1、1第二章 單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理學(xué)時：學(xué)時：4要點：要點：單片機(jī)的基本組成、引腳功能、結(jié)構(gòu)及特點、存儲器結(jié)構(gòu)、工作方式。重點：重點：MCS-51單片機(jī)的結(jié)構(gòu)及特點、存儲器結(jié)構(gòu)。2內(nèi) 容n學(xué)時：2n2.1 單片機(jī)的基本組成n2.2 80C51單片機(jī)的引腳功能和結(jié)構(gòu)框圖n2.3 80C51 CPU結(jié)構(gòu)和特點n學(xué)時：2n2.4 存儲器結(jié)構(gòu)和地址空間n2.5 布爾（位）處理器n2.6 80C51單片機(jī)的工作方式n仿真軟件介紹 32.1 單片機(jī)的基本組成特征：將組成計算機(jī)的基本部件集成在一塊芯片上，如特征：將組成計算機(jī)的基本部件集成在一塊芯片上，如CPU、I/O口、口、UART、C/T、RAMROM

2、等。等。42.2 80C51單片機(jī)的引腳功能和結(jié)構(gòu)框圖圖2-2 80C51/80C52的封裝及邏輯圖52.2.1 引腳功能n80C51管腳圖P15看管腳介紹?？垂苣_介紹。準(zhǔn)雙向口只能有效的讀取0，而對1則是采用讀取非零的方式，就是讀入的時候要先向io上寫1再讀。真正的雙向口不需要任何預(yù)操作可直接讀入讀出。6n1、主電源引腳（、主電源引腳（2根）根）VCC：電源輸入，接5V電源GND：接地線2、外接晶振引腳（、外接晶振引腳（2根）根）XTAL1：片內(nèi)振蕩電路的輸入端XTAL2：片內(nèi)振蕩電路的輸出端n7n3、控制引腳（、控制引腳（4根）根）RST：復(fù)位引腳，引腳上出現(xiàn)2個機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)

3、復(fù)位。ALE/PROG#：ALE地址鎖存允許信號，片外存儲器訪問時，鎖存低8位地址。PROG#編程脈沖輸入。PSEN#：外部程序存儲器讀選通信號。EA#/VPP： EA#程序存儲器的內(nèi)外部選通，0從外部程序存儲器讀指令，1從內(nèi)部程序存儲器讀指令。VPP編程電壓。 8n4、可編程輸入、可編程輸入/輸出引腳（輸出引腳（32根）根） 4組8位的可編程I/O口，分別為P0、P1、P2、P3口，每個口有8位（8根引腳），共32根。每一根引腳都可以編程. P0口口：8位雙向I/O口線，即P0.0P0.7P1口口：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，即P1.0P1.7 P2口口：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，即P2.0P2.7

4、P3口口：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，即P3.0P3.792.2.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖和組成 圖圖2-3 80C512-3 80C51的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖ALUACC（A）ROMRAM指令寄存器指令寄存器IR地址寄存器地址寄存器PCDPTRT/CI/OPSW定時控制邏輯定時控制邏輯102.3 80C51 CPU的結(jié)構(gòu)和特點112.3.1 中央控制器n組成：程序計數(shù)器PC、程序地址寄存器、指令寄存器IR、指令譯碼器、條件轉(zhuǎn)移邏輯電路及定時控制邏輯電路。n功能：控制指令的讀出、譯碼和執(zhí)行，對指令的執(zhí)行過程進(jìn)行定時控制，并根據(jù)執(zhí)行結(jié)果決定是否分支轉(zhuǎn)移。n與運算器一起構(gòu)成中央處理器。121. PC和DP

5、TRn（1）PCn由PC（PCH、PCL）、指令寄存器IR、指令譯碼器ID等組成。n16根地址線,尋址范圍64K。n工作方式： PC+1、條件或無條件轉(zhuǎn)移、調(diào)用或中斷，3種。0000HFFFFHPC+10000HFFFFH轉(zhuǎn)移0000HFFFFH中斷0000HFFFFH調(diào)用CALLSPPC工作方式13圖2-4程序計數(shù)器PC的輸出與P0、P2口之間的關(guān)系14PC A + DPTR（2）數(shù)據(jù)指針DPTR 16位（DPL、DPH）n訪問片外數(shù)據(jù)存儲器：n MOVX A，DPTR 讀讀n MOVX DPTR，A 寫寫n訪問程序存儲器：n MOVC A，A+DPTRn 變址 基址n JMP A+DPTR

