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1、第2章MCS 51单片机结构 微机原理及应用 内容提要 概述MCS 51单片机内部结构存储器结构特殊功能寄存器引脚功能时钟电路与复位电路小结 2 1相关概念 微处理器 MPU 微型计算机 MCS 微控制器 MCU 数字信号处理器 DSP 片上系统 SOC 例 电子日历 系统结构 控制器 2 1 2单片机系统的开发过程 1 系统方案设计 软硬功能划分 包括单片机选型 2 硬件设计 电路设计 电路板制作 3 软件设计确定一些常数 地址 由硬件决定 编写程序软件 编译 查语法错 仿真调试 查找 排除逻辑错误 4 软硬件联调 测试 软硬件 系统5 写片 通过编程器固化程序 在线编程 系统电路 LED
2、开关 利用开关控制LED 单片机系统 功能更加强大 灵活便于进一步处理 电路图 硬件电路 软件设计 ORG0000HLJMPSTARTORG0030HSTART MOVSP 6FHMOVP1 0FFHLOOP MOVC P1 0CPLCMOVP1 1 CSJMPLOOPEND 框图 源程序 目标文件 最终写入程序存储器的文件 地址标号ORG0000H0000HLJMPSTARTORG0030H0030HSTART MOVSP 6FH0033HMOVP1 0FFH0036HLOOP MOVC P1 00038HCPLC0039HMOVP1 1 C003BHSJMPLOOPEND 机器码02003
3、0H75816FH7590FFHA290HB3H9291H80F9H 写片 仿真 单片机应用系统电路板包括单片机部份及为达到使用目的而设计的应用电路 仿真就是利用仿真器来代替应用电路板 称目标机 的单片机部份 对应用电路部份进行测试 调试 仿真主要目的 进行软件调试 借助仿真器 也进行一些硬件排错 是单片机开发过程中非常重要的一个环节 仿真类型 软件模拟仿真和利用仿真器仿真 仿真 仿真器 软件模拟仿真 是指用仿真软件来模拟单片机运行情况 它不能进行硬件系统的调试和故障诊断 一般在学习指令系统时常用这种方式 仿真器仿真 用仿真器以及微机可以进行软硬件系统的调试和故障诊断 在仿真调试过程中 可以以
4、各种运行方式运行程序 断点 单步 跟踪 还可以观察到单片机内部存储器 寄存器等的状态 微处理器 单片机核心部件 由运算器和控制器等部件组成 1运算器 其功能是进行 算术运算 加 减 乘 除 加1 减1 比较 BCD码十进制调整等逻辑运算 与 或 异或 求反 循环等逻辑操作位操作 内部有位处理器 它以进位标志位C为位累加器 用来处理位操作 可对位置1 清零 位判断等 操作结果的状态信息送至状态寄存器PSW 2 程序计数器PC 是16位的寄存器 用来存放将要执行的指令地址 可对64KB程序存储器直接寻址 执行指令时 PC内容的低8位经P0口输出 高8位经P2口输出 工作方式 1 顺序变化 自动加1
5、 2 跳跃变化 有条件或无条件 3 跳跃及返回 子程序调用或中断服务 3 指令寄存器 存放指令代码 CPU执行指令时 由程序存储器中读取的指令代码送入指令存储器 经指令译码器译码后由定时与控制电路发出相应的控制信号 完成指令功能 2 3存储器结构 MCS 51存储器结构特点 将程序存储器和数据存储器分开 各有自己的寻址方式 控制信号和功能 普林斯顿结构 哈佛结构 2 3 1程序存储器 程序存储器用来存放编制好的始终保留的固定程序和表格常数 程序存储器以程序计数器PC作为地址指针 通过16位地址总线 可寻址的地址空间为64KB 访问程序存储器使用MOVC指令 以PC或DPTR作为指针 从物理空间
