片机结构和系统扩展.ppt

电气工程学院,第2章 单片机的结构与系统扩展,电气工程学院,基本组成部件,电气工程学院,1、运算器运算器由算术逻辑单元（Arithmetric&Logical Unit）和寄存器组成。数学运算：加、减、乘、除等逻辑运算：与、或、非等2、控制器控制器由程序计数器、指令译码器、时序产生器和操作控制器等组成。控制器的主要功能有：a 从存储器中取出一条指令，并指出下一条指令在存储器中的位置b 对以二进制格式存储的指令代码翻译，根据指令的内容来产生相应操作信号。c 指挥并控制CPU、存储器和输入/输出设备之间的数据流动3、存储器存储CPU运行的指令代码（不可变），以及数据变量（可变）,核心部件基本解释,电气工程学院,衡量计算机性能的主要指标1、运算字长：8位、16位、32位、64位2、存储量：64K、128K、256K、512K、1M3、指令执行速度4、外部设备配置5、电磁兼容性和性价比,性能指标,电气工程学院,数据传递方式主要有两种方式：并行数据传递和串行数据传递串行数据传递的特点：硬件结构简单，数据传递速度慢并行数据传递的特点：硬件结构相对复杂，数据传递速度快,单片机系统总线结构1,电气工程学院,单片机系统总线结构2,电气工程学院,完整的CPU体系结构：数据总线（DB）、地址总线（AB）、控制总线（CB）,单片机系统总线结构3,电气工程学院,51系列单片机CPU结构,（1）运算器：算术逻辑单元ALU（2）控制器：定时控制逻辑、指令寄存器IR、指令译码器ID 时序部件(时钟、脉冲分配器)、微操作控制部件（3）专用寄存器组：程序计数器(PC)、累加器(A)、通用寄存器(B)、程序状态字(PSW)、堆栈指针(SP)、数据指针(DPTR),电气工程学院,51系列单片机分类,电气工程学院,51系列单片机CPU结构专用寄存器组,电气工程学院,51系列单片机CPU结构程序计数器PC 1,程序计数器PC(program counter)是一个二进制16位的程序地址寄存器，专门用来存放下一条需要执行指令的地址（通常处于程序存储器中），能自动加1。工作过程：CPU执行指令时，先是根据程序计数器PC中的地址从存储器中取出当前需要执行的指令码，并把它送给控制器分析执行，随后程序计数器PC中的地址自动加1，以便为CPU取下一个需要执行的指令码作准备。正常情况下程序会按指令代码在存储器的存放顺序执行，当程序代码修改指针中的内容，程序会发生跳转。（跳转指令和条件判断指令等）,电气工程学院,8051的程序计数器PC由16位寄存器构成，故它的编码范围为0000HFFFFH，共64K。也就是说，8051对程序存储器的寻址范围为64KB。上电复位后PC的值为0000H，所以程序的第一条被执行的指令在程序存储器的存放位置为0000H。一般情况下在0000H开始的存储器位置上存放一条跳转指令，指向程序的首行代码，首行代码要放在0030H之后，因为从0003H0030H之间的存储器空间被中断向量占用。,51系列单片机CPU结构程序计数器PC 2,电气工程学院,累加器是一个具有特殊用途的二进制8位寄存器，专门用来存放操作数或运算结果。在CPU执行某种运算前，两个操作数中的一个通常应放在累加器A中，运算完成后累加器A中便可得到运算结果。MOV A,#03H;ADD A,#05H;,51系列单片机CPU结构累加器ACC,电气工程学院,通用寄存器B是专门为乘法和除法设置的寄存器，也是一个二进制8位寄存器，由8个触发器组成。该寄存器在乘法或除法前，用来存放乘数或除数，在乘法或除法完成后用于存放乘积的高8位或除法的余数。MOV A,#05H;MOV B,#03H;MUL AB;,51系列单片机CPU结构通用寄存器B,电气工程学院,程序状态字PSW是一个8位标志寄存器，用来存放指令执行后的有关状态。PSW是在指令执行过程中自动形成的，但也可以根据需要采用传送指令的方式加以改变。,进位标志位Cy辅助进位位AC用户标志位F0,寄存器选择位RS1和RS0溢出标志位OV奇偶标志位P,51系列单片机CPU结构程序状态字PSW 1,电气工程学院,用于表示加减运算过程中累加器最高位A7有无进位或借位。