单片机-完整最新课件

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1、.,第二章 MCS-51单片机的基本结构及工作原理,.,2,MCS-51单片机的基本结构及工作原理 2-1 MCS51单片机的基本结构 2-2 MCS51的存储器结构 2-3 专用功能寄存器的SFR 2-4 单片机的工作方式与最小应用系统 主要内容 MCS-51系列单片机的内部结构、存储器结构、工作原理、引脚功能、工作方式、时序和最小应用系统,.,3,本章要点： 掌握 MCS-51单片机的内部结构、存储器结构 、PSW特殊功能寄存器的使用、引脚功能、最小应用系统的设计； 了解 工作时序及工作方式。,.,4,第一节 MCS-51单片机的基本结构,教学内容： 一、MCS-51单片机内部结构 二、C

2、PU 三、输入输出端口结构 四、端口负载能力和接口要求 五、MCS-5l引脚及功能,.,MCS-51系列单片机配置一览表,.,一、MCS-51内部结构,图2-1 8051的功能部件图,外部中断,.,7,二 、 CPU,主要功能：产生各种控制信号，去控制存储器、输入输出端口的数据传送、数据的算术运算、逻辑运算以及位操作处理等。,（一）运算器 组成：运算器由算术逻运算部件ALU、累加器Acc、暂存器、程序状态字寄存器PSW、BCD码运算调整电路等组成 。 对数据完成算术运算，逻辑运算、循环移位、位处理。,.,8,（二）控制器 组成：由程序计数器PC、指令寄存器、指令译码器、定时控制与条件转移逻辑电

3、路等组成。 功能：对来自存储器中的指令进行译码，通过定时控制电路，在规定的时刻发出各种操作所需的全部内部和外部控制信号，协调各功能元件的工作，完成指令所规定的功能。,.,9,特点： 它是16位的按机器周期自动加1计数器,一切分支/跳转/调用/中断/复位 等操作的本质就是:改变 PC 值,总指向下一条指令所在首地址(当前PC值),1程序计数器PC(Program Counter) 一个16位的专用寄存器，用来存放下一条指令的地址。它具有自动加1的功能。,.,10,2指令寄存器 一个8位的寄存器，用于暂存待执行的指令，等待译码。,3指令译码器 对指令寄存器中的指令进行译码，分析它的功能，并根据功能

4、产生相应的电信号。,.,11,4数据指针DPTR 是一个16位的地址指针寄存器。它主要用来存放16位地址，作间址寄存器使用。可用来访问64K外部数据存储器和I/O端口。 DPTR也可以拆成两个独立8位寄存器，即DPH（高8位字节）和DPL（低8位字节），分别占据83H和82H两个地址。,.,12,5. 定时控制部件与时序,功能：在规定的时刻发出各种操作所需的全部内部和外部的控制信号，协调各功能元件工作，完成指令所规定的功能。 主要任务：产生一个工作时序，其工作需要时钟电路提供一个工作频率。,.,13,（1）时钟电路设计,XTAL1, XTAL2: 接外部晶振的两个引脚。,MCS-51内部有一个

5、用于构成振荡器的高增益反相放大器，此放大器的输入和输出端分别是引脚XTAL1和XTAL2，在XTAL1和XTAL2上外接时钟源即可构成时钟电路。,.,14,（1）时钟电路设计,XTAL1, XTAL2: 接外部晶振的两个引脚。,单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。 有内部和外部两种时钟产生方式。 单片机的生产工艺不同，接法也不同。,.,16,在XTALl和XTAL2两端接晶体或陶瓷谐振器，与内部反向器构成稳定的自激振荡器。 参数选取：C1、C2起稳定振荡频率，快速起振的作用。,外接晶振时：Cl和C2选择1030pF

