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1、1,第二章 单片机的基本结构与工作原理,学时：4要点：单片机的基本组成、引脚功能、结构及特点、存储器结构、工作方式。重点：MCS-51单片机的结构及特点、存储器结构。,2,内 容,学时：2 2.1 单片机的基本组成 2.2 80C51单片机的引脚功能和结构框图 2.3 80C51 CPU结构和特点学时：22.4 存储器结构和地址空间2.5 布尔（位）处理器2.6 80C51单片机的工作方式仿真软件介绍,3,2.1 单片机的基本组成,特征：将组成计算机的基本部件集成在一块芯片上，如CPU、I/O口、UART、C/T、RAMROM等。,4,2.2 80C51单片机的引脚功能和结构框图,图2-2 8
2、0C51/80C52的封装及逻辑图,5,2.2.1 引脚功能,管脚图P16,图2-2,P15，对照书看管脚介绍。,注意：T2为80C52的定时器/计数器2的计数输入端，T2EX为80C52的定时器/计数器2的定时输入端。,6,2.2.2 内部结构框图和组成,图2-3 80C51的内部结构框图,ALUACC（A）ROMRAM指令寄存器IR地址寄存器PCDPTRT/CI/OPSW定时控制逻辑,7,2.3 80C51 CPU的结构和特点,8,2.3.1 中央控制器,组成：程序计数器PC、程序地址寄存器、指令寄存器IR、指令译码器、条件转移逻辑电路及定时控制逻辑电路。功能：控制指令的读出、译码和执行，
3、对指令的执行过程进行定时控制，并根据执行结果决定是否分支转移。与运算器一起构成中央处理器。,9,1.PC和DPTR,（1）PC由PC（PCH、PCL）、指令寄存器IR、指令译码器ID等组成。寻址范围64K，16根地址线。工作方式：PC+1、条件或无条件转移、调用或中断，3种。,10,图2-4程序计数器PC的输出与P0、P2口之间的关系,11,PC A+DPTR,（2）数据指针DPTR 16位（DPL、DPH）,访问片外数据存储器：MOVX A，DPTR 读 MOVX DPTR，A 写访问程序存储器：MOVC A，A+DPTR 变址 基址 JMP A+DPTR 变址 基址,图2-5 DPTR的输
4、出与P0、P2口之间的关系,12,DPTR可作为寄存器使用,作为16位寄存器使用：MOV DPTR，#16位地址 INC DPTR作为8位寄存器使用：CJNE A，DPL，$CJNE A，DPH，$指令寄存器IR、指令译码器ID及控制逻辑参照P21，简单介绍。,13,2.3.2 运算器,组成：算术和逻辑运算单元ALU、累加器ACC、暂存器TMP1和TMP2、寄存器B以及程序状态字PSW等。ACC（8位）地位特殊，很多运算都要通过其完成。以后在学习指令时，常用A来表示累加器。但有一些地方例外，比如在PUSH指令中，就必须用ACC表示。,图2-7 算术逻辑运算单元ALU,ALU功能：加减乘除；AN
5、D、OR、XOR；位操作；左、右移；半字节交换；BCD运算,14,ACC（最频繁使用的寄存器）,（1）是ALU的输入，又是ALU运算结果的存放单元。（2）中转站。（3）有一部分传送指令不经过ACC，减少堵塞现象，如MOV DPTR，#16位地址。,B寄存器一般情况下，可做为通用寄存器使用，但在执行乘法和除法运算结时，B存放运算的一个操作数和运算后的一个结果。,15,程序状态字PSW,仿真程序证明可用,16,MUL A，B时，若积255，则OV=1，说明B中有高8位积。DIV A，B时，若除数为0，则OV=1。,（3）寄存器区选择控制位RS1，RS0，在下节讲解。（4）F0，用户可使用的通用标志
6、位。可实现分支转移。,17,18,2.3.3 时钟电路及CPU的工作时序,时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，而时序所研究的是指令执行中各信号之间的相互关系。1.时钟电路（1）时钟电路见图2-8。（2）振荡器电路：C1=C2=1030pF，CYS=1.212MHz,图2-8 80C51单片机的时钟电路,19,2.时序定时单位,（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：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：CPU执行一条指令所需要的时间。一个指令周期通常含有14个机器周期。,20,3.
