第2章 单片机的硬件基础.docx

1、第2章 单片机的硬件基础第2章 单片机的硬件基础2.1 单片机内部结构 微型计算机的基本组成有三部分，即 CPU 存储器I / O接口。若将这些部件集成在一块芯片上，称为单片机这些部分通过内部总线连接起来，基本结构仍然是通用CPU 加上外围芯片的结构模式，但功能单元上的控制与先前相比有重大变化，采用了特殊功能寄存器（SFR ）进行集中控制的方法T0 T1两个定时/计数器，用以对外部事件进行计 数，也可用作定时器时钟电路：内部时钟电路串行接口：一个串行端口，用于数据的串行通信中断系统：中断控制系统并行接口：四个8位可编程的I/O（输入/输出）并行端口，每个端口既可做输入，也可做输出Cpu:一个8

2、位微处理器CPU内部程序存储器ROM功能寄存器SFR2.2 MCS-51单片机内部结构2.1.1 中央处理器CPU1 运算器运算器的结构 ALU：进行算术运算（加减乘除）和逻辑操作（逻辑乘，逻辑加，异或，取反）。A：指令执行前存放操作数，指令执行后存放操作结果。PSW：存放指令执行后的状态信息（如：最高位有无进位，有无溢出等等）。TMP：存放另一操作数，对用户不开放（即用户不可把它用在指令中）。 程序状态字PSW2.1.2 存储器结构微型计算机的存储器结构分为两大类型：1 ） 程序存储器和数据存储器合用一个存储空间，即统一编址，称为普林斯顿结构 2） 程序存储器和数据存储器相互独立，分开编址，

3、称为哈佛（Haward）结构 一般微机通常采用普林斯顿结构，即只有一个逻辑空间，可以随意安排ROM或RAM。访问存储器时，同一地址对应唯一的存储单元，可以是ROM也可以是 RAM，并用同类访问指令（8086/8088）。1存储原理 为了探讨计算机的存储原理，我们做一个实验：这里有两盏灯，我们知道灯只有亮和灭两种状态，我们能用0和1来代替这两种状态，规定亮为1，灭为0。现在这两盏灯总共有几种状态呢？我们列表来看一下，如图所示：P16页图2.2存储器是利用电平的高低来存放数据的。它是由大量寄存器组成的，其中每一个寄存器就称为一个存储单元。它可存放一个有独立意义的二进制代码。一个代码由若干位（bit

4、）组成，代码的位数称为位长，习惯上也称为字长。1. 单片机的存储器地址分配 8051在物理结构上设计成程序存储器与数据存储器独立分开的哈佛结构,有四个存储空间：片内程序存储器、片外程序存储器、片内数据存储器、片外数据存储器 高于4K部分的ROM只可能有一片，EA电平的高低只确定低4K是片内/片外，当地址超过0FFFH时自动指向片外片内和片外RAM地址重叠，通过指令区别8051在逻辑上，即从用户角度上8051有三个存储空间： 片内外统一编址的程序存储, 片内外不统一编址的数据存储器 ,特殊功能寄存器（片内）访问这几个不同的逻辑空间时，采用的指令：片内外程序存储器空间-MOVC, 片内数据存储器空

5、间和SFR-MOV,片外数据存储器地址空间-MOVX2. 程序存储器程序存储器用于存放程序和表格常数。 AT89s52片内有8K字节Flash，片外用16位地址线最多可扩展64K字节ROM，两者是统一编址的。如果EA端保持高电平，执行片内前8KB Flash地址(0000H1FFFH) 中的程序。当寻址范围超过8KB（1FFFHFFFFH）时，则从片外存储器取指令。 当EA端保持低电平时，所有取指令操作均在片外程序存储器中进行，这时片外存储器可以从 0000H开始编址。6个单元具有特殊功能0000H: 8051复位后，PC0000H，程序从0000H 开始执行指令。(8086 复位后 CS=0

