单片机芯片的硬件结构

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,*,第章单片机的硬件结构,本章内容,Single Chip Microcomputer,2.1 AT89C51,单片机的逻辑结构及信号引脚,2.2,AT89C51,的内部存储器,2.3,实训,1,：单片机复位、晶振、,ALE,信号的观测,2.1.1 AT89C51,单片机的逻辑结构,时钟电路,CPU,ROM,RAM,T0 T1,中断系统,串行接口,并行接口,P0 P1 P2 P3,TXD RXD,INT0 INT1,定时计数器,结构框图,中央处理器,CPU,：,8,位，运算和控制功能,内部RAM：共256个RAM单元，用户使用前128个单元，用于存放可读写数据，后128个单元被专用存放器占用。,内部,ROM,：,4KB,掩膜,ROM,，用于存放程序、原始数据和表格。,定时,/,计数器：,两个,16,位的定时,/,计数器，实现定时或计数功能。,并行,I/O,口：,4,个,8,位的,I/O,口,P0,、,P1,、,P2,、,P3,。,串行口：,一个全双工串行口。,中断控制系统：5个中断源外部中断2个，定时/计数中断2 个，串行中断1个,时钟电路：,可产生时钟脉冲序列，允许晶振频率,6MHZ,和,12MHZ,1、AT89C51单片机的根本组成,中央处理器CPU：8位，运算和控制功能,内部RAM：共256个RAM单元，用户使用前128个单元，用于存放可读写数据，后128个单元被专用存放器占用。,内部ROM：4KB掩膜ROM，用于存放程序、原始数据和表格。,定时/计数器：两个16位的定时/计数器，实现定时或计数功能。,并行I/O口：4个8位的I/O口P0、P1、P2、P3。,串行口：一个全双工串行口。,中断控制系统：5个中断源外中断2个，定时/计数中断2 个，串行中断1个,时钟电路：可产生时钟脉冲序列，允许晶振频率6MHZ和12MHZ,2.89C51,芯片逻辑结构图,指令,寄存器,译码,地址,译码,程序计数器,地址寄存器,累加器,A,运算器,存,储,器,内部数据总线,外部地址总线,AB,数据缓冲器,外部数据总线,DB,寄存器区,外部控制总线,CB,内部控制信号,时钟及清零,3.,单片机的工作过程,取指过程,例,:,MOV A,#09H,74H,09H,;,把,09H,送到累加器,A,中,执行过程,PC=,0000H,0001H,0000H,0002H,0 1 1 1 0 1 0 0,0 0 0 0 1 0 0 1,(PC),(PC),0001H,0002H,0000H,外部控制总线,CB,取指过程,(PC),执行过程,你知道,PC,的作用吗？,2.1.3 AT89C51,的信号引脚,P3,口线的第二功能,VCC,VSS,XTAL2XTAL1,RST,P0. 0P0.1P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7,P1. 0P1.1P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7,P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2. 0,ALE,P3. 0P3.1P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7,2,、振荡电路：,XTAL1,、,XTAL2,3,、复位引脚：,RST,4,、并行口：,P0,、,P1,、,P2,、,P3,7,、,ALE,：地址锁存控制信号,1,、电源线：,VCC(+5V)、VSS(,地,),EA,PSEN,5,、,EA,：访问程序存储控制信号,6,、,PSEN,：外部,ROM,读选通信号,RXD/TXD/INT0/ INT1/ T0/ T1/WR/ RD/,1234567891011121314151617181920,4039383736353433323130292827262524242221,8031,AT89C51,8751,3.,控制、选通和复位引脚,1 (9脚)：复位信号输入端。当振荡器工作时，RST引脚出现两个周期以上高电平将使单片机复位。,2 (30脚)：地址锁存使能端/编程脉冲。当访问外部器件时的负跳变将低8位地址写入地址锁存器；在Flash编程时输入编程脉冲。在非访问外部器件期间，引脚仍以1/6振荡频率的脉冲输出，可用于外部计数或时钟信号。,3 (29脚)：访问外部程序存储器读选通信号。