单片机原理及应用(2b).ppt

1 单片机原理及应用 穆道明电气与自动化工程学院自动化系 2 第2章80C51单片机的硬件结构 2 1单片机的概念 单片机 是集成在一个芯片上的计算机 在一个芯片上集成有运算器 控制器 存储器 输入输出接口以及不同的功能部件 8051单片机是一款八位单片机 在单片机领域有十分重要的代表性 80C51单片机是8051单片机CMOS工艺的改进型 8051单片机是一个系列产品 3 第2章80C51单片机的硬件结构 80C51系列单片机的分类 4 第2章80C51单片机的硬件结构 2 280C51单片机的逻辑结构与信号引脚 2 2 180C51单片机的内部逻辑结构 80C51是一个8位单片机 他是Intel公司产品 是一款最典型和应用范围最广的单片机 其逻辑结构如下图 5 第2章80C51单片机的硬件结构 内部结构 6 第2章80C51单片机的硬件结构 80C51单片机仍然保持经典的计算机结构 由五大基本部分组成 1 8位中央处理器CPU CPU由运算器和控制器组成 1 运算器由累加器A 寄存器B 暂存器 算术逻辑运算单元 ALU 及程序状态字 PSW 构成 A 算术逻辑运算单元 ALU 由加法器和其它逻辑电路等组成 用于对数据进行算术运算和逻辑操作的执行部件 7 B 累加器A最常用的一个8位专用寄存器 第2章80C51单片机的硬件结构 C 程序状态字 PSW 一个8位的寄存器 存放机器的现行运行状态 包括 运算结果 各部件的状态等 8 2 控制器由程序计数器PC 指令寄存器 指令译码器 定时控制等部分构成 A 程序计数器PC16位专用寄存器 用于存放下一条要执行的指令的地址 B 指令寄存器8位寄存器 用于暂时存放指令 等待译码 C 指令译码器进行指令译码操作 D 定时控制逻辑电路 第2章80C51单片机的硬件结构 9 第2章80C51单片机的硬件结构 2 片内128B 256BRAM数据存储器和特殊功能寄存器 SFR 3 片内4KB 8KBROM程序存储器 4 2 3个16位定时 计数器 5 4个8位并行I O口 6 一个全双工串行口 10 第2章80C51单片机的硬件结构 7 一个有2个优先级的5 6个中断源的中断系统 8 片内振荡器及时钟电路 9 位处理器 布尔处理机 10内部总线 总线 具有同一性质和功能的一组连线的总称 总线的特点 在某一时间内 总线的信号流向只有一个方向 总线有三种 数据总线 地址总线 控制总线 11 第2章80C51单片机的硬件结构 2 2 280C51单片机的封装与信号引脚 12 第2章80C51单片机的硬件结构 13 第2章80C51单片机的硬件结构 2 芯片引脚介绍 1 时钟类引脚XTAL1 19 XTAL2 18 2 控制类引脚RST VPD 9 ALE PROG 30 PSEN 29 EA VPP 31 14 第2章80C51单片机的硬件结构 3 I O类引脚P0 0 P0 7 22 29 P1 0 P1 7 1 8 P2 0 P2 7 40 33 P3 0 P3 7 10 17 4 电源类引脚VCC 40 VSS 20 15 第2章80C51单片机的硬件结构 3 芯片引脚的第二功能 80C51的P0 P2 P3并行I O接口除了作为I O接口 还有第二种功能 P0 P1口作为外部存储器扩展的地址总线和数据总线 P3口的第二功能每根线不同 其功能见下表 16 第2章80C51单片机的硬件结构 小结 80C51是一八位单片机 内部有八位的运算器 控制器 有四个八位的并行输入输出接口 有128字节的片内RAM 数据存储器 有4K字节的程序存储器 有两个16位的定式 计数器 有一个TTL电平的异步串行通信接口 芯片内部有三种总线 数据总线 地址总线 控制总线 17 第2章80C51单片机的硬件结构 