第二章单片机的基本结构与工作原理-8

单片机原理及应用技术Ceee-HustLiCheng第二章51单片机基本结构151单片机总体构成2.151单片机基本组成及封装2.251单片机辅助电路与CPU时序2.32.42.551单片机存储空间51单片机硬件资源单片机原理及应用技术MCS-51是Intel公司生产的一个单片机系列名称。属于这一系列的单片机有多种，如：﹡8031/8051/8751/8951；基本型﹡8032/8052/8752/8952；增强型﹡80C31/80C51/87C51/89C51；低功耗型﹡80C32/80C52/87C52/89C52；低功耗增强型2.1MCS51单片机总体构成单片机原理及应用技术基本型和增强型两大类：增强型：8032/8052/8752/8952/80C32/80C52/87C52/89C52基本型：8031/8051/8751/895180C31/80C51/87C51/89C512.1MCS51单片机总体构成单片机原理及应用技术片内程序存储器配置4种形式﹡ROMLess型无片内程序存储器；80C31﹡掩膜ROM型用户程序由芯片生产厂写入；80C514K字节掩膜ROM﹡EPROM型用户程序电装置写入，紫外线照射擦除；87C514K字节EPROM﹡FlashROM型用户程序可以电写入或擦除；89C514K字节Flash2.1MCS51单片机总体构成单片机原理及应用技术增强型与基本型比较：﹡片内ROM字节数：从4K增加到8K；﹡片内RAM字节数：从128增加到256；﹡定时/计数器从2个增加到3个；﹡中断源由5个增加到6个。ROM--ReadOnlyMemoryRAM--RandomAccessMemory2.1MCS51单片机总体构成单片机原理及应用技术80C51典型产品资源配置2.1MCS51单片机总体构成单片机原理及应用技术2.2.18051的引脚封装123456789101112131415161718192040393837363534333231302928272625242322211234567891020191817161514131211P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/VPDP3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RDXTAL2XTAL1VSSVCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VPPALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0RSTP3.0/RXDP3.1/TXDXTAL2XTAL1P3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1GNDVCCP1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1/AIN1P1.0/AIN0P3.7注：类似的还有Philips公司的87LPC64，20引脚8XC748/750/（751），24引脚8X749（752），28引脚8XC754，28引脚等等80C51/89C5189C2051总线型非总线型2.28051的基本结构及封装单片机原理及应用技术2.28051的基本结构及封装2.2.28051的基本结构时钟电路总线控制CPUROM/EPROM/FLASH4K字节RAM128字节SFR21个定时/计数器2个中断系统5中断源、2优先级串行口全双工2个并行口4个RSTEAALEPSENXTAL2XTAL1P0P1P2P3VCCVSS单片机原理及应用技术单片机原理及应用技术2.2.38051的CPU（1）运算器（2）控制器2.28051的基本结构及封装单片机原理及应用技术运算器（1）算术逻辑单元ALU（ArithmeticLogicUnit）（2）累加器ACC（Accumulator）（3）寄存器B（4）程序状态寄存器PSWD7D6D5D4D3D2D1D0CYACF0RS1RS0OVF1P2.28051的基本结构及封装单片机原理及应用技术控制器（1）程序计数器PC（ProgramCounter）（2）指令寄存器IR（InstructionRegister）（3）指令译码器ID（InstructionDecoder）（4）振荡器及定时控制电路（5）堆栈指示器SP（StackPointer）2.28051的基本结构及封装单片机原理及应用技术30pF30pF石英晶体反相器至内部时钟电路80511XTAL1XATL28051XTAL2XATL1VSS外部时钟2.351单片机的辅助电路与CPU时序内部时钟外部时钟2.3.18051的时钟电路单片机原理及应用技术振荡周期（fSOC）：为单片机提供振荡源的信号周期。＊当使用内部时钟时,为外接石英晶体振荡器（晶振）的固有周期；＊当使用外部时钟时,为外部时钟周期。由于常见的单片机系统都是使用内部时钟，因此有时也把晶振固有周期当作振荡周期，把振荡周期称为晶振周期，对应的频率称为晶振频率。2.351单片机的辅助电路与CPU时序单片机原理及应用技术状态周期：也称S周期，是振荡周期的两倍。机器周期：单片机的基本操作周期，由6个S周期组成。即机器周期为S周期的6倍，为振荡周期的12倍。指令周期：CPU执行一条指令所占用时间称为指令周期。＊指令周期一般以机器周期为单位，一个指令周期通常由1~4个机器周期组成。＊外部设备一般都以机器周期为时间单位，对于应用来说，必须明白机器周期和振荡周期之间的关系。2.351单片机的辅助电路与CPU时序单片机原理及应用技术2.3.28051的CPU时序一个机器周期包含12个晶荡周期或6个S周期S1S2S3S4S5S6机器周期TCY分频器振荡器晶振周期时钟周期（S状态）80C51P1P2指令的执行时间称作指令周期（单、双、四周期）2.351单片机的辅助电路与CPU时序单片机原理及应用技术8051的典型时序各指令的微操作在时间上有严格的次序，这种微操作的时间次序被称作时序。