6、看 有片内 片外程序存储器 从逻辑上看 片内 片外统一编址 引脚EA的接法决定了程序存储器的0000 0FFFH4KB地址范围是在单片机片内还是片外 程序存储器中的特殊地址 2 3 2数据存储器 从物理空间看 MCS 51有片内 片外数据存储器 从逻辑上看 MCS 51有片内数据存储器 片外数据存储器 一外部数据存储器 用于存放随机读写的数据 外部I O口地址影像区 MCS 51单片机的外部数据存储器和外部I O口实行统一编址 并使用相同的作选通控制信号 均使用MOVX指令访问 MCS 51单片机最多可扩展64KB外部数据存储器 二内部数据存储器 通用寄存器区堆栈区通用RAM区位寻址区特殊功能
7、寄存器区SFR52子系列附加RAM区 地址范围为80H FFH 通用寄存器区 地址00H 1FH的32个单元称为寄存器区 分为4组 每组有8个寄存器R0 R7 R0 R7作通用寄存器 R0 R1可用作间接地址寄存器使用 使用时由PSW中的RS1和RS0位选择其中一组寄存器 其它三组只能作为数据存储器使用 而不能作为寄存器使用 初始化或复位时 自动选中0组 设置多组寄存器可以方便保护数据 位寻址区 地址20H 2FH为位寻址区 16个单元 每单元有八个位 共128位 位地址范围为00H 7FH 既可位寻址 又可字节寻址 例MOV20H C将Cy内容送20H位单元 若Cy 1 位20H值为 1 例
8、MOV20H A将A中内容送至内部RAM的20H单元 位操作 字节操作 堆栈区Stack 堆栈区 内存中的一段保留区 遵循后进先出的原则 用于信息保存 包括进栈 PUSH 和出栈 POP 两种操作 8XX51堆栈 位于内部RAM区 深度不大于128字节 初始化时SP指向07H 特点 按字节进行操作 并且堆栈生成方向为地址增加方向 与其他CPU比较 通用RAM区 通用RAM区 除选中的寄存组 位寻址区和堆栈 以外的存储器 可采用直接 间接方式寻址 注 对51基本型单片机只有00H 7FH单元128字节的RAM区 对52增强型还有80H FFH组成的高128字节RAM区 共256字节RAM 只能采
9、用间接寻址 2 4特殊功能寄存器 特殊功能寄存器SFR SpecialFuctionRegister 包括累加器 状态标志寄存器 单片机内部各部件专用的控制 并行口 串行口映射寄存器 地址空间 21个特殊功能器不连续的分布在80H FFH128个字节地址空间 见表1 2 地址为X0H和X8H是可位寻址的寄存器 表2 2中用 表示 累加器A和寄存器B A 累加器 参与AL运算 运算前为操作数 运算后存放结果 参与I O操作 自带有全零标志Z A 0则Z 1 A 0则Z 0 B 寄存器 常用于乘除法运算 DPTR 数据指针寄存器 用来存放16位地址值 以便用间接寻址或变址寻址片外存储器 DPTR可
10、分成DPL和DPH两个8位寄存器分别使用 SP 堆栈指针 存放栈顶单元地址 程序状态字PSW 主要起着标志寄存器的作用 CY 进 借位标志 反映最高位的进位借位情况 加法为进位 减法为借位 CY 1 有进 借位 CY 0 无进 借位 AC 辅助进 借位标志 反映高半字节与低半字节之间的进 借位 AC 1有进 借位 AC 0无进 借位 FO 用户自定义标志位 OV 溢出标志 反映补码运算的运算结果有无溢出有溢出OV 1 无溢出OV 0 P 奇偶标志 运算结果有奇个 1 P 1 运算结果有偶个 1 P 0 可用于奇偶校验 RS1 RS0 工作寄存器组选择位 I O端口寄存器 P0P1P2P3 I
11、O端口寄存器 四个并行I O端口映射到SFR中的寄存器 功能 通过对该寄存器的读 写 可实现从相应I O端口的输入 输出 如 MOVP1 A 把A的内容从P1端口输出 MOVA P3 把P3端口线上的信息输入到A中 控制寄存器 IP IE 用于中断 TH TL TMOD TCON 用于定时 计数控制 SCONSBUF 用于串行端口控制 PCON 电源控制寄存器 在52子系列中 高128字节RAM和SFR的地址是重叠的 究竟访问哪一块可通过不同的寻址方式加以区分 访问高128字节RAM采用寄存器间址 访问SFR则只能采用直接寻址 访问低128字节RAM时 两种寻址均可采用 2 5引脚封装 8XX
