单片机的结构和时序.ppt

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1、单片机原理与应用单片机原理与应用授课教师:曲培树 E-mail:1MCS-51系列系列单片机结构和工作原理单片机结构和工作原理21 MCS-51系列单片机的内部结构2 MCS-51单片机引脚功能3 MCS-51单片机的工作方式4 MCS-51单片机时序3什么是单片机？所谓单片机(Single Chip Microcomputer)，是指在一块芯片中集成有中央处理器(CPU)、存储器(RAM和ROM)、基本I/O接口以及定时器、计数器等部件，并具有独立指令系统的智能器件，即在一块芯片上实现一台微型计算机的基本功能。l特点是：体积小，控制功能强，性价比高等41 MCS-51系列系列单单片机概述片机

2、概述 MCS-51是指由美国Intel公司生产的一系列单片机的总称，这一系列单片机包括了许多型号，如8031，8051，8751，8032，8052，8752等。其中8051是最早生产、最典型的产品。MCS-51系列的其他单片机，都是在以8051为内核的基础上，进行了功能的增加以及外围接口的改变。因此，人们习惯于用8051来称呼MCS-51系列单片机。51.1 MCS-51系列单片机简介系列单片机简介 Intel公司将8051的核心技术授权给了很多其他公司，所以有很多公司在生产以8051为核心的单片机。MCS-51系列单片机共有十多种芯片，分为两大系列，即51子系列与52子系列，并以芯片型号的

3、末位数字作为标志。它们的内部结构基本相同，其中51子系列是基本型，52子系列是增强型。MCS-51系列单片机各种芯片的技术指标见下表。6MCS-51系列系列单单片机芯片技片机芯片技术术指指标标子子系系列列片内片内ROM形式形式ROM容量容量RAM容量容量寻寻址范址范围围I/O特性特性中中断断源源无无ROMEPROM定定时时器器并行并行口口串串行行口口51子子系系列列8031805187514KB128B264KB2*16481580C3180C5187C514KB128B264KB2*16481552子子系系列列8032805287528KB256B364KB3*16481680C3280C5

4、287C528KB256B364KB3*16481672 MCS-51单片机引脚功能l两种封装：1.双列直插式封装82.方形封装92.1 MCS-51单片机引脚及其功能l8051有40条引脚，共分为端口线、电源线和控制线三类1011l3.电源线（2条）lVCC为+5V电源线;lVSS为接地线122.2 8031对片外存储器的连接13内部结构框图如图所示148051各功能部件划分为以下五部分:1.CPU2.存储器3.I/O端口4.定时器/计数器5.中断系统151 CPU结构l8051内部CPU是一个字长为8位二进制中央处理单元，它对数据的处理是按字节为单位进行的。lCPU 由运算器（ALU）、控

5、制器（定时控制部件等）、和专用寄存器组三部分组成16算术逻辑单元（ALU）lALU的功能是进行算术、逻辑运算、位变量处理和数据传送等操作。l8051 ALU由一个加法器、两个8位暂存器（TMP1与TMP2）和一个布尔处理器组成。17定时控制部件l定时控制部件起着控制器的作用，由定时控制逻辑、指令寄存器和振荡器OSC等电路组成。l定时控制逻辑 用于对指令寄存器中的指令码进行译码，并在OSC振荡器的配合下产生执行指令的时序脉冲，用以完成相应指令的执行l指令寄存器IR 用于存放程序存储器中取出的指令码lOSC振荡器 是控制器的心脏，能为控制器提供时钟脉冲，OSC振荡器产生矩形时钟脉冲序列，其频率是单

6、片机的重要性能指标之一，时钟频率越高，单片机控制器的控制节拍就越快，运算速度也就越快。18专用寄存器组l专用寄存器组：用来指示当前要执行指令的内存地址，存放操作数和指示指令后的状态等。l专用寄存器主要包括：程序计数器PC、累加器A、程序状态字PSW、堆栈指示器SP、数据指针DPTR和通用寄存器B等六部分19（1）程序计数器PC(Program counter)l16位计数器，能自动加1，保证指令顺序执行；l存放下一条需要执行指令的内存地址；l编址范围：0000H-FFFFH，共64K。也就是说8051对程序存储器的寻址范围为64K。l如果想为8051配置大于64KB的程序存储器，就必须在制造时

