单片机硬件结构2-1单片机的基本结构.ppt

第二章 单片机硬件结构,2-1 单片机的基本结构,2-2 MCS-51单片机引脚,2-3 MCS-51存储器配置,2-1-1 MCS-51单片机的基本组成,2-1 单片机的基本结构,（1）一个8位微处理器CPU；（5）四个位的I/O并行端口；（2）RAM和特殊功能寄存器SFR（6）一个串行端口；（3）内部程序存储器（ROM）（7）中断控制系统；（4）两个定时/计数器；（8）内部时钟电路。,硬件基本配置：1.8位CPU2.片内ROM/EPROM、RAM3.片内并行 I/O接口4.片内16位定时器/计数器5.片内中断处理系统6.片内全双工串行I/O口,MCS-51系列基本产品型号：8051、8031、8751称为 51子系列。不同型号MCS-51单片机CPU处理能力和指令系统完全兼容，只是存储器和I/O接口的配置有所不同。,2-1-2 MCS-51硬件结构特点,2-1-3 MCS-51单片机内部结构,MCS-51 CPU 内部结构,CPU主要由运算器和控制器组成1运算器运算器由8位算术逻辑运算单元ALU（Arithmetic Logic Unit）、8位累加器ACC（Accumulator）、8位寄存器B、程序状态字寄存器PSW（Program Status Word）、8位暂存寄存器TMP1和8位暂存寄存器TMP2等组成。,2控制器控制器主要由程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器、堆栈指针SP、数据指针DPTR、时钟发生器及定时控制逻辑等组成。,一、P0口的结构它由一个输出锁存器、两个三态输入缓冲器和输出驱动及控制电路组成。,MCS-51单片机有4个双向并行的8位I/O口P0P3。,2-1-4输入/输出（I/O）端口结构,（1）P0口作为I/O口。,作为输出口使用时，内部控制端发0电平使与门输出为0，场效应管T1截止，此时多路开关MUX与锁存器的端接通。内部数据加在锁存器D端，当CL端的写脉冲出现后，与内部总线相连的D端数据取反后出现在端，经场效应管T2反向出现在P0的引脚上。,当作输入口时，读脉冲将图中下方的三态输入缓冲器打开，这样端口上的数据经缓冲器送至内部总线。图中上方的缓冲器并不直接读端口引角上的数据，而是读锁存器Q端的数据，Q端与引角上的数据是一致的。,（2）作为地址/数据总线。,控制端高电平1，MUX将CPU内部地址/数据经反向器与T2接通，与门开锁。输出信号通过与门驱动上拉场效应管T1，又通过反向器驱动T2。作输入数据口时，当“读引脚”信号有效时，数据进入内部总线。,二、P1口的结构,P1端口是单片机中唯一仅有单功能的I/O端口，输出信号锁存在端口上，故又称为通用静态端口。,P1口是通用I/O准双向静态端口，输出的信息有锁存。P1端口与P0端口的主要区别在于，P1端口用内部上拉电阻代替了场效应管T1，且输出信息仅来自内部总线。若输出时D端的数据为1，T截止输出为1；若D端数据为0，则T导通，引脚输出为低电平。当作输入使用时，必须向锁存器写1，使场效应管截止，才可以作输入用。,三、P2口的结构,和P1口比较，P2口多了转换控制部分。当P2口作通用I/O口使用时，多路开关MUX连接锁存器的Q端，构成一个准双向口。当系统扩展片外程序存储器时，P2端口就用来周期性地输出从外存中取指令的高8位地址（A8-A15），此时MUX在CPU的控制下切换到与内部地址总线相连。因地址信号是不间断的，此时P2口就不能用作I/O端口使用了。,四、P3口的结构,当处于第二功能时，锁存器由硬件自动置1，使与非门对第二功能信号畅通。此时，“读引脚”信号无效，左下的三态缓冲器不通，引脚上的第二输入功能信号经右下的的缓冲器送入“第二功能输入端”。,和P1口比较，P3口增加了一个与非门和一个缓冲器，使其各端口线有两种功能选择。当处于第一功能时，第二输出功能线为1，此时输出与P1口相同，内部总线信号经锁存器和场效应管输出。当作输入时，“读引角”信号有效，下面的三态缓冲器打开（增加的一个为常开），数据通过缓冲器送到CPU内部总线。