片微型計算機原理及結(jié)構(gòu).ppt

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第二章MCS_51單片機的結(jié)構(gòu)原理,本章主要介紹MCS_51系列的8051的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、存儲器結(jié)構(gòu)、P0、P1、P2、P3四個I/O口的基本工作原理和操作特點。單片機的各種工作方式、單片機的時序等。,2.1概述,MCS_51系列單片機是Intel公司于是1980年推出的高檔8位機。由于其優(yōu)秀的性能價格獲得了廣泛的應用，也成為我國單片機市場的主流產(chǎn)品。目前廣泛使用的MCS-51系列單片機有三個版本：8031、8051、8751。8051：8位CPU、128BRAM、4KBROM、23個特殊功能寄存器、4個8位并行口、1個全雙工串行口、2個別16位定時/計數(shù)器。8751：僅改進來8051的掩模式的4KBROM為4KB的EPROM。8031：較8051不包含ROM。嚴格說來，8031不是完全的單片機。單片機的發(fā)展非常迅速，世界上一些著名的器件公司如Motorola公司、Zilog公司等也競相推也新產(chǎn)品。1983年，Intel公司又推出了高性能的16位MCS-96系列單片機。INTEL公司將MCS51的核心技術(shù)授權(quán)給了很多其它公司，所以有很多公司在做以8051為核心的單片機，當然，功能或多或少有些改變，以滿足不同的需求，其中89C51就是這幾年在我國非常流行的單片機，它是由美國ATMEL公司開發(fā)生產(chǎn)的。以后我們將用89C51來完成一系列的實驗。,表2.1MCS-51系列型號,2.2MCS_51單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳,圖2?1MCS-51單片機的基本結(jié)構(gòu),圖2?28051的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖,2.2.18051單片機的結(jié)構(gòu),1.中央處理單元(8位CPU)2.只讀存儲器(4KROM)3.隨機存取存儲器(128B/256BRAM)4.并行輸入/輸出口（32條）:P0口、P1口、P2口、P3口5.串行輸入/輸出口（2條）:TXDRXD6.定時/計數(shù)器:T0T17.時鐘電路為內(nèi)部振蕩器與外接晶振電路。8.中斷系統(tǒng)有5個中斷:INT0INT1TF0TF1TI/RI,,,2.2.2MCS_51單片機外部引腳,掩模MOS制造工藝的MCS_51單片機都采用40腳雙列直插式封裝（DIP）方式。下面分別敘述這40條引腳的功能。主電源引腳.VSS(20腳)：接地；.VCC（40腳）：接+5V電源。外接晶振引腳.XTAL1（19腳）：接外部晶振的一個腳。.XTAL2（18腳）：接外部晶振的一個引腳。控制或復位引腳.RST/VPD（9腳）.ALE/PROG(30腳)PSEN（29腳）EA/VPP（31腳）輸入/輸出引腳P0—P3共4個輸入/輸出口，32個引腳，每個口為8根I/O線，它們的功能與使用將在本章程2.5節(jié)中詳細介紹。,圖2.3MCS51引腳圖,2.3MCS_51單片機存儲器配置,圖2.48051存儲器組織結(jié)構(gòu)圖,,2.3.1MCS_51的存儲器結(jié)構(gòu),1．物理上，分為4個存儲空間：片內(nèi)ROM、片外ROM、片外RAM（8031無片內(nèi)ROM）。2．邏輯上，分為3個空間：片內(nèi)、片外同一程序存儲器，片內(nèi)隨機存儲器，片外隨機存儲器。它們的編址方式太及可用于其上的指令如下。程序存儲器（片內(nèi)、片外）統(tǒng)一編址，使用MOVC指令；數(shù)據(jù)存儲器（片內(nèi)）統(tǒng)一編址，使用MOV指令；數(shù)據(jù)存儲器（片外）統(tǒng)一編址，使用MOVX指令。3．功能上，把存儲器分為5種類型：程序存儲器，使用MOVC指令；內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器，使用MOV指令；外部數(shù)據(jù)存儲器，使用MOVX指令；特殊功能寄存器，使用MOV指令；位地址空間，使用MOV、SETB、CLR等指令。