第三章-单片机的结构及原理

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1、第三章 单片机的结构及原理31 80C51单片机内部包合哪些主要逻辑功能部件?各有什么主要功能?答：80C51单片机内部主要包含有CPU、存储器、可编程I/O口、定时器/计数器、串行等，各部分通过内部总线相连。各部分主要功能如下: (1)中央处理器(CPU) 中央处理器是单片机最核心的部分，是单片机的大脑和心脏，主要完成运算和控制功能。80C5l的CPU是一个字长为8位的中央处理单元，即它对数据的处理是以字节为单位进行的。 (2)内部数据存储器(内部RAM) 80C51中共有256个RAM单元，但其中能作为寄存器供用户使用的仅有前面128个，后面128个被专用寄存器占用。其可存储程序在运行时的

2、变量和数据。 (3)内部程序存储器(内部ROM) 80C51共有4KB掩膜ROM，用于存放程序、原始数据等。 (4)定时器/计数器 80C51共有2个16位的定时器/计数器，可以实现定时和计数功能。 (5)并行I/O口 80C51共有4个8位的I/O口，可以实现数据的并行输人、输出。 (6)串行口 80C5l有1个全双工的可编程串行口，以实现单片机和其他设备之间的串行数据传送。 (7)时钟电路 80C51单片机内部的时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列，使计算机在时钟信号的驱动下按照严格的节拍顺序执行各种操作。32 什么是指令?什么是程序?简述程序在计算机中的执行过程。答：指令是控制计算机进行某种

3、操作的命令。CPU就是根据指令来指挥和控制计算机各部分协调地动作，完成规定的操作。指令是由二进制代码表示的。通常指令分为操作码和操作数两部分：操作码规定操作的类型，操作数给出参加操作的数据或存放数据的地址。 为完成某项规定任务，把计算机指令按一定次序进行编排组合所形成的指令集称为序。 程序在计算机中的执行过程实质就是执行人们所编制程序的过程，即逐条执行指令的过程。计算机每执行一条指令都可分为三个阶段进行，即取指令，分析指令和执行指令。 取指令阶段的任务是：根据程序计数器PC中的值从程序存储器读出现行指令，送到指令寄存器。分析指令阶段的任务是：将指令寄存器中的指令操作码取出后进行译码，分析其指令

4、性质。如指令要求操作数，则寻找操作数地址。 执行指令阶段的任务是:取出操作数，然后按照操作码的性质对操作数进行操作，即执行指令。 计算机执行程序的过程实际上就是逐条指令地重复上述操作过程，直至遇到停机指令或循环等待指令。33 如何认识 80C51存储器空间在物理结构上可划分为四个空间，而在逻辑上又可划分为三个空间?答：80C51存储器是采用将程序存储器和数据存储器分开寻址的结构，其存储器空间在物理结构上可划分为如下四个空间：片内程序存储器、片外程序存储器、片内数据存储器、片外数据存储器。 逻辑上又可划分为如下三个空间：片内256B数据存储器地址空间，片外64KB的数据存储器地址空间和64KB程

5、序存储器。因为片内、片外的程序存储器地址编排是连续统一的，因而在逻辑上把它作为一个空间。在访问三个不同的逻辑空间时，应采用不同形式的指令，以产生不同存储空间的选通信号。34 开机复位后，CPU使用的是哪组工作寄存器?它们的地址是什么?CPU如何确走和改变当前工作寄存器组?答：开机复位后，CPU使用的是第0组工作寄存器。它们的地址是0007。CPU通过对程序状态字PSW中RSl、RS0的设置来确定和改变当前工作寄存器组。35 什么是堆栈?堆栈有何作用?在程存设计时，有时为什么要对堆栈指针 SP重新赋值?如果CPU在操作中要使用两组工作寄存器，你认为 SP的初值应为多大?答：堆栈是个特殊的存储区。

