片机技术基础第二章.ppt

2023/6/30,1,第2章 单片机硬件结构和原理,单片机原理与应用,2.1 89C51单片机的内部结构及特点,2.2 89C51单片机引脚及其功能,2.3 89C51存储器配置,2.4 CPU时序,2.5 复位及复位电路,2.6 89C51单片机的低功耗工作方式,2.7 输出/输入端口结构,2.8 思考题与习题,2023/6/30,2,熟悉89C51内部结构熟悉部分特殊功能寄存器（SFR）的功能掌握存储器配置及特点掌握复位电路及堆栈的概念掌握部分引脚的功能，达到会应用的目的了解CPU时序及单片机的工作过程了解并行I/O端口内部结构,学习目的和要求,被抽象为一个硬件模型的电子产品大致包括：1)输入 2)处理核心 3)输出 输入可能有：1)键盘 2)串行接口（RS232/485/can bus/以太网/USB）3)开关量（TTL，电流环路，干接点）4)模拟量（420ma、010ma、05V（平衡和非平衡信号）处理核心主要有：1)8位单片机，主要就是51系列 2)32位arm单片机，主要有atmel和三星系列 输出的基本组成：1)串行接口（RS232/485/can bus/以太网/USB）2)开关量（TTL、电流环路、干接点、功率驱动）3)模拟量（420ma，010ma，05V（平衡和非平衡信号）4)LED显示：发光管等 5)液晶显示器 6)蜂鸣器,51系列单片机最小系统：实际上，51单片机核心外围电路是很简单的即：单片机+时钟电路+复位电路单片机：atmel的89C51系列、89C51系列、winbond的78E52系列，还有philips的系列等；复位电路：由电容串联电阻构成。适当组合RC的取值可以保证可靠的复位。一般C取10f，R取8.2K。至于如何定量计算，可以参考相关书籍。时钟电路：一般选用11.0592M晶振，为了准确无误地得到9600波特率和19200波特率；两片磁片电容：22pf30pf，可以查找什么晶振频率对应什么容量的磁片电容。,5,2023/6/30,2.1.1 89C51单片机的基本组成,2.1.2 89C51单片机内部结构,2.1 89C51单片机的结构,6,2023/6/30,MCS-51系列单片机为Intel 公司产品,1980年推出。,89C51单片机是ATNMEL、PHILIPS、SST公司的产品：89C51 80C51373Flash ROM 价格便宜，广泛的应用。,它们的基本组成、基本性能和指令系统都是相同的。,2.1.1 89C51单片机的基本组成,80C51CPU,振荡器和 时序OSC,64KB 总线扩展控制器,数据存储器256B RAM/SFR,216位定时器/计数器,可编程I/O,程序存储器4KBROM,可编程全双工串行口,外中断,内中断,控制,并行口,串行通信,外部时钟源,外部事件计数输入,89C51单片机结构框图,DBUS,80c51 CPU字长8位，地址16位，最大存储器寻址能力为64KB。能实现8位二进制数的加、减、乘、除以及与、或、异或、移位等运算。,用以存放可以读/写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据等。,256 B/128 B RAM/SFR,用以存放程序、一些原始数据和表格。但有一些单片机内部不带ROM/EPROM，如8031、8032、80C31等（8051/8052是掩膜 ROM，8751/8752是EPROM，但8031、8032、80C32片内无ROM）。,片内4KB程序存储器Flash ROM:,每个口可以用作输入，也可以用作输出。,四个8位并行I/O（输入/输出）接口P0P3:,9,2023/6/30,每个定时/计数器都可以设置成计数方式，用以 对 外部事件进行计数，也可以设置成定时方式，并可以根据计数或定时的结果 实现计算机控制。,两个定时/计数器:,可实现单片机与单片机或与其它微机之间串行通信。,一个全双工UART的串行I/O口:,但需外接晶振和电容。,片内振荡器和时钟产生电路:,五个中断源的中断控制系统。,2个外中断，2个定时/计数器中 断，1个串行口中断,10,2023/6/30,51系列单片机的温度适用范围 为：民品（商业用）070 C 工业品 4085 C 军品 55125 C,与8051相比，89C51具有两种用软件选择的节电工作方式：空闲方式：CPU停止工作，RAM、定时/计数器、中断系统等继续工作。掉电方式：片内振荡器停止，所以系统不能工作，仅保存RAM中内容。,11,2023/6/30,2.1.2 89C51单片机内部结构,由 中央处理单元（CPU）、存储器（ROM及RAM）和I/O接口组成。MCS-51单片机内部结构如图21所示。