單片機原理及應用(2b)

單片機原理及應用穆道明電氣與自動化工程學院自動化系1第2章80C51單片機的硬件結構2.1單片機的概念單片機：是集成在一個芯片上的計算機。在一個芯片上集成有運算器、控制器、存儲器、輸入輸出接口以及不同的功能部件。8051單片機是一款八位單片機，在單片機領域有十分重要的代表性。80C51單片機是8051單片機CMOS工藝的改進型。8051單片機是一個系列產品。2第2章80C51單片機的硬件結構

功能芯片掩模ROMEPROMRAM定時/計數器I/O中斷源并行串行518031∕∕128B2×16位4×8位1580514KB∕128B2×16位4×8位158751∕4KB128B2×16位4×8位15528032∕∕256B3×16位4×8位1680528KB∕256B3×16位4×8位168752∕8KB256B3×16位4×8位1680C51系列單片機的分類3第2章80C51單片機的硬件結構2.280C51單片機的邏輯結構與信號引腳2.2.180C51單片機的內部邏輯結構80C51是一個8位單片機，他是Intel公司產品。是一款最典型和應用范圍最廣的單片機，其邏輯結構如下圖。4第2章80C51單片機的硬件結構內部結構5第2章80C51單片機的硬件結構80C51單片機仍然保持經典的計算機結構。由五大基本部分組成。1.8位中央處理器CPU；CPU由運算器和控制器組成（1.）運算器由累加器A、寄存器B、暫存器、算術邏輯運算單元（ALU）及程序狀態(tài)字（PSW）構成。（A）算術邏輯運算單元（ALU）由加法器和其它邏輯電路等組成，用于對數據進行算術運算和邏輯操作的執(zhí)行部件。

6（B）累加器A

最常用的一個8位專用寄存器。第2章80C51單片機的硬件結構（C）程序狀態(tài)字（PSW）一個8位的寄存器，存放機器的現行運行狀態(tài)包括：運算結果、各部件的狀態(tài)等。7（2.）控制器由程序計數器PC、指令寄存器、指令譯碼器、定時控制等部分構成。（A）程序計數器PC16位專用寄存器，用于存放下一條要執(zhí)行的指令的地址。（B）指令寄存器

8位寄存器，用于暫時存放指令，等待譯碼。（C）指令譯碼器進行指令譯碼操作。（D）定時控制邏輯電路第2章80C51單片機的硬件結構8第2章80C51單片機的硬件結構2.片內128B/256BRAM數據存儲器和特殊功能寄存器（SFR）；3.片內4KB/8KBROM程序存儲器4.2/3個16位定時/計數器5.4個8位并行I/O口；6.一個全雙工串行口；9第2章80C51單片機的硬件結構7.一個有2個優(yōu)先級的5/6個中斷源的中斷系統(tǒng)8.片內振蕩器及時鐘電路9.位處理器（布爾處理機）10內部總線總線：具有同一性質和功能的一組連線的總稱?？偩€的特點：在某一時間內，總線的信號流向只有一個方向?？偩€有三種：數據總線地址總線控制總線10第2章80C51單片機的硬件結構2.2.280C51單片機的封裝與信號引腳11第2章80C51單片機的硬件結構12第2章80C51單片機的硬件結構2.芯片引腳介紹

