1、,第三章 結(jié)構(gòu)及原理,單片機(jī)結(jié)構(gòu)與原理,教學(xué)目的：了解80C51系列單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理 、存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)、時(shí)序及復(fù)位電路等硬件內(nèi)容。 教學(xué)重點(diǎn)：1.內(nèi)部主要組成及工作原理 ； 2.存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)； 3. I/O 的復(fù)用結(jié)構(gòu),及應(yīng)用特點(diǎn)； 4 .時(shí)序及復(fù)位電路的作用。 教學(xué)難點(diǎn)：1 .特殊功能寄存器的作用； 2 .堆棧及堆棧指針的作用。,第一節(jié) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳說明,一.單片機(jī)芯片的組成,主要組成部分*,1、中央處理器,是單片機(jī)最核心的部分，是單片機(jī)的大腦和心臟，主要完成運(yùn)算和控制功能。80C51的CPU是一個(gè)字長(zhǎng)為8位的中央處理器。,2、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（內(nèi)部RAM）,AT89S51共有256

2、個(gè)字節(jié)的RAM,前128個(gè)位用戶寄存器區(qū)， 后128個(gè)專用寄存器區(qū)。,3、內(nèi)部程序存儲(chǔ)器（內(nèi)部ROM）,AT89S51共有4K個(gè)字節(jié)的FLSH,用于存放數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)。,4、定時(shí)/計(jì)數(shù)器,AT89S51共有2個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，可以實(shí)現(xiàn)定時(shí)和計(jì)數(shù),5、并行I/O口,AT89S51共有4個(gè)8位的I/O口（P0、P1、P2、P3）,6、串行口,AT89S51有一個(gè)全雙工的可編程串行口,及一個(gè)ISP串行編程 接口,7、時(shí)鐘電路,AT89S51單片機(jī)內(nèi)部有時(shí)鐘電路，但晶振和微調(diào)電容需外接。,8、中斷系統(tǒng),AT89S51單片機(jī)共有5個(gè)中斷源，2個(gè)外部 3個(gè)內(nèi)部中斷源，即2個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)中斷，1個(gè)串行

3、口中斷。,二.MCS-51引腳功能（P27）*,1、主電源引腳Vss和Vcc,Vss (20腳)：接地。 Vcc（40腳）：主電源4V +5.5V,2、時(shí)鐘電路引腳XTAL1和XTAL2,XTAL1(19腳)：接外部晶體的一端，在片內(nèi)它是振蕩電路 反向放大器的輸入端。,XTAL2(18腳)：接外部晶體的另一端，在片內(nèi)它是振蕩電路 反向放大器的輸出端。,3、RST、ALE/PROG、PSEN、EA/Vpp,RST(9腳) 當(dāng)出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期高電平時(shí)，單片機(jī)復(fù)位 。 復(fù)位后，P0 - P3 輸出高電平；SP寄存器為07H； 其它寄存器全部清0；不影響RAM狀態(tài)。 參考復(fù)位電路如下：,ALE/PRO

4、G:訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)，作為鎖存擴(kuò)展地址低位字節(jié)的控制信號(hào)。,平時(shí)不訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)，該端也以1/6的時(shí)鐘振蕩頻率固定輸出正脈沖，供定時(shí)或其它需要使用。,ALE,PSEN(29腳)：在訪問片外程序存儲(chǔ)器時(shí)，此端輸出負(fù)脈沖作為程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào),EA/Vpp(29腳):當(dāng)該端輸入高電平時(shí)，,= 0 時(shí)，只訪問外部程序存儲(chǔ)器,即外ROM,= 1 時(shí)，訪問內(nèi)部程序存儲(chǔ)器,即內(nèi)ROM CPU從片內(nèi)程序存儲(chǔ)器地址0000H單元開始執(zhí)行程序。當(dāng)?shù)刂烦?KB時(shí)，自動(dòng)執(zhí)行片外程序存儲(chǔ)器的程序。,/ Vpp 內(nèi)外ROM選擇端,EA,EA,4、輸入/輸出引腳,P0.00.7(3932腳)：在訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)，