,2.3.2程序存儲器,容量：可擴展到64KB。尋址范圍：0000H～FFFFH，共64KB。EA=1，尋址內(nèi)部ROM；EA=0，尋址外部ROM。地址碼長度：16位。尋址方式：基址+變址尋址，如：MOVCA，＠A+DPTRMOVCA，＠A+PC作用：存放程序及程序運行時所需的常數(shù)。特征：（1）若無片內(nèi)ROM（8031），64KB全部由外部ROM承擔，主要存放處理程序及所需的常數(shù)。（2）有7個單元具有特殊含義，它們是：①0000H：系統(tǒng)復位后，PC=0000H，由0000H單元存放一條絕對跳轉(zhuǎn)指令，用戶設(shè)計的程序由跳轉(zhuǎn)后的地址存放；②0003H：外部中斷0的入口直址；③000BH：定時器1的溢出中斷入口地址；④0013H：外部中斷的入口地址；⑤001BH：定時器1的溢出中斷入口地址；⑥0023H：串行口中斷入口地址；⑦002BH：定時器2溢出中斷入口地址（8032、8052有）。（3）訪問外部程序存儲器的信息傳送通路：地址碼由P0、P2口傳送，控制信號由PSEN（讀選通）接EPROM的OE，數(shù)據(jù)信息由P0接收。,2.3.3內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器,51系列單片機的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器在物理上分為兩個區(qū)：00H～7FH單元組成的低落128字節(jié)的RAM塊和字節(jié)的SFR塊。尋址范圍：00H～7FH。作用：作數(shù)據(jù)緩沖用。特征：（1）00H～1FH共32個單元作工作寄存器用，分為4個區(qū)，每個區(qū)8個單元，由PSW中的RS1、RS0確定當前工作區(qū)；（2）20H～2FH為位尋址區(qū)，作為布爾處理機存儲空間的一部分；（3）可在內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器中開辟一個堆棧區(qū)，堆棧深度小于128字節(jié)。,圖2.5RAM空間分配示意圖,表2.3PSW3、PSW4的含義,2.3.4特殊功能寄存器SFR,尋址空間：80H～FFH。注意：在MCS-51中，只有22個專用寄存器，其中6個是雙字節(jié)寄存器。PC為程序計數(shù)器，在物理上獨立，用于安放下一條將要執(zhí)行的指令的地址（程序存儲器地址），是一個16位專用寄存器，尋址范圍為0～64KB，不屬于內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM的SFR塊，共占用了26個字節(jié)。其中，SBUF有兩個寄存器。所有特殊功能寄存器的地址分配和位地址分別如表2.4、表2.5所示。,注：*可按字節(jié)和位尋址；+僅在8032/8052芯片中存在,表2.4特殊功能寄存器SFR一纜表,算術(shù)運算寄存器,（1）累加器A（Accumulator）（2）B寄存器（3）程序狀態(tài)字PSW（ProgramStatusWord）寄存器.CY（PSW.7）(Carry0:進位/借位標志。.AC（PSW.6）（AuxiliaryCarry）輔助進位/借位標志。.F0(PSW.5)(Flag0):標志0。.RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）(RegisterBankSelect):寄存器區(qū)選擇控制位。.OV（PSW.2）(Overflow):溢出標志。.P(PSW.0)奇偶標志。,2.指針寄存器,程序計數(shù)器PC：指明即將執(zhí)行的下一條指令的地址，為16位寄存器。系統(tǒng)初始化時，PC=0000H，可尋址范圍64KB。堆棧指針SP：指明棧頂元素的地址，8位。可由軟件設(shè)置初始值，系統(tǒng)復位時設(shè)置為07H。