5 单片机体系结构(Part2)

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1、 五 单片机体系结构 东软人才实训中心 Copyright2008ByNeusoftGroup Allrightsreserved 第五章 单片机体系结构 目标 本章旨在向学员介绍单片机的主要结构 通过本章的学习 学员应该掌握如下知识 单片机体系结构各功能部件 学时 7 0学时教学方法 讲授ppt 案例分析 00 07 08 0F 10 17 18 1F 寄存器组0 寄存器组3 寄存器组2 寄存器组1 图通用寄存器组 5 7 5RAM存储器空间的分配 处理器每次只使用四组寄存器组中的一组 如果程序员不指明 则处理器默认使用的是第0组寄存器组 采用这种机制是因为考虑到微控制器应用的特点 微控制器

2、 以及大多数嵌入式系统 一般不是计算密集型任务的 与通用计算机系统相比 嵌入式系统与外部I O设备交互更为频繁 从程序执行角度来看 处理器需要频繁地在不同程序片断 主程序 中断服务程序等 之间切换 在切换时必须保存原来程序片断的执行状态 下一条要执行的指令 已经读入寄存器的操作数和计算中间结果等等 为了减少切换的开销 8051微控制器采用多个寄存器组的设计模式 寄存器组1也作为缺省的堆栈 系统堆栈 使用 堆栈指针寄存器SP默认的数值是07 5 7 6通用寄存器组 程序状态字寄存器 PSW 在00H 1FH共32个单元中被均匀地分为四块 每块包含八个8位寄存器 均以R0 R7来命名 我们常称这些

3、寄存器为通用寄存器 这四块中的寄存器都称为R0 R7 那么在程序中怎么区分和使用它们呢 聪明的INTEL工程师们又安排了一个寄存器 程序状态字寄存器 PSW 来管理它们 CPU只要定义这个寄存的PSW的D3和D4位 RS0和RS1 即可选中这四组通用寄存器 若程序中并不需要用4组 那么其余的可用做一般的数据缓冲器 CPU在复位后 选中第0组工作寄存器 5 7 7位可寻址 bit addressable 8051中RAM空间分配中 地址20到2F中的内存空间是字节可寻址 同时也是位可寻址的 作为字节来寻址 该区域是16个字节的空间 按位来寻址则是128位空间 所谓 位可寻址 是指处理器可以直接读

4、写相应的位的数据 并进行例如置 1 清 0 求 反 转移 传送和逻辑等操作 位可寻址是8051微控制器最强大的特点之一 从程序角度来看这一特性能减少代码尺寸并提高执行速度 5 7 7位寻址区 片内RAM的20H 2FH单元为位寻址区 既可作为一般单元用字节寻址 也可对它们的位进行寻址 位寻址区共有16个字节 128个位 位地址为00H 7FH 位地址分配如表所示 CPU能直接寻址这些位 执行例如置 1 清 0 求 反 转移 传送和逻辑等操作 我们常称MCS 51具有布尔处理功能 布尔处理的存储空间指的就是这些位寻址区 用户RAM区 5 7 8用户RAM区 全局 静态变量 栈 特点 地址范围 3

5、0H 7FH 以字节为单位来访问 5 7 8堆栈和堆栈指针 图5 18堆栈和堆栈指针 FFH 80H7FH 30H2FH 20H1FH 00H SP 1 SP 数据压入 数据弹出 在片内RAM低128单元中 通用寄存器占去32个单元 位寻址区占去16个单元 剩下的80个单元就是供用户使用的一般RAM区了 地址单元为30H 7FH 对这部份区域的使用不作任何规定和限制 但应说明的是 用户使用的堆栈一般开辟在这个区域 5 7 9特殊功能寄存器SFR MCU 逻辑部件 Interrupts Timer0 Timer1 SerialPort I OPort SFRs 8051微控制器中集成了定时器 中

6、断控制器 串行通信控制器以及I O端口等数字逻辑部件 CPU通过一些专用寄存器与这些部件进行交互 这些专用寄存器被称为特殊功能寄存器 SFR specialfunctionregister 中断控制寄存器 特点 地址范围80H FFH 可以按字节访问 可以按位访问 定时器0控制寄存器 串口控制寄存器 I O控制寄存器 定时器1控制寄存器 5 7 9特殊功能寄存器SFR MCU SFRs RAM 图特殊功能寄存器SFR 在8051微控制器中 这些特殊功能寄存器SFR也被分配了地址 对应于存储器映射I O模式 因为RAM地址寄存器提供了00到FF范围的寻址能力 而低128字节的容量 内部RAM 地

