片机基本结构和工作原理.ppt
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1、单片机基本结构和工作原理,主要介绍MCS-51单片机的部件及内部结构、外部引脚、CPU工作时序、工作方式等,重点讲述存储器结构和组成、特殊功能寄存器、并行I/O端口结构和工作原理、辅助电路等内容,单片机的基本结构和工作原理,单片机的组成和内部结构,2.1,单片机的外部引脚及功能,2.2,单片机的存储器结构,2.3,单片机的I/O电路,2.4,单片机的辅助电路,2.5,单片机的工作时序和工作方式,2.6,单片机的组成和内部结构-单片机的组成,一个8位CPU; 一个片内振荡器及时钟电路; 4K字节ROM储器(8031没有片内ROM); 128字节RAM数据存储器(增强型为256字节); 两个16位
2、定时器/计数器(增强型为三个); 可寻址64KB外部数据存储器和64KB外部程序存储器空间的控制电路; 32条可编程的I/O口(四个8位并行I/O端口); 一个可编程全双工串行口; 具有五个中断源、两个优先级嵌套中断结构(增强型为六个中断源)。,单片机的组成和内部结构-单片机的组成,单片机的组成和内部结构-单片机的内部逻辑结构,单片机的核心部件是一个8位高性能中央处理器CPU。 它的作用是读入和分析每条指令,根据各指令的功能要求,控制单片机的各功能部件,具体地执行指令的操作。 CPU由运算器、控制器和一些寄存器构成。,单片机的组成和内部结构-CPU的内部结构,包括:算术/逻辑运算单元ALU、布
3、尔处理器、累加器ACC、寄存器B、暂存器、程序状态字PSW等部件。 功能:实现数据的算术逻辑运算、位变量处理和数据传送等操作。,单片机的组成和内部结构-CPU的内部结构,一、运算器,1算术逻辑单元ALU,单片机的组成和内部结构-CPU的内部结构,运算器的核心部件,实质上是全加器,对数据进行加、减、乘、除等算术运算 以及对数据进行与、或、异或、循环、置1、清0等逻辑运算,不能由程序读写!,2、累加器ACC或A,是一个8位寄存器,很多运算都要通过累加器提供操作数,多数运算结果也在ACC中存放。,单片机的组成和内部结构-CPU的内部结构,3、B寄存器,暂时存储数据总线或其他寄存器送来的操作数 不能由
4、程序读写,4、暂存寄存器(TMP1和TMP2),5、程序状态字寄存器(PSW),一个8位的专用寄存器,主要用于存放当前运算结果的状态,B寄存器是为乘法和除法而设置的,在进行乘法和除法运算时A和B组成寄存器对,记为AB。在不执行乘法和除法时,B寄存器可以作为一个普通寄存器使用。,二、 控制器 控制器是单片机的指挥控制部件。 功能: 接受来自程序存储器中的指令 并对指令进行译码和分析 并根据指令的性质控制单片机各功能部件从而保证单片机各部分能自动而协调的工作。,单片机的组成和内部结构-CPU的内部结构,包括:时序电路、程序计数器、指针寄存器、指令译码器、数据指针、堆栈指针、操作控制部件等。,1、程
5、序计数器(PC) 16位专用寄存器,用于存放一条将要执行指令的地址,具有自动加1功能。 CPU取址时,PC内容先送至对应的寄存器,后从程序存储器中取出指令,PC内容自动加1. 执行转移、子程序调用指令和中断响应时,PC内容不再加1 单片机复位时,PC装入0000H,单片机的组成和内部结构-CPU的内部结构,2、指令寄存器(IR) 一个8位寄存器,用于寄存等待执行的指令。 不能由程序读写,源程序 ORG 0000H LJMP START ORG 0040H START:MOV SP,#5FH ;设堆栈 LOOP:NOP LJMP LOOP ;循环 END ;结束,目标文件也就是最终写入EPROM
6、的文件: 02 00 40 FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF 75 81 5F 00 02 00 43,3、指令译码器(ID) 对指令寄存器中的指令进行译码。 不能由程序读写,4、数据指针(DPTR) 一个16位专用寄存器,通常在访问外部数据存储器时作地址指针,5、堆
