《电子教案---单片机原理及应用——基于Proteus和Keil C(第2版)[林立,张俊亮]第2章.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电子教案---单片机原理及应用——基于Proteus和Keil C(第2版)[林立,张俊亮]第2章.ppt（74页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、第2章 MCS-51单片机结构及原理,2.1 MCS-51单片机结构 2.2 MCS-51的存储器结构 2.3单片机的复位、时钟与时序 2.4并行I/O口,2.1 MCS-51单片机结构 2.2 MCS-51的存储器结构 2.3单片机的复位、时钟与时序 2.4并行I/O口,第2章 MCS-51单片机结构及原理,SCM将通用微计算机基本功能部件集成在一块芯片上构成的一种专用微计算机系统,SCM=CPU+程序存储器+数据存储器+定时器/计数器+内外中断+可编程I/O+可编程全双工串行口+,第2章 MCS-51单片机结构及原理,80C51=(8位)CPU+4KBROM+128BRAM+(216)T/
2、C+(48)I/O+1个UART+5个INT,87C52,INTEL MCS-51系列单片机一览表,2.1.1 MCS-51单片机的内部结构,第2章 MCS-51单片机结构及原理,51单片机主要内部资源的学习安排,中央处理器CPU 第2章程序存储器ROM 第2章数据存储器RAM 第2章并行I/O口第2章中断源INT第5章定时器/计数器T/C第6章全双工串行口UART第7章,第2章 MCS-51单片机结构及原理,1、CPU（Central Processing Unit）,CPU=控制器+运算器,第2章 MCS-51单片机结构及原理,控制器的用途：统一指挥和控制各单元协调工作控制器的任务：从RO
3、M中取出指令译码执行指令控制器的组成：程序计数器PC、数据指针寄存器DPTR、,第2章 MCS-51单片机结构及原理,运算器的用途：对数据进行算术运算和逻辑操作运算器的任务：计算缓冲器内容暂存修改运行标志运算器的组成：累加器ACC、程序状态字寄存器PSW、,第2章 MCS-51单片机结构及原理,（1）程序计数器（Program CounterPC）,指向ROM存储单元的地址指针（引导程序运行）,永远存放着下一条指令的首地址具有16位字长可寻址范围216（=65536字节=64KB）具有自动加“1”功能顺序运行程序功能具有可被指令修改功能跳转运行程序功能复位时，PC初值=0 复位后程序从0开始运
4、行,第2章 MCS-51单片机结构及原理,（2）数据指针寄存器（Data Pointer DPTR）,具有16位字长，可寻址范围216（64KB）具有可被指令修改功能可变更数据地址可拆为2个8位的独立寄存器DPL和DPH,指向ROM或RAM存储单元的地址指针（引导数据传送）,第2章 MCS-51单片机结构及原理,（3）累加器（ACCUMULATERA）,具有8位字长是利用率最高的寄存器具有可被指令修改功能,存放操作数或中间运算结果的寄存器,第2章 MCS-51单片机结构及原理,（4）程序状态字寄存器（Program State WordPSW）,具有8位字长各位都具有特殊含义状态信息通常自动形
5、成，但也可用指令修改,存放程序运行过程中的各种状态信息的寄存器,第2章 MCS-51单片机结构及原理,AC,CY（PSW.7）进位标志在进行加或减运算时，如果操作结果最高位有进位或借位时，CY由硬件置“1”，否则清“0”。,CY,AC,F0,RS1,RS0,OV,F1,P,CY,AC,F0,RS1,RS0,OV,F1,P,位,7,位,6,位,5,位,4,位,3,位,2,位,1,位,0,CY,AC,F0,RS1,RS0,OV,F1,P,CY,AC,F0,RS1,RS0,OV,F1,P,PSW.7,PSW.6,PSW.5,PSW.4,PSW.3,PSW.2,PSW.1,PSW.0,位,7,位,6,
