单片机结构与原理.ppt

第 3章 单片机结构与原理 教学目的：了解 80C51系列单片机的内部结构、 工作原理 、存储器结构、时序及复位电路等 硬件内容。 教学重点： 1.内部主要组成及工作原理 ； 2.存储器结构特点； 3. I/O 的复用结构 ,及应用特点； 4 .时序及复位电路的作用。 教学难点： 1 .特殊功能寄存器的作用； 2 .堆栈及堆栈指针的作用。 3 1 单片机的典型结构 3. 1. 1 标准型单片机的组成及结 构 T X D R X D0P 1P 2P 3P 数 据地 址 / 中 断 控 制 C P U 振 荡 器 U A R T 串 行 端 口 I / O 端 口 外 部 中 断 源 S P I 串 行 端 口 内 部 中 断 源 内 部 总 线 看 门 狗 定 时 器 2 定 时 器 1 定 时 器 0 计 数 器 输 入 数 据 存 储 器 程 序 存 储 器 总 线 控 制 M O S IM I S O C L K 图 3 1 AT89S51/S52的基本组成功能框图 图 3 2 AT89S51/52内部结构框图 R A M 地 址 寄 存 器 R A M P 0 驱 动 器 P 1 驱 动 器 P 0 锁 存 器 P 1 锁 存 器 R O M B 寄 存 器 暂 存 器 1 暂 存 器 2 A C C S P P S W P 3 锁 存 器 P 3 驱 动 器 P 1 锁 存 器 P 1 驱 动 器 程 序 地 址 寄 存 器 缓 冲 器 P C 增 1 P C 双 D P T R A L U 中 断 、 串 行 口 和 定 时 器 P 0 . 0 P 0 . 7 P 2 . 0 P 2 . 7 P 1 . 0 P 1 . 7 P 3 . 0 P 3 . 7 内 部 总 线 定 时 和 控 制 电 路 指 令 译 码 器 指 令 寄 存 器 I S P 端 口 编 程 逻 辑 V C C G N D P S E N A L E E A R S T 看 门 狗 O S C X T A L 1 X T A L 2 各主要部分的作用 中央处理器（ CPU） 数据存储器（内部 RAM） 程序存储器（内部 ROM） 定时 /计数器 并行 I/O口 串行口 时钟电路 中断系统 3. 1. 2 单片机的引脚定义与功能 1. 主电源引脚 GND和 VCC 2. 时钟电路引脚 XTAL1和 XTAL2 3. 控制信号引脚 RST / VPP ALE/ 4. 输入输出引脚 (P0、 P1、 P2和 P3端口引脚 ) PSEN PSEN PROG EA 3. 2 单片机的工作原理 3 2 1 指令与程序概述 3 2 2 CPU的工作原理 1. 控制器 程序计数器 PC 指令寄存器 指令译码器 2. 运算器 3.2.3 单片机执行程序过程 单片机的工作是执行程序的过程，即逐条执 行指令的过程。计算机每执行一条指令都可分 为三个阶段进行，即取指令，分析指令和执行 指令。 为解决单片机内部各电路单元统一集中管理， 通常采用归一化操作管理寄存器，即单片机中 的 SFR。 采用 SFR操作管理方式后，单片机内各种单 元电路都可按照可编程集成器件的运行管理方 式，通过对 SFR的读写来实现操作管理。 图 3 3 单片机指令执行过程示意图 3 3 80C51的存储器 3 3 1 存储器结构和地址空间 S F R R A M F F 8 0 7 F 0 0 4 K B 程 序 存 储 器 ( E A = 1 ) 0 F F F 0 0 0 0 8 9 S 5 1 片 内 存 储 器 片 外 数 据 存 储 器 F F F F 0 0 6 4 K B R A M ( I / O ) F F 1 0 0 片 外 程 序 存 储 器 6 4 K B R O M ( E A = 0 ) F F F F 0 0 0 0 0 F F F 1 0 0 0 图 3-4 89S51存储空间分布图 80C51系列单片机的存储器在物理结构上可以分为 如下 4个存储空间： 片内程序存储器； 片外程序存储器； 片内数据存储器； 片外数据存储器。 但在逻辑上，即从用户使用的角度上， 80C51系列 有三个存储空间： 片内外统一编址的 64KB的程序存储器地址空间 （用 16位地址）； 片内数据存储器地址空间，寻址范围为 00 FFH； 64KB片外数据存储器地址空间。 3.3.2 程序存储器 1.程序存储器的结构和地址分配 程序存储器 用 16位地址指针 PC和 DPTR，寻址范围为 64kB。可选 择片内程序存储器或片外程序存储器。 片外程序存储器必须通 过并行扩展总线扩展，同时应将片外程序存储器选择引脚 EA接 地；选择片内程序存储器时， EA接高电平。 