02 项目一 学习单元2：认识单片机基本结构.ppt

主讲：李 营QQ:43965356Tel:39786787机电教研室机电教研室 实训四号楼实训四号楼 208内容回顾内容回顾微型计算机系统组成原理微型计算机系统组成原理二进制、十进制、十六进制二进制、十进制、十六进制原码、反码、补码原码、反码、补码 （3）十六进制数与二进制数之间的转换）十六进制数与二进制数之间的转换:二进制数转换成八进制数与上述类似。二进制数转换成八进制数与上述类似。十六进制数转换为二进制：十六进制数转换为二进制：9 A B .7 C 5 H 1001 1010 1011.0111 1100 0101B 二进制数转换十六进制数二进制数转换十六进制数:0001 1011 1110 0011.1001 0111 1000B1 B E 3 .9 7 8H本次课的主要内容：本次课的主要内容：单片机的概念、发展单片机的概念、发展MCS-51MCS-51单片机内部结构（重点）单片机内部结构（重点）（要求记笔记）（要求记笔记）1.3 1.3 微型计算机系统组成原理微型计算机系统组成原理1.3.1 电子计算机的问世及其经典结构电子计算机的问世及其经典结构19461946年年2 2月月1515日日，第一台电子数字第一台电子数字计算机问世，这计算机问世，这标志着计算机时标志着计算机时代的到来。代的到来。（CALCULATORCALCULATOR）ENIACENIAC（“埃尼阿克埃尼阿克”）30吨，用吨，用188千个电子管、千个电子管、1500个继电器、个继电器、11km导线。导线。时钟时钟100KHZ，加法，加法5千千/S 匈匈牙牙利利籍籍数数学学家家冯冯诺诺依依曼曼在在方方案案的的设设计计上上做做出出了了重重要要的的贡贡献献。1946年年6月月，他他又又提提出出了了“程程序序存存储储”和和“二二进进制制运运算算”的的思思想想，进进一一步步构构建建了了计计算算机机由由运运算算器器、控控制制器器、存存储储器器、输输入入设设备和输出设备组成这一计算机的经典结构。备和输出设备组成这一计算机的经典结构。计算机技术的五个时代：计算机技术的五个时代：电子管计算机；电子管计算机；晶体管计算机；晶体管计算机；集成电路计算机；集成电路计算机；大规模集成电路计算机；大规模集成电路计算机；超大规模集成电路计算机。超大规模集成电路计算机。计计算算机机的的结结构构仍仍然然没没有有突突破破冯冯诺诺依依曼曼提出的计算机的经典结构框架。提出的计算机的经典结构框架。1.3.2 微型计算机的基本组成微型计算机的基本组成1.1.中央处理器中央处理器CPUCPU CPU（Central Processing Unit）是计算）是计算机的核心部件机的核心部件,它由它由运算器和控制器运算器和控制器组成组成,完成计完成计算机的运算和控制功能。算机的运算和控制功能。运算器运算器又称算术逻辑部件（又称算术逻辑部件（ALU,Aithmctieal Logic Unit）,主要完成对数据的算术运算和逻辑主要完成对数据的算术运算和逻辑运算。运算。控制器控制器（Controller）是整个计算机的指挥中）是整个计算机的指挥中心心,它负责从内部存储器中取出指令并对指令进行它负责从内部存储器中取出指令并对指令进行分析、判断分析、判断,并根据指令发出控制信号并根据指令发出控制信号,使计算机使计算机的有关部件及设备有条不紊地协调工作的有关部件及设备有条不紊地协调工作,保证计算保证计算机能自动、连续地运行。机能自动、连续地运行。2.2.存储器存储器M 存储器（存储器（Memory）是具有记忆功能的部件）是具有记忆功能的部件,用来存储用来存储数据数据和和程序程序。存储器根据其位置不同可。存储器根据其位置不同可分为两类分为两类:内存储器和外存储器。内存储器和外存储器。内存储器（简称内存）和内存储器（简称内存）和CPU直接相连直接相连,存放当前要运行存放当前要运行的程序和数据的程序和数据,故也称主存储器（简称主存）。它的特点故也称主存储器（简称主存）。