,P0驱动器,P2驱动器,P0锁存器,P2锁存器,RAM地址寄存器,128BRAM,4KBFlash 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,XTAL1 XTAL2,PSENALEEARET,13,2023/6/30,（一）、中央处理单元（CPU）,运算器,控制器,单片机中的中央处理器(CPU)和通用微处理器基本相同，只是增设了“面向控制”的处理功能。例如：位处理、查表、多种跳转、乘除法运算、状态检测、中断处理等，增强了实时性。,CPU,1运算器,+、算术运算，与、或、非、异或逻辑运算，循环移位、位处理,（1）算术逻辑运算单元ALU(8位)：,14,2023/6/30,（2）8位累加器ACC（A）：,它经常作为一个运算数经暂存器2进入ALU的输入端，与另一个来自暂存器1的运算数进行运算，运算结果又送回ACC。,指示指令执行后的状态信息供程序查询和判别用。,（3）8位程序状态寄存器PSW：,（4）8位寄存器B：,在乘除运算时，用来存放一个操作数也用来存放运算后的一部分结果；如不能做乘除运算时，作为通用寄存器,15,2023/6/30,（5）布尔处理器：,专门用于处理位操作的，以PSW中的C为其累加器。,（6）2个8位暂存器：,ALU的两个入口处。,16,2023/6/30,（1）程序计数器PC（16位）,由两个8位计数器PCH、PCL组成。PC是程序的字节地址计数器，PC内容为将要执行的指令地址。改变PC内容，改变程序的流向。PC可对64KB的ROM直接寻址，也可对89C51片内RAM寻址。,2控制器,（2）指令寄存器IR及指令译码器ID,由PC找到ROM地址，取出指令经IR再送至ID，由ID对指令译码产生一定序列的控制信号，以执行指令所规定的操作。,（3）振荡器和定时电路,89C51单片机片内有振荡电路，只需外接石英晶体和2个频率微调电容（30pF左右），产生频率范围为1.2MHz12MHz。该信号就作为89C51工作的基本节拍（时间的最小单位）。,17,2023/6/30,（二）存储器,程序存储器（ROM）,数据存储器（RAM）,存储器,89C51存储器 包含4KB程序存储器Flash ROM 包含128B内部数据存储器。,（三）、I/O接口,89C51有四个8位并行I/O接口P0P3。它们都是双向端口，每个端口各有8条I/O线。P0-P3口四个锁存器同RAM统一编址，可作为SFR来寻址。,18,2023/6/30,2.2 89C51单片机引脚及其功能,89C51单片机引脚图,一.电源引脚：Vcc和Vss 2个,1Vcc(40脚)：电源端，为+5V。2Vss(20脚)：接地端。,二.时钟电路引脚：XTAL1和XTAL2 2个,XTAL2（18脚）:接外部晶体和微调电容的一端。是89C51片内振荡器反向放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体固有频率。当采用外部时钟时，此脚悬空。若89C51正常工作时，该引脚应有脉冲信号输出。,20,2023/6/30,XTAL1（19脚）：接外部晶体和微调电容的另一端；在片内它是振荡电路反向放大器的输入端，在采用外部时钟时，该引脚输入外部时钟脉冲。,21,2023/6/30,VCC,5.1K,外时钟信号,89c51,X1,X2,RST/VPD（9脚）：复位/后备电源输入 时钟信号正常时，该引脚高电平时,单片机进入复位状态（RST);当VCC掉电时，该引脚作为后备电源输入，以保持片内RAM中的数据不丢失（VPD）。,ALE/PROG（30脚）：地址锁存允许/编程脉冲输入端ALE：地址锁存允许信号端。正常工作时，该引脚以振荡频率的1/6固定输出正脉冲。CPU访问片外存储器时，该引脚输出信号作为锁存低8位地址的控制信号。它的负载能力为8个LS型TTL负载。PROG：是对片内带有4KB Flash ROM编程写入时的编程脉冲输入端。,23,2023/6/30,PSEN（29脚）：程序存储器允许信号输出端。在访问片外ROM时，定时输出负脉冲作为读片外ROM的选通信号，接片外ROM 的OE端。它的负载能力为8个LS型TTL负载。,VPP：用于在对89C51的片内Flash ROM编程时，施加(12V21V）的编程允许电源。,EA/VPP（31脚）内外程序存储器选择/编程电源输入,24,2023/6/30,单片机上电后不运转的原因,首先应该确认电源电压是否正常。用电压表测量接地引脚跟电源引脚之间的电压，看是否是电源电压；接下来就是检查复位引脚电压是否正常，分别测量按下复位按钮和放开复位按钮的电压值，看是否正确；然后再检查晶振是否起振了，一般用示波器来看晶振引脚的波形，注意应该使用示波器探头的“X10”档。