第二章单片机基本结构与工作原理.docx

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第二章单片机基本结构与工作原理

第二章单片机基本结构与工作原理

2·1典型单片机由哪几部分组成？

各部分的基本功能是什么?

答:

一个典型单片机，由CPU系统、CPU外围单元、基本功能单元和外围扩展单元电路组成。

（l）CPU系统

CPU系统包括了CPU、时钟系统、复位电路和总线控制逻辑。

CPU。

在单片机中的CPU与通用CPU不同。

它是按照面向测控对象、嵌入式应用和

单芯片结构要求专门设计的，要保证有突出的控制功能。

时钟系统。

时钟系统要满足CPU及片内各单元电路对时钟的要求;同时，在CMOS

单片机中要满足功耗管理对时钟系统电路的可控要求。

复位电路。

能满足上电复位和信号控制复位的最简化电路。

总线控制逻辑。

总线控制逻辑要满足CPU对内部总线和外部总线的控制。

内部总线

控制用以实现片内各单元电路的协调操作;外部总线控制用于单片机外围扩展时的操作管理。

（2）CPU外围单元

CPU外围单元是与CPU运行直接相关的单元电路，与CPT构成了单片机的最小系统。

程序存储器ROM。

程序存储器为只读存储器ROM（ReadlOnlyMemory），用于固化

单片机的应用程序代码和存放一些表格、常数。

数据存储器RAM。

由于面向测控系统，单片机申的数据存储器容量较小，通常都不多于256B，而且都使用静态随机存储器SRAM（StaticRandomAccessMemory）。

输入/输出（1/0）端口。

I/O端口是计算机的输入/输出接口。

单片机中的I/O端口都

是芯片的输入/输出引脚。

这些I/O端口分为以下几种类型:

●总线输入/输出端口。

●用户I/O端口。

由用户用于外部电路的输入/输出控制。

●片内功能单元的输入/输出端口。

例如，定时器/计数器的计数输入、外部中断源输

入等。

为了减少引脚数量，单片机的I/O端口都有复用功能。

例如，不使用外部总线时，总线端口可用做用户I/O端口。

操作管理寄存器。

操作管理寄存器是用于单片机内各功能单元的运行控制和管理的

寄存器单元。

片内每个功能单元都对应有一个或多个操作管理寄存器，可通过指令系统对其

编程操作，以实现这些功能单元的方式设置、启动运行和状态读取等。

（3）基本功能单元

基本功能单元是满足单片机测控功能要求的基本计算机外围电路，是用来完善和扩大计

算机功能的一些基本电路，如定时器/计数器、中断系统和串行通信接口等。

CPU、CPU外围和基本功能电路组成了单片机的基础部分，形成了单片机系列的基核。

（4）外围扩展单元电路

外围扩展单元电路是满足不同嵌入式应用要求的外围功能电路扩展，如满足数据采集要

求而扩展的ADC，满足伺服驱动控制的PWM和满足程序可靠运行的监视定时器WDT

（WatchDogTimer）等。

通常，每个系列单片机都有自己的基核，即在基核上扩展不同的外围。

2·2单片机片内有许多电路单元，CPU对这些电路单元的运行操作采取了什么样的管理办法?

答:

单片机是一个完善的面向测控对象的计算机系统。

除了基本计算机系统单元电路外，还

有许多用于测控对象要求的功能单元，以及根据嵌入式应用要求的形形色色外围电路单元。

这些电路单元的应用管理十分复杂，是单片机应用中必须解决的课题。

（1）集中的归一化操作管理寄存器

为解决单片机内部各电路单元的操作管理，通常都采用集中的归一化操作管理寄存器。

按可编程应用集成器件的运行操作方式，设置专门操作管理的寄存器来实现电路单元

的方式设置、启动、控制和状态查询等。

设置集中的操作管理寄存器空间，集申所有单元电路的操作寄存器，并且形成统一规

范的归一化操作界面（如寻址方式和操作指令等）。

尽可能设置在片内RAM空间上，这样可实现与通用寄存器一样方便而快捷的操作。

（2）统一成单片机中的特殊功能寄存器（SFR）

按照上述集中的归一化原则，单片机中普遍将操作管理寄存器统一成特殊功能寄存器

SFR（SpecialFunctionRegisters），以区别于通用寄存器。

采用SFR操作管理方式后，单片机内各种单元电路都可按照可编程集成器件的运行管理方式，通过对SFR的读、写来实现操作管理。

按照应用特性区分，可编程集成器件的操作管理寄存器有以下几类:

