二的結(jié)構(gòu)和原理

會計學1二的結(jié)構(gòu)和原理

本章將以MCS-51系列的8051為典型例子，詳細介紹單片機的結(jié)構(gòu)、性能、存儲器結(jié)構(gòu)及工作原理等內(nèi)容。通過對這些內(nèi)容的掌握，可以起到舉一反三、觸類旁通的作用?！?.1MCS-51單片機的結(jié)構(gòu)以8051為例給出的單片機功能方塊圖如下：第1頁/共58頁MCS-51單片機組成框圖時鐘OSCCPU并行接口定時/計數(shù)器ROMRAMP0中斷系統(tǒng)T0T1P1P2P3串行接口TXDRXDINT0INT1第2頁/共58頁8051的內(nèi)部結(jié)構(gòu)展開圖128×8RAMRAM地址寄存器P3口P1口P2口P0口鎖存器鎖存器鎖存器鎖存器中斷控制定時/計數(shù)器串行I/O口SP寄存器B累加器A暫存器1暫存器2程序狀態(tài)字PSW指令寄存器IR指令譯碼器ID數(shù)據(jù)指針DPTR緩沖器程序計數(shù)器PC增1程序地址寄存器AR定時與控制4K×8ROMALUCPU第3頁/共58頁2.1.1CPU運算器CPU算術(shù)/邏輯部件ALU(ArithmeticLogicUnit)累加器ACC

(Accumulator)程序狀態(tài)字寄存器PSW(ProgramStatusWord)暫存寄存器寄存器B控制器定時控制與條件轉(zhuǎn)移邏輯電路程序計數(shù)器PC指令寄存器IR指令譯碼器ID第4頁/共58頁1.8051的時鐘

時鐘可以由兩種方式產(chǎn)生：內(nèi)部方式和外部方式。XTAL1內(nèi)部方式XTAL2XTAL2外部方式XTAL1VSS外部時鐘第5頁/共58頁（1）內(nèi)部方式：在XTAL1和XTAL2端外接石英晶體作定時元件；時鐘發(fā)生器對振蕩脈沖二分頻，即若石英頻率fosc=6MHz,則時鐘頻率=3MHz；

fosc可在1.2MHz～12MHz選擇；小電容可以取30pF左右。（2）外部方式：通過XTAL2接入外部時鐘。第6頁/共58頁2.8051的基本時序周期

計算機工作要有嚴格的時序。事實上，計算機更象一個大鐘，什么時候分針動，什么時候秒針動，什么時候時針動，都有嚴格的規(guī)定，一點也不能亂。基本時序單位：3.機器周期：一個機器周期包括6個時鐘周期。4.指令周期：執(zhí)行一條指令的時間。1.振蕩周期：晶體振蕩器的周期。2.狀態(tài)周期：振蕩周期2分頻，也稱時鐘周期。第7頁/共58頁INTEL對每一條指令都給出了它的指令周期數(shù)，MCS-51單片機的所有指令中，有一些完成得比較快，只要一個機器周期就行了，有一些完成得比較慢，得要2個機器周期，還有兩條指令要4個機器周期才行。

若fosc=6MHz，則8051的：振蕩周期＝1/6us；時鐘周期＝1/3us；機器周期＝2us；指令周期＝2～8us。第8頁/共58頁2.1.28051的片內(nèi)存儲器

8051單片機與一般微機的存儲器配置方式很不相同。一般微機通常只有一個邏輯空間，可以隨意安排ROM或RAM。訪問存儲器時，同一地址對應唯一的存儲單元，可以是ROM也可以是RAM，并用同類訪問指令，這種結(jié)構(gòu)稱為普林斯頓結(jié)構(gòu)（馮·諾依曼結(jié)構(gòu)）。第9頁/共58頁而MCS-51則不同：

8051在物理結(jié)構(gòu)上設(shè)計成程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器獨立分開的哈佛結(jié)構(gòu)：