在访问外部程序存储器读取指令码时，每个机器周期产生两次有效信号，即输出两个有效脉冲，有效信号作为外部ROM芯片输出允许OE的选通信号。在读内部ROM或片内外RAM时，信号无效。,4 (31脚)：访问内部或外部程序存储器选择信号/编程电源。,当端保持高电平(接Vcc)时那么CPU首先从片内0000H单元开始执行内部程序存储器程序，如果外部还有扩展程序存储器，那么CPU在执行完内部程序存储器的程序后自动转向执行外部程序存储器的程序；,端保持低电平(接GND端)时，只访问片外ROM，即从0000HFFFFH单元顺序访问MCS-51系列芯片8031无片内ROM，那么直接接低电平；如果保密位被编程，那么复位时内部会锁存端的状态。,为Flash编程电压。在对片内Flash编程时，此引脚施加12V编程允许电压(如果选用的Flash编程电压是12V允许值的话)。,P3,口线的第二功能,P3.0(10脚)：(串行接收端口)。,P3.1(11脚)：(串行发送端口)。,P3.2(12脚)：(外部中断0请求端)。,P3.3(13脚)：(外部中断1请求端)。,P3.4(14脚)：(定时/计数器0外部计数输入端)。,P3.5(15脚)：(定时/计数器1外部计数输入端)。,P3.6(16脚)：(外部数据写选通)。,P3.7(17脚)：(外部数据读选通)。,芯片引脚的第二功能,180C51 的引脚复用,P3口的8条口线都定义有第二功能。有的芯片还有与编程相关的第二功能。,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。,4,、并行输入,/,输出电路结构,P0. 0P0.1P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7,P1. 0P1.1P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7,P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2. 0,P3. 0P3.1P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7,4,个,8,位并行,I/O,口：,P0,，,P1,，,P2,，,P3,；,均可作为双向,I/O,端口使用。,(1),特点：,P0,：,访问片外扩展存储器时， 复用为低,8,位地址线和数据线,P2,：,高,8,位地址线。,P1,：,双向,I/O,端口,P3,：,第二功能,1234567891011121314151617181920,4039383736353433323130292827262524242221,8031,AT89C51,8751,1,1,1,1,1,1,1,1,0,0,0,0,0,0,0,0,1,1,1,1,1,1,1,1,0,1,0,1,0,1,0,1,1,ALE,WR RD,P1. 0,P1. 1,P1. 2,P1. 3,P1. 4,P1. 5,P1. 6,P1. 7,指令,1,：,MOV P1,#00H,指令,2,：,MOV P1,#0FFH,指令,3,：,MOV P1,#0AAH,(2),输出举例,指令,4,：,CLR P1.0,指令,5,：,SETB P1.0,+5V,下一页,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,(3),输入举例,S0,+5 V,4.7 k,W,ALE,WR RD,P3. 0,P3. 1,P3. 2,P3. 3,P3. 4,P3. 5,P3. 6,P3. 7,读端口：,MOV P3, #11111111B,MOV A, P3,89C51,存放器A,注：当I/O端口作为输入使用时，需先向端口写入“1，使内部的FET截止，再读入引脚的状态。,你知道P3.4对应存放器A哪一位吗？,P3.4,你知道这是为什么吗？,1,1,1,1,1,1,1,1,0,1,2.1.4 1 时钟电路,1. 振荡电路,石英晶体作为感性元件，与电容构成振荡回路，为片内放大器提供正反响和振荡所需的相移条件，从而构成一个稳定的自激振荡器，如以下图。,a 内部时钟方式,b 外部时钟方式,2.,分频电路,振荡电路产生的振荡信号并不直接为单片机所用，而要进行分频，以得到单片机各种相关的时钟信号。,定时单位,1. 拍节与状态,即振荡周期，时钟脉冲频率的倒数，定义为拍节P。时钟信号的周期定义为状态S。1S=2P,2. 