單片機的體系結構

第2章8051單片機的體系結構 本章學習要點 1 8051單片機內(nèi)部結構 功能部件 2 8051單片機引腳名稱 功能和三總線信號 3 單片機的存儲結構 編址 特殊功能寄存器 4 單片機工作時序 時鐘電路 復位電路 5 單片機I O的結構功能特點 6 單片機的工作模式 2 18051單片機內(nèi)部結構八大功能部件 1 微處理器 8位CPU 2 程序存儲器 ROM EPROM或Flash等 3 數(shù)據(jù)存儲器 RAM E2PROM 4 四個8位并行可編程I O端口 P0 P1 P2 P3 5 一個串行口 UART 6 兩個16位定時器 計數(shù)器 T0 T1 7 中斷系統(tǒng) 含 8個中斷源 2個優(yōu)先級 8 特殊功能寄存器 SFR 還包含 時鐘振蕩器 總線控制器和供電電源此外 有的還有其它功能部件 如 A D D APWM PCAWDTSPI I2C ISP IAP 8051單片機內(nèi)部結構圖 2 28051單片機芯片引腳功能單片機芯片雙列直插封裝方式引腳圖 2 28051單片機芯片引腳功能單片機芯片方形封裝方式引腳圖 2 28051單片機芯片引腳功能單片機芯片引腳功能1 主電源引腳 1 GND接地 2 VCC正常操作時為十5V電源 2 時鐘電路引腳 1 XTAL1 2 XTAL2 3 控制線與電源復用引腳 1 RST VPD RST是復位信號 高電平有效 VPD為第二功能 即備用電源輸入端 2 ALE PROG ALE為地址鎖存允許信號輸出引腳 PROG為編程信號 第二功能 低電平有效 3 PSEN 片外ROM選通信號輸出端 低電平有效 4 EA VPP EA為內(nèi)部和外部ROM控制端當EA 1時 從內(nèi)ROM開始訪問當EA 0時 只訪問外部ROMVPP是編程電源輸入端 4 并行輸入 輸出引腳 1 P0口 P0 0 P0 7統(tǒng)稱為P0口 2 P1口 P1 0 P1 7統(tǒng)稱為P1口 3 P2口 P2 0 P2 7統(tǒng)稱為P2口 4 P3口 P3 0 P3 7統(tǒng)稱為P3口P3口每一位可用作第二功能 而且P3口的每一條引腳都可以獨立設置為第一功能的I O口功能和第二功能 2 38051中央處理器單片機的CPU是完整的1位微計算機 這個1位微計算機包含CPU 位寄存器 I O口和指令集 CPU內(nèi)部包含 1 運算器2 控制器3 存儲器 2 3 1運算器運算器包含 1 算術邏輯運算單元ALU 算術運算 邏輯運算2 累加器A 相當于數(shù)據(jù)加工廠3 位處理器 位運算4 BCD碼修正電路 十進制數(shù)的運算處理5 PSW 記錄程序運行狀態(tài) 2 3 2控制器單片機的指揮部件 主要任務是識別指令 控制各功能部件 保證各部分有序工作 主要包括指令寄存器 指令譯碼器 程序計數(shù)器 程序地址寄存器 條件轉(zhuǎn)移邏輯電路 時序控制邏輯電路 1 指令 指令譯碼及控制器指令 就是完成某項操作的命令 指令譯碼 對指令進行解析和翻譯控制器 發(fā)出相應的控制信息 指揮運算器和存儲器協(xié)同完成指令所要求的操作 例如 下面是單片機的一條指令 0010010100110000 A 30H 該指令是加法指令 指令占2字節(jié) 2 指令集和指令助記符指令譯碼器所能解析系統(tǒng)在設計時規(guī)定的 為直觀表達 用指令助記符表示 例如 上面的加法指令的助記符為 ADDA 30H 3 程序及程序計數(shù)器PC什么叫計算機程序 為完成一個完整的運算任務 按照執(zhí)行步驟用計算機指令編寫的指令集合 執(zhí)行程序指示 地址由PC指示 執(zhí)行程序時 在計算機控制器的控制下 取指令裝置會按PC的指向從存儲器中讀出第一條指令并譯碼 執(zhí)行指令所要求的操作 2 3 3程序執(zhí)行過程執(zhí)行程序線路實際上按PC的指取指令運行 PC就象引路人 稱為程序指針 執(zhí)行流程如下圖 程序指令取指執(zhí)行過程 1 復位PC 00002 從PC取指 PC 13 取數(shù)據(jù)4 執(zhí)行指令5 取下一條指令 2 48051單片機的存儲結構8051單片機存儲器采用哈佛結構 1 有一根地址和數(shù)據(jù)總線 2 程序存儲器空間和數(shù)據(jù)存儲器空間采用獨立編址 3 擁有各自的尋址方式和尋址空間 2 4 18051單片機的存儲器結構8051單片機存儲器從物理結構上分四種 1 片內(nèi)程序存儲器 只讀存儲器ROM 類型 ROM PROM EPROM E2PROM Flash 2 片外程序存儲器 類型同上 3 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器 讀寫存儲器RAM 類型 SRAM DRAM E2PROM Flash 4 片外數(shù)據(jù)存儲器 類型同上 從尋址空間分布上分三種 程序存儲器 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器外部數(shù)據(jù)存儲器 從功能作用上可五種 程序存儲器 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器 特殊功能寄存器 