方式寄存器。

设置器件的应用方式，如设定定时器/计数器的定时或计数方式等。

控制寄存器。

控制器件的运行操作，如控制定时器/计数器的启动和停止等。

状态寄存器。

显示器件运行时的状态，如计数器是否溢出等。

数据寄存器。

器件运行操作时用于传送数据的寄存器，如存放计数结果数据等。

在单片机中，许多功能单元的运行操作内容不多，通常都将方式设置、操作控制和状态标志合并成一个寄存器。

方式设置、操作控制与状态标志都通过对某些定义位来实现。

例如，80C51中的定时器/计数器单元，只使用了半个控制寄存器TCON和一个方式寄存器TMOD来管理两个定时器/计数器T0和Tl的所有操作。

寄存器中包括有方式设置位、定时/计数选择位、内/外部启动控制选择位、启/停控制位和溢出标志位。

只须对TCON、TMOD进行读、写操作，就可实现定时器/计数器的所有操作管理和状态查询。

（3）特殊功能寄存器（SFR）的可扩展性

对于不同的嵌入式应用状况，单片机会增加一些外围扩展单元，这些扩展单元也应实施SFR的集中管理方式。

随着外围单元电路的扩展，可在空闲的SFR空间扩展相应的操作管理寄存器。

在80C51系列单片机片内RAM的256B寻址空间中，将直接寻址的80H~FFH空间作为SFR使用，80C5l基核只占用其中很少一部分，其余都可以用来设置扩展单元的SFR。

例如，80C51扩展了I2C总线接口单元电路后，在D8H~DBH的SFR单元扩展了用于T2C总线操作管理的控制寄存器SlCON、状态寄存器SlSTA、数据寄存器SlDAT和地址寄存器SlADR。

片内各功能电路设置的归一化SFR操作管理模式，便了解、掌握单片机的应用变得十分容易，只须了解电路结构和掌握相应的.sFR就可以实现对该资源的运行操作。

2·3什么是计算机的哈佛结构和冯·诺伊曼结构?

答:

哈佛（Harvard）结构是指计算机系统中数据存储空间与程序存储空间相互独立的结构

体系。

单片机系统中，采用哈佛结构主要考虑其面向测控对象，通常有大量的控制程序和数量较少的随机数据。

将程序和数据分开，使用较大容量的程序存储器来固化程序代码;使用少容量的数据存储器来存取随机数据。

冯·诺伊曼（VonNeumann）结构是指计算机系统申使用的程序、数据共用一个空间的结

构体系。

一般通用计算机系统中多采用这种结构。

采用冯·诺伊曼结构时，程序和数据都在同一空间，程序在随机存储器OAM中运行;而在哈佛结构中，程序在只读存储器ROM中运行，不易受外界侵害，可靠性高。

2·4与道用CPU相比，单片机的指令系统有哪些特点?

答:

在单片机专门设计的CPU系统申，指令系统突出了控制功能。

大量使用单宇节指令，以提高指令运行速度和操作效率。

在RISC结构的单片机中基

本上是单字节指令。

丰富的位操作指令，满足了控制要求的位寻址、逻辑位操作和位条件转移等。

有许多满足CPU对外围电路的直接操作指令，如对片内、外数据存储器的传送指令和对操作管理寄存器的读、写操作等。

有丰富的转移指令，包括有许多无条件转移指令和满足各种操作、运算结果的条件转

移指令。

2．5请举出80C5l系列单片机的基本功能与扩展结构。

答：

1.80C51系列单片机的基本结构

80C51系列具有典型的单片机结构体系。

有专门设计的CPU外围和基本功能单元。

（l）CPU系统

80C5l的CPU系统包括CPU、时钟系统和总线控制逻辑。

CPU。

80C5l的CPU是专门为面向测控对象、嵌入式应用特点而设计的，有突出控制功能的指令系统。

时钟系统。

80C51的时钟系统是一个内含时钟振荡电路、外接谐振器和可关断控制的时钟系统。

●时钟振荡器。

它是一个在片的并联谐振振荡电路，谐振器为石英振子或陶瓷振子。

●时钟振荡器通过引脚XTAL2、XTALl与外接谐振器、振荡电容Cl、C2相连。

●80C51的时钟系统具有可关断功能。

通过TDT端可关闭CPU的时钟;通过PD端可关闭时钟振荡器。

时钟系统的关断功能主要用于单片机的功耗管理。

总线控制逻辑。

总线控制逻辑主要用于管理外部并行总线的时序以及系统复位控制。

总线控制逻辑的外部引脚有RST、ALE、EA、PSEN。

●复位控制。

复位控制引脚为RST，为高电平复位。

当该引脚有复位信号输人时，单片机进入复位状态。

●外部总线控制。

80C51有完善的外部并行扩展总线。

ALE、EA、PSEN用于外部并行扩展总线的管理与控制。

ALE用于数据总线复用管理；EA用于外部与内部程序存储器选择;PSEN用于外部程序存储器的读取指令控制。

（2）典型的CPU外围电路

80C5l的CPU外围电路有程序存储器ROM、数据存储器RAM、I/O端口和特殊功能寄存器SFR。

程序存储器ROM。

80C51的程序存储器，按其供应状态有MaskROM、EPROM、

OTPROM、FlaShROM和ROMLess，其供应状态可从型号标识中认出。

80C5I的主要生产厂家Philips公司，采用型号中第2个数字表示程序存储器的供应状

态，以8XCXXX表示80C51系列型号标识时，8OCXXX为ROMLess型，83CXXX为

MaskROM型，87CXXX为EPROM/OTPROM型，8gCXXX为FlashROM型。

数据存储器RAM。

80C5]的数据存储器是一个多功能复用型数据存储器，寻址范围

为00H~FFH，它包括有数据存取空间、通用工作寄存器、堆栈、位地址空间等。

I/O端口。

80C51有4个8位I/O端口，分别为P0、Pl、P2、P3。

P0口为数据总线端口;P2、P0组成了并行扩展总线的16位地址线;Pl为用户I/O:

P3是用于基本功能单元的输

人/输出端口以及并行扩展总线的读写控制线。

80C5l的I/O端口具有复用功能。

例如，在不

使用并行扩展总线时，P0、P2口可作用户I/O口;P3口不作基本功能单元的输人/输出口时，

也可作用户I/O口使用。

特殊功能寄存器SFR。

SFR是单片机中的重要控制、指挥单元。

CPU对所有片内的

功能单元的操作、控制都是通过对SFR访问实现的。

（3）基本功能单元

80C51系列单片机的基本功能单元有定时器/十数器、中断系统和串行接口。

定时器/计数器。

80C51有两个16位定时器/计数器，分别为T0和Tl。

定时器/计数

器可以作内部定时器或外部脉冲计数器使用。

作内部定时器时，是靠对时钟振荡器12分频脉冲计数方式实现定时的;作为计数器时，外部脉冲通过引脚T0（P3.4）、T1（P3.5）输人。

中断系统。

80C51的中断系统中有五个中断源，即两个外部中断源、两个定时器/计数器T0、Tl溢出中断源和一个串行通信发送/接收完毕的中断源。

五个中断源有高级、低级两种优先状态。

两个外部申断源由引脚INT0（P3.2）、INTl（P3.3）输人。

串行接口UART。

80C51的串行接口是一个带有移位寄存器工作方式的通用异步收

发器UART（UniversalAsynchronousReceiverTransmitter）。

因此，80C51的串行接口UART不仅可用做串行通信，还可以用于移位寄存器方式的串行外围扩展。

串行接口的外部引脚为RXD（P3.0）、TXD（P3.1）。

2．80C51系列单片机的扩展结构

80C51系列单片机的内部资源扩展主要有速度扩展、CPTT外围扩展、基本功能单元扩展、外围单元扩展和电源扩展。

（1）速度扩展

速度扩展有时钟频率扩展和总线速度扩展。

时钟频率扩展。

时钟频率扩展是提高时钟频率。

80C5l的典型时钟频率上限是l2MHz，但目前在许多型号中为16MHz、g4MHz、33MHz，最高可达40MHz。

总线速度扩展。

总线速度扩展是在时钟频率不变的情况下提高指令运行速度。

典型

的80C51的机器周期为时钟频率的19分频，即在12MH，时钟周期下，单周期指令速度为

lMIPS（每秒百万条指令，MillionInstructionPerSecond）。

目前有些厂家在对80C5lCPU

总线结构改进的基础上降低机器周期来提高指令速度。

例如，Dallas公司推出的DS80C320

将80C5l的机器周期降低到时钟频率的4分频，即在同样的l2MHz时钟频率下，单周期指

令速度可达3MIPS。

（2）CPU外围扩展

CPU外围扩展包括程序存储器ROM扩展、数据存储器扩展和I/O口扩展。

程序存储器扩展。

程序存储器扩展有供应状态扩展和容量扩展。

供应状态从早期的

MaskROM、EPROM、ROMLeSs三种状态已扩展到OTPROM、FlashROM.容量扩展，从原

来的4KB己扩展到8KR、l6KB、32KB、64KB。

数据存储器扩展。

数据存储器仍为SRAM形式，但容量从128B扩展到了256B、

512B及l024B。

例如，8×C52为256B,8×C592为512B，89CE558为1024B。

I/O端口扩展。

80C5l的I/O为4个8位端口，目前有些型号己扩展到6个或7个

8位端口。

例如，8×C552有6个，8×C451有7个I/O端口。

（3）基本功能单元扩展

基本功能单元扩展主要是中断系统、定时器/计数器和串行接口的扩展。

中断系统扩展。

中断系统扩展主要是中断源的扩展。

80C51有5个中断源，随着片内

功能单元的扩展，相应地增加了中断源。

例如，在8×C552中，由于各种功能单元的扩展，使中断源增加到15个。

定时器/计数器扩展。

定时器/计数器扩展有数量扩展和功能扩展两个方面。

数量扩

展，如许多型号中，在80C51的2个16定时器/计数器T0、Tl基础上增加了一个T2定时器/计数器。

功能扩展主要有增强各种控制功能要求的CCU和PCA。

CCU（Capture/CompareUnit）为定时器/计数器的捕获/比较单元，是构成I/O端口高速

输人/输出不可缺少的功能单元;PCA（ProgrammableCounterArray）是可编程计数器阵列，是将定时器/计数器扩展成可编程选择工作方式的阵列结构。

例如，8×C5lFA/FB/FC的PCA可将一个16位的定时器/计数器阵列编程选择为捕获方式、定时器方式、高速输出方式、PWM方式和监视定时器（WDT）方式。

串行口UART扩展。

80C5l申UART的扩展主要是串行通信功能的增强扩展。

例如，在8XC5lFA/FB/FC的UART中，增加了自动地址识别AAR（AutomaticAddressReCOgnition）和帧错误检测FED（FramingErrorDetection）功能。

（4）外围单元扩展

外围单元扩展主要在基本功能单元以外添加的一些功能单元电路。

例如，在8×C552

中，扩展的ADC、PWM、WDT、I2CBUS接口;在8×C592中，扩展的CANBUS接口等。

（5）电源扩展

80C51的电源VCC=5（1±0.2）V，目前，在许多型号中己扩展到2.7~6V的宽电源

电压。

2·6什么是80C51系列中的总线型单片机和非总线型单片机?

