片微型計算機的組成原理課件

1、第4章 單片機微型機的組成原理單片機微型機的組成原理 4.1 微型計算機的結構及指令執(zhí)行過程 4.2 MCS-51單片計算機的組成原理 4.3 MCS-51存儲器配置4.4 時鐘電路及時序4.5 輸入輸出端口 4.6 復位電路4.7 MCS-51單片機的引腳功能第一節(jié) 微型計算機的結構及指令執(zhí)行過程指令執(zhí)行過程分為兩個過程：取指令；分析執(zhí)行指令取指令執(zhí)行指令PC指令指令數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)程序計數(shù)器（PC）：PC是一個自動加自動加1計數(shù)器（16位），它提供將要執(zhí)行指令的地址將要執(zhí)行指令的地址。例例: : MOV A,#09H MOV A,#09H 74H74H 09H09H ; ;把把09H09H送到累加

2、器送到累加器A A中中執(zhí)行過程執(zhí)行過程PC=0000H0001H0000H0002H0 1 1 1 0 1 0 00 0 0 0 1 0 0 1(PC)(PC)0001H0002H0000H(PC)執(zhí)行過程執(zhí)行過程第一節(jié) 微型計算機的結構及指令執(zhí)行過程單片機將通用微計算機基本功能部件集成在一塊芯片上構成的一種專用微計算機系統(tǒng)單片機 = 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+第二節(jié) MCS-51單片計算機的組成原理80C51=(8位)CPU + 4KBROM +128BRAM + (216)T/C + (48)I/O + 1個UART +5

3、個中斷源87C52INTEL MCS-51系列單片機一覽表CPU（中央處理器，Central Processing Unit ）CPU = 控制器控制器 + 運算器運算器通用寄存器，也稱為工作寄存器，總共有4組（區(qū)），每組（區(qū)）內(nèi)有8個，分別命名為：R0，R2，R3，R4，R5，R6，R7。MCS-51單片機每次只能選擇一個通用寄存器組（區(qū)）進行工作。4個寄存器區(qū)的選擇是由程序狀態(tài)子PSW中RS0、RS1兩位來控制。被選擇的通用寄存器組（區(qū)）稱為當前通用寄存器組（區(qū)）。一、寄存器1 通用寄存器（1）程序計數(shù)器（Program CounterPC） 指向ROM存儲單元的地址指針0000HPC指針

4、xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxROM0000H0001H0002H0003H0004HFFFFH 永遠存放著下一條指令的地址 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運行程序功能 復位時，PC值為0 復位后程序從0開始運行2 專用寄存器（2）累加器（ACCUMULATERA） 具有8位字長是利用率最高的寄存器 存放操作數(shù)或中間運算結果的寄存器（3）B寄存器（ Multiplication Register ） 具有8位字長主要用在乘除法中（4）程序狀態(tài)字寄存器（

5、Program State WordPSW） 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CYACF0RS1RS0OVF1PCYACF0RS1RS0OVF1P位7位6位5位4位3位2位1位0CYACF0RS1RS0OVF1PCYCYACACF0F0RS1RS1RS0RS0OVOVF1F1P PPSW.7PSW.7PSW.6PSW.6PSW.5PSW.5PSW.4PSW.4PSW.3PSW.3PSW.2PSW.2PSW.1PSW.1PSW.0PSW.0位7位6位5位4位3位2位1位0按位置定義的名稱按功能定義的名稱CY（PSW.7）

6、進位標志在進行加或減運算時，如果操作結果最高位有進位或借位時，CY由硬件硬件置“1”，否則清“0”。 1001 0011 + 1111 0000 CY= 1 1000 0011進位標志位CYCYACF0RS1RS0OVF1PCYACF0RS1RS0OVF1P位7位6位5位4位3位2位1位0CYACF0RS1RS0OVF1PCYCYACACF0F0RS1RS1RS0RS0OVOVF1F1P PPSW.7PSW.7PSW.6PSW.6PSW.5PSW.5PSW.4PSW.4PSW.3PSW.3PSW.2PSW.2PSW.1PSW.1PSW.0PSW.0位7位6位5位4位3位2位1位0用途用途：1、