(1.)時鐘類引腳

XTAL1（19）

XTAL2（18）

(2.)控制類引腳

RST/VPD（9）

ALE/PROG（30）

PSEN（29）

EA/VPP（31）13第2章80C51單片機的硬件結構

(3).I/O類引腳

P0.0~P0.7（22~29）

P1.0~P1.7（1~8）

P2.0~P2.7（40~33）

P3.0~P3.7（10~17）

(4).電源類引腳

VCC（40）

VSS（20）14第2章80C51單片機的硬件結構3.芯片引腳的第二功能80C51的P0、P2、P3并行I/O接口除了作為I/O接口，還有第二種功能。P0、P1口作為外部存儲器擴展的地址總線和數據總線P3口的第二功能每根線不同，其功能見下表?？诰€第二功能信號第二功能信號名稱口線第二功能信號第二功能信號名稱P3.0RXD串行數據接收P3.4T0定時/計數器0計數輸入P3.1TXD串行數據發(fā)送P3.5T1定時/計數器1計數輸入P3.2INT0外部中斷0申請P3.6WR外部RAM寫選通P3.3INT1外部中斷1申請P3.7RD外部RAM讀選通15第2章80C51單片機的硬件結構小結：80C51是一八位單片機，內部有八位的運算器，控制器。有四個八位的并行輸入輸出接口。有128字節(jié)的片內RAM（數據存儲器）有4K字節(jié)的程序存儲器有兩個16位的定式/計數器有一個TTL電平的異步串行通信接口。芯片內部有三種總線：數據總線、地址總線、控制總線。16第2章80C51單片機的硬件結構2.380C51單片機的內部存儲器內部存儲器內部數據存儲器內部程序存儲器2.3.1內部數據存儲器低128字節(jié)的單元兩種存儲器為兩個地址空間.17第2章80C51單片機的硬件結構

