第二章單片機結構和系統(tǒng)擴展

第二章單片機結構和系統(tǒng)擴展第1頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院電子計算機第2頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院微型計算機微處理器微型計算機微型計算機系統(tǒng)微型計算機開發(fā)系統(tǒng)微處理器：集成在同一塊大規(guī)模集成電路芯片上的運算器和控制器，稱為MCU。微型計算機：由微處理器、半導體存儲器、I/O接口和中斷系統(tǒng)等組裝在一塊或數(shù)塊印刷電路板上所構成的計算機。微型計算機系統(tǒng)：由硬件和軟件組成。微型計算機開發(fā)系統(tǒng)：用于開發(fā)微型計算機。第3頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院微型計算機單片微型計算機（SingleChipMicrocomputer)：

也稱微控制器，是一種把微處理器、半導體存儲器、I/O接口和中斷系統(tǒng)等集成在同一片集成電路上的微型計算機。單板微型計算機：

是一種把微處理器、半導體存儲器、I/O接口和中斷電路等芯片安裝在同一塊印刷電路板上的微型計算機。多板微型計算機：

把構成微型計算機的功能部件分別組裝在多塊印刷電路板上，并通過同一機箱內的總線插槽連成一體的微型計算機。第4頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院微型機系統(tǒng)硬件微型機系統(tǒng)外圍設備過程控制I/O通道A/D,D/A轉換器開關量等外部設備鍵盤、鼠標等輸入設備顯示器、打印機等輸出設備軟驅、硬盤及磁帶等外存儲器主機輸入輸出(I/O)接口電路微處理器(CPU)運算器(算術邏輯運算單元ALU)控制器(控制單元CU)寄存器陣列(RA)內存儲器RAM,ROM,EPROMEEPROM等系統(tǒng)軟件軟件用戶（應用）軟件第5頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院微型計算機的基本結構運算器控制器MPUROMRAMI/O外設接口CBABDB第6頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院MCS-51的內部結構第7頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院

中央處理器（CPU）；

數(shù)據(jù)存儲器（RAM）；

程序存儲器（ROM）；

2個l6位的定時器/計數(shù)器；并行I/O口（32根I/O線，4個P口）；

外部存貯器尋址范圍ROM、RAM各64K；

全雙工串行口；

中斷系統(tǒng)（5個中斷源，2個中斷優(yōu)先級）時鐘電路。MCS-51單片機簡介第8頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院MCS-51單片機的主要產品型號制造技術片內程序存儲器片內數(shù)據(jù)存儲器8051AHHMOSROM(4k)128字節(jié)8031AHAHMOS無128字節(jié)8751HHMOSEPROM（4K）128字節(jié)AT89C51/AT89S51CHMOSFLASHROM（4K）128字節(jié)80C31CHMOS無128字節(jié)8051HMOSROM（8K）256字節(jié)8031HMOS無256字節(jié)MCS-51單片機簡介第9頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院MCS-51家族MCS-51家族包括51和52兩個子系列。51子系列機包括8031、8051、8751、89C51等，主要差別在于片內集成不同類型的程序存儲器。52子系列的產品主要有8032、8052、8752。與51子系列的差別主要在于：1.片內數(shù)據(jù)存儲器增至256B2.片內程序存儲器增至8KB（8032/80C32無）3.I/O口功能增強（3個16位定時器/計數(shù)器，有6個中斷源）。其他性能均與5l子系列相同。其對應的低功耗CHMOS工藝器件分別為80C32、80C52和87C52。

第10頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院（1）基本型

典型產品：8031/8051/8751內部RAM增到256字節(jié)，8052、8752的內部程序存儲器擴展到8KB，16位定時器/計數(shù)器增至3個。（3）低功耗型