7、加长程序计数器的位数。实际中64KB已经足够了。20（2）累加器Al累加器A 是一个具有特殊用途的8位二进制寄存器，专门用来存放操作数或运算结果(多于8位放不下)。lMOV A,#05H;lADD A,#03H;l第一条指令是把加数5送入累加器A，为执行第二条指令做准备，因此第二条指令执行前累加器A为加数5，在执行完第二条指令后把8存入A。21（3）通用寄存器Bl 寄存器B又称为乘法寄存器，它与累加器A协同工作，可进行乘法操作和除法操作。l 在乘除指令中运用到寄存器B，乘法指令中的两个操作数分别取自于A、B寄存器，其结果也存放在A、B寄存器中，A存放乘积的低8位，B存放乘积的高8位；l 除法指

8、令中，被除数取自A，除数取自B，进行运算后，商数存放于A，余数存放于B。在一般状态下寄存器B也可作为普通的寄存器使用。22l例：lMOV A，#05H;lMOV B,#03H;lMUL AB ;BAAB=53 lDIV AB ;AB=AB23（4）程序状态字PSWl 程序状态字PSW是一个8位寄存器，用于指示指令执行后的状态信息，相当于一般微处理器的标志寄存器。其有关位用来表示ALU操作的结果状态或CPU的工作状态，供程序查询和判别，其各位的含义见表2-2(其中PSW1位未定义)。程序状程序状态态字字PSW各位的含各位的含义义PSW7PSW6PSW5PSW4PSW3PSW2PSW1PSW0Cy

9、ACF0RS1RS0OV/P24功能功能标志志地址地址进进位位标标志志CyCyPSW.7:0D7HPSW.7:0D7H辅辅助助进进位位标标志志ACACPSW.6:0D6HPSW.6:0D6H溢出溢出标标志志OVOVPSW.2:0D2HPSW.2:0D2H奇偶奇偶标标志志P PPSW.0:0D0HPSW.0:0D0H用用户标户标志志F0F0PSW.5:0D5HPSW.5:0D5H保留保留/PSW.1:0D1HPSW.1:0D1H寄存器区寄存器区选择选择MSBMSBRS1RS1PSW.4:0D4HPSW.4:0D4H寄存器区寄存器区选择选择LSBLSBRS0RS0PSW.3:0D3HPSW.3:0

10、D3HPSW各位功能各位功能对应对应表表25各个标志位的含义如下：各个标志位的含义如下：lCY(PSW.7)：进位标志位，也可以记为C。在进行算术运算时，它表示加减运算过程中累加器A的最高位有无进位或借位。如果操作位在最高位有进位（加法）或借位（减法）时置1，否则清0。lAC（PSW.6）：辅助进位标志。（累加器A中的A3位向A4位进位或借位）低四位有进位（加法）或者向高四位有借位（减法），AC位被置1，否则清0。lF0(PSW.5)：用户定义的状态标志位。可以通过软件对它置位、复位或者测试，以控制程序的流向。26l RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）：工作寄存器区选择控制位l 8051

11、共有8个8位的工作寄存器R0R7。可以用软件来置位或者清零，以确定当前使用的工作寄存器组。用户可以通过改变RS1和RS0的状态来决定R0R7的实实际物理地址际物理地址。l RS1和RS0与工作寄存器R0R7的物理地址之间的关系见表2-4。27RS1RS0选中的寄存器中的寄存器组R0R7地址地址000组00H-07H011组08H-0FH102组10H-17H113组18H-1FHRS1和和RS0与工作寄存器的关系与工作寄存器的关系对对照表照表28lOV（PSW.2）：溢出标志位。l 当执行运算指令时，由硬件置位或清除，以指示运算是否产生溢出，OV置位表示运算结果超出了目的寄存器A所能表示的带符

12、号数的范围（一128127）。l 若以Ci表示位i向位il有进位或借位，则OV为由下式决定：lOV=C6C7；l上式表示：当位6向位7有进位(借位)而位7不向CY进位(借位)时；或当位7向C进位(借位)而位6不向位7进位(借位)时OV标志置1，表示带符号数运算时运算结果是错误的；否则，清除OV标志，运算结果正确。29 P（PSW.0）：奇偶标志位 每个指令周期都由硬件来置位或清零，以表示累加器A中1的个数的奇偶性。若1的个数为奇数，则P置1；若1的个数为偶数，则P清零。30l(5)堆栈指针SPl 堆栈指针SP是一个8位专用寄存器，它用来指示堆栈顶部在内部RAM中的位置，即SP中的内容就是栈顶的

