單片機(jī)內(nèi)部硬件資源介紹.ppt

1、第二章 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu),硅谷芯微 技術(shù)貢獻(xiàn) 網(wǎng)址：www.threeway.cc,本章重點(diǎn)：, 單片機(jī)內(nèi)部有哪些硬件資源 處理器 管腳定義 - 復(fù)位原理 - 脈沖時(shí)序 存儲(chǔ)結(jié)構(gòu) - ROM區(qū)地址編址 - RAM區(qū)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu),2.1 單片機(jī)硬件資源,單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示，主要包括CPU，存儲(chǔ)器 和I/O口，時(shí)鐘，定時(shí)器，中斷以及串口。,2.2.1.運(yùn)算器,2.2 微處理器的組成,1 算術(shù)邏輯單元ALU 對(duì)8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)/邏輯運(yùn)算.算術(shù)運(yùn)算、加1和減1運(yùn)算、十進(jìn)制調(diào)整、邏輯操作。2 暫存器TEMP1、TEMP2 用于存放參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)，用戶(hù)不可以直接使用。3 累加器ACC/A 8位寄存器

2、，是CPU中使用最頻繁的寄存器 進(jìn)入ALU作算術(shù)和邏輯運(yùn)算的操作數(shù)多來(lái)自于A，運(yùn)算結(jié)果也常送回A保存。4 寄存器B（8位） 寄存器B是為ALU進(jìn)行乘除法運(yùn)算而設(shè)置的。若不作乘除運(yùn)算時(shí)，則可作為通用寄存器使用。在乘、除運(yùn)算中，與累加器A配合使用，存放操作數(shù)。5 程序狀態(tài)字PSW（8位專(zhuān)用寄存器） 寄存/存貯當(dāng)前機(jī)器指令/程序執(zhí)行后操作結(jié)果的特征狀態(tài)，以供程序查詢(xún)和判別。,2.2.2.控制器 主要由程序計(jì)數(shù)器PC、指令寄存器IR、指令譯碼器ID、堆棧指針SP、數(shù)據(jù)指針DPTR、時(shí)鐘發(fā)生器及定時(shí)控制邏輯等組成?？刂破饔靡钥刂朴?jì)算機(jī)各部分協(xié)調(diào)工作的部件，控制指令的讀取、譯碼/分析和執(zhí)行。 程序計(jì)數(shù)器（

3、Program Counter簡(jiǎn)稱(chēng)PC），是一個(gè)16位的有自動(dòng)加1功能的計(jì)數(shù)器。PC沒(méi)有地址，是不可尋址的，因此用戶(hù)不能對(duì)它進(jìn)行讀寫(xiě)。16位PC中的內(nèi)容總是CPU將要執(zhí)行的那條指令所存放的存儲(chǔ)單元的首地址。 在單片機(jī)復(fù)位時(shí)，PC中的內(nèi)容為0000H，指向第1條要執(zhí)行的指令的首地址，在CPU從存儲(chǔ)單元取指令的過(guò)程中，每取1個(gè)字節(jié)的內(nèi)容，程序計(jì)數(shù)器PC就自動(dòng)加1，在取完這條指令后，PC中的內(nèi)容就是下一條要執(zhí)行的指令所存放的存儲(chǔ)單元的首地址。 在實(shí)際應(yīng)用中，有時(shí)CPU還要執(zhí)行程序的轉(zhuǎn)移、子程序的調(diào)用和中斷響應(yīng)等操作，那時(shí)PC中的內(nèi)容不再是上述情況中簡(jiǎn)單的加1，而是根據(jù)不同的情況自動(dòng)地被置入或修改成新