加法：若A7有进位，则Cy=1；否则Cy=0；减法：若A7有借位，则Cy=1；否则Cy=0；移位操作也会影响该标志位。,51系列单片机CPU结构程序状态字PSW 进位标志位Cy,电气工程学院,用于表示加减运算时累加器低4位（A3）有无向高4位（A4）进位或借位。加法：若A3-A4有进位，则AC=1；否则AC=0；减法：若A3-A4有借位，则AC=1；否则AC=0；,51系列单片机CPU结构程序状态字PSW 辅助进位位AC,电气工程学院,位状态通常不是机器在执行指令的过程中自动形成的，而是由用户根据程序执行的需要通过传送指令确定的。该标志位状态一经设定，便由用户程序直接检测，以决定用户程序的流向。自定义标志位,51系列单片机CPU结构程序状态字PSW 用户标志位F0,电气工程学院,8031共有8个8位工作寄存器，R0R7 但他们在RAM中的实际物理地址是可以根据需要选定的。用户通过改变RS1和RS0之间的状态可以方便地决定R0R7的实际物理地址。采用工作寄存器的好处减小指令代码的长度和缩短指令代码的执行时间，所以在编程时经常将常用的临时数据存放在工作寄存器组内，提高程序执行的效率和缩短程序所占用的存储器空间，同时在一些寻址方式中只能利用工作寄存器寻址（例如：寄存器间接寻址）,采用这种方式可以扩大工作寄存器的使用范围，在不同的代码段采用不同地址的工作寄存器，这样可以保证原有在工作寄存器内部的内容保持不变。,51系列单片机CPU结构 程序状态字PSW 寄存器选择位RS1和RS0,电气工程学院,可以指示补码运算过程中是否发生了溢出，由机器执行指令过程中自动形成。若累加器A中运算结果超出了8位数能表示的范围（28），即-128+127，则OV标志自动置1；否则OV=0。通常采用双符号法对溢出标志位进行判断，溢出标志位不等同于进位标志位，溢出标志位是对补码运算的溢出判断，而进位标志位是对原码的进位进行判断，通常在程序中采用补码表示的数的运算中利用溢出标志位进行判断，而运算的数据若是用原码表示则利用进位标志位进行判断,51系列单片机CPU结构 溢出标志位OV 1,电气工程学院,OV标志判断方法1、将补码数据转换成正负数，进行数学运算后，再按照运算结果是否超过-128+127来判断OV标志。（人工判断方法）2、双符号位判断方法 将计算数据的最高位扩展一位，变成9位数据所有数据参与运算，将计算结果的最高进位位去掉，若第九位和第八位数据是00（正）或11（负）表示无溢出，若是01表示正溢出，10表示负溢出。（人工判断方法或计算机内部判断方法）,51系列单片机CPU结构 溢出标志位OV 2,电气工程学院,51系列单片机CPU结构 溢出标志位OV 3,电气工程学院,用于指示运算结果中1的个数的奇偶性。若P=1，则累加器A中的1的个数为奇数；若P=0，则累加器A中的1的个数为偶数。,PSW1位无定义，用户不可以使用。,51系列单片机CPU结构 奇偶标志位P,电气工程学院,例子,程序执行前F0=0,RS1RS0=00B,执行如下程序MOV A,#0FH;ADD A,#F8H;后，PSW中各位的状态,1 1 0 0 0 0 0 1,PSW=C1H,电气工程学院,堆栈指针是一个8位寄存器，能自动加1或减1，专门用存放堆栈的栈顶地址。堆栈存储是一种数据存储的方法，主要用于中断程序中一些数据的保存，堆栈存储最主要的特点是：在堆栈存储指令中无需在指令代码加入数据的存储地址，存储地址由堆栈指针制定。例如：MOV40H，30H；常规数据存储方式MOVSP,#40H；堆栈数据存储方式PUSH 30HPOP30H 符合“先进后出”或“后进先出”的规律 8051片内RAM共有128B，地址范围为00H7FH，此区域中任何子区域都可以作为堆栈区。,51系列单片机CPU结构 堆栈指针SP 1,电气工程学院,数据指针是一个16位的寄存器，由两个8位寄存器DPH和DPL组成。也可以作为两个独立的8位寄存器来用。