5、它分時(shí)提供低8位地址和8位雙向數(shù)據(jù)。,P2.02.7(3932腳)：在訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)，它輸出高8位地址。,P3.03.7(3932腳)：雙功能輸入輸出口。,第二節(jié) 單片機(jī)的工作原理,一、指令與程序概述,指令：是規(guī)定計(jì)算機(jī)執(zhí)行特定操作的命令，CPU就是根據(jù)指令來指揮和控制計(jì)算機(jī)各部件協(xié)調(diào)動(dòng)作，完成規(guī)定操作。指令通常分為操作碼和操作數(shù)。例：,ADD A , #23H,操作碼,操作數(shù),指令系統(tǒng)：計(jì)算機(jī)全部指令的集合,二、CPU的工作原理,CPU主要由運(yùn)算器和控制器這兩大部分組成。,1.控制器,根據(jù)指令碼產(chǎn)生控制信號(hào)，使運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、輸入/輸出 端口之間能自動(dòng)協(xié)調(diào)地工作。主要由以下各部件構(gòu)成：,程

6、序計(jì)數(shù)器PC:16位專用寄存器，用于存放和指示下一條 要執(zhí)行指令的地址。具有自動(dòng)加1的功能。,指令寄存器:8位寄存器，用于暫時(shí)存放指令，等待譯碼,指令譯碼器:對(duì)送入其中的指令進(jìn)行翻譯，產(chǎn)生相應(yīng)的控 制信號(hào)，協(xié)調(diào)各部件進(jìn)行工作。,運(yùn)算器：用于進(jìn)行算術(shù)、邏輯運(yùn)算以及位操作處理。,2.運(yùn)算器,ALU：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算及邏輯運(yùn)算。,ACC：累加器。屬于8位寄存器，用于存放操作數(shù)、 暫存ALU的運(yùn)算結(jié)果等。,暫存器：用以暫存進(jìn)入運(yùn)算器之前的數(shù)據(jù)。,PSW：狀態(tài)字寄存器。存儲(chǔ)運(yùn)算結(jié)果的標(biāo)志。,三、執(zhí)行程序的過程*,單片機(jī)的工作實(shí)質(zhì)就是執(zhí)行人們所編制的程序的過程。逐條執(zhí)行指令的過程。單片機(jī)執(zhí)行每一條指令都

7、可以分為三個(gè)階段進(jìn)行：取指令、分析指令、執(zhí)行指令。,取指令：根據(jù)程序計(jì)數(shù)器PC中的值從程序存儲(chǔ)器讀出現(xiàn) 行指令，送到指令寄存器。,分析指令：將指令寄存器中的操作碼取出后進(jìn)行譯碼分 析指令的性質(zhì)。如指令要求操作數(shù)，則尋找 操作數(shù)的地址。,執(zhí)行指令：取出操作數(shù)，然后按照操作碼的性質(zhì)對(duì)操作 數(shù)進(jìn)行操作。,MOV A , #23H,例：,機(jī)器碼,74H , 23H,ADD A , #23H,24H , 23H,0001H,0010H,46H,啟動(dòng)單片機(jī)后，指令執(zhí)行順序：,2.4 80C51單片機(jī)的時(shí)序,所謂時(shí)序就是CPU在執(zhí)行指令時(shí)各控制信號(hào)之間的時(shí)間順序。日常生活中很多事情都和時(shí)序有關(guān)。 單片機(jī)作為

8、一個(gè)整體，為保證各部分有條不紊按順序工作，必須在同一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的控制下工作。即發(fā)令者只能有一個(gè)。 單片機(jī)內(nèi)的各種操作都是在一系列脈沖控制下進(jìn)行的，而各脈沖在時(shí)間上是有先后順序的，這種順序就稱為時(shí)序。,時(shí)鐘周期（P）：即振蕩周期，由振蕩時(shí)鐘產(chǎn)生。振蕩周期Tosc = 1/fosc。 一個(gè)機(jī)器周期 = 12個(gè)振蕩周期 = 121/fosc 。 例如：?jiǎn)纹瑱C(jī)18、19腳外接的石英晶振頻率為1MHZ，則其時(shí)鐘周期為1uS；石英晶振頻率為6MHZ，則時(shí)鐘周期為1/6uS。石英晶振頻率為12MHZ，則時(shí)鐘周期為1/12uS。,狀態(tài)周期（S）：80C51系列單片機(jī)中，一般將1個(gè)時(shí)鐘周期定義為一個(gè)節(jié)拍，用2個(gè)

