《系列单片机基本硬件系统及开发环境.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《系列单片机基本硬件系统及开发环境.ppt（47页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、第 1 章51系列单片机基本硬件系统及开发环境,北京航空航天大学出版社,第 1 章 51系列单片机基本硬件系统及开发环境,1.2 封装形式与引脚定义,1.3 单片机存储器结构,1.4 单片机并行I/O口,1.1 单片机的内部结构和工作原理,1.5 单片机最小系统,LOGO,1.1 单片机的内部结构和工作原理,单片机的内部结构51子系列的典型结构,MCS-51系列单片机各种型号的资源配置,AT89S51的主要特性如下：,1、由Flash存储器取带了原来的ROM，程序存储器的内容至少可以改写1000次。2、ISP在线编程功能，也就是串行编程。3、工作频率最高为33MHz，就是说S51具有更高工作频
2、率，从而具有了更快的计算速度。4、内部集成看门狗计时器，不再需要像8051那样外接看门狗计时器单元电路。5、双数据指示器DPTR，方便应用。6、电源关闭标识。便于在单片机复位时区别原因。7、全新的加密算法，这使得对于89S51的解密变为不可能，程序的保密性大大加强，这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。8、兼容性方面：向下完全兼容51全部子系列产品。,1.1.2 单片机的工作原理,CPU根据程序计数器PC的指示，从存储器某一地址取出程序的第一条指令的操作码，送到CPU里面的指令寄存器并立即开始译码，译码的结果是产生一系列控制信号，指挥其他部件工作，完成指令规定的具体任务；然后，CPU又取第二条
3、指令，执行，直到程序结束。,1.2 封装形式与引脚定义,各个引脚的功能如下：1电源Vcc：（40）工作电源输入，运行和程序检验时接+5V；Vss：地；（20）2晶振XTALl：（19）输入到振荡器的反相放大器；XTAL2：（18）反相放大器的输出，输入到内部时钟发生器。,1.2 封装形式与引脚定义,4控制线(共4根)RST:(9)复位输入(Reset),高电平有效。在振荡器起振后，RST引脚上维持两个机器周期以上的高电平，使单片机可靠复位,RST引脚上电平变低，复位结束,单片机进入程序运行状态.EAVpp(External AccessEnable):(31)片外程序存储器访问允许输入信号，低
4、电平有效。第二功能为在编程时，其上施加编程电压(仅对EPROM型单片机有效)。,1.2 封装形式与引脚定义,ALEPROG(Address Latch Enable)：（30）地址锁存允许输出信号。第二功能为在编程时输入编程脉冲。PSEN(Program Store Enable)：（29）片外程序存储器选通信号输出，低电平有效。,1.3 单片机存储器结构,单片机存储器结构说明：,8051的存储器在物理结构上有四个存储器空间：片内数据存储器和片外数据存储器；片内程序存储器和片外程序存储器。但程序存储器片内和片外是统一编址的，使用方法也是一样的。而数据存储器片内有256B，用8位地址。片外为64
5、KB的数据存储器空间，地址为16位它们所用的指令是不一样。所以对用户来讲把存储器看成三个不同的逻辑空间。,1.3.1 程序存储器,8051片内有4KB的ROM，片外有16条地址线可扩展64KB的程序存储器，最低的4KB(0000H0FFFH)是公用的，CPU提供一个控制信号EA来区分片内ROM和片外ROM，当EA接高电平时，单片机从片内取指令，当地址超过0FFFH后，则自动转向片外ROM取指令。当EA接低电平时，单片机只从片外取指令。单片机复位后，程序地址寄存器PC的内容为0000H，单片机自动从0000H单元取指令执行。注意：从0003H0023H有五个中断入口地址，主程序一定要放在0023
6、H之后的存储单元中。因此，一般都在0000H单元放一条绝对跳转指令。,个中断入口地址：,0003H：外部中断0入口。000BH：定时器T0溢出中断入口。0013H：外部中断1入口。001BH：定时器T1溢出中断入口。0023H：串行口中断入口。,1.3.2 数据存储器,数据存储器分为片内和片外两部分。8051片内有128B的RAM，片外可扩充64KB的RAM。1、片外数据存储器片外最多可以扩展64KB的RAM数据存储器，在地址上，与片外程序存储器ROM的地址完全相同，即接相同的16位地址线，P2口为高8位地址，P0口为低8位地址，8051通过不同的信号来选通RAM和ROM。当对片外RAM读、写
