单片机硬件介绍课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第 2 章,MCS-51单片机的,硬件结构,2.1 MCS-51 单片机的硬件结构,CPU,运算部件,控制部件,B,RAM,P0口,P2口,ROM,(EPROM),串行口,C/T,中断,系统,SFR,P1口,8,P3口,8,8,8,XTAL,1,XTAL,2,PSEN ALE,EA RESET,Vcc,Vss,按功能可分成,8,个部件，通过片内单一总线连接起来,1.微处理器,2.数据存储器,3.程序存储器,4.I/O口,5.串行口,6.定时/计数器,7.中断系统,8.特殊功能寄存器,控制方式：,SFR,对各功能部件集中控制,片内总线,各功能部件：,1.CPU（微处理器）,2.数据存储器（RAM）,片内为128个字节（52子系列的为256个字节）,3.程序存储器（ROM/EPROM）,8031:,无此部件；,8051:,4K字节R0M；,8751:,4K字节EPROM；,89C51/89C52/89C55:,4K/8K/20K 字节闪存。,4.P1口、P2口、P3口、P0口：,为4个并行8位I/O口。,5.串行口,1个全双工的异步串行口,6.定时器/计数器,7.中断系统,8.特殊功能寄存器（SFR）,共有21个，是一个具有特殊功能的RAM区。,2.2 MCS-51的引脚,40只引脚,双列直插封装（DIP）,44只引脚方形封装方式（4只无用）,引脚逻辑图,8051单片机为40条引脚双列直插式封装,引脚可分为三个部分,控制引脚,并行I/O口引脚,电源及时钟引脚,（1）电源及时钟引脚,:Vcc、Vss；XTAL1、XTAL2。,（2）控制引脚：,PSEN,*,、EA,*,、ALE、RESET,（3）I/O口引脚：,P0、P1、P2、P3，4个8位I/O口,2.2.1 电源及时钟引脚,1电源引脚,（1）Vcc（40脚）,：+5V电源；,（2）Vss（20脚）,：接地。,2时钟引脚,（1）XTAL1（19脚）,：采用外接晶体振荡器时，此引脚应接地。,（2）XTAL2（18脚）,：接外部晶体的另一端。,2.2.2 控制引脚,(1)RST/VPD(9脚),：复位与备用电源,(2)ALE/PROG,*,（30脚）：,第一功能,ALE,：地址锁存允许,第二功能,PROG,*,：,编程脉冲输入端。,(3)PSEN,*,（29脚）：,读外部程序存储器的选通信号。可以驱动8个LS型TTL负载。,(4)EA,*,/VPP(31脚)：EA,*,为内外程序存储器选择控制,EA,*,=1，,访问片内程序存储器，,EA,*,=0，,单片机则只访问外部程序存储器。,第二功能,V,PP,，用于,施加编程电压,。,2.2.3 I/O口引脚,(1),P0口,：,双向,8位三态I/O口，地址总线（低8位）及数据总线分时复用口，可驱动8个LS型TTL负载。,(2),P1口,：8位,准双向,I/O口，可驱动4个LS型TTL负载。,(3),P2口,：8位,准双向,I/O口，与地址总线（高8位）复用，可驱动4个LS型TTL负载。,(4),P3口,：8位,准双向,I/O口，双功能复用口，可驱动4个LS型TTL负载。,注意:,准双向口与双向三态口的差别,。,当3个准双向I/O口作输入口使用时，要向该口先写“1”，另外准双向I/O口无高阻的“浮空”状态。,引脚,转义引脚,功能说明,P3.0,RXD,串行数据接收端,P3.1,TXD,串行数据发送端,P3.2,INT0,外部中断0请求,P3.3,INT1,外部中断1请求,P3.4,T0,计数器0外部输入,P3.5,T1,计数器1外部输入,P3.6,WR,外部数据存储器写,P3.7,RD,外部数据存储器读,2.3 MCS-51的CPU,由,运算器,和,控制器,所构成,2.3.1 运算器,对操作数进行,算术、逻辑运算和位操作,。