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1、第二章 单片机系统设计,模块概述 由于单片机面对的是测控对象，突出的是控制功能，所以它从功能和形态上来说都是应控制领域应用的要求而诞生的。随着单片机技术的发展，它在芯片内集成了许多面对测控对象的接口电路，如ADC,DAC、高速I/O口、PWM, WDT等。这些对外电路及外设接口已经突破了微型计算机(microcomputer)传统的体系结构，单片机电路是由单片机、单片机复位电路、时钟电路等构成的电路单元。本书以51系列单片机为基础，通过典型实例分析，指导读者学习单片机的基本知识，培养读者设计单片机系统的基本技能，下面将就AT89S51单片机的结构做具体分析。,下一页,第二章 单片机系统设计,教
2、学目标 1.理解和掌握单片机的工作原理和内部结构。 2.掌握汇编语言程序设计的基本方法。 3.理解人机接口的硬件结构与软件编程原理和设计方法。 4.掌握单片机系统扩展技术。 5.掌握单片机A/D,D/A接口技术。 6.基本掌握51串行通信技术。 7.初步掌握51应用系统的开发技术。,下一页,第二章 单片机系统设计,2.1单片机的基本结构 2.2单片机汇编语言指令 2.3练习,2.1单片机的基本结构,2.1.1 单片机的内部总体结构 总的来说，单片机是由8个大的部分组成的。这8个部分分别是中央处理器(CPU)、数据存储器(RAM ) ,程序存储器(ROM/EPROM),输入/输出接口(I/O，又
3、分为P0口、P1口、P2口和P3口)、可编程串行口、定时/计数器、中断系统以及特殊功能寄存器。,下一页,返回,2.1单片机的基本结构,2.1.2单片机的引脚功能 要使用一款单片机，除了知道其内部结构之外，还必须了解单片机的引脚功能。目前的单片机所采用的外形封装形式多为40Pin封装的双列直接DIP结构，图2-1是AT89S51单片机引脚配置图。40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。引脚说明如下: (1) Pinto接地脚。 ( 2) Pin40正电源脚。正常工作或对片内EPROM烧写程序时，AT89S51可以接 4. 5-
4、5. 5 V范围内的直流正电源。一般取+5V作为电源标称值来使用。,下一页,上一页,返回,2.1单片机的基本结构,(3) Pin19时钟XTALl脚，片内振荡电路的输入端。 (4) Pinl 8时钟XTAL2脚，片内振荡电路的输出端。 和其他51类单片机一样，AT89 S51的时钟也有两种方式:一种是片内时钟振荡方式，但需在18和19脚外接石英晶体(0一33 MHz)和振荡电容，振荡电容的值一般取10一30 pF;另外一种是外部时钟方式，即将XTALl接地，外部时钟信号从XTAL2脚输入，如图2-2所示。,下一页,上一页,返回,2.1单片机的基本结构,(5)输入/输出(I/O)引脚Pin39一
5、Pin32为P0. 0-P0. 7输入/输出脚，Pin1-Pin8为P1. 0-P1. 7输入/输出脚，Pin21-Pin28为P2. 0-P2. 7输入/输出脚，Pin10-Pin17为P3. 0-P3. 7输入/输出脚。这些输入/输出脚的功能说明将在以后的内容中予以阐述。 (6) Pin9 RST复位信号复用脚。当单片机通电后，时钟电路开始工作，在RST引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。初始化后，程序计数器PC指向0000H, P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指针写入07H，其他专用寄存器被清“0”。RST由高电平变为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。然而
