【大学课件】单片机原理与接口技术 80C51 单片机的硬件结构.ppt
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1、第2章 80C51 单片机的硬件结构,2.1 单片机的概念2.2 80C51单片机的逻辑结构及信号引脚2.3 80C51单片机的内部存储器2.4 80C51 单片机的并行I/O口2.5 80C51 单片机的时钟与定时2.6 80C51 单片机的系统复位2.7 单片机低功耗工作模式,http:/,2.1 单片机的概念,单片微型计算机SCMC(Single Chip Micro-Computer),是计算机、自动控制和大规模集成电路相结合的产物。还有其他的称呼,如:微控制器(MCU),嵌入式微控制器(EMCU),嵌入式微处理器(EMP)等。目前使用最多的仍是8位单片机。在8位单片机中80c51的使
2、用更为广泛。本教材也是以80c51为基础。,http:/,2 单片机的特点:(1)小巧灵活、成本低、易于产品化。能组装成各种智能式测控设备及智能仪器仪表。(2)可靠性好,应用范围广。单片机芯片本身是按工业测控环境要求设计的,抗干扰性强,能适应各种恶劣的环境,这是其他机种无法比拟的。(3)易扩展,很容易构成各种规模的应用系统,控制功能强。单片机的逻辑控制功能很强,指令系统有各种控制功能指令,可以对逻辑功能比较复杂的系统进行控制。(4)具有通讯功能,可以很方便地实现多机和分布式控制,形成控制网络和远程控制。,http:/,3单片机的应用(1)工业方面:各种测控系统。数据采集系统,工业机器人,智能化
3、仪器,机、电一体化产品。(2)智能仪器仪表方面。(3)通讯方面:调制解调器、程控交换技术等。(4)消费产品方面:电动玩具、录像机、激光唱机。(5)导弹与控制方面:导弹控制、鱼雷制导控制、智能武器装备、飞机导航系统。(6)计算机外部设备及电器方面:打印机、硬盘驱动器、彩色与黑白复印机、磁带机等。(7)多机分布式系统:可用单片机构成分布式测控系统,它使单片机应用进入了一个全新的阶段。(测控系统,智能仪表,智能玩具,计算机外设),http:/,4.典型单片机产品简介(1)MCS-51单片机系列 MCS-51可分为两个子系列和4种类型,按资源的配置数量,MCS-51系列分为51和52两个子系列,其中5
4、1子系列是基本型,而52子系列属于增强型。,http:/,80C51与8051的比较(1)MCS-51系列芯片采用HMOS工艺,而80C51芯片则采用CHMOS工艺。CHMOS工艺是CMOS和HMOS的结合,(2)80C51芯片具有CMOS低功耗的特点。例如8051芯片的功耗为630mW,而80C51的功耗只有120mW。(3)80C51在功能增加了待机和掉电保护两种工作方式,以保证单片机在掉电情况下能以最低的消耗电流维持。(4)此外,在80C51系列芯片中,内部程序存储器除了ROM型和EPROM型外,还有E2PROM型,例如89C51就有4KB E2PROM。并且随着集成技术的提高,80C5
5、1系列片内程序存储器的容量也越来越大,目前已有64KB的芯片了。另外,许多80C51芯片还具有程序存储器保密机制,以防止应用程序泄密或被复制。,http:/,(2)MCS-96系列单片机 MCS-96系列单片机是Intel公司在1983年推出的16位单片机,它与8位机相比,具有集成度高、运算速度快等特点。它的内部除了有常规的I/O接口、定时器计数器、全双工串行口外,还有高速I/O部件、多路AD转换和脉宽调制输出(PWM)等电路,其指令系统比MCS-51更加丰富。,(3)ATMEL公司单片机 ATMEL公司于1992年推出了全球第一个3V超低压F1ash存储器,并于1994年以E2PROM技术与
6、Intel公司的80C31内核进行技术交换,从此拥有了80C31内核的使用权,并将ATMEL特有的Flash技术与80C31内核结合在一起,生产出AT89C51系列单片机。,http:/,2.2 80C51单片机的逻辑结构及信号引脚,2.2.1 80C51单片机的内部逻辑结构1.中央处理器CPU(1)运算电路(2)控制电路 2.内部数据存储器 3.内部程序存储器 4.定时器/计数器 5.并行I/O口 6.串行口 7.中断控制电路 8.时钟电路 9.位处理器 10.内部总线,http:/,80C51芯片逻辑结构图,http:/,1.CPU CPU即中央处理器的简称,是单片机的核心部件,它完成各种
