单片机第一讲1

LOGO单片机硬件结构——以MCS-51系列单片机为例单片机的定义软件系统硬件系统＋控制器运算器存储器输入设备CPU微型计算机系统输入接口电路输出接口电路输出设备CPU存储器并行I/O接口定时器/计数器中断系统P0～P3TXDRXDTINT并行I/O接口单片机内部结构示意图如果在一块芯片上，集成了一台微型计算机的4个基本组成部分，则这种芯片就成为单片微型计算机，简称单片机。单片机在早期的自动化生产控制领域中应用得十分广泛，因此单片机也称为微控制器（MicrocontrollerUnit），简称MCU。MCS-51系列单片机内部结构框图MCS-51系列单片机基本特性MCS-51系列单片机基本特性中央处理器（CPU)存储器（RAM&ROM）并行输入/输出（I/O）端口定时器与计数器中断控制串行接口等单片机主要硬件结构0INTCPUROMRAM1INT0INT总线时钟电路并行接口串行接口中断系统定时/计数器中央处理器（CPU）运算器控制器布尔处理器中央处理器（CPU）运算器算术/逻辑单元ALU（ArithmeticLogicUnit)ALU由加法器和其他逻辑电路等组成，完成数据的算术逻辑运算、循环移位、位操作等，参加运算的两个操作数，一个由A通过暂存器2提供，另外一个由暂存器1提供，运算结果送回A，状态送PSW。累加器ACC(Accumulator)累加器是一个8位特殊功能寄存器，简称A，通过暂存器与ALU传送信息，用来存放一个操作数或中间结果。运算器中央处理器（CPU）程序状态字寄存器PSW（ProgramStatusWord）PSW也是一个8位的特殊功能寄存器，用于存储程序运行过程中的各种状态信息。其他部件暂存器用来存放中间结果，B寄存器用于乘法和除法时，提供一个操作数，对于其他指令，只用作暂存器。中央处理器（CPU）控制器程序计数器PC（ProgramCounter）程序计数器是一个16位的专用寄存器，用来存放下一条指令的地址。当按照PC所指的地址从存储器中取出一条指令后，PC会自动加1，即指向下一条指令。堆栈指针SP（StackPointer)堆栈指针是指片内RAM的128B（52子系列为256B）空间中开辟的堆栈区的栈顶位置，并跟随栈顶位置变化。堆栈是按先进后出的原则存取数据的。开机复位后，SP默认值为07H中央处理器（CPU）控制器指令寄存器IR（InstructionRegister）和指令译码器ID（InstructionDecoder）指令寄存器和指令译码器的功能是对将要执行的指令进行存储和译码数据指针DPTR（DataPointer）数据指针是一个16位的专用地址指针寄存器，主要用来存放16位地址。它可以对64KB的外部数据存储器和I/O进行寻址，数据指针可分为高8位数据指针寄存器（DPH）和低8位数据指针寄存器（DPL），地址分别为83H和82H。中央处理器（CPU）布尔（位）处理器单片机能处理布尔操作数，能对位地址空间中的位直接寻址，进行清零、取反等操作，这种功能提供了把逻辑式（随机组合逻辑）直接变为软件的简单明了的方法，不需要过多的数据传送、字节屏蔽和测试分支，就能实现复杂的组合逻辑功能。位处理器是单片机的一个特殊组成部分，具有相应的指令系统，可提供17条位操作指令。硬件上有自己的“累加器”和自己的位寻址RAM、I/O口空间，是一个独立的位处理器，位处理器和8位处理器形成完美的组合。存储器51系列单片机在系统结构上采用哈佛结构（Harvardarchitecture），即程序存储器和数据存储器的寻址空间是分开管理的。它共有4个物理上独立的存储器空间，即内部和外部程序存储器及内部和外部数据存储器。从用户的角度看，单片机的存储器逻辑上分为三个存储空间，即统一编址的64KB的程序存储器地址空间（包括片内ROM和外部扩展ROM），地址从0000H—FFFFH；256B的片内数据存储地址空间（包括128B的片内RAM和特殊功能寄存器的地址空间）；64KB的外部扩展的数据存储器地址空间。