6、，初始复位不改变RAM(包括工作寄存器R0-R7)的状态，单片机特殊功能寄存器的初始态如表2-1所列。,下一页,上一页,返回,2.1单片机的基本结构,单片机的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位，见图2 -3。此外，RST引脚还是一个复用脚，VcC掉电期间，此脚可接上备用电源，以保证单片机内部RAM的数据不丢失。 (7) Pin30 ALE/PROG，当访问外部程序存储器时，ALE(地址锁存)的输出用于锁存地址的低位字节;而访问内部程序存储器时，ALE端将有一个1/6时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于识别单片机是否在工作，也可以当作一个时钟向外输出;还有一个特点，当访问外部程序存储器时
7、，ALE会跳过一个脉冲。如果单片机是EPROM，在编程期间PROG将用于输入编程脉冲。 ( 8) Pin29 PESN，当访问外部程序存储器时，此引脚输出负脉冲选通信号，PC的16位地址数据将出现在PO和P2口上，外部程序存储器则把指令数据放到PO口上，由CPU读入并执行。,下一页,上一页,返回,2.1单片机的基本结构,(9) Pin31 EA/VPP ,程序存储器的内外部选通线。AT89 S51单片机内置有4 KB的程序存储器。当EA为高电平并且程序地址范围小于4 KB时，读取内部程序存储器指令数据;而超过4 KB地址，则读取外部指令数据。如为低电平，则不管地址大小，一律读取外部程序存储器指
8、令。在编程时，EA/V。脚还需加上21 V的编程电压。 2.1.3 AT9 S51单片机的内部构成 AT89S51单片机和其他普通单片机一样，其内部结构主要由中央处理器(CPU)、存储器、输入/输出I/O端口、定时/计数器和中断系统5大部分构成。各部分又分别由多个单元模块构成。单片机内部各部分之间的联系如图2 -4所示。,下一页,上一页,返回,2.1单片机的基本结构,1.中央处理器(CPU) 中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码。CPU负责控制、指挥和调度整个单片机系统协调地工作，完成运算和控制输入/输出功能等操作。CPU主要由运算器和
9、控制器等构成。 (1)运算器运算器主要包括算术与逻辑运算部件ALU、累加器ACC、寄存器B,暂存器TMP1和TMP2,程序状态字寄存器PSW、布尔处理器和十进制调整电路等。 算术与逻辑运算部件ALU可以对4位、8位和16位的数据进行操作。这些操作包括算术运算操作和逻辑运算操作。算术运算操作又包括加、减、乘、除、加1、减1,BCD数十进制调整与比较等;逻辑运算操作又包括与、或、异或、求补、循环移位等操作。,下一页,上一页,返回,2.1单片机的基本结构,累加器ACC ( Accumulator)是运算过程中数据传送的中转站。它是8位寄存器，也是常用的专用寄存器。在指令中，ACC一般可用A来表示。它
10、既可以用于存放操作数，也可以用于存放运算的中间结果。单片机中大部分单操作数指令的操作数要从ACC中获取，许多双操作数指令中的一个操作数也是取自ACC. 寄存器B ( General Purpose Register)是一个专门为乘法和除法运算设置的8位寄存器。在乘法与除法运算中，它可用于存放运算的操作数(即乘数或除数)，并在乘法和除法运算完成后，用来存放乘积的高8位或者是除法中的余数。另外，B寄存器还可以作为一般的数据寄存器来使用。,下一页,上一页,返回,2.1单片机的基本结构,程序状态字寄存器PSW (Program Status Word)也是一个8位的寄存器。它用于存放指令执行后累加器A
11、CC的状态信息。PSW中的状态位有Cy, Ac, Ov, P, F0, RSl, RSO等。其中，Cy,Ac,Ov,P状态位的数据是根据指令的执行结果由硬件自动形成的，而FO,RSI,RSO状态位的数据则是由用户根据实际的需要用程序软件指令来设定的。PSW的各状态位定义如表2-2所列。 进位标志位cy( caTTy)主要有两个方面的功能:一方面是存放算术指令运算的进位标志;另一方面是在位操作中，作为累加器c来使用。其中，在算术指令运算中，进行加、减等运算时，如果运算的结果使累加器A中的最高位D7有进位输出或是借位输入，那么此时Cy就被置为1;如果没有上述情况，Cy就为O。,下一页,上一页,返回
