基本結(jié)構(gòu)與工作原理

1、Designed By CYQPrinciple and Application of MCU第2章 單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理v單片機(jī)的基本組成v80C51單片機(jī)的引腳功能和結(jié)構(gòu)框圖v80C51單片機(jī)CPU的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)v80C51單片機(jī)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)和地址空間v80C51單片機(jī)的布爾(位)處理器v80C51單片機(jī)的工作方式Designed By CYQPrinciple and Application of MCU單片機(jī)的基本組成結(jié)構(gòu)v中央處理器CPUv存儲(chǔ)器v并行I/O口v串行I/O口v定時(shí)器/計(jì)數(shù)器v定時(shí)電路及元件Designed By CYQPrinciple and Applicati

2、on of MCU中央處理器v單片機(jī)中的中央處理器和通用微處理器基本相同，只是增設(shè)了“面向控制”的處理功能。例如：位處理(SETB,CLR)、查表(MOVC)、多種跳轉(zhuǎn)(JMP,LJMP,SJMP,AJMP)、乘除法運(yùn)算(MUL,DIV)、狀態(tài)檢測(cè)(JBC)、中斷處理(RETI)等，增強(qiáng)了實(shí)時(shí)性Designed By CYQPrinciple and Application of MCU存儲(chǔ)器基本結(jié)構(gòu)v普林斯頓(Princeton)結(jié)構(gòu)將程序和數(shù)據(jù)合用一個(gè)存儲(chǔ)器空間的結(jié)構(gòu)并采用統(tǒng)一尋址方式，這種結(jié)構(gòu)在通用微型計(jì)算機(jī)中被廣泛采用v哈佛(Harvard)結(jié)構(gòu)將程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器截然分開并采用獨(dú)

3、立尋址的結(jié)構(gòu)，MCS-51和80C51系列采用這種結(jié)構(gòu)Designed By CYQPrinciple and Application of MCU存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)形式v程序存儲(chǔ)器ROM片內(nèi)掩膜ROM片內(nèi)可編程的ROM：OTP,EPROM,E2PROM片外只讀存儲(chǔ)器v數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器Designed By CYQPrinciple and Application of MCU80C51單片機(jī)的封裝圖Designed By CYQPrinciple and Application of MCU80C51的引腳功能v電源VCC:運(yùn)行和程序校驗(yàn)時(shí)加+5V VSS :接地 v晶振

4、XTAL1:振蕩器反相放大器輸入XTAL2:振蕩器反相放大器的輸出當(dāng)用外部振蕩器時(shí)， XTAL1接收振蕩器信號(hào)， XTAL2懸空Designed By CYQPrinciple and Application of MCU80C51的引腳功能vI/O口（基本功能）P0：8位、漏極開路的雙向I/O口P1：8位、準(zhǔn)雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電阻P2：8位、準(zhǔn)雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電阻P3：8位、準(zhǔn)雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電阻vI/O口（第二功能）Designed By CYQPrinciple and Application of MCU80C51的引腳功能端口引腳符號(hào)和作用端口引腳符號(hào)和作

5、用P3.0串行輸入口 RXDP3.4定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0 T0P3.1串行輸出口 TXDP3.5定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1 T1P3.2外部中斷0 /INT0P3.6寫選通信號(hào) /WRP3.3外部中斷1 /INT1P3.7讀選通信號(hào) /RDP1.0定時(shí)器T2的計(jì)數(shù)輸入端（80C52系列）P1.1定時(shí)器T2的外部輸入端（80C52系列） Designed By CYQPrinciple and Application of MCU80C51的引腳功能v控制線RST：復(fù)位輸入信號(hào)，需維持兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平/EA：片外程序存儲(chǔ)器訪問允許信號(hào)ALE：地址鎖存允許信號(hào)，輸出頻率為1/6振蕩頻率的方波/PSEN：

6、片外程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)，當(dāng)/PSEN有效時(shí)，程序存儲(chǔ)器的內(nèi)容被鎖存到P0口Designed By CYQPrinciple and Application of MCU80C51的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖和組成 v算術(shù)邏輯單元ALUv累加器ACC（或A）v程序計(jì)數(shù)器PCv數(shù)據(jù)指針DPTRv程序狀態(tài)標(biāo)志寄存器PSWv堆棧指針寄存器SPDesigned By CYQPrinciple and Application of MCU80C51 CPU的組成和作用v控制器用于指令識(shí)別和計(jì)算機(jī)組成部件工作控制v運(yùn)算器主要用來實(shí)現(xiàn)對(duì)操作數(shù)的算術(shù)邏輯運(yùn)算和位操作v工作寄存器v時(shí)序電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需要的時(shí)鐘信號(hào)De