存储器程序存储器ROM（ReadOnlyMemory)程序存储器用于存放编好的程序、常数和表格。51子系列单片机片内有4KBROM，52子系列单片机片内有8KBROM，二者片外地址线均为16位，最多可扩展64KBROM，片内片外统一编址。若端保持低电平，则所有取指令均在片外程序存储器中进行，000H地址在片外。若保持高电平，000H地址在片内，所有取指令操作均在片内程序存储器中进行。EAEA存储器数据存储器RAM（RandomAccessMemory)51单片机芯片中共有256个字节的RAM单元，但其中128个字节被专用寄存器占用，能作为存储单元供用户使用的只是前128B，用于存放可读写的数据。因此通常所说的内部数据存储器就是指前128B，简称片内RAM。51单片机片内128BRAM根据功能又划分为工作寄存器区（地址00H—1FH），位寻址区（地址20H—2FH），一般RAM区（地址30H—7FH）和堆栈区（地址2FH以后），其中位寻址区共16字节128个单元。51单片机共有21个特殊功能寄存器（SpecialFunctionRegister，SFR），它是片内RAM的一部分。特殊功能寄存器用于对片内各功能模块进行监控和管理，是一些控制寄存器和状态寄存器，与片内RAM单元统一编址。存储器0000H片内4kROMEA=10FFFH片外4k扩展ROMEA=0片外60k扩展ROMEA=01000HFFFFH00HFFH片内128BRAM特殊功能寄存器21个7FH80H0000HFFFFH地址地址地址片外64KBRAM单片机存储空间分布图存储器数据存储器的内部结构图存储器片内RAM中的工作寄存区—00H~1FH32个单元存储器片内RAM中的位寻址区地址映像表—16个单元单元地址位地址2FH7FH7EH7DH7CH7BH7AH79H78H2EH77H76H75H74H73H72H71H70H2DH6FH6EH6DH6CH6BH6AH69H68H2CH67H66H65H64H63H62H61H60H2BH5FH5EH5DH5CH5BH5AH59H58H2AH57H56H55H54H53H52H51H50H29H4FH4EH4DH4CH4BH4AH49H48H28H47H46H45H44H43H42H41H40H27H3FH3EH3DH3CH3BH3AH39H38H26H37H36H35H34H33H32H31H30H25H2FH2EH2DH2CH2BH2AH29H28H24H27H26H25H24H23H22H21H20H23H1FH1EH1DH1CH1BH1AH19H18H22H17H16H15H14H13H12H11H10H21H0FH0EH0DH0CH0BH0AH09H08H20H07H06H05H04H03H02H01H00H高位低位存储器片内RAM中的21个特殊功能寄存器（52增强型单片机有26个）单片机的外部引脚功能51单片机的外形采用40个引脚双列直插（DIP）封装MCS-51系列单片机实物图MCS-51系列单片机开发板实物图单片机的引脚排列和逻辑符号40个引脚按功能分类电源引脚Vcc、Vss(GND)2时钟引脚XTAL1、XTAL22控制信号引脚RST/VPD1ALE/11/Vpp1PROGPSENEA40个引脚按功能分类I/O口引脚P0.0—P0.78P1.0—P1.78P2.0—P2.78P3.0—P3.78单片机的引脚排列和逻辑符号单片机的电源引脚Vcc（40脚）:正电源端（一般接+5V电源，也有3.3V或2.7V）Vss/GND（20脚）：接地端单片机的时钟引脚XTAL1（19脚),XTAL2(18脚）:振荡电路输入/输出端用于提供单片机的工作时钟信号。单片机是一个复杂的数字系统，内部CPU以及时序逻辑电路都需要时钟脉冲，所以单片机需要有精确的时钟信号。