6、n 變址 基址圖2-5 DPTR的輸出與P0、P2口之間的關(guān)系15DPTR可作為寄存器使用n作為16位寄存器使用：n MOV DPTR，#16位地址n INC DPTRn作為8位寄存器使用：n CJNE A，DPL，$n CJNE A，DPH，$n指令寄存器IR、指令譯碼器ID及控制邏輯參照P21，簡單介紹。162.3.2 運算器n組成：算術(shù)和邏輯運算單元ALU、 累加器ACC、 暫存器TMP1和TMP2、寄存器B以及程序狀態(tài)字PSW等。nACC（8位）地位特殊，很多運算都要通過其完成。n以后在學(xué)習(xí)指令時，常用A來表示累加器。但有一些地方例外，比如在PUSH指令中，就必須用ACC表示。圖2-7

7、 算術(shù)邏輯運算單元ALUALU功能：功能：加減乘除；AND、OR、XOR；位操作；左、右移； 半字節(jié)交換；BCD運算17ACC（最頻繁使用的寄存器）n（1）既是ALU的輸入，又是ALU運算結(jié)果的存放單元。n（2）中轉(zhuǎn)站。n（3）有一部分傳送指令不經(jīng)過ACC，減少堵塞現(xiàn)象， 如MOV DPTR，#16位地址。nB寄存器n一般情況下，可做為通用寄存器使用，但在執(zhí)行乘法和除法運算結(jié)時，B存放運算的一個操作數(shù)和運算后的一個結(jié)果。18n程序狀態(tài)字PSW：8位的標(biāo)志寄存器，保存指令執(zhí)行結(jié)果的特征信息，以供程序的查詢和判別。n奇偶標(biāo)志位P(PSW.0)： 在每個指令周期由硬件置1或清0，用于表示累加器A中1

8、的位數(shù)，若為奇數(shù)，P=1；若為偶數(shù)，P=0。在串行通信中，通過該位來校驗傳輸數(shù)據(jù)的可靠性。19n溢出標(biāo)志位OV(PSW.2)：當(dāng)執(zhí)行運算指令時，由硬件置1或清0，以指示運算是否產(chǎn)生溢出；OV=1表示運算結(jié)果超出了累加器的運算范圍（無符號數(shù)的范圍為0255，以補碼形式表示的有符號數(shù)的范圍為：(-128+127)。nMUL A，B時，若積255，則OV=1，說明B中有高8位積。nDIV A，B時，若除數(shù)為0，則OV=1。20n工作寄存器組選擇位工作寄存器組選擇位RS1、RS0(PSW.4、PSW.3)：用于選定當(dāng)前使用的工作寄存器。：用于選定當(dāng)前使用的工作寄存器。n用戶自定義標(biāo)志位用戶自定義標(biāo)志位

9、F0(PSW.5)。n輔助進(jìn)位標(biāo)志位輔助進(jìn)位標(biāo)志位AC(PSW.6)：表示進(jìn)行加減：表示進(jìn)行加減運算時，低四位向高四位是否有進(jìn)運算時，低四位向高四位是否有進(jìn)(借借)位。位。n進(jìn)位標(biāo)志位進(jìn)位標(biāo)志位CY(PSW.7)：表示運算結(jié)果是否：表示運算結(jié)果是否有進(jìn)位或借位，在執(zhí)行某些算術(shù)、邏輯運算時，有進(jìn)位或借位，在執(zhí)行某些算術(shù)、邏輯運算時，可被軟件和硬件置位或清零?？杀卉浖陀布梦换蚯辶?。212.3.3 時鐘電路及CPU的工作時序n時鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需要的時鐘信號時鐘信號，而時序研究指令執(zhí)行中各信號間的相互關(guān)系相互關(guān)系。 n1. 時鐘電路n（1）時鐘電路見圖2-8。 n（2）振蕩器電路：C1

