单片机芯片的硬件结构课件.ppt
第2章 单片机芯片的硬件结构,2.1 MCS-51单片机的逻辑结构及信号引脚2.2 MCS-51单片机的内部存储器2.3 MCS-51单片机并行输入/输出口电路2.4 MCS-51单片机时钟电路与时序2.5 MCS-51单片机工作方式,2.1 MCS-51单片机的逻辑结构及信号引脚,2.1.1 MCS-51单片机结构框图2.1.2 MCS-51单片机芯片内部逻辑结构2.1.3 MCS-51的信号引脚,图2.1 MCS-51单片机的系统结构框图,2.1.1 MCS-51单片机结构框图,图2.2 MCS-51的内部逻辑结构图,CPU（8位）运算器：ALU、ACC、B、PSW、暂存寄存器(TMP1、TMP2)控制器：PC、PC+1、指令寄存器IR、指令译码器ID、定时/控制电路 内部数据存储器（128B RAM+RAM地址寄存器）内部程序存储器（4KB ROM+程序地址寄存器）定时/计数器（2个16位）并行I/O口（4个8位 P0、P1、P2、P3）串行口（TXD、RXD）中断控制系统（5个）2个外部中断、2个定时/计数中断、1个串行中断 时钟电路 位处理器（布尔处理器）进位标志位C作为累加位 总线（bus）地址总线、数据总线、控制总线,2.1.2 MCS-51单片机内部逻辑结构,图2-3 MCS-51单片机的引脚配置图,2.1.3 MCS-51的信号引脚,信号引脚介绍 1）输入/输出口线 P0.0P0/7、P1.0P1.7、P2.0P2.7、P3.0P3.7 2）ALE 地址锁存控制信号 3）PSEN 外部程序存储器读选通信号（低电平有效）4）EA 访问程序存储器控制信号（低电平有效）5）RST 复位信号 6）XTAL1和XTAL2 外部晶体引线端 7）VSS 地线 8）VCC 5V电源信号引脚的第二功能 1）P3口线的第二功能 2）EPROM存储器程序固化所需要的信号 3）备用电源引入,2.2 MCS-51单片机的内部存储器,2.2.1 内部数据存储器低128单元2.2.2 内部数据存储器高128单元2.2.3 MCS-51的堆栈操作2.2.4 内部程序存储器2.2.5 MCS-51单片机系统的存储器结构特点,2.2.1 片内数据存储器低128B,寄存器区（00H1FH）R0R7位寻址区（20H2FH）位地址00H7FH用户RAM区（30H7FH）,表2-1 内部数据存储器中的位地址,2.2.2 片内数据存储器高128B（80HFFH）,程序计数器PC（16位）累加器A/ACC（8位）B寄存器（8位）程序状态字PSW数据指针DPTR（16位）DPH+DPL（8位）,表2-2 特殊功能寄存器地址及功能表,堆栈:一种只允许在其一端进行数据插入和数据删除操作的线性表。特点：LIFO（Last-In First-Out）堆栈操作：入栈（PUSH）、出栈（POP）堆栈类型：1）向上生长型栈底在低地址单元（MCS-51）2）向下生长型栈底在高地址单元,2.2.3 MCS-51的堆栈操作,2.2.4 内部程序存储器(4KB),图2-4 MCS-51单片机存储器结构,位寻址区,通用RAM区,2.2.5 MCS-51的存储器结构特点,2.3 输入/输出（I/O）端口结构,MCS-51单片机有4个双向并行的8位I/O口P0P3P0口为三态双向口，可驱动8个TTL电路P1、P2、P3口为准双向口（作为输入时，口线被拉成高电平，故称为准双向口），其负载能力为4个TTL电路。,2.3.1 P0口的结构,图2-5 P0口的一位结构图,2.3.2 P1口的结构,VCC,P1.X锁存器,读锁存器,D,读引脚,写锁存器,内部总线,Q,Q,T,P1.X,内部上拉电阻,CP,图2-6 P1口的一位结构图,2.3.3 P2口的结构,图2-7 P2口的一位结构图,VCC,P2.X锁存器,读锁存器,地址,控制,D,读引脚,写锁存器,内部总线,P2.X,Q,Q,MUX,T,内部上拉电阻,CP,2.3.4 P3口的结构,图2-8 P3口的一位结构图,VCC,P3.X锁存器,读锁存器,第二输出功能,D,读引脚,写锁存器,内部总线,Q,Q,T,内部上拉电阻,第二输入功能,CP,P3.X,2.4 MCS-51时钟电路与时序,2.4.1 时钟电路2.4.2 时序定时单位2.4.3 典型指令时序,2.4.1 单片机的时钟电路,单片机时钟电路通常有两种形式：内部振荡方式：MCS-51单片机片内有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。把放大器与作为反馈元件的晶体振荡器或陶瓷谐振器连接，就构成了内部自激振荡器并产生振荡时钟脉冲（如图2-9所示）。外部振荡方式：外部振荡方式就是把外部已有的时钟信号引入单片机内（如图2-10所示）。,图2-9 内部振荡方式,图2-10 外部振荡方式,P1,P2,S1,P2,振荡周期,时钟周期,机器周期,机器周期,指令周期,XTAL2(OSC),S2,S3,S4,S5,S6,S1,S2,S4,S5,S3,S6,P1,P1,P1,P1,P1,P1,P1,P1,P1,P1,P1,P2,P2,P2,P2,P2,P2,P2,P2,P2,P2,P2,图2-11 MCS-51单片机各种周期的相互关系,2.4.2 时序定时单位,1振荡周期：为单片机提供时钟信号的振荡源的周期。2时钟周期：是振荡源信号经二分频后形成的时钟脉冲信号。3机器周期：通常将完成一个基本操作所需的时间称为机器周期。4指令周期：是指CPU执行一条指令所需要的时间。一个指令周期通常含有14个机器周期。,例：若MCS-51单片机外接晶振为12MHz时，则单片机的四个周期的具体值为：振荡周期1/12MHz1/12s0.0833s时钟周期1/6s0.167s机器周期1s指令周期14s,2.4.3 典型指令时序,图2-12 MCS-51单片机典型指令的取指和执行时序,2.5 MCS-51工作方式,2.5.1 复位方式2.5.2 程序执行方式2.5.3 掉电保护方式2.5.4 低功耗方式（80C51）,22FC1,1K,R21K,图2-13 几种复位电路,复位电路单片机复位电路包括片内、片外两部分。外部复位电路就是为内部复位电路提供两个机器周期以上的高电平而设计的。MCS-51单片机通常采用上电自动复位和按键手动复位两种方式。如图1-9所示。,表2-3 单片机复位后特殊功能寄存器的状态,单片机复位后的状态单片机运行出错或进入死循环时，可按复位键重新运行。21个特殊功能寄存器复位后的状态为确定值，如表2-3所示。,2.5.2 程序执行方式,数据转存接通备用电源,2.5.3 掉电保护方式,电源控制寄存器PCON待机方式 IDL=1 80c51即进入待机方式，CPU被“冻结”；使用外中断唤醒，PCON.0自动被清“0”，中断服务程序只需一条RETI指令。掉电保护方式 80c51:检测到电源故障时，应使PD=1,进入掉电保护，单片机停止工作，只有内部RAM内容得以保存；80C51可以有备用电源从Vcc端引入，Vcc正常后，硬件复位信号维持10ms即能使单片机退出掉电方式。,2.5.4 低功耗方式（80C51）,本章到此结束,Tank You！,
