《片机基本原理》PPT课件.ppt
2023/7/20,第2章,单片机基本原理,2023/7/20,2,目 录,51系列单片机简介51系列单片机结构原理51系列单片机外部引脚及片外总线51系列单片机的工作方式51系列单片机的时序,2023/7/20,3,2.1 51系列单片机简介,MCS51有51、52子系列。51子系列中，主要有8031、8051、8751三种机型，其差异在于：8031内部无ROM，8051内部有4KB ROM，8751内部有4KB EPROM。52子系列中，主要有8032、8052、8752三种机型，其差异在于：8032内部无ROM，8052内部有8KB ROM，8752内部有8KB EPROM。,2023/7/20,4,51子系列主要功能,8位CPU；128字节的内部 RAM；4KB的内部ROM；ROM和RAM的寻址空间为64KB；4个8位的并行I/O口(P0P3)；1个全双工的异步串行口；2个16位C/T；5个中断源，2个中断优先级；内部带振荡器，频率范围fosc1.212MHz,2023/7/20,5,52子系列与51子系列的差异,片内RAM达256字节；片内ROM达8KB；16位的定时器/计数器增至3个；中断源增至6个。本课程以51子系列的8051为例介绍51系列单片机的内部结构。,2023/7/20,6,目 录,51系列单片机简介51系列单片机结构原理51系列单片机外部引脚及片外总线51系列单片机的工作方式51系列单片机的时序,2023/7/20,7,2.2.1 51系列单片机基本结构,时钟电路,RAM,ROM,CPU,定时/计数器,并行端口,中断系统,串行端口,片 内 总 线,时钟源,T0 T1,P0 P1 P2 P3,TXD RXD,INT0 INT1,程序存储器,数据存储器,SFR,2023/7/20,8,2.2.2 51系列单片机内部结构框图,2023/7/20,9,2.2.3 中央处理器CPU,CPU(Central Processing Unit)由运算部件和控制部件组成。运算部件以算术逻辑运算单元ALU为核心，包扩累加器ACC、B寄存器、暂存器、标志寄存器PSW等部件；实现算术运算、逻辑运算、位运算、数据传输等处理；控制部件包括定时和控制电路、指令寄存器、指令译码器、程序计数器PC、堆栈指针SP、数据指针DPTR以及信息传送控制部件等。指令的执行步骤：取指、译码、执行。,2023/7/20,10,运算部件,算术逻辑单元ALUArithmetic Logic Unit 完成算术运算、逻辑运算、位运算、传输数据累加器ACC(Accumulator)：简称ACPU中使用最频繁的寄存器将数据送入累加器A，常代表将数据送入CPU寄存器B乘除法运算时使用标志寄存器PSW(Program Status Word)保存指令执行结果的状态，以供查询和判别,2023/7/20,11,标志寄存器PSW,进位标志位C(Carry)8位加减运算时，若最高位D7位产生进位或借位，C置1；否则，C清0。辅助进位标志位AC(Assistant Carry)加减运算时，若低4位向高4位产生进位或借位(即D3位运算时产生进位或借位)，AC置1；否则，AC清0。,2023/7/20,12,标志寄存器PSW,用户标志位F0(Flag 0)由用户自行设定0或1，便于软件判断。寄存器组选择位RS0、RS1(Register Select),2023/7/20,13,标志寄存器PSW,溢出标志位OV(Overflow)8位加减运算时，若D7位和D6位有且仅有一位产生进位或借位，OV置1；否则，OV清0。奇偶标志位P(Parity)表示累加器A中1个位数：若A中有奇数个1，则P置1；若A中有偶数个1，则P清0。,2023/7/20,14,C和OV的区别,单片机判断方式C：判断D7位是否产生进位；OV：判断D7位和D6位是否仅有一个产生进位运算中的意义C1：刚执行的加减运算超出了8位无符号数所能表示的范围(0255)；OV1：刚执行的加减运算超出了8位有符号数所能表示的范围(128127)。,2023/7/20,15,2.2.4 存储器结构,存储器分类程序存储器ROM(Read Only Memory)数据存储器RAM(Random Access Memory)51系列单片机存储器采用哈佛结构，即ROM和RAM完全分开，有各自的寻址方式。