教学课件PPT单片机的硬件结构.ppt
知识点一：单片机的内部结构组成,知识点二：单片机引脚及其功能,第一章 MCS-51单片机的硬件结构,知识点三：单片机存储器结构,知识点四：单片机最小系统,知识点五：单片机的并行输入/输出端口,单片机控制技术,模拟开关灯,实物图,一、单片机的内部结构组成,单片机硬件结构,中央处理器CPU：8位，运算和控制功能,内部RAM：共256个RAM单元，用户使用前128个单元，用于存放可读写数据，后128个单元被专用寄存器占用。,内部ROM：4KB掩膜ROM，用于存放程序、原始数据和表格。,定时/计数器：两个16位的定时/计数器，实现定时或计数功能。,并行I/O口：4个8位的I/O口P0、P1、P2、P3。,串行口：一个全双工串行口。,中断控制系统：5个中断源（外中断2个，定时/计数中断2 个，串行中断1个）,时钟电路：可产生时钟脉冲序列，允许晶振频率6MHZ和12MHZ,复位电路,串,一、单片机的内部结构组成,中央处理器CPU,中央处理器CPU是单片机的核心部件，由运算器、控制器组成。,内部存储器,存储器是用来存放程序和数据的部件，在单片机中程序存储器和数据存储器是分开寻址的。,一、单片机的内部结构组成,数据存储器RAM,8051型单片机共有256个字节的RAM单元，其中高128单元地址被特殊功能寄存器占用，能提供给用户使用的只是低128单元，称内部RAM，主要用于存放可随机存取的数据以及运算结果。,程序存储器ROM,8051型单片机内部共有4KB的ROM，用于存放程序、原始数据和表格。,一、单片机的内部结构组成,定时器/计数器,8051型单片机共有2个16位长度的定时器/计数器，用于实现定时或计数功能，并可用定时计数结果对单片机以及系统进行控制。,并行I/O端口,8051型单片机共有4个8位的并行IO口（P0、P1、P2、P3），以实现数据的并行输入与输出。,一、单片机的内部结构组成,中断系统,8051型单片机共设有5个中断源，其中外部中断2个、定时/计数中断2个、串行中断1个，二级优先级，可实现二级中断嵌套。,串行口,8051型单片机有一个全双工的串行口，以实现单片机与其它数据设备之间的串行数据传递。,一、单片机的内部结构组成,二、单片机引脚及其功能,MCS-51单片机采用40个引脚双列直插式封装方式，其中许多引脚具有第二功能。,Vcc,RST/VPD,Vss,二、单片机引脚及其功能,MCS-51单片机信号引脚简介,P3口线的第二功能,VCC,VSS,XTAL2XTAL1,RST,P0.0P0.1P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7,P1.0P1.1P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7,P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0,ALE,P3.0P3.1P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7,2、振荡电路：XTAL1、XTAL2,3、复位引脚：RST,4、并行口：P0、P1、P2、P3,7、ALE：地址锁存控制信号,1、电源线：VCC(+5V)、VSS(地),（1）引脚分类,二、单片机引脚及其功能,（2）引脚功能,电源与时钟,Vcc：接+5V电源端,Vss：接地端,XTAL1：片内振荡电路输入端,XTAL2：片内振荡电路输出端,二、单片机引脚及其功能,控制口线,二、单片机引脚及其功能,名称,功 能,ALE,ALE低电平时，P0口出现数据信息；ALE高电平时，P0口出现地址信息。,地址锁存控制信号。单片机工作时，ALE引脚不断向外输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率fosc 的l6。系统扩展时，P0口是8位数据线和低8位地址线的复用引脚。,二、单片机引脚及其功能,I/O口线-功能,第一功能四个8位并行口：P0、P1、P2、P3，均可作为双向I/O端口使用。第二功能P0：访问片外扩展存储器时，复用为低8位地址线和数据线P2：高8位地址线。