7、址范围为00 7FH 已经占用 所以将80H以上的一些地址 RAM的高128字节 分配给这些特殊功能寄存器SFR 并将这些SFR 逻辑上 视为RAM的一部分 用高级语言编程时 编程平台预先定义好了这些特殊功能寄存器的名称与地址的映射关系 程序员可以在程序中使用名称来对其读写 附 特殊功能寄存器SFR 能够被8整除的地址都可以位寻址 附 特殊功能寄存器SFR 续 在用高级语言编程时 编程平台预先定义好了这些特殊功能寄存器的名称与地址的映射关系 程序员可以在程序中使用名称来对其读写 内部 外部 5 7 10完整的数据存储器布局 数据存储器 RAM 专用寄存器 内部RAM存储器 工作寄存器区选择位R

8、S0 RS1 5 8通用I O 图端口的功能 端口是以bit为单位 通常8位组成一组 对值 1 或 0 和信号进行转换 实现与外部设备进行数据交换功能的设备 将指令控制的 1 或 0 的值转换为 H 或 L 并从端口输出 从端口输入 H 或 L 并转换成可以用指令控制的 1 或 0 输出端口 对于程序员来讲是向端口写入数据 以控制硬件 输入端口 对于程序员来讲是从端口读出数据 以获知硬件状态 端口方向寄存器 一般来说 I O端口有决定输入输出方向的寄存器 譬如 将方向寄存器设为 0 则作为输入端口使用 将方向寄存器设为 1 则作为输出端口使用 依据芯片使用手册进行设定 图开关控制实例 因为连接

9、到GND SW为ON时 输入为 L SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SW6 SW7 SW8 b7b0 b7b0 b7b0 b7b0 b7b0 b7b0 b7b0 b7b0 输入数据 01111111 寄存器 b7b0 端口方向寄存器的对应位 0 端口P3数据寄存器 微处理器 因为有上拉 pull up 电源 SW为OFF时 输入为 H 输入 H 输入 H 输入 H 输入 H 输入 H 输入 H 输入 H 输入 L 电源 Vcc CPU I O接口 5 8通用I O 图LED控制实例 5 8通用I O 5 8通用I O P0口 P0 0 P0 7统称为P0口 在不接片外存储器与不扩展I

10、O口时 可作为准双向输入 输出口 在接有片外存储器或扩展I O口时 P0口分时复用为低8位地址总线和双向数据总线 P1口 P1 0 P1 7统称为P1口 可作为准双向I O口使用 P2口 P2 0 P2 7统称为P2口 一般可作为准双向I O口使用 在接有片外存储器或扩展I O口且寻址范围超过256字节时 P2口用作高8位地址总线 P3口 P3 0 P3 7统称为P3口 除作为准双向I O口使用外 还可以将每一位用于第二功能 而且P3口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能 准双向一般只能用于数字输入输出 输入时为弱上拉状态 约50K上拉 准双向口其特点是在输入数据时 应先把端

11、口数据寄存器置1 5 8 1I O复用 p3口第二功能 交通灯实验 红绿灯实验设东西方向和南北方向均有红黄绿灯 控制规则为 南北绿灯亮10s 黄灯亮3s 红灯亮13s 晶振为12MHZ 端口分配 东西方向P1 0REDP1 1YELLOWP1 2GREEN南北方向P1 3REDP1 4YELLOWP1 5GREEN 5 9串行输入输出 图通信的两种基本方式 a 并行通信 b 串行通信 异步通信与同步通信1 异步通信异步通信是指通信的发送与接收设备使用各自的时钟控制数据的发送和接收过程 为使双方的收发协调 要求发送和接收设备的时钟尽可能一致 5 9 1串行通信传输方式 5 9 1串行通信传输方式

