《片机硬件结构》PPT课件.ppt

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1、第第3讲（讲（2011-03-17）10-11第第2学期第学期第3周周汽车单片机汽车单片机1.1.总体结构；总体结构；2.2.引脚功能；引脚功能；3.CPU3.CPU；4.4.存储器的结构；存储器的结构；5.5.复位操作和复位电路；复位操作和复位电路；6.6.时钟时序；时钟时序；第第2章章 MCS-51单片机硬件结构单片机硬件结构复习：复习：MCS-51 MCS-51的的CPUCPU 由由运算器运算器和和控制器控制器所构成所构成2.2.1 2.2.1 运算器运算器1 1算术逻辑运算单元算术逻辑运算单元ALUALU2 2累加器累加器A A （8 8位）位）3 3程序状态字寄存器程序状态字寄存器P

2、SWPSW 。2.2.2 2.2.2 控制器控制器程序计数器程序计数器PCPC（Program CounterProgram Counter）（）（1616位）位）存放存放下一条下一条要执行的指令在程序存储器中的地址。要执行的指令在程序存储器中的地址。P1P1口口P3P3口口P0P0口口P2P2口口 时钟端时钟端 复位端复位端控制信号控制信号 接接VCCVCC（+5V+5V）接地端接地端P27P27复习：复习：MCS-51 MCS-51的引脚的引脚2.4 MCS-512.4 MCS-51存储器的结构存储器的结构哈佛（哈佛（Har-vardHar-vard）结构）结构 存储器空间可划分为存储器空

3、间可划分为5 5类：类：1.1.程序存储器空间程序存储器空间 80318031无内部程序存储器。无内部程序存储器。2.2.内部数据存储器空间内部数据存储器空间 3.3.特殊功能寄存器特殊功能寄存器 4.4.位地址空间位地址空间 211211个可寻址位。个可寻址位。5.5.外部数据寄存器空间外部数据寄存器空间 片外可扩展片外可扩展64K64K字节字节RAMRAM。内部数据存储器内部数据存储器（a）外部数据存储器外部数据存储器（b）MCS-51单片机存储器空间分配单片机存储器空间分配特特殊殊功功能能寄寄存存器器00H1FH20H2FH30H7FH80HFFH80H88H90H98HA0HA8HB0

4、HB8HD0HE0HF0H特特殊殊功功能能寄寄存存器器中中位位寻寻址址外部外部ROM内部内部ROM(EA=1)外部外部ROM(EA=0)0000H0000H0FFFH0FFFH1000HFFFFH外外 部部RAM(I/O口口地址地址)0000HFFFFH程序存储器程序存储器（c）工作寄工作寄存器区存器区位寻址区位寻址区通用通用RAM区区返回WRWRRDRD3232字节字节1616字节字节8080字节字节128128字节字节(21(21可用可用)64kB64kB？60kB60kB4kB4kB4kB4kB教材教材P30P302.4.1 2.4.1 程序存储器程序存储器 l 存放应用程序和表格之类的

5、固定常数。存放应用程序和表格之类的固定常数。l 分为片内和片外两部分，由分为片内和片外两部分，由EAEA*引脚上所接电平确定引脚上所接电平确定 程序存储器中的程序存储器中的0000H0000H地址是系统程序的启动地址地址是系统程序的启动地址 5 5个单元具有特殊用途个单元具有特殊用途 (教材教材7 7个，最后一个为个，最后一个为5252系列系列)5 5种中断源的中断入口地址种中断源的中断入口地址外中断外中断0 0003H0 0003H定时器定时器T0 000BHT0 000BH外中断外中断1 0013H 1 0013H 定时器定时器T1 001BH T1 001BH 串行口串行口 0023H0

6、023H程序存储器地址空间程序存储器地址空间入口单元入口单元地址地址预留目的预留目的存储单元范围存储单元范围0000H复位后初始化引导程序复位后初始化引导程序0000H0002H0003H外部中断外部中断0服务程序服务程序0003H000AH000BH定时器定时器0溢出中断服务程序溢出中断服务程序000BH0012H0013H外部中断外部中断1服务程序服务程序0013H001AH001BH定时器定时器1溢出中断服务程序溢出中断服务程序001BH0022H0023H串行端口中断服务程序串行端口中断服务程序0023H002AH002BH定时器定时器2中断中断(8052)服务程序服务程序002BH0