9、節(jié)拍即兩個(gè)時(shí)鐘周期表示一個(gè)狀態(tài)周期。 機(jī)器周期：完成一個(gè)基本操作（取指令等）所需要的時(shí)間。80C51中一個(gè)機(jī)器周期等于12個(gè)時(shí)鐘周期，即6個(gè)S周期。,指令周期：指執(zhí)行一條指令所需時(shí)間，書后附錄有表格可供查找，目前不需要記憶。,石英晶體振蕩器,第三節(jié) 存儲(chǔ)器,問題1：存儲(chǔ)容量為256個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)器需要多少位地址？,問題2：存儲(chǔ)容量為4K字節(jié)的存儲(chǔ)器需要多少位地址？,問題3：存儲(chǔ)容量為64K字節(jié)的存儲(chǔ)器需要多少位地址？,00HFFH,000HFFFH,0000HFFFFH,8051在物理結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)成程序存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器獨(dú)立分開的哈佛結(jié)構(gòu)： 片內(nèi)程序存儲(chǔ)器4KB（ROM 0000H0FFFH） 片

10、內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器128B（RAM 00H7FH）,程序存儲(chǔ)器用于存放程序和固定不變的數(shù)據(jù)，斷電后數(shù)據(jù)不消失； 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用于（暫時(shí)）存放中間數(shù)據(jù)的變量和運(yùn)算結(jié)果，斷電后數(shù)據(jù)消失。,一、MCS-51單片機(jī)的內(nèi)存結(jié)構(gòu),物理上分為：4個(gè)空間，即片內(nèi)ROM、片外ROM 片內(nèi)RAM、片外RAM 邏輯上分為: 3個(gè)空間， 即程序內(nèi)存（片內(nèi)、外）統(tǒng)一編址 MOVC 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（片內(nèi)） MOV 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（片外） MOVX,整理一下思路,物理上的四個(gè)存儲(chǔ)器空間相當(dāng)于四棟樓房。 程序存儲(chǔ)器的這兩棟樓房的住戶只能是程序和固定數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的這兩棟樓房住戶只能是暫存數(shù)據(jù)。相互之間不允許換房子。 片內(nèi)程序存儲(chǔ)器的住戶住

11、滿后，新住戶可以換到片外程序存儲(chǔ)器居住。但房間的編號(hào)必須是接著片內(nèi)存儲(chǔ)器的最后一個(gè)編號(hào)排列。不得另起爐灶。,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的這兩棟樓房有所不同。片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器這棟房子住滿后，新的暫存數(shù)據(jù)也可以住到片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器這棟房子去。 但是房間號(hào)得重新排列，不能接著片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的房號(hào)排列。 這種存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)我們稱為哈佛（Harward）體系結(jié)構(gòu)。 與之相對(duì)應(yīng)的稱為馮諾依曼（Von Neumann）體系結(jié)構(gòu) 。 思路理順后我們接著往下深入分析。,二、程序存儲(chǔ)器 尋址范圍：0000H FFFFH 容量64KB，即地址長(zhǎng)度：16位,，尋址內(nèi)部ROM；,，尋址外部ROM。,當(dāng)PC值超過片內(nèi)ROM容量時(shí)會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)向 外部