7、指令时序后面演示,图2-10 80C51的取指/执行时序,共111条指令，按长度分为单字节、双字节和三字节指令。执行这些指令所需要的机器周期数目是不同的：单周期、双周期和多周期。,21,2.4 存储器结构和地址空间,单片机普遍采用哈佛结构。,22,图2-11 80C51存储器映象图,在物理上设有4个存储器空间,在访问这3个不同的逻辑空间时，应选用不同形式的指令：MOVC、MOV、MOVX,在逻辑上设有3个存储器地址空间,从片外开始执行,0000H,从片内开始执行,52系列单片机80H FFH是数据存储器和特殊功能寄存器地址重叠空间,23,2.4.1 程序存储器,80C31无片内ROM，80C5
8、1有4K一次性的淹膜ROM，87C51有4K EPROM，89C51有4K E2PROM。,P29,24,几种ROM的区别,ROM：1次性只读存储器。EPROM：可擦除可编程只读存储器，只能用强紫外线照射来擦除。EEPROM(E2PROM)：电可擦除可编程只读存储器。,25,程序存储器的某些单元被保留用于特定的程序入口地址,程序存储器的某些单元被保留用于特定的程序入口地址。系统复位后的PC地址为0000H。0003H002BH为中断服务程序入口地址，禁止主程序使用。,26,2.4.2 数据存储器,RAM：随机存取记忆体。RAM和ROM相比，两者的最大区别是RAM在断电以后保存在上面的数据会自动
9、消失，而ROM就不会。,27,1 片内数据存储器,1,2,3,4,P32,28,（1）片内数据RAM区。,根据寻址方式不同可分为以下4个区域。（一）工作寄存器（00H1FH）特点：执行速度最快。其用法见下述程序：CLR PSW.3CLR PSW.4MOV R0，#01H；（00H）=01HSETB PSW.3MOV R0，#01H；（08H）=01HCLR PSW.3SETB PSW.4MOV R0，#01H；（10H）=01HSETB PSW.3MOV R0，#01H；（18H）=01H,29,（二）位寻址区,20H2FH共16个字节分别对应00H7FH共128位。见P33表2-2。,SP=
10、07H,30,特点：既可字节寻址，也可位寻址。与SFR构成布尔（位）处理器。例：下面程序执行结果是一样的。CPL 0CH；将（21H）中的第4位取反 MOV A，21H ANL A，#00010000B JZ LB1 ANL 21H，#11101111B SJMP LB2LB1：ORL 21H，#00010000BLB2：SJMP$,31,（三）字节寻址区（30H7FH）,注意：对于MCS-52系列单片机，80HFFH RAM区只能采用间接寻址方式访问。讲完SFR后举例。,（四）堆栈区特点：先进后出，进栈时SP加1，出栈时SP减1。功能：调用子程序和中断时保护现场。系统复位时，SP=07H。使
11、用时要特别小心。,32,（2）特殊功能寄存器SFR,高128字节中，51系列占用了21个，52系列占用了26个，其余访问无效，详情见P34表2-3。SFR中低位地址为0H和8H的特殊功能寄存器，共12个可位寻址，详情见P34表2-3。SFR的空间分布见P35表2-4及右图。,33,2 片外数据存储器,64K字节。采用MOVX指令和DPTR、R0或R1寄存器以间接寻址方式访问。MOV DPTR，#1000HMOVX DPTR，AMOV DPTR，#0029HMOVX A，DPTRMOV R0，#30HMOVX R0，A；该指令不能超过256B,34,2.5 布尔(位)处理器,布尔处理功能是MCS
12、-51系列单片机的一个重要特征。布尔变量也即开关变量，它是以位（bit）为单位进行操作的。它以进位标志C做为累加位，以内部RAM可寻址的128个为存储位。布尔操作指令集：位传送指令（2条）位置位复位指令（4条）位运算指令（6条）位控制转移指令（5条）,35,2.6 80C51单片机的工作方式,四种：复位、程序执行、低功耗以及编程和校验。2.6.1 复位功能：PC=0000H，跳出死机。复位的影响：（1）SFR的状态见P37表2-6；（2）复位期间，ALE=1，PSEN=1。,36,特殊寄存器的复位状态（见P37表2-6）,37,复位电路（P38图2-14）,要求：高电平持续时间2个机器周期。f
13、osc=12MHz时2us，fosc=6MHz时4us。,38,2.6.2 程序执行方式,ORG 0000H0000H AJMP MAIN ORG 000BH0003H AJMP INT0 ORG 0030H0030H MAIN：MOV R3，#00H.ORG 0100H0100H INT0:CLR C.,39,2.6.3 低功耗工作方式,对于MCS51系列机型来说，它们有待机方式和掉电保护方式两种低功耗方式。通过设置电源控制寄存器PCON的相关位可以确定当前的低功耗方式。PCON寄存器格式如下：,40,PCON,SMOD：波特率倍增位。当SMOD=1时，串行口方式1、2、3的波特率提高一倍。
14、GF0，GF1：通用标志位。供用户使用。PD：掉电方式位，PD1为掉电方式 IDL：待机方式位，IDL1为待机方式,41,（1）待机方式,使IDL=1，则CPU进入待机方式。由图2-15中可看出这时振荡器仍然运行，并向中断逻辑、串行口和定时器/计数器电路提供时钟，中断功能继续存在。向CPU提供时钟的电路被阻断，因此CPU不能工作，与CPU有关的如SP、PC、PSW、ACC以及全部通用寄存器都被冻结在原状态。,图2-15,手机：锁定方式计算机：待机、休眠方式,42,待机方式的退出,可采用中断方式或硬件复位来退出式。在待机方式下，若产生一个外部中断请求信号，在单片微机响应中断的同时，PCON.0位
15、（IDL位）被硬件自动清0，单片微机就退出待机方式而进入正常工作方式。在中断服务程序中安排一条RETI指令，就可以使单片微机恢复正常工作，从设置待机方式指令的下一条指令开始继续执行程序。,43,（2）掉电保护方式,PD=1，单片机进入掉电保护方式。当80C51检测到电源故障时，除进行信息保护外，还应把PCON.1位置1，使之进入掉电保护方式。此时单片微机一切工作都停止，只有内部RAM单元的内容被保护。只能依靠复位退出掉电保护方式。80C51备用电源由Vcc端引入。当Vcc恢复正常后，只要硬件复位信号维持10ms，就能使单片微机退出掉电保护方式，CPU则从进入待机方式的下一条指令开始重新执行程序。在待机和掉电保护期间引脚的状态见表27。,44,2.6.4 编程方式,对于片内具有EPROM型程序存储器的87C51(87C52)和片内具有闪速存储器的89C51(89C52)、78E51(78E52)等单片微机可以通过编程来修改程序存储器中的程序。编程器,45,作业P47：5、6、7、8、10。,
