单片机第二章单片机的结构和原理精.ppt
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1、单片机第二章单片机单片机第二章单片机的结构和原理的结构和原理第1页,本讲稿共44页2.1 80C512.1 80C51系列单片机总体基本结构系列单片机总体基本结构第2页,本讲稿共44页8051/80528051/8052系列单片机主要包括以下功能部件:系列单片机主要包括以下功能部件:8 8位位CPU:CPU:(1)(1)运算器:运算器:由ALU、暂存器(1、2)、ACC、B、PSW和一个布尔处理器(作位运算)等组成。用于实现算术运算和逻辑运算。(2 2)控制器:)控制器:由PC、DPTR、IR、ID等组成。是计算机的控制指挥部件,使计算机各部份能自动协调的工作。存储器存储器:用于存放程序和数据
2、 4K/8K片内片内程序存储器(ROM/EPROM/EEPROM);128/256字节的片内RAM;可寻址外部外部程序存储器和数据存储器各64K;Princeton结构,Har-vard结构介绍第3页,本讲稿共44页2/32/3个个1616位定时器位定时器/计数器计数器(timer/counter);精确定时、对外部事件计数;1 1个个全全双双工工异异步步串串行行口口(seril port、UART),以实现单片机和其它设备之间的串行数据传送。;5/65/6个中断源,个中断源,2 2个中断优先级,个中断优先级,51单片机的中断功能较强,以满足不同控制应用的需要。具有位寻址能力具有位寻址能力(b
3、it)(bit);片内振荡器和时钟电路片内振荡器和时钟电路(osc)(osc),时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列。第4页,本讲稿共44页2.2 80C51单片机的引脚功能及结构框图2.2.1 80512.2.1 8051单片机的引脚功能单片机的引脚功能 80C51双列直插式封装PDIP的引脚图。第5页,本讲稿共44页AT89C51有PDIP、PQFP、TQFP PLCC、LCC等多种封装形式第6页,本讲稿共44页根据引脚功能可分为根据引脚功能可分为4 4类:类:(1)(1)电源引脚电源引脚:Vcc(40)、Vss(20)(2)(2)时钟电路引脚时钟电路引脚:XTAL1(19):XTAL1(19
4、):反相振荡放大器输入端和内部时钟发生电路输入。XTAL2(18):片内振荡器反向器输出端。(3)(3)控制信号引脚控制信号引脚RST/Vpd:复位输入/备用电源输入,当晶振在运行中只要复位管脚出现2个机器周期高电平即可复位。ALE/PROG:地址锁存输出信号/编程脉冲输入信号/PSEN:片外程序存储器选通信号(从EPROM/ROM中读取指令)/EA/Vpp:外部程序存储器访问允许信号,输入/编程电压输入当/EA接高电平时,CPU只访问及执行片内EPROM/ROM,但当PC的值超过0FFFH(对8751/8051为4KB)时,将自动转去执行片外程序存储器的内容;当/EA接低电平时,CPU只访问
5、及执行片外EPROM/ROM中的程序;Vpp=12V21V,对8751片内的EPROM固化程序 ALE、/PSEN的负载能力:8个LS型TTL第7页,本讲稿共44页(4 4)输入输入/输出端口输出端口:P0-P3P0口:8位漏极开路双向I/O口,寻址外部存储器时,分时使用(复用)作数据和外部存储器低8位地址,有8个TTL负载的驱动能力。作输出口时,输出高电平要接上拉电阻。P1口:8位准双向I/O口,4个TTL负载的驱动能力。P2口:8位准双向I/O口,寻址外部存储器时作外部存储器高8位地址,具有4个TTL负载的驱动能力。P3口:8位准双向I/O口,有4个TTL负载的驱动能力,同时具有第二功能。
6、P3.0:RXD串行接收,输入。P3.1:TXD串行发送,输出。P3.2:/INT0外部中断0请求,输入,低电平或下降沿有效。P3.3:/INT1外部中断1请求,输入,低电平或下降沿有效。P3.4:T0定时/计数器0外部,输入。P3.5:T1定时/计数器1外部,输入。P3.6:/WR外部RAM写信号,输出,低电平有效。P3.7:/RD外部RAM读信号,输出,低电平有效。第8页,本讲稿共44页2.2.2 8051单片机的内部结构框图及组成第9页,本讲稿共44页2.3 80C51 CPU2.3 80C51 CPU的结构和特点的结构和特点CPU包括:控制器、运算器、工作寄存器及时序电路。2.3.1