12、51单片机有44引脚的方形封装形式和40个引脚的双列直插式封装形式 最常用的40个引脚封装 见图 引脚功能 Vss 接地端 Vcc 电源端 接 5V XTAL1 XTAL2 接外部晶体或外部时钟 PSEN 程序存储器允许 输出读外部程序存储器的选通信号 RST VPD 复位信号输入 接备用电源 当VCC掉电后 在低功耗条件下保持内部RAM中的数据 ALE PROG ALE地址锁存允许 ALE输出脉冲的频率为振荡频率的1 6 PROG对8751单片机片内EPROM编程时 编程脉冲由该引脚引入 EA VPP EA 0 单片机只访问外部程序存储器 EA 1 单片机访问内部程序存储器 在8751单片机
13、片内EPROM编程期间 此引脚引入21V编程电源VPP P0 0 P0 7 P0口 数据 低八位地址复用总线端口 P1 0 P1 7 P1口 静态通用端口 P2 0 P2 7 P2口 高八位地址总线端口 P3 0 P3 7 P3口 双功能静态端口 在增强型的52系列单片机中 P1 0 P1 1除为端口线外 还为定时 计数器2的外部引脚T2和T2EX 2 6时钟电路与复位电路 内部振荡方式 由于单片机内部有一个高增益运算放大器 当外接晶振后 就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲 如图 时钟电路 单片机的时钟信号用来提供单片机内各种微操作时间基准 8XX51单片机的时钟信号通常有两种电路形式 内部
14、振荡方式和外部振荡方式 电容器C01 C02起稳定振荡频率 快速起振的作用 电容值一般为5 30PF 8XX51 外部振荡方式 把已有的时钟信号引入单片机 这种方式适宜用于使单片机的时钟与外部信号保持一致 外部振荡方式 如图所示 对HMOS的单片机 8031 8031AH等 外部时钟信号由XTAL2引入 对于CHMOS的单片机 8XCXX 外部时钟由XTAL1引入 2 6 1基本时序单位 振荡周期p 晶振的振荡周期 又称时钟周期 为最小的时序单位 状态周期s 两个振荡周期节拍P1和节拍P2构成一个状态周期 用S表示 在P1有效时 通常完成AL操作 在P2有效时 一般进行内部寄存器之间的传输 机
15、器周期 MC 1个机器周期包含6个状态周期 用S1 S2 S6表示 共12个节拍 依次可表示为S1P1 S1P2 S2P1 S2P2 S6P1 S6P2即12个振荡周期组成 是计算机执行一种基本操作的时间单位 指令周期 执行一条指令所需的时间 一个指令周期由1 4个机器周期组成 因指令不同而异 MCS 51系列单片机除乘法 除法指令是4周期指令外 其余都是单周期指令和双周期指令 若用12MHz晶振 则单周期指令和双周期指令的指令周期时间分别为1 s和2 s 乘法和除法指令为4 s 4种时序单位中 振荡周期和机器周期是单片机内计算其他时间值 如波特率 定时器的定时时间等 的基本时序单位 单周期指
16、令时序 单字节周期指令 如INCA 双字节单周期指令 如ADDA data 例 外接晶振频率12MHZ时的各种时序单位 振荡周期 1 fosc 1 12MHZ 0 0833us状态周期 2 fosc 2 12MHZ 0 167us机器周期 12 fosc 12 12MHZ 1us指令周期 1 4 机器周期 1 4us 2 6 2复位电路 功能 使单片机的片内电路初始化 使单片机从一种确定的状态开始运行 使SFR寄存器进入初始化 不改变片内RAM区中的内容 条件 当MCS 51单片机的复位引脚RST出现两个机器周期以上的高电平时 复位形式 上电复位 在接通电源后 自动实现复位 开关复位 在电源接通的条件下 用接钮开关操作使单片机复位 WDT监控电路 在死机情况下 自动复位 上电后 由于电容充电 使RST持续一段高电平时间 当单片机已在运行过程中时 按下复位键也能使RST持续一段时间的高电平 从而实现上电且开关复位的操作 通常选择C 10 f R 10K 主要SFR复位后状态 PC 0000H程序计数器为零表明单片机复位后程序从0000H地址单元开始执行 A 00H表明累加器已被清零 PS