,1算术逻辑运算单元ALU,2累加器A,使用最频繁的寄存器，,可写为Acc,。,A的作用：,（1）是ALU单元的输入之一，又是运算结果存放单元。,（2）数据传送大多都通过累加器A。,（3）,A,的进位,标志Cy,同时又是,位处理机的位累加器。,3程序状态字寄存器PSW,（1）Cy（PSW.7）,进位标志位,（2）Ac(PSW.6),辅助进位标志位,（,3）F0（PSW.5）,标志位,由用户使用的一个状态标志位。,（4）RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）,：4组工作寄存器区选择控制位1和位0。,工作寄存器区的选择,181FH,3区,1 1,1017H,2区,1 0,080FH,1区,0 1,0007H,0区,0 0,R,0,R,7,地址,寄存器组,RS,1,RS,0,（5）OV（PSW.2）溢出标志位,指示运算是否产生溢出。各种算术运算指令对该位的影响情况较复杂，将在第3章介绍。,（6）PSW.1位,:保留位，未用,（7）P(PSW.0),奇偶标志位,P=1，A中“1”的个数为奇数,P=0，A中“1”的个数为偶数,2.3.2 控制器,1程序计数器PC（Program Counter）,存放下一条要执行的指令在程序存储器中的地址。,基本工作方式：,（1）程序计数器,自动加1,（2）执行,有条件或无条件转移,指令时，程序计数器将被置入新的数值，从而使程序的流向发生变化。,（3）执行,子程序调用或中断调用,时完成下列操作：,PC的当前值保护,将子程序入口地址或中断向量的地址送入PC。,2指令寄存器IR、指令译码器及控制逻辑电路,2.4 MCS-51存储器的结构,哈佛（Har-vard）结构,存储器空间可划分为5类：,1.程序存储器空间,8031无内部程序存储器。,2.内部数据存储器空间,3.特殊功能寄存器,4.位地址空间,211个可寻址位。,5.外部数据寄存器空间,片外可扩展64K字节RAM。,内部数据存储器,（a）,外部数据存储器,（b）,MCS-51单片机存储器空间分配,特,殊,功,能,寄,存,器,00H,1FH,20H,2FH,30H,7FH,80H,FFH,80H,88H,90H,98H,A0H,A8H,B0H,B8H,D0H,E0H,F0H,特殊功能寄存器中位寻址,外部,ROM,内部,ROM,(EA=1),外部,ROM,(EA=0),0000H,0000H,0FFFH,0FFFH,1000H,FFFFH,外 部,RAM,(I/O口,地址),0000H,FFFFH,程序存储器,（c）,工作寄存器区,位寻址区,通用RAM区,返回,2.4.1 程序存储器,存放应用程序和表格之类的固定常数。,分为片内和片外两部分，由EA,*,引脚上所接电平确定,程序存储器中的,0000H,地址是系统程序的启动地址,5个单元具有特殊用途,表2-1 5种中断源的中断入口地址,外中断0 0003H,定时器T0 000BH,外中断1 0013H,定时器T1 001BH,串行口 0023H,2.4.2 内部数据存储器,共,128个字节，,字节地址为00H7FH,。,00H,1FH,：,32,个单元，是,4,组通用工作寄存器区,20H,2FH,：,16,个单元，可进行,128,位的位寻址,30H,7FH,：,用户,RAM,区，只能进行字节寻址，用作数据缓冲区以及堆栈区。,2.4.3 特殊功能寄存器（SFR）,CPU对各种功能部件的控制采用特殊功能寄存器集中控制方式，,共21个,。,有的SFR可进行,位寻址,，其,字节地址的末位是0H或8H,。