第二章单片机结构和工作原理.docx

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第二章单片机结构和工作原理

授课教师

授课班级

课的类型

授课时间

课时分配

授课地点

课题

教学目标

1.了解51单片机的结构；

　2.学习51单片机的引脚及其功能；

重　点

51单片机的内部构造

难　点

51单片机的引脚及其功能

教法

讲授法＋多媒体形式

教具

多媒体

作业

1.课堂作业

教材P43页练习题

2.课下作业

打印片子一套

引入课题：

新课教学：

第2章

MCS-51单片机的

硬件结构

各功能部件：

1.CPU（微处理器）

2.数据存储器（RAM）

片内为128个字节（52子系列的为256个字节）

3.程序存储器（ROM/EPROM）

8031:

无此部件；

8051:

4K字节ROM；

8751:

4K字节EPROM；

89C51/89C52/89C55:

4K/8K/20K字节闪存。

4.P1口、P2口、P3口、P0口：

为4个并行8位I/O口。

5.串行口1个全双工的异步串行口

6.定时器/计数器

7.中断系统

8.特殊功能寄存器（SFR）

共有21个，是一个具有特殊功能的RAM区。

2.2MCS-51的引脚

40只引脚双列直插封装（DIP）

引脚逻辑图

8051单片机为40条引脚双列直插式封装

引脚可分为三个部分

（1）电源及时钟引脚:

Vcc、Vss；XTAL1、XTAL2。

（2）控制引脚：

PSEN*、EA*、ALE、RESET

（3）I/O口引脚：

P0、P1、P2、P3，4个8位I/O口

2.2.1电源及时钟引脚

1．电源引脚

（1）Vcc（40脚）：

+5V电源；

（2）Vss（20脚）：

接地。

2．时钟引脚

（1）XTAL1（19脚）：

采用外接晶体振荡器时，此引脚应接地。

（2）XTAL2（18脚）：

接外部晶体的另一端。

2.2.2控制引脚

（1）RST/VPD（9脚）：

复位与备用电源

（2）ALE/PROG*（30脚）：

第一功能ALE：

地址锁存允许

第二功能PROG*：

编程脉冲输入端。

（3）PSEN*（29脚）：

读外部程序存储器的选通信号。

可以驱动8个LS型TTL负载。

（4）EA*/VPP（31脚）：

EA*为内外程序存储器选择控制

EA*=1，访问片内程序存储器，

EA*=0，单片机则只访问外部程序存储器。

第二功能VPP，用于施加编程电压。

2.2.3I/O口引脚

（1）P0口：

双向8位三态I/O口，地址总线（低8位）及数据总线分时复用口，可驱动8个LS型TTL负载。

（2）P1口：

8位准双向I/O口，可驱动4个LS型TTL负载。

（3）P2口：

8位准双向I/O口，与地址总线（高8位）复用，可驱动4个LS型TTL负载。

（4）P3口：

8位准双向I/O口，双功能复用口，可驱动4个LS型TTL负载。

注意:

准双向口与双向三态口的差别。

当3个准双向I/O口作输入口使用时，要向该口先写“1”，另外准双向I/O口无高阻的“浮空”状态。

2.3MCS-51的CPU

由运算器和控制器所构成

2.3.1运算器

对操作数进行算术、逻辑运算和位操作。

1．算术逻辑运算单元ALU

2．累加器A

使用最频繁的寄存器，可写为Acc。

A的作用：

（1）是ALU单元的输入之一，又是运算结果存放单元。

（2）数据传送大多都通过累加器A。

（3）A的进位标志Cy同时又是位处理机的位累加器。

3．程序状态字寄存器PSW

（1）Cy（PSW.7）进位标志位

（2）Ac（PSW.6）辅助进位标志位

（3）F0（PSW.5）标志位

由用户使用的一个状态标志位。

（4）RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）：

4组工作寄存器区选择控制位1和位0。

（5）OV（PSW.2）溢出标志位

指示运算是否产生溢出。

各种算术运算指令对该位的影响情况较复杂，将在第3章介绍。

（6）PSW.1位:

保留位，未用

（7）P（PSW.0）奇偶标志位

P=1，A中“1”的个数为奇数

P=0，A中“1”的个数为偶数

2.3.2控制器

1．程序计数器PC（ProgramCounter）

存放下一条要执行的指令在程序存储器中的地址。

基本工作方式：

（1）程序计数器自动加1

（2）执行有条件或无条件转移指令时，程序计数器将被置入新的数值，从而使程序的流向发生变化。

（3）执行子程序调用或中断调用时完成下列操作：

①PC的当前值保护

②将子程序入口地址或中断向量的地址送入PC。

2．指令寄存器IR、指令译码器及控制逻辑电路

2.4MCS-51存储器的结构

哈佛（Har-vard）结构

存储器空间可划分为5类：

1.程序存储器空间

8031无内部程序存储器。

2.内部数据存储器空间

3.特殊功能寄存器

4.位地址空间

211个可寻址位。

5.外部数据寄存器空间

片外可扩展64K字节RAM。

2.4.1程序存储器

存放应用程序和表格之类的固定常数。

分为片内和片外两部分，由EA*引脚上所接电平确定

程序存储器中的0000H地址是系统程序的启动地址

5个单元具有特殊用途

表2-15种中断源的中断入口地址

外中断00003H

定时器T0000BH

外中断10013H

定时器T1001BH

串行口0023H

2.4.2内部数据存储器

共128个字节，

字节地址为00H～7FH。

00H～1FH：

32个单元，是4组通用工作寄存器区

20H～2FH：

16个单元，可进行128位的位寻址

30H～7FH：

用户RAM区，只能进行字节寻址，用作数据缓冲区以及堆栈区。

2.4.3特殊功能寄存器（SFR）

CPU对各种功能部件的控制采用特殊功能寄存器集中控制方式，共21个。

有的SFR可进行位寻址，其字节地址的末位是0H或8H。

SFR中的某些寄存器

1．堆栈指针SP

指示出堆栈顶部在内部RAM块中的位置

复位后，SP中的内容为07H。

（1）保护断点

（2）现场保护

堆栈向上生长

2.数据指针DPTR

16位特殊功能寄存器，高位字节寄存器用DPH表示，低位字节寄存器用DPL表示。

3.I/O端口P0～P3

P0～P3分别为I/O端口P0～P3的锁存器。

4.寄存器B

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来使用。

5.串行数据缓冲器SBUF

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，另一个是接收缓冲器。

6.定时器/计数器

两个16位定时器/计数器T1和T0，各由两个独立的8位寄存器组成：

TH1、TL1、TH0、TL0，只能字节寻址，但不能把T1或T0当作一个16位寄存器来寻址访问。

2.4.4位地址空间

211个（128个+83个）寻址位。

位地址范围为：

00H～FFH。

内部RAM的可寻址位128个（字节地址20H～2FH）见表2-3（P24）。

特殊功能寄存器SFR为83个可寻址位，见表2-4（P24）。

2.4.5外部数据存储器

最多可外扩64K字节的RAM或I/O。

几点注意：

（1）地址的重叠性

程序存储器与数据存储器全部64K字节地址空间重叠

程序存储器与数据存储器在使用上是严格区分的

（3）位地址空间共有两个区域

（4）片外与片内数据存储器由指令来区分

（5）片外数据存储区中，RAM与I/O端口统一编址。

所有外围I/O端口的地址均占用RAM地址单元，使用与访问外部数据存储器相同的传送指令。

2.5并行I/O端口

共有4个8位双向I/O口，共32口线。

每位均有自己的锁存器（SFR），输出驱动器和输入缓冲器。

说明：

1、当控制信号为0时，P0口做双向I/O口，为漏极开路（三态）

2、控制信号为1时，P0口为地址/数据复用总线（用于口扩展）

3、P0W为端口输出写信号，用于锁存输出状态

4、P0R1为读锁存器信号，执行“ANLP0,#0FH”时该信号有效

2.5.2P1口内部结构

P1口内部结构如图2所示

