STC15F2K60S2单片机的基本结构

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1、1/109第三章 STC15F2K60S2单片机的 基本结构本章学习目标 掌握STC15F2K60S2单片机的基本结构 掌握单片机I/O口的使用 掌握单片机应用系统的典型构成2/109一、单片机的内部结构单片微型计算机（简称单片机）在一片芯片 上集成了前述微型计算机的功能结构，有 些单片机不仅集成了CPU、存储程序和数 据的存储器、I/O接口、定时/计数器等常规 资源，而且还集成了工业测控系统中常用 的模拟量模块。 3.1 STC15F2K60S2单片机的基本结构3/109 单片机产品 8051内核是Intel 8051系列单片机的基本标准，许多参 考书上将这种单片机称为MCS-51系列单片机

2、。 MCS-51系列单片机的典型产品为8051，它有 4K8ROM，128字节RAM，2个16位定时/计数器，4个 8位I/O口，一个串行口。 二十世纪80年代，Intel将8051内核转让或出售给几家 著名的IC厂商，如Philips，Atmel等。这样，8051单片 机就变成众多制造厂家支持的，发展成为上百个产品 的大家族。 最常用的宏晶STC系列单片机，Atmel公司的AT89系列 等51系列，等等。只要是8051内核的单片机，它们的 最基本结构是相同的，并且，指令系统完全兼容标准 8051单片机。4/109以目前市场上常见的8051内核单片机STC15F2K60S2为例 ，说明单片机的

3、内部结构。STC12C5A60S2单片机主要集 成了以下资源： 增强型8051内核，单时钟机器周期，速度比传统8051内核单片机 快812倍 60KB Flash程序存储器;1KB数据Flash;2048字节的SRAM 3个16位可自动重装载的定时/计数器（T0、T1、T2） 可编程时钟输出功能 至多42根I/O口线 2个全双工异步串行口（UART） 1个高速同步通信端口（SPI） 8通道10位ADC 3通道PWM/可编程计数器阵列/捕获/比较单元 内部高可靠上电复位电路和硬件看门狗 内部集成高精度R/C时钟，常温工作时，可以省去外部晶振电路。5/109图3- 7 STC15F2K60S2单片

4、机的内部结构图STC15F2K60S2单片机内部结构框图6/109 STC15F2K60S2单片机的内部资源 中央处理器（CPU） 程序存储器（Flash） 数据存储器（RAM） 数据Flash存储器 定时/计数器 I/O接口 通用异步串行通信接口（UART） 中断系统 SPI接口 高速A/D转换模块 PWM（或捕获/比较单元） 看门狗电路 电源监控 片内RC振荡器等模块 几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块，可称得上一个片上系统（SOC）7/1091、CPU结构单片机的中央处理器（CPU）由运算器和 控制器组成。 （1）运算器以8位算术/逻辑运算部件ALU为核心，加上 通过内部总线而

5、挂在其周围的暂存器TMP1 、TMP2、累加器ACC、寄存器B、程序状 态标志寄存器PSW以及布尔处理机组成了 整个运算器的逻辑电路。8/109 算术逻辑单元ALU：用来完成二进制数的四则 运算和布尔代数的逻辑运算。 累加器ACC又记作A：是一个具有特殊用途的8 位寄存器，在CPU中工作最频繁，用来存放操 作数和运算结果。 寄存器B：是专门为乘、除法设置的寄存器， 也是一个8位寄存器，用来存放乘法和除法中的 操作数及运算结果，对于其他指令，它只作暂 存器用。 程序状态字（PSW）：又称为标志寄存器，一 个8位寄存器，用来存放执行指令后的有关状态 信息，供程序查询和判别之用。 9/109 PSW