12、存儲(chǔ)器空間。,作 用： 存放程序及程序運(yùn)行時(shí)所需的常數(shù)。,七個(gè)具有特殊含義的單元是：,0000H 系統(tǒng)復(fù)位，PC指向此處； 0003H 外部中斷0入口 000BH T0溢出中斷入口 0013H 外中斷1入口 001BH T1溢出中斷入口 0023H 串口中斷入口 002BH T2溢出中斷入口,因此編程時(shí)我們應(yīng)養(yǎng)成良好的習(xí)慣，將主程序放置在這些存儲(chǔ)單元之后。,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)圖,二、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器及地址空間,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,片外RAM64KB，地址范圍0000HFFFFH,片內(nèi)RAM128B，地址范圍00H7FH,使用時(shí)只能用MOVX指令訪問,使用MOV指令訪問，可以進(jìn)行堆棧操作,三、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 物

13、理上分為兩大區(qū)域：00H 7FH即128B內(nèi)RAM區(qū) 80H FFH即SFR區(qū)。,R0、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7,即可位尋址，又可字節(jié)尋址,數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、堆棧區(qū)、工作單元,寄存器區(qū) 4組(32B),00H1FH是通用工作寄存器區(qū)。一共32個(gè)單元，共分為四組，每組8個(gè)寄存器，分別被命名為R0R7。 問題出來了：四組都有R0R7，重名了。 解決辦法：SFR中有一個(gè)特殊功能寄存器叫程序狀態(tài)字寄存器PSW（8位），其中有兩位是RS1和RS1。用這兩位的四種不同狀態(tài)來解決重名問題。 注意：此區(qū)域存儲(chǔ)器只能按字節(jié)進(jìn)行訪問。,由PSW中的2位RS1、RS0來決定選 哪一組為當(dāng)前工作寄存器： R

14、S1、RS0=00 選0組 RS1、RS0=01 選1組 RS1、RS0=10 選2組 RS1、RS0=11 選3組,00H1FH,通用工作寄存器地址表,位尋址區(qū)（20H2FH）16個(gè)字節(jié)。 16*8=128位，每一位都有一個(gè)位地址，范圍為：00H7FH，位地址區(qū)也可作為一般RAM使用。,位尋址區(qū)(20H-2FH共16個(gè)存儲(chǔ)單元，是位尋址區(qū)),20H2FH,30H7FH,30H7FH是用戶RAM區(qū)，即用戶可以自由使用的存儲(chǔ)區(qū)域。對(duì)它們的訪問和通用工作寄存器區(qū)一樣，只能以字節(jié)為單位。,共80個(gè)字節(jié)，作為一般的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)并可設(shè)置堆棧區(qū),80HFFH,80HFFH是特殊功能寄存器區(qū)，主要用于管理單片

15、機(jī)的功能部件，如設(shè)置工作方式和查看工作結(jié)果等。以AT89S51為例，它有21個(gè)8位的特殊功能寄存器，離散分布于80HFFH的128個(gè)單元中。,51子系列SFR的地址分配及位地址見下頁表：,+,+,注意： 1、表中共有5個(gè)雙字節(jié)寄存器。 2、PC也為雙字節(jié)寄存器，但是不在80H FFH 范圍內(nèi)。 3、表中，凡地址能被8整除的寄存器都是可位 尋址的寄存器。,各寄存器的名稱： A Register (Accumulator)： 累加器，通常用A或ACC表示。可字節(jié)尋址(E0H)， 也可位尋址(E0HE7H) 它是一個(gè)寄存器，而不是一個(gè)做加法的部件。 在運(yùn)算器做運(yùn)算時(shí)其中一個(gè)數(shù)一定是在ACC中。 B

16、Register：暫存寄存器。 暫存寄存器。在做乘、除法時(shí)放乘數(shù)或除數(shù)及結(jié)果。,PSW (Program Status Word ）：,它的各位功能如下：,當(dāng)CPU進(jìn)行各種邏輯操作或算術(shù)運(yùn)算時(shí)，為反映操作或運(yùn)算結(jié)果的狀態(tài)，把相應(yīng)的標(biāo)志位置1或清0。這些標(biāo)志的狀態(tài)，可由專門的指令來測(cè)試，也可通過指令來讀出。它為計(jì)算機(jī)確定程序的下一步進(jìn)行方向提供依據(jù)。PSW寄存器中各位的名稱及位置如上所示，下面說明各標(biāo)志位的作用。,CY 進(jìn)位/借位標(biāo)志；位累加器。 AC 輔助進(jìn)/借位標(biāo)志；用于十進(jìn)制調(diào)整。 F0 用戶定義標(biāo)志位；軟件置位/清零。 OV 溢出標(biāo)志； 如果發(fā)生溢出，OV置“1”，否則清“0”。 P 奇