2.程序存储器的入口地址 0000H： 复位后，程序将自动从 0000H开始执行 80C51有 5个中断源，其相应的入口地址安排在程序存储器的固 定单元，这些入口地址不得随意被其它程序指令占用 ： 0003H：外部中断 0入口。 000BH：定时器 0溢出中断入口。 0013H：外部中断 1入口。 001BH：定时器 1溢出中断入口。 0023H：串行口中断入口。 002BH：定时器 2溢出中断入口。只有 AT89S52/C52有） 3.3.3 数据存储器 1片内数据存储器的结构及操作 片内数据存储器采用 8位地址指针，寻址范围为 256 B，分为两 部分 :00H 7FH为可直接寻址和间接寻址空间； 80H FFH直接寻址 的空间为 SFR空间，不能作数据存储器用。 对于 AT89C52/S52还有 一块 只能间接寻址的 地址为 80H FFH的 数据存储器 。 2低 128字节 RAM 通用工作寄存器区 位寻址区 用户 RAM区 3片外数据存储器的结构及操作 片外数据存储器和外围扩展电路统一编址，可寻址范围为 64 KB。 片外数据存储器寻址空间的数据传送使用专门的 MOVX指令。片外 数据存储器只能和累加器 A交换数据，通过地址指针 DPTR或工作寄 存器 Ri间接寻址。 用 户 R A M 区 位 寻 址 区 （ 位 地 址 0 0 H 7 F H ） 用 户 R A M 区 （ 仅 8 9 S 5 2 有 ） 第 3 组 工 作 寄 存 器 区 R 0 R 7 第 2 组 工 作 寄 存 器 区 R 0 R 7 第 1 组 工 作 寄 存 器 区 R 0 R 7 第 0 组 工 作 寄 存 器 区 R 0 R 7 F F H 8 0 H 7 F H 3 0 H 2 F H 2 0 H 1 F H 1 8 H 1 7 H 1 0 H 0 F H 0 8 H 0 7 H 0 0 H F F H F 0 H E 0 H D 0 H C D H C C H C B H C A H C 9 H C 8 H B 8 H B 0 H A 8 H A 6 H A 0 H 9 9 H 9 8 H 9 0 H 8 D H 8 C H 8 B H 8 A H 8 9 H 8 8 H 8 7 H 8 5 H 8 4 H 8 3 H 8 2 H 8 1 H 8 0 H B A C C P S W T H 2 * T L 2 * R C A P 2 H * R C A P 2 L * T 2 M O D * T 2 C O N * I P P 3 I E W D T R S T P 2 S B U F S C O N P 1 T H 1 T H 0 T L 1 T L 0 T M O D T C O N P C O N D P 1 H D P 1 L D P H D P L S P P 0 专 用 寄 存 器 区 S F R 图 3-5片内数据存储器的配置 3.3.4 特殊功能寄存器 SFR 80C51单片机中，在片内 RAM的 80H FFH 空间建立了集中的特殊功能寄存器 SFR空 间，通过该空间的 SFR实现对 80C51系列 单片机内部资源的运行管理操作、位地 址空间的操作等。这种集中的、归一化 操作管理寄存器的模式是单片机内部资 源操作管理的重要方式。 访问这些专用寄存器仅允许使用直接寻 址的方式。 1. 部分专用寄存器 介绍 1) 程序状态字寄存器 PSW C AC F0 RS1 RS0 OV F1 P PSW的各位简要说明如下： C为进位标志 ， AC为半进位标志 ， F0 、 F1为用户 标志 ， RS1和 RS0为当前工作寄存器组的选择位 ， OV 是溢出标志位 ， P是奇偶标志位 。 2)AC 3)DPTR 4)SP堆栈指针 堆栈操作 ：程序设计中通过堆栈指针 SP可任意 设置堆栈栈底 。 堆栈操作过程见图 3 6。 图 3-6 堆栈和堆栈指针示意图 2 SFR的位寻址与字节寻址 80C51中可位寻址 SFR的直接地址为 OH或 8H，相邻 的 8个地址号依次作为相应的 8个位地址号。 例如： P1口的口地址是 90H（字节地址），而位地址 90H是 P1.0，位地址 91H是 P1.1等等依次类推 。 3. SFR的复位状态 I O口 （ P0、 P1、 P2、 P3） 各位为 FFH状态 ， 即准双向 I O口的输入状态 。 堆栈指针 SP=07H， 即堆栈底为片内 RAM的 07H单元 。 除上述 SFR外 ， 其余 vSFR的 复位状态 大部分为零或为随机 数 。 3 4 输入输出端口结构 3.4.1 P0口 1.P0口位电路结构 2.