7、运算和控制操作,CPU由运算器和控制器两部分电路组成。(1)运算器电路 运算器电路包括ALU(算术逻辑单元)、ACC(累加器)、B寄存器、状态寄存器、暂存器1和暂存器2等部件,运算器的功能是进行算术运算和逻辑运算。,http:/,(2)控制器电路 控制器电路包括程序计数器PC、PC加1寄存器、指令寄存器、指令译码器、数据指针DPTR、堆栈指针SP、缓冲器以及定时与控制电路等。控制电路完成指挥控制工作,协调单片机各部分正常工作。2.存储器 80C51单片机的存储器包括数据存储器和程序存储器,其主要特点是程序存储器和数据存储器的寻址空间是相互独立的,物理结构也不相同。内部数据存储器包括RAM和RA
8、M地址寄存器,内部数据存储器一般指前128个单元,高128个用于专用寄存器。内部程序存储器包括ROM和ROM地址寄存器,80C51有4kROM存放程序。,http:/,3.定时器/计数器 MCS51单片机片内有两个16位的定时/计数器,即定时器0和定时器1。它们可以用于定时控制、延时以及对外部事件的计数和检测等。4.并行I/O口 80C51单片机共有4个8位的I/O口(P0、P1、P2和P3),每一条I/O线都能独立地用作输入或输出。5.串行I/O口 80C51单片机具有一个采用通用异步工作方式的全双工串行通信接口,可以同时发送和接收数据。,http:/,6.中断控制系统 80C51共有5个中
9、断源,即外中断2个,定时/计数中断2个,串行中断1个。7.时钟电路 80C51芯片内部有时钟电路,但晶体振荡器和微调电容必须外接。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列,振荡器的频率范围为1.2MHz33MHz,典型取值为6MHz。8.总线 以上所有组成部分都是通过总线连接起来,从而构成一个完整的单片机。系统的地址信号、数据信号和控制信号都是通过总线传送的,总线结构减少了单片机的连线和引脚,提高了集成度和可靠性。,http:/,2.2.2 80C51单片机的封装与信号引脚,1.芯片封装形式 图2.2为MCS51系列单片机引脚图及逻辑符号,它们为标准的40脚DIP封装。,http:/,1.输入输出口线
10、 P0口(P0.0P0.7):该端口为漏极开路的8位准双向口,它为8位地址线和8位数据线的复用端口。P1口(P1.0P1.7):它是一个内部带上拉电阻的8位准双向I/O口,P1口的驱动能力为4个LSTTL负载。P2口(P2.0P2.7):它为一个内部带上拉电阻的8位准双向I/O口,P2口的驱动能力也为4个LSTTL负载。在访问外部程序存储器时,它作存储器的高8位地址线。P3口(P3.0P3.7):P3口同样是内部带上拉电阻的8位准双向I/O口,P3口除了作为一般的I/O口使用之外,其还具有特殊功能。,2.芯片引脚介绍,http:/,地址锁存允许信号ALE 系统扩展时,ALE用于控制地址锁存器锁
11、存P0口输出的低8位地址,从而实现数据与低位地址的复用。此外,ALE是以六分之一晶振频率的固定频率输出的正脉冲,可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。,http:/,外部程序存储器读选通信号/PSEN是读外部程序存储器的选通信号,低电平有效。访问程序存储器控制信号 当为高电平时,CPU执行片内程序存储器指令,但当PC中的值超过0FFFH时,将自动转向执行片外程序存储器指令。当为低电平时,CPU只执行片外程序存储器指令。复位信号RST 该信号高电平有效,在输入端保持两个机器周期的高电平后,就可以完成复位操作。,http:/,时钟电路引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1:接外部晶振和微调电容的一端,
12、在片内它是振荡器倒相放大器的输入,若使用外部时钟时,该引脚外部时钟的输入端。XTAL2:接外部晶振和微调电容的另一端,在片内它是振荡器倒相放大器的输出,若使用外部时钟时,该引脚必须悬空。电源引脚Vcc和Vss Vcc:电源端,接5V。Vss:接地端。,http:/,“复用”即给一些信号引脚赋予双重功能。第二功能信号定义主要集中在P3口线中,另外再加上几个其它信号线。EPROM存储器程序固化所需要的信号 编程脉冲:30脚(ALE/PROG)编程电压(25V):31脚(EA/Vpp)备用电源引入 备用电源是通过9脚(RST/VPD)引入的。当电源发生故障,电压降低到下限值时,备用电源经此端向内部R