4、的目的地址，從而改變程序的執(zhí)行順序。PC不屬于特殊功能寄存器。,2.3 單片機(jī)管腳說(shuō)明,51單片機(jī)有40個(gè)管腳，其中32根IO、2根時(shí)鐘信號(hào)線、2根電源線、4根控制線，管腳定義如圖所示：,P0P3：4個(gè)8位雙向輸入輸出端口，每個(gè)端口都有鎖存器、輸出 驅(qū)動(dòng)器和輸入緩沖器。4個(gè)端口都可以做輸入輸出口使用，其中，P0 和P2通常用于對(duì)外部存儲(chǔ)器的訪問(wèn)。在這種方式下，把P0口作為地 址/數(shù)據(jù)總線使用，分時(shí)輸出外部存儲(chǔ)器的地址和傳送8位數(shù)據(jù)。當(dāng) 擴(kuò)充外部存儲(chǔ)器的地址為16位時(shí)，P2口作為地址總線的高8位地址使 用。P3口是一個(gè)多功能的端口， P3口第二功能如表所示：,2.3.1 輸入輸出端口,2.3.2

5、 控制管腳,第29號(hào)引腳：當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，此腳輸出負(fù)脈沖選通信 號(hào)，PC的16位地址將出現(xiàn)在P0和P2口，PC的16位地址數(shù)據(jù)將出現(xiàn)在P0和 P2口上，外部程序存儲(chǔ)器則把指令數(shù)據(jù)放到P0口上，由CPU讀入并執(zhí)行。 第30號(hào)引腳：ALE，地址鎖存引腳，當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)， ALE(地址鎖存)的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。而訪問(wèn)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器 時(shí)，ALE端將有一個(gè)1/6時(shí)鐘頻率的正脈沖信號(hào)，這個(gè)信號(hào)可以用于識(shí)別 單片機(jī)是否工作，也可以當(dāng)作一個(gè)時(shí)鐘向外輸出。 第31號(hào)引腳：程序存儲(chǔ)器的內(nèi)外部選通線，80C51內(nèi)置有4kB的程序 存儲(chǔ)器，當(dāng)EA為高電平并且程序地址小于4kB時(shí)，讀取內(nèi)部程序

6、存儲(chǔ)器指 令數(shù)據(jù)，而超過(guò)4kB地址則讀取外部指令數(shù)據(jù)。如EA為低電平，則不管地 址大小，一律讀取外部程序存儲(chǔ)器指令。,振蕩周期：晶振的振蕩周期，為最小的時(shí)序單位(我們的實(shí)驗(yàn)板上有11.0592MHz、 12MHz、24MHz三種晶振，可以通過(guò)跳線冒進(jìn)行選擇)。 機(jī)器周期：一個(gè)機(jī)器周期由12個(gè)振蕩周期組成，是計(jì)算機(jī)執(zhí)行一個(gè)基本操作的時(shí)間 單位。 指令周期：執(zhí)行一條指令所需要的時(shí)間，一條指令由14個(gè)機(jī)器周期組成，依據(jù)指 令的不同而不同。 振蕩周期、機(jī)器周期、指令周期之間的換算如下(假設(shè)所使用的晶振為12MHz)： 振蕩周期 = 0.0833 機(jī)器周期 = 1 指令周期 = (1-4)個(gè)機(jī)器周期,機(jī)

7、器周期和指令周期 第18、19號(hào)引腳：為外部時(shí)鐘輸入引腳，為單片機(jī)的工作提供時(shí)鐘周期。 51單片機(jī)的時(shí)鐘是為單片機(jī)提供工作時(shí)序，單片機(jī)從內(nèi)部Flash ROM中取指令和各 種操作都是按時(shí)序走的，所以時(shí)序是單片機(jī)正常工作的一個(gè)必要的條件。,8051單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益的反相放大器，用于構(gòu)成振蕩器，反相輸入端為XTAL1(第19號(hào)引腳)，輸出端為XTAL2(第18號(hào)引腳)，只需要在兩端跨接一個(gè)無(wú)源的石英晶體以及兩個(gè)電容就可以構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的振蕩電路，但石英晶體和微調(diào)電容需要外接。最高允許振蕩頻率為37MHz。SST89V58RD 最高允許振蕩頻率達(dá)40MHz，因而大大的提高了指令的執(zhí)行速度。 另一