13、地址。堆栈区可占用片内128字节的RAM任何单元。在执行PUSH指令时，存储数据前，堆栈指针先自动加1。它是按“先进后出”的原则进行存取数据的。31l栈顶地址始终在SP中，当堆栈中空无数据时，栈顶地址与栈底地址重合，即SP中是栈底地址；当堆栈中存放的数据越多，SP中的栈顶地址比栈底地址就越大。例：MOV SP,#data ;(70H)MOV A ,#X ;MOV B ,#Y ;PUSH ACC ;SPSP+1,(SP)ACCPUSH B ;SPSP+1,(SP)BPOP ACC ;ACCY,SPSP-1POP B ;B X,SPSP-1 32(6)数据指针DPTR(Data Pointer)l

14、数据指针DPTR是16位的数据寄存器，由两个8位寄存器DPH和DPL拼成。其中，DPH为DPTR的高8位，DPL为DPTR的低8位，DPTR可以用来存放片内ROM的地址，也可以用来存放片外RAM和片外ROM的地址。l设片外RAM的2000H单元中有一个数X，若要把它取入累加器A，则可以采用如下程序lMOV DPTR,#2000H;DPTR2000HlMOVX A,DPTR ;AXl(MOVX指示DPTR中的2000H是外部RAM的地址，而不是外部ROM的地址。)331.2存储器结构1、存储器地址分配 存储器的地址分配有三个地址空间，这三个地址空间是：ROM存储器地址空间（包括片内ROM和片外R

15、OM），地址范围是0000HFFFFH；8052AH/8752BH片内RAM地址空间为256字节，地址范围是00HFFH，8051/8031片内RAM地址空间为128字节，地址范围是00H-7FH；片外RAM地址空间，地址范围是0000HFFFFH。342.片内ROMl8051内部有4KB ROM,地址范围为0000H0FFFH，可以外接外部ROM，但片内和片外之和不能超过64KB。353.片外RAMl8051的片内RAM容量有128个存储单元，可以用来存放操作数、操作结果和实时数据。如果片内RAM容量太小，不能满足控制需要，也可以外接外部RAM。外接外部RAM的最大容量不能超过64KB，地址

16、范围为0000HFFFFH。l读写指令有如下四条MOVX A,Ri ;A(Ri)MOVX A,DPTR ;A(DPTR)MOVX Ri,A ;(Ri)AMOVX DPTR,A ;A(DPTR)l前两条用于把片外RAM中数据读入累加器A，后两条用于把累加器A中数据写入片外RAM中。364.片内RAMl8031/8051的片内RAM共有128个存储单元，地址范围为00H7FH,共128B,根据不同功能可分为工作寄存器区、位寻址区和便笺区等三个子区域l8052AH/8752BH共有256个存储单元，地址范围为00H-FFH37（1）工作寄存器区（00H1FH）l这32个RAM单元共分四组，每组占8个

17、RAM单元，分别用代号R0R7表示。R0R7可以指向四组中的任一组，由PSW中的RS1RS0状态决定。如下表所示：RS1RS0选中的寄存器中的寄存器组R0R7地址地址000组00H-07H011组08H-0FH102组10H-17H113组18H-1FH38（2）位寻址区（20H2FH）l这16个RAM单元具有双重功能。它们既可以象普通RAM单元一样按字节存取，也可以对每个RAM单元中的任一位单独存取，这就是位寻址。l20H-2FH用作位寻址时，共有16*8=128位，每位都分配了一个特定地址，即00H-7FH，这些地址称为位地址。如图所示：3940l欲把2FH单元中最高位（位地址7FH）置成

18、1，则可使用如下置位指令 SETB 7FH；7FH1l其中：SETB为位置位指令的操作码。位地址的另一种表示方法是采用字节地址和位数相结合的表示法。l例如：位地址00H可以表示成20H.0,位地址1AH可以表示成23H.241（3）便笺区（30H7FH）l便笺区共有80个RAM单元，用于存放用户数据或作堆栈区使用。MCS-51对便笺区中每个RAM单元是按字节存取的。425.特殊功能寄存器SFR(80H-FFH)l特殊功能寄存器是指有特殊用途的寄存器集合。8051的SFR有21个，每个SFR占有一个RAM单元。其物理地址如表所示：43*表示可以位寻址44其中可以位寻址的是45l在21个SFR中，

19、用户可以通过直接寻址指令对它们进行字节存取，也可以对带有*的11个字节寄存器的每一位进行位寻址。l在字节型寻址指令中，直接地址的表示方法有两种：一种是使用物理地址，如累加器要用E0H、B寄存器要用F0H等；另一种采用寄存器标号，如累加器A要用ACC、B寄存器用B、程序状态字寄存器用PSW等等。后一种比较普遍的使用461.3 I/O端口lI/O端口有串行和并行之分，串行I/O端口一次只能传送1位二进制信息，并行I/O端口一次可以传送一组二进制信息。47l相同点是：l 输入带缓冲，输出带锁存l不同点：P0口可以输出片外存储器的低8位地址码和读写数据；P1口常作为通用I/O端口使用，为CPU传送数据