它的特点是存取速度快是存取速度快,基本上可与基本上可与CPU处理速度相匹配处理速度相匹配,但价格但价格较贵较贵,能存储的信息量较小。能存储的信息量较小。外存储器（简称外存）又称辅助存储器外存储器（简称外存）又称辅助存储器,主要用于保存暂主要用于保存暂时不用但又需长期保留的程序和数据。时不用但又需长期保留的程序和数据。存放在外存的程序存放在外存的程序必须调入内存才能进行。外存的存取速度相对较慢必须调入内存才能进行。外存的存取速度相对较慢,但价但价格较便宜格较便宜,可保存的信息量大。可保存的信息量大。3.3.输入输入/输出接口（输出接口（I/OI/O接口）接口）输入输入/输出（输出（I/O）接口由大规模集成电）接口由大规模集成电路组成的路组成的I/O器件构成器件构成,用来连接主机和相应用来连接主机和相应的的I/O设备（如设备（如:键盘、键盘、鼠标、显示器、鼠标、显示器、打打印机等）印机等）,使得这些设备和主机之间传送的使得这些设备和主机之间传送的数据、信息在形式上和速度上都能匹配。数据、信息在形式上和速度上都能匹配。不同的不同的I/O设备必须配置与其相适应的设备必须配置与其相适应的I/O接接口。口。4.4.总线总线 总线（总线（BUS）是计算机各部件之间传）是计算机各部件之间传送信息的公共通道。微机中有内部总线和送信息的公共通道。微机中有内部总线和外部总线两类。内部总线是外部总线两类。内部总线是CPU内部之间内部之间的连线。外部总线是指的连线。外部总线是指CPU与其它部件之与其它部件之间的连线。间的连线。外部总线有三种外部总线有三种:数据总线数据总线DB（Data Bus）,地址总线地址总线 AB（Address Bus）和）和控制总线控制总线 CB（Control Bus）。）。1.3.3 基本工作过程基本工作过程 根据冯根据冯诺依曼原理构成的现代计算机诺依曼原理构成的现代计算机的工作原理可概括为的工作原理可概括为:存储程序和程序控制存储程序和程序控制。存储程序是指人们必须事先把计算机的执存储程序是指人们必须事先把计算机的执行步骤序列（即程序）及运行中所需的数行步骤序列（即程序）及运行中所需的数据据,通过一定的方式输入并存储在计算机的通过一定的方式输入并存储在计算机的存储器中。程序控制是指计算机能自动地存储器中。程序控制是指计算机能自动地逐一取出程序中的一条条指令逐一取出程序中的一条条指令,加以分析并加以分析并执行规定的操作。执行规定的操作。2.1.1 MCS-512.1.1 MCS-51单片机基本组成单片机基本组成2-1 MCS-512-1 MCS-51单片机内部结构单片机内部结构2.1.2 2.1.2 MCS-51MCS-51的内部结构的内部结构1 1 运算器运算器 ALUALU1.累加器累加器ACC（Accumulator）2.寄存器寄存器B（乘积高八位或除法余数）（乘积高八位或除法余数）3.程序状态字程序状态字PSW（Programe State Word）一、一、MCS-51MCS-51的的CPUCPU2 2 控制器控制器1 1）指令寄存器指令寄存器IRIR和指令译码器和指令译码器IDID 指指令令寄寄存存器器中中存存放放指指令令代代码码。CPU执执行行指指令令时时,由由程程序序存存储储器器中中读读取取的的指指令令代代码码送送入入指指令令寄寄存存器器,经经译译码码器器译译码码后后由由定定时时与与控控制制电电路路发发出出相相应应的的控控制制信信号号,完完成成指指令令所所指指定的操作。定的操作。PC用于存放用于存放CPU下一条要执行的指令下一条要执行的指令地址地址,是一个是一个 16 位的专用寄存器位的专用寄存器,可寻址范可寻址范围是：围是：0000H0FFFFH共共 64 KB。程序中的每条指令存放在程序中的每条指令存放在ROM区的某区的某一单元一单元,并都有自己的存放地址。并都有自己的存放地址。CPU 要要执行哪条指令时执行哪条指令时,就把该条指令所在的单元就把该条指令所在的单元的地址送上地址总线。的地址送上地址总线。在顺序执行程序中在顺序执行程序中,当当PC的内容被送到地址总线后的内容被送到地址总线后,会自动加会自动加 1,1,即即(PC)(PC)+1,又指向又指向CPU 下一条要下一条要执行的指令地址。