单片机-完整最新课件.ppt
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1、第二章第二章 MCS-51单片机的基本结构及单片机的基本结构及工作原理工作原理单片机原理及应用技术教学课件单片机原理及应用技术教学课件l lMCS-51单片机的基本结构及工作原理单片机的基本结构及工作原理uu 2-1 MCS2-1 MCS5151单片机的基本结构单片机的基本结构单片机的基本结构单片机的基本结构uu 2-2 MCS 2-2 MCS5151的存储器结构的存储器结构的存储器结构的存储器结构 uu 2-3 2-3 专用功能寄存器的专用功能寄存器的专用功能寄存器的专用功能寄存器的SFRSFRuu 2-4 2-4 单片机的工作方式与最小应用系统单片机的工作方式与最小应用系统单片机的工作方式
2、与最小应用系统单片机的工作方式与最小应用系统l l主要内容主要内容uuMCS-51MCS-51系列单片机的系列单片机的系列单片机的系列单片机的内部结构、存储器结构、内部结构、存储器结构、内部结构、存储器结构、内部结构、存储器结构、工作原理、引脚功能、工作方式、时序和最小应工作原理、引脚功能、工作方式、时序和最小应工作原理、引脚功能、工作方式、时序和最小应工作原理、引脚功能、工作方式、时序和最小应用系统用系统用系统用系统l l本章要点:本章要点:l l掌握掌握 uuMCS-51MCS-51单片机的单片机的单片机的单片机的内部结构内部结构内部结构内部结构、存储器结构存储器结构存储器结构存储器结构
3、、PSWPSW特殊功能寄存器的使用特殊功能寄存器的使用特殊功能寄存器的使用特殊功能寄存器的使用、引脚功能、最小引脚功能、最小引脚功能、最小引脚功能、最小应用系统的设计应用系统的设计应用系统的设计应用系统的设计;l l了解了解uu工作时序及工作方式。工作时序及工作方式。工作时序及工作方式。工作时序及工作方式。第一节第一节 MCS-51单片机的基本结构单片机的基本结构l l教学内容:教学内容:l l 一、一、MCS-51单片机内部结构单片机内部结构 l l 二、二、CPU l l 三、输入输出端口结构三、输入输出端口结构 l l 四、端口负载能力和接口要求四、端口负载能力和接口要求l l 五、五、
4、MCS-5l引脚及功能引脚及功能 MCS-51MCS-51系列单片机配置一览表系列单片机配置一览表系列片内存储器(字节)定时器计数器并行I/O串行I/O中断源片内ROM片内RAM无有ROM有EPROMIntelMCS-51子系列803180C31805180C51(4K字节)875187C51(4K字节)128字节2x164x8位15IntelMCS-52子系列803280C32805280C52(8K字节)875287C52(8K字节)256字节3x164x8位16ATEMLATEML89C89C系列系列(常用型常用型)10511051(1(1K)K)/20512051(2K)(2K)/40
5、514051(4K)(4K)(2020条引脚条引脚DIPDIP封装)封装)1281282 215151 15 58989C51C51(4K)(4K)/89C5289C52(8K)(8K)(4040条引脚条引脚DIPDIP封装)封装)128/128/2562562/32/332321 15/65/6单片机原理及应用技术教学课件单片机原理及应用技术教学课件一、一、MCS-51内部结构内部结构并行口并行口并行口并行口 串行通信串行通信串行通信串行通信ROM 4KB时钟电路RAM 128计数器/定时器8051CPU控制逻辑可编程I/O口可编程全双工串行口外部时钟外部时钟外部时钟外部时钟图图2-1 80
6、51的功能部件图的功能部件图外部中断外部中断外部中断外部中断单片机原理及应用技术教学课件单片机原理及应用技术教学课件二二、CPUl主要功能:主要功能:产生各种控制信号,去控制存储产生各种控制信号,去控制存储器、输入输出端口的数据传送、数据的算器、输入输出端口的数据传送、数据的算术运算、逻辑运算以及位操作处理等。术运算、逻辑运算以及位操作处理等。(一)运算器(一)运算器 组成:组成:运算器由算术逻运算部件运算器由算术逻运算部件ALU、累加累加器器Acc、暂存器、程序状态字寄存器暂存器、程序状态字寄存器PSW、BCD码运算调整电路等组成码运算调整电路等组成。对数据完成对数据完成算术运算算术运算,逻
