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1、1,第2章 单片机内部硬件架构及资源,本讲重点: 1.MCS-51单片机的内部结构; 2.单片机的引脚与I/O口结构; 3.存储器、堆栈与特殊功能寄存器; 4.单片机工作的基本时序; 5.这一章以一些记忆性的为主,为后续章节提供了实现的内部硬件架构和物质保障; 6.(复习)自己总结一下,51单片机内部涉及哪些寄存器,写出这些寄存器的英文全称,写出一些SFR有哪些位组成,2,2.1 单片机发展史 2.1.1 单片机的产生与发展 2.1.2 单片机与计算机之异同 2.1.3 单片机的特点 2.2 MCS-51单片机内部结构 2.2.1 MCS-51单片机系列区别 2.2.2 MCS-51单片机基本
2、特性 2.2.3 单片机的引脚定义 2.3 并行输入/输出接口 2.3.1 单片机的引脚(P1口) 2.3.2 单片机的引脚(P0口) 2.3.3 单片机的引脚(P2口) 2.3.4 单片机的引脚(P3口),3,2.4 单片机中几个重要的结构 存储器、堆栈、SFR 2.4.1 单片机的存储器几个有关的概念: 2.4.2 89C51单片机存储器配置 2.4.3 堆栈 2.4.4 89C51特殊功能寄存器 2.5 单片机工作的基本时序 2.5.1 机器周期和指令周期 2.5.2 MCS-51指令的取指/执行时序 2.5.3 访问外部ROM和RAM的时序 2.5.4 读外部数据RAM时序 2.5.5
3、 写外部数据RAM的时序 2.6 单片机的工作方式 2.6.1复位方式 2.6.2程序执行方式 2.6.3 节电工作方式,4,2.1 单片机发展史(了解),2.1.1单片机的产生与发展 第1阶段(19711976): 单片机发展的初级阶段 第2阶段(19761980): 低性能单片机阶段 MCS-48系列 第3阶段(19801983): 高性能实用性很强的单片机阶段 MCS-51系列 第4阶段(198380年代末):16位(全功能)单片机阶段. MCS-96系列8098/8096、80C198/80C196, 第5阶段(90年代):(量体裁衣)单片机在集成度、多元化,功能、速度、可靠性、应用领
4、域等全方位向更高水平发展. DSP,32位单片机ARM,5,单片机与嵌入式: 微控制器 MCU (Micro-Controller Unit) 嵌入式微控制器(Embedded Microcontroller),单片机应用领域: 测控系统、智能仪表、智能接口、办公自动化、光机电一体化设备、通讯设备、网络设备、汽车电子、消费类电子产品、智能楼宇设备,单片机的多种型号: Intel Atmel(89 AVR) Motorola(M68HC08) TI(MSP430) Philips Winbond(华邦) Microchip (微芯PIC),6,Atmel 标准型:AT89C51 AT89C52
5、AT89lv51 AT89lv52 低档型:AT89C1051 AT89C2051(2Kflash) (20PIN) 高档型: AT89S51 AT89S52 ISP功能 AVR.,Philips P80CXX P87CXX P89CXX P87LPC7XX,TI MSP430,PIC系列,7,1.组成: CPU(进行运算、控制) RAM(数据存储器) I/O口(串口、并口等) ROM(程序存储器) PC机:上述部件以独立器件形式安装在主板上.包括:键盘、显示器、鼠标、硬/软/光驱、音箱、打印机、扫描仪等外设 单片机:上述部件被集成到单芯片中,只是一片集成电路.(8/16/20/28/32/4
6、0/48/100条引脚).,2.1.2 单片机与计算机之异同,2.功能: PC机: 数据运算、采集、处理、存储、传输; 单片机:控制(或受控于)外设,测控,往往嵌入某个仪器/设备/系统中,使其达到智能化的效果.,8,3.应用特点: PC机: 体积大,功耗大,价格高(3000),用途较固定,属通用计算机.易于学习掌握和使用,但用于控制时必须安装一定的应用软件. 单片机: 体积小,功耗小,价格低,用途灵活,无处不在,属专用计算机.是一种特殊器件,需经过专门学习方能掌握应用,应用中要设计专门的硬件和软件.,4.联系 单片机的应用开发,软件编程环境(keil)、硬件SCH,PCB的设计(Protel)
7、都是在PC个人电脑上进行的,9,2.1.3 单片机的特点 控制功能强,指令丰富.如转移,逻辑判断,位操作等; 体积小,可靠性高,结构灵活,易于组成各种微机应用系统. 低功耗、低电压; 便于制作便携式、网络化等产品; 外部设备接口集成度高SOC (System On Chip).如:可以集成AD/DA/LCD 驱动/串口/USB/CAN/PWM等 单片机与单片机系统: 单片机是指一块芯片,它不能完成特定的应用任务; 单片机系统指在一块单片机芯片的基础上,扩展了显示、键盘、以及其它外围芯片,构成的系统,10,2.2.1 MCS-51单片机系列区别(强调,考试),2.2 MCS-51单片机内部结构,
8、11,表中列出了MCS-51系列单片机的两个子系列, 在4个性能上略有差异.在本子系列内各类芯片的主要区别在于片内有无ROM或EPROM; MCS-51与MCS-52子系列间所不同的是: (1)片内程序存储器ROM从4KB增至8KB; (2)片内数据存储器由128个字节增至256个字节; (3)定时器/计数器增加了1个; (3)中断源增加了12个. 对于制造工艺为CHMOS的单片机, 由于采用CMOS技术制造, 因此具有低功耗的特点,如8051功耗约为630mW, 而80C51的功耗只有120mW.,12,2.2.2 MCS-51单片机基本特性(内部资源),1.8位的CPU,片内有振荡器和时钟