7、根據(jù)CY判斷有無判斷有無進位或借位進位或借位；2、在位操作中CY可作為位累加器用。舉例舉例 AC（PSW.6）輔助進位標志在進行加加或或減運算減運算時，如果操作結果的低四位數(shù)向高四位產(chǎn)生進位或借位時，將由硬件置“1”，否則清“0”。 0100 1111 + 1010 0001 AC=1 1111 0000半進位CYACF0RS1RS0OVF1PCYACF0RS1RS0OVF1P位7位6位5位4位3位2位1位0CYACF0RS1RS0OVF1PCYCYACACF0F0RS1RS1RS0RS0OVOVF1F1P PPSW.7PSW.7PSW.6PSW.6PSW.5PSW.5PSW.4PSW.4PS

8、W.3PSW.3PSW.2PSW.2PSW.1PSW.1PSW.0PSW.0位7位6位5位4位3位2位1位0舉例舉例用途用途：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)整運算碼調(diào)整運算中要用到AC標志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)標志用戶自行定義的一個狀態(tài)標志 舉例舉例 定義F0為門的開關狀態(tài)， F0 = 0開；F0 = 1閉 定義F1為燈的開閉狀態(tài)， F1 = 0開；F1 = 1閉CYACF0RS1RS0OVF1PCYACF0RS1RS0OVF1P位7位6位5位4位3位2位1位0CYACF0RS1RS0OVF1PCYCYA

9、CACF0F0RS1RS1RS0RS0OVOVF1F1P PPSW.7PSW.7PSW.6PSW.6PSW.5PSW.5PSW.4PSW.4PSW.3PSW.3PSW.2PSW.2PSW.1PSW.1PSW.0PSW.0位7位6位5位4位3位2位1位0用途用途：在程序運行中判斷門或燈的工作狀態(tài)RS1和 RS0（PSW.4和 PSW.3） 工作寄存器組指針用途用途：用于指定指定CPU的當前工作寄存器組的當前工作寄存器組CYACF0RS1RS0OVF1PCYACF0RS1RS0OVF1P位7位6位5位4位3位2位1位0CYACF0RS1RS0OVF1PCYCYACACF0F0RS1RS1RS0RS

10、0OVOVF1F1P PPSW.7PSW.7PSW.6PSW.6PSW.5PSW.5PSW.4PSW.4PSW.3PSW.3PSW.2PSW.2PSW.1PSW.1PSW.0PSW.0位7位6位5位4位3位2位1位0OV（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果，OV硬件置1，否則硬件清0。CYACF0RS1RS0OVF1PCYACF0RS1RS0OVF1P位7位6位5位4位3位2位1位0CYACF0RS1RS0OVF1PCYCYACACF0F0RS1RS1RS0RS0OVOVF1F1P PPSW.7PSW.7PSW.6PSW.6PSW.5PSW.5PSW.4P

11、SW.4PSW.3PSW.3PSW.2PSW.2PSW.1PSW.1PSW.0PSW.0位7位6位5位4位3位2位1位0用途用途：判斷運算的結果是否正確判斷運算的結果是否正確，正確 = 0；出錯 = 1OV=C6Y C7Y=1 0=1 01010100 （+84） + 01101001 （+105） CY=0 10111101（-67）D6有進位D7無進位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 11111011 （-5） + 11110000 （-16） CY= 1 11101011 （-21）D7有進位 D6有進位OV

12、=C6Y C7Y=1 1=0111010111001010010010101運算出錯運算正確舉例舉例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”舉例舉例 若A =1001 1111，則P=0 若A =1100 0001，則P=1CYACF0RS1RS0OVF1PCYACF0RS1RS0OVF1P位7位6位5位4位3位2位1位0CYACF0RS1RS0OVF1PCYCYACACF0F0RS1RS1RS0RS0OVOVF1F1P PPSW.7PSW.7PSW.6PSW.6PSW.5PSW.5PSW.4PSW.4PSW.3P

13、SW.3PSW.2PSW.2PSW.1PSW.1PSW.0PSW.0位7位6位5位4位3位2位1位0用途用途：用于串行通訊中的數(shù)據(jù)校驗，判斷是否存在傳輸錯誤判斷是否存在傳輸錯誤。堆棧是個特殊的存儲區(qū)，主要功能是暫時存放數(shù)據(jù)和地址，通常用來保護斷點和現(xiàn)場。它的特點是按照先進后出的原則存取數(shù)據(jù)，這里的進與出是指進棧與出棧操作。 SP中的8位二進制數(shù)就是堆棧頂部的地址值，術語稱為“指向棧頂”。（5）堆棧指針寄存器（Stack PointSP） 假若有8個RAM單元，每個單元都在其右面編有地址，棧頂由堆棧指針SP自動管理。每次進行壓入或彈出操作以后，堆棧指針便自動調(diào)整以保持指示堆棧頂部的位置。這些操作

