《单片微型计算机原理及工程应用第2章 51系列单片机基本结构45p》由会员分享，可在线阅读，更多相关《单片微型计算机原理及工程应用第2章 51系列单片机基本结构45p（45页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、单片型计算机原理 及工程应用,陕西科技大学 吉涛,第二章 51系列单片机基本结构,第二章 51系列单片机基本结构,内容提要： 了解51内核单片机的体系结构； 掌握51单片机引脚的功能定义；（重点） 掌握51系列单片机的复位电路、时钟电路及指令时序； 掌握51系列单片机的存储空间结构及SFR；（重点） 了解AT89系列单片机的增强功能。 学习难点： 51单片机引脚的功能； 51系列单片机并行口结构； 单片机的RAM分布、ROM结构及地址形成； 单片机的工作时序。,2.1 51单片机逻辑结构与引脚,51单片机片内结构： 按功能可分成8个部件，通过片内单一总线连接； 控制方式：SFR对各功能部件集中
2、控制；,1.微处理器,2.数据存储器,3.程序存储器,4.I/O口,5.串行口,6.定时/计数器,7.中断系统,8.特殊功能寄存器,片内总线,51单片机的内部总体结构图,2.1 51单片机逻辑结构与引脚,2.1 51单片机逻辑结构与引脚,51单片机的封装： HMOS制造工艺：多为双列直插封装(DIP) ； CHMOS制造工艺：除采用DIP封装，还采用方形封装。,40引脚的双列直插,44脚的PLCC方形封装,51单片机外部连接 51单片机系统在外扩程序存储器、数据存储器及I/O接口时,藉由引脚而采用并行总线扩展方法。,2.1 51单片机逻辑结构与引脚,2.1 51单片机逻辑结构与引脚,51单片机
3、的引脚 ： 8051单片机多为40条引脚双列直插式封装； 引脚可分为三个部分。,控制引脚,并行I/O口引脚,电源及时钟引脚,2.1 51单片机逻辑结构与引脚,51单片机的引脚 ： 并行I/O口引脚 （32根） ： P0口 8位双向三态I/O口； 使用外存时，分时复用地址线(低8位)/数据总线 P1口8位（带上拉电阻）准双向I/O口； P2口 8位准双向I/O口； 访问外存时只输出地址高8位。 P3口8位准双向I/O口； 每个口线还具有第二功能：,电源及时钟引脚 （4根） ： X1 接外部晶体的一端，又是内部振荡器的输入端； X2 接外部晶体的另一端，又是内部振荡器输出端； VCC，VSS 电源
4、和地；,2.1 51单片机逻辑结构与引脚,51单片机的引脚 ： 控制引脚（4根）： ALE（30脚）：地址锁存控制信号/编程脉冲输入端。 用于访问外存时锁存低8位地址； 无RAM时，ALE为晶振6分频； /PSEN （29脚）：片外程序存储器读选通有效信号； /EA（31脚）：访问程序存储器控制信号 EA=1从内部开始执行程序； EA=0只访问外程序存储器； RST/VPD（9脚）：复位/掉电保护信号输入端；,MCS-51单片机引脚逻辑示意图,2.2 单片机的微处理器,中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件。,运算器,控制器,位处理器（布尔处理器）,中央处理器(CPU),CPU的功能:,负
5、责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作,完成运算和控制输入/输出功能等操作,2.2 单片机的微处理器,运算部件 ：,1、算术逻辑单元ALU及组成 8位，完成算术/逻辑运算。 含加法器（乘法器、除法器） 、暂存器、布尔处理器,运算器的组成：,算数逻辑单元(ALU),累加器A,寄存器B,暂存器(TMP1、TMP2),程序状态寄存器PSW,2、布尔处理机 是一个一位处理机子系统; 17条布尔指令+存储器位空间+CY 构成单片机布尔处理机 有自己累加器CY，数据存储器（可位寻址空间） 用途：逻辑电路的仿真、开关量的控制、设置状态标志位等,2.2 单片机的微处理器,控制部件 ：,功能：以主频为基准，控