7、signed By CYQPrinciple and Application of MCU程序計(jì)數(shù)器PCv作用存放下一條將從程序存儲(chǔ)器中取出的指令的地址v尋址空間程序計(jì)數(shù)器的寬度決定了程序存儲(chǔ)器可以直接尋址的范圍。在80C51中，程序計(jì)數(shù)器PC是一個(gè)16位的計(jì)數(shù)器，故最大尋址空間為64KB(216)Designed By CYQPrinciple and Application of MCU程序計(jì)數(shù)器PC的基本工作方式v一般情況下，程序計(jì)數(shù)器PC自動(dòng)加1v當(dāng)執(zhí)行有條件或無條件轉(zhuǎn)移指令時(shí)，程序計(jì)數(shù)器將根據(jù)跳轉(zhuǎn)指令置入新的數(shù)值v當(dāng)執(zhí)行調(diào)用指令或響應(yīng)中斷時(shí)，PC的現(xiàn)行值先壓棧保護(hù)，再將子程序的入口地

8、址或者中斷矢量地址送入PC，執(zhí)行子程序或中斷服務(wù)程序，當(dāng)遇到返回指令RET或RETI時(shí)，將棧頂?shù)膬?nèi)容送到PC寄存器中，程序流程又返回到原來的地方，繼續(xù)執(zhí)行Designed By CYQPrinciple and Application of MCUPC的輸出與P0、P2口之間的關(guān)系 Designed By CYQPrinciple and Application of MCU數(shù)據(jù)指針DPTRv從結(jié)構(gòu)上說，DPTR是一個(gè)16位的特殊功能寄存器，主要功能是作為片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器尋址用的地址寄存器（間接尋址方式）vDPTR寄存器也可以作為訪問程序存儲(chǔ)器時(shí)的基址寄存器（基址+變址尋址方式）vDPTR既可以

9、作為一個(gè)16位寄存器處理，也可以作為兩個(gè)8位寄存器處理，其高8位用DPH表示，低8位用DPL表示Designed By CYQPrinciple and Application of MCU算術(shù)邏輯運(yùn)算單元ALU v從結(jié)構(gòu)上，該單元實(shí)質(zhì)上是一個(gè)全加器，其輸入有兩個(gè)：通過暫存器1的輸入：寄存器、立即數(shù)、直接尋址單元（含I/O口）、內(nèi)部RAM及寄存器B。通過暫存器2或累加器ACC的輸入Designed By CYQPrinciple and Application of MCU累加器ACC或Av累加器是CPU中使用最頻繁的一個(gè)寄存器ALU單元的輸入之一，是處理數(shù)據(jù)源之一ALU運(yùn)算結(jié)果的存放單元，即

10、ALU運(yùn)算結(jié)果又通過內(nèi)部總線送入累加器A中存放CPU中的數(shù)據(jù)傳送大多都通過累加器，故又相當(dāng)于一個(gè)數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站Designed By CYQPrinciple and Application of MCUB寄存器v在乘法和除法指令中作為ALU的輸入之一乘法中：ALU的兩個(gè)輸入分別為AB，運(yùn)算結(jié)果存放在AB寄存器對(duì)中，其中A中存放積的低8位，B中存放積的高8位除法中：被除數(shù)取自A，除數(shù)取自B，商數(shù)存放于A，余數(shù)存放于B在其它情況下，B寄存器可以作為內(nèi)部RAM中的一個(gè)單元來使用Designed By CYQPrinciple and Application of MCU程序狀態(tài)字PSWv作用是一個(gè)逐