,地址与内容,2023/7/20,16,MCS-51有5个独立的存储空间：64KB的程序存储空间（片内片外统一编址00FFFFH）256B内部RAM空间（000FFH）128B内部特殊功能寄存器空间（80H0FFH）256 bit的位地址空间（0FFH）64KB外部数据存储器（RAM/IO）空间（00FFFFH）如下图所示,3.5 存储器组织,2023/7/20,17,MCS-51单片机存储器空间分配,30H,7FH,80H,FFH,外部ROM,内部ROM(EA=1),外部ROM(EA=0),0000H,0000H,0FFFH,0FFFH,1000H,FFFFH,程序存储器（d）,内部SFR(b),2023/7/20,18,程序存储器ROM,ROM用来存放程序执行中无需改变的数据。ROM分类(按类型分)掩模ROM：出厂时已有程序；PROM：可编程ROM，仅能一次编程；EPROM：可擦除的可编程ROM，紫外光擦除；EEPROM(E2PROM)：可电擦除的可编程ROM，可在线擦除；FLASH：闪存，可在线擦除，访问速度较慢，胜在容量大。,2023/7/20,19,程序存储器的编址,程序存储器通过16位程序计数器(PC)寻址，寻址能力为64K字节(0000HFFFFH)。PC(Program Counter)：指向ROM中的指令，每取出一条，自动加1，指向下一条；PC用来存放下一条要执行的指令地址。ROM从物理结构上可分为片内ROM和片外ROM片内ROM：单片机内部自带的ROM，8031和8032内部无ROM；片外ROM：片外扩展的专用ROM芯片。,2023/7/20,20,程序存储器的编址,2023/7/20,21,程序存储器的7个特殊地址,用户程序一般从0030H开始。,2023/7/20,22,数据存储器RAM,80H,FFH,7FH,2023/7/20,23,数据存储器RAM,片内RAM(00HFFH)工作寄存器区(00H1FH)：存放工作寄存器R0R7位寻址区(20H2FH)：每个位有一个位地址一般RAM区(30H7FH/FFH)：用户存放数据堆栈区(由堆栈指针SP决定地址)：位于一般RAM区中特殊功能寄存器区SFR(80HFFH)：离散分布，存放专用寄存器SFR：Special Function Register片外RAM(0000HFFFFH),2023/7/20,24,片内RAM,位地址区(16B),寄存器区4组(32B),7FH,寄存器3组寄存器2组寄存器1组寄存器0组,工作寄存器区4组(32B),.,由PSW中的2位RS1、RS0来决定选 哪一组为当前工作寄存器：RS1、RS0=00 选0组 RS1、RS0=01 选1组 RS1、RS0=10 选2组 RS1、RS0=11 选3组,在位地址区，每一个BIT都有一个 地址，共168=128位,00H,30H2FH20H1FH,.,通用RAM区(80B)堆栈区,.,通用RAM区,FFH,2023/7/20,25,片内RAM,工作寄存器区使用R0R7的指令比直接使用用户RAM区的指令长度短，节省程序空间；共有4组工作寄存器，每组8个，由用户设定PSW的RS0和RS1决定当前的组号，即当前使用的R0R7存放在片内RAM的哪些地址。位寻址区共16字节，128位，每一位有一个位地址，地址范围00H7FH,2023/7/20,26,2023/7/20,27,位地址空间的字节地址,位地址,2023/7/20,28,片内RAM,堆栈区堆栈原则：先进后出，后进先出；队列原则：先进先出堆栈功能：保护断点，保护现场；堆栈指针SP(Stack Pointer)建立堆栈：复位后SP初值为07H，用户可设定SP的初值，此时SP指向单元为栈底；入栈：即存入数据，SP自动加1，再将数据存入SP所指向的单元；出栈：即取出数据，先取出SP所指向单元内的数据，再将SP自动减1。,2023/7/20,29,片内RAM,特殊功能寄存器区SFR用于控制片内各个功能部件的工作；CPU专用寄存器：A，B，PSW，SP，DPTR并行接口：P0，P1，P2，P3串行接口：SCON，SBUF，PCON定时器/计数器：TMOD，TCON，THx，TLx中断系统：IE，IP部分寄存器可进行位寻址，即每个位均有一个位地址，地址范围：80HFFH，离散分布。,2023/7/20,30,2023/7/20,31,片外RAM,寻址空间：64KB，0000HFFFFH片外RAM空间除可扩展数据存储器外，还可扩展其他器件，如键盘、显示器、模/数转换器、数/模转换器等，通过译码器将片外RAM空间地址分配给这些器件，对这些地址进行读写访问，即控制相应的器件进行工作。数据指针DPTR(Data Pointer)：访问片外RAM单元的指针类寄存器，16位，存放要访问的片外RAM单元地址，由两个8位的寄存器DPH和DPL组成。,2023/7/20,32,关于地址值重复的问题,访问指令,MOVC,MOV,MOVX,寄存器间接寻址,直接寻址,位指令,2023/7/20,33,思考题：,在52子系列单片机中，写出地址为90H的所有可能的空间。