单片机芯片的基本结构课件.ppt
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1、第2章 单片机芯片的基本结构,2.1 MCS51系列单片机逻辑结构2.2 MCS51单片机存储器及存储空间2.3 并行输入/输出接口 2.4 MCS-51单片机的时钟电路与时序2.5 MCS-51单片机的工作方式,图21 MCS51系列单片机内部结构框图,2.1 MCS51系列单片机内部结构及功能部件,2.1.1 内部结构,图22 MCS51系列单片机内部结构简化框图,MCS51系列单片机的内部结构框图如图21所示。分析图21,并按其功能部件划分可以看出,MCS51系列单片机是由8大部分组成的。图22为按功能划分的MCS51系列单片机内部结构简化框图。这8大部分是:一个8位中央处理机CPU。1
2、28个字节(MCS52子系列为256字节)的片内数据存储器RAM。,4 KB(MCS52子系列为8 KB)的片内程序只读存储器ROM或EPROM(8031和8032无)。18个(MCS52子系列为21个)特殊功能寄存器SFR。4个8位并行输入输出I/O接口:P0口、P1口、P2口、P3口(共32线),用于并行输入或输出数据。1个串行I/O接口。2个(MCS52子系列为3个)16位定时器/计数器。,1个具有5个(MCS52子系列为6个或7个)中断源,可编程为2个优先级的中断系统。它可以接收外部中断申请,定时器/计数器中断申请和串行口中断申请。,中央处理器CPU,中央处理器是单片机内部的核心部件,
3、它决定了单片机的主要功能特性。它由运算部件和控制部件两大部分组成。,运算部件 运算部件是以算术逻辑单元ALU为核心,加上累加器A、寄存器B、暂存器TMP1和TMP2、程序状态寄存器PSW及专门用于位操作的布尔处理机组成的(见图21),它能实现数据的算术逻辑运算,位变量处理和数据传送操作。1.算术逻辑单元ALU与累加器ACC、寄存器B 算术逻辑单元ALU不仅能完成8位二进制数的加(带进位加)、减(带借位减)、乘、除、加1、减1及BCD加法的十进制调整等算术运算,还能对8位变量进行逻辑“与”、“或”、“异或”、求补、清零等逻辑运算,并具有数据传送,程序转移等功能。累加器ACC简称累加器A,为一个8
4、位寄存器,它是CPU中使用最频繁的寄存器。进入ALU作算术和逻辑运算的操作数多来自于A,运算结果也常送回A保存。寄存器B是为ALU进行乘除法设置的。,CY(PSW.7)进位标志位。AC(PSW.6)辅助进位(或称半进位)标志。F0(PSW.5)由用户定义的标志位。RS1(PSW.4)、RS0(PSW.3)工作寄存器组选择位。OV(PSW.2)溢出标志位。由硬件置位或清零。PSW.1未定义位。P(PSW.0)奇偶标志位。,PSW.7,PSW.0,2.程序状态字 程序状态字寄存器PSW(8位)是一个标志寄存器,它保存指令执行结果的特征信息,以供程序查询和判别。其程序状态字格式及含义如下:,3.布尔
5、处理机 布尔处理(即位处理)是MCS51单片机ALU所具有的一种功能。单片机指令系统中的布尔指令集(17条位操作指令),存储器中的位地址空间,以及借用程序状态标志寄存器PSW中的进位标志CY作为位操作“累加器”,构成了单片机内的布尔处理机。,历年试卷,8051单片机的内部硬件结构包括了:、以及片内数据存储器、片内程序存储器、并行I/O口、位处理器等部件,这些部件通过 相连接。(0707)(0801)CPU 时钟电路 中断控制系统 串行口 内部数据总线 8051单片机的内部硬件结构包括了:,以及并行I/O口、串行口、中断控制系统、时钟电路、位处理器等部件,这些部件通过 相连接。(0901)CPU