典型產品：80C31/87C51/80C51。采用CMOS工藝適于電池供電或其它要求低功耗的場合。（2）增強型

典型產品：8032/8052/8752第11頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院中央處理器（CPU）（1）運算器：算術邏輯單元ALU（2）控制器：定時控制邏輯、指令寄存器IR、指令譯碼器ID時序部件(時鐘、脈沖分配器)、微操作控制部件（3）專用寄存器組：程序計數(shù)器(PC)、累加器(A)、通用寄存器(B)、程序狀態(tài)字(PSW)、堆棧指針(SP)、數(shù)據(jù)指針(DPTR)第12頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院算術邏輯部件——ALU由三部分組成：1、加法器四則運算：加、減、乘、除2、布爾處理器與、或、非、異或、取反等3、暫存器TMP1、TMP2，對用戶不開放第13頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院定時控制部件的控制作用指令寄存器IR用于存放從程序存儲器中取出的指令碼，定時控制邏輯（指令譯碼器ID）用于對指令寄存器中的指令碼進行譯碼，并在振蕩器的配合下產生執(zhí)行指令的時序脈沖，以完成相應的指令的執(zhí)行。第14頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院專用寄存器組第15頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院程序計數(shù)器PC程序計數(shù)器PC(programcounter)是一個二進制16位的程序地址寄存器，專門用來存放下一條需要執(zhí)行指令的內存地址，能自動加1。工作過程：CPU執(zhí)行指令時，先是根據(jù)程序計數(shù)器PC中的地址從存儲器中取出當前需要執(zhí)行的指令碼，并把它送給控制器分析執(zhí)行，隨后程序計數(shù)器PC中的地址自動加1，以便為CPU取下一個需要執(zhí)行的指令碼作準備。第16頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院8051的程序計數(shù)器

8051的程序計數(shù)器PC由16個觸發(fā)器構成，故它的編碼范圍為0000H~FFFFH，共64K。也就是說，8051對程序存儲器的尋址范圍為64KB。需要執(zhí)行程序的機器碼必須在程序執(zhí)行前預先一條條地按序放到程序存儲器中，并為程序計數(shù)器PC設置成程序的第一條指令的內存地址：

ORG0200H第17頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院累加器ACC累加器是一個具有特殊用途的二進制8位寄存器，專門用來存放操作數(shù)或運算結果。在CPU執(zhí)行某種運算前，兩個操作數(shù)中的一個通常應放在累加器A中，運算完成后累加器A中便可得到運算結果。

MOVA,#03H; ADDA,#05H;第18頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院通用寄存器B通用寄存器B是專門為乘法和除法設置的寄存器，也是一個二進制8位寄存器，由8個觸發(fā)器組成。該寄存器在乘法或除法前，用來存放乘數(shù)或除數(shù)，在乘法或除法完成后用于存放乘積的高8位或除法的余數(shù)。

MOVA,#05H; MOVB,#03H; MULAB;第19頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院程序狀態(tài)字PSWCyACF0RS1RS0OV-P

程序狀態(tài)字PSW是一個8位標志寄存器，用來存放指令執(zhí)行后的有關狀態(tài)。PSW是在指令執(zhí)行過程中自動形成的，但也可以根據(jù)需要采用傳送指令的方式加以改變。進位標志位Cy輔助進位位AC用戶標志位F0寄存器選擇位RS1和RS0溢出標志位OV奇偶標志位P第20頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院進位標志位——Cy用于表示加減運算過程中累加器最高位A7有無進位或借位。加法：若A7有進位，則Cy=1；否則Cy=0；減法：若A7有借位，則Cy=1；否則Cy=0；移位操作也會影響該標志位。第21頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院輔助進位位——AC用于表示加減運算時累加器低4位（A3）有無向高4位（A4）進位或借位。加法：若A3->A4有進位，則Ac=1；否則Ac=0；減法：若A3->A4有借位，則Ac=1； 否則Ac=0；第22頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院用戶標志位——F0位狀態(tài)通常不是機器在執(zhí)行指令的過程中自動形成的，而是由用戶根據(jù)程序執(zhí)行的需要通過傳送指令確定的。該標志位狀態(tài)一經(jīng)設定，便由用戶程序直接檢測，以決定用戶程序的流向。