11、位定義的8位的寄存器，其內(nèi)容的主要部分是算術(shù)邏輯運(yùn)算單元(ALU)的輸出。它是一個(gè)程序可訪問的寄存器，而且可以按位訪問v格式MSBLSBCYACF0RS1RS0OV-PDesigned By CYQPrinciple and Application of MCU程序狀態(tài)字PSW位含義位名稱符號(hào)含義PSW.0PP=1表示累加器A中值包含1的位數(shù)是奇數(shù)PSW.1-保留位PSW.2OVOV=1表示運(yùn)算結(jié)果超出8位有符號(hào)數(shù)的范圍PSW.3RS0工作寄存器選擇控制位（低位）PSW.4RS1工作寄存器選擇控制位（高位）PSW.5F0用戶可使用的通用標(biāo)志位PSW.6ACAC=1表示字節(jié)運(yùn)算中低字節(jié)產(chǎn)生進(jìn)位或

12、借位PSW.7CYCY=1表示運(yùn)算結(jié)果中高位產(chǎn)生進(jìn)位或借位Designed By CYQPrinciple and Application of MCU時(shí)鐘電路v80C51單片機(jī)內(nèi)帶有時(shí)鐘電路，只需要在片外通過XTAL1和XTAL2引腳接入定時(shí)控制元件（晶體振蕩器和微調(diào)電容），即可構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器Designed By CYQPrinciple and Application of MCU振蕩器及定時(shí)控制元件參數(shù)v振蕩器的工作頻率一般在1.212MHz之間，目前所能采用的頻率范圍0Hz40MHzv電容C1和C2的大小影響振蕩器振蕩的穩(wěn)定性和起振的快速性，通常選擇在1030pF左右v在設(shè)

13、計(jì)電路板時(shí)，晶振、電容等均應(yīng)盡可能靠近芯片，以減小分布電容，保證振蕩器振蕩的穩(wěn)定性v當(dāng)由外部輸入時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，對(duì)外部信號(hào)的占空比沒有要求，但高低電平持續(xù)時(shí)間應(yīng)不小于20nsDesigned By CYQPrinciple and Application of MCU內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器v內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)2分頻的觸發(fā)器。其輸入由振蕩器引入的，輸出為兩個(gè)節(jié)拍的時(shí)鐘信號(hào)。輸出的前半周期，節(jié)拍1(P1)信號(hào)有效；后半周期，節(jié)拍2(P2)信號(hào)有效。每個(gè)輸出周期為一個(gè)計(jì)算機(jī)CPU的狀態(tài)周期，即時(shí)鐘發(fā)生器的輸出為狀態(tài)時(shí)鐘。每個(gè)狀態(tài)周期內(nèi)包括一個(gè)P1節(jié)拍和一個(gè)P2節(jié)拍，形成CPU內(nèi)的基本定時(shí)時(shí)鐘Design

14、ed By CYQPrinciple and Application of MCU時(shí)序定時(shí)單位v節(jié)拍最小的時(shí)序定時(shí)單位節(jié)拍周期=振蕩周期=1/foscv狀態(tài)包含兩個(gè)節(jié)拍狀態(tài)周期=2* 1/foscv機(jī)器周期包含六個(gè)狀態(tài)機(jī)器周期=12* 1/foscv指令周期執(zhí)行一條指令所需要的時(shí)間可包含1,2,4個(gè)機(jī)器周期Designed By CYQPrinciple and Application of MCU80C51時(shí)序定時(shí)單位關(guān)系圖Designed By CYQPrinciple and Application of MCU存儲(chǔ)器地址空間v物理存儲(chǔ)器地址空間（4個(gè)）片內(nèi)程序存儲(chǔ)器和片外程序存儲(chǔ)器片內(nèi)

15、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器v邏輯存儲(chǔ)器地址空間（3個(gè)）片內(nèi)、片外統(tǒng)一的64 KB程序存儲(chǔ)器地址空間片內(nèi)256(或384)Byte數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間片外64 KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間Designed By CYQPrinciple and Application of MCU80C51存儲(chǔ)器映象圖Designed By CYQPrinciple and Application of MCU程序存儲(chǔ)器v80C51單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器用于存放經(jīng)調(diào)試正確的應(yīng)用程序和表格之類的固定常數(shù)v采用16位的程序計(jì)數(shù)器PC和16位的地址總線(P0和P2端口)，其可擴(kuò)展的地址空間為64 KB，且這64 KB地址是空間