位地址空間存儲器和外部數(shù)據(jù)存儲器 2 4 18051單片機的存儲器結構圖 2 4 2程序存儲器 可尋址的地址空間為64KB 從0000H開始編址 最大地址可至FFFFH 用EA信號選擇片內(nèi) 片外程序存儲器 對于STC89C51單片機 片內(nèi)有4KB 編址為0000 0FFFH EA接高電平 從片內(nèi)0000H開始執(zhí)行程序 對于8031單片機無內(nèi)部程序存儲器 EA接低電平 從片外讀取程序執(zhí)行 中斷向量 單片機至少有5個中斷地址 在0000 002FH程序存儲器地址之間占5個特殊地址 被固定用于5個中斷源的中斷服務程序入口地址 中斷地址如下 2 4 3片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器1 片內(nèi)RAM編址片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器 RAM 128B 256B 用來存放程序運行時所需要的常數(shù)或變量 編址如下 51子系列片內(nèi)RAM有128字節(jié)編址為00 7FH特殊功能寄存器塊有128字節(jié)編址為為80 FFH52子系列片內(nèi)RAM有256字節(jié)低128字節(jié)編址為00 7FH 直接尋址 高128字節(jié)編址為80 FFH 間接尋址 SFR有128字節(jié)編址為為80 FFH 間接尋址 2 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器的劃分片內(nèi)RAM編址為00 7FH 分工作寄存器區(qū) 位尋址區(qū) 數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和堆棧數(shù)據(jù)區(qū)三個部分 結構如下圖 1 工作寄存器區(qū)從上圖中可以看到 單片機內(nèi)部RAM的00 1FH區(qū)是R工作寄存器區(qū) 分為四個組 由RS1 RS0配置選擇 2 位尋址區(qū)內(nèi)部RAM的20H 2FH為位尋址區(qū)域 見表2 4 這16個單元 共128位 的位地址編址范圍為00H 7FH 3 數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)部RAM的30H 7FH是數(shù)據(jù)緩沖區(qū) 也稱為用戶RAM區(qū) 共80個單元 52子系列內(nèi)部有256個單元的數(shù)據(jù)存儲器 用戶RAM區(qū)范圍為30H FFH 共208個單元 工作寄存器區(qū)和位尋址區(qū)的地址及單元數(shù)與上述一致 3 堆棧和堆棧指針堆棧的概念 是一種數(shù)據(jù)項按序排列的數(shù)據(jù)結構 采用后進先出 這種后進先出操作的緩沖器區(qū)稱為堆棧 堆棧指針總是指向棧頂 堆棧就好比水桶或手槍中的彈匣 更象一個裝兵乓球的小圓筒 堆棧的幾個名詞 滿堆棧 空堆棧 遞增堆棧和遞減堆棧 堆棧特點 后進先出堆棧有3個具體功能 1 保護斷點 2 現(xiàn)場保護 3 臨時暫存數(shù)據(jù) 2 4 4特殊功能寄存器單片機是通過特殊功能寄存器 SFR 對各種功能部件進行集中控制 如下表 2 4 5外部數(shù)據(jù)存儲器單片機一般的內(nèi)部RAM只有128B或256B 現(xiàn)在有大RAM容量單片機或集成了DataFlash的單片機 系統(tǒng)需要海量存儲器必須擴展外部存儲器 擴展外部存儲器方式 1 并行方式擴展 最大64KB 2 串行方式擴展 最大1MB以上 存儲器使用總結如下 1 地址有重疊性 用不同的控制命令分開 2 RAM 和 ROM 在操作使用上是嚴格區(qū)分的 不同的操作指令不能混用 3 位地址空間有兩個區(qū)域 20H 2FH區(qū)和SFR區(qū) 4 片外數(shù)據(jù)存儲器區(qū)中 RAM存儲單元與單片機外部擴展的I O端口是統(tǒng)一編址的 2 5并行I O端口 共有4個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)動器和輸入緩沖器 多路開關功能 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)部控制信號產(chǎn)生 輸入鎖存器 兩個輸入緩沖器 BUF1和BUF2 推拉式I O驅(qū)動器 2 5 1P0口位圖內(nèi)部結構 5 P0R2為讀引腳信號 執(zhí)行 MOVA P0 時該信號有效6 讀引腳 端口 時 輸出鎖存器應為 1 說明 1 當控制信號為0時 P0口做雙向I O口 為漏極開路 三態(tài) 2 控制信號為1時 P0口為地址 數(shù)據(jù)復用總線 用于口擴展 3 P0W為端口輸出寫信號 用于鎖存輸出狀態(tài)4 P0R1為讀鎖存器信號 執(zhí)行 ANLP0 0FH 時該信號有效 1 0 2 5 2P1口內(nèi)部結構 P1口內(nèi)部結構如圖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 讀引腳時先寫入1 寫數(shù)據(jù) 讀端口 