C8051F020單片機總體結構及CIP51內核

1、C8051F020單片機總體結構及CIP51內核 第第 2 講講 C8051F020單片機總體結構單片機總體結構 與與CIP51內核內核 C8051F020單片機總體結構及CIP51內核 2.1 C8051F020單片機總體結構單片機總體結構 C8051F系列系列 單片機是集成混單片機是集成混 合信號片上系統(tǒng)合信號片上系統(tǒng) SOC（System on chip），是與），是與 MCS-51內核及指內核及指 令集完全兼容的令集完全兼容的 微控制器，微控制器，由原由原 來美國來美國Cygnal 公公 司設計與制造。司設計與制造。 C8051F020單片機總體結構及CIP51內核 C8051F020

2、原理框圖原理框圖 高速微控制器內核高速微控制器內核 數字數字 IOIO 模擬外設模擬外設 C8051F020單片機總體結構及CIP51內核 2.1.1 高速控制器內核高速控制器內核 n高速、流水線結構的8051 兼容的CIP-51 內核（可達 25MIPS） n64K 字節(jié)可在系統(tǒng)編程的FLASH 存儲器 n4352（4096+256）字節(jié)的片內RAM n全速、非侵入式的在系統(tǒng)調試接口（片內） n時鐘電路 n片內看門狗定時器、VDD 監(jiān)視器 C8051F020單片機總體結構及CIP51內核 2.1.2 模擬外設模擬外設 SAR ADC 12 位（C8051F020/1） 1LSB INL 可編

3、程轉換速率，最大 100ksps 可多達8 個外部輸入； 可編程放大器增益：16、8、4、 2、1、0.5 數據相關窗口中斷發(fā)生器 內置溫度傳感器（3C） 8 位 ADC 可編程轉換速率，最大 500ksps 8 個外部輸入 可編程放大器增益：4、2、1、 0.5 兩個12 位DAC 可以同步輸出，用于產生無 抖動波形 兩個模擬比較器 電壓基準 C8051F020單片機總體結構及CIP51內核 2.1.3 數字外設數字外設 C8051F020單片機總體結構及CIP51內核 C8051F020單片機總體結構及CIP51內核 2.1.4 芯片的極限參數芯片的極限參數 C8051F020單片機總體結

4、構及CIP51內核 2.2 C8051F單片機內核結構單片機內核結構 2.2.1 C8051F單片機單片機CPU結構結構 2.2.2 C8051F單片機的復位系統(tǒng)單片機的復位系統(tǒng) 2.2.3 C8051F單片機的時鐘系統(tǒng)單片機的時鐘系統(tǒng) C8051F020單片機總體結構及CIP51內核 2.2.1 C8051F單片機單片機CPU結構結構 CPU（Central Processing Unit）是計算機的核心部件）是計算機的核心部件, 它由運算器和控制它由運算器和控制 器組成器組成,還包括一些特殊功能寄存器完成計算機的運算和控制功能。還包括一些特殊功能寄存器完成計算機的運算和控制功能。 運算器運

5、算器 控制器控制器 C8051F020單片機總體結構及CIP51內核 運算器相關的寄存器：運算器相關的寄存器： ACC 累加器累加器 B 寄存器寄存器 TEMP暫存器暫存器 PSW程序狀態(tài)字寄存器程序狀態(tài)字寄存器 1、以、以ALU為中心的運算器為中心的運算器 運算器又稱算術邏輯部件（運算器又稱算術邏輯部件（ALU, Aithmctieal Logic Unit）, 主要完成對數據的算術運算和邏輯運算。主要完成對數據的算術運算和邏輯運算。 C8051F020單片機總體結構及CIP51內核 PSW程序狀態(tài)字寄存器程序狀態(tài)字寄存器 CY(PSW.7)進位進位/借位標志位。借位標志位。若若ACC在運算