机器周期,规定一个机器周期的宽度为6个状态，S1S6。,3. 指令周期,执行一条指令所需要的时间，可包含1个、2个或4个机器周期。,单片机复位条件,:,必须使,RST,引脚持续,10 ms,以上,高电平即,2,机周,(,外部时钟,12MHz),2.1.4 2 复位电路,谁知道,复位电路怎么起到复位的作用,?,2.,初始化状态复位后的片内状态为,PC0000H,ACC00H,B00H,PSW00H,SP07H,DPTR0000H,P0P30FFH,IPxxx00000B,完成复位操作需,24,个状态周期,IE0x000000B,TMOD00H,TCON00H,TH0,TL0,TH1,TL100H,SCON00H,SBUF,不定,PCON0xxxxxxxB,1234567891011121314,2827262524232221 201918171615,EPROM,2764,1234567891011121314,2827262524232221 201918171615,EPROM,2764,1234567891011121314151617181920,4039383736353433323130292827262524242221,1234567891011121314,2827262524232221 201918171615,RAM,6264,1234567891011121314,2827262524232221 201918171615,RAM,6264,2.2,存储器,8031,8751,AT89C51,89C51,片内,RAM,片内,ROM,256B字节,4K,64K,64K,0000H,FFFFH,(64K),内部,外部,2.2.1,数据存储器,数据,存储器,00H,FFH,7FH,80H,(,高,128B),(,低,128B),RAM,专用存放器,00H,07H,08H,0FH,10H,17H,18H,1FH,0,区,R0,R7,R0,R7,R0,R7,R0,R7,1,区,2,区,3,区,工作寄存器区,可位寻址区,20H,2FH,7F 78,07 00,30H,7FH,数据缓冲区,/,堆栈区,内部,RAM,存储器,1 1,第,3,区,18H1FH,0 1,第,1,区,08H0FH,RS1 RS0,寄存器区,片内,RAM,地址,0 0,第,0,区,00H07H,1 0,第,2,区,10H17H,工作存放器区选择位RS0、RS1,PSW,位地址,CY,AC,F0,RS1,RS0,OV,F1,P,MSBMost Significant Bit 最高有效位LSB Least Significant Bit 最低有效位,单元地址,2FH,2EH,2DH,2CH,2BH,2AH,29H,28H,27H,26H,25H,24H,23H,22H,21H,20H,7F,77,6F,67,5F,57,4F,47,3F,37,2F,27,1F,17,0F,07,MSB,位地址,LSB,7E,76,6E,66,5E,56,4E,46,3E,36,2E,26,1E,16,0E,06,7D,75,6D,65,5D,55,4D,45,3D,35,2D,25,1D,15,0D,05,7C,74,6C,64,5C,54,4C,44,3C,34,2C,24,1C,14,0C,04,7B,73,6B,63,5B,53,4B,43,3B,33,2B,23,1B,13,0B,03,7A,72,6A,62,5A,52,4A,42,3A,32,2A,22,1A,12,0A,02,79,71,69,61,59,51,49,41,39,31,29,21,19,11,09,01,78,70,68,60,58,50,48,40,38,30,28,20,18,10,08,00,RAM,位寻址区位地址表,高128个单元,离散分布有21个特殊功能存放器SFR。,11,个可以进行位寻址。,特别提示：对SFR只能使用直接寻址方式，书写时可使用存放器符号，也可用存放器单元地址。,2.2.2,内部数据存储器高,128,单元区,1. 专用存放器简介,1累加器A或ACC-ACCumulator,累加器是最常用的专用存放器,2B存放器B register,在乘除指令中用到B存放器,乘 MUL AB；A与B相乘，高字节放在B中，低字节放在A中。,除 DIV AB；A除以B，商放在A中，余数放在B中。,其他指令中，B同一般的RAM。,3程序状态字PSW-Program Status Word,是8位存放器，它包含了程序状态信息。