执行的指令地址。2 2）程序计数器）程序计数器PCPC（Program CounterProgram Counter）3 3）堆栈指针堆栈指针SPSP（Stack PointerStack Pointer）3030页页8 8位寄存器位寄存器用于子程序调用及返回和中断的保护及返回用于子程序调用及返回和中断的保护及返回“先进后出先进后出”原则，保证逐级正确返回原则，保证逐级正确返回有栈顶和栈底有栈顶和栈底 指向站顶，栈顶自动加一指向站顶，栈顶自动加一复位后初始化为复位后初始化为07H07H，为避免冲突一般设，为避免冲突一般设30H30H以上以上4 4）数据指针寄存器数据指针寄存器DPTRDPTR 数据指针数据指针DPTR是一个是一个 16 16 位的专用寄存位的专用寄存器器,其高位字节寄存器用其高位字节寄存器用DPH表示表示,低位字节低位字节寄存器用寄存器用DPL表示。既可作为一个表示。既可作为一个 16 16 位寄位寄存器存器DPTR来处理来处理,也可作为两个独立的也可作为两个独立的 8 8 位寄存器位寄存器DPH和和DPL来处理。来处理。DPTR 主要用来存放主要用来存放 16 16 位地址位地址,当对当对 6464KB外部数据存储器空间寻址时外部数据存储器空间寻址时,作为间址作为间址寄存器用。在访问程序存储器时寄存器用。在访问程序存储器时,用作基址用作基址寄存器。寄存器。二二 80C5180C51的存储器结构的存储器结构80C5180C51存储器可以分成两大类：存储器可以分成两大类：RAM，CPU在运行时能随时进行数据的写入和读在运行时能随时进行数据的写入和读出，但在关闭电源时，其所存储的信息将丢失。出，但在关闭电源时，其所存储的信息将丢失。它用来存放暂时性的输入输出数据、运算的中间它用来存放暂时性的输入输出数据、运算的中间结果或用作堆栈。结果或用作堆栈。ROM是一种写入信息后不易改写的存储器。断电是一种写入信息后不易改写的存储器。断电后，后，ROM中的信息保留不变。用来存放固定的程中的信息保留不变。用来存放固定的程序或数据，如系统监控程序、常数表格等。序或数据，如系统监控程序、常数表格等。1 1、80C5180C51的程序存储器（的程序存储器（ROMROM）配置）配置PCPC是是1616位的计数器，所以能寻址位的计数器，所以能寻址64KB64KB的的ROMROM。80C5180C51内部有内部有4KB4KB的掩膜的掩膜ROMROM，87C5187C51在内部有在内部有4KB4KB的的EPROMEPROM，而，而80C3180C31在内部没有程序存储器。在内部没有程序存储器。片内片内ROM的配置形式：的配置形式：无无ROM（即（即ROMLess）型，应用时要在片外）型，应用时要在片外扩展程序存储器；扩展程序存储器；掩膜掩膜ROM（即（即MaskROM）型，用户程序由芯）型，用户程序由芯片生产厂写入；片生产厂写入；EPROM型，用户程序通过写入装置写入，通型，用户程序通过写入装置写入，通过紫外线照射擦除；过紫外线照射擦除；FlashROM型，用户程序可以电写入或擦除型，用户程序可以电写入或擦除（当前常用方式）。（当前常用方式）。还有还有OTPROM型（一次性编程写入型（一次性编程写入ROM）产品，产品，具有较高的环境适应性和可靠性。具有较高的环境适应性和可靠性。2 2、80C5180C51的数据存储器的数据存储器(RAM)(RAM)配置配置1 1）工作寄存器区）工作寄存器区 低端低端3232个字节分成个字节分成4 4个工作寄存器组，每组个工作寄存器组，每组8 8个单个单元。元。当前工作寄存器组的机制当前工作寄存器组的机制便于快速现场保护。便于快速现场保护。PSW的的RS1、RS0 决定当前工作寄存器组号决定当前工作寄存器组号 寄存器寄存器0组组：地址：地址00H07H；寄存器寄存器1组组：地址：地址08H0FH；寄存器寄存器2组组：地址：地址10H17H；寄存器寄存器3组组：地址：地址18H1FH。2 2）位寻址区）位寻址区