《ch3-单片机结构及原理》由会员分享，可在线阅读，更多相关《ch3-单片机结构及原理（59页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、n组成：n CPU(进行运算、控制) RAM(数据存储器)n I/O口(串口、并口等) ROM(程序存储器)n PC机： 上述部件以芯片形式安装在主板上。 单片机：上述部件被集成到单芯片中。通用PC包括：键盘、显示器、鼠标、硬/软/光驱 、音箱、打印机、扫描仪等外设。 单片机则只是一片集成电路。（100、48、 40、32、28、20、16、8条引脚）。单片机与计算机之异同（1）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。通用计算机擅长于数据运算、采集、处理、存储 和传输；单片机的专长则是测控，往往嵌入某个仪器/设备 /系统中，使其达到智能化的效果。单片
2、机与计算机之异同（2）应用特点： 个人计算机（微机）： 体积大，功耗大，价格高，用途较固定，属通用计 算机。易于学习掌握和使用，但用于控制时必须制 作或购买专用的接口卡，并编制专门的应用软件。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，应用中要设计专业的硬件和软件。单片机与计算机之异同（3）第三章 单片机结构及原理组成工作原理存储器I/O端口时序电路复位电路3.1 单片机结构3.1.1 单片机组成及结构图3-1 MCS-51单片机系统结构示意图时钟电路SFR和RAMROMCPU定时/计数器并行端口中断系统串行端口系 统 总
3、 线时钟源T0 T1P0 P1 P2 P3TXD RXD INT0 INT1MCS-51单片机的主要组成部分：（1）一个8位微处理器CPU。（2）数据存储器RAM和特殊功能寄存器SFR。（3）内部程序存储器ROM。（4）两个定时/计数器，用以对外部事件进行计数，也可 用作定时器。 （5）四个8位可编程的I/O（输入/输出）并行端口，每个 端口既可做输入，也可做输出。 （6）一个串行端口，用于数据的串行通信。（7）中断控制系统。（8）内部时钟电路。图3-2 MCS-51芯片内部结构框图通道0驱动器通道2驱动器RAM地址 锁存器RAM通道0锁 存器通道2锁 存器ROM/ EPROMB寄存器程序地址
4、寄存器缓冲器PC递增器程序计数器PCDPTR指针VCCGNDP1.0P1.7堆栈指针SPACCTMP2PSW通道3锁存器通道1锁存器通道1驱动器通道3驱动器TMP1SCON TMODPCONTCON TL0TH1TH0TL1 IESBUF(TX/RX)IP 中断、串行口和定时器逻辑振荡器P3.0P3.7RSTEAALEPSENXTAL2XTAL1ALU(+5V)指 令 寄 存 器定时 和 控制 逻辑指 令 译 码 器P0.0P0.7P2.0P2.7MCS-51单片机的引脚配置图P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 RST/VPD RXD/P3.0 TX
5、D/P3.1 INT0/P3.2 INT1/P3.3 T0/P3.4 T1/P3.5 WR/P3.6 RD/P3.7 XTAL2 XTAL1 VSS1 2 3 45 6 7 8 9 10 11 12 1314 15 16 17 18 19 208031 8051 875140 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 2521222324VCC P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7EA/Vpp ALE/PROG PSEN P2.7P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.03.1.2 M
6、CS-51单片机的引脚定义1. 电源及时钟引脚 VCC、VSS 电源、地 XTAL1 ,XTAL2 晶振 2. 控制引脚 RESET 复位 PSEN# 访问外部程序存储器的读选信号 ALE 地址锁存允许信号 EA# 外部程序存储器地址允许输入端 3. I/O口引脚 P0、P1、P2、P3 P3为双功能复用口按其功能可分为三个部分：51单片机的4个8位的I/O口P0.0P0.7: 8位数据口和输出低8位地址复用口(复用时是双向口；不复用时也是准双向口)P1.0P1.7: 通用I/O口（准双向口）P2.0P2.7: 输出高8位地址（用于寻址时是输出口；不寻址时是准双向口）P3.0P3.7: 具有特
7、定的第二功能（准双向口）注意：在不外扩ROM/RAM时，P0P3均可作通用I/O 口使用，而且都是准双向I/O口WR（外部数据存储器写脉冲 ）INT1（外部中断1）INT0（外部中断0）表3-1 P3口的第二功能表P3.2P3.3位线引脚第二功能P3.010RXD（串行输入口）P3.111TXD（串行输出口）1213P3.414T0（定时器0的计数输入）P3.515T1（定时器1的计数输入）1617RD（外部数据存储器读脉冲）P3.7 P3.6 MCS-51单片机的片外总线结构P0.3地址锁存器CBI/OA15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3
8、A2 A1 A0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0DBABP1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7RESETP3.0 P3.1P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7VSSVCCP0.0P0.1P0.2P0.5P0.6P0.7EAALEPSENP2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0P3.2图3-8 MCS-51片外总线结构示意图 微型计算机中的总线通常分为：（1）地址总线（AB）：地址总线宽度为16位，由P0口经地址锁存器提供低8位地址（A0-A7）；P2口直接提供高8位地址（A8A15）。地址
