《单片机原理及应用 教学课件 ppt 作者 佟云峰 第2章 单片机的基本结构》由会员分享，可在线阅读，更多相关《单片机原理及应用 教学课件 ppt 作者 佟云峰 第2章 单片机的基本结构（54页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、,第2章 单片机的基本结构,高 校 教 材 网,2.1 单片机的基本组成,2.1.1单片机的结构框图,图2-1 8051单片机结构框图,(1)中央处理器：中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是8位数据长度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。 (2)数据存储器(RAM)：8051内部有128个8位用户数据存储单元（00H-7FH）和128个专用寄存器单元(80H-FFH)，它们是统一编址的。可存放“读、写”的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。 (3)程序存储器(ROM)：8051共有4K(21240
2、96个)8位掩膜ROM存储单元，用于存放用户程序，原始数据或表格。每个单元可存放一个8位二进制数（1个字节）。,(4)定时/计数器：8051有两个16位的可编程定时/计数器，用以实现定时或计数且具有中断功能。 (5)并行输入输出(I/O)口：8051共有4组8位I/O口(P0、 P1、P2和P3)，用于对外部数据的传输及控制。 (6)全双工串行口：8051内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。 (7)中断系统：8051具备较完善的中断功能，有两个外部中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具
3、有2级中断优先级供选择。 (8)时钟电路：8051内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置晶体及电容。,2.1.2 单片机的内部结构,图2-2 单片机的内部结构框图,(1)程序计数器PC(program Counter),(2)数据指针(DPTR),(3)堆栈指针SP(Stack Pointer),(4)累加器ACC(Accumulator),(5)寄存器B,(6) 程序状态字(Program Status Word),(7) I/O口专用寄存器(P0、P1、P2、P3),(8) 定时/计数器(TL0、TH0、TL1和TH1),(9)定时/计
4、数器方式选择寄存器(TMOD),(10)其他控制寄存器,2.1.3单片机的引脚功能介绍,ATMEL公司AT89C51是8051系列单片机中最具代表性的产品，下面就以ATMEL公司AT89C51和AT89C2051单片机为例，介绍51单片机的引脚功能。,1、引脚配置图,图2-3 AT89C51引脚配置图,图2-4 AT89C2051引脚配置图,2、引脚功能介绍：采用40脚（Pin）双列直插DIP结构封装的AT89C51，其40个引脚中，电源正极和地线两条，外置石英振荡器的时钟线两条，4组8位共32个I/O口，复位信号（RST输入）、地址锁存信号（ALE输出）、内外程序存储器选择(/EA输入)、程
5、序存储器选通信号(/PSEN输出)各一条。中断、串口、定时器/计数器外部脉冲输入、存储器读写信号线与P3口引脚线复用。,2.2 单片机的存储器结构,2.2.1单片机的存储器结构类型,单片机的结构有两种类型，一种是程序存储器和数据存储器分开的形式，即哈佛(Harvard)结构，另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构，即普林斯顿(Princeton)结构。,图 2-5 8051单片机存储器结构,2.2.2 程序存储器,8051单片机的程序存储器是用于存储程序和表格常数等信息，通常是由ROM、EPROM、E2PROM等组成。在单片机中程序的执行顺序是由PC来控制的，PC
