单片机硬件结构 .ppt

第二章、MCS-51单片机硬件结构,本章内容,1.MCS-51单片机结构和原理2.并行输入/输出口电路结构3.时钟电路与复位电路4.单片机的工作过程 5.ATMEL系列简介,第二章、MCS-51单片机硬件结构,（参考(P13图2-1)8051结构框图,第二章、MCS-51单片机硬件结构,（参考(P13图2-1)8051结构框图,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（外部中断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2MHZ20MHZ,1、8051单片机的基本组成,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2MHZ20MHZ,2、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),（参考(P17图2-2)8051引脚图,3.存储器,80318751805189C51,256B（字节）,4K,64K,64K,(1)程序存储器,程序存储器（参照P17图2-3 C),内部,外部,(PC),程序存储器资源分布,中断入口地址,内部,外部,(2)数据存储器,数据存储器(P17图2-3a、b）,RAM,专用寄存器,内部RAM存储器,工作寄存器区选择位RS0、RS1,高128个单元,离散分布有21个特殊功能寄存器SFR。,11个可以进行位寻址。,特别提示：对SFR只能使用直接寻址方式，书写时可使用寄存器符号，也可用寄存器单元地址。,参见P21表2-4,MSBMost Significant Bit（最高有效位）LSB Least Significant Bit（最低有效位）,RAM位寻址区位地址表,程序状态字寄存器PSW,PSW也称为标志寄存器，存放各有关标志。其结构和定义如下：,Cy 进位标志。用于表示Acc.7有否向更高位进位。,AC 辅助进位标志。用于表示Acc.3有否向Acc.4进位。,RS1、RS0 工作寄存器区选择控制位。RS1、RS0=00 0区（00H07H）RS1、RS0=01 1区（08H0FH）RS1、RS0=10 2区（10H17H）RS1、RS0=11 3区（18H1FH）,OV 溢出标志。表示Acc在有符号数算术运算中的溢出。,P 奇偶标志。表示Acc中“1”的个数的奇偶性。奇数为1 偶数为0,F0、F1 用户标志。,数据指针DPTR,堆栈指针SP,专用于指出堆栈顶部数据的地址。堆栈中数据存取按先进后出、后进先出的原则。堆栈操作分自动方式和指令方式。自动方式是在调用子程序或发生中断时CPU自动将断口地址存人或者取出；指令方式是使用进出栈指令进行操作。（注意与8086系列不同）,16位，由两个8位寄存器DPH、DPL组成。主要用于存放一个16位地址，作为访问外部存储器（外RAM和ROM）的地址指针。,执行调用子程序或发生中断时，CPU会自动将当前 PC值压入堆栈，将子程序入口地址或中断入口地址装入PC；子程序返回或中断返回时，恢复原有被压入堆栈的PC值，继续执行原顺序程序指令。,6）程序计数器PC,PC不属于特殊功能寄存器，不可访问，在物理结构上是独立的。PC是一个16位的地址寄存器，用于存放将要从ROM中读出的下一字节指令码的地址，因此也称为地址指针。PC的基本工作方式有：,自动加1。CPU从ROM中每读一个字节，自动执行 PC+1PC；,执行转移指令时，PC会根据该指令要求修改下一次 读ROM新的地址；,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,P3.0P3.1P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7,4个8位并行I/O口：P0，P1，P2，P3；,均可作为双向I/O端口使用。,(1)特点：,P0：访问片外扩展存储器时，复用为低8位地址线和数据线 用作输入时，均须先写入“1”；用作输出时，P0口应外接上拉电阻。,P2：高8位地址线。,P1：双向I/O端口,P3：第二功能,4、并行输入/输出电路结构,P0口的负载能力为8个LSTTL门电路；P1P3口的负载能力为4个LSTTL门电路。,单片机的引脚（P0口）,P0.0P0.7:双向I/O（内置场效应管上拉）寻址外部程序存储器时分时作为双向8位数据口和输出低8位地址复用口；不接外部程序存储器时可作为8位准双向I/O口使用。