工作原理 1） P0作为一般 I O口 2） P0口作为地址数 据总线 图 3-7 P0口某位结构 3.4.2 P1口 1.P1口位电路结构 2.工作原理 P1口作输出 P1口作为输入 图 3-8 P1口某位结构 3.4.3 P2口 1.P2口位电路结构 2.工作原理 P2口作输出 ,可作 为高 8位地址线 1） P2口作为输入 2）作通用 I/O口 图 3-9 P2口某位结构 3.4.4 P3口 1 P3口位电路结构 2. 工作原理 1） 作为通用 I/O 2）作为第 2功能引脚 图 3-10 P3口某位结构 3.4.5读引脚与读端口操作 1.读端口操作 在 CPU发出读端口指令时，锁存器的值首先通 过读锁存器输入缓冲器进入内部总线，待该值 修改后，又重新写到锁存器中。这类指令称为 “ 读改写 ” 操作的指令 . 2.读引脚操作 当需要读引脚时，必须先由指令或通过复位置 端口锁存器为 1，使端口输出 FET截止，然后再 发读引脚指令。 3.4.6 4个 I 0端口的主要异同点 1 .主要相同点 1）锁存器加引脚的典型结构 2） I/O 的复用结构 I/O 端口的总线复用 I/O 端口的功能复用 2 .主要不同点 1） P1 P3为准双向口结构 在对准双向口操作时，一定要先向锁存器写 “ 1”， 然后才能正确读入引脚状态。 2）驱动能力不同 3）功能不同 3. 5 CPU时序及时钟电路 3.5.1 CPU时序及有关概念 1. 时钟周期 2机器周期 3. 指令周期 图 3-11基本定时时序关系 S 1 S 2 S 3 S 4 S 5 S 6 S 1 S 2 S 3 S 4 S 5 S 6 S 1 P 1 P 2 P 1 P 2 P 1 P 2 P 1 P 2 P 1 P 2 P 1 P 2 P 1 P 2 P 1 P 2 P 1 P 2 P 1 P 2 P 1 P 2 P 1 P 2 P 1 P 2 机 器 周 期 1 （ 取 指 令 、 译 码 ） 机 器 周 期 2 （ 取 操 作 数 、 执 行 ） 指 令 周 期 1.振荡器和时钟电路原理 3.5.2 振荡器和时钟电路 X T A L 1 X T A L 2 P D 2 Q Q 3 6 A L E 机 器 周 期 状 态 时 钟 时 钟 发 生 器 f O S C 400 R f P 1 P 2 振 荡 器 8 0 C 5 1 图 3-12 振荡器工作原理 2. 时钟电路接法 晶 振 X T A L 1 X T A L 2 8 0 C 5 1 V S S 外 部 时 钟 N C X T A L 1 X T A L 2 8 0 C 5 1 V S S 图 3-13内部时钟方式 图 3-14外时钟源接法 3.5.3 80C51的指令时序 图 3-15 80C51典型指令的取指令时序 3 6 复位和复位电路 复位是单片机的初始化操作，单片机在启动运行时， 都需要先复位，它的作用是使 CPU和系统中其他部 件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始 工作。 3.6.1 内部复位信号的产生 内 部 复 位 电 路 8 9 S 5 1 施 密 特 触 发 器 R S T / V P D 图 3-16复位电路原理图 3.5.2 复位状态 复位后， PC初始化为 0，于是单片机自动 从 0单元开始执行程序。复位后片内各专 用寄存器的状态如表 3-9所示 ,表中 X为不 定数 。 3.6.3 外部复位电路设计 （ a） 上电复位 （ b）按键脉冲复位 （ c）按键电平复位 图 3-17 复位电路 3 7 80C51系列单片机的低功耗方式 3.7.1 电源控制寄存器 PCON (87H) D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 SMOD GF1 GF0 PD IDL 其各位作用如下： （ l） SMOD：波特率倍增位。在串行口工作方式 1、 2或 3下， SMOD 1使波特率加倍 （详见第 7章）。 （ 2） GF1和 GF0：通用标志位。用户用软件置、复位。 （ 3） PD：掉电方式位。若 PD 1，进入掉电工作方式。 （ 4） IDL:待机方式位。若 IDL 1，进入待机工作方式。 3.7.2 待机方式 1待机方式的工作特点 2单片机进入待机方式的方法 向 PCON中写一个字节，使 IDL 1 3单片机终止待机方式的方法 通过硬件复位 通过中断方法 3.7.3 掉电方式 1掉电方式的工作特点 2单片机进入掉电方式的方法 向 PCON中写一个字节，使 PD 1 3单片机退出掉电方式的方法 硬件复位