6、的位长是16位，因此单片机程序存储器的最大可寻址空间为21664K，地址编号从0000HFFFFH，与片外数据存储器的地址编号相同，只是用不同的指令来寻址。因此不会造成混乱。 程序存储器分片内和片外(采用MOVC指令寻址)，片内存储器是集成在单片机内部，8051单片机内部集成有4K的ROM，当程序的大小超出4K时，就需要外部扩展程序存储器。,2.2.3 数据存储器,8051单片机的数据存储器也分片内和片外，片内存储器空间有限，只有256个字节存储空间。而且被特殊功能寄存器（SFR）占用了128个（高地址段），工作寄存器组占用32个，位寻址区占用16个。因此，真正能提供给用户自由使用的数据缓冲区
7、只有80个单元。当系统控制程序所需数据量很大时，就需要外部扩展数据存储器。,图 2-6 片内RAM结构,片内RAM的地址是8位的，而片外的RAM地址是16位的。片外RAM相对简单，地址编号从0000H-FFFFH，采用MOVX指令寻址，而针对片内RAM数据操作的指令最为丰富，大部分数据操作是在片内进行的。,1、工作寄存器区域 8051单片机片内的00H-1FH分配给工作寄存器使用，共4组工作寄存器，每组8个寄存器，分别用R0-R7表示，各组工作寄存器与片内RAM单元的对应关系见下表。,2、位寻址区域 片内RAM的20H-2FH为8051单片机的位寻址区，这16个单元（每个单元8位）的每一位分配
8、了一个独立的位地址，共128个位地址，位地址编号从00H-7FH。详见下表,3、数据缓冲区 30H-7FH的80个内存单元是用户可以自由使用的数据缓冲区，一般可以作为堆栈的栈区使用，即在编程时用MOV SP , #2FH 指令将单片机默认的栈底07H单元改为2FH。也可以当作普通的内存单元使用。,4、特殊功能寄存器区域 8051单片机在特殊功能寄存器区域80H-FFH，离散地分布有21个特殊功能寄存器，其中11个具有位寻址功能。它们用来对片内的特殊功能模块进行管理、监视、控制以及数据传送、运算等。,2.3 单片机的端口结构 8051单片机有4个8位I/O口：P0、P1、P2和P3口，P1、P2
9、和P3为准双向口，P0口则为双向三态输入输出口。,2.3.1、P0口和P2口： 图2-7、2-8所示是P0口和P2口其中一位的电路图，由图可见，电路中包含一个数据输出锁存器和两个三态数据输入缓冲器，另外还有一个数据输出的驱动和控制电路。这两组口线用来作为CPU与外部数据存储器、外部程序存储器和I/O扩展口，而不能象P1、P3直接用作输出口。它们一起可以作为外部地址总线，P0口身兼两职（分时复用），既可作为地址总线，也可作为数据总线。,图 2-7 P0口（P0.x） 结构图,图 2-8 P2口（P2.x） 结构图,2.3.2 P1口和P3口 图2-9为P1口其中一位的电路图，P1口为8位准双向口
10、，每一位均可单独定义为输入或输出口，当作为输入口时，1写入锁存器，Q(非)=0，T2截止，内上拉电阻将电位拉至“1”，此时该口输出为1，当0写入锁存器，Q(非)=1,T2导通，输出则为0。,图2-9 P1口（P1.x） 结构图,图2-10 P3口（P3.x） 结构图,2.4 单片机的复位,2.4.1 单片机的复位功能,复位功能是单片机最基本的工作方式，也是非常重要的功能。单片机复位电路设计的好坏，直接影响到整个系统工作的可靠性。一般说来单片机的复位可分为内部与外部事件复位。,外部事件复位：包括上电复位、系统重启（RES）复位和低电压复位(又称为掉电复位)。,内部事件复位：目前流行的51内核单片
11、机基本上内部都集成了“看门狗”定时功能（8051单片机不具备此功能），内部“看门狗”WDT溢出也会造成复位，即内部事件复位。对于需要长时间稳定工作的系统来说，看门狗是十分必要的，它可以避免程序“跑飞或死锁”造成的错误。,2.4.2 复位电路设计 1、基本复位电路 复位电路的基本功能是系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后撤销复位信号。为可靠起见电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。,a)高电平有效上电/手动复位,b)低电平有效上电/手动复位,2、 电源监控复位电路 下图所示的电源监控电路是采用PHILIPS半导体公司生产的MAX8