16、連續(xù)、統(tǒng)一的v程序存儲(chǔ)器可以分為片內(nèi)和片外兩部分，CPU訪問片內(nèi)或片外存儲(chǔ)器由/EA引腳所接的電平來確定Designed By CYQPrinciple and Application of MCU程序存儲(chǔ)器的訪問v/EA引腳接高電平時(shí)，CPU先訪問片內(nèi)存儲(chǔ)器；當(dāng)PC值超出片內(nèi)ROM容量時(shí)，會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)向片外程序存儲(chǔ)器空間執(zhí)行v/EA引腳接低電平時(shí)，迫使系統(tǒng)全部執(zhí)行片外程序存儲(chǔ)器程序v80C51系列單片機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，應(yīng)將引腳接高電平；80C31/32單片機(jī)應(yīng)將/EA引腳固定接低電平Designed By CYQPrinciple and Application of MCU程序存儲(chǔ)器的特定入口地址

17、特定入口地址作用0000H復(fù)位或非屏蔽中斷0003H外部中斷0000BH定時(shí)器T0溢出中斷0013H外部中斷1001BH定時(shí)器T1溢出中斷0023H串行口中斷002BH定時(shí)器T2/T2EX下降沿Designed By CYQPrinciple and Application of MCU數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器v數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用來存放隨機(jī)數(shù)據(jù)v數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器v片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器通常采用直接尋址或利用Ri(i=0,1)寄存器的間接尋址，其最大尋址范圍為256個(gè)字節(jié)v片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可利用Ri(i=0,1)寄存器的間接尋址方式，其最大尋址范圍為256個(gè)字節(jié)；也可以通過專門設(shè)置的16位數(shù)據(jù)指針寄

18、存器DPTR進(jìn)行間接尋址，其最大尋址范圍為64 KBDesigned By CYQPrinciple and Application of MCU片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器v片內(nèi)數(shù)據(jù)RAM區(qū)(00H7FH/0FFH)工作寄存器區(qū)(00H1FH)位尋址區(qū)(20H2FH)字節(jié)尋址區(qū)(30H7FH)堆棧區(qū)及堆棧指示器( (SP)=07H(默認(rèn)) )v特殊功能寄存器SFR區(qū)(800FFH)Designed By CYQPrinciple and Application of MCU片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間分布圖Designed By CYQPrinciple and Application of MCU工作寄存器區(qū)

19、v有4個(gè)通用工作寄存器組，每組包含8個(gè)8位寄存器，編號(hào)為R0R7，共32個(gè)單元，字節(jié)地址00H1FHv在某一時(shí)刻只能選用一個(gè)工作寄存器組使用?？赏ㄟ^軟件對(duì)程序狀態(tài)字PSW中的RS0、RS1位進(jìn)行設(shè)置RS1RS0組號(hào)單元地址000組（0體）00H07H011組（1體）08H0FH102組（2體）10H17H113組（3體）18H1FHDesigned By CYQPrinciple and Application of MCU位尋址區(qū)v有16個(gè)字節(jié)單元，共包含128位，既可進(jìn)行字節(jié)尋址又可實(shí)現(xiàn)位尋址v字節(jié)地址20H2FH ，位地址00H7FH字節(jié)地址位地址765432102FH7FH7EH7DH

20、7CH7BH7AH79H78H20H07H06H05H04H03H02H01H00HDesigned By CYQPrinciple and Application of MCU字節(jié)尋址區(qū)v對(duì)于80C51型單片機(jī)，字節(jié)尋址區(qū)共80個(gè)字節(jié)單元，字節(jié)地址30H7FH，可以采用直接字節(jié)尋址的方法訪問v對(duì)于80C52型單片機(jī)，高128 B的RAM區(qū)和SFR區(qū)的地址空間是重疊的，字節(jié)地址80H0FFH 。訪問高128B RAM區(qū)時(shí)，應(yīng)選用間接尋址方式；訪問SFR區(qū)，則應(yīng)選用直接尋址方式Designed By CYQPrinciple and Application of MCU堆棧區(qū)及堆棧指示器SPv堆