片內(nèi)程序存儲器4KB（ROM0000H~0FFFH)

片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器128B（RAM00H~7FH）第10頁/共58頁2.1.38051的I/O端口8051有四個8位并行雙向I/O口P0、P1、P2、P3，

一個串行口2.1.48051的特殊功能寄存器SFR

8051內(nèi)部有21個特殊功能寄存器，分別叫SP、IE、IP、PCON......（與內(nèi)部RAM統(tǒng)一編址80H~FFH）第11頁/共58頁★§2.2MCS-51單片機的存儲器組織8051在物理結(jié)構(gòu)上有四個存儲空間：

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。new第12頁/共58頁64KBROMEA=0EA=10000H0FFFH1000HFFFFH4KBROMFFH80H7FH00HSFRRAM64KBRAM(I/O)0000HFFFFH片內(nèi)片外片外程序存儲器數(shù)據(jù)存儲器第13頁/共58頁8051在邏輯上，即從用戶角度上8051有三個存儲空間：片內(nèi)外統(tǒng)一編址的程序存儲器

片內(nèi)外不統(tǒng)一編址的數(shù)據(jù)存儲器特殊功能寄存器（片內(nèi)）第14頁/共58頁一、程序存儲器及地址空間作用--程序存儲器用于存放編好的程序和表格常數(shù)。①8051片內(nèi)有4K字節(jié)ROM，片外用16位地址線最多可擴展64K字節(jié)ROM，兩者是統(tǒng)一編址的?！锶绻鸈A端保持高電平，8051執(zhí)行片內(nèi)前4KB

ROM地址(0000H～0FFFH)中的程序。當尋址范圍超過4KB（1000H～FFFFH）時，則從片外存儲器取指令。★當EA端保持低電平時，8051的所有取指令操作均在片外程序存儲器中進行，這時片外存儲器可以從

0000H開始編址。第15頁/共58頁②在程序存儲器中，有6個單元具有特殊功能0003H：外部中斷0入口。000BH：定時器0溢出中斷入口。0013H：外部中斷1入口。001BH：定時器1溢出中斷入口。0023H：串行口中斷入口。

使用時，通常在這些入口地址處存放一條絕對跳轉(zhuǎn)指令，使程序跳轉(zhuǎn)到用戶安排的中斷程序起始地址，或者從0000H起始地址跳轉(zhuǎn)到用戶設(shè)計的初始程序上。0000H:8051復位后，PC＝0000H，即程序從0000H

開始執(zhí)行指令。第16頁/共58頁二、數(shù)據(jù)存儲器及地址空間數(shù)據(jù)存儲器片外RAM64KB，地址范圍0000H~FFFFH片內(nèi)RAM128B，地址范圍00H~7FH第17頁/共58頁片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器空間分布圖通用RAM區(qū)

(80B)位地址區(qū)

(16B)寄存器區(qū)4組(32B)7FH寄存器3組寄存器2組寄存器1組寄存器0組寄存器區(qū)4組(32B).........①由PSW中的2位RS1、RS0來決定選哪一組為當前工作寄存器：

RS1、RS0=00

選0組

RS1、RS0=01

選1組

RS1、RS0=10

選2組

RS1、RS0=11

選3組②在位地址區(qū)，每一個BIT都有一個

地址，共16×8=128位00H30H2FH20H1FH...第18頁/共58頁片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器空間分布圖通用RAM區(qū)

(80B)位地址區(qū)

(16B)7FH寄存器3組寄存器2組寄存器1組寄存器0組寄存器0組寄存器區(qū)4組(32B).........RS1、RS0=00R7R6R5R4R3R2R1R000H01H02H03H04H05H06H07H00H30H2FH20H1FH...第19頁/共58頁片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器空間分布圖通用RAM區(qū)

(80B)位地址區(qū)