6、制CPU的时序，读指令、进行指令译码、控制各硬件环节协调工作。它包括时钟发生器、复位电路、定时控制逻辑、 指令寄存器、 译码器以及信息传送控制等部件。,程序计数器PC,指令寄存器IR,指令译码ID,数据指针DPTR,堆栈指针SP,RAM地址寄存器,时钟发生器,定时控制逻辑,控制器组成：,2.2 单片机的微处理器,与CPU有关的专用寄存器组： 专用寄存器组，又称为特殊功能寄存器 (SFR，即Special Function Registers)，是计算机中一类与硬件工作密切相关、有专门用途的特殊存储单元； 与CPU有关的特殊功能寄存器，包括累加器A、通用寄存器B、程序状态字PSW寄存器，堆栈指针
7、SP、数据指针DPTR，以及至关重要的寄存器-程序计数器PC。,1、程序计数器PC（Program Counter） 16位，其内容为单片机将要执行的指令机器码所在存储单元的地址； 不属于SFR，但有联系； 三大指针之一； 16位的PC可寻址范围为64KB，即地址空间为00000FFFFH。,2.2 单片机的微处理器,与CPU有关的专用寄存器组：,2、数据指针DPTR (Data Pointer) DPTR是16位寄存器，DPH 为DPTR的高八位寄存器，DPL 为DPTR的低八位寄存器。； 可以寻址64K地址空间； 三大指针之一。 3、堆栈指针SP (Stack Pointer) SP为8位
8、寄存器，指示栈顶位置。 进栈：SP+1，再压栈； 出栈：先出栈，再SP-1。 4、累加器ACC或A (Accumulator) 所有的运算都是以累加器为一个源操作数和目的操作数,2.2 单片机的微处理器,与CPU有关的专用寄存器组：,5、寄存器B (General Register) 乘、除指令中的一个操作数； 可以作为一般变量使用。 6、程序状态字PSW (Program Status Word) 8位寄存器，保存指令执行状态。,D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0,Cy进（借）位标志 保存算术运算的进或借位 位操作的累加器,AC辅助进位标志 运算结果从D3产生进位或借位时AC=1
9、 主要用于BCD码调整,PSW：,2.2 单片机的微处理器,与CPU有关的专用寄存器组：,D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0,F0用户标志 可以使用的位变量 可以随PSW被保存 RS1,RS0寄存器组选择0 0 组0（00H07H）0 1 组1（08H0FH）1 0 组2（10H17H）1 1 组3（18H1FH）,OV溢出标志位 有符号数运算结果超出允许范围OV=1,否则OV=0。 P奇偶标志位 每个机器周期根据累加器A中的内容的奇偶性由硬件置/复位。 A中1的个数为奇P=1; 否则为P=0;,PSW：,2.3 单片机的时钟与复位,单片机也是在时钟同步下工作，所以上电时必须复位。
10、 时钟电路： 完成时钟分相,控制等 产生整个单片机运行的脉冲时序 需外接晶振的频率1.212MHZ，C1和C2取3010PF,2.3 单片机的时钟与复位,CPU时序（主频、机器周期、状态周期）： 时序：控制器对指令进行译码，并分解为若干微操作，这些微操作对应的脉冲信号在时间上的先后次序被称为计算机的时序。由时钟电路协助完成。 震荡周期：震荡源fosc的周期，为单片机提供定时信号； 状态周期：S又称时钟周期，各种微操作的时间基准，分为P1、P2，P1完成算术、逻辑操作，P2完成寄存器间传输；机器周期：6个状态周期；指令完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期 。 指令周期：以机器周期为单位，执行
11、一条指令的全部时间（单字单周期、单字双周期、双字单周期、双字双周期、单字4周期）。关系：令震荡周期=T0， 状态周期=2T0，机器周期=12T0，指令周期12T0 当晶振频率=12MHz，则T0=1/12us，机器周期=1us,INC A 指令码：04H,51单片机CPU取指/执行时序,2.3 单片机的时钟与复位,复位状态与复位电路 复位：是使CPU和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从该状态开始工作。51单片机复位后，从程序存储器的0000H单元开始执行程序。,复位条件：RST引脚高电平有效、输入至少2个机器周期以上的高电平。,2.4 存储器组织和存储空间,一、 8051单片机