20、；P2口可以输出片外存储器的高8位地址码；P3口除可以作为通用I/O外，还有第二功能，第二功能如下表所示。48P3口的第二功能见下表492.串行I/O端口l8051有一个全双工的可编程串行I/O端口。这个串行I/O端口既可以在程序控制下把CPU的8位并行数据变成串行数据逐位从发送数据线TXD发送出去，也可以把RXD线上串行接收到的数据变成8位并行数据送给CPU，而且这种串行发送和串行接收可以单独进行，也可以同时进行。l8051串行发送和串行接收利用了P3口的第二功能50l1.4 定时器定时器/计数器计数器l 8051内部有两个16位可编程序的定时器/计数器:T0,T1l T0由两个8位寄存器T

21、H0和TL0拼装而成，其中TH0为高8位，TLO为低8位。和T0类似，T1也由TH1和TL1拼装而成，其中TH1为高8位，TL1为低8位。TH0、TL0、TH1、TL1均为SFR中的一个，用户可以通过指令对它们存取数据。511.5中断系统523 MCS-51单片机工作方式lMCS-51单片机的工作方式包括：1.复位方式2.程序执行方式3.节电方式4.EPROM的编程和检验方式533.1复位方式l单片机在开机时都需要复位，以便中央处理器CPU以及其他功能部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。lMCS-51 的RST引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效，持续时间要有24个时钟

22、周期以上。l例：如果MCS-51单片机时钟频率为12MHZ，则复位脉冲宽度至少应为2s，54单片机复位后，其片内各寄存器状态如下表所示553.2程序执行方式l程序执行方式是单片机的基本工作方式，通常可以分为单步执行和连续执行两种工作方式l1.单步执行方式 单步执行方式是指单片机在控制面板上的单步执行键（STEP）控制下逐条执行用户程序中指令的方式，即按一次单步执行键就执行一条用户指令的方式。56572.连续执行方式l连续执行方式是所有单片机都需要的一种工作方式，被执行程序可以放在片内或片外ROM中。l由于单片机复位后PC=0000H，因此在加电或按钮复位后总是转到0000H处执行程序，这时可以

23、预先在0000H处放一条转移指令，以便跳转到0000H-FFFFH中的任何地方执行程序。583.3 节电工作方式l节电方式是一种能减少单片机功耗的工作方式，通常可以分为空闲（等待）方式和掉电（停机）方式两种，只有CHMOS型器件才有这种工作方式。l CHMOS型单片机的节电方式是由电源控制寄存器PCON 控制的，PCON各位定义如下图59其中，SMOD为串行口波特率倍率控制位，GF1和GF0为通用标志位，用户可通过指令改变它们的状态；PD为掉电控制位；IDL为空闲控制位。601.掉电方式l工作状态 （1）时钟停振，内部RAM和SFR保持不变，消耗功率：5-50A，Vcc降为3V。（2）中断、定

24、时器、串行口等电路不工作。l进入方法:MOV PCON ,#02H;PD1l退出方法:加到RST 上至少24T的复位正脉冲61掉电方式工作图掉电方式工作图622.空闲方式l工作状态（1）CPU不工作，片内功能保持（RAM,SFR中的内容）不变 消耗功率：1.7-5mA (2)中断，定时器，串行口等电路正常工作。l进入方法：CPU执行如下指令 MOV Pcon，#01H;IDL1l两种退出方法l（1）硬件复位使IDL=0l（2）在RST上加上大于24个时钟周期的正脉冲63空闲方式工作图空闲方式工作图643.4编程和校验方式l这里的编程是指利用特殊手段对单片机片内EPROM进行写操作的过程，校验则

25、是对刚刚写入的程序代码进行读出验证的过程。因此，单片机的编程和校验方式只有EPROM型器件才有，如8751这样的器件。l8751片内EPROM有编程、校验和保密编程等三种工作方式。在每种工作方式下，8751各引脚的输入电平是不相同的，如下表所示：65表中：1表示逻辑高电平，0表示逻辑低电平，表示任意逻辑电平，VPP为21V0.5V，PROG的编程脉冲为50ms负脉冲。661.EPROM编程方式作用：写程序和常数于EPROM中条件：1.振荡频率为4-6MHz2.编程地址：和3.编程代码：P0口进入4.EA/VPP:21V0.5V5.ALE/PROG:编码脉冲为50ms的负脉冲,以完成一个存储单元