2 380C51单片机的内部存储器 内部存储器 内部数据存储器 内部程序存储器 2 3 1内部数据存储器低128字节的单元 两种存储器为两个地址空间 18 第2章80C51单片机的硬件结构 片内数据存储器区 00H FFH 片内数据存储器 低128BRAM区 00H 7FH 高128BRAM区 80H FFH SFR区 80H FFH FFH 80H 7FH 00H SFR FFH 80H 高128BRAM 低128BRAM 高128字节的RAM区与SFR区在地址的命名是重合的 但访问方式不同 只有80C52系列才有 19 第2章80C51单片机的硬件结构 内部数据存储器低128BRAM区 00H 7FH 片内低128BRAM区 通用寄存器区 00H 1FH 位寻址区 20H 2FH 数据缓冲区 30H 7FH 20 第2章80C51单片机的硬件结构 1 寄存器区 寄存器 具有特定的目的而设立的存储单元 寄存器的访问方式与一般寄存器不同 内部RAM的前32个单元可作为通用寄存器使用 共分为4个区 四个区只能使用一个且必定有一个 不能同时作为寄存器使用 使用哪一区 每区八个 由程序状态字 PSW 中的RS1 RS0为决定 作为寄存器使用时 指令访问的速度快 21 第2章80C51单片机的硬件结构 7FH 2FH 1FH 00H 通用寄存器区 片内低128BRAM区 20H 30H 位寻址区 数据缓冲区 0组 00H 1组 2组 3组 07H 08H 0FH 10H 17H 18H 1FH 7FH 7EH 7DH 7CH 7BH 7AH 79H 78H 17H 16H 15H 14H 13H 12H 11H 10H 0FH 0EH 0DH 0CH 0BH 0AH 09H 08H 07H 06H 05H 04H 03H 02H 01H 00H 20H 21H 22H 2FH 22 第2章80C51单片机的硬件结构 2 位寻址区 内部RAM的20H 2FH单元为位寻址区 一般的指令访问存储器是以字为单位的 80C51的字长为八位 存储器的访问基本也是以字为单位的 而内部RAM的20H 2FH共16字节 128位的每一位又被编了另一种地址 位地址 供专门的位地址指令使用 这样对布尔代数的运算非常方便 23 第2章80C51单片机的硬件结构 3 用户RAM区 内部RAM的低128字节中除去通用寄存器和位寻址区占用的单元 其余的都供用户作为一般的存储器使用 另外系统的堆栈也开辟在128字节内 24 第2章80C51单片机的硬件结构 2 3 2内部数据存储器高128字节的单元 80C51的内部数据存储器的高128单元区的地址 命名权 分配给了专用寄存器使用 地址范围为80H 0FFH 专用功能寄存器SFR SpecialFunctionRegistor 用于存放相应的功能部件的控制命令 状态信息或数据的专门单元 SFR共有21个 都是一字节为单位的 即八位 25 第2章80C51单片机的硬件结构 1 专用寄存器简介 1 累加器A ACC Accumulator 累加器是八位的寄存器 使最常用的专用寄存器 累加器的主要功能 累加器用于存放操作数 使ALU数据的一个来源 累加器是ALU运算结果的暂存单元 累加器是数据传送的中转站 26 第2章80C51单片机的硬件结构 2 B寄存器 B寄存器是一个八位寄存器 主要用于乘除运算时使用 3 程序状态字PSW PSW寄存器是一个八位寄存器 用于寄存指令执行后的状态信息 PSW在复位后其值为00H 27 第2章80C51单片机的硬件结构 C AC F0 RS1 RS0 OV F1 P 进位标志 辅助进位 用户标志 通用寄存器组选择 溢出标志 用户标志 奇偶标志 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 