7、栈指针(SP) 一个8位专用寄存器,用于存放堆栈栈顶地址,6、定时与控制电路 产生各种控制信号,协调各功能部件的工作,单片机的组成和内部结构-CPU的内部结构,单片机的外部引脚及功能- 引脚和封装,DIP40封装,PLCC44封装,控制引脚,并行I/O口引脚,电源及时钟引脚,(1)电源及时钟引脚: VCC、VSS;XTAL1、XTAL2 (2)I/O口引脚:P0、P1、P2、P3 (3)控制引脚:,单片机的外部引脚及功能-引脚分类,单片机的外部引脚及功能- I/O端口,(1) P0口 (32-39脚) 8位准双向I/O口 低8位地址总线及数据总线分时复用口 可带8个LSTTL负载,单片机的外部
8、引脚及功能- I/O端口,(2) P1口 (1-8脚) 8位准双向I/O口 对于52子系列,P1.0与P1.1还有第二功能 可带4个LSTTL负载,单片机的外部引脚及功能- I/O端口,(3) P2口 (21-28脚) 8位准双向I/O口 高8位地址总线 可带4个LSTTL负载,单片机的外部引脚及功能- I/O端口,(4) P3口 (10-17脚) 8位准双向I/O口 每位都具有第二功能 可带4个LSTTL负载,单片机的外部引脚及功能-控制引脚,(1) (9脚): RST:复位信号输入端 VPD:备用电源输入端,上电复位电路,持续出现两个机器周期以上的高电平时复位单片机,若接备用电源(+5V)
9、,VCC掉电时能为内部RAM供电,以保证RAM中的数据不丢失。,单片机的外部引脚及功能-控制引脚,(2) (30脚) ALE:地址锁存允许信号输出端 访问外部存储器时,下降沿将 P0的低8位地址送入锁存器。 PROG:编程脉冲输入端 对8751编程写入时使用,单片机的外部引脚及功能-控制引脚,(3) (29脚) 外部程序存储器读选通信号 低电平有效 从外部程序存储器读取指令时, 每个机器周期产生2次该信号,单片机的外部引脚及功能-控制引脚,(4) (31脚 ) EA:内外程序存储器选择控制 EA=1,访问片内程序存储器 PC值超过片内程序存储器地址 自动转向外部程序存储器 EA=0,只访问外部
10、程序存储器 Vpp:提供编程高电压 对于8751,接+21V或+12V,单片机的外部引脚及功能-控制引脚,(5)电源及时钟引脚 (a)VCC +5V电源 (40脚) (b)VSS 地 (20脚),单片机的外部引脚及功能-控制引脚,(c)XTAL1 (19脚) 接外部晶体的一端 接外部时钟信号(CHMOS ) (d)XTAL2 (18脚) 接外部晶体的另一端 悬空(CHMOS ),内部时钟方式,外部时钟方式(CHMOS ),单片机功能多,引脚数少,因而许多引脚都具有第二功能。 单片机对外呈现3总线形式: 由P2、P0口组成16位地址总线; 由P0口分时复用为数据总线; 由控制引脚与P3口组成控制
11、总线。,单片机的外部引脚及功能-控制引脚,单片机的外部引脚及功能-三总线,写入信息后不易改写的存储器。断电后,其中的信息保留不变。用来存放固定的程序或数据,如系统监控程序、常数表格等。,CPU在运行时能随时进行数据的写入和读出,但在关闭电源时,其所存储的信息将丢失。用来存放暂时性的输入输出数据、运算的中间结果或用作堆栈。,RAM,按 功能不同,ROM,单片机的存储器结构-基本概念,RAM,按 功能不同,双极型,MOS型,ROM,EEPROM,EPROM,掩膜ROM,可编程ROM (PROM),FlashROM,静态RAM,动态RAM,可擦除ROM,单片机的存储器结构-基本概念,80C51存储器
12、的特点: 采用哈佛结构,物理上把程序存储器与数据存储器独立分开。 ROM、RAM分别具有各自的功能、寻址系统和控制信号。 片内程序存储器ROM 4KB (0000H0FFFH) 片内数据存储器RAM 128B (00H7FH) 特殊功能寄存器SFR 128B (80HFFH),单片机的存储器结构-基本概念,程序存储器,内部数据 存储器,外部数据 存储器,单片机的存储器结构-基本概念,RAM,1.按物理地址不同,片内,片外,ROM,片内,片外,普通RAM:128B(00H7fH) SFR:128B (80HFFH),64KB(0000H0fffH),4KB(0000H0fffH),60KB(10