26、的程序代码写入。672.EPROM的校验方式683.EPROM的编程和校验波形694.EPROM的保密方式l方法：1）先写程序代码和常数；2）后写保密位。l状态：1）保密编程后的程序代码允许执行；2）程序代码不可读出；l擦除：1）先清除全部程序代码；2）清除保密位后器件才可能恢复再编程。l用途：保护软件版权70电路连接：和编程方式类似，但P2.6应为高电平。编程方式和保密方式电路连接对比714 MCS-51单片机时序lCPU发出的时序信号有两类：l一类是用于片内各功能部件的控制，这类信号很多，但对于用户是没有意义的，不做专门介绍；l另一类用于片外存储器或I/O端口的控制，需要通过器件的控制引脚

27、送到片外，这部分时序对于分析硬件电路至关重要。724.1机器周期和指令周期l为了对CPU时序进行分析，首先要为它定义一种能够度量各时序信号出现时间的尺度。这个尺度为时钟周期、机器周期和指令周期l1.时钟周期 时钟周期T又称为振荡周期，由单片机内振荡电路OSC产生，常定义为时钟脉冲频率的倒数，是时序中最小的时间单位。例例:若某单片机时钟频率为1MHz，则它的时钟周期T应为1s。T=1/f732.机器周期l机器周期定义为实现特定功能所需的时间，通常有若干时钟周期T构成。l MCS-51的机器周期时间是固定不变的均由12个时钟周期T组成，分为6个状态（S1-S6）,每个状态又分为P1和P2两拍。因此

28、，一个机器周期中的12个振荡周期可以表示为S1P1,S1P2,S2P1,S2P2,S6P2。743.指令周期l指令周期是时序中的最大时间单位，定义为执行一条指令所需的时间。由于机器执行不同指令所需的时间不同，因此不同指令所包含的机器周期数也不相同。l MCS-51单片机通常可以分为单周期指令（12T）、双周期指令(24T)和四周期指令(48T)等三种。四周期指令只有乘法和除法指令两条，其余均为单周期和双周期指令。754.2MCS-51指令的取指/执行时序l单片机执行任何一条指令时都可以分为取指令阶段和执行指令阶段。l取指令阶段简称取指阶段，单片机在这个阶段里可以把程序计数器PC中的地址送到程序

29、存储器，并从中取出需要执行指令的操作码和操作数。l指令执行阶段可以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。76l基本约定：ALE引脚上出现的信号是周期性的，每个机器周期内出现两次高电平，出现时刻为S1P2和S4P2,持续时间为一个状态S。ALE信号每出现一次，CPU就进行一次取指操作。lMCS-51指令可分成一下六类：l1）单字节单周期指令2）单字节双周期指令3）单字节四周期指令4）双字节单周期指令5）双字节双周期指令6）三字节双周期指令771.单字节单周期指令时序l这类指令的指令码只有一个字节（如INC A指令），存放在存储器ROM中，及其从取出指令码完成指令的执行仅需一个

30、机器周期。78l机器在ALE第一次有效（S1P2）时从ROM中读出指令码，把它送到指令寄存器IR，接着开始执行。在执行期间，CPU一方面在ALE第二次有效（S4P2）时封锁PC加1，使第二次读操作无效；另一方面在S6P2时完成指令的执行。792.双字节单周期指令时序lMCS-51在执行这类指令时需要分两次从ROM中读出指令码。ALE在第一次有效时读出指令操作码，CPU对它译码后便知道是双字节指令，故使程序计数器PC加1，并在ALE第二次有效时读出指令的第二字节，最后在S6P2时完成指令的执行。803.单字节双周期指令时序l这类指令执行时，CPU在第一机器周期S1期间从程序存储器ROM中读出指令

31、操作码，经译码后便知道是单字节双周期指令，所以，控制器自动封锁后面的连续三次读操作，并在第二机器周期的S6P2时完成指令的执行。814.3访问片外ROM/RAM的指令时序lMCS-51有两类专门访问片外存储器的指令：l一类是读片外ROM指令；l另一类是访问片外RAM指令。821.读片外ROM指令时序l相应指令：MOVC A,A+DPTR;A(A+DPTR)=XMOVC A,A+PC;A(A+PC)读片外ROM指令时序如图（具体流程见光盘）832.读片外RAM指令时序l相应指令：MOVX A,DPTR;A(DPTR)=YMOVX A,RI ;A(RI)读片外RAM指令时序如图（具体流程见光盘）84