P3：第二功能,二、单片机引脚及其功能,片外扩展控制：程序存储器A:ADRESS 地址 D:DATA数据,二、单片机引脚及其功能,P3：第二功能,二、单片机引脚及其功能,MCS-51单片机存储器可以分为：程序存储器（ROM）和数据存储器(RAM),知识点三：单片机的存储器结构,从组织结构上来看，MCS-51单片机采用的是哈佛结构Haward，程序存储器和数据存储器互相分离，分开编址，而且存储器有片内、片外之分。,三、单片机的存储器结构,MCS-51单片机存储器可以分为：程序存储器（ROM）和数据存储器(RAM),从组织结构上来看，MCS-51单片机采用的是哈佛结构Haward，程序存储器和数据存储器互相分离，分开编址，而且存储器有片内、片外之分。,三、单片机的存储器结构,三、单片机的存储器结构,在物理上具有4个相互独立的存储器空间：片内程序存储器、片外程序存储器、片内数据存储器和片外数据存储器；从逻辑上看，它具有3个存储器地址空间：片内外统一编址的程序存储器地址空间、片内数据存储器地址空间、片外数据存储器地址空间。,1、存储器特点：,单片机复位后程序计数器PC的内容为0000H。系统必须从0000H单元开始取指令来执行程序，0000H单元是系统的起始地址。内部ROM的0003H002AH共有40个字节单元，固定用于5个中断源的中断地址区，分别对应5个中断源的中断服务程序的入口地址。,三、单片机的存储器结构,2、程序存储器,三、单片机的存储器结构,单片机中断地址分布,void Int0()interrut 0,3、数据存储器,数据存储器分为片内RAM与片外RAM两大部分。,片外RAM的地址空间为64KB。片内RAM共有256个数据存储器字节单元，地址为00HFFH。,三、单片机的存储器结构,内部RAM结构,（1）片内RAM低128单元,片内数据存储器低128单元按照功能不同，可分为工作寄存器区、位寻址区、用户RAM区三个区域。,7FH00H,三、单片机的存储器结构,使用内部RAM的前32个字节单元，共分4组，在任一时刻，CPU只使用其中一组，正在使用的这些寄存器称为当前寄存器，由状态寄存器PSW中的RS0和RS1两位组合来确定。,三、单片机的存储器结构,工作寄存器区,内部RAM的20H2FH单元为位寻址区，16个单元，128位，该区每一位都有一个位地址，依次编址00H7FH。,三、单片机的存储器结构,位寻址区,RAM位寻址区位地址表,注意:一个单元地址对应有8个位地址 MSB（最高有效位）LSB（最低有效位）,？,同样的一个地址20H，表示位地址和字节地址时有何区别？,对用户RAM区的使用没有任何规定或限制，但在一般应用中常作堆栈或数据缓冲。,用户RAM区,三、单片机的存储器结构,（2）片内RAM高128单元,片内RAM高128单元是供给专用寄存器使用的，因此称为特殊功能寄存器区（SFR），单元地址为80H-0FFH。片内RAM有21个具有特殊功能的寄存器，通过特殊功能寄存器可实现对单片机内部资源的操作和管理。其中有11个专用寄存器具有位寻址能力。,三、单片机的存储器结构,SFR,SFR（特殊功能寄存器）详细参考课本第22页 高位 低位,累加器ACC,程序中最常用的8位特殊功能寄存器。主要功能为存放操作数以及存放运算的中间结果。,三、单片机的存储器结构,程序状态字PSW,用于存放指令执行时的状态信息的8位寄存器。其中有些位的状态是根据指令执行结果，由硬件自动设置的。,课本14页,单片机最小系统就是能使单片机工作的最少的器件构成的系统，是大多数控制系统所必不可少的关键部分。,知识点四：单片机的最小系统,单片机的最小系统包括 时钟电路和复位电路。,1、单片机时钟电路,MCS-51单片机执行指令是在时钟信号的控制下进行的，因此时钟信号是单片机工作的基础。时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，时序反映了指令执行中各信号之间的相互关系。,四、单片机的最小系统,（1）时钟信号的产生,MCS-51的时钟信号可以由两种方式产生:,四、单片机的最小系统,适用于多片单片机同时工作的场合，用同一时钟信号，保证各个单片机的工作同步，实际很少应用到。,晶振频率典型值：6MHz,11.0592MHz(用于串行通信)，12MHzC1,C2=30pF左右,（2）时序,单片机的时序是指CPU在执行指令时所需控制信号的时间顺序，时序信号是以时钟脉冲为基准产生的。通常按指令的执行过程将时序化为几种周期，即振荡周期、状态周期、机器周期和指令周期。