用40只引腳的雙列直插式（dipdualin-linepackage）封裝結(jié)構(gòu),2.1.2mcs-51引腳及功能,第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,除dip封裝外，51單片機還采用44只引腳的方形扁平(qfpquadflatpackage)封裝方式（4只引腳無用）。,第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,dip引腳分布,電源及晶振引腳（共4只）控制引腳（共4只）端口引腳（共32只）,第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,（1）電源及晶振引腳,vcc(40腳)：+5v電源引腳vss(20腳)：接地引腳,第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,（2）控制引腳,rst/vpd(9)：復位/備用電源引腳,第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,（3）端口引腳,p0.0p0.7（3932腳）p0口p1.0p1.7（18腳）p1口p2.0p2.7（2128腳）p2口p3.0p3.7（1017腳）p3口8只/組4組=32只引腳,p0口p3口是單片機對外聯(lián)絡的重要通道,第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,最簡單的單片機電路圖,mcu的電源引腳被隱藏（isis仿真與vcc和vss無關）,2.1mcs-51單片機結(jié)構(gòu)2.2mcs-51的存儲器結(jié)構(gòu)2.3單片機的復位、時鐘與時序2.4并行i/o口,第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,2.2mcs-51的存儲器結(jié)構(gòu),1.存儲器劃分方法,計算機存儲器地址空間的兩種結(jié)構(gòu)形式：普林斯頓結(jié)構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)。,ram和rom統(tǒng)一編址,ram和rom分別編址,第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,51系列單片機采用哈佛結(jié)構(gòu)，共有4個物理存儲空間,程序存儲器rom,數(shù)據(jù)存儲器ram,第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,片內(nèi)ram、片內(nèi)rom、片外ram、片外rom,2.程序存儲器(rom),作用：存放程序、表格或常數(shù)，具有非易失性特點：片內(nèi)rom與片外rom統(tǒng)一編址（4kb時用片外rom),第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,a）同時使用片內(nèi)和片外romb）rom地址分布,當ea引腳接高電平（開關接a點）時，4kb以內(nèi)的地址在片內(nèi)rom，大于4kb的地址在片外rom中（圖中折線），兩者共同構(gòu)成64kb空間；當ea引腳接低電平（開關接b點）時，片內(nèi)rom被禁用，全部64kb地址都在片外rom中（圖中直線）。,由于片內(nèi)外rom是統(tǒng)一編址的，只能算1個邏輯存儲空間。,第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,片內(nèi)ram和片外ram是獨立的，而片內(nèi)rom可與片外rom統(tǒng)一編址,第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,51單片機的4個物理存儲空間相當于3個邏輯存儲空間,rom的6個特殊存儲器單元引導程序跳轉(zhuǎn)0000h：復位后程序自動運行的首地址0003h：外部中斷0入口地址000bh：定時器0溢出中斷入口地址0013h：外部中斷1入口地址001bh：定時器0溢出中斷入口地址0023h：串行口中斷入口地址程序一般應安排在0030h地址以后,第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,3.片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器(ram),作用：存放程序運行結(jié)果字長：8位數(shù)量：128b+128b（80c51）,30h,第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,(1)低128字節(jié)的區(qū)域工作寄存器區(qū)（00h1fh）可位尋址區(qū)（20h2fh）用戶ram區(qū)（30h7fh）,第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,區(qū)共有32個存儲單元；每個單元都有1個8位地址（字節(jié)地址）每個單元都有1個寄存器名稱（r0r7）32個單元分為4組（第0第3組）cpu只能選一組為當前工作寄存器組,當前工作寄存器組取決于psw的設置,cpu復位后rs1和rs0默認值為0，即默認第0組為當前工作寄存器組。