7、辑运算逻辑运算、循环移位循环移位、位处理位处理。(二)控制器(二)控制器组组成成:由由程程序序计计数数器器PC、指指令令寄寄存存器器、指指令令译码器、定时控制与条件转移逻辑电路等组成。译码器、定时控制与条件转移逻辑电路等组成。功能:功能:对来自存储器中的对来自存储器中的指令进行译码指令进行译码,通过,通过定时控制电路,定时控制电路,在规定的时刻发出各种操作所在规定的时刻发出各种操作所需的全部内部和外部控制信号需的全部内部和外部控制信号,协调各功能元,协调各功能元件的工作,完成指令所规定的功能。件的工作,完成指令所规定的功能。特点:特点:它是它是1616位位的按机器周期的按机器周期自动加自动加1
8、 1计数器计数器一切一切分支分支/跳转跳转/调用调用/中断中断/复位复位 等操作等操作的的本质本质就是就是:改变改变 PC PC 值值总指向下一条指令所在首地址总指向下一条指令所在首地址(当前当前PCPC值值)1程序计数器程序计数器PC(Program Counter)一个一个16位的专用寄存器,用来存放下一位的专用寄存器,用来存放下一条指令的地址。它具有条指令的地址。它具有自动加自动加1的功能。的功能。l l2指令寄存器指令寄存器 一个一个8位的寄存器,用于暂存待执行的指位的寄存器,用于暂存待执行的指令,等待译码。令,等待译码。l l3指令译码器指令译码器 对指令寄存器中的指令进行译码,分析
9、它对指令寄存器中的指令进行译码,分析它的功能,并根据功能产生相应的电信号。的功能,并根据功能产生相应的电信号。l l4数据指针数据指针DPTR 是一个是一个16位的位的地址指针寄存器。它主要用地址指针寄存器。它主要用来存放来存放16位地址,作间址寄存器使用。位地址,作间址寄存器使用。可用可用来访问来访问64K外部数据存储器和外部数据存储器和I/O端口端口。DPTR也可以拆成两个独立也可以拆成两个独立8位寄存器,位寄存器,即即DPH(高(高8位字节)和位字节)和DPL(低(低8位字节)位字节),分别占据分别占据83H和和82H两个地址。两个地址。5 5.定时控制部件与时序定时控制部件与时序 功能
10、:功能:在规定的时刻发出各种操作所需的全部在规定的时刻发出各种操作所需的全部内部和外部的控制信号,协调各功能元件工作,内部和外部的控制信号,协调各功能元件工作,完成指令所规定的功能。完成指令所规定的功能。主要任务:主要任务:产生一个工作时序,其工作需要时产生一个工作时序,其工作需要时钟电路提供一个工作频率。钟电路提供一个工作频率。(1)时钟电路设计)时钟电路设计XTAL1,XTAL2:接外部晶振的两个引脚。接外部晶振的两个引脚。MCS-51内部有一个用于构成内部有一个用于构成振荡器振荡器的的高增高增益反相放大器益反相放大器,此放大器的输入和输出端分,此放大器的输入和输出端分别是引脚别是引脚XT
11、AL1和和XTAL2,在,在XTAL1和和XTAL2上外接时钟源即可构成时钟电路。上外接时钟源即可构成时钟电路。(1)时钟电路设计)时钟电路设计XTAL1,XTAL2:接外部晶振的两个引脚。接外部晶振的两个引脚。单片机晶振提供的时钟频率越高,那么单片单片机晶振提供的时钟频率越高,那么单片机运行速度就越快,单片接的一切指令的执机运行速度就越快,单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。有有内部内部和和外部外部两种时钟产生方式。两种时钟产生方式。单片机的生产工艺不同,接法也不同。单片机的生产工艺不同,接法也不同。在在XTALl和和XTAL2两两
