《张萍《微控制器精品教学》第2章80c51系列微控制器的片内基本结构》由会员分享，可在线阅读，更多相关《张萍《微控制器精品教学》第2章80c51系列微控制器的片内基本结构（127页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1,2.1 单片机的基本组成 2.2 80C51单片机的引脚功能和结构框图 2.3 80C51 CPU的结构和特点 2.4 存储器结构和地址空间 2.5 80C51的布尔处理器 2.6 80C51单片机的工作方式,第二章单片机的基本结构与工作原理,基本内容,2,单片机的结构特征是将组成计算机的基本部件集成在一块晶体芯片上，构成一台功能独特的单片微型计算机。一台典型单片机的基本组成结构，如图2-1所示。,2.1 单片机的基本组成,3,图2-1典型单片机的基本组成结构,CPU是单片机的最核心部分,它是整个单片机的控制和指挥中心,完成所有的计算和控制任务。 振荡器和时序逻辑，产生CPU工作所需要的内
2、部时钟。 中断控制逻辑用来应付一些临时到达的突发事件。 并行I/O接口和串行I/O接口都是一些数据传输通道，方便CPU从芯片外部取得待处理的对象和将处理的结果送到芯片外部。 程序存储器用于存放单片机的程序。 数据存储器用于存放内部待处理的数据和处理后的结果。 定时器/计数器主要是完成对外部输入脉冲的计数或者根据内部的时钟及定时设置，周期性的产生定时信号。 总线控制逻辑，用于产生外部存储空间的有关读写控制信号。 内部总线内部CPU与程序存储器、数据存储器、并行I/O接口、串行I/O接口和定时器/计数器之间都是通过内部总线联系在一起。,5,1微处理器(CPU),80C51系列MCU中的中央处理器(
3、CPU)是一个8位的处理器，和通用微处理器基本相同，同样包括了运算器和控制器两大部分，为了增强实时性，添加了“面向控制”的处理功能，如位处理、查表、多种跳转、乘除法运算、状态检测、中断处理等。,6,2. 存储器,单片机的存储器有两种基本结构：一种是在通用微型计算机中广泛采用的将程序和数据合用一个存储器空间的结构，称为普林斯顿(Princeton)结构；另一种是将程序存储器和数据存储器截然分开，分别寻址的结构，称为哈佛(Harvard)结构。Intel的MCS-51和80C51系列单片机就是这种结构。考虑到单片机“面向控制”的实际应用的特点，一般需要较大的程序存储器，因此，目前的单片机以采用程序
4、存储器和数据存储器截然分开的结构为多。,7,(1) 程序存储器（ROM),由于单片机的应用系统，一般开发调试成功后的应用程序不再需要改变，常永久性地存储在程序存储器中，故单片机的程序存储器都采用只读存储器。为方便不同用户的需要，目前单片机的程序存储器有以下二种结构形式：,8, 片内只读存储器,片内掩膜ROM（MROM）：其特点是程序必须在做单片机时写入，一次性固化，用户不能修改。因此，这种结构形式只适用于程序已成熟、定型，且批量很大的场合。这种单片机的价格便宜。,片内可编程的ROM ：可直接由用户进行编程，因而用户在实际应用中甚感方便。但这类单片机价格较贵，应有选择地采用。,9,一种可编程的R
5、OM是EPROM。EPROM需用紫外线擦除，必须脱机固化，不能在线改写。,电可擦除型ROME2PROM。电可擦除型ROM给用户带来了更大的方便，特别是应用系统的现场调试。由于目前价格已经迅速下降，所以被广泛采用。目前所有的单片机都采用FLASH ROM！,EPROM和E2PROM都是可以多次擦除和编程的，或称MTP(Multiple Time Programmable)的ROM。,还有仅允许一次编程的OTP的ROM。,10, 片外只读存储器,由于受集成度的限制，片内只读存储器一般存储容量较小(2 KB至8 KB)，给使用带来不便。使用片外只读存储器的单片机则克服了上述之不足。,在单片机中，用随