DPTR可以用来存放片外RAM和片外ROM的地址，也可以用来存放片内ROM的地址.例如：MOVDPTR,#4000HMOVXA，DPTRMOVDPTR,#5000HMOVCA,DPTR,51系列单片机CPU结构 数据指针DPTR,电气工程学院,MCS-51的内部组成及引脚描述,中央处理器（CPU）；数据存储器（RAM）；程序存储器（ROM）；2个l6位的定时器/计数器；并行I/O口（32根I/O线，4个P口）；外部存贮器寻址范围ROM、RAM各64K；全双工串行口；中断系统（5个中断源，2个中断优先级）,电气工程学院,1.振荡周期/时钟周期,是时序中最小的时间单位，由单片机振荡电路OSC产生，为时钟脉冲频率的倒数。,MCS-51的晶振电路,电气工程学院,2.机器周期,3.指令周期,执行一条指令所需的时间.参看参考书的附录每条指令的执行时间,电气工程学院,RST/VPD:复位/备用电源。RST（Reset）功能：复位信号输入端。VPD功能：在Vcc掉电情况下，接备用电源。,8051的复位电路和主要寄存器复位后的状态 1,51系列单片机的复位信号是高电平有效，持续时间要有24个时钟周期以上。例：若时钟频率为6MHz，复位脉冲的宽度至少=24/6，4uS,电气工程学院,电气工程学院,3.控制线,2.电源线,VCC、VSS,ALE/PROG:地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲 ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址 PROG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。（8751）PSEN:片外ROM读选通信号。,8051的电源线和控制线 1,电气工程学院,EA/Vpp:内外ROM选择/片内EPROM编程电源。EA功能：内外ROM选择端。EA=1，允许使用片内ROM;EA=0，允许使用片外ROM.Vpp功能：片内有EPROM的芯片，在 EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。(8751),8051的电源线和控制线 2,电气工程学院,8051的存储器结构 1,51系列单片机的存储器结构采用的是数据存储器和程序存储器分开寻址的方式，通过PSEN信号线来区分寻址的是程序存储器还是数据存储器，当寻址程序存储器时PSEN信号为低电平，其他条件下PSEN为高电平。在程序中通过指令代码来区分是寻址程序存储器和数据存储器。例：MOVDPTR,#4000H MOVCA，DPTR;同样是4000H，但不同 MOVXA，DPTR;的指令寻址的位置不一样,电气工程学院,8051的存储器结构 2,对于内部无程序存储器的系列，如8031EA必须接地,电气工程学院,片内 RAM存储器,8051的存储器结构 3,电气工程学院,特殊功能寄存器SFR(Special Function Register),8051的存储器结构 4,电气工程学院,8031和外部总线扩展 1,8031单片机的P0口，作为低八位的地址线和数据线，分时复用，P2口作为高八位的地址线，所以共有16条地址线和8条数据线，由于低八位的地址线和数据线分时复用，所以必须在单片机外部加锁存电路，将低位地址信号锁存，保证在整个读写周期内地址信号一致有效。,电气工程学院,利用74LS373和ALE信号，分离低八位地址线和数据线，在ALE的下降沿将低八位的地址数据锁存起来。在锁存器的输出端形成独立的地址线和数据线,8031和外部总线扩展 2,电气工程学院,存储器类型A、RAM（随机存储器）特点：可读、可写，掉电数据丢失。分类：静态RAM，动态RAM，动态RAM需要定时刷新。用途：主要存放程序用到的可变数据。B、ROM（只读存储器）特点：只读、掉电数据不丢失分类：掩膜ROM、OTPROM、EPROM用途：主要存放程序代码C、EEPROM（电可擦除存储器）特点：可读、可写，掉电数据不丢失用途：主要存放程序代码和需要保存的可变数据。