答:

（1）总线型单片机

总线型单片机是指在单片机引脚中配置有完整并行总线的单片机。

由于80C51系列最大限度地保持了DTP40（40引脚双列直插封装）引脚的不变性。

80C5l

系列中40引脚的单片机DTP封装大多保持了80C51的引脚安排顺序。

因此，多数40引脚的单片机减口89C51、87C51、89C52及87C52等单片机，都配置有完整并行总线，皆属于总线型单片机。

（2）非总线型单片机

非总线型单片机是指在单片机引脚中不配置完整并行总线的单片机。

与80C51相同系列的单片机由于省去了并行总线，外部封装引脚减少，属于非总线型单片机。

如Philips公司的8×748、8×749、8750、8×751、8×752和87LPC764系列，ATMEL

公司的89Cl05l、89C2051。

删去并行总线后，显著地减少了封装引脚，芯片成本下降，故又称廉价型单片机。

这些单片机的引脚约在20~28之间。

非总线型单片机无法扩展外部并行接口器件，所必须扩展的外围器件可选择串行扩展方式。

2·780C51系列单片机内部资源扩展具有哪些特点?

答:

80C51系列内部资源扩展遵循了基核不变性和SFR集中管理原则，从而使80C51系列单片机有最佳的兼容性能。

（1）基核的不变性

80C51内部资源扩展后的所有衍生型号都保持了8051的基核结构，并实现指令系统不

变，总线不变，DIP40封装引脚不变，保证了80C5l系列单片机有最佳的兼容性能。

指令系统不变。

80C51系列中所有资源扩展的单片机都有完全相同的指令系统。

总线不变。

80C51系列中的所有的总线型单片机都保持了相同的并行扩展总线和串行

总线UART。

最大限度地保持了DIP40（40引脚双列直插封装）引脚的不变性。

80C51系列中40引

脚的单片机DIP封装大多保持了80C51的引脚安排顺序。

在涉及外部引脚的资源扩展时，尽量在原有80C51引脚的基础上扩展第二、第三功能。

例如，80C52扩展了定时器/计数器T2后，将Pl.0、Pl.1的第二功能定义为T2的计数输人端T2和触发输人端T2EX。

（2）SFR集中管理原则

集中的、归一化操作管理寄存器的管理模式是单片机内部资源操作管理的重要方式。

80C51中，在片内RAM的80H~FFH空间建立了集中的SFR空间，通过该空间的SFR实现

80C51系列单片机内部资源的运行操作。

2·880C51的并行总线有什么功用？

为什么说随着单片机技术发展并行总线的作用日趋下降?

答:

并行总线用于扩展外部程序存储器和外围电路，是第二代单片机结构完善的重要标志。

早期单片机应用系统申外围电路及程序存储器主要依靠并行总线扩展，但目前己日趋衰退。

80C51设置了规范的8位数据总线、16位地址总线，寻址范围分别为956B和64KB。

并行总线用来扩展程序存储器、数据存储器和并行接口外围电路。

目前，外围器件接口技术发展的一个重要方面是串行接口的发展。

采用串行接口可大大

减少引脚数量，简化系统结构。

采用串行接口虽然较之并行接口数据传输速度慢，但由于串行传输速度的不断提高，加之单片机面向对象的有限速度要求，使单片机应用系统中的串行扩展技术有了很大发展。

随着外围电路串行接口的发展，单片机串行扩展接口（移位寄存器接口、SPI、I2CBUS、Microwire、1-Wire）设置的普遍化、高速化，以及使用在片FlashROM，不必再在外部并行扩展EPROM，使得单片机的并行接口技术已日渐衰退。

目前许多原有带并行总线的单片机系列，推出了许多删去并行总线的非总线单片机。

2·980C5l的SFR占用了什么空间？

其寻址方式如何？

答:

（1）80C5l的SFR占用的空间

80C51中，在片内RAM的80H~FFH空间建立了集中的SFR空间，通过该空间的SFR

实现80C51系列单片机内部资源的运行操作。

（2）SFR的寻址方式

SFR的寻址方式有两种:

直接寻址方式。

在80C5l片内RAM的80H~FFH地址上有两个物理空间，一个是数据存储器扩展的高128B单元地址，另一个则是SFR的单元地址。

这两个空间采用不同的

寻址方式加以区别:

采用间接寻址方式时，访问的是数据存储器;而采用直接寻址方式时将访

问SFR。

位寻址方式。

SFR中有许多位操作要求力口T0、Tl的启停控制和标志位的查询等。

因此，SFR分为可位寻址SFR和不可位寻址SFR。

80C51中可位寻址的SFR，其直接地址为×0H或×8H，空出相邻的8个地址号依次作为相应的8个位地址号。

例如，定时器控制寄存器TCON的直接地址为88H，其8位位地址D0~D7，依次为88H~8FH。

直接地址88H和最低位IT0的位地址相同，但不会出现寻址错误，对TCON寻址使用直接地址寻址，而对IT0寻址则使用位寻址。

2·10什么是SFR的控制位与标志位?

请举一例说明可自动清除的标志和必须用指令清除的标志。

答:

控制位是用来设置各种工作方式的，是编程写人的控制操作，如TMOD申的GATE、C/T、Ml、M0;标志位是系统运行时自动形成的标志，如TFl、TF0为Tl、T0的溢出的标志位。

应用时应区分控制位与标志位。

要了解标志位的清除特性。

在具体操作时，有些标志位可以自动清除，有些标志位则必须通过指令清除。

例如，串行通信时，发送或接收完一帧后产生的发送/接收中断标志TI/RI必须用指令清

除;否则，将无法进行下一帧的发送/接收。

再如，定时器/计数器中的计数溢出中断请求标志TF0、TFl，置位时有中断请求，中断响应后自动清0。

2·11请说明单片机复位状态和SFR复位状态，两者有何区别?

答:

（1）单片机复位状态

当80C51的复位端RST输人两个机器周期以上的高电平信号时，单片机出现复位状态。

在复位状态下，PC指针为0000H。

单片机复位对片内RAM中的数据没有影响。

但上电复位时，由于是重新供电，RAM在断电时数据丢失，上电复位后为随机数。

（2）SFR的复位状态

80C51的复位状态全部表现为SFR的复位状态。

单片机SFR的复位状态概括如下:

I/0口（P0、P1、P2、P3）为FFH状态，即准双向I/O口酌输入状态。

栈指示器SP=07H，即堆栈底为片内RAM的07H单元。

除上述状态外，所有SFR的有效位均为零。

在了解了SFR的复位状态后，便可推断出单片机复位后内部资源的初始状态。

如定时

器/计数器的TMOD=00H，表明复位后的定时器/计数器是在方式0的定时器方式，由内部

TRi控制启、停，并处于计数停止状态。

2·1280C5l的I/O口有什么特点?

什么是口锁存器的读、改、写操作?

什么是读引脚操作?

答:

（1）80C5l的I/O口的特点

80C5l的I/O口都由内部总线实现操作控制的。

P0~P3四个I/O口都可用做普通I/O口，因此，要求有输出锁存功能。

内部总线又是分时操作的，故每个I/O口都有相应的锁

存器。

然而，I/O口又是外部的输人/输出通道，必须有相应的引脚，故形成了I/O口的锁存器加引脚的典型结构。

（2）口锁存器的读、改、写操作

许多涉及到I/O口的操作，实际上只是涉及口锁存器的读出、修改、写人的操作。

这些指令都是一些逻辑运算指令、置位/清除指令、条件转移指令以及将1/0口作为目的地址的操作指令。

（3）读引脚的操作

如果在指令中，某个I/O口被指定为源操作数，则该指令为读引脚的操作指令。

例如:

执行"MOVA,Pl"时，Pl口的引脚状态传送到累加器中;而相对应的"MOVPl，A"指令，则是将累加器的内容传送到P1口锁存器中。

2．12什么是准双向口？

使用准双向口时，要注意什么？

答：

（1）准双向口

P0、P1、P2、P3口作普通I/O口使用时，都是准双响口结构。

准双响口的典型结构见题图2–