另一个办法是测量复位状态下的IO口电平，按住复位键不放，然后测量IO口（没接外部上拉的P0口除外）的电压，看是否是高电平，如果不是高电平，则多半是因为晶振没有起振。另外还要注意的地方是，如果使用片内ROM的话,一定要将EA引脚拉高，否则会出现程序乱跑的情况。经过上面几点的检查，一般即可排除故障了。如果系统不稳定的话，有时是因为电源滤波不好导致的。在单片机的电源引脚跟地引脚之间接上一个0.1uF的电容会有所改善。如果电源没有滤波电容的话，则需要再接一个更大滤波电容，例如220uF的。遇到系统不稳定时，就可以并上电容试试（越靠近芯片越好）。,25,2023/6/30,四、I/O端口P0、P1、P2和P3,（1）P0口（P0.0P0.7，3932pin，I/O）是8位准双向 I/O 端口。,准双向 作为输入口使用时，应先写入全1。,每位能驱动8个LS型TTL负载。可用作8位数据输入/输出，同时也可用作外部地址总线的低8位。在CPU访问片外存储器（RAM、ROM）时，P0口作为分时复用的低8位地址总线/数据总线。,26,2023/6/30,（3）P1口（P1.0P1.7，18pin，I/O）8位准双向I/O口。输出时，P1口的每一位能驱动4个LS型TTL负载。输入时，先向P1口锁存器写入全1，此时将P1口引脚由内部上拉电阻拉成高电平。,（2）P2口（P2.0P2.7，2128，I/O)8位准双向I/O口，可用作8位数据输入/输出，同时也可用作外部地址总线的高8位。当有外部存贮器时，用作高8 位地址总线).当无外部存贮器时，可用作一般I/O线。,（4）P3口（P3.0P3.7，1017pin，I/O）8位准双向I/O端口。,每位能驱动4个LS型TTL负载。P3口除作为一般I/O口外，每个引脚都有第二功能。,27,2023/6/30,P3口第二功能：系统控制信号，定义如下：,任意一位不用于第二功能（首选）时，可用于第一功能。,28,2023/6/30,2.3 89C51存储器配置,89C51存储器,程序存储器ROM,数据存储器ROM,片内程序存储器,片外程序存储器,片内数据存储器,片外数据存储器,物理结构（哈佛结构）,29,2023/6/30,普林斯顿结构：程序和数据共用一个存储器逻辑空间，统一编址。,哈佛结构：程序与数据分为两个独立存储器逻辑空间，分开编址。,89C51存储器属于哈佛结构：包含4KB程序存储器Flash ROM 包含128B内部数据存储器。,存储器的结构,30,2023/6/30,片内外程序存储器,片内数据存储器,片外数据存储器,提示：CPU访问片内、外ROM用指令 MOVC 片外RAM用 指令 MOVX 片内RAM用 指令 MOV,31,2023/6/30,2.3.1 程序存储器用于存放程序和常数表。含4KB Flash ROM，当EA=1时，片内程序存储器被允许（地址为00000FFFH时自动访问片内，地址为1000HFFFFH时自动访问片外）。当EA=0时，片内程序存储器被禁止。,片内片外统一编址：0000HFFFFH,32,2023/6/30,中断向量表,0003H002AH均匀地分为5段，为5个中断服务程序起始处。因为字节单元太少，所以常在这些存储单元中存放转移指令。,片内ROM和片外ROM取指的速度相同。应尽量避免外扩程序存储器芯片而增加硬件的负担.在极特殊的情况下,才应外扩程序存储器芯片执行外部程序.,程序存储器的低地址的40多个单元留给系统使用。,33,2023/6/30,2.3.2 数据存储器地址空间,用于存放运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等。,1.片外RAM 0000HFFFFH，使用MOVX指令访问。,2.片内RAM 00HFFH，使用MOV指令访问。,安排了21个SFR地址分布离散,32个字节通用Reg.区,即可字节寻址，又可位寻址.,80字节RAM区,由PSW中RS1、RS0组合来决定选中当前组,CPU上电时选中0组；未用到的组可作为RAM用.程序执行的任何时刻，只能用一组。,35,2023/6/30,图28 低128字节RAM区,图29 高128字节RAM区(SFR区),36,2023/6/30,1)低128字节RAM,89C51的32个工作寄存器与RAM安排在同一个队列空间里，统一编址并使用同样的寻址方式(直接寻址和间接寻址)。00H1FH地址安排为4组工作寄存器区，每组有8个工作寄存器(R0R7)，共占32个单元。通过对程序状态字寄存器PSW中RS1、RS0的设置，每组寄存器均可选作CPU的当前工作寄存器组。若程序中并不需要4组，那么其余可用作一般RAM单元。CPU复位后，选中第0组寄存器为当前的工作寄存器。