6、机存取存储器（RAM）来存储程序在运行期间的工作变量和数据，所以称为数据存储器。,(2) 数据存储器(RAM),11,一般在单片机内部设置一定容量(64 B至256 B)的RAM。这样，小容量的数据存储器以高速RAM的形式集成在单片机内，以加快单片机运行的速度。而且这种结构的RAM还可以使存储器的功耗下降很多。在单片机中，常把寄存器(如工作寄存器、特殊功能寄存器、堆栈等)在逻辑上划分在片内RAM空间中，所以可将单片机内部RAM看成是寄存器堆，这样的结构也有利于运行速度的提高。,对某些应用系统，还可外部扩展数据存储器。,12,3可编程并行I/O口,为了满足“面向控制”的实际应用的需要，MCU提供
7、了数量多、功能强、使用灵活的并行I/O口。不同MCU的并行I/O电路在结构上稍有差异。有些MCU的并行I/O口，不仅可灵活地选作输入/输出，而且还具有多种功能。例如，80C51系列MCU的P0口，它既是I/O口，又是系统总线，从而为扩展外部存储器和I/O接口提供了方便，大大拓宽了MCU的应用范围。,13,4全双工串行口(UART),现在的80C51系列MCU均配置了全双工串行口，有的80C51系列MCU(Silicon Labs公司的MCU)甚至配置了多个串行口。串行口提供了与某些终端设备进行串行通信或和一些特殊功能的器件相连的能力，甚至可用多个MCU相连构成多机系统，使MCU的功能更强且应用
8、更广。,14,5. 定时器/计数器,在单片机的实际应用中，往往需要精确的定时，或者需对外部事件进行计数。为了减少软件开销和提高单片机的实时控制能力，因而均在单片机内部设置定时器/计数器电路，通过中断，实现定时/计数的自动处理。,15,6中断控制系统,中断控制系统的加入有效地解决了快速CPU与慢速外部设备之间的矛盾，可使CPU与外部设备并行工作，大大提高了工作效率；可以及时处理控制系统中许多随机产生的参数与信息，即计算机具有实时处理的能力，从而提高了控制系统的性能；使系统具备了处理故障的能力，提高了系统自身的可靠性。,16,7. 定时电路及元件,计算机的整个工作是在时钟信号的驱动下，按照严格的时
9、序有规律地一个节拍一个节拍地执行各种操作。各种计算机均有自己的固定时序和定时电路。同样，单片机内部也设有定时电路，只需外接振荡元件即可工作。外接振荡元件一般选用晶体振荡器(简称晶振)，或用价廉的RC振荡器，也可用外部时钟源，作为振荡元件。近来有的单片机将振荡元件也集成在芯片内部，这样不仅大大缩小了单片机的体积，同时也方便了使用。,17,由上可见，单片机在结构上突破了常规的按逻辑功能划分芯片、由多片构成微型计算机的设计思想，将构成计算机的许多功能集成在一块晶体芯片上。在众多的单片机中，又以80C51的结构具有显著特点,形成了主流机型，被多家单片机厂家选作内核。我们将以通用的80C51系列为主，对
10、其功能和结构作由表及里的分析。,18,2.2 89C51系列微控制器的引脚介绍,学习MCU首先必须知道怎样设计电路及怎样连线，这就需要了解MCU的引脚。熟悉并牢记各引脚的功能，是学好用好MCU的基本功。89C51芯片是DIP(Dual In-line Package)封装的，有40个引脚，如图2-2(a)所示。89C52芯片与89C51芯片封装形式一样。由于技术的进步及可靠性、小型化的要求，在应用中，现在的MCU出现了多种封装形式。,19,例如，STC公司的MCU，封装形式有SOP(Small Out-line Package)、PQFP(Plastic Quad Flat Package)、
11、LQFP(Low rofile Quad Flat Package)，如图2-2(b)所示；NXP公司的MCU，封装形式有LQFP、TSOP(Thin Small Out-line Package)；Silicon Labs公司的MCU，封装形式有TQFP(Thin Quad Flat Package)、QFN(Quad Flat No-lead Package)等。,20,对于初学者来说，DIP封装的MCU使用方便，且便于记忆管脚位置，下面就结合图2-2介绍标准89C51 DIP封装形式的引脚功能。,图2-2 标准89C51 DIP和QFP封装图,21,22,2.2.1 电源及时钟引脚,1电
