单片机的硬件结构.ppt
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1、单片机基础知识,2019/3/19,2,第二章 单片机的硬件结构,2.1 单片机整体结构,2.2 外部引脚功能,2.4 定时/计数器,2.3 存储器组织,2019/3/19,3,2.1 单片机整体结构,第二章 单片机的硬件结构,2019/3/19,4,2.1 MCS-51单片机整体结构,硬件配置基本配置: 1. 8位CPU 2. 片内ROM/EPROM、RAM 3. 片内并行 I/O接口 4. 片内16位定时器/计数器 5. 片内中断处理系统 6. 片内全双工串行I/O口,不同型号MCS-51单片机CPU处理能力和指令系统完全兼容,只是存储器和I/O接口的配置有所不同。,2019/3/19,5
2、,MCS-51单片机内部结构,2019/3/19,6,一、中央处理器CPU 主要指运算器、控制器 决定单片机的主要性能指标:字长、运行速度、数据处理能力,中断和实时控制能力。,2019/3/19,7,1、运算器 进行算术和逻辑运算 ,8位。 主要包括算术逻辑单元ALU、累加器ACC、暂存器、程序状态字PSW、B寄存器。 主要任务: 算术运算 逻辑运算 位操作 数据处理 利用程序状态寄存器PSW表述当前运行状态,2019/3/19,8,1)算术逻辑单元ALU 即加法器,是核心部件,进行算术逻辑运算,其中乘(MUL)、除(DIV)运算是执行时间最长的指令。 2)累加器ACC 累加器ACC是最常用的
3、专用寄存器。进入ALU作算术操作和逻辑操作的操作数很多来自ACC,操作的结果也常送回ACC。 3)B寄存器 是ACC的辅助寄存器,在乘除时,ACC不够用便使用B寄存器。,2019/3/19,9,2、控制器 控制器是CPU的大脑中枢,它以定时控制逻辑为中心,按照人们预先给定的计算步骤,即预先编写好的已经输入到计算机存储器中的程序发出一系列控制信号,控制计算机各个部件的工作,如运算、存储等。 包括指令寄存器IR、指令译码器ID、数据指针DPTR、程序计数器(指针)PC、堆栈指针SP、以及控制电路(时序电路、中断控制部件、微操作控制部件)。,2019/3/19,10,1)程序计数器PC(程序指针)
4、16位的地址指针,专门用来控制指令执行顺序的寄存器,其中的内容总是下一条要执行的指令的地址。可以对64K字节的程序存储器直接寻址。 复位时,PC=0000H,使程序从0单元开始执行。通常单片机每取一个字节机器码,PC就自动加1,从而保证了指令的顺序执行。 转移指令可强行改变PC的内容。,2019/3/19,11,2)时序 指按照指令功能发出一系列在时间上有一定次序的信号,控制和启动一部分逻辑电路完成某种操作。 CPU需要一个时钟,在XTAL1和XTAL2上接石英晶体和微调电容构成振荡器。频率为412MHz,2019/3/19,12,3)指令寄存器IR ID是8位寄存器,用于存放从ROM中取出的
5、指令码。而且每条指令的第一个字节一定是操作码,其后的指令码可以是操作数或操作码。 指令译码器ID ID可以对指令码进行译码,即判断出存放的是操作命令(操作码)还是操作数(操作数可以是操作地址或立即操作数),以进行下面的工作。这些工作是自动完成的。,2019/3/19,13,4)微操作控制部件 逻辑门电路,将ID信号和时序向片内各部件送高低电平。 中断控制部件 自动完成“中断申请”、“中断相应”、“恢复断点”等工作。,2019/3/19,14,二、内部RAM 单片机内部数据RAM共256字节。分为低128B和高128B地址空间。 低128B地址空间的RAM常称为片内RAM; 高128B地址空间的