8、種接法就是直接由外部的電路提供標(biāo)準(zhǔn)的振蕩時(shí)序直接輸入單片機(jī)的XTAL2引腳，將XTAL1引腳直接接地，這樣，在外部時(shí)鐘與XTAL2引腳之間連接了一個(gè)反相器，用于波形的放大和緩沖。,單片機(jī)時(shí)鐘電路,用單片機(jī)內(nèi)部振蕩電路 由外部電路提供時(shí)鐘源,第9號(hào)引腳：復(fù)位引腳，復(fù)位信號(hào)是高電平有效，其有效時(shí)間應(yīng)持續(xù)連續(xù)24個(gè)時(shí)鐘周期(兩個(gè)機(jī)器周期)。復(fù)位電路大致可以分為上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位兩種。,上電自動(dòng)復(fù)位 手動(dòng)復(fù)位,第20號(hào)管腳： VCC，電源，+5V。,第40號(hào)管腳： GND，接地。,復(fù)位后PC及SFR的初始值,存儲(chǔ)器分為程序存儲(chǔ)器(ROM)和隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM),程序存儲(chǔ)器用于存放我們編寫(xiě)的程序代碼，隨

9、機(jī)存儲(chǔ)器用于保存程序運(yùn)行時(shí)的中間變量，他們之間最大的區(qū)別就是，程序存儲(chǔ)器為只讀存儲(chǔ)器，其中的數(shù)據(jù)在單片機(jī)掉電后數(shù)據(jù)依然保持，而數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(隨機(jī)存儲(chǔ)器）在單片機(jī)掉電后數(shù)據(jù)丟失。,2.4 單片機(jī)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu),2.4.1.程序存儲(chǔ)器（只讀存儲(chǔ)器ROM） MCS-51單片機(jī)可以尋址64KB的程序存儲(chǔ)空間，其地址為0000H0FFFH（如圖所示），他的主要功能是存放用戶(hù)的程序數(shù)據(jù)和表格等信息。單片機(jī)啟動(dòng)復(fù)位后，程序計(jì)數(shù)器PC的內(nèi)容為0000H，所以系統(tǒng)將從0000H單元開(kāi)始執(zhí)行程序。但在程序存儲(chǔ)中有些特殊的單元，所以在編程時(shí)需要注意。,ROM分布圖,中斷響應(yīng)后，按中斷的類(lèi)型，自動(dòng)轉(zhuǎn)到各自的中斷區(qū)去執(zhí)行程序。

10、,只讀存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)介質(zhì)的發(fā)展如圖所示。 掩膜ROM，這種ROM是芯片生產(chǎn)廠根據(jù)ROM要存儲(chǔ)的信息，設(shè)計(jì)固定的半導(dǎo)體掩模板進(jìn)行生產(chǎn)的，一旦制作成為成品，其內(nèi)部的信息只能讀取不能進(jìn)行修改寫(xiě)入，由于這種ROM的成本低廉，所以這種ROM現(xiàn)在也大量使用，主要用在產(chǎn)品的量產(chǎn)中。 一次性編程ROM（PROM），容許用戶(hù)對(duì)其進(jìn)行一次性編程，即寫(xiě)入數(shù)據(jù)或者程序，一旦編程信息就永久性的保存，用戶(hù)只能讀出和使用，但不能改變其中的內(nèi)容。 紫外線可擦除可改寫(xiě)EPROM，可改寫(xiě)ROM芯片的內(nèi)容也由用戶(hù)寫(xiě)入，但容許用戶(hù)反復(fù)擦除重新寫(xiě)入，EPROM用電信號(hào)編程而用紫外線擦除的只讀存儲(chǔ)器芯片，在芯片外殼上方的中央有一個(gè)圓形窗口

