[信息与通信]第2章-单片机硬件结构和原理

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1、第2章 单片机的硬件结构和原理 本章内容p2.1 MCS-51单片机的内部结构 p2.2 MCS-51单片机的引脚及功能 p2.3 CPU p2.4 存储器p2.5 时钟电路与指令的时序p2.6 单片机的复位方式及电路p2.7 I/O端口电路与电气特性p2.8 单片机的低功耗工作方式 p2.9 单片机的最小系统2.1 MCS-51单片机的内部结构 8051单片机内部总体结构MCS-51单片机内部的基本结构框图 TXD中断控制CPU(8位)时钟ROM(4KB)片外地址总线扩展 控制器(64KB)RAM(128B)定时器/计数器 T0和T1串行口I/O接口P0 P1 P2 P3RXD中断输入2.1

2、 MCS-51单片机的内部结构 8051单片机内部总体结构MCS-51硬件基本配置p8位CPU，片内振荡器p4KB/8KB字节程序存储器ROMp128B/256B字节数据存储器RAMp2/3个16位定时器/计数器p32个可编程的I/O线（四个8位并行I/O端口）p一个可编程全双工串行口p5/6个中断源，两个中断优先级p可寻址64KB外部数据存储器空间、64KB外部程序存储器空间的控制电路p有位寻址功能，适于布尔处理机的位处理机核内=片内2.2 MCS-51单片机的引脚及功能 标准的40脚DIP封装p1. 电源2个p2. 外接晶体振荡器2个p3. I/O引脚32个p4. 控制信号引脚4个2.2.

3、1 主电源引脚pVcc：接5V电源（ 低功耗的为 +3.3V/2.7V）pVss：接地端2.2.2 外接晶体振荡器引脚pXTAL1：芯片内部振荡电路 输入端pXTAL2：芯片内部振荡电路 输出端p振荡频率为晶振频率（1.2 12MHz），另外需两个 30pF左右的电容以微调频 率2.2.3 I/O引脚pP0口n作普通I/Op8位准双向I/Op输入时，先写“1”n扩展片外RAM或ROMp标准的双向I/O接口p分时复用，作低8位地址 线和8位双向数据总线MCS-51可寻址 64KB外部数据存储器空间 64KB外部程序存储器空间pP2口n作普通I/Op8位准双向I/O接口p输入时，先写“1”n扩展片

4、外RAM或ROMp作高8位地址线MCS-51可寻址 64KB外部数据存储器空间 64KB外部程序存储器空间pP3口n8位准双向I/O接口n输入时，先写“1”n每个引脚有第二功能（ 多使用第二功能）pMCS-51配有n2/3个16位定时器/计数器n一个可编程全双工串行口n5/6个中断源，两个中断优先级pP1口n仅用作I/On8位准双向I/O接口n输入时，先写“1”2.2.4. 控制信号引脚4个pALE：地址锁存允许信号端p/PSEN:外部程序存储器读选 通信号端；pEA/VPP：程序存储器选择信 号端和编程电源输入端；nEA=0:只访问片外程序存 储器；nEA=1:先访问片内程序存 储器再片外;

5、pRST/VPD：复位信号端和后备 电源输入端。引脚总图三总线锁存器GP270P070 ALEP170P370P1： 通用I/O接口P3： 通用I/O 接口或第 二功能A15A8A7A0D7D0地 址 总 线 AB数 据 总 线 DBRST复位EAXTAL1晶振XTAL2 Vcc电源GND片外程序 存储器选择PSEN片外程序 存储器读选通控 制 总 线 CB8051 8751 8031MCS-51的总线p数据总线(8位)nP0p地址总线(16位)nA0A7：P0（经地址锁存器）nA8A15：P2n外部存储单元直接寻址范围：p控制总线nP3口的第二功能状态n4根独立控制线RST、ALE、/EA和