,P3口的第二功能表,2-2 MCS-51单片机引脚,2-2-1MCS-51单片机引脚描述1I/O口线功能4个8位并行 I/O 接口引脚 P0.0P0.7、P1.0P1.7、P2.0P2.7和 P3.0P3.7,2控制线ALE：地址锁存允许信号端PSEN：外部程序存储器读选通信号端EA/VPP：程序存储器选择信号端和编程电源输入端RST/VPD：复位信号端和后备电源输入端。,为多功能引脚，可自动切换用作数据总线、地址总线、控制总线和或I/O 接口外部引脚。,2-2-2 MCS-51单片机的片外总线结构,和所有微机一样，MCS-51单片机是通过总线来传输各种信息的。所谓总线，是微机中的一组公用导线，是传输信息的公共通道。各种器件都须通过三态门隔离再连接到总线上。,微型计算机中的总线通常分为地址总线（AB）、数据总线（DB）和控制总线（CB）。MCS-51单片机按引脚功能分类的片外总线结构示意图如右。,2-3 MCS-51存储器配置,物理上4个存储器地址空间：片内/片外程序存储器空间片内/片外数据存储器空间,逻辑上3个存储器地址空间：64KB 程序存储器256B 片内数据存储器64KB 片外数据存储器,2-3 MCS-51存储器配置,一、程序存储器64KB 程序存储器空间EA不同电平，选择片内或片外低位存储单元,二、数据存储器164KB片外数据存储器空间(与扩展I/O接口共用)2.256B片内数据存储器:1)片内RAM 2)特殊功能寄存器 SFR,特殊存储单元：复位入口:0000H中断入口:0003H0023H,1)片内RAM工作寄存器区：字节地址：00H1FH位寻址区：字节地址：20H2FH位地址为：00H7FH数据缓冲区/堆栈区：字节地址：00H7FH一般使用30H7FH,2)特殊功能寄存器SFR占用字节地址：80HFFH位寻址寄存器：其字节地址可被8整除。专用寄存器：A、B、PSW、DPTR、SPI/O接口寄存器：P0、P1、P2、P3、SBUF、TMOD、TCON、SCON,几个常用的SFR,A 累加器。是一个最常用的专用寄存器，其自身带有全零标志Z，若A=0则Z=1；若A0则Z0。,PSW 程序状态字寄存器。其格式如下：,SP 堆栈指针。,DPTR 数据地址指针寄存器。它由DPL（低8位）和DPH（高8位）两个寄存器组成，字节地址分别为82H、83H，用来存放16位地址值，以便对外部RAM进行读写操作，它们既可整体赋值，也可分开赋值。,CY：进借位标志。在运算时有进、借位时，CY=1；否则CY=0。AC：辅助进借位标志。当D3向D4有进、借时，AC=1；否则AC=0。F0：用户标志。可由用户根据需要自行设定其含义。RS1、RS0：工作寄存器组选择。OV：溢出标志。当运算结果超出-128+127的范围时为1；否则为=0。P：奇偶校验标志。每条指令执行完后，根据累加器A中的个数来决定，当有奇数个时P=1，否则P=0。,2.4 MCS-51的时序及辅助电路,2-4-1 单片机的时钟电路。1内部时钟方式：内部一个高增益反相放大器与片外石英晶体或陶瓷谐振器构成了一个自激振荡器。晶体振荡器的振荡频率决定单片机的时钟频率。,2外部时钟方式：外部振荡器输入时钟信号。,2-4-2 振荡周期、状态周期、机器周期和指令周期1.振荡周期：是指为单片机提供时钟信号的振荡源的 周期。,思考题：设应用单片机晶振频率为6MHz，问机器周期为多少？指令周期分别为多少？,3.机器周期：完成一个基本操作所需要的时间。一个机器周期由6个时钟周期组成。4.指令周期：一条指令的执行时间。以机器周期为单位：指令可分为单周期、双周期和四周期指令。,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。,2-4-3单片机复位电路及复位状态,单片机常采用上电复位和按键复位两种方式。,按键复位又分为按键电平复位和按键脉冲复位，按键电平复位是将复位端通过电阻与VCC相连，按键脉冲复位是利用RC微分电路产生正脉冲来达到复位目的。,上电复位电路，在通电瞬间，在RC电路充电过程中，RST端出现正脉冲，从而使单片机复位。,单片机复位后的状态,复位使单片机进入初始化状态，其中包括使程序计数器PC的内容为0000H，这表明单片机从0000H地址单元开始执行程序。单片机冷启动后，片内RAM的内容为随机值，运行中的复位不改变片内RAM的内容。21个特殊功能寄存器复位后的状态为确定值，见下表所示。,