,CY：进位标志。在执行某些算术和逻辑运算时，可被硬件或软件置位或去除。,AC：辅助进位标志。当低4位数向高4位数进位或借位时，AC将被硬件置1，否那么就被去除。,RS0，RS1：用软件置位或去除来确定工作存放器区。 0，0区000H07H,0，1区108H0FH,1，0区210H17H,1，1区318H1FH,OV：溢出标志。执行算术运算时，由硬件置位或去除 。,加减法时 OV=C6异或C7,乘除也会影响OV，积大于255或除数为0，OV置位否那么清零。,P：奇偶标志。每个指令周期都由硬件来置位或清零。A中值为1的位数为奇数，那么P置位，否那么清零。,4数据指针DPTR,DPTR 数据指针 :是一个16位专用存放器，高8位为DPH，低8位为DPL。可作16位来处理，也可分别作8位来处理。,2. 专用存放器的单元寻址,80C51中有21个专用存放器：A，B，PSW，SP，DPL，DPH，IE，IP，P0，P1，P2，P3，PCON，SCON，SBUF，TCON，TMOD，TL0，TL1，TH0，TH1。,3. 专用存放器的位寻址,这些专用存放器，有11个存放器是可以位寻址的。包括：B，A，PSW，IP，P3，IE，P2，SCON，P1，TCON，P0。,4. 程序计数器PCProgram Counter,PC存放器在物理上是独立的，不属于内部数据专用存放器区。,2.2.3,堆栈操作,1.,堆栈的功用,堆栈主要是为子程序调用和中断操作而设立的，对应有两项功能：保护断点和保护现场。,2.,堆栈的开辟,只能开辟在芯片的内部数据存储中。,3.,堆栈指针,堆栈的两种操作：进栈和出栈。都是对栈顶单元进行的。堆栈指针,SP,用来指示栈顶。,SP,的内容就是堆栈栈顶的存储单元地址。,4. 堆栈类型,两种不同类型的堆栈结构,两种类型：向上生长型和向下生长型。80c51使用向上生长型堆栈，操作规那么如下：,进栈操作：先SP加1，后写入数据。,出栈操作：先读出数据v，后SP减1。,5.,堆栈使用方式,两种：自动方式和指令方式。,自动方式：在调用子程序或中断时，返回地址自动进栈。程序返回时，断点再自动弹回,PC,。,指令方式：使用专用的堆栈操作指令，进行进出栈操作。进栈指令为,PUSH,，出栈指令为,POP,。,2.2.4,程序存储器,程序,存储器,内部,外部,0000H,0FFFH,(4K),0000H,FFFFH,(64K),0000H,0FFFH,(4K),0000H,0001H,0002H,(PC),0000H,是程序执行的起始单元,在这三个单元存放一条无条件转移指令,中断,5,中断,4,中断,3,中断,2,中断,1,0003H,000BH,0013H,001BH,0023H,002BH,外部中断,0,定时器,0,中断,外部中断,1,定时器,1,中断,串行口中断,8,位,0FFFH,0FFEH,EA=1 EA=0,程序,存储器资源分布,中断入口地址,2.3,实训,1,：单片机复位、晶振、,ALE,信号的观测,实训目的：,1.熟悉单片机应用研发工具和教学实验装置的使用方法，熟悉AT89C51的引脚分布；,2.掌握AT89C51的最小系统电路结构和调试方法；,3.掌握AT89C51的最小系统相关信号的测试方法。,实训设备：,1.单片机应用研发工具和教学实验装置及导线假设干；,2.40MHz双踪示波器。,图,2-9,单片机复位、晶振与,ALE,信号观测电路原理图,用示波器观测单片机复位状态电信号,要实现单片机复位操作，必须使单片机RST9脚引脚上保持至少两个机器周期的电平。一般可用上电复位和按键复位方法。,(1) 将示波器(最好为数字存储示波器)接在单片机RST引脚上(即9脚)，上电时观察并记录上电复位电信号波形。观察并说明复位高电平持续时间与什么有关。,(2) 将示波器(最好为数字存储示波器)接在单片机RST引脚上(即9脚)，上电后观察用按键复位的电波形并记录。观察并说明复位高电平持续时间与什么有关。,1、CPU主要的组成部局部为( )。,B加法器，存放器,C运算器,存放器,D,运算器，指令译码器,A,运算器，控制器,课堂练习,2、8031有四个工作存放器区，由PSW状态字中的RS1、RS0两位的状态来决定，单片机复位后，假设执行 SETB RS1 指令，此时只能使用 区的工作存放器。,A,0,区,B,1,区,C,2,区,D,3,区,课堂练习,3. 09H位所在的单元地址是 ,A,02H,C,08H,B,21H,D,20H,课堂练习,4.单片机在进行取指令操作时，指令的地址是由 的内容决定。