7、数据时，用读、写信号RD或WR来选通：当从片外ROM取指令时，则用选通信号PSEN。片外数据存储器的访问要使用MOVX指令。,2、片内数据存储器,片内数据存储器功能多样，使用灵活。在片内RAM的128B单元中,根据其特性可以分为3个区域：工作寄存器区、位寻址区和一般数据存储区。此外，片内数据存储器区内还必须安排堆栈区。片内数据存储器的3个区域见右表。,（1）工作寄存器区,在片内RAM区的128B单元中，00H1FH为工作寄存器区，共分为4组，每组8个单元，共占32个单元，见前表。每组的8个工作寄存器由R0R7组成。CPU在某一时刻只能使用4个寄存器组中的一个，选用哪一组由特殊功能寄存器程序状态
8、字PSW中的RS1、RS0的设置来决定，见右表。不用的工作寄存器可做一般的存储器用。CPU在复位后会自动选中0组。,（2）位寻址区,在字节地址20H2FH的16个单元是可以位寻址区。,（3）一般数据存储区,地址从30H到7FH共80个字节，属于一般的RAM区。由于这个区域只是一般的随机存储器，没有其他功能，所以经常将堆栈安排在这里。原则上，堆栈可以而且只可以按排在片内RAM的任何地址。,3、特殊功能寄存器,特殊功能寄存器,最常用的功能寄存器,（1）累加器A累加器A是8位寄存器，它是CPU中最繁忙、使用频度最高的一个特殊功能寄存器，简称为ACC或A寄存器。（2）B寄存器B寄存器是8位寄存器，在乘
9、法和除法指令中是必须使用的，除此之外，B可以作为一个普通的可以位寻址的寄存器使用。（3）数据指针DPTR数据指针DPTR是一个16位专用寄存器，由DPH和DPL组成，主要作用是在执行片外数据存储器或IO端口访问时，确定访问地址，所以称为数据存储器地址指针，简称数据指针。,（4）程序状态字PSW,程序状态字PSW(Program Status Words)是一个8位的专用寄存器，用于存储程序运行中的各种状态信息。它被逐位定义，可以位寻址，其格式如下：,进位标志,辅助进位标志,溢出标志,奇偶标志位,工作寄存器区选择位,用户标志位,（5）堆栈指针寄存器SP,堆栈是片内数据存储器中的一个特殊区域，它按
10、照“后进先出”的原则存储数据，主要用于保存子程序和中断服务程序的返回地址，还用于传递参数和保存某些数据等。堆栈指针SP是一个8位的特殊功能寄存器，用于指出堆栈栈顶的地址。数据被压入堆栈，SP自动加1，数据从堆栈中弹出，SP自动减1。,（6）电源控制寄存器PCON,寄存器各位的定义如下：SMOD：波特率加倍位，SMOD=1，当串行口用于方式1、2、3时，波特率加倍。GFl、GF0：通用标志位，由软件置位或复位。PD：掉电方式位，若PD=1，进入掉电工作方式，单片机停止工作，功耗最低，只有复位才能唤醒。IDL：等待方式位，若IDL=1，进入等待方式，停止执行程序，功耗较低，可以由中断来唤醒。若PD
11、和IDL同时为1，则进入掉电工作方式。复位时，PCON所有定义位均为0。PCON只能字节寻址，不能位寻址，只能用字节指令实现置位或复位。,（7）并行口寄存器P0、P1、P2、P3,MCS-51单片机有4个8位双向并行IO口P0一P3。每个端口既可作为8位并行口使用，又可独立地作为1位双向IO口线使用。每一位端口都由口锁存器、输出锁存器和输入缓冲器组成。特殊功能寄存器P0P3的值就是对应I/O端口的值。,（8）程序计数器PC,程序计数器PC是一个16位专用计数器，其作用十分重要，用于存放CPU下一条要执行指令的地址，即程序存储器地址。CPU根据 PC中的地址到ROM中去读取程序指令码和数据，并送
12、给指令寄存器IR进行分析。每取出现行指令的一个字节后，PC 就自动加1，即(PC)+1PC，指向下一个要读取字节的地址。PC本身是没有地址的，是不可以寻址的，用户不能直接对它进行读写操作，但可以通过分支/跳转/调用/中断/复位等操作指令改变PC值，实现程序的转移。系统上电复位后，PC=0000H，然后从0000H开始执行指令。,1.4 单片机并行I/O口,MCS-51单片机中有四个双向并行I/O端口 P0P3。每个端口都有八条端口线，共32条线，并都配有端口锁存器、输出驱动器和输入缓冲器。用于CPU与外部设备之间交换信息。这4个I/O口在电路结构上不完全相同，因此在功能和使用上有各自的特点，多
13、数并行口线还有第二功能。,P0端口,通用I/O接口功能,当系统不进行片外的ROM扩展，也不进行片外RAM扩展时，P0用作通用I/O口。这是它的第一功能。在这种情况下，单片机硬件自动使多路开关“控制”信号为“0”(低电平)，MUX开关接向锁存器的反相输出端。另外，与门输出的“0”使输出驱动器的上拉场效应管T1处于截止状态。此时,输出级是漏极开路电路。（1）P0作为输出口时（2）P0作为输入口时,3地址/数据分时复用功能,当系统进行片外ROM扩展或进行片外RAM扩展时，P0分时用作地址/数据总线，在这种情况下，单片机内硬件自动使多路开关“控制”信号为“1”(高电平)，MUX开关接向反相器的输出端，