片內數據存儲器區(qū)（00H~FFH）片內數據存儲器：低128BRAM區(qū)（00H~7FH）高128BRAM區(qū)（80H~FFH）SFR區(qū)（80H~FFH）FFH80H7FH00HSFRFFH80H高128BRAM低128BRAM高128字節(jié)的RAM區(qū)與SFR區(qū)在地址的命名是重合的，但訪問方式不同。只有80C52系列才有。18第2章80C51單片機的硬件結構內部數據存儲器低128BRAM區(qū)（00H~7FH）片內低128BRAM區(qū)：通用寄存器區(qū)（00H~1FH）位尋址區(qū)（20H~2FH）數據緩沖區(qū)（30H~7FH）19第2章80C51單片機的硬件結構1.寄存器區(qū)寄存器：具有特定的目的而設立的存儲單元。寄存器的訪問方式與一般寄存器不同內部RAM的前32個單元可作為通用寄存器使用，共分為4個區(qū)。四個區(qū)只能使用一個且必定有一個，不能同時作為寄存器使用。使用哪一區(qū)（每區(qū)八個），由程序狀態(tài)字（PSW）中的RS1、RS0為決定。作為寄存器使用時，指令訪問的速度快。20第2章80C51單片機的硬件結構7FH2FH1FH00H通用寄存器區(qū)片內低128BRAM區(qū)20H30H位尋址區(qū)數據緩沖區(qū)0組00H1組2組3組07H08H0FH10H17H18H1FH7FH7EH7DH7CH7BH7AH79H78H17H16H15H14H13H12H11H10H0FH0EH0DH0CH0BH0AH09H08H07H06H05H04H03H02H01H00H……20H21H22H2FH21第2章80C51單片機的硬件結構2.位尋址區(qū)內部RAM的20H~2FH單元為位尋址區(qū)。一般的指令訪問存儲器是以字為單位的（80C51的字長為八位）。存儲器的訪問基本也是以字為單位的。而內部RAM的20H~2FH共16字節(jié)，128位的每一位又被編了另一種地址——位地址，供專門的位地址指令使用。這樣對布爾代數的運算非常方便。22第2章80C51單片機的硬件結構3.用戶RAM區(qū)內部RAM的低128字節(jié)中除去通用寄存器和位尋址區(qū)占用的單元，其余的都供用戶作為一般的存儲器使用。另外系統(tǒng)的堆棧也開辟在128字節(jié)內。23第2章80C51單片機的硬件結構2.3.2內部數據存儲器高128字節(jié)的單元80C51的內部數據存儲器的高128單元區(qū)的地址（命名權）分配給了專用寄存器使用。地址范圍為80H~0FFH。專用功能寄存器SFR(SpecialFunctionRegistor):用于存放相應的功能部件的控制命令、狀態(tài)信息或數據的專門單元。SFR共有21個，都是一字節(jié)為單位的，即八位。24第2章80C51單片機的硬件結構1.專用寄存器簡介（1）累加器A（ACC----Accumulator）累加器是八位的寄存器，使最常用的專用寄存器。累加器的主要功能：累加器用于存放操作數，使ALU數據的一個來源。累加器是ALU運算結果的暫存單元。累加器是數據傳送的中轉站。25第2章80C51單片機的硬件結構（2）B寄存器B寄存器是一個八位寄存器，主要用于乘除運算時使用。（3）程序狀態(tài)字PSWPSW寄存器是一個八位寄存器，用于寄存指令執(zhí)行后的狀態(tài)信息。PSW在復位后其值為00H26第2章80C51單片機的硬件結構CACF0RS1RS0OVF1P進位標志輔助進位用戶標志通用寄存器組選擇溢出標志用戶標志奇偶標志D7D6D5D4D3D2D1D027第2章80C51單片機的硬件結構（4）數據指針DPTR數據指針DPTR是一個十六位的寄存器，它是兩個八位寄存器合并而成的。這兩個寄存器位（DPH和DPL）。DPTR是80C51單片機中唯一一個可以訪問的16位寄存器。功能為：作為訪問外部數據存儲器的地址指針。由于是十六位因此可指向64K的外部數據存儲器空間。也就是說80C51克以擴展的最大數據存儲器空間為64K（65536）。28第2章80C51單片機的硬件結構寄存器地址寄存器的名稱AE0H累加器BF0HB寄存器PSWD0H程序狀態(tài)字SP81H堆棧指針DPL82H數據指針低DPH83H數據指針高IEA8H中斷允許IPB8H中斷優(yōu)先級控制P080HI/O口0P190HI/O口0P2A0HI/O口02.專用寄存器的單元尋址寄存器地址寄存器的名稱P3B0HI/O口0PCON87H電源控制寄存器SCON98H串行口控制寄存器SBUF99H串行口數據緩沖器TCON88H定時器控制寄存器TMOD89H定時器方式選擇寄存器TL08AH定時器0低八位TL18BH定時器1低八位TH08CH定時器0高八位TH18DH定時器1高八位29第2章80C51單片機的硬件結構3.專用寄存器的位地址與位名稱寄存器位地址與名稱BF7HF6HF5HF4HF3HF2HF1HF0HAE7HE6HE5HE4HE3HE2HE1HE0HPSWD7HD6HD5HD4HD3HD2HD1HD0HCYACF0RS1RS0OVPIPBFHBEHBDHBCHBBHBAHB9HB8HPSPT1PX1PT0PX0P3B7HB6HB5HB4HB3HB2HB1HB0HP3.7P3.6P3.5P3.4P3.3P3.2P3.1P3.0IEAFHAEHADHACHABHAAHA9HA8HEAESET1EX1ET0EX030第2章80C51單片機的硬件結構寄存器位地址與名稱P2A7HA6HA5HA4HA3HA2HA1HA0HP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0SCON9FH9EH9DH9CH9BH9AH99H98HSM0SM1SM2RENTB8RB8TIRIP197H96H95H94H93H92H91H90HP1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0TCON8FH8EH8DH8CH8BH8AH89H88HTF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0P087H86H85H84H83H82H81H80HP0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.031第2章80C51單片機的硬件結構4.程序計數器PC(programcounter)PC是一個十六位寄存器，在物理上是獨立的，是指令不可訪問的PC不在21個專用寄存器之列，沒有分配地址。因此是不可訪問的。因為是十六位計數器，所以程序存儲器最大為64K。PC計數器在復位后為0000H32第2章80C51單片機的硬件結構2.3.3堆棧操作堆棧是一種數據結構。所謂堆棧是允許在其一端進行數據插入和數據刪除的操作的線性表。堆棧的操作有兩種：壓棧（入棧）和彈棧（出棧）1.堆棧的功能保護斷點和現場33第2章80C51單片機的硬件結構2.堆棧的開辟------即堆棧的在什么地方和位置。80C51的內部RAM的低128字節(jié)區(qū)域（00H~7FH）。建議：開辟在低128字節(jié)的后面的位置。3.堆棧指針SP（StackPointer)SP的內容就是堆棧棧頂的存儲單元的地址。SP是八位的存儲器。