6、 片内RAM 片内ROM 定时/计数器(顺序不限)内部数据总线,2.1.2单片机外部引脚说明 MCS51系列单片机芯片均为40个引脚,HMOS工艺制造的芯片采用双列直插(DIP)方式封装,其引脚示意及功能分类如图23所示。CMOS工艺制造的低功耗芯片也有采用方型封装的,但为44个引脚,其中4个引脚是不使用的。,图23 MCS51系列单片机引脚及总线结构(a)管脚图;(b)引脚功能分类,1.主电源引脚Vcc和Vss VCC(40脚):接+5 V电源正端;VSS(20脚):接+5 V电源地端。2.外接晶体引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1(19脚):接外部石英晶体的一端。在单片机内部,它是一个
7、反相放大器的输入端,这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部时钟时,对于HMOS单片机,该引脚接地;对于CHMOS单片机,该引脚作为外部振荡信号的输入端。,XTAL2(18脚):接外部晶体的另一端。在单片机内部,接至片内振荡器的反相放大器的输出端。当采用外部时钟时,对于HMOS单片机,该引脚作为外部振荡信号的输入端;对于CHMOS芯片,该引脚悬空不接。,图24 HMOS型MCS51单片机时钟产生方式(a)内部振荡器方式;(b)外部振荡器方式,80C51外部脉冲信号需从XTAL1引脚注入,而XTAL2引脚悬空,3.控制信号或与其它电源复用引脚 控制信号或与其它电源复用引脚有RST/VPD、和 等4
8、种形式。(1)RST/VPD(9脚):RST即为RESET,VPD为备用电源,所以该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。(2)(30脚):当访问外部存储器时,ALE(允许地址锁存信号)以每机器周期两次的信号输出,用于锁存出现在P0口的低8位地址。,(3)(29脚):片外程序存储器读选通信号输出端,低电平有效。(4)(31脚):为访问外部程序存储器控制信号,低电平有效。,历年试卷,请简述单片机中的控制引脚信号ALE、/EA、/PSEN的功能(0807)(0901)ALE为地址锁存控制信号,作为P0口送出的低8位地址信号的锁存信号,可用于分离P0口的低8位地址与8位数据信号。/EA为访问外部程序存
9、储器的控制信号,当/EA=0时,单片机从外部ROM读取数据,/EA=1单片机从内部ROM开始读取数据并可以延伸至外部ROM。/PSEN为访问外部程序存储器的读选通控制信号,当单片机读取外部ROM数据时,PSEN为“0”,以实现外部ROM的读操作。,4.输入/输出(I/O)引脚P0口、P1口、P2口及P3口(1)P0口(39脚32脚):P0.0P0.7统称为P0口。(2)P1口(1脚8脚):P1.0P1.7统称为P1口,可作为准双向I/O接口使用。(3)P2口(21脚28脚):P2.0P2.7统称为P2口,一般可作为准双向I/O接口。(4)P3口(10脚17脚):P3.0P3.7统称为P3口。,
10、表23 P3口第2功能表,2.2 MCS51单片机存储器及存储空间,2.2.1 MCS51单片机存储器分类及配置 MCS51单片机存储器的分类从物理结构上可分为:片内、片外程序存储器(8031和8032没有片内程序存储器)与片内、片外数据存储器4个部分;从寻址空间分布可分为:程序存储器、内部数据存储器和外部数据存储器3大部分;从功能上可分为:程序存储器、内部数据存储器、特殊功能寄存器、位地址空间和外部数据存储器5大部分。,图25 MCS51单片机存储器空间结构图(a)程序存储器;(b)内部数据存储器;(c)外部数据存储器,MCS51系列单片机存储器系统空间结构如图25所示,历年试卷,MCS-5
11、1单片机的整个存储器系统是由 和 两部分构成的。MCS-51单片机的程序存储区的最大寻址范围为 字节,字节内数据存储空间的最大寻址范围是 字节,片外数据存储空间的最大寻址范围是 字节。(0707)芯片内存储器 芯片外扩展存储器 64K 256 64K,2.2.2 内部数据存储器 1.内部数据存储器的编址 MCS51系列单片机的内部数据存储器由读写存储器RAM组成,用于存储数据。它由RAM块和特殊功能寄存器(SFR)块组成,其结构如图25(b)所示。2.内部数据存储器RAM块 由图25(b)可见,内部数据存储器RAM块共分为工作寄存器区、位寻址区和数据缓冲区3个部分。,1)工作寄存器区 内部RA
