单片机原理与接口技术

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,*,单片机原理与接口技术,电子教案,重庆工商职业学院,第二章,单片机芯片的硬件结构,内容提要,本章以,80C51,为例讲述,MCS-51,系列单片机芯片的硬件结构，其中包括信号引脚、存储器结构、输入输出口电路结构、时钟电路与时序等基本内容。,学习要求,掌握单片机芯片的内部组成及存储器结构，理解单片机时钟电路与时序，输入输出口和引脚的使用，一般了解单片机的工作方法。,图 21,MCS-51,单片机系统结构框图,2.1 MCS-51,单片机的逻辑结构及信号引脚,一、,MCS-51,单片机系统结构框图,二、,MCS-51,单片机芯片内部逻辑结构,图,22,MCS-51,单片机芯片内部结构框图,2.1 MCS-51,单片机的逻辑结构及信号引脚,中央处理器,(CPU),中央处理器,(CPU),是整个单片机的核心部件，是,8,位数据宽度的处理器，能处理,8,位二进制数据或代码，,CPU,负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。,内部数据存储器,(RAM),8051,内部有,128,字节数据存储器,(RAM),和,21,个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器有专门的用途，通常用于存放控制指令数据，不能用作用户数据的存放，用户能使用的,RAM,只有,128,个字节，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。,内部程序存储器,(ROM),8051,共有,4K,字节程序存储器,(ROM),，用于存放用户程序和数据表格。,2.1 MCS-51,单片机的逻辑结构及信号引脚,各组成部分介绍如下：,二、,MCS-51,单片机芯片内部逻辑结构,2.1 MCS-51,单片机的逻辑结构及信号引脚,定时,/,计数器,8051,有两个,16,位的可编程定时,/,计数器，以实现定时或计数，当定时,/,计数器产生溢出时，可用中断方式控制程序转向。,并行输入输出,(I/O),口,8051,共有,4,个,8,位的并行,I/O,口,(P0,、,P1,、,P2,、,P3),，用于对外部数据的传输。,串行口,8051,内置一个全双工异步串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。,中断控制系统,8051,具备较完善的中断功能，有五个中断源（两个外中断、两个定时,/,计数器中断和一个串行中断），可基本满足不同的控制要求，并具有,2,级的优先级别选择。,二、,MCS-51,单片机芯片内部逻辑结构,2.1 MCS-51,单片机的逻辑结构及信号引脚,时钟电路,8051,内置最高频率达,12MHz,的时钟电路，用于产生整个单片机运行的时序脉冲，但需外接晶体振荡器和振荡电容。,位处理器,又称为布尔处理器，以状态寄存器中的进位标志位,C,为累加位，可进行置位、复位、取反、等于,0,转移等位操作。位处理操作是通过运算器实现的。,总线,以上部件都是通过总线连接起来，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。,二、,MCS-51,单片机芯片内部逻辑结构,2.1 MCS-51,单片机的逻辑结构及信号引脚,1.,信号引脚介绍,输入输出口线,P,0.0, P,0.7,：,P,0,口,8,位双向口线,P,1.0, P,1.7,：,P,1,口,8,位双向口线,P,2.0, P,2.7,：,P,2,口,8,位双向口线,P,3.0, P,3.7,：,P,3,口,8,位双向口线,ALE,：地址锁存控制信号，提供,1/6,晶振频率,：外部程序存储器读选通信号,：访问,程序存储器,控制信号,RST,：复位信号,XTAL1,、,XTAL2,：外接晶体引线端,Vss,：地线,Vcc,：,5V,电源,三、,MCS-51,单片机的信号引脚,80C51,是标准的,40,引脚双列直插式集成电路芯片。,2.1 MCS-51,单片机的逻辑结构及信号引脚,2.,信号引脚的第二功能,引脚,“,复用,”,，即给一些信号引脚赋予双重功能。,P,3,口线的第二功能,三、,MCS-51,单片机的信号引脚,EPROM,存储器程序固化所需要的信号,ALE/PROG,：编程脉冲,/VPP,：编程电压（,25V,）,备用电源引入,RST/VPD,：,两个机器周期高电平,表,2-1 P3,口线的第二功能,图,2,3 80C51,内部数据,存储器配置图,2.2 MCS-51,单片机的内部存储器,2.2 MCS-51,单片机的内部存储器,一、内部数据存储器低,128,单元,单元地址：,00H,7FH,，供用户使用的数据存储器单元，又称为 内部,RAM,。