6、外接陶瓷谐振器时： Cl和C2的典型值约为4010pF。 振荡频率范围一般是1.2MHz12MHz，有的可达40MHz。,.,17,设计印刷电路板时，晶体和电容应尽可能安装在单片机芯片附近，以减少寄生电容，保证振荡器稳定和可靠工作。,.,18,.,19,（2）CPU的时序,80C51的片内振荡器及时钟发生器,.,20,振荡信号经一个二分频触发器向芯片提供了一个2节拍的状态信号。 状态周期是振荡周期（时钟周期）的2倍。 每个状态周期有两个节拍P1和P2。在每个状态的前半周期，节拍P1有效，在每个状态的后半周期，节拍P2有效。 CPU就以两相时钟P1和P2为基本节拍指挥51单片机各个部件协调地工作

7、。,.,CPU总是按照一定的时钟节拍与时序工作：,振荡周期（时钟周期）：晶振频率fosc（或外加频率） 的倒数 状态周期：2个振荡周期 机器周期：完成一个规定操作所需要的时间。 如，取指令、存储器读、存储器写等； 1个机器周期=6个状态周期=12个振荡周期 指令周期: 执行一条指令所需的机器周期数,1个机器周期 = 12个振荡周期；,1个指令周期 = 1、2或4个机器周期,思考：若采用12MHz的晶振频率，其机器周期=？,.,22,通常，每个机器周期中，ALE两次有效，第一次出现在S1P2和S2P1期间，第二次出现在S4P2和S5P1期间。,.,23,CPU取指、执行时序,每条指令的执行都可以

8、包括取指令和执行两个阶段。 在取指阶段，根据程序计数器PC的内容， CPU从内部或外部ROM中取出指令操作码及操作数，然后再执行这条指令。 按指令执行时间分类： 单周期、双周期、四周期 按指令所占字节数分类： 单字节、双字节、三字节,.,24,各指令的微操作在时间上有严格的次序，这种微操作的时间次序我们称作时序。,单字节指令 如：INC A,（1）单周期指令时序,双字节指令 如：ADD A, #data,.,25,单字节单周期指令,指令特点:在程序存储器ROM中仅占一个存储单元。 在ALE第一次有效(S2P1)时,从ROM中读取指令的操作码，送入指令寄存器IR中， PC加一，并译码执行，在AL

9、E第二次有效时,封锁PC加一，并丢弃第二次读的操作码。,单片机的工作过程,取指过程,例: MOV A,#09H 74H 09H ;把09H送到累加器A中,执行过程,PC=,0000H,0 1 1 1 0 1 0 0,0 0 0 0 1 0 0 1,(PC),(PC),0001H,0002H,0000H,外部控制总线CB,取指过程,(PC),执行过程,你知道PC的作用吗？,.,27,五、MCS-51单片机的引脚及其功能,AT89S52 DIP 40 封装,.,认识单片机的引脚,MCS-51单片机40脚 Vcc, GND 2 XTAL1, XTAL2 2 RESET 1 EA/Vpp 1 ALE/

10、PROG 1 PSEN 1,P0.0P0.7 8 P1.0P1.7 8 P2.0P2.7 8 P3.0P3.7 8,.,29,（1）Vcc（40脚）, GND（20脚） 正电源端与接地端 不同的单片机可以允许不同的工作电压（+5V / 3.3V / 2.7V) ，不同的单片机表现出的功耗也不同。 （2）XTAL1（19脚）, XTAL2（18脚） 片内振荡电路输入/输出端,.,对AT89S51/S52单片机，通常外接一个晶振两个20或30pf电容，一个12M或11.0592MHz的晶振,.,31,（3）RST/VPD(9脚)、ALE/PROG (30脚) 、 EA/Vpp (31脚) 、PSE

11、N (29脚)控制信号引脚。 RST/VPD：复位（正脉冲有效）/备用电源引脚 复位使单片机进入某种确定的初始状态 退出处于节电工作方式的停顿状态、退出一切程序进程、退出程序的死循环，从头开始。 Vcc掉电期间，此引脚可接备用电源，能保护片内RAM中的内容不丢失。,.,32,无论是HMOS型还是CHMOS型的单片机，在振荡器正在运行的情况下，复位是靠在RST引脚上施加持续2个机器周期的高电平来实现的。 MCS-51单片机通常采用的简单复位电路有：上电自动复位、外部脉冲复位、上电+按钮电平复位、程序运行监视复位等方式。,.,简单复位电路,+5V,10uF,10k,Vcc,RST,GND,上电复位

