单片机及基本结构课件.ppt

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1、第一章 单片机及基本结构,一、单片机概述*二、 MCS-51系列单片机内部结构*三、存储器*四、 I/O口一位锁存器和缓冲器结构*五、定时器/计数器的结构*六、串行口的结构*七、单片机中断系统*八、单片机的工作方式*,第一章 单片机及基本结构一、单片机概述*,单片机即单片微型计算机，由单块集成电路芯片构成，内部集成了计算机的基本功能部件CPU（Central Processing Unit)、存储器和I/O接口电路等。 单片机在结构上与微型计算机十分相似，是一种集微型计算机主要功能部件于同一芯片上的微型计算机，并由此而得名。单片机特别适用于控制领域，故又称为微控制器(MCU)。,一、单片机概述

2、,单片机即单片微型计算机，由单块集成电路芯片构成，内,单片机内部集成CPU、RAM、并行I/O端口单片机内部集成了串行口、计数器和定时器某些类型的单片机中还有一定容量的ROM （如87系列和89系列）某些类型的单片机中还有A/D和D/A转换器 （如98/96系列）,一、单片机概述,单片机内部集成CPU、RAM、并行I/O端口一、单片机概述,时钟,RAM,计数/定时器,CPU,中断系统,可编程并行口,可编程串行口,单片机的内部结构,ROM,外部中断,外部时间计数,并行口,串行通信,时钟RAM计数/CPU中断可编程可编程单片机的内部结构ROM,4位单片机 CPU一次只能处理4位二进制数，处理能力较

3、弱。常用于计算器、各种形态的智能单元以及作为家用电器控制器。8位单片机 CPU是8位的，片内资源丰富且功能强大。 主要用于工业控制、智能仪表、家用电器和办公自动化系统中。,单片机家族,4位单片机单片机家族,16位单片机 CPU是16位的，运算速度普遍高于8位机，有的寻址能力高达1MB，片内含有A/D和D/A转换电路，支持高级语言。 主要用于过程控制、智能仪表、家用电器以及计算机外设的控制器中。32位单片机 字长为32位，具有极高的运算速度。,单片机家族,16位单片机单片机家族,Intel8048/49系列 8位 (1976年） (8048,8748,8049等) * Intel8051/52系

4、列 8位(MCS-51系列) (80年代初) (8031,8051,8751,8052,8752等) *Intel8096/98系列 16位(MCS-96系列) (83年以后) (8096,8098,8798等) *M68300系列 32位 (M68331,M68332) *,单片机家族,单片机家族,是低性能单片机阶段的代表产品，内部集成了8位CPU、并行I/O口、8位定时器/计数器、RAM和ROM等。无串行口，中断处理比较简单，片内RAM（64个字节）和ROM（1K字节）容量较小，且寻址范围不大于4K。,MCS-48系列单片机,是低性能单片机阶段的代表产品，内部集成了8位CPU、并行I/,8

5、031内含1个8位CPU、128个字节的RAM、4个8位并行I/O口、1个全双工的串行口、2个16位的定时器/计数器。8051在8031基础上，增加了4K字节的ROM作为程序存储器。常用于程序一定、批量大的单片机产品中。8751在8031基础上，增加了4K字节的EPROM，用户可反复修改程序。8031外扩一片EPROM就相当于8751，价格低。,MCS-51系列单片机,8031内含1个8位CPU、128个字节的RAM、4个8位并,MCS-96系列单片机,内含1个可以直接面向256字节寄存器空间的16位CPU；16位乘16位和32位除以16位的指令，速度为6.25us；8路10位A/D转换器；可

6、供用户使用的8个中断源；5个8位并行I/O口，一个8KB的ROM存储器；一个全双工串行口，一个专用串行口；两个16位定时器/计数器，一个16位监视定时器，4个16位软件定时器；高速输入和高速输出部件可用于测量和产生分辨率为2us的脉冲；一个脉冲宽度调制输出，可以用作8位D/A输出。,MCS-96系列单片机内含1个可以直接面向256,内含一个32位CPU模块，和大量其它专用模块。内部地址总线是32位，外部地址总线是24位，8个32位通用数据寄存器和7个32位通用地址寄存器。32位单片机是单片机的顶级产品，具有极高的数据处理能力和运算速度。,M68300系列单片机,内含一个32位CPU模块，和大量