,1.,寄存器区,单元地址：,00H,1FH,，分为,4,组，每组,8,个寄存器，称为通用寄存器。 任一时刻,CPU,只能使用其中的一组寄存器，是由程序状态字寄存器,PSW,中,RS,1,，,RS,0,位的状态组合来决定。,2.,用户,RAM,区,单元地址：,30H,7FH,，只能以存储单元的形式来使用，一般应用中常把堆栈开辟在此区中。,2.2 MCS-51,单片机的内部存储器,3.,位寻址区 单元地址：,20H,2FH,，既可作为一般,RAM,单元使用，进行字节操作，也可以对单元中的每一位进行位操作。,表,2,2,内部,RAM,位寻址区的位地址,一,.,内部数据存储器低,128,单元,2.2 MCS-51,单片机的内部存储器,二、内部数据存储器高,128,单元,单元地址：,80H,FFH,，用于存放相应功能部件的控制命令、状态或数据。称为专用寄存器（,SFR,），又称为特殊功能寄存器。,符号,单元地址,名称,位地址,符号,地址,*,A,E0H,累加器,ACC.7ACC.0,E7HE0H,*,B,F0H,乘法寄存器,B.7B.0,F7HF0H,*,PSW,D0H,程序状态字,PSW.7PSW.0,D7HD0H,SP,81,H,堆栈指针,DPL,82,H,数据存储器指针(低8位),DPH,83,H,数据存储器指针(高8位),*,IE,A8H,中断允许控制器,IE.7IE.0,AFHA8H,*,IP,B8H,中断优先控制器,IP.7IP.0,BFHB8H,*,P,0,80,H,通道0,P,0.7,P,0.0,87,H80H,*,P,1,90,H,通道1,P,1.7,P,1.0,97,H90H,*,P,2,A0H,通道2,P,2.7,P,2.0,A7HA0H,*,P,3,B0H,通道3,P,3.7,P,3.0,B7HB0H,PCON,87,H,电源控制及波特率选择,*,SCON,98,H,串行口控制,SCON.7SCON.0,9,FH98H,SBUF,99,H,串行数据缓冲器,*,TCON,88,H,定时控制,TCON.7TCON.0,8,FH88H,TMOD,89,H,定时器方式选择,TL,0,8,AH,定时器0低8位,TL,1,8,BH,定时器1低8位,TH,0,8,CH,定时器0高8位,TH,1,8,DH,定时器1高8位,表,2-3,专用寄存器位地址表,说明：表中*表示可以位寻址的寄存器,2.2 MCS-51,单片机的内部存储器,三、,MCS-51,的堆栈操作,栈是一种存储结构。,LIFO：,先进后出，后入先出。,压栈：将数据存放到栈的顶部。,出栈：将栈顶的数据取出。,SP：,栈指针，指向栈顶所在的单元，复位时的初值为07,H。,作用：用来保护现场，主要用于中断和子程序调用中。,图,2-4,堆栈结构示意图,2.2 MCS-51,单片机的内部存储器,四、内部程序存储器,图,2-5,内部程序存储器,地址单元：0000,H-0FFF,，共有,4K,的寻址空间。,特殊区间（中断入口表）,0003,H,000AH,外部中断0中断地址区,000,BH,0012H,定时/计数器0中断地址区,0013,H,001AH,外部中断1中断地址区,001,BH,0022H,定时/计数器1中断地址区,0023,H,002AH,串行中断地址区,0003,H,002AH,0000,H,0,FFFH,2.2 MCS-51,单片机的内部存储器,五、,MCS-51,单片机系统的存储器结构特点,一是把数据存储器和程序存储器截然分开；二是存储器有内外之分。,图,2-6 80C51,单片机系统的存储器结构和存储空间分配,2.3 MCS-51,单片机并行输入输出口电路,一、,P,0,口,P,0,口的字节地址为,80H,，位地址为,80H,87H,，口的各位口线具有完全相同但又相互独立的逻辑电路。,图,2-7 P,0,口电路逻辑,2.3 MCS-51,单片机并行输入输出口电路,二、,P,1,口,P,1,口的字节地址为,90H,，位地址为,90H,97H,，只能作为通用,I/O,口使用，是准双向口。,图,2-8 P,1,口电路逻辑,2.3 MCS-51,单片机并行输入输出口电路,三、,P,2,口,P,2,口的字节地址为,0A0H,，位地址为,0A0H,0A7H,，只能作为地址线使用而不作为数据线使用，是准双向口。,图,2-9 P,2,口电路逻辑,2.3 MCS-51,单片机并行输入输出口电路,四、,P,3,口,P,3,口的字节地址为,0B0H,，位地址为,0B0H,0B7H,，最重要的使用是作为第二功能信号使用。,图,2-10 P,3,口电路逻辑,2.4 MCS-51,单片机时钟电路与时序,一、时钟电路,时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号。,1,内部振荡方式,MCS-51,单片机片内有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚,XTAL1,和,XTAL2,分别是此放大器的输入端和输出端。