12、M块的00H1FH区,共分4个组,每组有8个工作寄存器R0R7,共32个内部RAM单元。寄存器和RAM地址的对应关系如表25所示。,表25 工作寄存器和RAM地址对照表,工作寄存器共有4组,但程序每次只用1组,其它各组不工作。哪1组寄存器工作由程序状态字PSW中的PSW.3(RS0)和PSW.4(RS1)两位来选择,其对应关系如表26所示。CPU通过软件修改PSW中RS0和RS1两位的状态,就可任选一个工作寄存器工作,这个特点使MCS51单片机具有快速现场保护功能,对于提高程序的效率和响应中断的速度是很有利的。若程序中并不要4个工作寄存器组,那么剩下的工作寄存器组所对应的单元也可以作为一般的数
13、据缓冲区使用。,表26 工作寄存器组的选择表,历年试题,片内RAM的00H1FH为四组通用寄存器的地址,现要选择18H1FH地址单元作为工作寄存器使用,PWS中的RS1、RS0应设置为()A、0 0 B、0 1C、1 0 D、1 1,2)位寻址区 20H2FH单元为位寻址区,这16个单元(共计128位)的每1位都有一个8位表示的位地址,位地址范围为00H7FH,如表27所示。位寻址区的每1位都可当作软件触发器,由程序直接进行位处理。通常可以把各种程序状态标志,位控制变量存于位寻址区内。同样,位寻址的RAM单元也可以按字节操作作为一般的数据缓冲,表27 内部RAM中位地址表,3)数据缓冲区(用户
14、RAM区)30H7FH是数据缓冲区,也即用户RAM区,共80个单元。MCS52子系列片内RAM有256个单元,前两个的单元数与地址都和MCS51子系列一致。用户RAM区从30HFFH,共208个单元。,2.2.3.特殊功能寄存器SFR块 特殊功能寄存器SFR,又称为专用寄存器。它专用于控制、管理单片机内算术逻辑部件、并行I/O口锁存器、串行口数据缓冲器、定时器/计数器、中断系统等功能模块的工作,SFR的地址空间为80HFFH。,表28 特殊功能寄存器名称、标识符、地址一览表,1、专用寄存器简介,(1)程序计数器PC16位计数器,内容为将要执行的指令地址,寻址范围64KB。能自动加1,以实现程序
15、的顺序执行。执行转移、调用、返回等指令能自动改变其内容,以改变程序的执行顺序。PC没有地址,是不可寻址的。,累加器ACC简称累加器A,为一个8位寄存器,它是CPU中使用最频繁的寄存器。进入ALU作算术和逻辑运算的操作数多来自于A,运算结果也常送回A保存,还可用作变址寄存器。使用非常频繁。(3)寄存器B寄存器B是为ALU进行乘除法设置的。,(2)累加器A,CY(PSW.7)进位标志位。AC(PSW.6)辅助进位(或称半进位)标志。F0(PSW.5)由用户定义的标志位。RS1(PSW.4)、RS0(PSW.3)工作寄存器组选择位。OV(PSW.2)溢出标志位。由硬件置位或清零。PSW.1未定义位。
16、P(PSW.0)奇偶标志位。,PSW.7,PSW.0,(4)程序状态字 程序状态字寄存器PSW(8位)是一个标志寄存器,它保存指令执行结果的特征信息,以供程序查询和判别。其程序状态字格式及含义如下:,16位寄存器,唯一一个供拥护使用的16位寄存器,既可以按16位寄存器使用,又可以按8位寄存器使用:DPH 高8位DPL 低8位在访问外部数据存储器时做指针使用变址寻址方式中,用作基址寄存器,用于对程序存储器进行访问,如MOVC A,A+DPTR,(5)数据指针DPTR,历年试卷,MCS-51单片机中唯一一个供用户使用的16位寄存器是,该寄存器在访问外部数据存储器时作为 使用。(0807)外部数据
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- 单片机 芯片 基本 结构 课件
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