21、棧是在片內(nèi)數(shù)據(jù)RAM區(qū)中，數(shù)據(jù)先進(jìn)后出或后進(jìn)先出的區(qū)域， 80C51中利用一個(gè)8位寄存器即堆棧指示器SP存放當(dāng)前的堆棧棧頂所指存儲(chǔ)單元地址v堆棧有兩種操作：進(jìn)棧(PUSH)和出棧(POP)v80C51單片機(jī)的堆棧是向上生成的：進(jìn)棧操作時(shí)，(SP) +1SP；出棧操作時(shí)，(SP) -1SPv系統(tǒng)復(fù)位后，(SP)=07H，可通過軟件對(duì)SP的內(nèi)容重新定義，堆棧深度以不超過片內(nèi)RAM空間為限D(zhuǎn)esigned By CYQPrinciple and Application of MCU特殊功能寄存器SFR區(qū)v特殊功能寄存器是80C51單片機(jī)中各功能部件所對(duì)應(yīng)的寄存器，用以存放相應(yīng)功能部件的控制命令、狀態(tài)

22、或數(shù)據(jù)的區(qū)域v80C51系列單片機(jī)設(shè)有128Byte片內(nèi)數(shù)據(jù)RAM結(jié)構(gòu)的特殊功能寄存器空間，字節(jié)地址80H0FFHv80C51中共定義了21個(gè)特殊功能寄存器，80C52中中共定義了26個(gè)特殊功能寄存器，除此而外，其它地址訪問無效Designed By CYQPrinciple and Application of MCU特殊功能寄存器名稱和地址序號(hào) 標(biāo)識(shí)符名稱字節(jié)地址位地址1ACC累加器0E0H0E0H0E7H2BB寄存器0F0H0F0H 0F7H3PSW程序狀態(tài)字0D0H0D0H 0D7H4SP堆棧指針81H5DPH數(shù)據(jù)指針（高位）83H6DPL數(shù)據(jù)指針（低位）82H7P0P0口80H80H

23、 87HDesigned By CYQPrinciple and Application of MCU特殊功能寄存器名稱和地址序號(hào) 標(biāo)識(shí)符名稱字節(jié)地址位地址8P1P1口90H90H 97H9P2P2口0A0H0A0H 0A7H10P3P3口0B0H0B0H0B7H11IP中斷優(yōu)先級(jí)控制0B8H0B8H0BFH12IE中斷允許控制0A8H0A8H0AFH13TMOD定時(shí)/計(jì)數(shù)器方式控制89H14TCON定時(shí)/計(jì)數(shù)器控制88H88H8FHDesigned By CYQPrinciple and Application of MCU特殊功能寄存器名稱和地址序號(hào) 標(biāo)識(shí)符名稱字節(jié)地址位地址15T2CON

24、定時(shí)/計(jì)數(shù)器2控制0C8H0C8H0CFH16TH0定時(shí)/計(jì)數(shù)器0(高位)8CH17TL0定時(shí)/計(jì)數(shù)器0(低位)8AH18TH1定時(shí)/計(jì)數(shù)器1(高位)8DH19TL1定時(shí)/計(jì)數(shù)器1(低位)8BH20TH2定時(shí)/計(jì)數(shù)器2(高位)0CDH21TL2定時(shí)/計(jì)數(shù)器2(低位)0CCHDesigned By CYQPrinciple and Application of MCU特殊功能寄存器名稱和地址序號(hào)標(biāo)識(shí)符名稱字節(jié)地址位地址22RCAP2H定時(shí)/計(jì)數(shù)器2自動(dòng)再裝載(高位)0CBH23RCAP2L定時(shí)/計(jì)數(shù)器2自動(dòng)再裝載(低位)0CAH24SCON98H98H9FH25SBUF99H26PCON97HD

25、esigned By CYQPrinciple and Application of MCU布爾(位)處理器v在位處理中的累加器CYv位尋址的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)RAMv位尋址的寄存器v位尋址的并行I/O口v位操作指令系統(tǒng)Designed By CYQPrinciple and Application of MCU復(fù)位操作寄存器復(fù)位內(nèi)容寄存器復(fù)位內(nèi)容寄存器復(fù)位內(nèi)容PC0000HP0P30FFHTL100HACC00HTMOD00HTH100HB00HTCON00HSCON00HPSW00HIE0XX00000BSBUF不定SP07HTL000HPCON0XXX0000BDPTR0000HTH000HIPXXX00000BDesigned By CYQPrinciple and Application of MCU復(fù)位信號(hào)v片內(nèi)復(fù)位電路在每個(gè)機(jī)器周期的S