10、=C2=1030pF，CYS=1.212MHz圖2-8 80C51單片機(jī)的時鐘電路222. 時序定時單位n（1）振蕩周期：為單片機(jī)提供時鐘信號的振蕩源周期。n（2）時鐘周期：是振蕩源信號經(jīng)二分頻后形成的時鐘脈沖信號。 n（3）機(jī)器周期：將完成一個基本操作所需的時間。n（4）指令周期：CPU執(zhí)行一條指令所需要的時間。一個指令周期通常含有14個機(jī)器周期。233.指令時序指令時序后面演示后面演示圖圖2-10 80C51的取指的取指/執(zhí)行時序執(zhí)行時序共111條指令，按機(jī)機(jī)器碼（操作碼和操器碼（操作碼和操作數(shù)）長度作數(shù)）長度分為單字節(jié)、雙字節(jié)和三字節(jié)指令。執(zhí)行這些指令所需要的機(jī)器周期數(shù)目不同：單周期、雙

11、周期和多周期。242.4 存儲器結(jié)構(gòu)和地址空間n80C51單片機(jī)普遍采用哈佛結(jié)構(gòu)。25圖2-11 80C51存儲器映象圖在物理上在物理上設(shè)有設(shè)有4個存儲個存儲器空間器空間在訪問這在訪問這3個不同的邏輯空間時，應(yīng)選用個不同的邏輯空間時，應(yīng)選用不同形式的指令：不同形式的指令：MOVC、MOV、MOVX在邏輯上在邏輯上設(shè)有設(shè)有3個存儲個存儲器地址空間器地址空間從片外開從片外開始執(zhí)行始執(zhí)行0000H從片內(nèi)開從片內(nèi)開始執(zhí)行始執(zhí)行52系列單片機(jī)系列單片機(jī)80HFFH是數(shù)據(jù)存儲器和特殊功能是數(shù)據(jù)存儲器和特殊功能寄存器地址重疊空間寄存器地址重疊空間262.4.1 程序存儲器n80C31無片內(nèi)ROM，80C51

12、有4K一次性的掩膜ROM，87C51有4K EPROM， 89C51有4K E2PROM。 P2927幾種ROM的區(qū)別nROM：1次性只讀存儲器。nEPROM：可擦除可編程只讀存儲器，只能用強紫外線照射來擦除。nEEPROM(E2PROM)：電可擦除可編程只讀存儲器。28程序存儲器的某些單元被保留用于特程序存儲器的某些單元被保留用于特固定的程序入口地址固定的程序入口地址n程序存儲器的某些單程序存儲器的某些單元被保留用于特定的元被保留用于特定的程序入口地址程序入口地址。n系統(tǒng)復(fù)位后的系統(tǒng)復(fù)位后的PCPC地地址為址為0000H0000H。n 0003H002BH為中斷服務(wù)程序入口地址，禁止主程序使

13、用。（通常通常）292.4.2 數(shù)據(jù)存儲器nRAM：隨機(jī)存取記憶體。nRAM和ROM相比，兩者的最大區(qū)別是RAM在斷電以后保存在上面的數(shù)據(jù)會自動消失，而ROM不會。 301 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器1234P320131（1）片內(nèi)數(shù)據(jù)RAM區(qū) n根據(jù)尋址方式不同可分為以下4個區(qū)域。n （一）工作寄存器（00H1FH）n特點：執(zhí)行速度最快。其用法見下述程序：nCLR PSW.3nCLR PSW.4nMOV R0，#01H；（00H）=01HnSETB PSW.3nMOV R0，#01H；（08H）=01HnCLR PSW.3nSETB PSW.4nMOV R0，#01H；（10H）=01HnSETB PS

14、W.3nMOV R0，#01H；（18H）=01H 32（二）位尋址區(qū) n20H2FH共16個字節(jié)分別對應(yīng)00H7FH共128位。見P33表2-2。 SP=07H33n特點：既可字節(jié)尋址，也可位尋址。與SFR構(gòu)成布爾（位）處理器。n例：下面程序執(zhí)行結(jié)果是一樣的。n CPL 0CH；將（21H）中的第4位取反n MOV A，21Hn ANL A，#00010000Bn JZ LB1n ANL 21H，#11101111Bn SJMP LB2nLB1：ORL 21H，#00010000BnLB2：SJMP $34（三）字節(jié)尋址區(qū)（30H7FH）n注意：對于MCS-52系列單片機(jī)，80HFFH RA