（P23),2,1,D,Q,CK,/Q,读引脚,读锁存器,写锁存器,内部总线,地址/数据,控制,引脚P0.X,3,4,Vcc,V1,V2,2,1,D,Q,CK,/Q,读引脚=1,读锁存器,写锁存器,内部总线,地址/数据,控制,引脚P0.X,3,4,0,0,1,0,0,截止,截止,=0,Vcc,P0用作通用I/O时，控制=0：（1）此脚作输入口（事先必须对它写“1”）,V2,V1,2,1,D,Q,CK,/Q,读引脚,读锁存器,写锁存器,内部总线,地址/数据,控制,引脚P0.X,3,4,0,0,1,0,0,截止,截止,=0,Vcc,P0用作通用I/O时，控制=0：（2）此脚作输出口时，当P0口用作输出口时，因输出级处于开漏状态，必须外接上拉电阻。当“写锁存器”信号加在锁存器的时钟端CLK上，此时D触发器将“内部总线”上的信号反相后输出到Q端，若D端信号为0，Q=1，v2导通，P0 x引脚输出“0”；若D端信号为1，Q=0，v2截止，虽然V1截止，因P0 x引脚已外接上拉电阻，P0 x引脚输出“1”。,V2,V1,2,1,D,Q,CK,/Q,读引脚=0,读锁存器,写锁存器,内部总线,地址/数据,控制=1,引脚P0.X,3,4,1,0,1,1,=0,导通,截止,=0,Vcc,P0口用作地址/数据复用口，控制=1（1）作地址/数据输出：输出地址/数据=0 时,V1,V2,2,1,D,Q,CK,/Q,读引脚=0,读锁存器,写锁存器,内部总线,地址/数据,控制=1,引脚P0.X,3,4,1,1,0,0,=1,截止,导通,=1,Vcc,P0口用作地址/数据复用口，控制=1（2）作地址/数据输出：输出地址/数据=1 时,V1,V2,2,1,D,Q,CK,/Q,读引脚=1,读锁存器,写锁存器,内部总线,地址/数据,控制=0,引脚P0.X,3,4,Vcc,P0口用作地址/数据复用口（3）作/数据输入：与P0用作通用I/O时输入时情况相同，CPU使V1、V2均截止，从引脚上输入的外部数据经缓冲器U2进入内部数据总线。,V1,V2,注意读端口与读锁存器的区别，P1,P2,P3结构上的区别（电阻）,1,ALE,指令1：MOV P1,#00H,指令2：MOV P1,#0FFH,指令3：MOV P1,#0AAH,输出举例,指令4：CLR P1.0,指令5：SETB P1.0,+5V,下一页,1)时钟振荡电路,5、8051单片机的基本组成时钟电路与复位电路,80C51单片机内有一高增益反相放大器，按图2-8a连接即可构成自激振荡电路，振荡频率取决于石英晶体的振荡频率.参见P26图2-9,时钟周期和机器周期,时钟周期（振荡周期）,80C51振荡器产生的时钟脉冲频率的倒数，是最基本最小的定时信号。,状态周期,它是将时钟脉冲二分频后的脉冲信号。状态周期是时钟周期的两倍。状态周期又称S周期。在S周期内有两个时钟周期，即分为两拍，分别称为P1和P2,机器周期是6个状态周期、12个时钟周期。当时钟频率为12MHz时，机器周期为1S；当时钟频率为6MHz时，机器周期为2S。,(3)机器周期,80C51单片机工作的基本定时单位。一个机器周期含有6个状态周期，分别为S1、S2、S6，每个状态周期有两拍，分别为S1P1、S1P2、S2P1、S2P2，S6P1、S6P2（完成基本操作的时间，但8051采用定时控制方式）,（4）指令周期,指CPU执行一条指令占用的时间(用机器周期表示)。80C51执行各种指令时间是不一样的，可分为三类：单机周指令、双机周指令和四机周指令。其中单机周指令有64条，双机周指令有45条，四机周指令只有2条(乘法和除法指令)，无三机周指令。,指令执行时间,ALE引脚上出现的信号是周期性的，在每个机器周期内两次出现高电平。第一次出现在S1P2和S2P1期间，第二次出现在S4P2和S5P1期间。ALE信号每出现一次，CPU就进行一次取指操作。,振荡周期(时钟周期)=晶振频率fosc的倒数；1个机器周期=6个状态周期1个机器周期=12个时钟周期；1个指令周期=1、2、4个机器周期,（1）复位条件 RST引脚保持2个机器周期以上的高电平。实现复位操作，必须使RST引脚(9)保持两个机器周期以上的高电平。例如，若时钟频率为12MHz，每机周为1 S，则只需持续2 S以上时间的高电平；若时钟频率为6MHz，每个机器周期为2S，则需要持续4S以上时间的高电平。,2)复位电路,上电复位电路。RC构成微分电路，在上电瞬间，产生一个微分脉冲，其宽度若大于2个机器周期，80C51将复位。为保证微分脉冲宽度足够大，RC时间常数应大于两个机器周期。一般取22uf电容、1k电阻。,按键复位电路。该电路除具有上电复位功能外，若要复位，只需按下图中RESET键，R1C2仍构成微分电路，使RST端产生一个微分脉冲复位，复位完毕C2经R2放电，等待下一次按下复位按键。,（2）复位电路,（3）复位后CPU状态,PC：0000H TMOD：00HAcc：00H TCON：00HB：00H TH0：00HPSW：00H TL0：00HSP：07H TH1：00HDPTR：0000H TL1：00HP0P3：FFH SCON：00HIP：00000BSBUF：不定IE：000000B PCON：00000B,80C51单片机的工作方式共有四种：复位方式；程序执行方式；低功耗方式；片内ROM编程（包括校验）方式。