13、00H0fffH) 或 64KB(0000H0fffH),单片机的存储器结构-分类,64KB程序存储器,2.按寻址方式不同,64KB片外数据存储器,256B片内数据存储器(包括SFR),MOVC,MOV,MOVX,单片机的存储器结构-分类,程序存储器,3.按功能不同,位地址空间,特殊功能寄存器,片内数据存储器,片外数据存储器,单片机的存储器结构-分类,程序存储器用于存放编好的程序和表格常数。 80C51单片机的程序计数器PC是16位的计数器,因此可寻址64KB的程序存储器。,单片机的存储器结构-程序存储器,无ROM型,要在片外扩展程序存储器,掩膜ROM型,程序由芯片生产厂写入,EPROM型,程
14、序通过写入装置写入,Flash ROM型,程序可以电写入(常用),片内ROM的配置形式,单片机的存储器结构-程序存储器,片外ROM的配置形式,无内部ROM ,使用外部ROM ,这是EA引脚必须接低电平,单片机的存储器结构-片内外程序存储器的选择,单片机的存储器结构-片内外程序存储器的选择,单片机的存储器结构-程序存储器,低端几个特殊单元,单片机的存储器结构-程序存储器,指令代码及其观察,单片机的存储器结构-数据存储器,片内、片外数据存储器概况,片内RAM及SFR 片外RAM,数据存储器,片外RAM:64KB (扩展的),片内RAM:128B (固有的),只能用MOV指令访问,只能用MOVX指令
15、访问,单片机的存储器结构-数据存储器,片内RAM详图,单片机的存储器结构-数据存储器,工作寄存器区(含寄存器组0 3),寄存器组0:地址00H07H 寄存器组1:地址08H0FH 寄存器组2:地址10H17H 寄存器组3:地址18H1FH,当前工作寄存器组选择通过设置RS1和RS0,PSW寄存器中:,单片机的存储器结构-数据存储器,位寻址区,MOV A,20H,MOV C,20H,累加器,位累加器,单片机的存储器结构-数据存储器,普通存储区,30H7FH,共80字节,数据缓冲 堆栈 SP指示栈顶 复位时SP=07H 系统初始化通常重新设置,单片机的存储器结构-数据存储器,RAM内容查看,单片机
16、的存储器结构-数据存储器,80C51单片机的CPU采用特殊功能寄存器对各功能部件进行集中控制。 80C51包括21个SFR,离散的分布在80H0FFH的RAM空间中。 读写SFR区没用到的单元无意义。,单片机的存储器结构-特殊功能存储器,2019/5/10,49,SFR的名称及其分布,单片机的存储器结构-特殊功能存储器,2019/5/10,50,SFR中的位地址分布,MOV P1.0,C,MOV P1,20H,MOV 90H,20H,MOV 90H,C,单片机的存储器结构-特殊功能存储器,SFR分类: 与ALU相关的(3个) 累加器ACC 寄存器B 程序状态字PSW,单片机的存储器结构-特殊功
17、能存储器,与指针相关的(3个) 堆栈指针SP 数据指针DPTR (由DPH和DPL组成) 与端口相关的(7个) P0、P1、P2、P3 SCON :串行口控制计数器 SBUF :串行数据缓冲器 PCON :串行通信波特率倍增寄存器,单片机的存储器结构-特殊功能存储器,与中断相关的(2个),IE :中断允许控制寄存器 IP :中断优先级控制寄存器,与定时/计数器相关的(6个) TH0、TL0 、TH1、TL1:分别是定时器0、定时器1的计数初值寄存器 TMOD:定时器工作模式寄存器 TCON :定时器控制寄存器,单片机的存储器结构-特殊功能存储器,1累加器ACC 8位寄存器,表示地址(E0H),
18、使用最频繁的寄存器 (1)为ALU提供操作数、存放运算结果。 (2)大部分指令要通过累加器ACC进行,通常用A表示。 (3)80C51的部分指令规则将累加器旁路,提高了指令的操作速度,增强了实时性。,单片机的存储器结构-特殊功能存储器,2程序状态字寄存器PSW 8位寄存器,寄存当前指令执行后的状态,为下条或以后指令的执行提供状态条件。 PSW的重要特点是可以编程。 各位的定义如下:,单片机的存储器结构-特殊功能存储器,(1)Cy(PSW.7) 进位、借位标志位 在最高位有进位(加法时)或有借位(减法时),则Cy=1,否则Cy=0。 在布尔(位)处理器中作位累加器使用,常用“C”表示。,单片机的
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