7、其它专用模块。M68300系,MCS-51系列性能,MCS-51系列性能,二、MCS-51系列单片机内部结构,CPU,并行口,特殊寄存器,内部RAM,二、MCS-51系列单片机内部结构CPU并行口特殊寄存器内部,单片机及基本结构课件,1、8051/8031系列CPU管脚,Vcc RST/VPD RXD EA / VPP TXD ALE / PROG INT0 PSEN INT1 T0 T1 WR RD XTAL2 XTAL1 VSS,1 402 393 384 375 366 357 348 339 3210 3111 3012 2913 2814 2715 2616 2517 2418 23

8、19 2220 21,P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7,P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7,P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0,P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7,8位双向三态I/O口，有较大的负载能力。8051不带片外存储器时，为通用I/O口，传送输入/输出数据。带片外存储器并访问时，先传送低8位地址后传送数据。,8位准双向I/O口，用于传送输入/输出数据。,8位准双向I/O口。8051不带片外存储器时，为通用I/O口，传送输入/输出数据。 带片外存储器并访问时，传送高8

9、位地址。,8位准双向I/O口。可作普通I/O口和专用口。,1、8051/8031系列CPU管脚,P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2INT0（外部中断0）P3.3INT1（外部中断1）P3.4T0（定时器0外部输入）P3.5T1（定时器1外部输入） (两个16位可编程定时/计数器，分别由两个8位寄 存器拼装而成。最大计数值为216-1,即65535。)P3.6WR（外部数据存储器写控制）P3.7RD（外部数据存储器读控制）,P3口的第二功能,P3.0RXD（串行输入口）P3口的第二功能,XTAL1 :振荡器输入端（单片机内部反向放大器 的输入端）XTAL2 :振荡器

10、输出端（单片机内部反向放大器 的输出端）ALE/PROG :外部存储器地址锁存允许/编程线 8051CPU在P0口输出片外存储器低8位地址的同时在该线上输出一个高电平脉冲，其下降沿用于控制地址锁存。不访问片外存储器时，CPU自动在该线上输出可用作外部时钟源的脉冲序列，频率为振荡器频率的1/6。,8051管脚的说明,XTAL1 :振荡器输入端（单片机内部反向放,EA/VPP :允许访问片外程序存储器/编程电源线 EA接高电位,访问内部程序存储器 EA接低电位,访问外部程序存储器PSEN :片外ROM选通线。,8051管脚的说明,RST/VPD: 复位/备用电源线。 复位时高电位有效。,EA/VP

11、P :允许访问片外程序存储器/编程电源线8051,2、51系列单片机时序,单片机时序: CPU在执行指令时所需控制信号的时间顺序。CPU发出的两类时序信号： 片内功能部件控制时序信号; 片外存储器或I/O端口控制时序信号。时钟周期： 由单片机内振荡电路OSC产生，常定义为时钟脉冲频率的倒数，是时序中最小的时间单位。,2、51系列单片机时序单片机时序:,2、51系列单片机时序,机器周期： 实现特定功能所需的时间，通常有若干时钟周期T构成。 指令周期： 执行一条指令所需的时间，是时序中的最大时间单位。 51系列单片机的机器周期时间是固定不变的，均有12个时钟周期T组成，分为6个状态（S1S6）。,

12、2、51系列单片机时序机器周期：,2、51系列单片机时序,1个状态含有2个振荡周期（时钟周期），称为P1和P2两拍。 1个指令周期 = 14个机器周期 1个机器周期 = 6个状态 1个状态 = 2个振荡周期（时钟周期）,51系列单片机指令： 单周期指令(单字节单周期、双字节单周期） 双周期指令（单字节、双字节、三字节双周期） 四周期指令（单字节四周期）（乘法和除法指令）,2、51系列单片机时序1个状态含有2个振荡周期（时钟周期），,S1 S2 S3 S4 S5 S6XTAL2ALE 机器周期,2、51系列单片机时序,周期性信号ALE在每个机器周期内出现两次高电平，出现时刻为S1P2和S4P2，

13、持续时间为一个状态S。 ALE每出现一次高电平，CPU就进行一次取指操作(有时无效）。,S1 S2 S3 S,振荡与时钟电路 XTAL1 XTAL2 石英晶体 (1.2M-12MHz) C1 C2 (5pF-60pF),3、振荡与时钟电路、复位电路,石英晶振起振后，应能在XTAL2线上输出一个3V左右的正弦波，以便使MCS-51片内的OSC电路按与石英晶振相同频率自激振荡。,振荡与时钟电路3、振荡与时钟电路、复位电路 石,复位是单片机的初始化操作。复位的主要功能： *把PC初始化为0000H，使CPU从0000H单元开始执行程序； *当程序运行出错或操作错误系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需