,A,SP,C,DPTR,D,PSEN,和,ALE,B,PC,课堂练习,5.,P0,P1,口作输入用途之前必须,( ),。,A,外接高电平,B,外接上拉电阻,C,相应端口先置,0,D,相应端口先置,1,课堂练习,6.,程序计数器,PC,用来,( ),。,A,存放指令,B,存放上一条的指令地址,D,存放正在执行的指令地址,C,存放下一条的指令地址,课堂练习,1. 数123可能是( )。,A. 二进制数 B. 八进制数 C. 十六进制数 D 四进制数 E.十进制数,2. 8031单片机内部RAM包括( ) 。,A.程序存储区 B堆栈区 C工作存放器及特殊功能区 D位寻址区 E. 中断入口地址区,3. AT89C51单片机CPU的主要功能有( )。,A.产生控制信号 B存储数据 C.算术、逻辑运算及位操作 DI/O端口数据传送 E.驱动LED,思 考 题,思 考 题,4.单片机能够直接运行的程序是 。,A. 汇编源程序 B. C语言源程序,C. 高级语言程序 D. 机器语言源程序,5. 十进制数126其对应的十六进制可表示为( )。,A8F B8E CFE D. 7E,6. 十进制数89.75其对应的二进制可表示为( ).,A.10001001.01110101 B,7. 二进制数110010010对应的十六进制数可表示为( ),A.192H BC90H C 1A2H D. CA0H,8. 二进制数110110110对应的十六进制数可表示为( )。,A 1D3H B， 1B6H C DBOH D. 666H,9. -3的补码是( )。,A 10000011 B. 11111100 C11111110 D 11111101,思 考 题,10. CPU主要的组成部局部为( )。,A运算器，控制器 B加法器，存放器 C. 运算器,存放器 D. 运算器，指令译码器,11. INTEL AT89C51 CPU是( )位的单片机。,A 16 B4 C8 D.准16位,12. 对于INTEL 8031来说，/EA脚总是( ),A.接地 B.接电源 C. 悬空 D.不用,13. 在单片机中，通常将一些中间计算结果放在( 中,A.累加器 B控制器 C. 程序存储器 D.数据存储器,14. 程序计数器PC用来( )。,A存放指令 B存放正在执行的指令地址,C. 存放下一条的指令地址 D存放上一条的指令地址,思 考 题,15. 指令和程序是以( )形式存放在程序存储器中。,A. 源程序 B. 汇编程序 C. 二进制编码 DBCD码,16. 单片机应用程序一般存放在( )中。,A. RAM BROM C. 存放器 DCPU,17. 单片机上电后或复但后，工作存放器R0是在( )。,A. 0区00H单元 B0区01H单元 C. 1区09H单元 DSFR,18. 进位标志CY在( )中。,A. 累加器A B算术逻辑运算部件ALU C程序状态字存放器PSW D. DPDR,19. 单片机AT89C51的XTALl和XTAL2引脚是 引脚,A. 外接定时器 B外接串行口 C. 外接中断 D.外接晶振,思 考 题,20. 8031复位后，PC与SP的值为( )。,A0000H，00H B0000H，07H C0003H，07H D. 0800H，00H,21. P0,P1口作输入用途之前必须( )。,A. 相应端口先置1 B相应端口先置0 C外接高电平 D外接上拉电阻,22. 8031单片机中既可位寻址，又可字节寻址的单元是 。,A20H B30H C00H D70H,23. 8031单片机中片内RAM共有( )字节。,A128 B256 C4K D64K,24. 当标志存放器PSW的RS0、RS1分别为1和0时，系统选用的工作存放器组为( )。,A. 组0 B组1 C组2 D. 组3,思 考 题,25. AT89C51的内部RAM中，可以进行位寻址的地址空间为( )。,A. 00H2FH B 20H2FH C 00HFFH D. 20HFFH,110.,26. AT89C51的程序计数器PC为16位计数器，其寻址范围是( ) 。,A. 8K B. 16K C 32K D 64K,27. AT89C51单片机中，唯一一个用户不能直接使用的存放器是( )。,APSW B. DPTR CPC D. B,28. 对MCS-51单片机来说，其内部RAM( )。,A.只能位寻址 D只能字节寻址 C既能位寻又能字节寻址 D少局部能位寻址,29. 所谓系统总线，指的是( )。,A. 数据总线 B地址总线 C. 内部总线 D外部总线 E控制总线,