,存储器原理简介 1,电气工程学院,存储器原理简介 2,电气工程学院,存储器实例8K8静态RAM8K8EPROM,存储器原理简介 3,电气工程学院,8031对程序存储器和数据存储器的寻址原理,电气工程学院,8031外部存储器总线时序,举例：读外部数据存储器MOVX A，DPTR；机器码 E0H，存储地址为2000H其中DPTR里内容为4000H，4000H内容为0AAHT1：ALE的下降沿锁存程序代码地址 P2P0（2000H）T2：读程序代码内容 P0（0E0H）T3：锁存程序代码制定外部存储器的地址 P15P0（4000H）T4：读外部存储器内容 P0（0AAH）,电气工程学院,译码器74LS138/139框图,3-8,2-4,电气工程学院,译码器74LS138/139功能表,电气工程学院,四-十六译码器,译码器74LS154 框图和功能表,电气工程学院,(1)对于不同的外部存储器芯片，不能有相同的地址范围(2)对于每一个芯片，所分配的地址范围大于等于芯片的存储容量(3)由高位地址线通过地址译码电路按照外围存储器的数量将整个存储空间划分成不同的区域(4)按照每个存储器的需要将CPU的低位地址线连接到存储器的地址线上，用来寻址存储器的每个存储单元,扩展外部存储器的步骤利用锁存器分离低位地址线和数据线数据线的连接地址线的连接读写信号线的连接根据需要设计地址译码电路,8031外部存储器扩展 1,电气工程学院,74LS138，其中 A、B、C分别是三条输入线，Y0Y7是八条输出线。E1、E2、E3分别是三个使能端。,8031外部存储器扩展 2,电气工程学院,非均匀译码,8031外部存储器扩展 3,电气工程学院,8031外部存储器扩展例1,扩展一片6264（8000H9FFFH）和一片2764（0000H1FFFH）,程序存储器的地址范围必须包含0000H到0030H，因为程序上电复位后要从0000H单元开始运行，同时中断向量要占据0003H0030H地址,电气工程学院,日历/时钟显示调整系统,8031应用系统设计实例,电气工程学院,4个并行I/O 口 P0、P1、P2、P3,P0:数据总线/低8位地址线或者通用I/O口,P2:高8位地址线或者通用I/O口,P3:多功能口，例如：串口、定时器、外中断输入等,P1:通用I/O口,MCS-51内部并行I/O口 1,电气工程学院,输出：,输入(读引脚)：,输入（读锁存器）,MOV P1，A,MOV P1，#0FFHMOV A，P1,MOV A，P1,MCS-51内部并行I/O口 2,电气工程学院,并行I/O口扩展 1,MCS-51单片机系统中,扩展I/O是与外部数据存储器统一编址的,占用外部数据存储器的单元地址,使用MOVX指令进行读写(RD、WR控制信号）.,扩展I/O有以下三种基本方法：,（1）专用I/O口扩展芯片,（2）串行口扩展并行口,（3）利用锁存器进行简单I/O扩展（P247 图7-10）,电气工程学院,Intel 8155可编程并行I/O 接口芯片,1.8155 的内部结构和引脚功能,并行I/O口扩展 2,电气工程学院,并行I/O口扩展 3,电气工程学院,(2)8155命令寄存器,并行I/O口扩展 4,电气工程学院,采用8155 扩展I/O 口举例,并行I/O口扩展 5,电气工程学院,(1)RAM地址:7E00H7EFFH,(2)I/O地址:,命令寄存器:7FF8H,A口:7FF9H,B口:7FFAH,C口:7FFBH,地址范围分析,A15A14A13A12 A11A10A9A8 A7A6 A5A4 A3A2A1A0,0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0,0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1,A15A14A13A12 A11A10A9A8 A7A6 A5A4 