6、其主要功能是暂时存放数据和地址，通常用来保护断点和现场。 它的特点是按照先进后出的原则存取数据，这里的进与出是指进栈与出栈操作。系统复位后，SP初始化为07H，使得堆栈事实上由08H开始。因为08HlFH单元为工作寄存器区13,20H2FH为位寻址区。在程序设计中很可能要用到这些区，所以用户在编程时要对堆栈指针SP重新赋值，最好把SP初值设为2FH或更大值，当然同时还要顾及其允许的深度。在使用堆栈时要注意，由于堆栈的占用，会减少内部RAM的可利用单元，如设置不当，可能引起内部RAM单元冲突。如果CPU在操作中要使用两组工作寄存器，SP的初值应大于l0H。36 80C51的时钟周期、机器周期、指

7、令周期是如何分配的? 当振荡频率为8MHz时，一个单片机时钟周期为多少us(微妙)?答：80C51的时钟周期是最小的定时单位，也称为振荡周期或节拍。一个机器周期包含12个时钟周期或节拍。不同的指令其指令周期一般是不同的，可包含有1、2、3、4个机器周期。当振荡频率为8MHz时，一个单片机时钟周期为0.125us。37 在 80C51扩展系统中，片外程序存储器和片外教据存储器共处同一地址空间为什么不会发生总线冲突?答：在访问片外程序存储器和片外数据存储器逻辑空间时，因为采用了不同形式的指令，产 生不同的存储空间的选通信号，所以不会发生总线冲突。38 程序状态寄存器 PSW 的作用是什么?常用状态

8、标志有哪几位?作用是什么?答：PSW是8位寄存器，用于作为程序运行状态的标志，其格式如下： 当CPU进行各种逻辑操作或算术运算时，为反映操作或运算结果的状态，把相应的标志位置1或清0。这些标志的状态，可由专门的指令来测试，也可通过指令来读出。它为计算机确定程序的下一步运行方向提供依据。PSW寄存器中各位的名称及位置如上所示，下面说明各标志位的作用。P：奇偶标志。该位始终跟踪累加器A内容的奇偶性。如果有奇数个1，则置P为l，否则置0。在80C51的指令系统中，凡是改变累加器A中内容的指令均影响奇偶标志位P。Fl：用户标志。由用户置位或复位。OV：溢出标志。有符号数运算时，如果发生溢出时，OV置l

9、，否则清0。对于一个字节的有符号数，如果用最高位表示正、负号，则只有7位有效位，能表示-128+127之间的数；如果运算结果超出了这个数值范围，就会发生溢出，此时，OV=l，否则OV=0。例如，当两个正数相加超过+127范围时，使其符号由正变负，由于溢出得负数，结果是错误的，这时OV=l；当两个负数相加，和小于-128，由于溢出得正数，OV=l。此外，在乘法运算中，OV=l表示乘积超过255；在除法运算中，OV=l表示除数为0。RSO、RSl：工作寄存器组选择位，用以选择指令当前工作的寄存器组。由用户用软件改变RS0和RSl的组合，以切换当前选用的工作寄存器组，其组合关系如题表3-1所列。 单

10、片机在复位后，RS0=RSl=0,CPU自然选中第0组为当前工作寄存器组。根据需要，用户可利用传送指令或位操作指令来改变其状态，这样的设置为程序中快速保护现场提供了方便。 FO：:用户标志位，同Fl。 AC：半进位标志。当进行加法或减法运算时，如果低半字节(位3)向高半字节有进位或借位，AC置l，否则清0。AC亦可用于BCD码调整时的判别位。 CY：进位标志。在进行加法(或减法)运算时，如果操作结果最高位(位7)有进位或借位，CY置l，否则清0。在进行位操作时，CY又作为位操作累加器C。39 位地址 7CH与字节地址 7CH有何区别?位地址 7CH具体在内存中什么位置?答：位地址7CH表示7C