,第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,區(qū)共有16個存儲單元；每個單元都有一個字節(jié)地址每個單元都有8個不同的位地址區(qū)共有128個位地址,區(qū)可以字節(jié)地址和位地址兩種方式存取數(shù)據(jù)。,第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,區(qū)共有80個存儲單元；每個單元都有一個字節(jié)地址，但沒有位地址，也沒有寄存器名。,此區(qū)可作為堆棧區(qū)和中間數(shù)據(jù)存儲區(qū)使用用戶ram區(qū),【注意】：區(qū)和區(qū)只能按字節(jié)進行數(shù)據(jù)存取操作，區(qū)則可按字節(jié)和位兩種方式存取操作。,第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,（2）高128字節(jié)ram區(qū),30h,sfr承擔著51單片機內(nèi)部資源的管理工作,每個存儲單元都有一個字節(jié)地址，但只有其中21個單元可以使用，并有相應寄存器名稱。,51單片機共有21個特殊功能寄存器（spetialfunctionregister）,第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,字節(jié)地址末位是0或8的sfr，都具有位地址。,2.1mcs-51單片機結(jié)構(gòu)2.2mcs-51的存儲器結(jié)構(gòu)2.3單片機的復位、時鐘與時序2.4并行i/o口,第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,復位使單片機恢復原始默認狀態(tài)的操作。,1.復位與復位電路,第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,復位條件,在rst/vpd引腳端出現(xiàn)10ms要求的高電平（3v）狀態(tài)。,復位方式,上電復位按鍵復位,第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,復合復位,cpu的微操作必須在統(tǒng)一的時鐘控制下才能正確進行,2.時鐘電路,微調(diào)電容:c1、c230pf晶振：石英晶體封裝,mcs-51的時鐘頻率為612mhz可調(diào),外部時鐘方式,需要通過單片機引腳接入晶振元件或外部時鐘,第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,內(nèi)部時鐘方式,3.單片機時序,（1）時序的概念,第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,時序是指按照時間順序顯示的對象（或引腳、事件、信息）序列關系。時序可以用狀態(tài)方程、狀態(tài)圖、狀態(tài)表和時序圖4種方法表示，其中時序圖最為常用。時序圖亦稱為波形圖或序列圖，縱坐標表示不同對象的電平，橫坐標表示時間（從左往右為時間正向軸），通常坐標軸都省略。,第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,(1)最左邊是引腳的標識，表示該圖反映了rs、r/w、e、d0d7四類引腳的時序關系。(2)交叉線部分表示電平的變化，如高電平和低電平。(3)封閉菱形部分表示數(shù)據(jù)有效范圍（偶爾使用的validdata也能說明了這點）。(4)水平方向的尺寸線表示持續(xù)時間的長度。,某芯片時序圖,第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,rs和r/w端首先變?yōu)榈碗娖?；隨后d0d7端出現(xiàn)有效數(shù)據(jù)；r/w低電平tsp1之后，e端出現(xiàn)寬度為tpm的正脈沖；e脈沖結(jié)束并延時thd1后，rs和r/w端恢復高電平；e脈沖結(jié)束并延時thd2后，d0d7端的本次數(shù)據(jù)結(jié)束；隨后d0d7端出現(xiàn)新的數(shù)據(jù)，但下次e脈沖應在tc時間后才能出現(xiàn)。根據(jù)這些信息便可以進行相應的軟件編程了。,時序關系：,時序的定時單位：時鐘周期（或節(jié)拍）p、狀態(tài)周期s、機器周期、指令周期,1個狀態(tài)周期（s）=2個節(jié)拍（p）1個機器周期=6個狀態(tài)（s）=12個節(jié)拍（p）1個指令周期約為14個機器周期,第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,單片機時序,cpu在執(zhí)行指令時所需控制信號的時間順序。,1、用于片內(nèi)各功能部件的控制（不作介紹）,2、用于片外存儲器或i/o端口的控制（第8.2.1節(jié)介紹）,51單片機訪問外部ram時序,第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,單片機時序邏輯電路d觸發(fā)器又稱邊沿d觸發(fā)器（或維持-阻塞邊沿d觸發(fā)器）,正邊沿d觸發(fā)器特性只在時鐘脈沖clk上升沿到來的時刻，才采樣d端的輸入信號，并據(jù)此立即改變q和/q端的輸出狀態(tài)。而在其它時刻，d與q是信號隔離的。