6、fffffh,IP=00000h)0003H：外部中断0入口。000BH：定时器0溢出中断入口。0013H：外部中断1入口。001BH：定时器1溢出中断入口。0023H：串行口中断入口。使用时，通常在这些入口地址处存放一条绝对跳转指令，使程序跳转到用户安排的中断程序起始地址，或者从0000H起始地址跳转到用户设计的初始程序上。 3. 数据存储器RAM低128 单元分三个区域：工作寄存器、位寻址区和数据缓冲区 P17图2.3，表2.2高128字节与特殊功能寄存器地址是重叠的，当访问高128字节时，是通过寻址方式区别的: 直接寻址-特殊功能寄存器 间接寻址-高128字节RAM寄存器区4组(32B)

7、1. 通用寄存器区（00H-1FH）由PSW中的2位RS1、RS0来决定选 哪一组为当前工作寄存器： RS1、RS0=00 选0组 RS1、RS0=01 选1组 RS1、RS0=10 选2组 RS1、RS0=11 选3组2）位寻址区 在位地址区，每一个BIT都有一个地址，共68=128位布尔处理器（位处理器）是51单片机ALU所具有的一种功能。单片机指令系统的位处理指令集（17条位操作指令），存储器中的位地址空间，以及借用程序状态寄存器PSW中的进位标志CY做为位操作“累加器”，构成了51单片机内的布尔处理器。它可对直接寻址的位（bit）变量进行位处理，这一部分空间就是布尔处理器的RAM注意字

8、节地址和位地址的区别：在程序里是通过指令来区别的，如：MOV A,20H ; 字节操作MOV C,20H ；位操作3）数据缓冲区共80个字节，作为一般的数据缓冲区并可设置堆栈区，只能字节寻址堆栈指针SP8位，堆栈是按照先进后出、后进先出的原则进行存取的RAM区域。堆栈共有两种操作：进栈和出栈。不论是数据进栈还是数据出栈，都是对堆栈的栈顶单元进行的，即对栈顶单元进行读、写操作。最后进栈的数据所在单元称为栈顶，为了指示栈顶地址，需要设置堆栈指示器，SP称为堆栈指示器，也称为堆栈指针，它具有自动加1、减1功能，它始终指向栈顶地址。 堆栈有两种类型：向上生长型和向下生长型（19页图2.4）4. 特殊功

9、能寄存器（21个字节）21 个特殊功能寄存器，又称为专用寄存器（SFR ）。它们离散地分布在80H - 0FFH RAM 空间中。 21 个特殊功能寄存器地址不连续，空闲地址无意义，对用户来讲，这些单元是不存在的。 对特殊功能寄存器只能使用直接寻址方式，书写时既可使用寄存器符号，也可使用寄存器单元地址。 11 个SFR 寄存器具有位寻址 4.特殊功能寄存器（21个字节）16到21：与定时/计数器相关的（6个）:TMOD (Timer/Counter Mode Register) 定时器工作模式寄存器。TCON (Timer/Counter Control Register) 定时器控制寄存器。

10、TH0、TL0 、TH1、TL1：分别是T0、T1的记数初值寄存器。9到15：与端口相关的7个寄存器P0、P1、P2、P3： 四个并行输入/输出口的寄存器。它里面的内容对应着管脚的输出。与中断相关的2个寄存器:IP (Interrupt Priority Register) IE (Interrupt Enable Register)DPTR (Data Pointer)(DPH、DPL)数据指针可以用它来访问外部数据存储器中的任一单元，也可以作为通用寄存器来用，由我们自已决定如何使用。SP (Stack Pointer)： 堆栈指针，8位寄存器，用来指定堆栈的栈顶位置，初值为07H。它是加1

11、计数.注意：堆栈的位置和寄存 器组的冲突问题 PSW用于作为程序运行状态的标志。存放了CPU工作时的很多状态，借此，可以了解CPU的当前状态， 并作出相应的处理。B Register：暂存寄存器。暂存寄存器。在做乘、除法时放乘数或除数及结果。A Register (Accumulator)： 累加器，通常用A或ACC表示。可字节寻址， 也可位寻址(E0HE7H), 在运算器做运算时其中一个数一定是在ACC中。5和6：与指针相关的2个寄存器1到3：与ALU相关的三个寄存器11个可位寻址的SFR2.1.3 I/O 端口结构1. 并行I/O端口8051单片机有4个I/O端口，每个端口都是8位准双向口