,表2-2 SFR的名称及其分布,SFR中的某些寄存器,1堆栈指针SP,指示出堆栈顶部在内部RAM块中的位置,复位后，SP中的内容为07H,。,（1）保护断点,（2）现场保护,堆栈,向上生长,2.数据指针DPTR,16位特殊功能寄存器，,高位字节寄存器用DPH表示，低位字节寄存器用DPL表示。,3.I/O端口P0P3,P0P3分别为I/O端口P0P3的锁存器。,4.寄存器B,为执行乘法和除法操作设置的。,在不执行乘、除的情况下，可当作一个普通寄存器来使用。,5.串行数据缓冲器SBUF,存放欲发送或已接收的数据，一个字节地址，物理上是由两个独立的寄存器组成，一个是发送缓冲器，另一个是接收缓冲器。,6.定时器/计数器,两个16位,定时器/计数器,T1,和,T0,，各由两个独立的8位寄存器组成：TH1、TL1、TH0、TL0，只能字节寻址，但不能把T1或T0当作一个16位寄存器来寻址访问。,2.4.4 位地址空间,211个（128个+83个）寻址位,。位地址范围为：00HFFH。,内部RAM的可寻址位,128个,(字节地址20H2FH)见,表2-3（P24）,。,特殊功能寄存器SFR为,83个,可寻址位，见,表2-4（P24）,。,表2-3 内部的可寻址位及位地址,表2-4 SFR中的位地址分布,2.4.5 外部数据存储器,最多可,外扩64K字节,的RAM或I/O,。,几点注意：,(1)地址的重叠性,程序存储器与数据存储器全部64K字节地址空间重叠,程序存储器与数据存储器在使用上是严格区分的,(3),位地址空间共有两个区域,(4),片外与片内数据存储器由指令来区分,(5),片外数据存储区中，,RAM,与,I/O,端口统一编址。,所有外围,I/O,端口的地址均占用,RAM,地址单元，使用与访问外部数据存储器相同的传送指令。,内部数据存储器,（a）,外部数据存储器,（b）,MCS-51单片机存储器空间分配,特,殊,功,能,寄,存,器,00H,1FH,20H,2FH,30H,7FH,80H,FFH,80H,88H,90H,98H,A0H,A8H,B0H,B8H,D0H,E0H,F0H,特殊功能寄存器中位寻址,外部,ROM,内部,ROM,(EA=1),外部,ROM,(EA=0),0000H,0000H,0FFFH,0FFFH,1000H,FFFFH,外 部,RAM,(I/O口,地址),0000H,FFFFH,程序存储器,（c）,工作寄存器区,位寻址区,通用RAM区,返回,多路开关,功能,：用于控制选通,I/O,方式,还是,地址,/,数据输出方式,方式控制,：由内部控制信号产生,输入锁存器,两个输入缓冲器,(,BUF1,和,BUF2),推拉式,I/O,驱动器,2.5 并行I/O端口,共有4个8位双向I/O口，共32口线。每位均有自己的锁存器(SFR)，输出驱动器和输入缓冲器。,2.5.1 P0口位图内部结构,BUF2,BUF1,5、P0R2为,读引脚,信号，执行“MOV A,P0”时该信号有效,6、读引脚（端口）时，输出锁存器应为“1”,说明：,1、当控制信号为0时，P0口做双向I/O口，为漏极开路（三态）,2、控制信号为1时，P0口为地址/数据复用总线（用于口扩展）,3、P0W为端口输出写信号，用于锁存输出状态,4、P0R1为,读锁存器,信号，执行“ANL P0,#0FH”时该信号有效,Q,Q,D,C,Vcc,控制,AD0,P0R1,P0R2,D0,P0W,图1、P0口内部结构,读锁存器,读引脚,锁存器,内部总线,写锁存器,地址/数据,P00,多路开关,1,0,2.5.2 P1口内部结构,P1口内部结构如图2所示,输出部分有内部上拉电阻R*约为20K。,其他部分与P0端口使用相类似（读引脚时先写入1）。,写数据,读端口,2.5.3 P2口内部结构,2、当控制信号为1时,P2口输出地址信息，,此时单片机完成外部的取指操作或对外部数据存储器16位地址的读写操作。