6、位,5,位,4,位,3,位,2,位,1,位,0,用途：1、根据CY判断有无进位或借位；2、在位操作中CY可作为位累加器用。,举例,第2章 MCS-51单片机结构及原理,AC（PSW.6）辅助进位标志在进行加或减运算时，如果操作结果的低四位数向高四位产生进位或借位时，将由硬件置“1”，否则清“0”。,CY,AC,F0,RS1,RS0,OV,F1,P,CY,AC,F0,RS1,RS0,OV,F1,P,位,7,位,6,位,5,位,4,位,3,位,2,位,1,位,0,CY,AC,F0,RS1,RS0,OV,F1,P,CY,AC,F0,RS1,RS0,OV,F1,P,PSW.7,PSW.6,PSW.5,
7、PSW.4,PSW.3,PSW.2,PSW.1,PSW.0,位,7,位,6,位,5,位,4,位,3,位,2,位,1,位,0,举例,用途：1、根据AC判断加减运算时有无半进位或半借位；2、在BCD码调整运算中要用到AC标志,第2章 MCS-51单片机结构及原理,F0（PSW.5）和F1（PSW.1）用户标志位 可作为用户自行定义的一个状态标记 举例 定义F0为安全门的状态，F0=0开；F0=1闭 定义F1为指示灯的状态，F1=0开；F1=1闭,用途：在程序运行中判断门或灯的工作状态,第2章 MCS-51单片机结构及原理,RS1和 RS0（PSW.4和 PSW.3）工作寄存器组指针用途：用于指定C
8、PU的当前工作寄存器组,第2章 MCS-51单片机结构及原理,OV（PSW.2）溢出标志在有符号数加减运算或无符号数乘除运算中若有异常结果，OV硬件置1，否则硬件清0。,用途：判断运算的结果是否正确，正确=0；出错=1,第2章 MCS-51单片机结构及原理,OV=C6Y C7Y=1 0=1,101111011100001011000011,正数的补码是它本身，负数的补码是除符号位外每位求反，然后末尾加1,OV=C6Y C7Y=1 1=0,111010111001010010010101,运算出错,运算正确,举例,举例,第2章 MCS-51单片机结构及原理,P（PSW.0）奇偶标志位该位始终跟踪
9、累加器A中含“1”个数的奇偶性如果A中有奇数个“1”，则P置“1”，否则置“0”,举例 若A=1001 1111，则P=0 若A=1100 0001，则P=1,用途：用于串行通讯中的数据校验，判断是否存在传输错误。,第2章 MCS-51单片机结构及原理,51系列单片机一般采用40只引脚的双列直插式（DIPDual In-line Package）封装结构,2.1.2 MCS-51引脚及功能,第2章 MCS-51单片机结构及原理,除DIP封装外，51单片机还采用44只引脚的方形扁平(QFP Quad Flat Package)封装方式（4只引脚无用）。,第2章 MCS-51单片机结构及原理,DI
10、P引脚分布,电源及晶振引脚（共4只）控制引脚（共4只）端口引脚（共32只）,第2章 MCS-51单片机结构及原理,（1）电源及晶振引脚,VCC(40脚)：+5V电源引脚VSS(20脚)：接地引脚,第2章 MCS-51单片机结构及原理,（2）控制引脚,RST/VPD(9)：复位/备用电源引脚,第2章 MCS-51单片机结构及原理,（3）端口引脚,P0.0P0.7（3932脚）P0口P1.0P1.7（18脚）P1口P2.0P2.7（2128脚）P2口P3.0P3.7（1017脚）P3口8只/组4 组=32 只引脚,P0口P3口是单片机对外联络的重要通道,第2章 MCS-51单片机结构及原理,最简单