12、，共占32根引脚。每个端口都包括一个锁存器、一个输出驱动器和输入缓冲器。通常把4个端口笼统地表示为P0P3。在无片外扩展存储器的系统中，这4个端口的每一位都可以作为准双向通用I/O端口使用。在具有片外扩展存储器的系统中，P2口作为高8位地址线，P0口分时作为低8位地址线和双向数据总线。 8051单片机4个I/O端口线路设计的非常巧妙，学习I/O端口逻辑电路，不但有利于正确合理地使用端口，而且会给设计单片机外围逻辑电路有所启发。下面简单介绍一下输入/输出端口结构。P0 口每位由一个输出锁存器、2 个三态输入缓冲器1 个输出驱动电路和1 个输出控制电路组成。 输出驱动电路由一对FET （场效应管）

13、T1 、T2 组成。 输出控制电路由一个与门电路、1 个反相器和1 路多路开关MUX 组成P0口既可以作为I/O用，也可以作为地址/数据线用漏极开路输出，P0.X悬浮，为了使P0.X有一个高电平的状态需加一个上拉电阻输入时-分读引脚或读锁存器读引脚读引脚的条件是：先输出一个“1输入跟随外部变化，读引脚：由传送指令(MOV)实现输入被嵌位在逻辑“0”，不能实现正确的输入这时，输入口是一个带高阻悬浮态的、带缓冲的输入口，一个输出带锁存输入带缓冲的双向口当P0口作为一般I/O使用时，P0口也是一个准双向口，即输入数据时，应先向口写1，使两个FET均截止，然后方可作高阻抗输入。但在P0口连接到外部存储

14、器时，由于访问外部存储其器件，CPU会自动向P0口的锁存器写入0FFH，所以，对用户而言，P0口作地址/数据总线时则是一个真正的双向口读锁存器有些指令 如：ANL P0,A 称为“读-改-写” 指令，需要读锁存器。上面一个缓冲器用于读端口锁存器数据。准双向口： 从图中可以看出，在读入端口数据时，由于输出驱动FET并接在引脚上，如果T2导通，就会将输入的高电平拉成低电平，产生误读。所以在端口进行输入操作前，应先向端口锁存器写“1”，使T2截止，引脚处于悬浮状态，变为高阻抗输入。这就是所谓的准双向口。 P0作为地址/数据总线 看pptP1的内部结构 P1 口通常作为通用I / O 口使用，准双向口

15、。P1 口与P0口不同：不再需要MUX ；有内部上拉电阻。 P1 口与P0 口相同：作输入口时，也需先向其锁存器写入“1”。P1口的特点1 输出锁存，输出时没有条件2 输入缓冲，输入时有条件，即需要先将该口设为输入状态，先输出1 .3 工作过程中无高阻悬浮状态，也就是该口不是输入态就是输出态。具有这种特性的口不属于“真正”的双向口，而被称为“准”双向口。P2 口的功能1 作I / O口使用：P2 口为准双向口。2 作地址输出：P2 口可以输出程序存储器或片外数据存储器的高8 位地址，与P0输出的低地址一起构成16 位地址线，从而可分别寻址64KB 的程序存储器或片外数据存储器。地址线是8 位一

16、起自动输出的。P2 口上有一个多路开关，多路开关的输入有两个：一个是口输出锁存器的输出端Q ;一个是地址寄存器（PC 或DPTR）的高位输出端。多路开关的输出经反相器反相控制输出EFT 的Q0 。多路开关的切换由内部控制信号完成。P3的内部结构作为通用I/O口与P1口类似-准双向口(W=1)P3第二功能(Q=1)此时引脚部分 输入(Q=1、W=1 T截止) 输出(Q=1、W输出) 2. 串行I/O端口 P3 口是一个多功能口。可作I / O 口使用，为准双向口。既可以字节操作，也可以位操作。既可以读引脚，也可以读锁存器，实现“读一修改一输出”操作。可以使用第二功能进行输入、输出。P3第二功能各