11、H这一二进制位的地址，字节地址7CH表示地址为7CH的单元地址。位地址7CH在内存中2FH单元的第4位。310 80C51的四个 I/O端口的作用是什么?80C51的片外三总线是如何分配的?答：80C51单片机有4个I/O端口，每个端口都是8位双向口，共占32根引脚。每个端口都包括一个锁存器(即专用寄存器P0P3)、一个输出驱动器和输人缓冲器。通常把4个端口称为P0P3。在无片外扩展存储器的系统中，这4个端口的每一位都可以作为双向通用I/O端口使用。在具有片外扩展存储器的系统中，P2口作为高8位地址线，P0口分时作为低8位地址线和双向数据总线。311 80C51的四个I/O 端口在结构上有何异

12、同?使用时有何注意事项?答：80C51单片机的4个I/O端口在结构上是基本相同的，但又各具特点。这4个I/O端口都是8位双向口，每个端口都包括一个锁存器(即专用寄存器P0P3)、一个输出驱动器和输人缓冲器。在无片外扩展存储器的系统中，这4个端口的每一位都可以作为双向通用I/O端口使用。在作为一般的通用I/O输人时，都必须先向锁存器写人1，使输出驱动场效应管FET截至，以免误读数据。它们的主要不同点如下： P0口的每一位可驱动8个LSTTL负载。P0既可作I/O端口使用，也可作地址/数据总线使用。当把它作通用口输出时，只有外接上拉电阻，才有高电平输出;作地址/数据总线时，无需外接电阻，此时不能再

13、作I/O口使用。 PlP3口输出级接有内部上拉负载电阻，每位可驱动4个LSTTL负载，能向外提供上拉电流负载，所以不必再外接上拉电阻。 P2口的位结构比Pl多了一个转换控制部分。当P2口作通用I/O口时，多路开关MUX倒向锁存器输出Q端，构成输出驱动电路。 在系统扩展片外程序存储器时，由P2口输出高8位地址(低8位地址由P0口输出)。此时MUX在CPU的控制下，转向内部地址线的一端。 P3口是多功能端口。若第二输出功能端保持1电平，打开与非门，锁存器输出可通过与非门送至FET输出到引脚端。这是作通用I/O口输出使用情况。输人时，仍通过三态缓冲器读弓脚信号。 当端口用于第二功能情况下输出时，锁存

14、器输出Q为1，打开与非门，第二输出功能端内容通过与非门和FET送至端口引脚，从而实现第二功能信号输出；输人时，端口引脚的第二功能信号通过缓冲器送到第二输人功能端。 在使用P0P3口时的主要注意事项是：作输人时，必须先在相应端口锁存器上写1，使驱动管FET截止。系统复位时，端口锁存器全为1。312 复位的作用是什么?有几种复位方法?复位后单片机的状态如何?答：复位是单片机的初始化操作，单片机在启动运行时，都需要先复位。它的作用是使CPU和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。 单片机的外部复位电路有上电自动复位和按键手动复位两种。 上电自动复位利用电容器充电来实现，RC电

15、路充电，RST引脚端出现正脉冲，只要 RST引脚端保持2个机器周期以上高电平，就能使单片机复位。为了可靠地 复位，一般应保持l0mS以上高电平。 按键手动复位又分为：按键电平复位和按键脉冲复位。按键电平复位，相当于按复位键后复位端通过电阻与VCC电源接通；按键脉冲复位，利用RC微分电路产生正脉冲。 除此，还有同步复位和外部脉冲复位等方法。 复位后片内各专用寄存器的状态如题表3-2所列，表中X为不定数。题表3-2 复位后的内部专用寄存器状态313 80C51有几种低功耗方式?如何安现?答：80C51单片机除具有一般的程序执行方式外，还具有两种低功耗方式：即待机(或称空闲)方式和掉电(或称停机)方式。 待机(或称空闲)方式和掉电(或称停机)方式都是由专用寄存器PCON(电源控制寄存器)中的有关位来控制。