6、/PSEN64KB(264KB(21616B)B)P0（经地址锁存器） P2例 80C31对片外ROM的扩展扩展16K字节的EPROM的方法例 80C31对片外RAM的扩展数据存储器的基本扩展电路2.3 CPU p核心部件（8位数据宽度）n控制、指挥和调度、运算和控制输入输出n组成p运算器 ALU、累加器A、寄存器B、暂存器、PSW等p控制器PC、IR、ID、DPTR、SP、RAM地址寄存器、 时钟发生器、定时控制逻辑等p位处理器（布尔处理器） 每次处理一位数据2.4 存储器p存储器空间存放n程序、数据p存储器空间分类n根据作用分类p程序存储器ROM、数据存储器RAMn根据位置分类p片内存储器

7、、片外存储器核内=片内 核外=片外存储器编址方法p2种n冯.诺依曼结构p程序存储器和数据存储器统一编址n哈佛结构p程序存储器和数据存储器分别编址MCS-51系列单片机程序存储器(ROM)和数 据存储器(RAM) 寻址空间相互独立，物 理结构不相同数据存储器： 片外、片内PC机程序存储器配置图数据存储器配置图资源配置 子系列片内ROM形式片内 ROM 容量片内 RAM 容量无ROMEPROMFPEROM51子系列8031805187514KB128B80C3180C5187C5189C514KB128B 52子系列8032805287528KB256B80C3280C5287C5289C528K

8、B256B0000H0FFFH0000H1FFFH007FH00FFHp片外ROM扩展n最多64K片外ROMn根据EA引脚状态p地址：0000H0FFFFH或者1000H（2000H）FFFFHp片外RAM扩展n地址：0000H0FFFFH2.4.1 程序存储器(ROM)p存放程序和常数（如：原始数据或表格）pMCS-51对外程序存储器寻址能力：64KB（216B）MOVCMOVC指令操作指令操作外部 ROM中断向量表（1）PC功能 0000H复位时ROM的地址(PC=0,程序从00H开始 执行) 0003H外部中断0入口地址 000BH定时器计数器0溢出中断入口地址 0013H外部中断1入口

9、地址 001BH定时器/计数器1溢出中断入口地址 0023H串行口中断入口地址 002BH定时器/计数器2溢出中断入口地址p中断入口地址处中断向量表（2）p复位时，PC=0000H，从该处执行程序p中断向量表（中断向量）n0003H002BH：中断服务程序入口p 存放一条无条件转移指令进行跳转p 不要占用p程序书写ORG 0000HLJMP MAIN ;只写一条跳转指令 ORG 0030H ;开始写主程序 MAIN： 2.4.2 数据存储器(RAM) (1)数据存储器的配置片内数据存储器片外数据存储器低128B高128BMOVXMOVX 指令指令MOVMOV 指令指令(2)工作寄存器区RS1R

10、S0寄存 器组片内RAM 地址通用寄存器 名称000组00H07HR0R7011组08H0FHR0R7102组10H17HR0R7113组18H1FHR0R7在任何时刻CPU 只能使用其中一个区 （当前寄存器组）(3)位寻址区 p20H2FH，共16个单元， 128位。p为布尔处理区p各有自己的位地址，统一 编址为00H7FH（1个地址 代表1位）p既可以字节寻址，也可以 位寻址p有17条位操作指令，常用 ：置位（SETB）、清零（ CLR）、取反（CPL）(4)内部数据存储器高128B(80HFFH)p组成n通用数据RAM区p51子系列无该区n特殊功能寄存器SFRp区别的方法n访问通用数据R

11、AM区，用寄存器间接寻址p MOV A， R0n访问特殊功能寄存器，用直接寻址p MOV A， 80H逻辑地址相同相同 物理地址分开分开 SFR 地址表(1) SFR 地址表(2) SFR 地址表(3)特殊功能寄存器位地址B ACC PSW IPIE P2P3SCON P1 TCON P0字节地址能被8整除 程序状态字 PSW位序PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2 PSW.1 PSW.0位 标志CYACF0 RS1RS0 OVF1P进位标志辅助进位标志寄存器区选择控制位溢出标志位奇偶标志位每个位都可由软件读出系统保留用户标志位 数据指针 DPTRp16位n高位：DPH