13、AM提供电压,以保护内部RAM中的信息不丢失。,3.芯片引脚的第二功能,http:/,P3口还具有第二功能,其引脚描述如表2.1。表2.1 P3口线的第二功能,http:/,(2)引脚复用不会引起混乱 第一功能与第二功能是不同工作方式下的信号,不会发生使用上的矛盾。说明:P3口线先按需要优先选用它的第二功能,剩下不用 的才作为I/O口线使用。,http:/,2.3 80C51单片机的内部存储器,ROM:存放程序或者始终要保留的数据(表格数据)。RAM:用来存放程序运行中所需要的常数和变量,全局数据也存放在RAM里。,http:/,一般来说,单片机芯片的内部包括数据存储器和程序存储器,先介绍数据
14、存储区。单片机的数据存储器共个单元,划分为两部分:低单元区和高单元区,如图.所示,图2.3 80C51 内部数据存储器配置图,http:/,2.3.1 内部数据存储器低128单元区,的内部数据存储器低128单元区,称为内部,地址为按用途划分为三个区。1、寄存器区 内部RAM的前32个单元作为通用(工作)寄存器使用,地址为00H1FH。分为4组,组号依次为0、1、2、3,每 组有8个寄存器:R7R0。任一时刻,cpu只能使用其中的一组寄存器,称为当前工作寄存器组,由程序状态字寄存器PSW中的RS1,RS0位的组合来决定。没有选中的单元也可作为一般的数据缓存使用。系统上电复位时,默认选中第0组寄存
15、器。,寄存器:1、可用8位地址寻址;2、在指令中既可用名称表示,也可以使用单元地址表示。,http:/,2、位寻址区在工作寄存器后的16个数据单元(20H2FH),它们既可以作为一般的数据单元使用,又可以按位对每个单元进行操作,因此这16个数据单元又称作位寻址区。位寻址区共计128位,其位地址为00H7FH。,位地址的表示方式:1 位地址的形式;2 存储单元地址加位的形式。,http:/,3.用户RAM区 在内部RAM的低128个单元中,剩余的80个数据单元即30H7FH为真正的用户RAM区,对于这些区域,用户只能以存储单元的形式来使用,通常在应用中也把堆栈开辟在这段区域。,http:/,2.
16、3.2 内部数据存储器高128单元区,内部数据存储器的高128个单元是为专用寄存器提供的,因此该区也称作特殊功能寄存器区(SFR),它们主要用于存放控制命令、状态或数据。除去程序计数器PC外,还有21个特殊功能寄存器,其地址空间为80HFFH。这21个寄存器中有11个特殊功能寄存器具有位寻址能力,它们的字节地址刚好能被8整除。下面将对部分专用寄存器作简要介绍。,http:/,(1)累加器A(或ACC-ACCumulator)累加器为8位寄存器,是程序中最常用的专用寄存器,在指令系统中累加器的助记符为A。存放操作数。大部分单操作数指令的操作取自累加器,很 多双操作数指令的一个操作数也取自累加器。
17、运算结果的暂存单元。加、减乘和除等算术运算指令的运 算结果都存放在累加器A或AB寄存器中。数据传送的中转站。在变址寻址方式中累加器被作为变址寄存器使用 在MCS51中由于只有一个累加器,而单片机中的大部分数据操作都是通过累加器进行的,故累加器的使用是十分频繁的。,1.专用寄存器简介,http:/,(2)B寄存器(B register)B寄存器为8位寄存器,主要用于乘除指令中。乘法指令的两个操作数分别取自累加器A和寄存器B,其中B为乘数,乘法结果的高8位存放于寄存器B中。除法指令中,被除数取自A,除数取自B,除法的结果商数存放于A,余数存放于B中。在其它指令中,B寄存器也可作为一般的数据单元来使
18、用。(3)程序状态字(PSW-Program Status Word)程序状态字是一个8位寄存器,用于寄存指令执行的状态信息。在状态字中,有些位状态是根据指令执行结果,由硬件自动完成设置的,而有些状态位则必须通过软件方法设定。PSW中的每个状态位都可由软件读出,PSW的各位定义如下。,http:/,CY(PSW.7)-进位标志位 在执行某些算术和逻辑指令时,可以被硬件或软件置位或清零。在算术运算中它可作为进位标志(加法进位,减法借位,在位操作(在位传送、位与、位或等)中作累加器使用,移位操作中用于构成循环移位通路),http:/,AC(PSW.6)-辅助进位标志位(半进位标志位)进行加法或减法
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