堆棧：堆棧是一個區(qū)域，主要用來保護斷點和保護現(xiàn)場，這個區(qū)域本身沒有任何特殊之處，就是內(nèi)部RAM的一部份，特殊的是它存放和取用數(shù)據(jù)的方式，即所謂的‘先進后出，后進先出’，并且堆棧有特殊的數(shù)據(jù)傳輸指令，即‘PUSH’和‘POP’，有一個特殊的專為其服務(wù)的單元，即堆棧指針SP，每當執(zhí)一次PUSH指令時，SP就（在原來值的基礎(chǔ)上）自動加1，每當執(zhí)行一次POP指令，SP就（在原來值的基礎(chǔ)上）自動減1。由于SP中的值可以用指令加以改變，所以只要在程序開始階段更改了SP的值，就可以把堆棧設(shè)置在規(guī)定的內(nèi)存單元中。數(shù)據(jù)指針DPTR：指明訪問的數(shù)據(jù)存儲器的單元地址，16位，可尋址范圍64KB，由DPH，DPL組成。DPH，DPL也可單獨作為8位寄存器使用。,3.并行輸入/輸出端口,專用寄存器P0、P1、P2、P3分別是P0~P3的鎖存器,4.串行輸入/輸出端口,串行數(shù)據(jù)緩沖器SBUF用于存放發(fā)送或已接收的數(shù)據(jù)。串行控制/狀態(tài)寄存器SCON控制監(jiān)視串行口的工作狀態(tài)。電源控制寄存器PCON用于控制單片機的低功耗工作方式及波特率的選擇。,5.中斷系統(tǒng),中斷優(yōu)先級寄存器IP(InterruptPriority)：MCS_51的中斷分為2個優(yōu)先級，由IP設(shè)定各個中斷源的優(yōu)先級。中斷允許寄存器IE(InterruptEnable)：用于各個中斷源的允許和屏蔽設(shè)置。,6.定時/計數(shù)器,定時器方式寄存器TMOD：用于設(shè)定定時器的工作方式。定時器控制寄存器TCON：其各位用于對定時器和外部中斷進行控制。計數(shù)寄存器TH0、TH1、TL0、TL1：用于設(shè)定定時/計數(shù)器的初值。TH0、TL0為一組，TH1、TL1為一組,2.3.5位地址空間,內(nèi)部RAM低128B中的20H~2FH單元，共128位位地址表示方法：例：20H.1或21H表示同一位。內(nèi)部RAM高128BSFR塊中的帶*的專用寄存器位地址表示方法：例：Acc.1或0E1H表示同一位P0.5或85H表示同一位,內(nèi)部RAM低128B中位地址區(qū),位地址表示為：61H2CH.1,2.3.6外部數(shù)據(jù)存儲器,容量最大可擴展到64KB；尋址范圍：0000H~FFFFH；尋址方式：間接尋址?？捎肦0、R1及DPTR作為間址寄存器。P0、P2送地址碼，P0接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。例：MOVXA,@R1MOVXA,@DPTR,2.4MCS_51單片機的時序,什么是單片機的時序？單片機執(zhí)行的每一條指令都可以分解為若干基本的微操作，而這些微操作在時間上都有嚴格的先后次序，這些次序就是單片機的時序。單片機的時序是怎樣決定的？單片機振蕩電路的振蕩周期和時鐘電路的時鐘周期決定了CPU的時序。,2.4.1時鐘的基本概念,指令周期：從取指開始到指令執(zhí)行完畢所需要的時間叫做一個指令周期。在MCS_51中，指令的長度為1~3字節(jié)，單字節(jié)和雙字節(jié)指令都可能是單周期和雙周期的，3字節(jié)指令都是雙周期的，乘除法指令為4周期指令。機器周期：是機器的基本操作周期。一個指令周期至少包含一個機器周期。狀態(tài)周期：一個機器周期分成6個狀態(tài)周期。由P1、P2兩個脈沖組成。時鐘周期：即振蕩周期，是指為單片機提供定時信號的振蕩源的波形周期。一個機器周期=2個狀態(tài)周期=12個振蕩周期。,2.4.2典型指令的取指/執(zhí)行時序,圖2.6MCS-51的取指/執(zhí)行時序,2.4.3MCS_51單片機的時鐘電路,內(nèi)部方式：與作為反饋元件的片外晶體一起組成自激振蕩器。外部方式：外部振蕩器的接法與芯片的類型有關(guān)。,圖2.7MCS-51時鐘接法,2.4.4單片機復位狀態(tài)及復位電路,圖2.8復位電路,(d)單片機復位結(jié)構(gòu),表2.8單片機復位狀態(tài),2.5并行I/O端口,MCS_51有4個并行口，共同32根I/O線，四個端口都是雙向口。每個I/O口包含一個鎖存器、一個輸出驅(qū)動器和一個輸入緩沖器。