12、 图串行异步传送的字符格式 a 字符格式 b 有空闲位的字符格式 异步传输方式 在串行异步传送中 通信双方必须事先约定 1 字符格式 双方要事先约定字符的编码形式 奇偶校验形式及起始位和停止位的规定 例如用ASCII码通信 有效数据为7位 加一个奇偶校验位 一个起始位和一个停止位共10位 当然停止位也可以大于1位 2 波特率 Baudrate 波特率就是数据的传送速率 即每秒钟传送的二进制位数 单位为位 秒 它与字符的传送速率 字符 秒 之间有以下关系 波特率 一个字符位数 字符 秒要求发送端与接收端的波特率必须一致 异步串行通信的特点 1 以字符为单位发送 字符之间的间隔不受限制 2 由起始

13、位和停止位使收发双方同步 3 通信的精确格式可以由收发双方选择 4 发送端和接收端由各自的时钟控制数据的接收和发送 5 9 1串行通信传输方式 2 同步通信同步通信时要建立发送方时钟对接收方时钟的直接控制 使双方达到完全同步 此时 传输数据的位之间的距离均为 位间隔 的整数倍 同时传送的字符间不留间隙 即保持位同步关系 也保持字符同步关系 发送方对接收方的同步可以通过两种方法实现 外同步自同步 5 9 1串行通信传输方式 续 同步传输方式 同步通信是由一个起始同步符和若干个数据位以及一个检验字段组成 传输的数据可以以字符为单位 也可以以二进制位为单位 因此同步传输也称为数据流传输 同步通信中一

14、般数据位可达上千位 因此传输效率较高 传输速度较快 如果传输的位数很多 要求收发严格同步 传输中可采用 曼彻斯特 编码 从高到低跳变表示 1 从低到高跳变表示 0 数据中隐含时钟信息 图同步通信格式 两种通信方式比较 异步通信的特点是不要求收发双方时钟的严格一致 实现容易 设备开销较小 但所传输的一帧数据位数固定 还要附加2 3位用于起止位 各帧之间还有间隔 因此传输效率不高 同步通信的特点是以特定的位组合 01111110 作为帧的开始和结束标志 所传输的一帧数据可以是任意位 所以传输的效率较高 但实现的硬件设备比异步通信复杂 5 9 1串行通信传输方式 续 串行通信的传输方向 1 单工单工

15、是指数据传输仅能沿一个方向 不能实现反向传输 2 半双工半双工是指数据传输可以沿两个方向 但需要分时进行 3 全双工全双工是指数据可以同时进行双向传输 单工半双工全双工 5 9 2串行通信传输方式 物理连接角度 图串行通信数据传送的三种方式 a 单工方式 b 半双工方式 c 全双工方式 5 10定时器 计数器 图定时器 计数器T0 T1的结构框图 对于定时器 计数器来说 不管是独立的定时器芯片还是单片机内的定时器 大都具有以下特点 1 定时器 计数器有多种方式 可以是计数方式也可以是定时方式 2 定时器 计数器的计数值是可变的 当然计数的最大值是有限的 这取决于计数器的位数 计数的最大值也就限

16、定了定时的最大值 3 在到达设定的定时或计数值时发出中断申请 停止计数 程序往下运行 以便实现定时控制 MCS 51单片机内带有两个16位定时器 计数器T0和T1 它们均可作为定时器或计数器使用 5 10 1定时器 计数器结构 定时器 计数器的核心是16位加法计数器 图中用特殊功能寄存器TH0 TL0及TH1 TL1表示 TH0 TL0是定时器 计数器0加法计数器的高8位和低8位 TH1 TL1是定时器 计数器1加法计数器的高8位和低8位 作计数器用时 加法计数器对芯片引脚T0 P3 4 或T1 P3 5 上的输入脉冲计数 每输入一个脉冲 加法计数器增加1 加法计数溢出时可向CPU发出中断请求信号 16位加法器 作定时器用时 加法计数器对内部机器周期脉冲Tcy计数 由于机器周期是定值 所以对Tcy的计数就是定时 如Tcy 1 s 计数值100 相当于定时100 s 加法计数器的初值可以由程序设定 设置的初值不同 计数值或定时时间就不同 5 11中断 所谓中断是指CPU对系统中或系统外发生的某个事件的一种响应过程 即CPU暂时停止现行程序的执行 而自动转去执行预先安排好的处理该事件的服务