11、的单片机电路图,MCU的电源引脚被隐藏（ISIS仿真与Vcc和Vss无关）,2.1 MCS-51单片机结构 2.2 MCS-51的存储器结构 2.3单片机的复位、时钟与时序 2.4并行I/O口,第2章 MCS-51单片机结构及原理,2.2 MCS-51的存储器结构,1.存储器划分方法,计算机存储器地址空间的两种结构形式：普林斯顿结构和哈佛结构。,RAM和ROM统一编址,RAM和ROM分别编址,第2章 MCS-51单片机结构及原理,51系列单片机采用哈佛结构，共有4个物理存储空间,程序存储器ROM,数据存储器RAM,第2章 MCS-51单片机结构及原理,片内RAM、片内ROM、片外RAM、片外R
12、OM,2.程序存储器(ROM),作用：存放程序、表格或常数，具有非易失性特点：片内ROM与片外ROM统一编址（4KB时用片外ROM),第2章 MCS-51单片机结构及原理,a）同时使用片内和片外ROM b）ROM地址分布,当EA引脚接高电平（开关接A点）时，4 KB以内的地址在片内ROM，大于4KB的地址在片外ROM中（图中折线），两者共同构成64KB空间；当EA引脚接低电平（开关接B点）时，片内ROM被禁用，全部64KB地址都在片外ROM中（图中直线）。,由于片内外ROM是统一编址的，只能算1个逻辑存储空间。,第2章 MCS-51单片机结构及原理,片内RAM和片外RAM是独立的，而片内ROM
13、可与片外ROM统一编址,第2章 MCS-51单片机结构及原理,51单片机的4个物理存储空间相当于3个逻辑存储空间,ROM的6个特殊存储器单元引导程序跳转 0000H：复位后程序自动运行的首地址 0003H：外部中断0入口地址 000BH：定时器0溢出中断入口地址 0013H：外部中断1入口地址 001BH：定时器0溢出中断入口地址 0023H：串行口中断入口地址程序一般应安排在0030H地址以后,第2章 MCS-51单片机结构及原理,3.片内数据存储器(RAM),作用：存放程序运行结果字长：8位数量：128B+128B（80C51）,30H,第2章 MCS-51单片机结构及原理,(1)低128
14、字节的区域 工作寄存器区（00H1FH）可位寻址区（20H2FH）用户RAM区（30H7FH）,第2章 MCS-51单片机结构及原理,区共有32个存储单元；每个单元都有1个8位地址（字节地址）每个单元都有1个寄存器名称（R0R7）32个单元分为4组（第0 第3组）CPU只能选一组为当前工作寄存器组,当前工作寄存器组取决于PSW的设置,CPU复位后RS1和 RS0默认值为0，即默认第0组为当前工作寄存器组。,第2章 MCS-51单片机结构及原理,区共有16个存储单元；每个单元都有一个字节地址 每个单元都有8个不同的位地址 区共有128个位地址,区可以字节地址和位地址两种方式存取数据。,第2章 M
15、CS-51单片机结构及原理,区共有80个存储单元；每个单元都有一个字节地址，但没有位地址，也没有寄存器名。,此区可作为堆栈区和中间数据存储区使用用户RAM区,【注意】：区和区只能按字节进行数据存取操作，区则可按字节和位两种方式存取操作。,第2章 MCS-51单片机结构及原理,（2）高128字节RAM区,30H,SFR承担着51单片机内部资源的管理工作,每个存储单元都有一个字节地址，但只有其中21个单元可以使用，并有相应寄存器名称。,51单片机共有21个特殊功能寄存器（Spetial Function Register）,第2章 MCS-51单片机结构及原理,字节地址末位是0或8的SFR，都具有
16、位地址。,2.1 MCS-51单片机结构 2.2 MCS-51的存储器结构 2.3单片机的复位、时钟与时序 2.4并行I/O口,第2章 MCS-51单片机结构及原理,复位使单片机恢复原始默认状态的操作。,1.复位与复位电路,第2章 MCS-51单片机结构及原理,复位条件,在RST/VPD引脚端出现10ms 要求的高电平（3V）状态。,复位方式,上电复位 按键复位,第2章 MCS-51单片机结构及原理,复合复位,CPU的微操作必须在统一的时钟控制下才能正确进行,2.时钟电路,微调电容:C1、C2 30pF 晶振：石英晶体封裝,MCS-51的时钟频率为612MHz可调,外部时钟方式,需要通过单片机