,3、当P2口作为普通I/O口使用时,用法和P1口类似。,说明：,1、P2可以作为通用的I/O，也可以作为,高8位地址,输出。,P,0.3,地址锁存器,CB,I/O,A,15,A,14,A,13,A,12,A,11,A,10,A,9,A,8,A,7,A,6,A,5,A,4,A,3,A,2,A,1,A,0,D,7,D,6,D,5,D,4,D,3,D,2,D,1,D,0,DB,AB,P,1.0,P,1.1,P,1.2,P,1.3,P,1.4,P,1.5,P,1.6,P,1.7,RESET,P,3.0,P,3.1,P,3.3,P,3.4,P,3.5,P,3.6,P,3.7,V,SS,V,CC,P,0.0,P,0.1,P,0.2,P,0.5,P,0.6,P,0.7,EA,ALE,PSEN,P,2.7,P,2.6,P,2.5,P,2.4,P,2.3,P,2.2,P,2.1,P,2.0,P,3.2,MCS-51片外总线结构示意图,返回,MCS-51单片机片外总线,P,0.4,返回,单片机,8031,P2.0,P2.1,P2.2,A8,A9,A10,ALE,RD,74LS,373,G,6264,A7,A6,A5,A4,A3,A2,A1,A0,O0,O1,O2,O3,O4,O5,O6,O7,P0.0,P0.1,P0.2,P0.3,P0.4,P0.5,P0.6,P0.7,OE,CE,Q0,Q1,Q2,Q3,Q4,Q5,Q6,Q7,D0,D1,D2,D3,D4,D5,D6,D7,WE,WR,P2.7,P2.3,P2.4,A11,A12,6264,WE,单片机,8031,P2.0,:,.,A8,.,.,ALE,RD,74LS,373,G,A7,.,.,A0,P0.0,:,P0.7,OE,CE,Q0,.,.,Q7,D0,.,.,D7,A12,P2.4,WR,D7,.,.,D0,2.5.4 P3口内部结构,说明：,1、做普通端口使用时，第二功能应为“1”。,2、使用第二功能时，输出端口锁存器应为“1”。,3、变异功能（）,P3.0 TXD P3.4 T0,P3.1 RXD P3.5 T1,P3.2 INT0 P3.6 WR,P3.3 INT1 P3.7 RD,1,输出I/O口,1,读I/O口,1,1,2.5.5 P0P3端口功能总结,使用中应注意的问题：,P0P3口都是并行I/O口，但,P0口和P2口,还可用来构建数据总线和地址总线，所以,电路中有一个MUX,，进行转换。,而,P1口和P3口,无构建系统的数据总线和地址总线的功能，因此，,无需转接开关MUX,。,只有,P0口,是一个真正的,双向口,，,P1P3口,都是,准双向口,。,原因:,P0口作数据总线使用时，为保证数据正确传送，需解决芯片内外的隔离问题，,即只有在数据传送时芯片内外才接通；否则应处于隔离状态。为此，P0口的输出缓冲器应为三态门。,P3口具有第二功能。因此在P3口电路增加了第二功能控制逻辑。这是P3口与其它各口的不同之处,。,2.6 时钟电路与时序,时钟电路用于产生单片机工作所必需的时钟控制信号。,2.6.1 时钟电路,时钟频率直接影响单片机的,速度,，电路的质量直接影响系统的,稳定性,。常用的时钟电路有两种方式：,内部时钟,方式和,外部时钟,方式。,一、内部时钟方式,内部有一个用于构成振荡器的,高增益反相放大器,，其输入端：XTAL1，输出端：XTAL2。,C1,和,C2,典型值通常选择为,30pF,左右。,晶体的振荡频率,在,1.2MHz,12MHz,之间。,某些高速单片机芯片的时钟频率已达,40MHz,。,二、外部时钟方式,常用于多片MCS-51,单片机同时工作。,三、时钟信号的输出,为应用系统中的其它芯片提供时钟，但需增加驱动能力。