单字节指令双字节指令1、单周期指令时序S1S2S3S4S5S61个机器周期P1P2ALE读操作码空读S1S2S3S4S5S61个机器周期P1P2ALE读操作码读第二字节2.351单片机的辅助电路与CPU时序单片机原理及应用技术2个机器周期中ALE信号有效4次，后3次读操作无效。2、双周期指令时序S1S2S3S4S5S6第1机器周期P1P2ALE读操作码空读3次S1S2S3S4S5S6第2机器周期2.351单片机的辅助电路与CPU时序单片机原理及应用技术在第二机器周期无读操作码的操作，而是进行外部数据存储器的寻址和数据选通。ALE信号会出现非周期现象。访问外部RAM的双周期指令时序S1S2S3S4S5S6第1机器周期P1P2ALE读操作码空读S1S2S3S4S5S6第2机器周期数据地址及选通2.351单片机的辅助电路与CPU时序单片机原理及应用技术2.3.38051单片机的复位一、复位电路复位目的是使单片机或系统中的其它部件处于某种确定的初始状态。上电复位电路按键与上电复位2.351单片机的辅助电路与CPU时序单片机原理及应用技术二、单片机复位后的状态PC=0000H，所以程序从0000H地址单元开始执行启动后，片内RAM为随机值，运行中的复位操作不改变片内RAM的内容；特殊功能寄存器复位后的状态是确定的：•4个I/O口P0~P3=FFH，各口可用于输出，也可用于输入；•堆栈指示器SP=07H，第一个入栈内容将写入08H单元；•各中断源处于低优先级且均被关断；IP,IE,PCON有效位为0;•串行通讯的波特率不加倍；•程序状态寄存器PSW=00H，当前工作寄存器为0组。2.351单片机的辅助电路与CPU时序单片机原理及应用技术2.451单片机存储空间8051存储器可以分成两大类：﹡RAM(RandomAccessMemory)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。它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。﹡ROM(ReadOnlyMemory)是一种写入信息后不易改写的存储器。断电后，ROM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。单片机原理及应用技术8051片内存储器在物理上设计成程序存储器和数据存储器两个独立的空间。﹡内部ROM容量4K字节范围是：000H~0FFFH﹡内部RAM容量128字节范围是：00H~7FH2.451单片机存储空间单片机原理及应用技术2.4.18051的程序存储器配置0000H0FFFH1000HFFFFHEA=1内部EA=0外部外部PSEN0000HFFFFHROM0003H000BH0013H001BH0023H复位入口INT0中断入口T0中断入口INT1中断入口T1中断入口串口中断入口PC是16位的计数器，所以能寻址64KB的ROM。（8051内部有4KB的掩膜ROM，8751在内部有4KB的EPROM，而8031在内部没有程序存储器）。2.451单片机存储空间单片机原理及应用技术2.4.28051的数据存储器配置工作寄存器区位寻址区通用RAM区00H1FH30H7FH32个字节16个字节80个字节80HFFHSFR区直接寻址访问间接寻址访问增强型附加空间外部RAM（或I/O）64K0000HFFFFHRDWR2.451单片机存储空间单片机原理及应用技术一、工作寄存器区低端32个字节分成4个工作寄存器组，每组8个单元。当前工作寄存器组的机制便于快速现场保护。PSW的RS1、RS0决定当前工作寄存器组号•寄存器0组：地址00H~07H；•寄存器1组：地址08H~0FH；•寄存器2组：地址10H~17H；•寄存器3组：地址18H~1FH。2.451单片机存储空间单片机原理及应用技术二、位寻址区2.451单片机存储空间单片机原理及应用技术三、通用RAM区30H至7FH共80个字节为通用RAM;这些单元可以作为数据缓冲器使用;这一区域操作指令丰富，数据处理方便灵活。在实际应用中，常需在RAM区设置堆栈;80C51的堆栈一般设在30H~7FH的范围内。栈顶位置由SP寄存器指示,复位时SP初值为07H;在系统初始化时可以重新设置。2.451单片机存储空间单片机原理及应用技术四、80C51的特殊功能寄存器（SFR）•内部21个特殊功能寄存器单元同内部RAM的128个字节统一编址，地址范围是80H～FFH。SFR只用到了80H～FFH中的21个字节单元，且这些单元是离散分布的。（增强型单片机的SFR有26个字节单元，所增加的5个单元均与定时/计数器2相关。）2.451单片机的硬件资源与CPU时序单片机原理及应用技术8051的特殊功能寄存器（SFR）名称标识符名称地址*ACC累加器E0H*BB寄存器F0H*PSW程序状态字D0HSP堆栈指针81HDPL数据指针（低位字节）82HDPH数据指针（高位字节）83H*P0口080H*P1口190H*P2口2A0H*P3口3B0H*IP中断优先级控制B8H*IE允许中断控制A8HTMOD定时器/计数器方式89HTCON定时器/计数器控制88HTH0定时器/计数器0（高位字节）8CHTL0定时器/计数器0（低位字节）8AHTH1定时器/计数器1（高位字节）8DHTL1定时器/计数器1（低位字节）8BH*SCON串行控制98HSBUF串行数据缓冲器99HPCON电源控制87H2.451单片机存储空间单片机原理及应用技术80C51的特殊功能寄存器（SFR）分布情况2.451单片机的硬件资源与CPU时序单片机原理及应用技术8051的特殊功能寄存器（SFR）位地址SFR字节地址位地址D0D1D2D3D4D5D6D7P080HP0.0P0.1P0.2P0．3P0．4P0.5P0.6P0.78081828384858687TCON88HIT0IE0IT1IE1TR0TF0TR1TF188898A8B8C8D8E8FP190HP1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P