(16B)7FH寄存器3組寄存器2組寄存器1組寄存器0組寄存器1組R7R6R5R4R3R2R1R008H09H0AH0BH0CH0DH0EH0FH寄存器區(qū)4組(32B).........RS1、RS0=0100H30H2FH20H1FH...第20頁/共58頁片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器空間分布圖通用RAM區(qū)

(80B)位地址區(qū)

(16B)7FH寄存器3組寄存器2組寄存器1組寄存器0組寄存器2組R7R6R5R4R3R2R1R010H11H12H13H14H15H16H17H寄存器區(qū)4組(32B).........RS1、RS0=1000H30H2FH20H1FH...第21頁/共58頁片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器空間分布圖通用RAM區(qū)

(80B)位地址區(qū)

(16B)7FH寄存器3組寄存器2組寄存器1組寄存器0組寄存器3組R7R6R5R4R3R2R1R018H19H1AH1BH1CH1DH1EH1FH寄存器區(qū)4組(32B).........RS1、RS0=1100H30H2FH20H1FH...第22頁/共58頁片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器空間分布圖通用RAM區(qū)

(80B)位地址區(qū)

(16B)7FH寄存器3組寄存器2組寄存器1組寄存器0組位地址區(qū)20H21H22H23H24H25H26H27H28H29H2AH2BH2CH2DH2EH2FH00H01H02H03H04H05H06H07H08H0FH10H7FH78H70H68H60H58H50H48H40H38H30H28H20H77H6FH67H1FH5FH57H4FH47H3FH37H2FH27H1FH17H........................D7D6D5D4D3D2D1D0.........00H30H2FH20H1FH...第23頁/共58頁片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器空間分布圖通用RAM區(qū)

(80B)位地址區(qū)

(16B)00H30H2FH20H1FH7FH寄存器3組寄存器2組寄存器1組寄存器0組通用RAM區(qū)............共80個字節(jié)，作為一般的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)并可設(shè)置堆棧區(qū)第24頁/共58頁三、特殊功能寄存器（21個字節(jié)）SFR

(SpecialFunctionalRegister)

見書P6表1-3①與ALU相關(guān)的（3個）

ARegister(Accumulator)：累加器。累加器，通常用A或ACC表示?？勺止?jié)尋址(E0H)，

也可位尋址(E0H~E7H)

它是一個寄存器，而不是一個做加法的部件。在運算器做運算時其中一個數(shù)一定是在ACC中。

BRegister：暫存寄存器。

暫存寄存器。在做乘、除法時放乘數(shù)或除數(shù)及結(jié)果。

PSW(ProgramStatusWord

）：程序狀態(tài)字。

PSW是8位寄存器，用于作為程序運行狀態(tài)的標志。這是一個很重要的部件，里面存放了CPU工作時的很多狀態(tài)，借此，我們可以了解CPU的當前狀態(tài)，并作出相應的處理。第25頁/共58頁它的各位功能如下：

當CPU進行各種邏輯操作或算術(shù)運算時，為反映操作或運算結(jié)果的狀態(tài)，把相應的標志位置1或清0。這些標志的狀態(tài)，可由專門的指令來測試，也可通過指令來讀出。它為計算機確定程序的下一步進行方向提供依據(jù)。PSW寄存器中各位的名稱及位置如下表所示，下面說明各標志位的作用。D7D6D5D4D3D2D1D0CYACF0RS1RS0OVPPSW位地址第26頁/共58頁

CY：進位標志。

加減運算時，保存最高位進位、借位狀態(tài)。

AC：半進位標志。

例：78H+97H01111000+10010111100001111

D7D6D5D4D3D2D1

D0

CYACF0RS1RS0OVPPSW位地址有進位CY=1沒有半進位AC=0第27頁/共58頁

RS1、RS0：工作寄存器組選擇位。

00選擇工作寄存器0組

01選擇工作寄存器1組

10選擇工作寄存器2組

11選擇工作寄存器3組

P：奇偶校驗位，它用來表示累加器A內(nèi)容中二進制數(shù)位

“1”的個數(shù)的奇偶性。若為奇數(shù)，則P=1，否則為0。例：某運算結(jié)果是78H（01111000），則P=0。D7D6D5D4D3D2D1