11、，通過(guò)此窗口照射紫外線可以擦除原有的信息。 電可擦除EEPROM，這是一種由電信號(hào)編程也由電信號(hào)擦除的ROM芯片，它可以通過(guò)讀寫(xiě)操作進(jìn)行逐個(gè)存儲(chǔ)單元的讀出和寫(xiě)入。 Flash是在EEPROM的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種只讀存儲(chǔ)器，讀寫(xiě)速度都很快，寫(xiě)EEPROM雖然具有即可讀又可寫(xiě)的特點(diǎn)但其速度較慢。,2.4.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM) 存儲(chǔ)器也稱(chēng)為隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，作數(shù)據(jù)緩沖器用。單片機(jī)的內(nèi)部RAM結(jié)構(gòu)如圖所示：,1.通用寄存器區(qū)（00H1FH） 在00H1FH共32個(gè)單元中被均勻地分為四塊，每塊包含八個(gè)8位寄存器，均以R0R7來(lái)命名，我們常稱(chēng)這些寄存器為通用寄存器。我們?cè)诰幊痰臅r(shí)候會(huì)經(jīng)常使用到這些

12、寄存器，這就產(chǎn)生一個(gè)問(wèn)題，在程序中所使用的到底是哪一組呢？這里就引出了前邊所講到的程序狀態(tài)寄存器PSW，PSW中的第3、4位(RS0,RS1)決定了我們程序中所使用的到底是哪一組工作寄存器(如表所示)。,C： 進(jìn)位標(biāo)志位，當(dāng)無(wú)符號(hào)數(shù)據(jù)在運(yùn)算過(guò)程中出現(xiàn)進(jìn)位或者借位時(shí)，C置1。 AC：輔助進(jìn)位標(biāo)志位，當(dāng)?shù)谌幌虻谒奈贿M(jìn)位時(shí)置1。 F1/F2：用戶(hù)標(biāo)志位。 OV：溢出標(biāo)志位，當(dāng)有符號(hào)數(shù)據(jù)在運(yùn)算過(guò)程中發(fā)生溢出則置1。 P： 奇偶校驗(yàn)位，若累加器A中1的個(gè)數(shù)為基數(shù)個(gè)，則P為1，為偶數(shù)則置0。,2.可位尋址區(qū)(20H2FH) 單片機(jī)RAM的20H2FH為位可尋址區(qū)，在這段空間中，每個(gè)字節(jié)的每一位都有一個(gè)位

13、地址(共128個(gè)位，如圖所示)，每一位都可以進(jìn)行位操作?？梢?jiàn)本章16頁(yè)。,3.通用RAM區(qū)(30H7FH) 30H-7FH的80個(gè)單元只能以存儲(chǔ)單元的形式來(lái)使用，沒(méi)有其它規(guī)定或限制，存儲(chǔ)程序的中間結(jié)果或者變量。,4.特殊功能寄存器（SFR） 單片機(jī)片內(nèi)RAM的高128字節(jié)為單片機(jī)的21個(gè)特殊功能寄存器，他們離散的分布在80H-FFH的地址中，如表所示，其中有一部分特殊功能寄存器是可以位尋址的。,單片機(jī)的最小系統(tǒng)，就是指單片機(jī)可以工作的最小系統(tǒng)，沒(méi)有任何外 設(shè)。那么51單片機(jī)工作的最小必要條件是什么？當(dāng)然首先要有電源，為單 片機(jī)提供能量，有振蕩電路為單片機(jī)提供時(shí)序，要有復(fù)位電路，還有一個(gè) 很重要的條件，那就是我們單片機(jī)的第31號(hào)引腳,由于我們所使用的是單片 機(jī)的內(nèi)部的存儲(chǔ)器，所以第31號(hào)引腳必須接高電平如圖所示：,2.5 單片機(jī)最小系統(tǒng),2.6 課后