6、過程中在運算過程中 發(fā)生了進位或借位，則發(fā)生了進位或借位，則CY=1；否則；否則=0。它也是布爾處理。它也是布爾處理 器的位累加器，可用于布爾操作。器的位累加器，可用于布爾操作。 AC(PSW.6)半進位半進位/借位標志位。借位標志位。若若ACC在運算過程在運算過程 中，中，D3位向位向D4位發(fā)生了進位或借位，則位發(fā)生了進位或借位，則CY=1,否則否則=0。機。機 器在執(zhí)行器在執(zhí)行“DA A”指令時自動要判斷這一位，我們可以暫指令時自動要判斷這一位，我們可以暫 時不關心它。時不關心它。 F0 (PSW.5)可由用戶定義的標志位?？捎捎脩舳x的標志位。 CYACF0RS0OVPRS1 PSW.7

7、PSW.0PSW.6 PSW.5 C8051F020單片機總體結構及CIP51內核 RS1，RS0 = 0 1 則選擇了工作寄存器組則選擇了工作寄存器組 1 區(qū)區(qū)R0R7分分 別代表別代表08H 0FH單元。單元。 RS1，RS0 = 1 0 則選擇了工作寄存器組則選擇了工作寄存器組 2 區(qū)區(qū) R0R7分分 別代表別代表10H 17H單元。單元。 RS1，RS0 = 1 1 則選擇了工作寄存器組則選擇了工作寄存器組 3 區(qū)區(qū)R0R7 分別代表分別代表18H 1FH單元。單元。 RS1，RS0 = 0 0 則選擇了工作寄存器組則選擇了工作寄存器組 0 區(qū)區(qū)R0R7分分 別代表別代表00H 07H

8、單元。單元。 CYACF0RS0OVPRS1 PSW.7PSW.0PSW.6 PSW.5 C8051F020單片機總體結構及CIP51內核 OV (PSW.2)溢出標志位。溢出標志位。 OV=1時特指累加器在進行帶符號數時特指累加器在進行帶符號數(-128+127)運算時出運算時出 錯（超出范圍）；錯（超出范圍）；OV=0時未出錯。時未出錯。 CYACF0RS0OVPRS1 PSW.7PSW.0PSW.6 PSW.5 P (PSW.0)奇偶標志位。奇偶標志位。 P=1表示累加器中表示累加器中“1”的個數為奇數的個數為奇數 P=0表示累加器中表示累加器中“1”的個數為偶數的個數為偶數 CPU隨時

9、監(jiān)視著隨時監(jiān)視著ACC中的中的“1”的個數的個數, 并反映在并反映在PSW中中 C8051F020單片機總體結構及CIP51內核 控制器（控制器（Controller）主要包括定時和控制邏輯、指令）主要包括定時和控制邏輯、指令 寄存器、譯碼器、地址指針寄存器、譯碼器、地址指針DPTR和程序計數器和程序計數器PC等。等。 2、控制器（、控制器（Controller） 控制器是整個計算機控制器是整個計算機 的指揮中心的指揮中心, 它負責從內它負責從內 部存儲器中取出指令并對部存儲器中取出指令并對 指令進行分析、判斷指令進行分析、判斷, 并并 根據指令發(fā)出控制信號根據指令發(fā)出控制信號, 使計算機的有

10、關部件及設使計算機的有關部件及設 備有條不紊地協(xié)調工作備有條不紊地協(xié)調工作, 保證計算機能自動、連續(xù)保證計算機能自動、連續(xù) 地運行。地運行。 C8051F020單片機總體結構及CIP51內核 C8051F020單片機總體結構及CIP51內核 程序計數器程序計數器PC： 指令寄存器指令寄存器IR：是用來存放當前正在執(zhí)行的指令。：是用來存放當前正在執(zhí)行的指令。 指令譯碼器指令譯碼器ID：是對存放在：是對存放在IR中的指令操作碼進行解釋，中的指令操作碼進行解釋， 產生相應的控制信號。產生相應的控制信號。 數據指針數據指針DPTR：是一個：是一個16位的寄存器，可以用來尋址外位的寄存器，可以用來尋址外