,圖2?9P0口的位結(jié)構(gòu),2.5.1P0口,P0口做地址/數(shù)據(jù)總線口，又可做通用I/O口；P0口即可位尋址，又可字節(jié)尋址；P0口做地址/數(shù)據(jù)總線口時，是一個真正的雙向口；做通用I/O口時，只是一個準雙向口；P0口做地址總線口時，與P2口配合，送出16位地址，P0口送低8位，P2口送高8位；P0口作輸入口時，先向口寫“1”，以免錯讀引腳上的信息；,圖2?10P1口的位結(jié)構(gòu),2.5.2P1口,P1口只能作通用I/O口，無地址/數(shù)據(jù)功能；P1口可按字節(jié)尋址，也可位尋址；P1口作輸入口時，先將鎖存器寫1，使T1截止以便信息正常輸入；P1口是標準的準雙向口。,,圖2?11P2口的結(jié)構(gòu)圖,2.5.3P2口,P2口作地址線時，輸出高8位地址；P2口作通用I/O口時，是準雙向口；P2口輸入數(shù)據(jù)時，先向鎖存器寫1。,,圖2?12P3口的結(jié)構(gòu)圖,2.5.4P3口,表格2?3P3口的第二功能表,2．6單片機最小系統(tǒng),最小系統(tǒng)（老三件）一個最小的單片機微機系統(tǒng)由三片集成塊組成,它們是CPU(8031)、8位3態(tài)D鎖存器74LS373、ROM或RAM。習慣上將這三樣稱作老三件。當然有了這三件單片機還是不能工作，還要加上一個時鐘電路和復位電路，由這些基本電路組成一個完整的最小系統(tǒng)，見圖2-13，該電路可提供P1口、P3口作為用戶的輸入、輸出口（I/O），在圖2-13中，最多可接16個指示燈，作為一個實用彩燈控制器產(chǎn)品。,2.6.18031最小系統(tǒng),圖2-138031最小系統(tǒng),8位3態(tài)D鎖存器74LS373的使用方法,一般的集成塊生產(chǎn)廠家都提供全套集成塊的使用說明書，說明書中主要包括該集成塊的特點、邏輯圖和引腳功能圖、特性和電參數(shù)、工作原理和典型應用。下面是373的使用方法，圖2-14為說明書中提供的引腳圖和功能表。引腳圖中Dn----輸入端；Qn-----輸出端；、LE為控制端，該片如何工作由功能表定，表中L為低電平、H為高電平、Z為高阻抗（相當開路）為任意電平，一般將接低電平，LE接ALE就能正常工作。,圖2-1474LS373引腳圖和功能表,最小系統(tǒng)的解釋,⑴、分時使用的方法①硬件連接：P0口一路直接與2764的數(shù)據(jù)口線相連，一路通過373后與2764的低八位地址線相連。在物理上將數(shù)據(jù)信號通道和地址信號通道分開。工作時與軟件配合分時傳送數(shù)據(jù)信號和地址信號。②軟件：程序在執(zhí)行時是一條一條的執(zhí)行，在時間上也是分時的。⑵、存儲器容量的計算方法：2地址線根數(shù)＝存儲器容量2764的存儲容量：213=21023=8K⑶、片選地址的計算將P2.5接片選線，P2.6、P2.7接低電平，則P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0P0.7-P0.0000000000000001FFF0001111111所以，存儲器的地址范圍是0000H-1FFFH，與芯片地址相符,2.6.289c51最小系統(tǒng),圖2-1589C51最小系統(tǒng),習題與思考題,2-1MCS-51系列單片機內(nèi)部有哪些主要的邏輯部件？2-2MCS-51設(shè)有4個8位進行端口（32條I/O線），實際應用中8位數(shù)據(jù)信息由哪一個端口傳送？16位地址線怎樣形成？P3口有何功能？2-3試分析MCS-51端口的兩種讀操作（讀端口引腳和讀鎖存器），讀————修改——寫操作是按哪一種操作進行的？結(jié)構(gòu)上的這種安排有何功用？2-4MCS-51的存儲器結(jié)構(gòu)與一般的微型計算機有何不同？程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器各有何功用？2-5MCS-51內(nèi)部RAM區(qū)功能結(jié)構(gòu)如何分配？4組工作寄存器使用時如何選用？位尋址區(qū)域的字節(jié)地址范圍是多少？2-6特殊功能寄存器中哪些寄存器可以位尋址？它們的字節(jié)地址是什么？2-7簡述程序狀態(tài)字PSW中各位的含義。,