6、RAM 称为特殊功能寄存器SFR。但SFR18个寄存器只占用了21B供用户使用。其他的107B系统保留。,2019/3/19,15,2019/3/19,16,1)片内RAM(007FH) 工作寄存器区:(32B) 字节地址:00H1FH 位寻址区:(16B) 字节地址:20H2FH 位地址为:00H7FH 数据缓冲区:(80B) 字节地址:00H7FH 一般使用30H7FH,2019/3/19,17,三、片内ROM ROM用于存放程序、原始数据及表格。 8051:片内4K掩膜ROM 8031:片内ROM 8751:片内4K EPROM,2019/3/19,18,四、定时器/计数器 MCS-51
7、系列单片机典型产品8051等单片机内部有2个可编程的16位定时器/计数器T0、T1 最大计数脉冲个数:165536,2019/3/19,19,五、并行I/O口 MCS51系列单片机有4个8位并行I/O口: P0、P1、P2、P3共占了32根I/O引脚 单片机扩展时,这些I/O引脚又作为扩展总线用。 P0口作为地址/数据总线,分时输出低8位地址和传送8位数据; P2口作为高8位地址总线; P3口也具有第二功能。这是由接口的特殊结构所决定的。,2019/3/19,20,六、串行口 完成单片机和其他计算机或通讯设备之间的串行数据通讯。 MCS51系列P3口的RXD(P3.0)和TXD(P3.1)构成
8、,2019/3/19,21,中断系统是计算机的重要指标之一。,某人看书 执行主程序 日常事务 电话铃响 中断信号如INT=0 中断请求 暂停看书 暂停执行主程序 中断响应 书中作记号 当前PC入栈 保护断点 电话谈话 执行中断程序 中断服务 继续看书 返回主程序 中断返回,七、中断系统,日常生活中的中断与计算机中断的比较:,2019/3/19,22,2019/3/19,23,八、布尔处理器 MCS51单片机内含有一个布尔处理器,是单片机CPU中运算器的一个重要组成部分。 它实际上是一个完整的1位微处理器,这个1位机有自己的CPU、位寄存器、I/O口和指令集。可提供17条位操作指令,硬件有自己的
9、“累加器”(进位位C)和自己的位寻址RAM和I/O空间,所以是一个独立的位处理机。 MCS51单片机把8位机和1位机复合在一起,发挥各自的长处,这是它的一大优点。,2019/3/19,24,2.2 外部引脚功能,第二章 单片机的硬件结构,2019/3/19,25,MCS51系列单片机采用40个引脚的双列直插式塑料封装的芯片。 共可分为四个部分: 1、电源2个 2、外接晶体振荡器2个 3、控制信号引脚4个 4、I/O引脚32个,2019/3/19,26,一、主电源引脚 VDD:接5V电源 VSS:接地端 一般VDD 和VSS之间应接高频和低频滤波电容。,2019/3/19,27,二、外接晶体振荡
10、器引脚 XTAL1:芯片内部振荡电路(单级反相放大器)输入端 XTAL2:芯片内部振荡电路(单级反相放大器)输出端 振荡频率为晶振频率(1.212MHz),另外需两个30pF左右的电容以微调频率,2019/3/19,28,1、接石英晶体和微调电容 2、接外部时钟,MCS51单片机的振荡器有内部和外部两种方式。,2019/3/19,29,时序:时间的先后顺序,控制器按照指令功能发出一系列在时间上有一定次序的信号,控制和启动一部分逻辑电路,完成某种操作。 机器周期12个时钟周期(振荡周期) 有6个状态(S1S6),一个状态为2个振荡周期,分为P1和P2节拍,一般算术和逻辑指令发生在P1期间,寄存器
11、之间的传输发生在P2期间。 设单片机工作在12M晶振,则时钟周期为1/12微秒,一个机器周期121/121微秒 一些指令完成较快用一个机器周期;一些较慢,用2个机器周期;有两个指令(MUL、DIV)用4个机器周期。 指令周期:执行一条指令的时间。(单周期指令,双周期指令等),2019/3/19,30,三、控制信号 1、RST/VPD:复位/掉电时内部RAM的备用电源输入端 复位端RST : 启动时,需要复位,使CPU各部件处于确定的初始状态。 正常工作状态(振荡器稳定),该引脚上出现持续24个振荡周期(即两个机器周期)以上的高电平,单片机就可完成系统复位操作 。,2019/3/19,31,MC