17、引脚功能定义P3.0：RXD 串行口输入P3.1：TXD 串行口输出P3.2：INT0 外部中断0输入P3.3：INT1 外部中断1输入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 外部写控制P3.7：RD 外部读控制2.1.4 定时器/计数器结构8051有两个16位定时器/计数器T0和T1，分别与2个8位寄存器T0L、T0H及T1L、T1H对应。8051的定时器/计数器可以工作在定时方式或计数方式。1定时方式 定时方式实现对单片机内部的时钟脉冲或分频后的脉冲进行计数。2计数方式 实现对外部脉冲的计数，读者将对定时器/计数器将在后续章节中进行具体学习。2.1.

18、5 中断系统在单片机系统设计设计中，中断是一个必不可少的概念。 8051有5个中断源，两个中断优先级控制，可以实现两个中断服务嵌套。两个外部中断INT0、INT1，两个定时器中断T0、T1，还有一个串行口中断。 中断的控制由中断允许寄存器IE和中断优先级寄存器IP实现。关于中断的设置和实现将在后续章节进行具体讲解学习。2.2 单片机的引脚功能26页pdip图8751有片内EPROM，用户程序可以自己写入，因此，EA一般接+5V，使用片内EPROM8051有片内ROM，但由于用户程序无法自己写入，因此，片内ROM一般用不到，故，EA应接地，使用片外ROM8031无片内ROM，EA应接地，使用片外

19、ROM1.RST/VPD:复位信号 输入/备用电源输入2. 外接晶振引脚XTAL1 、 XTAL23. 电源Vcc 电源地Vss 4. -PSEN程序存储器 读选通信号5. ALE/PRG 地址锁存 允许/编程脉冲输入6. EA/Vpp访问外部 ROM控制信号 单片机的引脚除了电源、复位、时钟接入、用户I/O口外，其余引脚都是为了实现系统扩展而设置的。这些引脚构成了三总线形式。（1）地址总线（AB）： 地址总线宽度为16位，由P0口经地址锁存器提供低8位地址（A0-A7）；P2口直接提供高8位地（A8A15）。地址信号是由CPU发出的，故地址总线是单方向的。（2）数据总线（DB）： 数据总线宽

20、度为8位，用于传送数据和指令，由P0口提供。（3）控制总线（CB）： 控制总线随时掌握各种部件的状态，并根据需要向有关部件发出命令。2.3.1 时钟电路1、内部时钟方式：8051内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。把放大器与作为反馈元件的晶体或陶瓷谐振器连接，就构成了内部自激振荡器并产生振荡时钟脉冲2.3.1 振荡器和时钟电路2、外部时钟方式： 就是把外部已有的时钟信号引入单片机内2.3.2 时序定时单位计算机工作要有严格的时序。事实上，计算机更象一个大钟，什么时候分针动，什么时候秒针动，什么时候时针动，都有严格的规定，一点也不

21、能乱。单片机内的各种操作都是在一系列脉冲控制下进行的，而各脉冲在时间上是有先后顺序的，这种顺序就称为时序。或者说是：CPU在执行指令时所需产生的时间顺序指令周期指CPU执行一条指令所需要的时间。一个指令周期通常含有14个机器周期。 通常将完成一个基本操作所需的时间称为一个机器周期。由6个S状态组成，共12拍时钟周期是振荡源信号经二分频后形成的时钟脉冲信号，称为一个S状态，由两个P组成振荡周期是单片机提供时钟信号的 振荡源的周期，又称为1拍1、拍（P）：振荡脉冲的周期，用P表示。是晶体的振荡周期，或是外部振荡脉冲的周期，是MCS-51单片机中最小的时序单位。2、状态或时钟周期（S）：振荡脉冲经二