14、要按复位键重新启动。除PC之外，复位操作还对其它一些寄存器有影响，但复位不影响内部RAM状态。,复位操作,复位是单片机的初始化操作。复位操作,复位后的内部寄存器状态,复位后的内部寄存器状态,上电复位电路,开关复位电路,复位电路,+5VVCCCR+5VCRVCC上电复位电路开关复位电路复位,特殊功能寄存器是指有特殊用途的寄存器集合。8051有21个SFR ，每个SFR占有一个RAM单元，他们离散地分布在80HFFH地址范围内。8051的专用寄存器通常包括：程序计数器PC、累加器A、程序状态字PSW、堆栈指示器SP、数据指针DPTR和通用寄存器B等。,4、特殊功能寄存器（SFR）,特殊功能寄存器是

15、指有特殊用途的寄存器集合。4、特殊功能寄存器,PC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内存地址，能自动加1。8051程序计数器PC由16个触发器构成，其编码范围为0000HFFFFH，共64K。 可见，8051的寻址范围是64KB。,程序计数器PC,PC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,ACC是一个二进制8位寄存器，专门用于存放操作数或运算结果。 例如：在下面3+5的加法程序中 MOV A，#03H ；A3 ADD A，#05H ；AA+05H,累加器A（Accumulator）,ACC是一个二进制8位寄存器，专门用于存放操作数或运算结果

16、。,是专门为乘法和除法设置的，是一个二进制8位寄存器，有8个触发器组成。在乘法或除法进行前，用于存放乘数或除数。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。 例如：在下面的5*3乘法程序中 MOV A，#05H ；A5 MOV B，#03H ；B3 MUL AB ; BA A*B,通用寄存器B,是专门为乘法和除法设置的，是一个二进制8位寄存器，有8个触发,程序状态寄存器(Program Status Word),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的格式：,P 奇偶标志位 AC半进位位OV溢出标志位 Cy 进位位F0 用户标志位(用户根据程序执行的需要通

17、过传送指令确定）,PSW0PSW7CYACF0RS1RS0OVP程序状态寄存,RS1，RS0寄存器选择位（用于决定8051的8个8位工作寄存器R0R7在RAM中的实际物理地址）,程序状态寄存器(Program Status Word),RS1，RS0对工作寄存器的选择,RS1，RS0寄存器选择位（用于决定8051的8,SP是一个8位寄存器，能自动加1或减1，用于存放堆栈的栈顶地址。8051的堆栈是一个能按“先进后出”规律存取数据的RAM区域.堆栈有栈顶和栈底之分，栈底地址固定不变，其决定堆栈在RAM中的物理位置；栈顶地址始终在SP中，即由SP指示，是可变的。例如：MOV SP，#data ；S

18、Pdata （设定堆栈） MOV A，#X ；AX (把X压入堆栈） PUSH ACC ；SPSP+1，(SP)ACC,堆栈指针SP(Stack Pointor),SP是一个8位寄存器，能自动加1或减1，用于存放堆栈的栈顶地,DPTR是一个16位的寄存器，有两个8位寄存器DPH和DPL拼成。用于存放片内ROM、片外RAM或片外ROM的地址。 例如：将片外RAM 2000H单元中的数X取入累加器可采用如下程序。 MOV DPTR，#2000H ；DPTR2000H MOVX A，DPTR ；AX,数据指针DPTR (Data Pointer),DPTR是一个16位的寄存器，有两个8位寄存器DPH

19、和DPL,IP中断优先级寄存器IE中断允许寄存器TMOD计数器方式寄存器TCON计数器控制寄存器SCON串行口控制寄存器SBUF串行口数据缓冲器PCON电源控制寄存器,IP中断优先级寄存器,特殊功能寄存器地址映像表(80HFFH）,特殊功能寄存器地址映像表(80HFFH）,存储器分类： 片内存储器集成在芯片内部，是MCS51的一个 组成部分； 片外存储器是外接的专用存储器芯片,MCS 51 只提供地址和控制命令，需要通过外 部三总线才能工作。 存储器三个地址空间： ROM地址空间（片内、片外），0000H-FFFFH; 片内RAM地址空间：00H-FFH； 片外RAM地址空间：0000H-FF