输出部分有内部上拉电阻R*约为20K。

其他部分与P0端口使用相类似（读引脚时先写入1）。

2.5.3P2口内部结构

2、当控制信号为1时

P2口输出地址信息，

此时单片机完成外部的取指操作或对外部数据存储器16位地址的读写操作。

3、当P2口作为普通I/O口使用时

用法和P1口类似。

说明：

1、P2可以作为通用的I/O，也可以作为高8位地址输出。

2.5.4P3口内部结构

说明：

1、做普通端口使用时，第二功能应为“1”。

2.5.5P0～P3端口功能总结

使用中应注意的问题：

P0～P3口都是并行I/O口，但P0口和P2口还可用来构建数据总线和地址总线，所以电路中有一个MUX，进行转换。

而P1口和P3口无构建系统的数据总线和地址总线的功能，因此，无需转接开关MUX。

只有P0口是一个真正的双向口，P1～P3口都是准双向口。

原因:

P0口作数据总线使用时，为保证数据正确传送，需解决芯片内外的隔离问题，即只有在数据传送时芯片内外才接通；否则应处于隔离状态。

为此，P0口的输出缓冲器应为三态门。

P3口具有第二功能。

因此在P3口电路增加了第二功能控制逻辑。

这是P3口与其它各口的不同之处。

2.6时钟电路与时序

时钟电路用于产生单片机工作所必需的时钟控制信号。

2.6.1时钟电路

时钟频率直接影响单片机的速度，电路的质量直接影响系统的稳定性。

常用的时钟电路有两种方式：

内部时钟方式和外部时钟方式。

一、内部时钟方式

内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，其输入端：

XTAL1，输出端：

XTAL2。

二、外部时钟方式

常用于多片MCS-51

单片机同时工作。

三、时钟信号的输出

为应用系统中的其它芯片提供时钟，但需增加驱动能力。

2.6.2机器周期、指令周期与指令时序

一、时钟周期

单片机的基本时间单位。

若时钟的晶体的振荡频率为fosc，则时钟周期Tosc=1/fosc。

如fosc=6MHz，Tosc=166.7ns。

二、机器周期

CPU完成一个基本操作所需要的时间。

执行一条指令分为几个机器周期。

每个机器周期完成一个基本操作。

MCS-51单片机每12个时钟周期为一个机器周期，

一个机器周期又分为6个状态：

S1～S6。

每个状态又分为两拍：

P1和P2。

因此，一个机器周期中的12个时钟周期表示为：

S1P1、S1P2、S2P1、S2P2、…、S6P2。

三、指令周期

执行一条指令时，可分为取指令阶段和指令执行阶段。

取指令阶段，PC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。

指令执行阶段，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。

ALE信号是为地址锁存而定义的，以时钟脉冲1/6的频率出现，在一个机器周期中，ALE信号两次有效（注意，在执行访问外部数据存储器的指令MOVX时，将会丢失一个ALE脉冲）

2.7复位操作和复位电路

2.7.1复位操作

单片机的初始化操作，摆脱死锁状态。

引脚RST加上大于2个机器周期（即24个时钟振荡周期）的高电平就可使MCS-51复位。

复位时，PC初始化为0000H，使MCS-51单片机从0000H单元开始执行程序。

除PC之外，复位操作还对其它一些寄存器有影响，见表2-6（P34）。

SP=07H，P0-P3的引脚均为高电平。

在复位有效期间，ALE脚和PSEN*脚均为高电平，内部RAM的状态不受复位的影响。

2.7.2复位电路

片内复位结构：

上电自动复位和按钮复位

最简单的上电自动复位电路:

按键手动复位，有电平方式和脉冲方式两种。

电平方式

脉冲方式

两种实用的兼有上电复位与按钮复位的电路。

图2-19中（b）的电路能输出高、低两种电平的复位控制信号，以适应外围I/O接口芯片所要求的不同复位电平信号。

74LS122为单稳电路，实验表明，电容C的选择约为0.1F较好。

备注