单片机原理及应用--第二章 单片机的基本结构

单片机原理及应用第二章单片机的基本结构第二章(第1页)主讲：张松灿河南科技大学电子信息工程学院自动化系单片机原理与应用第二章单片机的基本结构单片机原理及应用第二章单片机的基本结构第二章(第2页)基本内容2.1单片机的基本组成2.280C51单片机的引脚功能和结构框图2.2.180C51的引脚功能2.2.280C51的内部结构框图和组成2.380C51CPU的结构和特点2.3.1中央控制器2.3.2运算器2.3.3时钟电路及CPU的工作时序单片机原理及应用第二章单片机的基本结构第二章(第3页)2.4存储器结构和地址空间2.4.1程序存储器2.4.2数据存储器2.5布尔(位)处理器2.680C51单片机的工作方式2.6.1复位方式2.6.2程序执行方式2.6.3低功耗工作方式2.6.4烧录方式单片机原理及应用第二章单片机的基本结构第二章(第4页)2.1单片机的基本组成1、RAM被称为随机读写存储器。2、用于存放数据。3、具有易失性：芯片掉电后，其内的信息消失。1、ROM被称为只读存储器。2、用于存放程序。3、具有非易失性：掉电后其内的信息依然存在。单片机原理及应用第二章单片机的基本结构第二章(第5页)1、CPUCPU即中央处理器的简称，是单片机的核心部件，它完成各种运算和控制操作，CPU由运算器和控制器两部分电路组成。单片机的中央处理器(CPU)和通用微处理器基本相同，只是增设了“面向控制”的处理功能。例如：位处理、查表、多种跳转、乘除法运算、状态检测、中断处理等，增强了实时性。单片机原理及应用第二章单片机的基本结构第二章(第6页)2、存储器单片机是将程序存储器和数据存储器截然分开，分别寻址的结构，称为哈佛(Harvard)结构。由于考虑到单片机“面向控制”的实际应用的特点，一般需要较大的程序存储器，因此，目前的单片机以采用哈佛(Harvard)结构的结构为多。单片机原理及应用第二章单片机的基本结构第二章(第7页)单片机体系结构单片机的体系结构有两种，一是传统的冯·诺依曼（JohnVonNeumann）结构；另一种是哈佛（Harvard）结构。1．冯·诺依曼结构单片机原理及应用第二章单片机的基本结构第二章(第8页)2．哈佛结构数据与程序分别存于两个存储器中，是哈佛结构的重要特点。哈佛结构的数据总线和指令传输总线完全分开。其优点是，指令和数据空间是完全分开的，一个用于取指令，另一个用于存取数据。特点：程序和数据总线可以采用不同的宽度。数据总线都是8位的，但低档、中档和高档系列的指令总线位数分别为12、14和16位。第二点是：由于可以对程序和数据同时进行访问，CPU的取指和执行采用指令流水线结构，当一条指令被执行时允许下一条指令同时被取出，使得在每个时钟周期可以获得最高效率。单片机原理及应用第二章单片机的基本结构第二章(第9页)周期0周期1周期2周期3周期4取指0执行0取指1执行1取指2执行2取指3执行3指令流水线结构示意图单片机原理及应用第二章单片机的基本结构第二章(第10页)(1)程序存储器（ROM)单片机的程序存储器都采用只读存储器。目前单片机的程序存储器有以几种形式：①片内只读存储器◆片内掩膜ROM◆EPROM。EPROM需用紫外线擦除，必须脱机固化，不能在线改写。◆电可擦除型ROM——E2PROM。电可擦除型ROM给用户带来了更大的方便，特别是应用系统的现场调试。EPROM和E2PROM都是可以多次擦除和编程的。②片外只读存储器，片内只读存储器一般存储容量较小(2KB至8KB)，给使用带来不便。使用片外只读存储器的单片机则克服了上述之不足。单片机原理及应用第二章单片机的基本结构第二章(第11页)(2)数据存储器(RAM)在单片机中，用随机存取存储器(RAM）来存储程序在运行期间的工作变量和数据。单片机内部设置一定容量(64B至256B)的RAM。以加快单片机运行的速度，使存储器的功耗下降很多。在单片机中，常把寄存器(如工作寄存器、特殊功能寄存器、堆栈等)在逻辑上划分在片内RAM空间中，所以可将单片机内部RAM看成是寄存器堆，有利于运行速度的提高。