自定義標志位第23頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院寄存器選擇位RS1和RS08051共有8個8位工作寄存器，R0~R7但他們在RAM中的實際物理地址是可以根據(jù)需要選定的。用戶通過改變RS1和RS0之間的狀態(tài)可以方便地決定R0~R7的實際物理地址。RS1|RS0R0~R7的組號R0~R7的物理地址00000H~07H01108H~0FH10210H~17H11318H~1FH第24頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院溢出標志位——OV可以指示運算過程中是否發(fā)生了溢出，由機器執(zhí)行指令過程中自動形成。

若累加器A中運算結果超出了8位數(shù)能表示的范圍（28），即-128~+127，則OV標志自動置1；否則OV=0。第25頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院奇偶標志位——P用于指示運算結果中1的個數(shù)的奇偶性。若P=1，則累加器A中的1的個數(shù)為奇數(shù)；若P=0，則累加器A中的1的個數(shù)為偶數(shù)。PSW1位無定義，用戶不可以使用。第26頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院例子程序執(zhí)行前F0=0,RS1RS0=00B,執(zhí)行如下程序 MOVA,#0FH; ADDA,#F8H;后，PSW中各位的狀態(tài)CyACF0RS1RS0OV-P11000001PSW=C1H第27頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院堆棧指針——SP堆棧指針是一個8位寄存器，能自動加1或減1，專門用來存放堆棧的棧頂?shù)刂?。符合“先進后出”或“后進先出”的規(guī)律8051片內RAM共有128B，地址范圍為00H~7FH，此區(qū)域中任何子區(qū)域都可以作為堆棧區(qū)。第28頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院堆棧地址棧底地址是固定不變的，它決定了堆棧在RAM中的物理位置；系統(tǒng)復位后，SP初始化為07H。棧頂?shù)刂吩赟P中，是可以改變的，始終指示著堆棧中最上面的那個數(shù)據(jù)。無數(shù)據(jù)時，棧頂?shù)刂放c棧底地址重合。第29頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院數(shù)據(jù)指針——DPTR數(shù)據(jù)指針是一個16位的寄存器，由兩個8位寄存器DPH和DPL組成。也可以作為兩個獨立的8位寄存器來用。DPTR可以用來存放片內ROM的地址，也可以用來存放片外RAM和片外ROM的地址。第30頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院MCS-51單片機邏輯引腳圖P0P3P2P1P3第31頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院3.控制線2.電源線VCC、VSS⑴ALE/PROG:地址鎖存允許/片內EPROM編程脈沖①ALE功能：用來鎖存P0口送出的低8位地址②PROG功能：片內有EPROM的芯片，在EPROM編程期間，此引腳輸入編程脈沖。（8751）⑵PSEN:片外ROM讀選通信號。8051的電源線和控制線第32頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院⑷EA/Vpp:內外ROM選擇/片內EPROM編程電源。①EA功能：內外ROM選擇端。