把放大器与作为反馈元件的晶体振荡器或陶瓷谐振器连接，就构成了内部自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。,XTAL,2,XTAL,1,MCS-51,C,1,C,2,CYS,图,2-11,内部振荡方式,2.4 MCS-51,单片机时钟电路与时序,一、时钟电路,2,外部振荡方式,外部振荡方式就是把外部已有的时钟信号引入单片机内。,XTAL,2,XTAL,1,MCS-51,+5V,V,SS,TTL,外部时钟源,图,2-12,外部振荡方式,2.4 MCS-51,单片机时钟电路与时序,二、时序定时单位,P,1,P,2,S,1,P2,振荡周期,时钟周期,机器周期,机器周期,指令周期,XTAL,2,(OSC),S,2,S,3,S,4,S,5,S,6,S,1,S,2,S,4,S,5,S,3,S,6,P,1,P,1,P,1,P,1,P,1,P,1,P,1,P,1,P,1,P,1,P,1,P,2,P,2,P,2,P,2,P,2,P,2,P,2,P,2,P,2,P,2,P,2,图,2-13 MCS-51,单片机各种周期的相互关系,振荡周期、时钟周期、机器周期和指令周期,1,振荡周期：为单片机提供时钟信号的振荡源的周期。,2,时钟周期：是振荡源信号经二分频后形成的时钟脉冲信号。,3,机器周期：通常将完成一个基本操作所需的时间称为机器周期。,4,指令周期：是指,CPU,执行一条指令所需要的时间。一个指令周期通常含有,1,4,个机器周期。,若,MCS-51,单片机外接晶振为,12MHz,时，则单片机的四个周期的具体值为：,振荡周期,1/12MHz,1/12s,0.0833s,时钟周期,1/6s,0.167s,机器周期,1s,指令周期,1,4s,2.4 MCS-51,单片机时钟电路与时序,二、时序定时单位,2.4 MCS-51,单片机时钟电路与时序,三、典型指令时序,再读下一条指令,再读下一条指令,XTAL,2,(OSC),P,2,S,1,ALE,读操作码,读下一个操作码（丢弃）,读第二字节,（,a,）,单字节，单周期指令 例：,MOV A R1,（,d,）,单字节，双周期指令，如,MOVX,P,1,P,2,S,1,P,1,P,2,S,2,P,1,P,2,S,3,P,1,P,2,S,4,P,2,S,5,P,2,S,6,P,2,S,1,P,1,P,1,P,1,P,1,P,2,S,2,P,1,P,2,S,3,P,1,P,2,S,4,P,1,P,2,S,5,P,2,S,6,P,2,S,1,S,2,P,1,P,1,P,1,P,1,P,2,S,2,P,1,P,2,S,3,P,1,P,2,S,4,P,1,P,2,S,5,P,1,P,2,S,6,P,1,P,2,S,1,P,1,P,2,S,1,读操作码,P,1,P,2,S,2,P,1,P,2,S,3,P,1,P,2,S,4,P,1,P,2,S,5,P,1,P,2,S,6,P,1,P,2,S,1,P,1,读下一个操作码（丢弃）,（,b,）,双字节，单周期指令 例：,ADD A dir,（,c,）,单字节，双周期指令 例：,INC DPTR,读操作码（,MOVX,）,读下一个操作码（丢弃）,无取指无,ALE,无取指,地址,数据（,DATA,）,访问外部存储器,P,2,S,1,读操作码,P,1,P,2,S,2,P,1,P,2,S,3,P,1,P,2,S,4,P,1,P,2,S,5,P,1,P,2,S,6,P,1,P,2,S,1,P,1,P,2,S,2,P,1,P,2,S,3,P,1,P,2,S,4,P,1,P,2,S,5,P,1,P,2,S,6,P,1,P,2,S,1,P,1,P,2,S,2,P,1,P,2,S,1,P,1,P,2,S,2,P,1,P,2,S,3,P,1,P,2,S,4,P,1,P,2,S,5,P,1,P,2,S,6,P,1,P,2,S,1,P,1,P,2,S,2,P,1,P,2,S,3,P,1,P,2,S,4,P,1,P,2,S,5,P,1,P,2,S,6,P,1,P,2,S,1,P,1,P,2,S,2,P,1,图,2-14 MCS-51,单片机指令时序,1.,单字节单周期指令（,INC A,）,2.,双字节单周期指令（,ADD A,）,3.,单字节双周期指令（,INC DPTR,）,4.,单字节双周期（,MOVX,）,2.5 MCS-51,单片机工作方式,一、复位操作和复位电路,1内部复位电路,图 21,5 8051,复位电路结构,2.5 MCS-51,单片机工作方式,一、复位操作和复位电路,2外部复位电路,图,21,6,复位电路,电源控制寄存器,PCON,2.,掉电保护方式,1.,待机方式,2.5 MCS-51,单片机工作方式,二、,80C51,的,低功耗方式,位 序,B7,B6,B5,B4,B3,B2,B1,B0,位符号,SMOD,/,/,/,GF1,GF0,PD,IDL,