9、信号是由CPU发出的，故地址总线是单方向的。（2）数据总线（DB）：数据总线宽度为8位，用于传送数据和指令，由P0口提供。（3）控制总线（CB）：控制总线随时掌握各种部件的状态，并根据需要向有关部件发出命令。 3.2 单片机的工作原理3.2.1 指令与程序概述指令是规定计算机执行特定操作的命令，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。 计算机全部指令的集合称为指令系统。程序是根据任务要求有序地编排的指令的 集合。3.2.2 CPU的
10、工作原理控制器PCIRIDDPTRSPClockCentral Processing Unit运算器TimerALUACCPSWRegisterBCD运算调整控制器是用来统一指挥和控制计算机工作的部件，它的功能是接受来自存储器中的逐条指令，进行指令译码，并通过定时和控制电路，在规定的时刻发出各种操作所需的全部内部控制信息及CPU外部所需的控制信号，使各部分协调工作，完成指令所规定的各种操作。它包括主要由程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器ID、堆栈指针SP、数据指针DPTR、时钟发生器及定时控制逻辑等组成。一、控制器1程序计数器PC (Program Counter)程序计数器是16位专
11、用寄存器，用它来存放与指示下一条要执行的指令的地址。它有自动加1的功能，当一条指令按照PC所指的地址从存储器中取出之后，PC就会自动加1，这意味着加1以后的PC内容，是下一条将要执行的指令地址。2指令寄存器(Instruction Register)指令寄存器是8位寄存器，用于暂时存放指令，等待译码。结构图中的暂存器是进入运算器之前暂存数据的。3指令译码器(Instruction Decoder)当指令送入指令译码器后，由译码器对该指令进行译码，译码就是把指令转变成执行此指令所需要的电信号。根据译 码器输出的信号，CPU的定时控制电路定时地产生执行该指令所需的各种控制信号，使计算机正确执行程序
12、所要求的各种操作。 4数据指针寄存器DPTR由于8051可以外接64K字节的数据存储器和I/O接口电路，因此在控制器中设置了一个16位的专用地址指针。它主要用以存放16位地址，作间址寄存器使用。可对外部存储器和I/O口进行寻址，它也可拆成高字节DPH和低字节DPL两个独立的8位寄存器，分别占据83H和82H两个地址。运算器包括算术/逻辑部件ALU(Arithmetic Logic Unit)、累加器ACC(Accumulator)、暂存寄存器、程序状态字寄存器PSW(Program Status Word)、BCD码运算调整电路等。为了提高数据处理和位操作功能，片内增加了一个通用寄存器B和一些
13、专用寄存器，而且还增加了位处理逻辑电路的功能。在进行位操作时，进位位CY作为位操作累加器，整个位操作系统构成一台布尔处理机。 二、运算器1累加器ACCACC是8位寄存器，通过暂存器与ALU相连。在指令系统中累加器的助记符为A，以下将简称ACC为A。 2. 算术/逻辑部件ALU (Arithmetic Logic Unit)ALU是由加法器和其它逻辑电路等组成的，用于对数据进行算术运算和逻辑操作的执行部件。在控制信号 的作用下，它能完成算术加、减、乘、除，逻辑“与”、“或”、“异或”等运算，循环移位操作，位操作等功能。此外，通过对运算结果的判断，影响程序状态标志寄存器的有关标志位。PSW是8位寄
14、存器，用于作为程序运行状态的标志。 这是一个很重要的东西，里面放了CPU工作时的很多状态 ，借此，我们可以了解CPU的当前状态，并作出相应的处 理。它的各位功能如下：3程序状态字寄存器PSW (Program Status Word) 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进行方向提供依据。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。D7H D6H D5H D4HD3HD2HD1HF1D0HCY AC F0 RS1 RS0 OV PP
15、SW位地址 CY：进位标志。加减运算时，保存最高位进位、借位状态。例：78H+97H（01111000+10010111） AC：半进位标志。 例：57H+3AH（01010111+00111010） F0、F1：用户标志位。作为软件标志，由编程人员决定何时使用。 RS1、RS0：工作寄存器组选择位。 OV：溢出标志位。有符号数运算时，如果发生溢出，OV置“1”，否则清“0”。 P：奇偶校验位，它用来表示累加器A内容中二进制数位“1”的个数的奇偶性。若为奇数，则P=1，否则为0。例：某运算结果是78H（01111000），P=0。3.2.3 单片机执行程序过程n三个阶段：取指令、分析指令、执行
16、指令(1) 取指令：据PC中的值从程序存储器中读出现行指令 ，送IR；(2) 分析指令：取指令操作码译码，分析指令性质，寻找操作数地址；(3) 执行指令：取操作数，按操作码对操作数进行操作。数据总线缓冲器PC状态寄存器累加器暂存器暂存器ALU微操作控制电路时 序 电 路指令译码器指令寄存器地 址 寄 存 器存 储 器+1控制 信号外部总线内部总线单片机指令执行过程示意图n开机：PC=0000Hn程序执行过程：设当前PC=0030H，0030H(74H)，0031H(E0H)，该指令 将E0H送入累加器A (MOV A, #data) 。双字节指令取指令： PC=0030H送地址寄存器 PC+1=0031H 地址寄存器通过内部总线送到存储器，经地址译码 电路使0030H的单元被选中； CPU读控制线有效