7、000H：系统的启动单元系统复位：系统的启动单元系统复位 后，单片机从此处开始取指后，单片机从此处开始取指 令开始执行令开始执行0003H：外部中断：外部中断0入口地址入口地址000BH：定时器：定时器/计数器计数器0中断入口地中断入口地 址址0013H：外部中断：外部中断1入口地址入口地址001BH：定时器：定时器/计数器计数器1中断入口地中断入口地 址址0023H：串行中断入口地址：串行中断入口地址PCPC2.4.2 2.4.2 内部数据存储器内部数据存储器 共128128个字节个字节字节地址为字节地址为00H00H7FH7FH。00H00H1FH1FH：3232个单个单元，是元，是4 4

8、组通用工作组通用工作寄存器区寄存器区 20H20H2FH2FH：1616个单个单元，可进行元，可进行128128位的位的位寻址位寻址 30H30H7FH7FH：用用户户RAMRAM区区，只只能能进进行行字字节节寻寻址址，用用作作数数据据缓缓冲冲区区以及堆栈区。以及堆栈区。低128B教材教材P32P32工作寄存器区工作寄存器区00H2FH7FH1FH20H30H00H10H08H18H1FH组号组号RS1RS0R7R6R5R4R3R2R1R000007H06H05H04H03H02H01H00H1010FH0EH0DH0CH0BH0AH09H08H21017H16H15H14H13H12H11H

9、10H3111FH1EH1DH1CH1BH1AH19H18H 低端低端32个字节分成个字节分成4个工作寄存器个工作寄存器组，每组组，每组8个单元（个单元（R0R7）。当前）。当前工作寄存器组的机制便于快速现场保工作寄存器组的机制便于快速现场保护。护。特殊功能寄存器特殊功能寄存器PSW的的RS1、RS0两位决定当前工作寄存器组号。两位决定当前工作寄存器组号。00H2FH7FH1FH20H30H16字节位寻址区（共字节位寻址区（共128位）位）一般数据存储区一般数据存储区00H2FH7FH1FH20H30H 位寻址区之后的位寻址区之后的30H-7FH30H-7FH共共8080个字节为通用个字节为通

10、用RAMRAM区，也区，也称用户区，这些单元可以作为称用户区，这些单元可以作为数据缓冲器使用。这一区域的数据缓冲器使用。这一区域的操作指令非常丰富，数据处理操作指令非常丰富，数据处理方便灵活。方便灵活。在实际应用中，常需在此在实际应用中，常需在此区设置堆栈。区设置堆栈。2.4.3 2.4.3 特殊功能寄特殊功能寄存器（存器（SFRSFR）CPUCPU对对各各种种功功能能部部件件的的控控制制采采用用特特殊殊功功能能寄寄存存器器集集中中控控制制方方式式，共共2121个个。有有的的SFRSFR可可进进行行位位寻寻址址，其其字字节节地地址址的的末末位位是是0H0H或或8H8H。表表2-2 SFR的名称

11、及其分布的名称及其分布(高高128B)SFRSFR中的某些寄存器中的某些寄存器 1 1堆栈指针堆栈指针SPSP 指示出堆栈顶部在内部指示出堆栈顶部在内部RAMRAM块中的位置块中的位置 复位后复位后 ，SPSP中的内容为中的内容为07H07H。（1 1）保护断点）保护断点（2 2）现场保护）现场保护堆栈堆栈向上生长向上生长 2.2.数据指针数据指针DPTRDPTR 16 16位特殊功能寄存器，位特殊功能寄存器，高位字节寄存器用高位字节寄存器用DPHDPH表表示，低位字节寄存器用示，低位字节寄存器用DPLDPL表示。表示。3.I/O3.I/O端口端口P0P0P3P3 P0P0P3P3分别为分别为

12、I/OI/O端口端口P0P0P3P3的锁存器。的锁存器。4.4.寄存器寄存器B B 为执行乘法和除法操作设置的。为执行乘法和除法操作设置的。在不执行乘、除的情况下，可当作一个普通寄存器在不执行乘、除的情况下，可当作一个普通寄存器来使用。来使用。5.5.串行数据缓冲器串行数据缓冲器SBUFSBUF 存放欲发送或已接收的数据，一个字节地址，物理存放欲发送或已接收的数据，一个字节地址，物理上是由两个独立的寄存器组成，一个是发送缓冲器，上是由两个独立的寄存器组成，一个是发送缓冲器，另一个是接收缓冲器。另一个是接收缓冲器。6.6.定时器定时器/计数器计数器 两两个个1616位位定定时时器器/计计数数器器