EA=1，允許使用片內ROM; EA=0，允許使用片外ROM.②Vpp功能：片內有EPROM的芯片，在

EPROM編程期間，施加編程電源Vpp。(8751)⑷XTAL1和XTAL2:外接晶振和電容。石英晶體起振后，應能在XTAL2線上輸出一個3V左右的正弦波。8051的控制線（續(xù)）第33頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院8051的控制線（續(xù)）⑶RST/VPD:復位/備用電源。①RST（Reset）功能：復位信號輸入端。②VPD功能：在Vcc掉電情況下，接備用電源。第34頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院第35頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院8051的外部時鐘電路第36頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院1.振蕩周期/時鐘周期是時序中最小的時間單位，由單片機振蕩電路OSC產生，為時鐘脈沖頻率的倒數(shù)。XTAL2XTAL1振蕩電路內部時鐘電路MCS-511個振蕩周期第37頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院2.機器周期1個機器周期=12個振蕩周期3.指令周期執(zhí)行一條指令所需的時間.第38頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院專用寄存器內部RAM007F80FF0000FFFF內部數(shù)據(jù)存儲器外部數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)存儲器外部內部00000FFF1000FFFF程序存儲器EA=1外部EA=0第39頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院片內RAM存儲器第40頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院特殊功能寄存器SFR(SpecialFunctionRegister)第41頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院8031和外部總線結構鎖存器8031EAPSENRDWRP2ALEP0數(shù)據(jù)線D7~D0低8位地址線A7~A0高8位地址線A15~A8控制線8031外部總線結構第42頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院利用74LS373和ALE信號，分離低八位地址線和數(shù)據(jù)線地址數(shù)據(jù)P0.0~P0.7P2.0~P2.7地址ALE第43頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院8031最小應用系統(tǒng)XTAL2XTAL1RST8031時鐘電路復位電路0VP3P2P1P0EA地址鎖存EPROMPSENALE第44頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院8031對片外存儲器的連接原理第45頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院8031對片外ROM的讀操作第46頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院2.4.3訪問片外ROM/RAM的指令時序1.讀片外ROM指令時序第47頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院8031對片外RAM的寫操作第48頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院2.讀片外RAM指令時序第49頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院擴展外部存儲器的步驟利用鎖存器分離低位地址線和數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線的連接地址線的連接讀寫信號線的連接根據(jù)需要設計地址譯碼電路第50頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院(1)對于不同的外部存儲器芯片，不能有相同的地址范圍(2)對于每一個芯片，所分配的地址范圍大于等于芯片的存儲容量(3)由高位地址線通過地址譯碼電路按照外圍存儲器的數(shù)量將整個存儲空間劃分成不同的區(qū)域

(4)按照每個存儲器的需要將CPU的低位地址線連接到存儲器的地址線上，用來尋址存儲器的每個存儲單元

地址譯碼器存儲器1存儲器2存儲器2nCE1CE2CE2n

高位地址線（n條）A0

A15

A0

～AmA0

～Ap

A0

～Aq

第51頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院譯碼器74LS138/139框圖3->82->4第52頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院譯碼器74LS138/139功能表第53頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院四-十六譯碼器譯碼器74LS154框圖和功能表第54頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院MCS-51對外部EPROM的連接第55頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院MCS-51對外部E2PROM的連接第56頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院MCS-51對外部SRAM的連接第57頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院74LS138，其中A、B、C分別是三條輸入線，Y0~Y7是八條輸出線。E1、E2、E3分別是三個使能端。第58頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院非均勻譯碼第一章單片機結構與系統(tǒng)擴展第59頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院日歷/時鐘顯示調整系統(tǒng)8031應用系統(tǒng)設計實例第60頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院4個并行I/O口,P0、P1、P2、P3P0:數(shù)據(jù)總線/低8位地址線P2:高8位地址線P3:每根口線有不同的定義P1:4個并行口的第二功能：準雙向口：直接輸出；輸入前要先將輸出驅動截止。MCS-51內部并行I/O口及應用第61頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院輸出：輸入(讀引腳)：輸入（讀端口）MOV P1，AMOV P0，R1MOV P3，@R0MOV P0，#0FFHMOV A，P0MOV A，P0第62頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院并行I/O接口芯片及I/O口擴展MCS-51單片機系統(tǒng)中,擴展I/O是與外部數(shù)據(jù)存儲器統(tǒng)一編址的,占用外部數(shù)據(jù)存儲器的單元地址,使用MOVX指令進行讀寫(RD、WR控制信號）.擴展I/O有以下三種基本方法：0000FFFF外部數(shù)據(jù)存儲器RAMI/O（1）總線擴展（2）串行口擴展并行口（3）利用片內I/O口的口線擴展第63頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院Intel8155可編程并行I/O接口芯片1.8155的內部結構和引腳功能第64頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院第65頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院(2)8155命令寄存器0000第66頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院7.4并行I/O口擴展7.4.3采用8155擴展I/O口第67頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院(1)RAM地址:7E00H~7EFFH(2)I/O地址:命令寄存器:7FF8HA口:7FF9HB口:7FFAHC口:7FFBH地址范圍分析A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A00