12、,2.1单片机的基本结构,辅助进位位Ac ( Auxiliary Carry)在加减运算中，当累加器A中的D3位向D4位有进位或借位时，A。就被置为1;如果没有上述情况，A。就为0。这个标志位的状态信息，通常是在二进制到十进制调整时使用。 用户标志位F0( Flag zero)是一个供用户定义的标志位，用户根据需要用程序软件对该标志位进行置位与复位的操作，以便控制用户程序的转移方向。,下一页,上一页,返回,2.1单片机的基本结构,工作寄存器区选择控制位RS1,RS0这两个标志位是合在一起来使用的，用于设定4个区的工作寄存器中，哪一组为当前工作的工作寄存器组。也就是说，对相同名称的RO一R7改变
13、其物理地址，并由用户通过程序软件来加以选择。单片机在开机或复位后，RS1和RS0被设置为低电平“0”的状态，因此R0-R7的物理地址就是00H-07H。相应的，若改变RS1 , RS0为01B，那么1区为当前工作寄存器组，且R0-R7的物理地址就变为08H一OFH。通过这种方法，用户就可以很方便地通过修改R0-R7物理地址，达到保护某一区RO -R7中数据的目的。这无疑对后面的程序设计是非常有利的。,下一页,上一页,返回,2.1单片机的基本结构,溢出标志位Ov ( Over flow)用于指示累加器A在算术运算过程中是否发生溢出。即若运算结果超出了8位数能表示的范围(-128-+127 )，那
14、么Ov就会自动被设置为1;若没有超出表示范围，则Ov为0。例如，在加法运算中，Ov=1，表示运算结果是错误的;Ov = 0，表示运算正确。在乘法运算中，Ov=1，表示运算得到的乘积超过255，即乘积不仅仅在累加器A中， 它还有一部分(即乘积的高位部分)在B寄存器中;Ov = 0，表示乘积数据仅在累加器A中。在除法运算中，Ov=1，表示除数为0，除法运算不能进行;Ov = 0，表示除数不为0，因此除法可以正常进行。,下一页,上一页,返回,2.1单片机的基本结构,奇偶标志位P ( Parity)用于指示累加器A中1数量的奇偶性。由硬件根据累加器A的内容对P位自动置位或复位。若累加器A中1的数量为奇
15、数，则P=1;反之，若累加器A中1的数量为偶数，则P=0。布尔处理器:是以PSW中的进位标志位Cy为其累加器，专门用于处理位操作。这些操作包括置位、位清。、位取反、位等于1转移、位等于。转移、位等于1转移并清。以及位累加器C与其他可位寻址空间之间的信息传送等。 (2)控制器控制器包括时钟发生器、定时控制逻辑、指令寄存器IR、指令译码器ID,程序计数器PC,程序地址寄存器、数据指针寄存器DPTR和堆栈指针SP等。,下一页,上一页,返回,2.1单片机的基本结构,控制器是用来统一指挥和控制计算机进行工作的部件。它的功能是从程序存储器中提取指令，送到指令寄存器IR，再进入指令译码器ID进行译码，并通过
16、定时和控制电路，在规定的时刻发出各种操作所需要的全部内部控制信息及CPU外部所需要的控制信号，如ALE,PESN,RD,WR等，使各部分协调工作，完成指令所规定的各种操作。 下面，本书就将其中的程序计数器PC、堆栈指针SP和数据指针寄存器DPTR等的具体概念及功能进行介绍。 程序计数器PC ( Program Counter)程序计数器PC是一个二进制16位的程序地址寄存器，专门用于存放下一条需要执行指令的内存地址，在执行指令后能自动加to CPU执行指令时，是先根据程序计数器PC中的地址从存储器中取出当前需要执行的指令码，并把它送给控制器分析执行。随后，程序计数器PC中地址码自动加1，以便为CPU取下一个,下一页,上一页,返回,2.1单片机的基本结构,需要执行的指令码做准备。当下一个指令码取出执行后，PC又会自动加1。这样，程序计数器PC就被一次次地加1，而指令就被一条条地执行。因此，必须在程序执行之前，预先将需要执行程序的机器码按顺序一条条存放到程序存储器中，并且还要将程序计数器PC设置为执行程序第一条指令的内存地址。 AT89S51单片机的程序计数器PC由16个触发器构