14、可用圖說明。（6）其它專用寄存器數(shù)據(jù)指針寄存器（Data Pointer DPTR）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DPH0000H0001H0002H0003H0004HFFFFH 35H 77H F4H 94H 9EHDPTR指針 xxH xxHxxH xxH xxHROMRAMDPLDPH0000H0001H0002H0003H0004HFFFFH 指向ROM或RAM存儲單元的地址指針第三節(jié)第三節(jié) MCS-51的存儲器配置的存儲器配置 計算機存儲器地址空間地址空間的兩種結構形式：普林斯頓結構普林斯頓結構和哈佛

15、結構哈佛結構。RAM和和ROM統(tǒng)一編址統(tǒng)一編址 RAM和和ROM分別編址分別編址 80C51在物理結構上有4個存儲空間：片內(nèi)程序存儲器片外程序存儲器片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器片外數(shù)據(jù)存儲器在邏輯上，即從用戶使用的角度上，80C51有三個存儲空間。片內(nèi)外統(tǒng)一編址的64 KB程序存儲器地址空間256 B片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器的地址空間64KB片外數(shù)據(jù)存儲器地址空間用戶角度看用戶角度看80C51存儲器配置存儲器配置由于三個空間的地址有重疊，所以在訪問三個不同的邏輯空間不同的邏輯空間時，應采用不同形式的指令不同形式的指令（見指令系統(tǒng)），以產(chǎn)生不同的存不同的存儲空間的選通信號儲空間的選通信號。下面分別敘述程序存儲器和數(shù)據(jù)存

16、儲器的配置特點。一、程序存儲器程序存儲器用來存儲編寫好的程序和常數(shù)。由于PC是16位的，因此51系列可以尋址64KB的程序存儲器。8051單片機內(nèi)部有4KB的ROM，亦可外接最大64K的外部ROM，由EA引腳的電平來確定運行時選擇從哪個ROM從讀取程序。8031無內(nèi)部ROM，只能外接ROM現(xiàn)在的絕大多數(shù)單片機均包含內(nèi)部Flash ROM。a） 同時使用片內(nèi)和片外ROM b）ROM地址分布 當EA引腳接高電平引腳接高電平（開關接A點）時，4 KB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），兩者共同構成64KB空間；當EA引腳接低電平引腳接低電平（開關接B點）時，片內(nèi)ROM

17、被禁用，全部64KB地址都在片外ROM中（圖中直線）。ROM的6個特殊存儲器單元引導匯編程序跳轉 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 跳轉指令 跳轉指令 跳轉指令 跳轉指令 跳轉指令0000H0001H0002H0003H0004H0030H主程序首指令二二 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器(RAM)作用：存放程序運行結果字長：8位數(shù)量：256B（80C51）30H低128B（ 00H7FH

18、 ）為普通RAM區(qū)高128B （80HFFH）為特殊功能寄存器區(qū) 工作寄存器區(qū)（00H-1FH）可位尋址區(qū)（20H-2FH） 用戶RAM區(qū)（30H-7FH）30H（1）內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器（）內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器（低低128字節(jié)字節(jié)RAM區(qū)區(qū) ）區(qū)共有32個字節(jié)單元（分4組每組8單元，工作寄存器工作寄存器R0R7）任一時刻CPU只能選用一組工作寄存器為當前工作寄存器組當前工作寄存器組通過PSW的RS1和RS0標志位（工作寄存器組指針）進行設置 30HCPU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。 區(qū)共有16個字節(jié)單元（字節(jié)地址字節(jié)地址20H2FH），又可分為128個位單元（位地址

19、位地址00H 7FH）可以兩種方式存取數(shù)據(jù)。30H區(qū)共有80個字節(jié)單元（ 30H7FH），是用戶RAM區(qū)。30H此區(qū)可作為堆棧區(qū)和中間數(shù)據(jù)存儲區(qū)使用。 【注意注意】：51單片機片內(nèi)RAM中，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。（2）專用寄存器（）專用寄存器（高高128字節(jié)字節(jié)RAM區(qū)區(qū) ）在80HFFH的高128字節(jié)RAM區(qū)中，離散地分布有21個特殊功能寄存器SFR（Spetial Function Register)，又稱為特殊功能寄存器區(qū)。 30HSFR是單片機內(nèi)部資源的組織、管理單元字節(jié)地址末位是0或8的SFR，都具有位地址。88H89H8AH8BH8CH