17、偶標(biāo)志；A中1的個(gè)數(shù)為奇數(shù) P = 1；否則 P = 0。 RS1、RS0 寄存器區(qū)選擇控制位。 0 0 ： 0區(qū) R0 R7 0 1 ： 1區(qū) R0 R7 1 0 ： 2區(qū) R0 R7 1 1 ： 3區(qū) R0 R7,P,RS0,RS1,OV,F0,AC,CY,PSW,2、指針寄存器 （1）程序計(jì)數(shù)器PC 指明即將執(zhí)行的下一條指令的地址(程序存儲(chǔ)器地址)，在物理上獨(dú)立，復(fù)位時(shí)PC = 0000H。 （2）堆棧指針SP 指明棧頂元素的地址，8位，可軟件設(shè)置初值，復(fù)位時(shí)SP = 07H。 （3）數(shù)據(jù)指針DPTR（可分成DPH、DPL兩個(gè)） 數(shù)據(jù)指針可以用它來訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的任一單元，也可以作

18、為通用寄存器來用，由我們自已決定如何使用。,3、并行輸入/輸出端口 寄存器P0、P1、P2、P3實(shí)為相應(yīng)端口鎖存器。 4、串行輸入/輸出端口 （1）串行數(shù)據(jù)緩沖器 SBUF 是物理上獨(dú)立的兩個(gè)寄存器，共同使用一個(gè)地址（99H）。 （2）串行控制/狀態(tài)寄存器SCON 控制監(jiān)視串行口的工作狀態(tài) （3）電源控制寄存器PCON 控制單片機(jī)的低功耗工作方式及波特率選擇。,5、中斷系統(tǒng) （1）中斷優(yōu)先級(jí)寄存器IP：2級(jí)優(yōu)先，可軟件設(shè)定 （2）中斷允許寄存器IE 6、定時(shí)/計(jì)數(shù)器 （1）定時(shí)器方式寄存器：TMOD （2）定時(shí)器控制寄存器：TCON （3）計(jì)數(shù)寄存器：TH0、TL0；TH1、TL1?？捎糜谠O(shè)定

19、計(jì)數(shù)初值。,第四節(jié) 并行輸入輸出端口,第四節(jié) 并行輸入輸出端口,8051單片機(jī)有4個(gè)I/O端口，每個(gè)端口都是8位準(zhǔn)雙向口，共占32根引腳。每個(gè)端口都包括一個(gè)鎖存器(即專用寄存器P0P3)、一個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器和輸入緩沖器。通常把4個(gè)端口籠統(tǒng)地表示為P0P3。,下圖為P0口的某位P0.n(n=07)結(jié)構(gòu)圖，它由一個(gè) 輸出鎖存器、兩個(gè)三態(tài)輸入緩沖器和輸出驅(qū)動(dòng)電路 及控制電路組成。從圖中可以看出，P0口既可以作 為I/O用，也可以作為地址/數(shù)據(jù)線用。,一、P0口的結(jié)構(gòu),2、通用I / O口 1）讀（端口外數(shù)據(jù) 內(nèi)部寄存器） 方式1（讀鎖存器） Q G2 D 內(nèi)部總線, 適于“讀修改寫” 方式2（讀引腳）：P0.x G1 D 內(nèi)部總線。 作為通用I / O使用， 是一個(gè)準(zhǔn)雙向口： “在輸入數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)先把口置1，使兩個(gè)FET都截止，引腳處于懸浮狀態(tài)，可作高阻抗輸入” 2）寫（片內(nèi)數(shù)據(jù) 端口） 數(shù)據(jù) 鎖存 MUX P0.x,3）地址/數(shù)