12、,10uF,10k,Vcc,RST,GND,上电+按钮复位,1k,+5V,.,34,.,35,程序运行监视复位 程序运行监视复位通常是由各种类型的程序监视定时器WDT（Watchdog Timer）俗称为“看门狗”实现。WDT可保证程序非正常运行（如程序“飞逸”、“死机”）时，能及时进入复位状态，恢复程序正常运行。,.,36,“看门狗”工作原理： 在规定时间内必须至少“喂狗”一次，即复位“看门狗”。否则“看门狗”电路将复位单片机。 实现： 可在软件的合适地方加一条“喂狗”指令，使看门狗的定时时间永远达不到预置。,.,37,WDT通常有几种实现方法供用户选择： 1）单片机内部带有的WDT功能单元

13、（如：S51） 2 ）选择P （microprocessor）监视控制器件，这些器件中大多有WDT电路，如Max705芯片等。,.,38,P 监视控制器件,MAX705/706、 DS1232等 DS1232（看门狗）是DALLAS 公司生产的一种微机监控电路芯片。 主要功能：产生上电复位和手动复位，监视电源电平，监视软件运行状态，当程序运行出现飞车时，产生复位信号。,.,39,.,40,看门狗定时器定时时间设置,Tol：电源检测选择端 Tol接地，电源电压跌至4.75V以下产生复位信号 Tol接VCC，电源电压跌至4.5V以下产生复位信号,注意：保证看门狗定时器计数溢出前复位看门狗定时器,.

14、,41,.,42,89S51看门狗功能的使用方法,在ATMEL的89S51系列的89S51与89C51功能相同，指令兼容。 89S51比89C51增加了一个看门狗功能。,要激活AT89S51/52的看门狗功能，只需依次向WDTRST寄存器（SFR地址为0A6H ）单元送入#01EH和#0E1H即可，使看门狗定时计数器工作。,.,43,AJMP MAIN ;启动看门狗 MAIN: MOV 0A6H, #01EH ; 先送1E MOV0A6H, #0E1H ; 后送E1 ;主程序 START: . ACALL WDT ; 调用复位看门狗子程序 . AJMP START ; 主程序* ;复位看门狗子

15、程序 WDT: MOV 0A6H, #01EH ; 先送1E MOV 0A6H, #0E1H ; 后送E1RET END,.,44,注意事项：,1 89S51的看门狗必须由程序激活后才开始工作。所以必须保证CPU有可靠的上电复位。否则看门狗也无法工作。 2 看门狗使用的是CPU的晶振。在晶振停振的时候看门狗也无效。 3 89S51只有14位计数器。在16383个机器周期内必须至少喂狗一次。而且这个时间是固定的，无法更改。当晶振为12M时每16个毫秒需喂狗一次。,.,45,ALE/PROG（30脚）: 地址锁存允许/编程脉冲输入端。 P0口寻址外部低8位地址时接外部锁存器74ls373的G端；

16、ALE端平时会输出周期正脉冲： f fosc/6 ； 对片内ROM编程时编程脉冲由此端加入。 （指并行编程模式）,.,46,EA/Vpp（31脚）: 寻址外部ROM控制端 / 编程电源输入端。 低电平有效， 片内无ROM时必须接地； 片内有ROM时可以接高电平 ，也可以接低电平； 接低电平时，只访问片外ROM，接高电平时，访问片内ROM，超范围时，访问片外ROM 对S51/S52单片机，若不扩展ROM，/EA要接+5V 对片内ROM编程时编程正电源加到此端。 （指并行编程模式）,.,单片机,锁存器74LS373,P0.0-P0.7,ALE,PSEN,P2.0-P2.4,8D,8Q,OE,A8-A12,A0-A7,D0-D7,G,EA,OE,CE,EPROM,.,49