单片机的时钟电路和时序内部时钟方式利用芯片内部的震荡器，然后在XTAL1和XTAL2两端跨接晶体震荡器（简称晶振），就构成了稳定的自激震荡器，发出的脉冲直接送入内部时钟电路。内部时钟电路，通常外接一个晶体，两个电容常见的无源晶振外形和种类单片机的时钟电路和时序外部时钟方式HMOS（高密度沟道MOS）芯片XTAL1接地XTAL2接外部时钟CHMOS（互补金属氧化物HMOS）芯片XTAL1接外部时钟XTAL2悬空常见有源晶振外形和种类单片机的时钟电路和时序时序1.时钟周期P时钟周期也称为振荡周期，定义为时钟脉冲频率（）的倒数，它是单片机最基本、最小的时间单位。在一个时钟周期内，CPU仅完成一个最基本的动作。对于同一机型的单片机，时钟频率越高，单片机的工作速度就越快。为方便描述，振荡周期用P表示。fOSC2.状态周期S时钟周期经2分频后成为内部的时钟信号，用作单片机内部各功能部件按序协调工作的控制信号，称为状态周期，用S表示。这样，一个状态周期就有两个时钟周期，前半状态周期相应的时钟周期定义为P1，后半状态周期相应的时钟周期定义为P2。单片机的时钟电路和时序时序3.机器周期完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期。MCS-51有固定的机器周期，规定一个机器周期有6个状态，分别表示为是S1~S6，而一个状态包含两个时钟周期，那么一个机器周期就有12个时钟周期，一个机器周期共包含12个振荡脉冲，即机器周期就是振荡脉冲的12分频。显然，如果使用6MHz的时钟频率，一个机器周期就是2us,而如果使用12MHz的时钟频率，一个机器周期就是1us。4.指令周期指令周期是执行一条指令所需要的时间，一般由若干机器周期组成，指令不同，所需要的机器周期数也不同。时序振荡周期=时间脉冲频率的倒数1个机器周期=6个状态周期1个机器周期=12个振荡周期/时钟周期1个指令周期=1/2/4个机器周期fOSC单片机的时钟电路和时序单片机的控制信号引脚RST/VPD(9脚）：复位/备用电源引脚RST为复位信号输入端。当RST（Reset)端保持两个机器周期（24个时钟周期）以上的高电平时，单片机完成复位操作。VPD为内部RAM的备用电源输入端。当主电源Vcc一旦发生断电或电压降到一定值时，可以通过VPD为单片机内部RAM提供电源，以保护片内RAM中的信息不丢失，使Vcc上电之后能继续正常工作。单片机的控制信号引脚单片机的复位方式1.上电自动复位上电自动复位是利用电容器的充电实现。在时钟电路工作后，在RST端连续给出两个机器周期的高电平就可以完成自动复位操作1.上电自动复位电路图单片机的控制信号引脚单片机的复位方式1.上电加按键手动复位如图所示，当复位按键按下后，复位端通过的小电阻与+5V电源接通，电容迅速放电，使RST引脚为高电平；当复位按键弹起后，+5V电源通过大电阻对电容重新充电，RST引脚端出现复位正脉冲。其持续时间取决于RC电路的时间常熟。1.上电加按键手动复位电路图（29脚）:地址锁存允许信号/编程脉冲输入端单片机的控制信号引脚为外部程序存储器的读选通信号。在CPU从外部程序存储器取指令期间，该信号每个机器周期两次有效。在访问片外数据存储器期间，这两次信号将不出现。PSENPSENPSENALE/（30脚）:地址锁存允许信号/编程脉冲输入端单片机的控制信号引脚PROGALE为地址锁存允许信号。当访问外部存储器时，ALE用来锁存P0口送出的低8位地址信号。是对8751内部EPROM编程时的编程脉冲输入端。PROG（31脚）：访问外部程序存储器控制信号/编程电源输入端单片机的控制信号引脚PPV/EA为访问外部ROM控制端。该引脚接高电平时，CPU访问片内程序存储器4KB的地址范围。若PC值超过4KB的地址范围，CPU将自动转向访问片外程序存储器；当此引脚接低电平时，则只访问片外程序存储器，忽略片内程序存储器。对于