12、，8位n低位：DPL，8位p主要用途n访问外部数据存储器时，作地址指针p保存16位地址，有+1功能（INC）n寄存器间址寻址、变址寻址 堆栈指针 SP栈底数据出数据入SPSP-1SP(a)向下生长型进栈SP减小 出栈SP增加堆栈：先入后出，后入先出(b)向上生长型进栈SP增加 出栈SP减小栈底数据入数据出SPSPSP+1两种类型的堆栈p堆栈是在片内RAM中临时开辟的暂存区；n作用：保护现场、保护断点n针对：子程序调用、中断操作n特点：先进后出，后进先出n指令：入栈PUSH，出栈POPpPUSH和POP都是对堆栈的栈顶单元进行的p栈顶nSP始终指向最后压入或即将弹出的数据单元，即栈顶pSP为一个

13、8位寄存器，它的内容是栈顶存储单元的地址p单片机复位时nSP=07H，此时pSP指向栈顶，堆栈正落在工作寄存器R1区切换工作寄存器区时冲突p一般设置：SP=30H或以上pSP不能在RAM的顶端p为堆栈向上发展留足够空间 定时器/计数器p16位：nT0：TH0、TL0nT1：TH1、TL1TH1TL17 07 0T1TH0TL07 07 0T0TCONTMOD微处理器内部 总线P定时器模式控制寄 存器，确定T1和T0 的功能和工作方式定时器控制寄存器，控 制T1和T0的启动和停止作定时/计数器 可16位数加“1” (INC),其他情况作8位寄存器 中断相关寄存器pIP （Interrupt Pr

14、iority Register）n中断优先级寄存器pIE （Interrupt Enable Register）n中断允许寄存器 串行通信相关寄存器pSBUF （Serial Date Buffer）n串行数据缓冲器n放待发送和已接收数据的，双缓冲结构pSCON （Serial Control Register）n串行接口控制寄存器pPCON （Power Control Register）n电源控制寄存器程序计数器 PCp程序地址寄存器，不属于不属于特殊功能寄存器p程序不能访问p16位，范围：0000H0FFFFHp当一条指令被取出后，PC的内容会自动增量，指 向下一条要执行指令的地址区分存

15、储器空间的方法p指令n使用MOV、MOVX、MOVC三个不同的指令p控制引脚n片外ROM：控制信号/PSENn片外RAM：控制信号/RD、/WRn/EA引脚接地，从片外ROM开始p0000H0FFFH位于片外ROMn/EA引脚接高电平，从片内ROM开始p0000H0FFFH位于片内ROMp注意nROM和片外RAM一定要用16位地址n片内RAM和SFR，只能使用8位地址n52子系列高128B普通RAM，只可采用间接寻址2.5 时钟电路与指令的时序p1. 时钟电路n内部振荡电路晶振 外部振荡电路HMOS工艺器件外 部时钟连线图 CHMOS工艺器件 外部时钟连线图 图2.6 时 序发生器 框图2.

16、机器周期和指令周期振荡周期和机器周期 是计算其他时间的 基本时序单位S1S2S3S4S5S6S1S2P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 fosc节拍 (p,振荡周期)一个状态周期一个机器周期X2指令周期=14机器周期例：p单片机外接12MHZ晶振频率时的各种时序指令周期=14机器周期=14s2.6 单片机的复位方式及电路p复位：单片机的初始化操作复位后内部寄存器状态 p复位电路nRST输入至少连续2 个机器周期以上的 高电平图2.8 复位内部电路图2.9 复位电路 图2.12 MAX708构成专用复位电路 p上电复位p手动复位p电源下降复位p看门狗 watchdog timern原理n喂狗图2.13 CD4060构成看门狗电路2.7 I/O端口电路与电气特性p4个8位并行I/O口，32根I/