20、8DH8EH8FH三三 外部數(shù)據(jù)存儲器外部數(shù)據(jù)存儲器外部數(shù)據(jù)存儲器尋址空間為外部數(shù)據(jù)存儲器尋址空間為64K只能間接尋址只能間接尋址R0，R1和和DPTR為間接尋址寄存器。為間接尋址寄存器。CPU微操作必須在統(tǒng)一的時鐘控制下才能正確進行。 一一.時鐘電路時鐘電路 內(nèi)部時鐘方式內(nèi)部時鐘方式微調(diào)電容: C1、C2 30pF 晶振：石英晶體封裝 80C51時鐘振蕩頻率通常為612MHz ALE時鐘S1S4S6S5S3S2讀操作碼讀操作碼(無效)(a) 1字節(jié)1周期指令讀下一指令S1S4S6S5S3S2讀操作碼讀第二字節(jié)(b) 2字節(jié)1周期指令讀下一指令S1S4S6S5S3S2讀操作碼讀操作碼(無效)(

21、c) 1字節(jié)2周期指令讀下一指令S1S4S6S5S3S2外部時鐘方式外部時鐘方式第四節(jié)第四節(jié) 時鐘電路及時序時鐘電路及時序 時序是各種微操作動作在時間上的順序關系在時間上的順序關系二二. CPU時序時序 （1）時序的概念）時序的概念時序關系時序關系：在時鐘信號CL觸發(fā)下，輸出端Q電平具有跟隨輸入端D電平的功能，在沒有CL觸發(fā)時，D與Q端是信號隔離的數(shù)字鎖存功能。t t1t t2t t3t tQ QD DCLCL0 0時鐘端CL輸入端D輸出端Q以D觸發(fā)器為例D觸發(fā)器邏輯符號時序的定時單位共有4個參數(shù)：拍（或振蕩周期）P、狀態(tài)周期（或時鐘周期）S、機器周期、指令周期 一個狀態(tài)（S）包含2個拍（P）

22、; 一個機器周期由6個S或12個P組成； 一個指令周期約為14個機器周期。（2）51單片機的取指單片機的取指/執(zhí)行時序執(zhí)行時序 oCPU的指令都是按照時序要求設計的o每條指令的執(zhí)行都是從S1P2開始的o每個機器周期最多可執(zhí)行2個字節(jié)指令（3）51單片機訪問外部單片機訪問外部RAM時序時序 訪問外部RAM的操作包括讀操作和寫操作，主要區(qū)別是利用不同的P3第二功能口。寫操作時要用到WR輸出命令，讀操作時要用到RD輸入命令。第五節(jié)第五節(jié) 輸入輸出端口（輸入輸出端口（I/O口）口） MCS-51單片機有4個個8位的并行位的并行I/O端口端口，記作P0P3。每個端口都包含一個同名的特殊功能寄存器，P0P

23、3 。對并行IO口的控制是通過對同名特殊功能寄存器的控制實現(xiàn)的。地址、數(shù)據(jù)和控制：三總線結構地址、數(shù)據(jù)和控制：三總線結構1. P0口口 P0.n = 1個鎖存器 + 2個三態(tài)緩沖器 + 1個輸出控制電路（非門 X+與門A+電子開關MUX）+1個輸出驅動電路（場效應管V2 +V1）P0口可作為通用通用I/O口口實現(xiàn)輸入/輸出功能，也可作為單片機地址地址/數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線實現(xiàn)外設擴展功能。 漏極開路與上拉電阻的概念 封鎖封鎖與門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

24、意：P1、P2、P3口無需外接上拉電阻（已有內(nèi)部上拉電阻） 3412第二輸入功能VP0口的通用通用IO口工作方式口工作方式（控制端控制端 = 0）輸出時輸出時： D端=1/Q=0V1截止P0.n=1 D端=0/Q/=1V1導通P0.n=0讀引腳時讀引腳時：P0.n讀引腳三態(tài)門1內(nèi)部總線（需要先寫“1”）讀鎖存器讀鎖存器： Q端讀鎖存器三態(tài)門2內(nèi)部總線P0口的地址地址/數(shù)據(jù)分時復用方式數(shù)據(jù)分時復用方式（控制端控制端=1）“地址/數(shù)據(jù)” 端無條件輸入/輸出，是嚴格意義上的雙向口雙向口“地址/數(shù)據(jù)”方式下沒有漏極開路問題，無需外接上拉電無需外接上拉電阻阻 2. P1口口 P1.n = 1個鎖存器 +