12、S-51复位后内部寄存器状态,2019/3/19,32,备用电源输入端VPD: 当无VCC时使用,使内部RAM供电以实现掉电保护。,2019/3/19,33,2、ALE/PROG:地址锁存允许/编程脉冲输入。 ALE:地址锁存允许信号 片外存储器作数据存取时,ALE为低8位地址锁存允许输出信号,在其下降沿将从P0口输出的低8位地址锁存到地址锁存器。 以1/6振荡频率(即1/2机器周期)周期性输出 PROG:在对8751片内EPROM编程时,编程脉冲由此输入。,2019/3/19,34,3、EA/VDD:访外允许/编程电压输入 、8031中EA必须接地。 8051/8751中 EA1,单片机使用
13、片内ROM/EPROM(由PC值决定); EA0,单片机片内程序存储器失效,而 使用片外程序存储器。 、VDD 对8751片内EPROM编程时,此脚接编程电压。(+21V+25V),2019/3/19,35,4、 PSEN:外部程序存储器读选通信号 它与ALE配合,使P0口完成地址线和数据线的功能。 当访问片内ROM、RAM时无效。,2019/3/19,36,5、四个8位并行I/O口,MCS-51单片机有4个8位并行I/O口,共占了32根I/O引脚,单片机扩展时,这些I/O引脚又作为扩展总线用。其中P0口作为地址/数据总线,分时输出低8位地址和传送8位数据;P2口作为高8位地址总线;P3口也具
14、有第二功能。这是由接口的特殊结构所决定的。每一个口都包含一个锁存器,一个输出驱动器和两个(P3口为3个)输入缓冲器。各口的结构也有些差异,下面分别介绍。,2019/3/19,37,一、并行I/O口的功能结构,(一)P1口,1、接口结构,图2.15,接口结构中锁存器起输出锁存作用,8位锁存器组成特殊功能寄存器P1。,2019/3/19,38,一、并行I/O口的功能结构,(一)P1口,2、接口功能,P1口只有一种功能通用输入输出接口。,2019/3/19,39,一、并行I/O口的功能结构,(二)P2口,P2口一位结构如下图所示,与P1相比,多了一个多路开关MUX,因此P2具有双重功能:通用I/O口
15、和高8位地址总线口。,1、接口结构,2019/3/19,40,(二)P2口,(1)地址总线 单片机扩展时,“控制”信号使 MUX 打向右边,内部的地址线经反相器与输出驱动器相连,于是内部“地址”信号可以由P2口引脚输出,此地址信号为高8位地址。,2、接口功能,一、并行I/O口的功能结构,2019/3/19,41,(二)P2口,(2)通用I/O接口 作为通用I/O口时,“控制”信号使 MUX 打向左边,这时P2口电路结构与P1口相同,其功能和用法亦与P1口相同,负载能力也相同。,2、接口功能,一、并行I/O口的功能结构,2019/3/19,42,(三)P3口,P3口一位的结构如下图所示,与P1口
16、相比多了一个与非门和一个输入缓冲器,所以它除了可作为一般I/O口外,还具有第二功能。,1、接口结构,一、并行I/O口的功能结构,2019/3/19,43,(三)P3口,(1)通用I/O接口 作为通用I/O接口时,“第二功能输出”线为“1”,接口的电路结构与P1口相同,所以功能和用法均与P1相同。,2、接口功能,一、并行I/O口的功能结构,2019/3/19,44,(三)P3口,(2)第二功能 当P3口作为第二功能使用时,各位定义如下,2、接口功能,P3.0 RXD(串行输入通道) P3.1 TXD(串行输出通道) P3.2 INT0(外中断0输入端) P3.3 INT1(外中断1输入端),一、
17、并行I/O口的功能结构,2019/3/19,45,(三)P3口,2、接口功能,P3.4 T0(定时器0外部输入) P3.5 T1(定时器1外部输入) P3.6 WR(外部数据存贮器写选通) P3.7 RD(外部数据存贮器读选通),可见有些信号为输出,有些信号为输入,为使第二功能信号能顺畅的输入或输出,该口锁存器的状态必须为“1”。,一、并行I/O口的功能结构,2019/3/19,46,(四)P0口,1、接口结构,P0口的一位的结构如下图所示。其中输出驱动电路由一对FET(场效应管)组成,其工作状态由输出控制电路控制。P0口可作为通用I/O接口,也可作为地址/数据总线口。,一、并行I/O口的功能