对某些应用系统，还可外部扩展数据存储器。单片机原理及应用第二章单片机的基本结构第二章(第12页)3、并行I/O口不同单片机的并行I/O电路在结构上稍有差异。有些单片机的并行I/O口，不仅可灵活地选作输入或输出，而且还具有多种功能。例如，它可作为I/O口，也可作为系统总线或是控制信号线等，从而为扩展外部存储器和I/O接口提供了方便，大大拓宽了单片机的应用范围。MCS－51单片机共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2和P3），每一条I/O线都能独立地用作输入或输出。P0口为三态双向口，能带8个TTL门电路，P1、P2和P3口为准双向口，负载能力为4个TTL门电路。单片机原理及应用第二章单片机的基本结构第二章(第13页)4、串行I/O口MCS－51单片机具有一个采用通用异步工作方式的全双工串行通信接口，可以同时发送和接收数据。可与终端设备进行串行通信，甚至用多个单片机相连构成多机系统，使单片机的功能更强且应用更广。5、定时器/计数器MCS－51单片机片内有两个16位的定时/计数器，即定时器0和定时器1。它们可以用于定时控制、延时以及对外部事件的计数和检测等。为了减少软件开销和提高单片机的实时控制能力，在单片机内部设置定时器/计数器电路，通过中断，实现定时/计数的自动处理。单片机原理及应用第二章单片机的基本结构第二章(第14页)6、定时电路及元件MCS－51内部有时钟电路，但需外接晶体振荡器和微调电容--使晶振起振。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列，频率范围为1.2MHz～12MHz，典型取值为6、11.0592、12MHz。7、中断控制系统8051共有5个中断源，即外中断2个，定时/计数中断2个，串行中断1个。单片机原理及应用第二章单片机的基本结构第二章(第15页)2.280C51单片机的引脚功能和结构框图2.2.180C51的引脚功能学习单片机的内部结构有助于了解信息流动,掌握编程技巧;学习单片机的外部引脚有助于掌握电路设计,单片机与外界的信息交换就是通过它的引脚实现的。在MCS51系列单片机中,各类型号单片机的引脚是相互兼容的。单片机原理及应用第二章单片机的基本结构第二章(第16页)单片机原理及应用第二章单片机的基本结构第二章(第17页)（1）电源引脚Vcc和VssVcc：电源端，接＋5V。Vss：接地端。（2）时钟电路引脚XTAL1和XTAL2XTAL1：接外部晶振和微调电容的一端，片内振荡器反相放大器的输入，若用外部TTL时钟时，该引脚必须接地。XTAL2：接外部晶振和微调电容的另一端，片内振荡器倒相放大器的输出，若使用外部TTL时钟时，该引脚为外部时钟的输入端。单片机原理及应用第二章单片机的基本结构第二章(第18页)（3）ALE/PROG——地址锁存允许信号，输出系统扩展时，控制地址锁存器锁存P0口输出的低8位地址，实现数据与低位地址的复用。ALE以1/6的振荡频率稳定速率输出，可用做对外输出的时钟或用于定时。EPROM编程期间，输入编程脉冲（PROG）。ALE可以驱动8个LSTTL负载。（4）EA/VPP程序存储器地址允许输入端EA--高电平，执行片内程序存储器指令，PC值超过0FFFH时，自动转向执行片外程序存储器指令。低电平，CPU只执行片外程序存储器指令。在编程时，其上施加21V或12V的编程电压。单片机原理及应用第二章单片机的基本结构第二章(第19页)（5）复位信号RST高电平有效，保持两个机器周期的高电平，可完成复位操作。（6）输入/输出口引脚P0、P1、P2和P3◆P0口（P0.0～P0.7）：漏极开路的8位准双向口，负载能力为8个LSTTL负载，为8位地址线和8位数据线的复用端口。1、没有外扩芯片时，作为一般的I\O线,直接与外设通信。2、有外扩Mem时,先送出外Mem的地址码的低八位,然后传送数据信息。