12、源引脚,MCU使用的是+5 V电源，其中40引脚(VDD)接正极，20引脚(VSS)接地。,2时钟引脚,两个时钟引脚XTAL1、XTAL2外接晶体与片内的反相放大器构成一个振荡器，它为MCU提供了时钟信号。,23,2.2.2 并行I/O口,标准89C51 MCU具有4个I/O口，32根I/O口线。,1P0口,P0口是8位、漏极开路的双向I/O口。当扩展片外存储器(ROM及RAM)时，P0口用作分时复用的地址/数据总线。在程序校验期间，输出指令字节(这时，需加外部上拉电阻)。P0口(作为总线时)能驱动8个LSTTL负载。,24,2P1口,P1口是8位、准双向I/O口，具有内部上拉电阻。在编程/校
13、验期间，用作输入低位字节地址。P1口可以驱动4个LSTTL负载。对于89C52来说，P1.0(T2)是定时器/计数器T2的计数输入端；P1.1(T2EX)是定时器/计数器T2捕获/重装载的外部触发输入端。这时，读两个特殊引脚的输出锁存器前，应由程序将相应输出锁存器置1。.,25,3P2口,P2口是8位、准双向I/O口，具有内部上拉电阻。当扩展片外存储器(ROM及RAM)时，P2口输出高8位地址。在编程/校验期间，接收高位字节地址。P2口可以驱动4个LSTTL负载。,26,4P3口,P3口是8位、准双向I/O口，具有内部上拉电阻。P3口可以驱动4个LSTTL负载。P3口还提供各种第二功能，在提供
14、这些功能时，其输出锁存器应由程序置1，其第二功能定义见表2-1。,27,表2-1 P3口的第二功能定义,28,/VPP是片外程序存储器访问允许信号，低电平有效。在编程时，其上施加21V或12V的编程电压。,2.2.3 控制引脚,控制引脚共4根。,1RST,RST是复位输入信号端，高电平有效。振荡器工作时，在RST上作用两个机器周期以上的高电平，将使MCU复位。,2/VPP,29,3ALE/PROG,30,4PSEN,31,2.3 80C51 CPU的结构和特点,中央处理器CPU主要包括控制器、运算器和工作寄存器及时序电路。在单片机中，工作寄存器(即通用寄存器)属于数据存储器RAM的一部分，因此
15、，工作寄存器放在存储空间配置中介绍。,P0驱动器,P2驱动器,P0锁存器,P2锁存器,RAM地址寄存器,128BRAM,4KB Flash ROM,B寄存器,暂存器1,暂存器2,ACC,SP,程序地址寄存器,缓冲器,PC增1,PC,DPTR,中断、串行口和定时器,PSW,P1锁存器,P1驱动器,P3锁存器,P3驱动器,定时控制,指令寄存器,指令译码器,OSC,ALU,P0.0-P0.7,P2.0-P2.7,P3.0-P3.7,P1.0-P1.7,XTAL1 XTAL2,PSEN ALE EA RET,89C51单片机 内部结构图,返回,2.3.1 运算器,运算器包括: 可进行8位算术和逻辑运算
16、的单元ALU 8位的暂存器1(TMP1)、暂存器2(TMP2), 8位的累加器ACC 8位寄存器B 程序状态寄存器PSW等。,（1）算术和逻辑单元ALU ALU是CPU运算器的核心，它可以完成对4位、8位和16位数据进行操作加、减、乘、除、加1、减1、BCD数十进制调整及比较等算术运算和“与”、“或”、“异或”、“求补”及“循环移位”等逻辑运算操作。它是整个单片机的计算中心。 （2）累加器ACC 8位寄存器，ALU运算的结果，一般都进入累加器ACC，当然运算的对象也可以来自于ACC。除此之外，ACC在MCS-51内部还经常作为数据传送的中转站。同一般微处理器一样,它是最忙碌的一个寄存器。在指令中用助记符A来表示。 （3）寄存器B 8位寄存器，在乘、除运算时，B寄存器用来存放一个操作数，也用来存放运算后的一部分结果。若不做乘、除运算，则可作为通用寄存器使用。,（4）程序状态字寄存器PSW 8位寄存器，用于指示指