,6、8051单片机的工作方式,1）低功耗工作方式,待机(休闲)方式（Idle）掉电保护方式（Power Down）。,在Vcc=5V，fosc=12MHz条件下，正常工作时电流约20mA；待机(休闲)方式时电流约5mA；掉电保护方式时电流仅75A。,两种低功耗工作方式由电源控制寄存器PCON确定。,其中：SMOD：波特率倍增位（在串行通信中使用）GF1、GF0：通用标志位 PD：掉电方式控制位，PD=1，进入掉电工作方式；IDL：待机(休闲)方式控制位,IDL=1,进入待机工作方式。,注意:PCON字节地址87H，不能位寻址。读写时，只能整体字节操作，不能按位操作。,IDL,PD,GF0,GF1,SMOD,PCON,MSB,LSB,待机（休闲）方式,待机（休闲）状态退出 产生中断；复位。,待机（休闲）方式状态片内时钟仅向中断源提供，其余被阻断；PC、特殊功能寄存器和片内RAM状态保持不变；I/O引脚端口值保持原逻辑值；ALE、保持逻辑高电平；CPU不工作，但中断功能继续存在。,待机（休闲）状态进入 只要使PCON中IDL位置1。,掉电保护方式,掉电保护状态退出,掉电保护方式状态,片内振荡器停振，所有功能部件停止工作；片内RAM数据信息保存不变；ALE、PSEN为低电平；Vcc可降至2V，但不能真正掉电。,掉电保护状态进入,只要使PCON中PD位置1。,唯一方法是硬件复位，复位后片内RAM数据不变，特殊功能寄存器内容按复位状态初始化。,取指过程,例:MOV A,#09H 74H 09H;把09H送到累加器A中,执行过程,PC=,0000H,0 1 1 1 0 1 0 0,0 0 0 0 1 0 0 1,(PC),(PC),0001H,0002H,0000H,外部控制总线CB,取指过程,(PC),执行过程,你知道PC的作用吗？,7、8051单片机的工作过程,8、MCS-51系列单片机配置一览表（P9),注意：今后将会经常提到ATMEL的AT89C2051/51/52等MCU！,1、CPU主要的组成部部分为()。,B加法器，寄存器,C运算器,寄存器,D运算器，指令译码器,A运算器，控制器,课堂练习,2、8031有四个工作寄存器区，由PSW状态字中的RS1、RS0两位的状态来决定，单片机复位后，若执行 SETB RS1 指令，此时只能使用（）区的工作寄存器。,A0区,B1区,C2区,D3区,课堂练习,3.09H位所在的单元地址是（）,A 02H,C 08H,B 21H,D20H,课堂练习,4.单片机在进行取指令操作时，指令的地址是由（）的内容决定。,A SP,C DPTR,D PSEN和ALE,BPC,课堂练习,5.P0,P1口作输入用途之前必须()。,A外接高电平,B外接上拉电阻,C相应端口先置0,D相应端口先置1,课堂练习,6.程序计数器PC用来()。,A存放指令,B存放上一条的指令地址,D存放正在执行的指令地址,C存放下一条的指令地址,课堂练习,1、什么是单片机2、单片机的组成3 RAM ROM的结构特点（内外区别）4 位寻址及位寻址区5 Rn与 SFR中的6、单片机的P0P3口的特点1）功能特点2）地址3）置1 4）负载能力与上拉电阻,小结,回顾.,7、区分复位电路和时序电路，复位后寄存器 的值？8、单片机的周期的概念9 ALE和PSEN10 节电（低功耗）工作方式,51单片机的8个特殊引脚,Vcc,GND:电源端XTAL1,XTAL2:片内振荡电路输入、输出端RESET:复位端 正脉冲有效（宽度8 mS）EA/Vpp:寻址外部ROM控制端。低有效 片内有ROM时应当接高电平。ALE/PROG:地址锁存允许控制端。PSEN：选通外部ROM的读(OE)控制端。低有效,小结,51单片机的4个8位的I/O口,P0.0P0.7:8位数据口和输出低8位地址复用口(复用时是双向口；不复用时也是准双向口)P1.0P1.7:通用I/O口（准双向口）,P2.0P2.7:输出高8位地址（用于寻址时是输出口；不寻址时是准双向口）P3.0P3.7:具有特定的第二功能（准双向口）,注意：在不外扩ROM/RAM时，P0P3均可作通用I/O口使用，而且都是准双向I/O口(例如:AT89C51)！,小结,P3口第二功能表（P.18 表21）,小结,PC与SFR复位状态表,回顾,89C51单片机存储器配置,片内RAM 128字节（00H7FH）；片内RAM前32个单元是工作寄存器区(00H1FH)片内RAM有128个可按位寻址的位，占16个单元。位地址编号为：00H7FH 分布在：20H2FH单元片内21个特殊功能寄存器(SFR)中：地址号能被8整除的 SFR中的各位也可按位寻址可寻址片外RAM 64K字节（0000HFFFFH）可寻址片外ROM 64K字节（0000HFFFFH）片内 Flash ROM 4K字节（000HFFFH）,小结,