,工作寄存器区后的16字节单元(20H2FH)，可用位寻址方式访问其各位。在89系列单片机的指令系统中，还包括许多位操作指令，这些位操作指令可直接对这128位寻址。这128位的位地址为00H7FH。,37,2023/6/30,2)高128字节RAM特殊功能寄存器(SFR),89C51片内高128字节RAM中，有21个特殊功能寄存器(SFR)，它们离散地分布在80HFFH的RAM空间中。访问特殊功能寄存器只允许使用直接寻址方式。,(1)累加器ACC(E0H),累加器ACC是89C51最常用、最忙碌的8位特殊功能寄存器，许多指令的操作数取自于ACC，许多运算中间结果也存放于ACC。在指令系统中用A作为累加器ACC的助记符。,38,2023/6/30,(2)寄存器B(F0H),在乘、除指令中，用到了8位寄存器B。乘法指令的两个操作数分别取自A和B，乘积存于B和A两个8位寄存器中。除法指令中，A中存放被除数，B中放除数，商存放于A，B中存放余数。在其他指令中，B可作为一般通用寄存器或一个RAM单元使用。,(3)程序状态寄存器PSW(D0H),PSW是一个8位特殊功能寄存器，它的各位包含了程序执行后的状态信息，供程序查询或判别之用。PSW除有确定的字节地址(D0H)外，每一位均有位地址。,39,2023/6/30,40,2023/6/30,CY(PSW.7)：进位标志位。在执行加法(或减法)运算指令时，如果运算结果最高位(位7)向前有进位(或借位)，则CY位由硬件自动置1；如果运算结果最高位无进位(或借位)，则CY清0。CY也是89C51在进行位操作(布尔操作)时的位累加器，在指令中用C代替CY。AC(PSW.6)：半进位标志位，也称辅助进位标志。当执行加法(或减法)操作时，如果运算结果(和或差)的低半字节(位3)向高半字节有半进位(或借位)，则AC位将被硬件自动置1；否则AC被自动清0。F0(PSW.5)：用户标志位。用户可以根据自己的需要对F0位赋予一定的含义，由用户置位或复位，以作为软件标志。,41,2023/6/30,RS0和RS1(PSW.3和PSW.4)：工作寄存器组选择控制位。这两位的值可决定选择哪一组工作寄存器为当前工作寄存器组。通过用户用软件改变RS1和RS0值的组合，以切换当前选用的工作寄存器组。89C51上电复位后，RS1=RS0=0，CPU自动选择第0组为当前工作寄存器组。根据需要，可利用传送指令对PSW整字节操作或用位操作指令改变RS1和RS0的状态，以切换当前工作寄存器组。这样的设置为程序中保护现场提供了方便。,42,2023/6/30,OV(PSW.2)：溢出标志位。当进行补码运算时，如有溢出，即当运算结果超出128127的范围时，OV位由硬件自动置1；无溢出时，OV=0。X(PSW.1)：为保留位。89C51未用，89C52为F1用户标志位。P(PSW.0)：奇偶校验标志位。每条指令执行完后，该位始终跟踪指示累加器A中1的个数。如结果A中有奇数个1，则置P=1；否则P=0。常用于校验串行通信中的数据传送是否出错。,43,2023/6/30,(4)栈指针SP(81H),堆栈指针SP为8位特殊功能寄存器，SP的内容可指向89C51片内00H7FH RAM的任何单元。系统复位后，SP初始化时为07H，即指向07H的RAM单元。,89C51在片内RAM中专门开辟出来一个区域，数据的存取是以“后进先出”的结构方式处理的；堆栈的操作有两种：一种叫数据压入(PUSH)，另一种叫数据弹出(POP)。89C51的堆栈指针SP是一个双向计数器。进栈时，SP内容自动增值，出栈时自动减值。存取信息必须按“后进先出”或“先进后出”的规则进行。,44,2023/6/30,如右图，假若有8个RAM单元，每个单元都有地址，栈顶由堆栈指针SP自动管理。每次进行压入或弹出操作以后，堆栈指针便自动调整以保持指示堆栈顶部的位置。,图210 堆栈的压入与弹出,45,2023/6/30,(5)数据指针DPTR(83H，82H),DPTR是一个16位的特殊功能寄存器，其高位字节寄存器DPH(地址83H)，低位字节寄存器DPL(地址82H)。DPTR既可以作为一个16位寄存器，也可以作为两个独立的8位寄存器DPH和DPL使用。DPTR主要用于存放16位地址，以便对64 KB片外RAM作间接寻址。,46,2023/6/30,(6)/端口P0P3(80H，90H，A0H，B0H),P0P3为4个8位特殊功能寄存器，分别是4个并行/端口的锁存器。它们都有字节地址，每一个口锁存器还有位地址，每一条/线均可独立用作输入或输出。用作输出时，可以锁存数据；用作输入时，数据可以缓冲。,图2-11 特殊功能寄存器SFR的位置,空格部分为未来设计新型芯片可定义的SFR位置,