12、09 、MAX810单片机专用电源监控芯片组成的。此电路具备：上电复位、掉电复位及手动复位功能及外围电路简单、可靠性高的特点。,a)高电平有效上电、 掉电/手动复位,b)低电平有效上电、 掉电/手动复位,3、 多功能电源监控复位电路 多功能电源监控电路的功能包括：电源测控（供电电压出现异常时提供预警指示或中断请求信号方便系统实现异常处理）、 数据保护（当电源或系统工作异常时对数据进行必要的保护，如写保护，数据备份或切换后备用电池等）、看门狗定时器（当系统程序跑飞或死锁时复位系统）、其它的功能（如温度测控，短路测试等）。,2.5 单片机的指令时序,2.5.1 时序的基本概念,1、节拍与状态：我们
13、把振荡脉冲的周期定义为节拍（为方便描述，用P表示），振荡脉冲经过二分频后即得到整个单片机工作系统的时钟信号，把时钟信号的周期定义为状态（用S表示），这样一个状态就有两个节拍，前半周期相应的节拍我们定义为1(P1)，后半周期对应的节拍定义为2(P2)。,2、机器周期：8051单片机有固定的机器周期，规定一个机器周期有6个状态，分别表示为S1-S6，而一个状态包含两个节拍，那么一个机器周期就有12个节拍，我们可以记着S1P1、S1P2S6P1、S6P2，一个机器周期共包含12个振荡脉冲，即机器周期就是振荡脉冲的12分频，显然，如果使用6MHz的时钟频率，一个机器周期就是2us，而如使用12MHz的
14、时钟频率，一个机器周期就是1us。,3、指令周期：执行一条指令所需要的时间称为指令周期，8051单片机的指令有单字节、双字节和三字节的，所以它们的指令周期不尽相同，也就是说它们所需的机器周期不相同，可能包括一到四个不等的机器周期。,2.5.2、8051单片机指令时序：,在8051单片机指令系统中，按它们的长度可分为单字节指令、双字节指令和三字节指令。执行这些指令需要的时间是不同的，也就是它们所需的机器周期是不同的，有下面几种形式： 单字节指令单机器周期(如传送类指令中的MOV A , Rn等) 单字节指令双机器周期(如传送类指令中的MOVC A , DPTR等) 双字节指令单机器周期(如位操作
15、指令中的SETB bit等) 双字节指令双机器周期(如控制转移类指令中的SJMP rel 等) 三字节指令双机器周期(如逻辑运算类指令中的ANL direct，data等) 单字节指令四机器周期(如算术运算类指令中的乘除法指令: MUL AB , DIV AB),2.5.3 典型的指令时序,1、单字节单周期指令：单字节单周期指令只进行一次读指令操作，当第二个ALE信号有效时，PC并不加1，那么读出的还是原指令，属于一次无效的读操作。 2、双字节单周期指令： 这类指令两次的ALE信号都是有效的，只是第一个ALE信号有效时读的是操作码，第二个ALE信号有效时读的是操作数。,3、单字节双周期指令：两
16、个机器周期需进行四读指令操作，但只有一次读操作是有效的，后三次的读操作均为无效操作。 单字节双周期指令有一种特殊的情况，如MOVX这类指令，执行这类指令时，先在ROM中读取指令，然后对外部数据存储器进行读或写操作，头一个机器周期的第一次读指令的操作码为有效，而第二次读指令操作则为无效的。在第二个指令周期时，则访问外部数据存储器，这时，ALE信号对其操作无影响，即不会再有读指令操作动作。,4、外部程序存储器(ROM)读时序：8051单片机读外部程序存储器读时序如下图所示。从图中可看出，P0口提供低8位地址，P2口提供高8位地址，S2结束前，P0口上的低8位地址是有效的，之后出现在P0口上的就不再是低8位的地址信号，而是指令数据信号，当然地址信号与指令数据信号之间有一段缓冲的过度时间,5、外部数据存储器(RAM)读时序： 8051单片机读外部数据存储器读写时序如下图所示图。从ROM中读取的是需要执行的指令，而CPU对外部数据存储的访问是对RAM进行数据的读或写操作，属于指令的执行周期，值得一提的是，读或写是两个不同的机器周期，但它们的时序却是相