18、结构,2019/3/19,47,(四)P0口,2、接口功能,(1)地址/数据总线 这时“控制”信号为1,多路开关MUX向上,地址/数据信号反相后经多路开关送到下一个场效应管的栅极。 如果地址/数据信号为1,则下一个场效应管截止上一个场效应管导通,引脚为高电平;若地址/数据信号为0,则下一个场效应管导通上一个场效应管截止,引脚为低电平,即地址/数据信号可顺利的到达引脚。,一、并行I/O口的功能结构,2019/3/19,48,(四)P0口,2、接口功能,(2)通用I/O接口 此时“控制”信号为“0”,多路开关MUX向下,输出驱动器处于开漏状态,故需外接上拉电阻,这种情况下,电路结构与P1相同,所以
19、也是一个准双向口,当要作为输入时,必须先向口锁存器写“1”。,一、并行I/O口的功能结构,2019/3/19,49,2019/3/19,50,2019/3/19,51,2.3 存储器组织,第二章 单片机的硬件结构,2019/3/19,52,一、存储器空间分类,根据作用分类: 程序存储器ROM 数据存储器RAM 根据位置分类: 片内存储器 片外存储器,构成了4个结构独立的存储器空间,2019/3/19,53,1、片内程序存储器(片内ROM) 2、片内数据存储器(片内RAM) 3、片外ROM扩展 4、片外RAM扩展,8051、8751有4KB的片内ROM(0000H0FFFH),共有256B 00
20、7FH:128B片内RAM 80HFFH:18个特殊功能寄存器(占21B),最多64K片外ROM,地址为0000HFFFFH或者1000HFFFFH,地址:0000HFFFFH,注:8051、8751芯片根据EA状态,2019/3/19,54,2019/3/19,55,MCS-51(8051)存储结构如图所示,2019/3/19,56,片内外统一编址的64KB的程序存储器地址空间 片内片外的程序存贮器在同一逻辑空间中,地址从0000HFFFFH,共有64K字节范围 片内256B数据存储地址空间 片内数据存贮器为00HFFH 片外64KB的数据存储器地址空间 片外为0000HFFFFH,从用户使
21、用的角度,即从逻辑上划分3个存储器地址空间:,2019/3/19,57,0000H,FFFFH,0000H,FFFFH,ROM,内RAM,外RAM,00H,FFH,寄存器区,位寻址区,数据缓冲区,SFR,20H,30H,80H,E0H,A,2019/3/19,58,二、区分四个独立空间的方法,1、使用MOV、MOVX、MOVC三个不同的指令分别 区分片内RAM、片外RAM和ROM 2、片外ROM使用控制信号PSEN 片外RAM使用控制信号RD、WR 3、EA引脚接地,从片外ROM开始 0000H0FFFH 位于片外ROM EA引脚接高电平,从片内ROM开始 0000H 0FFFH位于片内ROM
22、 4、ROM和片外RAM一定要用16位地址 片内RAM 和SFR,只能使用8位地址,2019/3/19,59,三、程序存储器ROM,最多为64K,用于存放程序和表格 使用PC作为程序地址指针 编址方式:片内、片外ROM统一编址(0000HFFFFH) 片内(如有,4K)为低地址(0000H0FFFH),片外为高地址 加电复位后,PC0000H,当PC超出片内,则会自动转向片外ROM EA引脚控制PC值(8031和8051不同) MOVC用来读取ROM中存放的表格常数 分为两个部分: 1、系统使用区:其中0000H0002H为系统复位入口,其中必有一条存放PC的跳转指令(转至主程序);0003H
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- 单片机 硬件 结构
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