SP是專用寄存器，地址為81H34第2章80C51單片機的硬件結構4.堆棧類型堆棧有兩種類型：向上生長型：向下生長型：棧底在低地址單元，隨著數據壓棧，SP的內容增加。棧底在高地址單元，隨著數據壓棧，SP的內容減小。80C51的堆棧是向上生長型：入棧操作：SP+1SP，后數據入棧。除棧操作：數據先出棧，然后SP-1SP35第2章80C51單片機的硬件結構堆棧的使用方法堆棧的使用有兩種：自動方式:出現在調用子程序和中斷時。指令使用：使用壓棧和彈棧指令時。36第2章80C51單片機的硬件結構2.3.4內部程序存儲器80C51系列單片機內部有的內部有程序存儲區(qū)，有的沒有（80C31）。80C51單片機的程序存儲器和數據存儲器是分別編址的。對于沒有內部程序存儲器的芯片。就必須外擴外部（片外）程序存儲器。這時/EA信號腳必須接地。這是系統(tǒng)使用P0、P2、/EA、/PSEN引腳進行外部程序存儲器的擴展。其中/EA、/PSEN的“/”是表示低電平有效37第2章80C51單片機的硬件結構對于程序存儲器的擴展注意事項：對于沒有內部程序存儲器的芯片(80C31)/EA必須接地。表示全部使用片外存儲器對于有內部程序存儲器的芯片（80C51），/EA可接地或高電平。接地時：表示先使用內部存儲器，如果訪問內部存儲器以外的地址空間，就使用外部存儲器。接高電平時：表示全部使用外部程序存儲器，而不訪問內部存儲器。。38第2章80C51單片機的硬件結構不管程序存儲器是否有片內ROM，其中：系統(tǒng)在上電復位或其他復位后，第一條被執(zhí)行的指令的首地址在：0000H單元即系統(tǒng)在上電復位或其他復位后PC=0000H39第2章80C51單片機的硬件結構2.480C51單片機的并行I/O口80C51共有

4

個

8

位的并行

雙向

I/O口訪問方式：按字節(jié)方式按位尋址電路上每個口的每一位都是獨立。作為I/O口每個口也有不同的地方40第2章80C51單片機的硬件結構P0口的結構：包含1個輸出鎖存器、2個三態(tài)緩沖器、1個輸出驅動電路和1個輸出控制電路。P0.X鎖存器DCLQQP0.X引腳地址/數據Vcc控制讀鎖存器讀引腳內部總線寫鎖存器T0T141第2章80C51單片機的硬件結構P0口作為I口使用時應外接一個上拉電阻。P1、P2、P3口作為I口使用時不需外接一個上拉電阻。P0、P1、P2、P3四個口作為I使用時應先發(fā)送出一個“1”的高電平，在進行讀操作。42第2章80C51單片機的硬件結構2.580C51單片機的時鐘與定時單片機是一個復雜的同步時序電路。單片機的各個部分按一定的時間順序協(xié)調工作的。指令執(zhí)行過程中各信號的相互時間的順序關系——

時序2.5.1時鐘電路時鐘電路振蕩電路分頻電路43第2章80C51單片機的硬件結構1.振蕩電路振蕩電路需外接一部份器件XTAL1XTAL2石英振蕩器電容44第2章80C51單片機的硬件結構2.分頻電路振蕩脈沖時鐘信號ALE信號機器周期信號二分頻三分頻六分頻3.振蕩頻率十二分頻六分頻45第2章80C51單片機的硬件結構2.5.2定時單位80C51的定時單位有4個：1.拍節(jié)與狀態(tài)振蕩脈沖的周期為拍節(jié)P時鐘信號的周期為狀態(tài)S一個狀態(tài)包含兩個拍節(jié)前半周期為拍節(jié)1，后半周期為拍節(jié)23.機器周期一個機器周期就是振蕩脈沖周期的12倍。一個機器周期有12個拍節(jié)，6個狀態(tài)。46第2章80C51單片機的硬件結構3.指令周期指令周期是對大的時序單位，執(zhí)行一條指令的時間稱為指令周期。80C51的指令周期根據指令的不同可包含1、2、4個機器周期。P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2P1S1S2S3S4S5S6S1S2S3機器周期47第2章80C51單片機的硬件結構2.680C51單片機的系統(tǒng)復位系統(tǒng)復位時是單片機的硬件初始化操作。系統(tǒng)只有在復位后才能正常工作。2.6.1復位方式與初始化狀態(tài)1.復位方式80C51有復位引腳RST，用于從外界引入復位信號。復位操作有兩種加電復位手動復位每個系統(tǒng)必須具備的為了調試或死機等現象48第2章80C51單片機的硬件結構2.初始化狀態(tài)復位的功能有：為專用寄存器設置初始狀態(tài)為程序寄存器PC賦值為芯片的引腳設置電平狀態(tài)49第2章80C51單片機的硬件結構SFR名稱初始化狀態(tài)SFR名稱初始化狀態(tài)PC0000HTCON00HACC00HTL000HPSW00HTH000HSP07HTL100HDPTR0000H