,2023/7/20,34,2.2.5 单片机输入/输出接口,51系列单片机有32根I/O线，可按位独立输入输出，亦可组成4个8位并行输入输出口。P0：通用I/O口；低8位地址总线和数据总线分时复用；P1：通用I/O口；P2：通用I/O口；高8位地址总线；P3：通用I/O口；每一个I/O口均有一种第二功能,2023/7/20,35,P1口,2023/7/20,36,P1口功能,P1口只有一种功能通用I/O接口(52子系列中P1.0、P1.1除外)P1口的3种工作方式：输出方式：数据从内部总线经锁存器Q到引脚输入方式：引脚数据经三态门读入内部总线，无锁存功能；注意：执行读指令时锁存器Q必须等于0端口操作：执行“读修改写”类指令，通过三态门读回锁存器Q端数据,2023/7/20,37,P2口,2023/7/20,38,P2口功能,两种工作状态：地址总线状态和通用I/O接口状态地址总线状态：P2口作为程序计数器PC的高8位地址或数据指针DPTR的高8位地址。锁存器内容不受影响。通用I/O接口状态：同P1。,2023/7/20,39,P3口,2,1,D,Q,CLK,锁存器,读锁存器,写锁存器,内部总线,读引脚,Vcc,GND,P3.x,V1,内部上拉电阻,&,3,第二功能输入,第二功能输出,4,2023/7/20,40,P3口功能,通用I/O口：第二功能输出置高电平读信号：锁存器Q端置高电平写信号第二功能：需将锁存器Q端置高电平第二功能输入：需将第二功能输出置高电平第二功能输出：第二功能输出信号经与非门、场效应管送入引脚,2023/7/20,41,P3口的第二功能,2023/7/20,42,P0口,2023/7/20,43,P0口功能,地址/数据分时复用总线输出地址/数据时：地址/数据经反相器、驱动器送入引脚输入地址/数据时：地址/数据经缓冲器进入内部总线通用I/O接口由于片内无上拉电阻，作通用I/O口时需外接上拉电阻,2023/7/20,44,目 录,51系列单片机简介51系列单片机结构原理51系列单片机外部引脚及片外总线51系列单片机的工作方式51系列单片机的时序,2023/7/20,45,2.3.1 外部引脚,主电源引脚：VCC：5V；VSS：接地；输入/输出引脚：P0P3口共32脚；可作一般I/O 口，还有第二功能。,2023/7/20,46,外部引脚,控制引脚ALE/PROG(Address Latch Enable/Programming)：地址锁存允许访问片外ROM时，用于锁存低8位地址；每个机器周期出现2次，访问片外RAM时跳空1次；PSEN(Program Strobe Enable)：片外ROM读选通读片外ROM时每个机器周期出现2次，访问片外RAM时不出现；RST/Vpd(Reset)：复位该引脚上持续10ms高电平则有效复位；EA/VPP(Enable Address)：片外ROM选用端低电平时仅选用片外ROM。,2023/7/20,47,外部引脚,时钟引脚XTAL1、XTAL2在两引脚间跨接一石英晶体，与片内反相放大器构成振荡器内部时钟方式。,外接晶体的频率决定了单片机系统的振荡频率；两个电容器通常都取30pF左右，对振荡频率有微调作用。,2023/7/20,48,2.3.2 片外总线结构,三总线结构地址总线AB(Address Bus)数据总线DB(Data Bus)控制总线CB(Control Bus),2023/7/20,49,目 录,51系列单片机简介51系列单片机结构原理51系列单片机外部引脚及片外总线51系列单片机的工作方式51系列单片机的时序,2023/7/20,50,2.4.1 复位方式,RST引脚出现10ms的高电平；复位操作：上电复位按键复位,2023/7/20,51,复位后寄存器的状态,2023/7/20,52,其他工作方式,程序执行方式：基本工作方式；掉电方式：RST/Vpd端的备用电源给RAM供电，其他部件停止工作；节电方式(睡眠模式)：功耗低，仅对部分元器件供电；需要工作时再唤醒；常应用于功耗要求较低的电池供电的手持式设备，如手机；编程和校验方式,2023/7/20,53,目 录,51系列单片机简介51系列单片机结构原理51系列单片机外部引脚及片外总线51系列单片机的工作方式51系列单片机的时序,2023/7/20,54,2.5 振荡周期、机器周期与指令周期,振荡周期TOSC：时钟电路产生的周期；TOSC1/fOSC机器周期TCY：单片机完成一个基本操作所需的时间；TCY12TOSC(fCY1/12 fOSC)指令周期：执行一条指令所需的时间；以机器周期为单位，分为单周期指令，双周期指令和四周期指令。若8051外接晶振为12MHz，则单片机的TCY为多少？,1s,2023/7/20,55,指令时序,2023/7/20,56,习题,P33 习题 2,3,4,6,