2 5 3P2口內(nèi)部結構 2 當控制信號為1時P2口輸出地址信息 此時單片機完成外部的取指操作或?qū)ν獠繑?shù)據(jù)存儲器16位地址的讀寫操作 3 當P2口作為普通I O口使用時用法和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片外總線結構示意圖 返回 MCS 51單片機片外總線 P0 4 返回 6264 WE 單片機8031 P2 0 A8 ALE RD 74LS373 G A7 A0 P0 0 P0 7 OE CE Q0 Q7 D0 D7 A12 P2 4 WR D7 D0 2 5 4P3口內(nèi)部結構 說明 1 做普通端口使用時 第二功能應為 1 2 使用第二功能時 輸出端口鎖存器應為 1 3 變異功能 P3 0TXDP3 4T0P3 1RXDP3 5T1P3 2INT0P3 6WRP3 3INT1P3 7RD 2 5 5P0 P3端口功能總結使用中應注意的問題 1 P0 P3口都是并行I O口 但P0口和P2口還可用來構建數(shù)據(jù)總線和地址總線 所以電路中有一個MUX 進行轉(zhuǎn)換 2 而P1口和P3口無構建系統(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MUX 3 只有P0口是一個真正的雙向口 P1 P3口都是準雙向口 原因 P0口作數(shù)據(jù)總線使用時 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)傳送時芯片內(nèi)外才接通 否則應處于隔離狀態(tài) 為此 P0口的輸出緩沖器應為三態(tài)門 4 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 P3口的第二功能 2 6單片機時序與復位時鐘電路用于產(chǎn)生單片機工作所必需的時鐘控制信號 2 6 1時鐘電路時鐘頻率直接影響單片機的速度 電路的質(zhì)量直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性 常用的時鐘電路有兩種方式 內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式 一 內(nèi)部時鐘方式內(nèi)部有一個用于構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 2MHz 12MHz之間 某些高速單片機芯片的時鐘頻率已達40MHz 二 外部時鐘方式常用于多片單片機同時工作 三 時鐘信號的輸出為應用系統(tǒng)中的其它芯片提供時鐘 但需增加驅(qū)動能力 2 6 2機器周期 指令周期與指令時序一 時鐘周期單片機的基本時間單位 若時鐘的晶體的振蕩頻率為fosc 則時鐘周期Tosc 1 fosc 如fosc 6MHz Tosc 166 7ns 二 機器周期CPU完成一個基本操作所需要的時間 執(zhí)行一條指令分為幾個機器周期 每個機器周期完成一個基本操作 MCS 51單片機每12個時鐘周期為一個機器周期 一個機器周期又分為6個狀態(tài) S1 S6 每個狀態(tài)又分為兩拍 P1和P2 因此 一個機器周期中的12個時鐘周期表示為 S1P1 S1P2 S2P1 S2P2 SP6P1 S6P2 三 指令周期執(zhí)行一條指令時 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 對指令操作碼進行譯碼 以產(chǎn)生一系列控制信號完成指令的執(zhí)行 ALE信號是為地址鎖存而定義的 以時鐘脈沖1 6的頻率出現(xiàn) 在一個機器周期中 ALE信號兩次有效 注意 在執(zhí)行訪問外部數(shù)據(jù)存儲器的指令MOVX時 將會丟失一個ALE脈沖 時鐘電路需外接晶振的頻率1 2 12MHZ C1和C2取30 10PF CPU的時序 時鐘周期 狀態(tài)周期 機器周期 若外接晶振為12MHz時 則單片機的四個周期的具體值為 時鐘周期 1 12MHz 1 12 s 0 0833 s狀態(tài)周期 1 6 s 0 167 s機器周期 1 s指令周期 1 4 s可用于計算指令 程序的執(zhí)行時間 以及定時器的定時時間 2 6 3復位電路單片機的初始化操作 擺脫死鎖狀態(tài) 引腳RST加上大于2個機器周期 即24個時鐘振蕩周期 的高電平就可使MCS 51復位 復位時 PC初始化為0000H 使MCS 51單片機從0000H單元開始執(zhí)行程序 除PC之外 復位操作還對其它一些寄存器有影響 見表2 8 P43 SP 07H P0 P3的引腳均為高電平 在復位有效期間 ALE腳和PSEN 腳均為高電平 內(nèi)部RAM的狀態(tài)不受復位的影響 2 7 2復位電路片內(nèi)復位結構 上電自動復位和按鈕復位最簡單的上電自動復位電路 按鍵手動復位 有電平方式和脈沖方式兩種 電平方式脈沖方式 兩種實用的兼有上電復位與按鈕復位的電路 圖2 19中 b 的電路能輸出高 低兩種電平的復位控制信號 以適應外圍I O接口芯片所要求的不同復位電平信號 74LS122為單穩(wěn)電路 實驗表明 電容C的選擇約為0 1 F較好 Watch