9、电路,工作频率为 112MHz(Atmel 89Cxx为024MHz) 2.片内有 128字节 RAM 3.片内有 0K/4K字节 程序存储器ROM 4.可寻址片外64K字节 数据存储器RAM (216 =65536=1024*64) 5.可寻址片外64K字节 程序存储器ROM(少用了) 6.片内21个特殊功能寄存器(SFR-Special Function Register) 7.4个8位并行I/O口(P0-P3) 8.1个全双工串行口(UART) 9.2个16位 定时器/计数器(TIMER/COUNTER) 10.可处理5个中断源,两级中断优先级 11.内置1个布尔处理器Cy和1个累加器A
10、CC 12.MCS-51指令集含111条指令,13,内部结构框图 (了解),14,MCS-51单片机组成结构中包含运算器、控制器、片内存储器、4个I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统、振荡器等功能部件. 运算部件以算术逻辑单元ALU (Arithmetic Logic Unit)为核心,包括累加器ACC (Accumulator)、寄存器B、暂存器、程序状态字PSW等许多部件.它能实现数据的算术逻辑运算、位变量处理和数据传输操作. MCS-51单片机(51子系列)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.,15,从一片集成电路的角度去认识单片机,DIP-4
11、0封装 P0.0P0.7(39-32) 8 P1.0P1.7(1-8) 8 P2.0P2.7(21-28) 8 P3.0P3.7(10-17) 8 Vcc(40), GND(20) 2 XTAL1, XTAL2(18/19) 2 RESET(9) 1 EA*/Vpp(31) 1 ALE/PROG*(30) 1 PSEN*(29) 1,2.2.3 单片机的引脚(pin),Protel99中的位置 Protel DOS Schematic Libraries.ddb Protel DOS Schematic Intel.lib 8031,16,44只引脚方形(PLCC)封装方式为(4只没有用),1
12、7,18,(1)Vcc(40), GND(20): 正电源端与接地端(+5V/3.3V/2.7V)不同的单片机可以允许不同的工作电压,不同的单片机表现出的功耗也不同. (2)XTAL1, XTAL2(18,19):Crystal片内振荡电路输入/输出端,晶振实物图片,19,也可以由 XTAL1端接入外部时钟,此时应将 XTAL2接地:,典型晶振电路(OSC Oscillator) 通常外接一个晶振两个电容,20,CPU总是按照一定的时钟节拍与时序工作(后面有详细叙述),1.振荡周期/时钟周期Tc:(clock) (记忆) 对于12MHz,1个振荡周期1/12 us 振荡周期=1/fosc 2.
13、状态周期Ts: (很少用到此概念) Ts(status)=2个时钟周期(Tc) 3.机器周期:Tm(machine)=6个状态周期(Ts)=12个振荡周期(Tc)(记忆)对于12MHz,1个机器周期1us 6MHz呢? 4.指令周期: Ti(instruction):执行一条指令所需的机器周期(Tm)数 (如DJNZ R7,$ 两个机器周期) NOTE:1个指令周期=1、2、4个机器周期(后面提到),21,(3) RESET(9): 复位端(正脉冲有效,两个机器周期(2us-12MHz)的高电平信号使系统复位) 复位使单片机进入某种确定的初始状态: （1） PC (Programe Count
14、er)值归零(0000H) （2）各个SFR被赋予初始值 （3）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.,22,PC与SFR(Special Function Register)特殊功能寄存器 特殊功能寄存器复位状态表(记忆！),23,+5V,10uF,8.2k,Vcc,RST,GND,上电复位 阻容复位,10uF,10K,Vcc,RST,GND,手动 当访问外部存储器时,ALE信号的负跳变将P0口上的低8位地址送入锁存器; 不访问外部存储器时,ALE端以固定的振荡器振荡频率的1/6速率输出正脉冲信号,作为对外的时钟信号或定时脉冲ffosc/6 (记忆!)
15、 PROG* 对片内ROM编程时编程脉冲由此端加入(了解),29,例1:SRAM6264的扩展,锁存器74LS373,30,8031,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,(6)PSEN* (Program Store Enable) 低有效 (29脚) 寻址外部程序存储器时选通外部ROM的读控制端(OE*),Note:读取外部ROM时,每个机器周期产生两次PSEN有效信号, 执行片内ROM取指时,不产生PSEN信号,31,综述(记忆,重要,记住这几个结论!) P
16、0.0P0.7:双向8位数据口和输出低8位地址,内部无上拉电阻,做为普通I/O口使用时,外部一般接10k上拉电阻 P1.0-P1.7:内置了上拉电阻的8位准双向()I/O口 P2.0P2.7:内置了上拉电阻的8位准双向I/O口 寻址外部程序存储器时,输出高8位地址; 不接外部程序存储器时,可作为8位准双向I/O口使用. P3.0P3.7:内置了上拉电阻的8位准双向I/0口 它具有特定的第二功能.不使用它的第二功能时,可作为8位准双向I/O口.,2.3 并行输入/输出接口,32,排阻的实物图片,33,P3口第二功能表(重要),34,准双向口:在输入数据时,应先把口线置1,使两个输出FET关断,使管脚“浮置”,成为高阻状态,这样才能正确的输入数据,这就是所谓的准双向口 在准双向口作为输入口时,应先置1锁存器,即先向该I/O口写“1”,使该I/O口工作于输入方式,然后再读引脚.(记忆) 比如,要