12、端端接接晶晶体体或或陶陶瓷瓷谐谐振振器器,与与内内部部反反向向器器构构成成稳稳定的自激振荡器。定的自激振荡器。参数选取:参数选取:C1、C2起稳定振荡频起稳定振荡频率,快速起振的作用。率,快速起振的作用。外接晶振时:外接晶振时:Cl和和C2选择选择1030pF外接陶瓷谐振器时:外接陶瓷谐振器时:Cl和和C2的典型值约为的典型值约为4010pF。振荡频率范围一般是振荡频率范围一般是1.2MHz12MHz,有的,有的可达可达40MHz。l l设计印刷电路板时,晶体和电容应设计印刷电路板时,晶体和电容应尽可能安装尽可能安装在单片机芯片附近在单片机芯片附近,以减少寄生电容,保证振,以减少寄生电容,保证
13、振荡器稳定和可靠工作。荡器稳定和可靠工作。(2)CPU的时序的时序80C51的片内振荡器及时钟发生器的片内振荡器及时钟发生器l l振荡信号经一个振荡信号经一个二分频触发器二分频触发器向芯片提供向芯片提供了一个了一个2节拍节拍的状态信号。的状态信号。l l状态周期状态周期是是振荡周期(时钟周期)振荡周期(时钟周期)的的2倍倍。l l每个每个状态周期状态周期有两个节拍有两个节拍P1和和P2。在每个。在每个状态的前半周期,节拍状态的前半周期,节拍P1有效,在每个状有效,在每个状态的后半周期,节拍态的后半周期,节拍P2有效。有效。l lCPU就以两相时钟就以两相时钟P1和和P2为基本节拍指挥为基本节拍
14、指挥51单片机各个部件协调地工作。单片机各个部件协调地工作。CPUCPU总是按照一定的时钟节拍与时序工作:总是按照一定的时钟节拍与时序工作:振荡周期(时钟周期)振荡周期(时钟周期):晶振频率晶振频率foscfosc(或外加频率)或外加频率)的倒数的倒数状态周期:状态周期:2 2个振荡周期个振荡周期机器周期:完成一个规定操作机器周期:完成一个规定操作所需要的时间。所需要的时间。如,取指令、存储器读、存储器写等;如,取指令、存储器读、存储器写等;1 1个机器周期个机器周期=6 6个状态周期个状态周期=1212个振荡周期个振荡周期指令周期指令周期:执行一条指令所需的机器周期数执行一条指令所需的机器周
15、期数 1 1个机器周期个机器周期=12=12个振荡周期;个振荡周期;1 1个指令周期个指令周期=1=1、2 2或或4 4个机器周期个机器周期思考:思考:若采用若采用12MHz12MHz的晶振频率,其机器周期的晶振频率,其机器周期=?单片机原理及应用技术教学课件单片机原理及应用技术教学课件l l通常,每个机器周期中,通常,每个机器周期中,通常,每个机器周期中,通常,每个机器周期中,ALEALE两次两次两次两次有效,第一次有效,第一次有效,第一次有效,第一次出现在出现在出现在出现在S S1 1P P2 2和和和和S S2 2P P1 1期间,第二次出现在期间,第二次出现在期间,第二次出现在期间,第
16、二次出现在S S4 4P P2 2和和和和S S5 5P P1 1期间。期间。期间。期间。CPU取指、执行时序取指、执行时序l l每条指令的执行都可以包括每条指令的执行都可以包括每条指令的执行都可以包括每条指令的执行都可以包括取指令取指令取指令取指令和和和和执行执行执行执行两个阶段。两个阶段。两个阶段。两个阶段。l l在取指阶段,根据在取指阶段,根据在取指阶段,根据在取指阶段,根据程序计数器程序计数器程序计数器程序计数器PCPC的内容,的内容,的内容,的内容,CPUCPUCPUCPU从从从从内内内内部部部部或或或或外部外部外部外部ROMROMROMROM中取出中取出中取出中取出指令操作码及操作
17、数指令操作码及操作数指令操作码及操作数指令操作码及操作数,然后再执,然后再执,然后再执,然后再执行这条指令。行这条指令。行这条指令。行这条指令。l l按指令执行时间分类:按指令执行时间分类:按指令执行时间分类:按指令执行时间分类:uu单周期、双周期、四周期单周期、双周期、四周期单周期、双周期、四周期单周期、双周期、四周期l l按指令所占字节数分类:按指令所占字节数分类:按指令所占字节数分类:按指令所占字节数分类:uu单字节、双字节、三字节单字节、双字节、三字节单字节、双字节、三字节单字节、双字节、三字节 各指令的微操作在时间上有严格的次序,各指令的微操作在时间上有严格的次序,各指令的微操作在时
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