13、T1T1和和T0T0，各各由由两两个个独独立立的的8 8位位寄寄存存器器组组成成：TH1TH1、TL1TL1、TH0TH0、TL0TL0，只只能能字字节节寻寻址址，但但不不能能把把T1T1或或T0T0当当作作一一个个1616位位寄寄存存器器来来寻寻址访问。址访问。2.4.4 2.4.4 位地址空间位地址空间 211211个（个（128128个个+83+83个）寻址位个）寻址位。位地址范。位地址范围为：围为：00H00HFFHFFH。内部内部RAMRAM的可寻址位的可寻址位128128个个(字节地址字节地址20H20H2FH)2FH)见图见图2-62-6（P33P33）。特殊功能寄存器特殊功能寄

14、存器SFRSFR为为8383个个可寻址位，见可寻址位，见表表2-42-4（P34P34）。内部的可寻址位及位地址内部的可寻址位及位地址表表2-4 SFR中的位地址分布中的位地址分布 2.4.5 2.4.5 外部数据存储器外部数据存储器 最多可最多可外扩外扩64K64K字节字节的的RAMRAM或或I/OI/O。几点注意：几点注意：(1)(1)地址的重叠性地址的重叠性 程序存储器与数据存储器全部程序存储器与数据存储器全部64K64K字节地址空间重叠字节地址空间重叠(2)(2)程序存储器与数据存储器在使用上是严格区分的程序存储器与数据存储器在使用上是严格区分的(3)(3)位地址空间共有两个区域位地址

15、空间共有两个区域 (4)(4)片外与片内数据存储器由指令来区分片外与片内数据存储器由指令来区分(5)(5)片外数据存储区中，片外数据存储区中，RAMRAM与与I/OI/O端口统一编址端口统一编址。所有外围所有外围I/OI/O端口的地址均占用端口的地址均占用RAMRAM地址单元，使用与访问地址单元，使用与访问外部数据存储器相同的传送指令。外部数据存储器相同的传送指令。2.5 2.5 复位操作和复位电路复位操作和复位电路2.5.1 2.5.1 复位操作复位操作单片机的初始化操作，摆脱死锁状态。单片机的初始化操作，摆脱死锁状态。引脚引脚RSTRST加上加上大于大于2 2个机器周期（即个机器周期（即2

16、424个时钟振荡个时钟振荡周期）的高电平就可使周期）的高电平就可使MCS-51MCS-51复位。复位。复位时，复位时，PCPC初始初始化为化为0000H0000H，使，使MCS-51MCS-51单片机从单片机从0000H0000H单元开始执行程单元开始执行程序。序。除除PCPC之外，复位操作还对其它一些寄存器有影响，之外，复位操作还对其它一些寄存器有影响，见见表表2-52-5(P37)(P37)。SP=07H SP=07H，P0-P3P0-P3的引脚均为高电平的引脚均为高电平。在复位有效期间，在复位有效期间，ALEALE脚脚和和PSENPSEN*脚脚均为高电平，均为高电平，内部内部RAMRAM

17、的状态不受复位的影响。的状态不受复位的影响。MCS-51单片机各寄存器的复位状态单片机各寄存器的复位状态 00HTCON0000HPC00HTMOD00000BPCON0000000BIE不定不定SBUF 000000BIP00HSCON0FFHP0P300HTH10000HDPTR00HTL107HSP00HTH000HPSW00HTL000HACC复位状态复位状态寄存器寄存器复位状态复位状态寄存器寄存器2.5.2 2.5.2 复位电路复位电路 片内复位结构：片内复位结构：上电自动复位上电自动复位和和按钮复位按钮复位 最简单的上电自动复位电路最简单的上电自动复位电路:按键手动复位按键手动复位

18、，有，有电平方式电平方式和和脉冲方式脉冲方式两种。两种。电平方式电平方式 脉冲方式脉冲方式两种实用的兼有上电复位与按钮复位的电路。两种实用的兼有上电复位与按钮复位的电路。图图2-192-19中中（b b）的的电电路路能能输输出出高高、低低两两种种电电平平的的复复位位控控制制信号，以适应外围信号，以适应外围I/OI/O接口芯片所要求的不同复位电平信号。接口芯片所要求的不同复位电平信号。74LS12274LS122为为单单稳稳电电路路，实实验验表表明明，电电容容C C的的选选择择约约为为0.10.1 F F较好。较好。2.6 2.6 时钟电路与时序时钟电路与时序 时时钟钟电电路路用用于于产产生生单