,2.6.2 机器周期、指令周期与指令时序,一、时钟周期,单片机的,基本时间单位,。,若时钟的晶体的振荡频率为fosc，则时钟周期Tosc=1/fosc。如fosc=6MHz，Tosc=166.7ns。,二、机器周期,CPU,完成一个基本操作所需要的时间,。,执行一条指令分为几个机器周期。每个机器周期完成一个基本操作。MCS-51单片机每,12个时钟周期为一个机器周期，,一个机器周期又分为6个状态,：,S1S6,。,每个状态又分为两拍,：,P1和P2,。因此，,一个机器周期中的12个时钟周期表示为：,S1P1、S1P2、S2P1、S2P2、S6P2。,三、指令周期,执行一条指令时，可分为,取指令阶段,和,指令执行阶段,。,取指令阶段,，,PC中地址送到程序存储器，并从中取出需要执行指令的操作码和操作数。,指令执行阶段,，对指令操作码进行译码，以产生一系列控制信号完成指令的执行。,ALE信号是为地址锁存而定义的,，以时钟脉冲1/6的频率出现，在一个机器周期中，ALE信号两次有效（注意，在执行访问外部数据存储器的指令MOVX时，将会丢失一个ALE脉冲）,8051,X2,X1,Vss,TTL,外接时钟源,Vcc,时钟电路,需外接晶振的频率,1.212MHZ,，,C1,和,C2,取,3010PF,X1,X2,C2,C1,X,8051,振荡电路,S1,S2,S3,S4,S5,S6,S1,S2,P1,P2 P1,P2 P1 P2,P1 P2 P1,P2 P1,P2,P1 P2 P1 P2,f,osc,一个状态周期,一个机器周期,T=12*(1/fosc),X,2,CPU,的时序（时钟周期、状态周期、机器周期）,若外接晶振为12MHz时，则单片机的四个周期的具体值为：,时钟周期,1/12MHz,1/12s,0.0833s,状态周期,1/6s,0.167s,机器周期,1s,指令周期,1,4s,可用于计算指令、程序的执行时间，以及定时器的定时时间,2.7 复位操作和复位电路,2.7.1 复位操作,单片机的初始化操作，摆脱死锁状态。,引脚RST加上,大于2个机器周期（即24个时钟振荡周期）的高电平就可使MCS-51复位。,复位时，PC初始化为0000H,，使MCS-51单片机从0000H单元开始执行程序。,除PC之外，复位操作还对其它一些寄存器有影响，见,表2-6,(P34),。,SP=07H，P0-P3的引脚均为高电平,。,在复位有效期间，,ALE脚,和,PSEN,*,脚,均为高电平，内部RAM的状态不受复位的影响。,MCS-51单片机各寄存器的复位状态,00H,TCON,0000H,PC,00H,TMOD,0,0000B,PCON,0,000000B,IE,不定,SBUF,000000B,IP,00H,SCON,0FFH,P,0,P,3,00H,TH,1,0000H,DPTR,00H,TL,1,07H,SP,00H,TH,0,00H,PSW,00H,TL,0,00H,ACC,复位状态,寄存器,复位状态,寄存器,2.7.2 复位电路,片内复位结构：,上电自动复位,和,按钮复位,最简单的上电自动复位电路:,按键手动复位,，有,电平方式,和,脉冲方式,两种。,电平方式 脉冲方式,经常,不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有,力量,Study Constantly,And You Will Know Everything.The More You Know,The More Powerful You Will,Be,写在最后,感谢聆听,不足之处请大家批评指导,Please Criticize And Guide The Shortcomings,结束语,讲师：,XXXXXX,XX,年,XX,月,XX,日,