14、这时与门的输出由地址/数据线的状态决定。这是它的第二功能。CPU在执行输出指令时，地址总线的低8位地址信息和数据信息分时地出现在地址/数据总线上。P0.X引脚的状态与地址/数据线的信息相同。,3地址/数据分时复用功能,CPU在执行输入指令时，首先低8位地址信息出现在地址/数据总线上，P0.X引脚的状态与地址/数据总线的地址信息相同。然后，CPU自动地使转换开关MUX拨向锁存器，并向P0口写入FFH，同时“读引脚”信号有效，数据经缓冲器进入内部数据总线。此时P0口作为地址/数据总线使用时是一个真正的双向口。,1.4.2 P1端口,1.4.3 P2端口,1.4.4 P3端口,P3口用作第二功能使用
15、,（1）输入第二功能信号时此时锁存器输出端及“第二功能输出”信号端均应保持高电平。第二功能输入信号通过P3.X引脚通过缓冲器4的输出端输入到单片机内部。（2）输出第二功能信号时此时锁存器应预先置“1”，以保持与非门对第二功能信号的输出能顺利进行。,2作为一般的I/O口使用,当CPU对P3口进行字节或位寻址时，单片机内部的硬件自动将第二功能输出线置1。这时，对应的口线为通用I/O口方式，其应用特点与注意事项与P1口相同。,1.1.5 I/O口小结,1.5 单片机最小系统,1.5.1 时钟与时序.1 时钟电路时钟信号的产生有两种方式：内部振荡器方式和外部引入方式。（a）内时钟方式（b）外时钟方式图
16、1-9 MCS-51 时钟方式（1）内部振荡器方式,（a）内时钟方式,（b）外时钟方式,2 时序,时序的相关概念 振荡周期:为单片机提供定时信号的振荡源的周期（晶振周期或外加振荡源周期）。振荡脉冲的周期也称为节拍，用P表示。状态周期：即 CPU 从一个状态转换到另一状态所需的时间。一个状态周期由一个或一个以上的时钟周期组成。在MCS-51中，一个状态周期由两个时钟周期（P1,P2）组成。2个振荡周期为1个状态周期,用S表示。,时序的相关概念,机器周期:是计算机完成一次完整的、基本的操作所需要的时间。MCS-51一个机器周期由六个状态周期组成，用S1、S2、S6表示，共12个振荡周期。1个机器周
17、期=6个状态周期=12个振荡周期指令周期：执行一条指令所需的时间，指令周期往往由一个或一个以上的机器周期组成。指令周期的长短与指令所执行的操作有关。MCS-51系列单片机的指令周期通常为14个机器周期。,例如:,外接晶振为12 MHz时,MCS51单片机的4个时间周期的具体值为:荡周期=1/12 s;状态周期=1/6 s;机器周期=1 s;指令周期=14 s。,复位电路,（2）复位状态,（PC）=0000H，表示复位后程序的入口地址为0000H，即从程序存储器0000H地址开始执行。（PSW）=00H,其中RS1(PSW.4)=0,RS0(PSW.3)=0,表示复位后单片机选择工作寄存器0组;
18、（SP）=07H 表示复位后堆栈在片内RAM的08H单元处建立;P0口P3口锁存器为全1状态,说明复位后这些并行接口可以直接作输入口,无须向端口写1。,（3）程序执行方式,可分为单步执行和连续执行两种方式。在实际应用中，单片机都是工作在连续执行程序的方式下，复位后PC=0000H，程序执行从地址0000H开始，在0000H处预先存放一条转移指令，以便跳转到0000HFFFFH中的用户需要的地方执行程序；单步执行方式是指单片机在控制面板上的单步执行键控制下一条一条执行程序的指令方式，利用单片机外中断功能实现的，通常用于程序调试。,1.5.3 单片机的最小系统,80518751最小应用系统,2、需
19、要用到外部三总线的最小应用系统,8031的最小应用系统,本章小结,1掌握单片机内部的逻辑结构及各个部件的功能与特点。2掌握存储器的组织结构，程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、内部特殊功能寄存器（SFR）的配置情况，熟悉程序状态寄存器（PSW）各位的含义及变化规律；掌握MCS-51单片机的四个物理空间（片内RAM、片内ROM、片外RAM、片外ROM），三个独立的逻辑空间（片内RAM空间：00HFFH、片内外统一编址的ROM空间：0000HFFFFH、片外RAM空间：0000HFFFFH）的概念。3在单片机中，端口是一个集数据输入缓冲、数据输出驱动及锁存等多项功能于一体的I/O电路。4了解单片机时序的相关概念、单片机最小应用系统构成和单片机工作过程。5熟悉单片机的开发环境，初步学会使用开发环境的软件、硬件。,