28 第2章80C51单片机的硬件结构 4 数据指针DPTR 数据指针DPTR是一个十六位的寄存器 它是两个八位寄存器合并而成的 这两个寄存器位 DPH和DPL DPTR是80C51单片机中唯一一个可以访问的16位寄存器 功能为 作为访问外部数据存储器的地址指针 由于是十六位因此可指向64K的外部数据存储器空间 也就是说80C51克以扩展的最大数据存储器空间为64K 65536 29 第2章80C51单片机的硬件结构 2 专用寄存器的单元寻址 30 第2章80C51单片机的硬件结构 3 专用寄存器的位地址与位名称 31 第2章80C51单片机的硬件结构 32 第2章80C51单片机的硬件结构 4 程序计数器PC programcounter PC是一个十六位寄存器 在物理上是独立的 是指令不可访问的 PC不在21个专用寄存器之列 没有分配地址 因此是不可访问的 因为是十六位计数器 所以程序存储器最大为64K PC计数器在复位后为0000H 33 第2章80C51单片机的硬件结构 2 3 3堆栈操作 堆栈是一种数据结构 所谓堆栈是允许在其一端进行数据插入和数据删除的操作的线性表 堆栈的操作有两种 压栈 入栈 和弹栈 出栈 1 堆栈的功能 保护断点和现场 34 第2章80C51单片机的硬件结构 2 堆栈的开辟 即堆栈的在什么地方和位置 80C51的内部RAM的低128字节区域 00H 7FH 建议 开辟在低128字节的后面的位置 3 堆栈指针SP StackPointer SP的内容就是堆栈栈顶的存储单元的地址 SP是八位的存储器 SP是专用寄存器 地址为81H 35 第2章80C51单片机的硬件结构 4 堆栈类型 堆栈有两种类型 向上生长型 向下生长型 栈底在低地址单元 随着数据压栈 SP的内容增加 栈底在高地址单元 随着数据压栈 SP的内容减小 80C51的堆栈是向上生长型 入栈操作 SP 1 SP 后数据入栈 除栈操作 数据先出栈 然后SP 1 SP 36 第2章80C51单片机的硬件结构 堆栈的使用方法 堆栈的使用有两种 自动方式 出现在调用子程序和中断时 指令使用 使用压栈和弹栈指令时 37 第2章80C51单片机的硬件结构 2 3 4内部程序存储器 80C51系列单片机内部有的内部有程序存储区 有的没有 80C31 80C51单片机的程序存储器和数据存储器是分别编址的 对于没有内部程序存储器的芯片 就必须外扩外部 片外 程序存储器 这时 EA信号脚必须接地 这是系统使用P0 P2 EA PSEN引脚进行外部程序存储器的扩展 其中 EA PSEN的 是表示低电平有效 38 第2章80C51单片机的硬件结构 对于程序存储器的扩展注意事项 对于没有内部程序存储器的芯片 80C31 EA必须接地 表示全部使用片外存储器 对于有内部程序存储器的芯片 80C51 EA可接地或高电平 接地时 表示先使用内部存储器 如果访问内部存储器以外的地址空间 就使用外部存储器 接高电平时 表示全部使用外部程序存储器 而不访问内部存储器 39 第2章80C51单片机的硬件结构 不管程序存储器是否有片内ROM 其中 系统在上电复位或其他复位后 第一条被执行的指令的首地址在 0000H单元 即系统在上电复位或其他复位后 PC 0000H 40 第2章80C51单片机的硬件结构 2 480C51单片机的并行I O口 80C51共有4个8位的并行双向I O口 访问方式 按字节方式 按位寻址 电路上每个口的每一位都是独立 作为I O口每个口也有不同的地方 41 第2章80C51单片机的硬件结构 P0口的结构 包含1个输出锁存器 2个三态缓冲器 1个输出驱动电路和1个输出控制电路 P0 X引脚 地址 数据 Vcc 控制 读锁存器 读引脚 内部总线 写锁存器 T0 