A3A2A1A0,0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0,0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1,0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0,0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1,0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0,0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1,定时器低8位:7FFCH,定时器高6位:7FFDH,并行I/O口扩展 6,电气工程学院,MOVDPTR，#7E0AHMOVA，30HMOVXDPTR，A；写操作,MOVDPTR，#7E0AHMOVXA，DPTRMOV40H，A；读操作,对8155 RAM的读写操作,并行I/O口扩展 7,电气工程学院,MOVDPTR，#7FF8H;命令寄存器MOVA，#00000001B;PA输出,PB输入MOVXDPTR,AMOVDPTR,#7FF9H;PA口MOVA,#55HMOVXDPTR,AINCDPTR;PB口MOVXA,DPTRMOV30H,A,8155 I/O口的读写操作,并行I/O口扩展 8,电气工程学院,LED 数码显示管工作原理,并行I/O口扩展 9,电气工程学院,MCS-51对LED显示管的控制,（1）静态方式显示原理,I/O口(1),I/O口(3),I/O口(2),a,b,dp,a,b,dp,a,b,dp,并行I/O口扩展 10,电气工程学院,动态显示的原理,I/O口(1)字段口,I/O口(2)字位口,a,b,dp,I/O1.0,I/O1.1,I/O2.1,I/O1.7,I/O2.0,I/O2.2,并行I/O口扩展 11,电气工程学院,并行I/O口扩展 12,电气工程学院,A15 A14 A13 A12,A11 A10 A9 A8,A7 A6 A5 A4,A3 A2 A1 A0,0,0,1,0,0,0,0,1,0,0,0,0,0,1,1,0,0,0,0,0,0,0,1,0,1,命令寄存器,PA,PB,PC,2100H,2101H,2102H,2103H,并行I/O口扩展 13,电气工程学院,并行I/O口扩展 14,电气工程学院,按键电路与消抖,按键的作用,按键消抖的措施,按键在单片机应用系统中的结构形式,电气工程学院,上拉电阻,电气工程学院,按键的工作原理,P1.0,P1.2,P1.3,P1.4,P1.5,P1.6,P1.7,P1.1,电气工程学院,MCS-51单片机的主要产品,MCS-51单片机 系列产品,电气工程学院,MCS-51 家族包括51和52两个子系列。51子系列机包括8031、8051、8751、89C51等，主要差别在于片内集成不同类型的程序存储器。,52子系列的产品主要有8032、8052、8752。与51子系列的差别主要在于：1.片内数据存储器增至256B2.片内程序存储器增至8KB（8032/80C32无）3.I/O口功能增强（3个16位定时器/计数器，有6个中断源）。其他性能均与5l子系列相同。其对应的低功耗CHMOS工艺器件分别为80C32、80C52和87C52。,MCS-51单片机家族,电气工程学院,补充作业1设计一个8031最小系统，包括1片2764（ROM，地址为0000H-1FFFH），1片62128（RAM，地址为6000H-9FFFH），采用74LS138译码器进行译码，画出电路图，要求包括电源、复位电路、晶振电路等。,补充作业2如题图所示，8155的A口作按键输入，B、C口上扩展6个数码显示器，要求：1写出8155控制口、A、B、C口的地址2写出8155的控制字3写出数字04的字形表,作业,电气工程学院,书中P76图2-20为双字节单周期指令的时序图，例如：ADD A，30H，不是MOVC指令的时序图，书中的解释是错误的。,备注,