D0CY

ACF0

RS1

RS0OV

PPSW位地址第28頁/共58頁F0：用戶標志位。作為軟件標志，由編程人員決定何時使用。OV：溢出標志位。有符號數(shù)運算時，如果發(fā)生溢出，OV置“1”，否則清“0”。D7HD6HD5HD4HD3HD2HD1H

D0HCY

AC

F0RS1RS0

OVPPSW位地址第29頁/共58頁②與指針相關(guān)的（2個）

SP(Stack

Pointer)：

堆棧指針，8位寄存器，用來指定堆棧的棧頂位置，初值為07H。它是加1計數(shù).

DPTR(DataPointer)（分成DPH、DPL兩個）：數(shù)據(jù)指針可以用它來訪問外部數(shù)據(jù)存儲器中的任一單元，也可以作為通用寄存器來用，由我們自已決定如何使用。第30頁/共58頁P0、P1、P2、P3：四個并行輸入/輸出口的寄存器。它里面的內(nèi)容對應著管腳的輸出。SCON(SerialControlRegister)

串行口控制器。SBUF

(Serial

DateBuffer)

串行數(shù)據(jù)緩沖器。

PCON(PowerControlRegister)

電源控制及波特率選擇。

③與端口相關(guān)的（7個）第31頁/共58頁④與定時/計數(shù)器相關(guān)的（6個）TMOD(Timer/CounterModeRegister)

定時器工作模式寄存器。TCON(Timer/Counter

Control

Register)

定時器控制寄存器。TH0、TL0、TH1、TL1：分別是T0、T1的記數(shù)初值寄存器。IP(Interrupt

Priority

Register)

中斷優(yōu)先控制器。

IE(InterruptEnableRegister)

中斷允許控制器。

⑤與中斷相關(guān)的（2個）第32頁/共58頁課堂練習及思考題補充題：下列是關(guān)于8051單片機存儲空間的描述,分析其對錯：

a.特殊功能寄存器容量為21B,沒有位地址。

b.外部數(shù)據(jù)存儲器容量可達64kB,字節(jié)地址和位地址范圍均為0000H～FFFFH

c.程序存儲器容量可達64kB,字節(jié)地址和位地址范圍均為0000H～FFFFH

第33頁/共58頁課堂練習及思考題補充題：下列是關(guān)于8051單片機存儲空間的描述,分析其對錯：

d.

內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器容量為128B,字節(jié)地址和位地址范圍均為00H～7FHe.特殊功能寄存器容量為21B,有一部分特殊功能寄存器具有位地址。

f.程序存儲器容量可達64kB,地址范圍為0000H～FFFFH。第34頁/共58頁

2.MCS-51單片機的工作寄存器組如何選擇？若PSW的RS1、RS0位的內(nèi)容是01，那么此時工作寄存器R1的字節(jié)地址是多少？

3.MCS-51內(nèi)部RAM的工作寄存器組一共有多少個存儲單元？分為多少組？每組有多少個存儲單元？分別以什么作為寄存器名？第35頁/共58頁4.8051存儲空間的結(jié)構(gòu)與8086/8088有什么不同？它的物理結(jié)構(gòu)是怎樣的？5.MCS-51單片機的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器容量是多少？它有什么特點？第36頁/共58頁§2.3MCS-51單片機的并行端口結(jié)構(gòu)與操作

8051單片機有4個I/O端口，每個端口都是8位準雙向口，共占32根引腳。每個端口都包括一個鎖存器(即專用寄存器P0～P3)、一個輸出驅(qū)動器和輸入緩沖器。通常把4個端口籠統(tǒng)地表示為P0～P3。第37頁/共58頁