111111

0000000000111111

011111111A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A00

111111

1111110000111111

1

1111

10010111111

1

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10100111111

1

1111

10110

1111111

1111

11000

11111111111

1101定時器低8位:7FFCH定時器高6位:7FFDH第68頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院(1)RAM地址:7E00H~7EFFH(2)I/O地址:命令/狀態(tài)寄存器:7FF8HPA口:7FF9HPB口:7FFAHPC口:7FFBH第69頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院MOV DPTR，#7E0AHMOV A，30HMOVX @DPTR，A； 寫操作MOV DPTR，#7E0AHMOVX A，@DPTRMOV 40H，A；讀操作對8155RAM的讀寫操作第70頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院MOV DPTR，#7FF8H;命令寄存器MOV A，#00000001B;PA輸出,PB輸入MOVX @DPTR,AMOV DPTR,#7FF9H ;PA口MOV A,#55HMOVX @DPTR,AINC DPTR ;PB口MOVX A,@DPTRMOV 30H,A8155I/O口的讀寫操作第71頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院LED數(shù)碼顯示管工作原理第72頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院MCS-51對LED顯示管的控制（1）靜態(tài)方式顯示原理I/O口(1)I/O口(3)I/O口(2)abdpabdpabdp第73頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院動態(tài)顯示的原理I/O口(1)字段口I/O口(2)字位口abdpI/O1.0I/O1.1I/O2.1I/O1.7I/O2.0I/O2.2第74頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院第75頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A00010000100000110000000101命令寄存器PAPBPC2100H2101H2102H2103H第76頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院例：結合上圖將70H~75H內存儲的01H，02H，03H，04H，05H，06H，顯示在六位數(shù)碼管上

字形表0：3FH，1：06H2：5BH，3：4FH4：66H，5：6DH6：7DH，7：07H8：7FH，9：6FH第77頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院顯示子程序流程：例7.7顯示緩沖區(qū)首地址70H送R0字位控制初值送R3取待顯示數(shù)據(jù)送A查段選碼8155B口輸出段選碼延時1ms循環(huán)變量調整6位顯示完成？子程序返回YN8155C口輸出字位控制第78頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院DISPLAY: MOVA,#00001110B MOVDPTR,#2100H MOVX@DPTR,ADISP: MOV R0,#70H MOVR3,#01H MOVA,R3LD0: MOVDPTR,#2103H;PC口

MOVX@DPTR,A MOV A,@R0 MOV DPTR,#DISTAB第79頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院

MOVC A,@A+DPTR MOV DPTR,#2102H;PB口

MOVX @DPTR,A ACALL DELAY INC R0 MOV A,R3 JB ACC.5,LD1 RL A MOV R3,A AJMP LD0LD1: RET第80頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院DISTAB: DB3FH,06H,…;(共陰極字形表)DELAY: MOV R7,#02HDELAY1: MOV R6,#0FFHDELAY2: DJNZ R6,DELAY2 DJNZ R7,DELAY1 RET END主程序調用顯示子程序完成動態(tài)顯示第81頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電氣工程學院按鍵電路與消抖按鍵的作用按鍵消抖的措施硬件消抖軟件消抖按鍵在單片機應用系統(tǒng)中的結構形式獨立式按鍵行列式鍵盤第82頁，課件共89頁，創(chuàng)作于2023年2月電