15、M區(qū)只能采用間接尋址方式訪問。（四）堆棧區(qū)特點：先進(jìn)后出，進(jìn)棧時SP加1，出棧時SP減1。功能：調(diào)用子程序和中斷時保護(hù)現(xiàn)場。系統(tǒng)復(fù)位時，SP=07H。使使用時要特別小心用時要特別小心。35（2）特殊功能寄存器SFR n高128字節(jié)中，51系列占用了21個。 nSFR中低位地址為0H和8H的特殊功能寄存器，共12個可位尋址。nSFR的空間分布如右圖。 362 片外數(shù)據(jù)存儲器n64K字節(jié)。采用MOVX指令和DPTR、R0或R1寄存器以間接尋址方式訪問。nMOV DPTR，#1000HnMOVX DPTR，AnMOV DPTR，#0029HnMOVX A，DPTRnMOV R0，#30HnMOVX

16、R0，A；該指令不能超過256B 372.5 布爾(位)處理器n布爾處理功能是MCS-51系列單片機(jī)的一個重要特征。布爾變量也即開關(guān)變量，它是以位（bit）為單位進(jìn)行操作的。n它以進(jìn)位標(biāo)志C做為累加位，以內(nèi)部RAM可尋址的128個為存儲位。 n布爾操作指令集：n 位傳送指令（2條）n 位置位復(fù)位指令（4條）n 位運算指令（6條）n 位控制轉(zhuǎn)移指令（5條）382.6 80C51單片機(jī)的工作方式n四種：復(fù)位、程序執(zhí)行、低功耗以及編程和校驗。n2.6.1 復(fù)位n功能：PC=0000H，跳出死機(jī)。n復(fù)位的影響：n（1）SFR的狀態(tài)見P37表2-6；n（2）復(fù)位期間，ALE=1，PSEN=1。39特殊寄

17、存器的復(fù)位狀態(tài)（見P37表2-6）40復(fù)位電路（P38圖2-14） 要求：高電平持續(xù)時間2個機(jī)器周期。fosc=12MHz時2us， fosc=6MHz時4us。412.6.2 程序執(zhí)行方式n ORG 0000Hn0000H AJMP MAINn ORG 000BHn0003H AJMP INT0n ORG 0030Hn0030H MAIN：MOV R3，#00Hn .n ORG 0100Hn0100H INT0: CLR Cn . 422.6.3 低功耗工作方式nMCS51系列有待機(jī)方式和掉電保護(hù)方掉電保護(hù)方式式兩種低功耗方式。通過設(shè)置電源控制寄存器PCON的相關(guān)位可以確定當(dāng)前的低功耗方式。

18、PCON寄存器格式如下：43PCONnSMOD：波特率倍增位。當(dāng)SMOD=1時，串行口方式1、2、3的波特率提高一倍。nGF0，GF1：通用標(biāo)志位。供用戶使用。nPD：PD1為掉電方式 nIDL：IDL1為待機(jī)方式SMODGF1GF0PDIDL44（1）待機(jī)方式）待機(jī)方式n使IDL=1，則CPU進(jìn)入待機(jī)方式。n 由圖2-15可看出這時振蕩器仍然運行，并向中斷邏輯、串行口和定時器/計數(shù)器電路提供時鐘，中斷功能繼續(xù)存在 。 n向CPU提供時鐘的電路被阻斷，因此CPU不能工作，與CPU有關(guān)的如SP、PC、PSW、ACC以及全部通用寄存器都被凍結(jié)在原狀態(tài)。圖2-15手機(jī)：鎖定方式手機(jī)：鎖定方式計算機(jī)：待機(jī)、休眠方式計算機(jī)：待機(jī)、休眠方式&#45待機(jī)方式的退出待機(jī)方式的退出n可采用中斷方式或硬件復(fù)位來退出式?？刹捎弥袛喾绞交蛴布?fù)位來退出式。n在待機(jī)方式下，若產(chǎn)生一個外部中斷請在待機(jī)方式下，若產(chǎn)生一個外部中斷請求信號，在單片微機(jī)響應(yīng)中斷的同時，求信號，在單片微機(jī)響應(yīng)中斷的同時，PCON.0位（位（IDL位）被硬件自動清位）被硬件自動清0，單片微機(jī)就退出待機(jī)方式而進(jìn)入正常工單片微機(jī)就退出待機(jī)方式而進(jìn)入正常工作方式。在中斷服務(wù)程序中安排一條作方式。在中斷服務(wù)程序中安排一條RETI指令，就可以使單片微機(jī)恢復(fù)正