17、引脚接入晶振元件或外部时钟,第2章 MCS-51单片机结构及原理,内部时钟方式,3.单片机时序,（1）时序的概念,第2章 MCS-51单片机结构及原理,时序是指按照时间顺序显示的对象（或引脚、事件、信息）序列关系。时序可以用状态方程、状态图、状态表和时序图4种方法表示，其中时序图最为常用。时序图亦称为波形图或序列图，纵坐标表示不同对象的电平，横坐标表示时间（从左往右为时间正向轴），通常坐标轴都省略。,第2章 MCS-51单片机结构及原理,(1)最左边是引脚的标识，表示该图反映了RS、R/W、E、D0D7四类引脚的时序关系。(2)交叉线部分表示电平的变化，如高电平和低电平。(3)封闭菱形部分表示
18、数据有效范围（偶尔使用的Valid Data也能说明了这点）。(4)水平方向的尺寸线表示持续时间的长度。,某芯片时序图,第2章 MCS-51单片机结构及原理,RS和R/W端首先变为低电平；随后D0D7端出现有效数据；R/W低电平tsp1之后，E端出现宽度为tpm的正脉冲；E脉冲结束并延时tHD1后，RS和R/W端恢复高电平；E脉冲结束并延时tHD2后，D0D7端的本次数据结束；随后D0D7端出现新的数据，但下次E脉冲应在tc时间后才能出现。根据这些信息便可以进行相应的软件编程了。,时序关系：,时序的定时单位：时钟周期（或节拍）P、状态周期S、机器周期、指令周期,1个状态周期（S）=2个节拍（P
19、）1个机器周期=6个状态（S）=12个节拍（P）1个指令周期约为14个机器周期,第2章 MCS-51单片机结构及原理,第2章 MCS-51单片机结构及原理,单片机时序,CPU在执行指令时所需控制信号的时间顺序。,1、用于片内各功能部件的控制（不作介绍）,2、用于片外存储器或I/O端口的控制（第8.2.1节介绍）,51单片机访问外部RAM时序,第2章 MCS-51单片机结构及原理,单片机时序逻辑电路D触发器又称边沿D触发器（或维持-阻塞边沿D触发器）,正边沿D触发器特性只在时钟脉冲CLK上升沿到来的时刻，才采样D端的输入信号，并据此立即改变Q和/Q端的输出状态。而在其它时刻，D与Q是信号隔离的。
20、,第2章 MCS-51单片机结构及原理,负边沿D触发器,负边沿D触发器工作特性只在时钟脉冲CLK下降沿到来的时刻，才采样D端的输入信号，并据此立即改变Q和/Q端的输出状态。而在其它时刻，D与Q是信号隔离的。D触发器的这一特性被广泛用于数字信号的触发锁存输出。,2.1 MCS-51单片机结构 2.2 MCS-51的存储器结构 2.3 单片机的复位、时钟与时序 2.4 并行I/O口,第2章 MCS-51单片机结构及原理,2.4 并行I/O口,51单片机有32只I/O引脚，分属于4个端口（P0P3）。由于工作任务不同，4个端口的内部结构也不同。,了解4类端口的内部结构对于正确使用这些I/O端口非常重
21、要。,第2章 MCS-51单片机结构及原理,1.P1口,P1.n=1个锁存器+1个场效应管驱动器V+2个三态门缓冲器,P1口包含P1.0P1.7共8个相同结构的电路,P1.0P1.7中的8个锁存器组成P1 SFR（90H）,第2章 MCS-51单片机结构及原理,P1.n的通用I/O口工作方式：输出、读引脚、读锁存器,输出时：D端=1/Q=0V截止P1.n=1 D端=0/Q=1V导通P1.n=0,V,2,1,读引脚时：P1.n读引脚三态门1内部总线,读锁存器时：Q端读锁存器三态门2内部总线,第2章 MCS-51单片机结构及原理,场效应管V的状态会影响P1.n的状态：如V导通P1.n电平0（钳位）
22、读引脚可能出错,可见，P1口作为输入口时是有条件的（应先写1），而输出时无条件，因此，称P1口为准双向口。,V,为正确读出P1.n引脚电平，需设法在读引脚前先使V截止 令D=1/Q=0V截止读P1.n不会出错,第2章 MCS-51单片机结构及原理,2.P3口,与P1.n 差别：第二功能控制单元双功能,P3.0P3.7中的8个锁存器组成P3 SFR（B0H）,第2章 MCS-51单片机结构及原理,输出时：D端=1Q=1V截止P1.n=1 D端=0Q=0V导通P1.n=0读引脚时：P1.n读引脚三态门1内部总线（需先写1）读锁存器时：Q端读锁存器三态门2内部总线,3,4,1,2,第二输入功能,V,