12、存储器结构分类 按功能：程序存储器和数据存储器及特殊功能寄存器（SFR）、位地址空间； 物理结构：片内和片外； 寻址空间：程序存储器、内部数据存储器、外部数据存储器 （一）程序存储器,存放应用程序和表格之类的固定常数； 程序计数器（Program Counter）PC：存放将要执行指令的地址； 分为片内和片外两部分，由/EA引脚上所接电平确定- /EA=1 先执行片内ROM程序，当PC=0FFFH时（4K），自动执行片外ROM; /EA=0 CPU总是从地址0000H处读取片外ROM中程序。,程序运行入口地址 以下7种情况，PC被硬件设置为对应的内容：1） 程序存储器中的0000H地址是系统程
13、序的启动地址2） 6个单元具有特殊用途 6种中断源的中断入口地址外中断0 0003H定时器T0 000BH外中断1 0013H 定时器T1 001BH 串行口 0023H定时器T2 002BH （52子系列）,在0000H地址只写一条跳转指 令，从0030H开始写主程序； 5、程序存储器访问通过 （1）地址有效； （2）PSEN有效；,说明： 1、8051可寻址64K程序空间； 2、8051内部有4KBROM; 3、执行到0FFFH到外部取指； 4、8031无内部ROM； 5、由于这6个中断向量地址的存在，所以在写程序时，这些地址不要占用一般,（二）数据存储器,8051分为片内数据存储器(51
14、系列-128B、52系列-256B)和片外数据存储器,1、内部RAM由8位地址线寻址 00H7FH：存储区 80H FFH：特殊功能寄存器区 位地址空间211个可寻址位 2、片外RAM由16位地址寻址 寻址空间64KB 片外数据存储器访问条件： （1）地址信号有效； （2）RD/WR信号有效；,二、内部数据存储器 内部数据存储器低128字节为RAM 高128字节为特殊功能寄存器区 52系列高128字节RAM,（一）RAM区 1、通用寄存器区 4组8个8位寄存器R0R7 由PSW中的RS1,RS0选择当前工作区 2、位寻址空间 20H2FH字节可以位寻址128位00H7FH 3、寻址内部RAM空
15、间 30H7FH字节(80B),存储空间结构图,内部数据存储器 （a）,外部数据存储器 （b）,MCS-51单片机存储器空间分配,52系列单片机存储器空间分配,返回,51系统,片内RAM区结构： 共128个字节，字节地址为00H7FH。00H1FH：32个单元，是4组通用工作寄存器区20H2FH：16个单元，可进行128位的位寻址30H7FH：用户RAM区，只能进行字节寻址，用作数据缓冲区以及堆栈区。 4、堆栈及其操作 功能：保护断点和程序现场 堆栈的操作规则：先进后出 (FILO) 通常堆栈指针在初始化时要指向用户 RAM 区 堆栈的入栈操作：PUSH direct_address ； SP
16、+1 SP,(direct_address) 栈顶 单元 堆栈的出栈操作： POP direct_addree ；栈顶单元的内容 (direct_address),SP-1 SP.,存储空间回顾,（二）特殊功能寄存器（SFR）CPU对各种功能部件的控制采用特殊功能寄存器集中控制方式，共21个。 有的SFR可进行位寻址，其字节地址的末位是0H或8H。,表2-2 SFR的名称及其分布,SFR中的某些寄存器1堆栈指针SP 指示出堆栈顶部在内部RAM块中的位置 复位后 ，SP中的内容为07H。（1）保护断点（2）现场保护堆栈向上生长2. 数据指针DPTR 16位特殊功能寄存器，高位字节寄存器用DPH表示，低位字节寄存器用DPL表示。3. I/O端口P0P3P0P3分别为I/O端口P0P3的锁存器。 4. 寄存器B为执行乘法和除法操作设置的。在不执行乘、除的情况下，可当作一个普通寄存器来使用。,