11、 部數據存儲空間，也可以尋址外部程序存儲空間，尋址范部數據存儲空間，也可以尋址外部程序存儲空間，尋址范 圍是圍是64KB 。 它是它是1616位位的按機器周期的按機器周期自動增自動增1 1計數器計數器 一切分支一切分支/ /跳轉跳轉/ /調用調用/ /中斷中斷/ /復位復位 等操作的本質就是等操作的本質就是: :改改 變變 PC PC 值值 總指向下一條指令所在首地址總指向下一條指令所在首地址( (當前當前PCPC值值) ) C8051F020單片機總體結構及CIP51內核 3、單片機的狀態(tài)、單片機的狀態(tài) C8051F020單片機總體結構及CIP51內核 2.2.2 C8051F單片機的復位系

12、統(tǒng)單片機的復位系統(tǒng) 1、 復位狀態(tài)復位狀態(tài) 復位電路可以將控制器置于一個預定的狀態(tài)復位電路可以將控制器置于一個預定的狀態(tài)復位狀態(tài)。復位狀態(tài)。 在進入復位狀態(tài)時，將發(fā)生以下過程：在進入復位狀態(tài)時，將發(fā)生以下過程： CIP-51 CPU停止程序執(zhí)行停止程序執(zhí)行 特殊功能寄存器（特殊功能寄存器（SFR）被初始化為所定義的復位值）被初始化為所定義的復位值 外部端口引腳被置于一個已知狀態(tài)外部端口引腳被置于一個已知狀態(tài) 中斷和定時器被禁止中斷和定時器被禁止 端口端口I/O鎖存器的復位值為鎖存器的復位值為0 xFF（全部為邏輯（全部為邏輯1），外部），外部I/O引引 腳處于高電平狀態(tài)。復位之后弱上拉被使能。

13、腳處于高電平狀態(tài)。復位之后弱上拉被使能。 C8051F020單片機總體結構及CIP51內核 程序計數器（程序計數器（PC）被復位，）被復位，PC=0000H; CIP-51使用內部振蕩器作為默認的系統(tǒng)時鐘使用內部振蕩器作為默認的系統(tǒng)時鐘,約為約為2MHz； 看門狗定時器被使能，用系統(tǒng)時鐘的看門狗定時器被使能，用系統(tǒng)時鐘的12分頻作為其時鐘源分頻作為其時鐘源; 程序從地址程序從地址0 x0000開始執(zhí)行。開始執(zhí)行。 在退出復位狀態(tài)時：在退出復位狀態(tài)時： C8051F020單片機總體結構及CIP51內核 2、系統(tǒng)復位源框圖、系統(tǒng)復位源框圖 C8051F020單片機總體結構及CIP51內核 3、上電

14、復位、上電復位/掉電復位掉電復位 上電復位：上電復位：在上電期間，器件保持在復位狀態(tài)，在上電期間，器件保持在復位狀態(tài)，/RST引腳被驅動到低電平，引腳被驅動到低電平， 直到直到VDD上升到超過上升到超過VRST電平。從復位開始到退出復位狀態(tài)要經過一個延時。電平。從復位開始到退出復位狀態(tài)要經過一個延時。 上電和上電和VDD監(jiān)視器復位時序監(jiān)視器復位時序 C8051F020單片機總體結構及CIP51內核 掉電復位：掉電復位： 當發(fā)生掉電或因電源波動導致當發(fā)生掉電或因電源波動導致VDD降到降到VRST以下時，電源監(jiān)視器以下時，電源監(jiān)視器 將將/RST引腳驅動為低電平并使引腳驅動為低電平并使CIP-51