25、 1個場效應管驅動器V + 2個三態(tài)門緩沖器V21P1口包含P1.0P1.7共八個相同結構的電路P1.0P1.7中的8個鎖存器組合成1個SFRP1（90H）P1口具有輸出輸出、讀引腳讀引腳、讀鎖存器讀鎖存器三種通用IO口工作方式輸出時輸出時： D端=1/Q=0V截止P1.n=1 D端=0/Q=1V導通P1.n=0V21讀引腳時讀引腳時：P1.n讀引腳三態(tài)門1內(nèi)部總線讀鎖存器時讀鎖存器時：Q端讀鎖存器三態(tài)門2內(nèi)部總線場效應管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口為準雙向口準雙向口

26、。V為正確讀出P1.n引腳電平，需設法在讀引腳前先使在讀引腳前先使V截止截止 令令D=1/Q=0V截止讀P1.n不會出錯3. P2口口 P2.n = 1個鎖存器 + 2個三態(tài)緩沖器 + 1個輸出控制單元 + 1個輸出驅動單元VP2口可以實現(xiàn)通用I/O口和地址輸出口兩種功能輸出時輸出時： D端=1Q端=1V截止P2.n=1 D端=0Q端=0V導通P2.n=0讀引腳時讀引腳時：P2.n讀引腳三態(tài)門內(nèi)部總線（需要先寫“1”）讀鎖存器讀鎖存器： Q端讀鎖存器三態(tài)門內(nèi)部總線P2作為通用通用I/O口口時（控制端控制端=0）V輸出時輸出時：地址端=1V截止P2.n=1 地址端=0V導通P2.n=0P2作為地

27、址輸出口地址輸出口時（控制端控制端=1）V4. P3口口 P3.n = 1個鎖存器 + 2個三態(tài)緩沖器 + 1個第二功能控制單元 + 1個輸出驅動單元3412第二輸入功能VP3口具有通用通用IO口工作方式口工作方式 + 第二功能方式第二功能方式輸出時輸出時： D端=1Q=1V截止P1.n=1 D端=0Q=0V導通P1.n=0讀引腳時讀引腳時：P1.n讀引腳三態(tài)門1內(nèi)部總線（需先寫1）讀鎖存器時讀鎖存器時： Q端讀鎖存器三態(tài)門2內(nèi)部總線3412第二輸入功能V第二輸出第二輸出功能功能 = “1”(與非門開鎖)P3口的第二功能方式： 輸出時輸出時：第二輸出功能 = 1與非門輸出0V截止P3.n=1

28、第二輸出功能 = 0與非門輸出1V導通P3.n=0輸入時輸入時：P3.n驅動門4第二輸入功能（也需先使V截至）D端端 寫寫 “1”(與非門開鎖)3412第二輸入功能V P3口第二功能定義 引腳名稱第二功能定義P3.0RXD串行通信數(shù)據(jù)接收端輸入P3.1TXD串行通信數(shù)據(jù)發(fā)送端輸出輸出P3.2外部中斷0請求端口輸入P3.3外部中斷1請求端口輸入P3.4T0定時器/計數(shù)器0外部計數(shù)輸入端口輸入P3.5T1定時器/計數(shù)器1外部計數(shù)輸入端口輸入P3.6片外數(shù)據(jù)存儲器寫選通輸出輸出P3.7片外數(shù)據(jù)存儲器讀選通輸入INT0WRINT1RDP0 P3并行口的基本用途 1、可作為并行、可作為并行IO輸入通道輸入通道（例如，按鍵/開關連接通道）2、可作為并行、可作為并行IO輸出通道輸出通道（例如，數(shù)碼管顯示器連接通道）3、可作為串行通信通道、可作為串行通信通道（例如，雙機通訊的連接通道）4、可作為外部設備的連接通道、可作為外部設備的連接通道（例如，存儲器擴展通道）P0P3小結1. 結構2. 功能第六節(jié)第六節(jié) 復位電路復位電路 除P0P3、SP、SBUF外，其余寄存器的復位初值均為0復位：使單片機恢復原原始默認狀態(tài)始默認狀態(tài)的操作。復位條件：在RST/VPD引腳端出現(xiàn)兩個機器周兩個機器周期以上的高電平（期以上的高電平（3V）狀態(tài)狀態(tài)。 復位方式復位方