,第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,負邊沿d觸發(fā)器,負邊沿d觸發(fā)器工作特性只在時鐘脈沖clk下降沿到來的時刻，才采樣d端的輸入信號，并據(jù)此立即改變q和/q端的輸出狀態(tài)。而在其它時刻，d與q是信號隔離的。d觸發(fā)器的這一特性被廣泛用于數(shù)字信號的觸發(fā)鎖存輸出。,2.1mcs-51單片機結(jié)構(gòu)2.2mcs-51的存儲器結(jié)構(gòu)2.3單片機的復位、時鐘與時序2.4并行i/o口,第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,2.4并行i/o口,51單片機有32只i/o引腳，分屬于4個端口（p0p3）。由于工作任務不同，4個端口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也不同。,了解4類端口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對于正確使用這些i/o端口非常重要。,第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,1.p1口,p1.n=1個鎖存器+1個場效應管驅(qū)動器v+2個三態(tài)門緩沖器,p1口包含p1.0p1.7共8個相同結(jié)構(gòu)的電路,p1.0p1.7中的8個鎖存器組成p1sfr（90h）,第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,p1.n的通用i/o口工作方式：輸出、讀引腳、讀鎖存器,輸出時：d端=1/q=0v截止p1.n=1d端=0/q=1v導通p1.n=0,v,2,1,讀引腳時：p1.n讀引腳三態(tài)門1內(nèi)部總線,讀鎖存器時：q端讀鎖存器三態(tài)門2內(nèi)部總線,第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,場效應管v的狀態(tài)會影響p1.n的狀態(tài)：如v導通p1.n電平0（鉗位）讀引腳可能出錯,可見，p1口作為輸入口時是有條件的（應先寫1），而輸出時無條件，因此，稱p1口為準雙向口。,v,為正確讀出p1.n引腳電平，需設法在讀引腳前先使v截止令d=1/q=0v截止讀p1.n不會出錯,第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,2.p3口,與p1.n差別：第二功能控制單元雙功能,p3.0p3.7中的8個鎖存器組成p3sfr（b0h）,第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,輸出時：d端=1q=1v截止p1.n=1d端=0q=0v導通p1.n=0讀引腳時：p1.n讀引腳三態(tài)門1內(nèi)部總線（需先寫1）讀鎖存器時：q端讀鎖存器三態(tài)門2內(nèi)部總線,3,4,1,2,第二輸入功能,v,第二輸出功能口=“1”(與非門開鎖),p3.n的通用i/o口工作方式：,第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,p3口的第二功能方式：,輸出時：第二輸出功能=1與非門輸出0v截止p3.n=1第二輸出功能=0與非門輸出1v導通p3.n=0輸入時：p3.n驅(qū)動門4第二輸入功能（也需先使v截至）,d端寫“1”(與非門開鎖),3,4,1,2,第二輸入功能,v,第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,p3口第二功能定義,（第5章）,（第5章）,（第8章）,（第8章）,（第7章）,（第7章）,（第6章）,（第6章）,第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,3.p0口,與p1.n差別：輸出控制電路、輸出驅(qū)動電路總線功能,p0.0p0.7中的8個鎖存器組成p0sfr（80h）,第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,漏極開路與上拉電阻的概念,封鎖與門a0地址/數(shù)據(jù)端與a輸出無關,控制端=0mux下通/q與v1柵極直通,v2截止v1漏極開路,第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,為使漏極開路的v1有效，必須通過外接上拉電阻與電源連通，上拉電阻的阻值一般為10k。,注意：p1、p2、p3口無需外接上拉電阻（已有內(nèi)部上拉電阻）,第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,p0.n的通用i/o口工作方式（控制端=0）,輸出時：d端=1/q=0v1截止p0.n=1d端=0/q/=1v1導通p0.n=0讀引腳時：p0.n讀引腳三態(tài)門1內(nèi)部總線（需要先寫“1”）讀鎖存器：q端讀鎖存器三態(tài)門2內(nèi)部總線,第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及原理,p0.n的地址/數(shù)據(jù)分時復用方式（控制端=1）,“地址/數(shù)據(jù)”端可無條件輸入/輸出（真正的）雙向口“地址/數(shù)據(jù)”方式下沒有漏極開路問題，無需外接上拉電阻,第2章mcs-51單片機結(jié)構(gòu)及