T1 42 第2章80C51单片机的硬件结构 P0口作为I口使用时应外接一个上拉电阻 P1 P2 P3口作为I口使用时不需外接一个上拉电阻 P0 P1 P2 P3四个口作为I使用时应先发送出一个 1 的高电平 在进行读操作 43 第2章80C51单片机的硬件结构 2 580C51单片机的时钟与定时 单片机是一个复杂的同步时序电路 单片机的各个部分按一定的时间顺序协调工作的 指令执行过程中各信号的相互时间的顺序关系 时序 2 5 1时钟电路 时钟电路 振荡电路 分频电路 44 第2章80C51单片机的硬件结构 1 振荡电路 振荡电路需外接一部份器件 XTAL1 XTAL2 石英振荡器 电容 45 第2章80C51单片机的硬件结构 2 分频电路 振荡脉冲 时钟信号 ALE信号 机器周期信号 二分频 三分频 六分频 3 振荡频率 十二分频 六分频 46 第2章80C51单片机的硬件结构 2 5 2定时单位 80C51的定时单位有4个 1 拍节与状态 振荡脉冲的周期为拍节P 时钟信号的周期为状态S 一个状态包含两个拍节前半周期为拍节1 后半周期为拍节2 3 机器周期 一个机器周期就是振荡脉冲周期的12倍 一个机器周期有12个拍节 6个状态 47 第2章80C51单片机的硬件结构 3 指令周期 指令周期是对大的时序单位 执行一条指令的时间称为指令周期 80C51的指令周期根据指令的不同可包含1 2 4个机器周期 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S1 S2 S3 机器周期 48 第2章80C51单片机的硬件结构 2 680C51单片机的系统复位 系统复位时是单片机的硬件初始化操作 系统只有在复位后才能正常工作 2 6 1复位方式与初始化状态 1 复位方式 80C51有复位引脚RST 用于从外界引入复位信号 复位操作有两种 加电复位 手动复位 每个系统必须具备的 为了调试或死机等现象 49 第2章80C51单片机的硬件结构 2 初始化状态 复位的功能有 为专用寄存器设置初始状态 为程序寄存器PC赋值 为芯片的引脚设置电平状态 50 第2章80C51单片机的硬件结构 各个寄存器的复位后的状态 51 第2章80C51单片机的硬件结构 2 6 2复位电路 复位电路有 4种 积分型 微分型 比较器型 看门狗型 80C51的电路为高有效 需要的电路波形为 由电路可看出80C51可用微分型的电路复位 52 第2章80C51单片机的硬件结构 8 2k 10 F Vcc RST Vss 200 Vcc 80C51的基本复位电路 53 第2章80C51单片机的硬件结构 思考 2 180C51单片机是一款 位机 2 280C51有几个并行口 分别是多少位的 是双向的吗 2 380C51的内部数据存储器低128字节 通常分为哪3个区 21H单元的D0位位地址是多少 2 480C51有多少个SFR 有多少个可位寻址 这些可寻址位的位地址空间为 2 580C51中唯一可访问的16位寄存器是 它可分为哪几个寄存器 不可访问的16位寄存器是 54 第2章80C51单片机的硬件结构 2 680C51堆栈的压栈和弹栈操作的具体内容 2 780C51有几种复位方式 哪一种是必备的 2 880C51复位后PC SP A DPTR P0 P3的内容是 当前通用寄存器组的在内部RAM的地址 2 980C51单片机的一个机器周期为几个拍节 几个状态 几个振荡周期 2 10PC的位数决定了单片机的程序存储器的最大空间为多少 是哪个存储器决定外部数据存储器的空间大小 是多大 2 1180C51有几种总线 总线的定义和特点 55 第2章80C51单片机的硬件结构 2 12 EA的连接电平是怎样决定程序存储器的使用的 EA接地是使用外部 内部程序存储器