6、中有些位的状态是在指令执行过程中 自动形成的，有些位可以由用户采用指令 加以改变。 PSW的各位定义如下所示：位号D7D6D5D4D3D2D1D0 符号 CYACF0RS1 RS0OVF1P10/109 CY（PSW.7）：进位标志位当执行加/减法指令时，如果操作结果的最高位D7 出现进/借位，则CY置“1”，否则清“0”。执行乘 除运算后，CY清零。此外，CPU在进行移位操作 时也会影响这个标志位。位号D7D6D5D4D3D2D1D0 符号 CYACF0RS1 RS0OVF1P11/109 AC（PSW.6）：辅助进位标志位当执行加/减法指令时，如果低四位数向高 四位数产生进/借位，则AC置

7、“1”，否则清 零。位号D7D6D5D4D3D2D1D0 符号 CYACF0RS1 RS0OVF1P12/109 F0（PSW.5）：用户标志0。该位是由用户定义的一个状态标志。可以用软件 来使它置“1”或清“0”，也可以由软件测试F0控制 程序的流向。 F1（PSW.1）：用户标志1。该位是由用户定义的一个状态标志。与F0类似， 可以用软件来使它置“1”或清“0”，也可以由软件 测试F1控制程序的流向。位号D7D6D5D4D3D2D1D0 符号 CYACF0RS1 RS0OVF1P13/109 RS1，RS0（PSW.4PSW.3）：工作寄存 器组选择控制位，其详细介绍见后续内容 。 OV（

8、PSW.2）：溢出标志位。指示运算过 程中是否发生了溢出，在执行指令过程中 自动形成。位号D7D6D5D4D3D2D1D0 符号 CYACF0RS1 RS0OVF1P14/109 P（PSW.0）：奇偶标志位累加器ACC中1的个数为偶数，P=0；否 则P=1。每个指令周期都由硬件来置“1”或 清“0”。在具有奇偶校验的串行数据通信中 ，可以根据P设置奇偶校验位。位号D7D6D5D4D3D2D1D0 符号 CYACF0RS1 RS0OVF1P15/109 布尔处理机是单片机CPU中运算器的 一个重要组成部分。 功能：为用户提供丰富的位操作功能，有相应的指令系统 ，硬件有自己的“累加器”（进位位C

9、，即CY），和自己的 位寻址RAM和I/O空间，是一个独立的位处理机。大部分位操作均围绕着其累加器进位位C完成。对任何可直接寻址的位，布尔处理机可执行置位、取反、转 移、位的读写等操作。在任何可寻址的位（或该位内容取 反）和进位标志C之间，可执行逻辑与、或操作，其结果 送回到进位标志C。16/109（2）控制器控制器是CPU的大脑中枢，包括定时控 制逻辑、指令寄存器、译码器、地址指针 DPTR及程序计数器PC、堆栈指针SP、 RAM地址寄存器、16位地址缓冲器等。17/109 程序计数器PC 是一个16位的程序地址寄存器，专门用来存放下 一条需要执行的指令的内存地址，能自动加1。 当CPU执行

10、指令时，根据程序计数器PC中的地 址从存储器中取出当前需要执行的指令码，并把 它送给控制器分析执行，随后程序计数器中的地 址自动加1，以便为CPU取下一个需要执行的指 令码做准备。 当下一个指令码取出执行后，PC又自动加1。这 样，程序计数器PC一次次加1，指令就被一条条 执行。18/109 堆栈 主要用于保存临时数据、局部变量、中断或子 程序的返回地址。 STC15F2K60S2单片机的堆栈设在内部RAM中 ，是一个按照“先进后出”规律存放数据的区域 。堆栈指针SP是一个8位寄存器，能自动加1或 减1。当数据压入堆栈时，SP自动加1；数据从 堆栈中弹出后，SP自动减1。 复位后，寄存器默认值

11、为07H，堆栈区在08H 开始的区域。用户通常将堆栈区域用指令设置 在内部RAM的80HFFH之间。19/109 数据指针DPTR 一个16位专用寄存器，由DPL（低8位）和 DPH（高8位）组成。 DPTR可以直接进行16位操作，也可分别对 DPL和DPH按字节进行操作。 STC15F2K60S2单片机有两个16位的数据指针 DPRT0和DPTR1，这两个数据指针共用同一个 地址，可通过设置辅助寄存器AUXR1中的DPS （AUXR1.0）位来选择具体使用哪一个数据指 针。 20/1092、存储器的结构STC15F2K60S2 结构特点：程序存储器和数据存储器的寻 址空间是分开的。 结构划分