7、2.3.1 中央控制器中央控制器由PC、DPTR(DPH、DPL)、IR、ID等组成地址寄存器地址寄存器PCPC和和DPTRDPTR程序计数器程序计数器PC PC 指明即将执行的下一条指令的地址,16位,寻址64KB范围,复位时PC=0000H。PC的作用是用来存放将要执行的指令地址,共16位,可对64K ROM直接寻址,在外扩存储器时,PC低8位经P0口输出,高8位经P2口输出。也就是说,程序执行到什么地方,程序计数器PC就指到哪里,它始终是跟着程序的执行。我们知道,用户程序是存放在内部的ROM中的,我们要执行程序就要从ROM中一个个字节的读出来,然后到CPU中去执行,那么ROM具体执行到哪
8、一条呢?这就需要我们的程序计数器PC来指示。程序计数器程序计数器PCPC的基本工作方式:的基本工作方式:具有自动加1的功能,即从存储器中读出一个字节的指令码后,PC自动加1(指向下一个存储单元),这是最基本工作方式。执行转移时,PC被置入新值,程序的流程就发生变化。在执行调用、或响应中断时,PC被保护后被置入新值。第10页,本讲稿共44页数据指针数据指针 DPTRDPTR是一个16位的特殊功能寄存器,可分为2个8位的寄存器(DPH、DPL)在访问外部数据存储器和程序存储器时,必须以DPTR为数据指针通过ACC进行访问。PCPC与与DPTRDPTR的比较:的比较:两者都是与地址有关,PC与程序存
9、储器的地址有关,DPTR与数据存储器的地址有关;PC只能作为16位的寄存器,能自动加1,是不可以访问的,它的变化改变程序的执行流程;而DPTR可以作为16位的寄存器,也可分为2个8位的寄存器,是可以访问的。3)3)指令寄存器指令寄存器IRIR、指令译码器、指令译码器IDID、及控制逻辑、及控制逻辑指令寄存器指令寄存器IRIR的作用就是用来存放即将执行的指令代码。指令译码器指令译码器IDID用于对送入指令寄存器中的指令进行译码,所谓译码就是把指令转变成执行此指令所需要的电信号。定时控制逻辑电路定时控制逻辑电路根据指令的性质发出一系列定时控制信号,控制计算机的各个组成部分进行相应的工作,执行指令。
10、CPU执行指令的过程,首先由程序存储器(ROM)中读取指令代码送入到指令寄存器,经译码器译码后再由定时与控制电路发出相应的控制信号,从而完成指令的功能。第11页,本讲稿共44页2.3.2 2.3.2 运算器运算器运算器运算器由ALU、暂存器(1、2)、累加器ACC、寄存器B、程序状态字PSW、BCD运算修正电路和一个布尔处理器(作位运算)等组成。1.算术逻辑运算单元ALU第12页,本讲稿共44页运算器主要功能运算器主要功能8位算术运算;增量或减量;8位逻辑运算;十进制数调整(BCD);位操作(置1清0取反);左移位、右移位;半字节交换;2.2.累加器累加器 通常用A或ACC表示,使用最频繁。其
11、作用:因为在运算器做运算时其中一个数一定是在ACC中的缘故。所有的运算类指令都离不开它。CPU中的数据传送大多都通过累加器,是一个数据的中转站。自身带有全零标志Z,若A0则Z1;若A0则z0。该标志常用作程序分枝转移的判断条件。3.B 3.B 寄存器。寄存器。在做乘、除法时放乘数或除数,不做乘除法时,可做通用寄存器用。第13页,本讲稿共44页4.4.程程序序状状态态字字PSWPSW:(Program(Program Status Status Word)Word)是一个8位特殊功能寄存器,这是存放CPU工作时的很多状态,通过它可以了解CPU的当前状态,并作出相应的处理。它的各位功能请看下表下面
12、我们逐一介绍各位的用途:(1 1)CYCY:进位标志。:进位标志。8051中的运算器是一种8位的运算器,8位运算器放最大数255,如果做加法的话,两数相加可能会超过255,这样最高位就会丢失,最高位就进到这里。例:78H+97H(01111000+10010111)(2 2)ACAC:辅助进位标志(半进位标志):辅助进位标志(半进位标志)例:57H+3AH(01010111+00111010)(3 3)F0F0:用户标志位,:用户标志位,由编程人员决定什么时候用,什么时候不用。第14页,本讲稿共44页(4 4)RS1RS1、RS0RS0:工作寄存器组选择位。:工作寄存器组选择位。(5 5)0V