19、单片片机机工工作作所所必必需需的的时时钟控制信号。钟控制信号。2.6.1 2.6.1 时钟电路时钟电路 时时钟钟频频率率直直接接影影响响单单片片机机的的速速度度，电电路路的的质质量量直直接接影影响响系系统统的的稳稳定定性性。常常用用的的时时钟钟电电路路有两种方式：有两种方式：内部时钟内部时钟方式和方式和外部时钟外部时钟方式。方式。一、内部时钟方式一、内部时钟方式 内部有一个用于构成振荡器的内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器高增益反相放大器，其输入端：其输入端：XTAL1XTAL1，输出端：，输出端：XTAL2XTAL2。C1和和C2典型值通典型值通常选择为常选择为30pF左右。左右。晶

20、体的振荡频率晶体的振荡频率在在1.2MHz12MHz之间。之间。某些高速单片机某些高速单片机芯片的时钟频率已芯片的时钟频率已达达40MHz。二、外部时钟方式二、外部时钟方式 常用于多片常用于多片MCS-51MCS-51单片机同时工作。单片机同时工作。三、时钟信号的输出三、时钟信号的输出为应用系统中的其它芯片提供时钟，但需增加驱为应用系统中的其它芯片提供时钟，但需增加驱动能力。动能力。2.6.2 2.6.2 机器周期、指令周期与指令时序机器周期、指令周期与指令时序一、时钟周期一、时钟周期单片机的单片机的基本时间单位基本时间单位。若时钟的晶体的振荡频率为若时钟的晶体的振荡频率为foscfosc，则

21、时钟周期，则时钟周期Tosc=1/foscTosc=1/fosc。如。如fosc=6MHzfosc=6MHz，Tosc=166.7nsTosc=166.7ns。二、机器周期二、机器周期CPUCPU完成一个基本操作所需要的时间完成一个基本操作所需要的时间。执执行行一一条条指指令令分分为为几几个个机机器器周周期期。每每个个机机器器周周期期完完成成一一个个基基本本操操作作。MCS-51MCS-51单单片片机机每每1212个个时时钟钟周周期期为为一一个机器周期个机器周期.一个机器周期又分为一个机器周期又分为6 6个状态个状态：S1S1S6S6。每每个状态又分为两拍个状态又分为两拍：P1P1和和P2P2

22、。因此，。因此，一个机器一个机器周期中的周期中的1212个时钟周期表示为：个时钟周期表示为：S1P1S1P1、S1P2S1P2、S2P1S2P1、S2P2S2P2、S6P2S6P2。三、指令周期三、指令周期执行一条指令时，可分为执行一条指令时，可分为取指令阶段取指令阶段和和指令执行阶段指令执行阶段 。取指令阶段取指令阶段，PCPC中地址送到程序存储器，并从中取出需要执行中地址送到程序存储器，并从中取出需要执行指令的操作码和操作数。指令的操作码和操作数。指令执行阶段指令执行阶段，对指令操作码进行译码，以产生一系列控制信，对指令操作码进行译码，以产生一系列控制信号完成指令的执行。号完成指令的执行。

23、ALEALE信号是为地址锁存而定义的信号是为地址锁存而定义的，以时钟脉冲，以时钟脉冲1/61/6的频率输出，的频率输出，在一个机器周期中，在一个机器周期中，ALEALE信号两次有效（注意，在执行访问外部数信号两次有效（注意，在执行访问外部数据存储器的指令据存储器的指令MOVXMOVX时，将会丢失一个时，将会丢失一个ALEALE脉冲）脉冲）8051X2X1VssTTL外接时钟源外接时钟源Vcc时钟电路时钟电路需外接晶振的频率需外接晶振的频率1.212MHZ，C1和和C2取取3010PFX1X2C2 C1X 8051振荡电路振荡电路S1S2S3S4S5S6S1S2P1 P2 P1 P2 P1 P2P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2fosc一个状态周期一个状态周期一个机器周期一个机器周期T=12*(1/fosc)X2CPU的时序（时钟周期、的时序（时钟周期、状态周期、机器周期）状态周期、机器周期）若外接晶振为若外接晶振为12MHz时，则单片机的四个周时，则单片机的四个周期的具体值为：期的具体值为：时钟周期时钟周期1/12MHz1/12s0.0833s 状态周期状态周期1/6s0.167s 机器周期机器周期1s 指令周期指令周期14s可用于计算指令、程序的执行时间，以及定时可用于计算指令、程序的执行时间，以及定时器的定时时间器的定时时间