12、：片内集成有4个物理上相互独立 的存储器空间：程序Flash存储器、数据 Flash存储器（EEPROM）、内部数据存储 器和外部数据存储器。21/109图3-8 STC15F2K60S2单片机存储器配置示意图22/109（1）程序Flash存储器 功能：存放用户程序、数据和表格等信息 。 空间大小：STC15F2K60S2片内集成了 60KB的程序Flash存储器，地址为0000H F000H。单片机复位后，程序计数器PC的 内容为0000H，从0000H单元开始执行程序 。 23/109 特殊单元 在程序Flash存储器中有些特殊的单元，这些单元是 中断服务程序的入口地址： 0003H 外

13、部中断0中断服务程序的入口地址 000BH 定时/计数器0中断服务程序的入口地址 0013H 外部中断1中断服务程序的入口地址 001BH 定时/计数器1中断服务程序的入口地址 0023H 串行通信口1中断服务程序的入口地址 002BH ADC中断服务程序的入口地址 0033H 低电压检测中断服务程序的入口地址 003BH PCA中断服务程序的入口地址 0043H 串行通信口2中断服务程序的入口地址 004BH SPI中断服务程序的入口地址24/109中断服务程序的入口地址 0053H 外部中断2中断服务程序的入口地址 005BH 外部中断3中断服务程序的入口地址 0063H 定时/计数器2中

14、断服务程序的入口地址 0083H 外部中断4中断服务程序的入口地址 响应中断时，单片机自动转到相应的中断入口地址去 执行程序。由于大部分相邻中断入口地址之间只有8个 地址单元，无法保存完整的中断服务程序，一般在中 断入口的地址区存放一条无条件转移指令，指向真正 存放中断服务程序的空间。中断响应后，CPU执行这 条转移指令，转去执行中断服务程序。25/109 使用指令读取程序存储器中保存的表格常数等内 容时，使用MOVC指令。程序Flash存储器的擦写次数为10万次 以上，大大提高了芯片利用率，降低了开 发成本。26/109（2）数据存储器STC15F2K60S2 数据存储器也称为随机存取数据存

15、储器。 空间划分在物理上和逻辑上都分为两个地址空间：内 部数据存储区和扩展数据存储区 。27/1091）内部数据存储区（又称为内部RAM）256字节内部RAM，存放中间结果和过程数据。内部 RAM的地址范围是00HFFH，共256个单元，分三部分： 低128字节RAM（00H7FH）：也称为基本RAM区 。基本RAM区又分为工作寄存器区、位寻址区、用户 RAM和堆栈区。可以直接寻址和间接寻址。用 “MOV”和“MOV Ri”形式的指令访问。 高128字节RAM（80HFFH）：只能间接寻址。用 “MOV Ri”形式的指令访问。 特殊功能寄存器（SFR）区：地址范围为80HFFH ，只可直接寻址，用“MOV”形式的指令访问。28/109图3-9 内部数据存储器地址空间工作寄存器区 位寻址区 通用用户RAM和堆栈区特殊功能寄存器区内部数据存储器地址空间分配29/109 工作寄存器区 地址分配：00H1FH共32个单元。分为四组 （每一组称为一个寄存器组），每一组包括8个 8位的工作寄存器，分别是R0R7。 功能：通过使用工作寄存器，可以提高运算速 度，也可以使用其中的R0或R1存放八位地址值 ，访问一个256字节外部RAM块中的单元。另 外，R0R7也可以用作计数器，在指令作用下 加1或减1。30/109工作寄存器组的选择：PSW寄存器中的RS1和RS0 两位组合决定当前使