,四、单片机的最小系统,课本24页,机器周期,计算机把执行一条指令过程划分为若干个阶段，每一阶段完成一项规定操作，完成某一个规定操作所需的时间称为一个机器周期。,四、单片机的最小系统,振荡周期,振荡电路产生的脉冲信号的周期,状态周期,振荡周期经过二分频产生单片机时钟信号的周期,指令周期,指令周期是执行一条指令所需要的时间，它是时序中最大的时间单位。按照执行一条指令所需机器周期的多数，MCS-51单片机的指令可分为单机器周期指令、双机器周期指令和四机器周期指令三种。,四、单片机的最小系统,四、单片机的最小系统,单片机时钟电路,2、单片机复位电路,复位是单片机的初始化操作，其目的是使CPU及各个寄存器处于一个确定的初始状态，使单片机从0000H单元开始执行程序。系统正常上电可以复位，另外，当系统程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态（死机）时，也需要按复位恢复系统正常工作状态。,四、单片机的最小系统,MCS-51系列的单片机复位方法为：在RST上加一个维持两个机器周期以上的高电平，则单片机被复位。常用的单片机复位电路（1）上电复位电路（2）按键复位电路,四、单片机的最小系统,四、单片机的最小系统,单片机复位后的特殊功能寄存器初态,四、单片机的最小系统,复位后的状态总结,单片机的复位操作使单片机进入初始化状态.初始化后:程序计数器PC=0000H 表明复位后程序从0000H开始执行。P0P3=FFH P0P3口用作输入口时，必须先写入“1”。单片机在复位后，已使P0P3口每一端线为“1”，为这些端线用作输入口做好了准备。堆栈指针SP=07H，表明堆栈底部在07H。一般需重新设置SP值。其余特殊功能寄存器的状态为00H,程序运行监控复位：看门狗电路 MAX706构成的单片机复位电路,四、单片机的最小系统,注意：AT89C51内部没有看门狗电路，可以外加看门狗芯片MAX706STC单片机内部有看门狗电路，用软件设定看门狗的工作方式,知识点五：单片机的并行输入/输出结构,MCS-51系列单片机有4个8位并行I/O端口，称为P0、P1、P2和P3，每个端口均可以位寻址，且都是8位准双向口，共占32只引脚，每个引脚都能独立地用做输入或输出端。,1、P0口,五、并行I/O端口电路结构,（1）P0用作通用I/O口,五、并行I/O端口电路结构,外接上拉电阻才能可靠地输出高电平,五、并行I/O端口电路结构,P0用作通用I/O口输出,sbit P0_0=P00;P0=0 xff;P0_0=1;,五、并行I/O端口电路结构,P0用作通用I/O口输入,X=P0;,P0=0 xff;X=P0;,五、并行I/O端口电路结构,P0用作通用I/O口读修改指令,P0=P0,P0口分时输出低8位地址及8位数据,五、并行I/O端口电路结构,（2）P0用作数据/地址总线,读入数据时，先按上述原理输出低8位地址，然后CPU自动使多路开关与锁存器连接，并向P0口写入0FFH，同时在“读引脚”信号作用下，使数据经缓冲器读入内部数据总线。,五、并行I/O端口电路结构,P0口的总结：P0既可作通用I/O端口使用，又可作地址/数据总线使用；作I/O输出时，必须外接上拉电阻；作I/O输入时，必须先向对应的锁存器写入1，再读取外部数据；当作为地址/数据总线使用时，无须外接上拉电阻，但不能再作为通用I/O口使用。,五、并行I/O端口电路结构,2、P1口,五、并行I/O端口电路结构,五、并行I/O端口电路结构,3、P2口,当扩展片外存储器时，P2口用作输出高8位地址线，与P0口输出的低8位地址线构成16位的地址总线。,五、并行I/O端口电路结构,五、并行I/O端口电路结构,4、P3口,P3口用作第二功能（课本31页表1-9）,当端口用于第二功能时，8个引脚可按位独立定义。P3口用作第二输出功能端时，单片机硬件电路自动将锁存器的Q端置位，打开与非门，第二输出功能端数据通过与非门和场效应管两次反相后输到P3.X（即P3.0-P3.7的某个）引脚。,五、并行I/O端口电路结构,P3口用作第二功能,P0P3口输出高电平的电路区别,P0口输出高电平必须接上拉电阻。,P1P3口输出高电平不必接上拉电阻。,I/O口驱动负载能力：,STC89C51的P0（外接上拉电阻）和P2，P3，P4，I/O口驱动负载的电流20mA,第一章 小结：,1、单片机的内部结构和引脚功能；2、单片机的存储器结构及使用；3、单片机最小系统构成；4、并行口P0，P1，P2，P3的基本使用。,