23、第二输出功能口=“1”(与非门开锁),P3.n的通用I/O口工作方式：,第2章 MCS-51单片机结构及原理,P3口的第二功能方式：,输出时：第二输出功能=1与非门输出0V截止P3.n=1 第二输出功能=0与非门输出1V导通P3.n=0输入时：P3.n驱动门4第二输入功能（也需先使V截至）,D端 写“1”(与非门开锁),3,4,1,2,第二输入功能,V,第2章 MCS-51单片机结构及原理,P3口第二功能定义,（第5章）,（第5章）,（第8章）,（第8章）,（第7章）,（第7章）,（第6章）,（第6章）,第2章 MCS-51单片机结构及原理,3.P0口,与P1.n 差别：输出控制电路、输出驱动
24、电路总线功能,P0.0P0.7中的8个锁存器组成P0 SFR（80H）,第2章 MCS-51单片机结构及原理,漏极开路与上拉电阻的概念,封锁与门A0 地址/数据端与A输出无关,控制端=0MUX下通/Q与V1栅极直通,V2截止V1漏极开路,第2章 MCS-51单片机结构及原理,为使漏极开路的V1有效，必须通过外接上拉电阻与电源连通，上拉电阻的阻值一般为10k。,注意：P1、P2、P3口无需外接上拉电阻（已有内部上拉电阻）,第2章 MCS-51单片机结构及原理,P0.n的通用I/O口工作方式（控制端=0）,输出时：D端=1/Q=0V1截止P0.n=1 D端=0/Q/=1V1导通P0.n=0读引脚时
25、：P0.n读引脚三态门1内部总线（需要先写“1”）读锁存器：Q端读锁存器三态门2内部总线,第2章 MCS-51单片机结构及原理,P0.n的地址/数据分时复用方式（控制端=1）,“地址/数据”端可无条件输入/输出（真正的）双向口“地址/数据”方式下没有漏极开路问题，无需外接上拉电阻,第2章 MCS-51单片机结构及原理,4.P2口,与P1.n差别：输出控制单元总线功能,V,P2.0P2.7中的8个锁存器组成P2 SFR（A0H）,第2章 MCS-51单片机结构及原理,输出时：D端=1Q端=1V截止P2.n=1 D端=0Q端=0V导通P2.n=0读引脚时：P2.n读引脚三态门内部总线（需要先写“1
26、”）读锁存器：Q端读锁存器三态门内部总线,P2.n的通用I/O口方式（控制端=0）,V,第2章 MCS-51单片机结构及原理,输出时：地址端=1V截止P2.n=1 地址端=0V导通P2.n=0,P2.n的地址输出口方式（控制端=1）,V,第2章 MCS-51单片机结构及原理,P0 P3并行口的基本用途,1、可作为并行IO输入通道（例如，按键/开关连接通道）,第2章 MCS-51单片机结构及原理,2、可作为并行IO输出通道（例如，数码管显示器连接通道）,第2章 MCS-51单片机结构及原理,3、可作为串行通信通道（例如，双机通讯的连接通道）,第2章 MCS-51单片机结构及原理,4、可作为外部设
27、备的连接通道（例如，存储器扩展通道）,第2章 MCS-51单片机结构及原理,P0P3小结,1.结构,第2章 MCS-51单片机结构及原理,本章小结,1、单片机的CPU由控制器和运算器组成，在时钟电路和复位电路的支持下，按一定的时序工作。单片机的时序信号包括振荡周期、时钟周期、机器周期和指令周期。,2、51单片机采用哈佛结构存储器，共有3个逻辑存储空间和4个物理存储空间。片内低128字节RAM中包含4个工作寄存器组、128个位地址单元和80个字节地址单元。片内高128字节RAM中离散分布有21个特殊功能寄存器。,3、P0P3口都可作为准双向通用I/O口，其中只有P0口需要外接上拉电阻；在需要扩展片外设备时，P2口可作为其地址线接口，P0口可作为其地址线/数据线复用接口，此时它是真正的双向口。,第2章 MCS-51单片机结构及原理,