22、分频后得到的时钟信号，把时钟信号的周期称为状态，用S表示。一个状态包括两个拍P1和P2（前拍和后拍）。是最基本的时间单位。3、机器周期：CPU完成一个基本操作所需的时间称为机器周期。由6个状态（12拍）组成。 4、指令周期：是执行一条指令所需要的时间。是MCS-51单片机最大的时序单位。一个指令周期通常含有14个机器周期。若MCS-51单片机外接晶振为12MHz时，则单片机的四个周期的具体值为：振荡周期1/12MHz1/12s0.0833s时钟周期1/6s0.167s机器周期1s指令周期14s2.3.3 CPU 指令的取指/执行时序 ALE 是地址锁存信号。该信号每有效一次就能对存储器进行一次

23、读指令操作。ALE 信号以振荡脉冲六分之一的频率出现。因此，在一个机器周期中，ALE 信号两次有效：第一次在S1P2 和S2P1 期间第二次在S4P2 和S5P1 期间，有效宽度为一个时钟周期1.单字节单周期指令 这类指令的执行从S1P2 开始，在S1P2 期间读入操作码并把它锁存到指令寄存器中。在S4 处虽仍有一次读操作，但由于程序计数器PC 没有加1 ，读出的是原指令，因此属于 一次无效的读操作。 2.双字节单周期指令 一条指令2 个字节，每次总线操作是8 位，需要进行2 次总线操作。对应于ALE 的两次读操作都是有效的，第一次是读指令操作码，第二次是读指令第二字节3.单字节双周期指令两个

24、机器周期内进行了四次读操作（产生4 次ALE 信号），但由于是单字节指令，故后面三次读操作无效。2.4 单片机的工作方式2.4.1 复位方式单片机运行出错或进入死循环时，可按复位键重新运行（初始化）。21个特殊功能寄存器复位后的状态为确定值，注意： 8051进入复位状态后，除SP为07H， P0P3为FFH外，其余均为0。 2.4.1 单片机的复位方式（1）简单的复位电路： 简单复位电路有上电复位和手动复位两种。不管是哪一种复位电路都要保证在RST引脚上提供10ms以上稳定的高电平。见图33页 a是常用的上电复位电路。这种上电复位利用电容器充电来实现。当加电时，电容器C充电，电路有电流流过，构

25、成回路，在电阻R上产生压降，RST引脚为高电平；当电容C充满电后，电路相当于断开，RST的电位与地相同，复位结束。可见复位的时间与充电的时间有关，充电时间越长复位时间越长。增大电容或增大电阻都可以增加复位时间。b是按键式复位电路。它的上电复位功能与（a）相同，但它还可以通过按键实现复位，按下键后，通过R1和R2形成回路，使RST端产生高电平。按键的时间决定了复位时间。单片机的复位状态复位信号高电平有效，电平持续时间应为24个时钟周期以上，才可以使单片机可靠复位。复位后P0P3可以不用输出1而直接进行输入sp复位后SP=07,栈底地址与R7相同，堆栈操作的第一个数据放入08H（第二组R0）psw

26、复位后RS0=RS1=0,寄存器选择0组，R0地址为00H,R7地址为07H,F0=0pc复位后第一条要执行指令的地址为0000HPC0000HTCON00HACC00HTL000HPSW00HTH000HSP07HTL100HDPTR0000HTH100HP0P3FFHSCON00HIPXX000000BSBUF不定IE0X000000BPCON0XXX0000BTMOD00H2.5 单片机的最小系统 单片机最小系统包括单片机及其所需的必要的电源、时钟、复位等部件，能使单片机 处于正常的运行状态。电源、时钟等电路是使单片机能运行的必备条件，可以将最小系统作为应用系统的核心部分，通过对其进行存储器扩展、A/D扩展等，因此51单片机最小系统的功能主要如下： 能够运行用户程序。 用户可以复位单片机。 具有相对强大的外部扩展功能。