15、保持復位狀態(tài)。當保持復位狀態(tài)。當VDD又回到高又回到高 于于VRST的電平時，的電平時，CIP-51將退出復位狀態(tài)。將退出復位狀態(tài)。 C8051F020單片機總體結構及CIP51內核 4、 外部復位外部復位 外部外部/RST引腳提供了使用外部電路強制引腳提供了使用外部電路強制MCU進入復位狀態(tài)的手段。在進入復位狀態(tài)的手段。在 /RST引腳上加一個低電平有效信號將導致引腳上加一個低電平有效信號將導致MCU進入復位狀態(tài)。盡管在內部有弱進入復位狀態(tài)。盡管在內部有弱 上拉，但最好能提供一個外部上拉和上拉，但最好能提供一個外部上拉和/或對或對/RST引腳去耦以防止強噪聲引起復位。引腳去耦以防止強噪聲引起

16、復位。 從外部復位狀態(tài)退出后，從外部復位狀態(tài)退出后，PINRSF標志（標志（RSTSRC.0）被置）被置1。 R1 10k R2 1k R3 1k C1 104 C2 1uF VDD /RST C8051F020單片機總體結構及CIP51內核 5、 內部復位內部復位 軟件強制復位：向軟件強制復位：向SWRSEF位寫位寫1 將強制產生一個上電復位。將強制產生一個上電復位。 時鐘丟失檢測器復位：時鐘丟失檢測器復位： 時鐘丟失檢測器實際上是由MCU 系統(tǒng) 時鐘觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)電路。如果未收到系統(tǒng) 時鐘的時間大于100 微秒，單穩(wěn)態(tài)電路將 超時并產生一個復位。 C8051F020單片機總體結構及CIP51

17、內核 比較器比較器0復位：復位： 比較器比較器0 復位是低電平有效：如果同相端輸入電壓復位是低電平有效：如果同相端輸入電壓 （CP0+引腳）小于反相端輸入電壓（引腳）小于反相端輸入電壓（CP0-引腳），則引腳），則MCU 被置于復位狀態(tài)。被置于復位狀態(tài)。 操作方法：操作方法： 向C0RSEF 標志（RSTSRC.5）寫1可以將比較器0 配置為復位源。應在寫 C0RSEF之前用CPT0CN.7使能比較器0，以防止通電瞬間在輸出端產生抖動， 從而產生不希望的復位 C8051F020單片機總體結構及CIP51內核 看門狗定時器復位：看門狗定時器復位： MCU 內部有一個使用系統(tǒng)時鐘的可編程看門狗定時

18、器（內部有一個使用系統(tǒng)時鐘的可編程看門狗定時器（WDT）。）。 當看門狗定時器溢出時，當看門狗定時器溢出時，WDT 將強制將強制CPU 進入復位狀態(tài)。進入復位狀態(tài)。 C8051F020單片機總體結構及CIP51內核 2.2.3 C8051F單片機的時鐘系統(tǒng)單片機的時鐘系統(tǒng) C8051F020單片機總體結構及CIP51內核 C8051F020單片機總體結構及CIP51內核 C8051F020單片機總體結構及CIP51內核 C8051F020單片機總體結構及CIP51內核 當外部晶體振蕩器穩(wěn)定運行時，晶體振蕩器有效標志當外部晶體振蕩器穩(wěn)定運行時，晶體振蕩器有效標志 （OSCXCN 寄存器中的寄存器

19、中的XTLVLD）被硬件置）被硬件置1。 XTLVLD 檢測電路要求在使能振蕩器工作和檢測檢測電路要求在使能振蕩器工作和檢測XTLVLD 之之 間至少有間至少有1 ms的啟動時間。（在外部振蕩器穩(wěn)定之前就切換的啟動時間。（在外部振蕩器穩(wěn)定之前就切換 到外部振蕩器可能導致不可預見的后果。）到外部振蕩器可能導致不可預見的后果。） 建議的過程為：建議的過程為： 1 使能外部振蕩器使能外部振蕩器 2 等待至少等待至少1ms 3 查詢查詢XTLVLD = 1 4 將系統(tǒng)時鐘切換到外部振蕩器將系統(tǒng)時鐘切換到外部振蕩器 外部晶體振蕩器使用注意外部晶體振蕩器使用注意 C8051F020單片機總體結構及CIP5