13、0V:溢出标志位。:溢出标志位。(6 6)P P:奇偶校验位:奇偶校验位:它用来表示ALU运算结果中二进制数位“1”的个数的奇偶性。若为奇数,则P1,否则为0。例:某运算结果是78H(01111000),显然1的个数为偶数,所以P=0。第15页,本讲稿共44页2.3.3 2.3.3 时钟电路及时钟电路及CPUCPU的工作时序的工作时序1.1.时钟电路时钟电路计算机工作时,是在统一的时钟脉冲控制下一拍一拍地进行的。这个脉冲是由单片机控制器中的时序电路发出的。单片机的时序就是CPU在执行指令时所需控制信号的时间顺序,为了保证各部件间的同步工作,单片机内部电路应在唯一的时钟信号下严格地控时序进行工作
14、,在学习51单片机的时序之前,我们先来了解下时序相关的一些概念。8051单片机内部有一个高增益反相放大器,这个反相放大器的作用就是用于构成振荡器用的,但要形成时钟,外部还需要加一些附加电路。8051单片机的时钟产生有以下两种方法:一、内部时钟方式:一、内部时钟方式:利用单片机内部的振荡器,然后在引脚XTAL1(18脚)和XTAL2(19脚)两端接晶振,就构成了稳定的自激振荡器,其发出的脉冲直接送入内部时钟电路,外接晶振时,晶振两端的电容一般选择为30PF左右;这两个电容对频率有微调的作用,晶振的频率范围可在1.2MHz-12MHz之间选择。为了减少寄生电容,更好地保证振荡器稳定、可靠地工作,振
15、荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近。二、外部时钟方式:二、外部时钟方式:此方式是利用外部振荡脉冲接入XTAL1或XTAL2。HMOS和CHMOS单片机外时钟信号接入方式不同,HMOS型单片机(8051)外时钟信号由XTAL2端脚注入后直接送至内部时钟电路,输入端XTAL1应接地。对于CHMOS型的单片机(80C51),因内部时钟发生器的信号取自反相器的输入端,故采用外部时钟源时,接线方式为外时钟信号接到XTAL1而XTAL2悬空。如下图第16页,本讲稿共44页80C51的时钟电路:第17页,本讲稿共44页2 2、时序定时单位:、时序定时单位:一般按指令的执行过程规定了几中周期,即时钟周期
16、时钟周期、机器周期机器周期和指令周期指令周期,也称为时序定时单位,下面分别予以讲解。一、时钟周期一、时钟周期 时钟周期也称为振荡周期,定义为时钟脉冲的倒数时钟周期也称为振荡周期,定义为时钟脉冲的倒数(时钟周期就是单片机外接晶振的倒数,例如12M的晶振,它的时间周期就是1/12 us),是计算机中最基本的、最小的时间单位。在一个时钟周期内,CPU仅完成一个最基本的动作。对于某种单片机,若采用了1MHZ的时钟频率,则时钟周期为1us;若采用4MHZ的时钟频率,则时钟周期为250us。由于时钟脉冲是计算机的基本工作脉冲,它控制着计算机的工作节奏(使计算机的每一步都统一到它的步调上来)。显然,对同一种
17、机型的计算机,时钟频率越高,计算机的工作速度就越快。但是,由于不同的计算机硬件电路和器件的不完全相同,所以其所需要的时钟周频率范围也不一定相同。我们学习的80C51单片机的时钟范围是单片机的时钟范围是1.2MHz-40MHz1.2MHz-40MHz。在8051单片机中把一个时钟周期一个时钟周期定义为一个定义为一个节拍节拍(用(用P P表示),二个节拍定义为一个表示),二个节拍定义为一个状态周期状态周期(用(用S S表示)表示)二、机器周期二、机器周期 在计算机中,常把一条指令的执行过程划分为若干个阶段,每一阶段完成一项工作。例如,取指令、存储器读、存储器写等,这每一项工作称为一个基本操作基本操
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- 单片机 第二 结构 原理
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