外ROM:PC的低8位由P0.0---P0.7送出。外RAM:DPL由P0.0---P0.7送出。单片机原理及应用第二章单片机的基本结构第二章(第20页)◆P1口（P1.0～P1.7）：内部带上拉电阻的8位准双向I/O口，P1口的驱动能力为4个LSTTL负载。P1.0---P1.71、作为一般的IN\OUT线,与外设通信。2、可以接外设。单片机原理及应用第二章单片机的基本结构第二章(第21页)◆P2口（P2.0～P2.7）：内部带上拉电阻的8位准双向I/O口，P2口的驱动能力也为4个LSTTL负载。访问外部程序存储器时，它作存储器的高8位地址线。1、没有外扩芯片时，作为一般的I\O线,直接与外设通信。2、有外扩Mem时,送出外Mem的地址码的高八位外ROM:PC的高8位由P2.0---P2.7送出外RAM:DPH由P2.0---P2.7送出单片机原理及应用第二章单片机的基本结构第二章(第22页)◆P3口（P3.0～P3.7）：内部带上拉电阻的8位准双向I/O口，P3口除了作为一般的I/O口使用之外，其还具有特殊功能。1、作为一般的I\O线,与外设通信2、还有第二功能。P3口的第二功能如下：P3.7P3.6P3.5P3.4P3.3P3.2P3.1P3.0RDWRT1T0INT1INT0TXDRXD外RAM的R/W记数脉冲输入端中请输入端串出串入单片机原理及应用第二章单片机的基本结构第二章(第23页)输出控制线：PSEN——片外程序存储器选通信号，低电平有效。从片外程序存储器取指期间，在每个机器周期中，当PSEN有效时，程序存储器的内容被送上P0口（数据总线）。PSEN可以驱动8个LSTTL负载。单片机原理及应用第二章单片机的基本结构第二章(第24页)80C51内部结构如图所示，主要包括算术逻辑部件ALU、累加器ACC(有时也简称为A)、只读存储器ROM、随机存取存储器RAM、指令寄存器IR、程序地址寄存器、程序计数器PC、数据指针DPTR、定时器／计数器、并行I／O口P0~P3、串行口、程序状态标志寄存器PSW以及定时控制逻辑电路等。单片机原理及应用第二章单片机的基本结构第二章(第25页)80C51的内部结构框图和组成单片机原理及应用第二章单片机的基本结构第二章(第26页)2.380C51CPU的结构和特点CPU主要包括控制器、运算器。2.3.1控制器作用：识别指令，完成指挥控制工作，协调单片机各部分正常工作。控制器包括程序计数器PC、程序地址寄存器、指令寄存器IR、指令译码器、条件转移逻辑电路及定时控制逻辑电路。功能：控制指令的读出、译码和执行，对指令的执行过程进行定时控制，并根据执行结果决定是否分支转移。单片机原理及应用第二章单片机的基本结构第二章(第27页)1.地址寄存器PC和DPTR（1）程序计数器PC----（ProgramCounter）存放着下一条将要从程序存储器中取出的指令的地址。基本工作过程：读指令时，程序计数器将其中的数作为所取指令的地址输出给程序存储器，然后程序存储器按此地址输出指令字节，同时程序计数器本身自动加1，指向下一条指令地址。PC变化的轨迹决定程序的流程。其宽度决定了程序存储器可以直接寻址的范围。80C51中，PC是一个16位的计数器，故而可对64KB程序存储器进行寻址。单片机原理及应用第二章单片机的基本结构第二章(第28页)程序计数器PC的基本工作方式有如下三种：①PC自动加1，最基本的工作方式。②执行转移指令时，PC将被置入新值，程序流向发生变化。变化的方式有下列几种：带符号的相对跳转SJMP，短跳转AJMP，长跳转LJMP及JMP@A+DPTR等。单片机原理及应用第二章单片机的基本结构第二章(第29页)③在执行调用指令或响应中断时：·PC的现行值，即下一条将要执行的指令的地址，送入堆栈，加以保护。·将子程序的入口地址或者中断矢量地址送入PC，程序流向发生变化，执行子程序或中断服务程序。子程序或中断服务程序执行完毕，遇到返回指令RET或RETI时，将栈顶的内容送到PC寄存器中，程序流程又返回到原来的地方，继续执