20、1內核 5.2.4 I/O端口和交叉開關特點及配置端口和交叉開關特點及配置 C8051F020有按有按8 位端口組織的位端口組織的64 個數字個數字I/O 引腳。引腳。 低端口（低端口（P0、P1、P2 和和P3）既可以按位尋址也可以）既可以按位尋址也可以 按字節(jié)尋址。按字節(jié)尋址。 高端口（高端口（P4、P5、P6 和和P7）只能按字節(jié)尋址。）只能按字節(jié)尋址。 所有引腳都耐所有引腳都耐5V 電壓，都可以被配置為：電壓，都可以被配置為： 漏極開路或漏極開路或 推挽輸出方式和弱上拉。推挽輸出方式和弱上拉。 C8051F020單片機總體結構及CIP51內核 (1) I/O 端口結構端口結構 C805

21、1F020單片機總體結構及CIP51內核 (2) I/O 端口直流電氣特性端口直流電氣特性 C8051F020單片機總體結構及CIP51內核 C8051F020的數字資源需要通過的數字資源需要通過4 個低端個低端I/O 端口才能使用。每個引腳既可端口才能使用。每個引腳既可 定義為通用的端口定義為通用的端口I/O（GPIO）引腳，又可以分配給一個數字外設或功能）引腳，又可以分配給一個數字外設或功能. (3) 低端口功能結構低端口功能結構 C8051F020單片機總體結構及CIP51內核 （4） 優(yōu)先權交叉開關譯碼器優(yōu)先權交叉開關譯碼器 及交叉開關配置交叉開關配置 優(yōu)先權交叉開關譯碼器，為每個優(yōu)先

22、權交叉開關譯碼器，為每個I/O功能分配優(yōu)先權，從優(yōu)先權最功能分配優(yōu)先權，從優(yōu)先權最 高的高的UART0開始。當一個數字資源被選擇時，尚未分配的端口引腳中開始。當一個數字資源被選擇時，尚未分配的端口引腳中 的最低位被分配給該資源的最低位被分配給該資源 C8051F020單片機總體結構及CIP51內核 優(yōu)先權高優(yōu)先權高- 優(yōu)先權低 優(yōu)先權低 由低位端口開始分配由低位端口開始分配 C8051F020單片機總體結構及CIP51內核 寄存器寄存器XBR0、XBR1 和和XBR2用于為數字用于為數字I/O資源分配物理資源分配物理I/O引腳。引腳。 XBR0：端口I/O交叉開關寄存器0 C8051F020單

23、片機總體結構及CIP51內核 C8051F020單片機總體結構及CIP51內核 XBR1：端口I/O交叉開關寄存器1 C8051F020單片機總體結構及CIP51內核 XBR2：端口I/O交叉開關寄存器2 C8051F020單片機總體結構及CIP51內核 交叉開關寄存器被正確配置后，通過將交叉開關寄存器被正確配置后，通過將XBARE（XBR2.6） 設置為邏輯設置為邏輯1來使能交叉開關。來使能交叉開關。 C8051F020單片機總體結構及CIP51內核 (5) 配置端口引腳的輸出方式配置端口引腳的輸出方式 每個端口引腳的輸出方式都可被配置為漏極開路或推挽方式，每個端口引腳的輸出方式都可被配置為漏極開路或推挽方式， 缺省狀態(tài)為漏極開路。缺省狀態(tài)為漏極開路。 端口端口0-3 引腳的輸出方式由引腳的輸出方式由PnMDOUT 寄存器中的對應位決定。寄存器中的對應位決定。 例如：例如： P3MDOUT.7 為邏輯1時將P3.7 配置為推挽方式； P3MDOUT.7為邏輯0時將P3.7 配置為漏極開路方式。 C8051F020單片機總體結構及CIP51內核 P1MDOUT：端口：端