在無片外擴展存儲器的系統(tǒng)中，這4個端口的每一位都可以作為準雙向通用I/O端口使用。在具有片外擴展存儲器的系統(tǒng)中，P2口作為高8位地址線，P0口分時作為低8位地址線和雙向數(shù)據(jù)總線。下面簡單介紹一下輸入/輸出端口結(jié)構(gòu)。2.3.1P0口和P2口的結(jié)構(gòu)第38頁/共58頁下圖為P0口的某位P0.n(n=0~7)結(jié)構(gòu)圖，它由一個輸出鎖存器、兩個三態(tài)輸入緩沖器和輸出驅(qū)動電路及控制電路組成。從圖中可以看出，P0口既可以作為I/O用，也可以作為地址/數(shù)據(jù)線用。DQCLKQMUXP0.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳地址/數(shù)據(jù)控制VCCT1T2P0口引腳一、P0口的結(jié)構(gòu)第39頁/共58頁1、P0口作為普通I/O口①輸出時若驅(qū)動NMOS或其它拉流負載時，需要外接上拉電阻。P0的輸出級可驅(qū)動8個LSTTL負載。②輸入時----分讀引腳或讀鎖存器讀端口時實際上并不從外部讀入數(shù)據(jù)，而只是把端口鎖存器中的內(nèi)容讀入內(nèi)部總線，經(jīng)過某種運算和變換后，再寫回到端口鎖存器。讀引腳時才真正地把外部數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)部總線。第40頁/共58頁準雙向口：在端口進行輸入操作前，應先向端口鎖存器寫“1”，使場效應管截止，引腳處于懸浮狀態(tài)，變?yōu)楦咦杩馆斎?。這就是所謂的準雙向口。第41頁/共58頁2、P0作為地址/數(shù)據(jù)總線

在系統(tǒng)擴展時，P0端口作為地址/數(shù)據(jù)總線使用時，分為：P0引腳輸出地址/輸入數(shù)據(jù)P0引腳輸出地址/數(shù)據(jù)信息第42頁/共58頁二、P2的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1.P2口作為普通I/O口DQCLKQMUXP2.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳地址控制VCCRTP2口引腳CPU發(fā)出控制電平“0”

，使多路開關(guān)MUX倒向鎖存器輸出Q端，構(gòu)成一個準雙向口。其功能與P1相同。第43頁/共58頁

2.P2口作為地址總線在系統(tǒng)擴展片外程序存儲器/數(shù)據(jù)存儲器且容量超過256B時，CPU發(fā)出控制電平“1”，使多路開關(guān)MUX倒內(nèi)部地址線。此時，P2輸出高8位地址。DQCLKQMUXP2.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳地址控制VCCRTP2口引腳第44頁/共58頁2.3.2P1口、P3口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

①P1口的一位的結(jié)構(gòu)它由一個輸出鎖存器、兩個三態(tài)輸入緩沖器和輸出驅(qū)動電路組成----準雙向口。DQCLKQP1.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳VCCRTP1口引腳第45頁/共58頁②P3的內(nèi)部結(jié)構(gòu)DQCLKQP3.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳VCCRTP3口引腳第二輸入功能第二輸出功能一、作為通用I/O口與P1口類似----準雙向口(W=1)W第46頁/共58頁②P3的內(nèi)部結(jié)構(gòu)DQCLKQP3.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳VCCRTP3口引腳第二輸入功能第二輸出功能二、P3第二功能(Q=1)此時引腳部分輸入(Q=1、W=1)

,部分輸出(Q=1、W輸出)

。W第47頁/共58頁P3第二功能各引腳功能定義：P3.0：RXD串行口輸入P3.1：TXD串行口輸出P3.2：INT0外部中斷0輸入P3.3：INT1外部中斷1輸入P3.4：T0定時器0外部輸入P3.5：T1定時器1外部輸入P3.6：WR外部寫控制P3.7：RD外部讀控制第48頁/共58頁課堂復習補充題：1.MCS-51單片機的哪些端口，有兩種功能？分別是什么功能？2.在