20、FFH,三、存储器,存储器分类： 三、存储器,*程序存储器： 内部（/EA=1），外部（/EA=0），/PSEN=0， 地址：0000HFFFFH，64K单元。 *数据存储器： 内部RAM（00H7FH，128单元） 外部RAM（0000HFFFFH，64K单元） 控制信号：/RD或/WR有效（=0） 使用计数器：DPTR 使用指令：MOVX类 * 程序存储器和数据存储器使用独立的两个地址空间。由/PSEN和/RD（/WR）区分。,存储器分类,*程序存储器：存储器分类,内部RAM的容量：128单元（51系列） 256单元（52系列）内部RAM的工作寄存器：地址00H1FH 第一组： R0R7

21、00H07H 第二组: R0R7 08H0FH 第三组： R0R7 10H17H 第四组： R0R7 18H1FHR0R7地址由PSW中的RS1，RS0位确定。,内部RAM,内部RAM的容量：128单元（51系列）内部RAM,位寻址存储器（位寻址区）：20H2FH缓冲存储器（便笺区）：30H7FH 以上各单元都可以作为普通存储器使用。,内部RAM,位寻址存储器（位寻址区）：20H2FH内部RAM,单片机及基本结构课件,P0口 地址/数据 Vcc读锁存器 控制 T0内部总线 P0.X引脚 开关写锁存器 T1 读引脚,四、I/O口一位锁存器和缓冲器结构,P0口 四、I/O口一位锁存器和缓,P1口

22、读锁存器Vcc 内部提 内部总线 升电阻P1.X引脚 写锁存器 T1 读引脚,D Q P1口 D Q,P2口,P2口D Q读存储器内部总线写存储器读引脚地址,P3口,P3口D Q读存储器内部总线写存储器读引脚第二,写端口: 输出数据读引脚：直接读取引脚状态。 一般需要使锁存器输出为1。对锁存器无影响。读锁存器：读修改写入操作。 操作过程：读取锁存器内容，经数据处理后，再写入锁存器。,并行口的读写操作,写端口: 输出数据并行口的读写操作,T1T0,内部时钟,五、定时器/计数器结构,T1T0CPUTH1TL1TH0TL0T,特点两个定时器/计数器：T0和T1TH0、TL0和TH1、TL1分别为计数

23、器寄存器。 存放计数初值，以增一方式计数。定时工作时对内部时钟计数，计数工作时对外来脉冲（T0，T1）计数。有四种工作模式：模式0，1，2，3计数器溢出时可申请中断,五、定时器/计数器结构,特点五、定时器/计数器结构,结构原理 T1发送中断 TXD串行输出（P3.1) 内部总线 移位时钟 RXD串行输入 （P3.0） RI接收中断,六、串行口的结构原理,结构原理发送SBUF接收SBUF输入移位寄存器六、串行口的结,七、单片机中的中断系统,有五个中断源：中断源中断级别外部中断0(INT0) 最高T0溢出中断外部中断1(INT1)T1溢出中断串行口中断 最低,七、单片机中的中断系统有五个中断源：,

24、复位方式程序执行方式 单步执行方式用于用户程序的调试 连续执行方式在0000H处放一条转移指令， 控制程序执行的起始位置节电工作方式（CHMOS单片机特有） 掉电工作方式 空闲工作方式编程和校验方式 编程 对EPROM进行写操作的过程 校验对写入的程序代码进行读出验证的过程,八、单片机的工作方式,复位方式八、单片机的工作方式,操作方式控制寄存器PCON,八、单片机的工作方式,SMOD GF1 GF0 PD IDL,IDL（PCON.0) 节电方式位，为“1”时,激活节电方式PD （PCON.1) 掉电方式位，为“1”时，激活掉电方式GF0（PCON.2) 通用标志位GF1（PCON.3) 通用标志位SMOD （PCON.3) 串行口波特率倍率控制位，为“1” 时，串行口波特率倍率。,操作方式控制寄存器PCON八、单片机的工作方式SMOD,掉电方式：PCON.1=1 (PD=1) 振荡器停振，片内所有功能部件停止工作，RAM和寄存器内容不变。VCC电源可以降为2V。 退出的方法：硬件复位。复位后，RAM不变，寄存器初始化。空闲方式： PCON.0=1 (IDL=1) CPU停止工作，中断、串行口、定时器可继续工作， RAM和寄存器内容不变。 退出的方法：中断和复位,八、单片机的工作方式,掉电方式：PCON.1=1 (PD=1)八、单片机的工作方式,谢谢大家！,谢谢大家！,