1、第五章 嵌入式處理器,本章學習要點：,嵌入式處理器的基本結(jié)構(gòu) 80C51單片機的編程結(jié)構(gòu) 80C51單片機的引腳信號及功能 80C51單片機的存儲器配置 80C51單片機的操作與時序,5.3 80C51單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu),嵌入式微處理器,1基本組成,4.1 80C51單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu),2、芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu),嵌入式微處理器,控制器,運算器,一、中央處理器CPU 1、運算器 進行算術(shù)和邏輯運算 ，8位 主要包括算術(shù)邏輯單元ALU、累加器ACC、暫存器、程序狀態(tài)字PSW、B寄存器。,80C51單片機基本結(jié)構(gòu),單片機原理與應用,主要任務：,單片機原理與應用,算術(shù)運算,邏輯運算,位操作,數(shù)據(jù)處理,利用程序狀態(tài)

2、寄存器PSW表述當前運行狀態(tài),一、中央處理器CPU,獨特的功能，特別適合與控制操作。,2、控制器 包括指令寄存器IR、指令譯碼器ID、數(shù)據(jù)指針DPTR、程序計數(shù)器（指針）PC、堆棧指針SP、以及控制電路（時序電路、中斷控制部件、微操作控制部件）。,單片機原理與應用,一、中央處理器CPU,哈佛結(jié)構(gòu),3、布爾處理器,單片機原理與應用,一、中央處理器CPU,它實際上是一個完整的位微處理器，這個位機有自己的CPU、位寄存器、I/O口和指令集?？商峁?7條位操作指令，硬件有自己的“累加器”（進位位C）和自己的位尋址RAM和I/O空間，所以是一個獨立的位處理機。 80C51單片機把8位機和1位機復合在一起

3、，發(fā)揮各自的長處，這是它的一大優(yōu)點。,MCS51系列單片機芯片采用40個引腳的方形和雙列直插式封裝,(b)雙列直插式封裝,(a)方形封裝,5.4 80C51單片機的引腳信號,嵌入式微處理器,1引腳功能 40個引腳其功能共可分為四個部分： 1）電源2個 2）外接晶體振蕩器2個 3） I/O引腳32個 4）控制信號引腳4個,5.4 80C51單片機的引腳信號,嵌入式微處理器,一、主電源引腳 VDD：接5V電源 VSS：接地端 一般VDD 和VSS之間應接高頻和低頻濾波電容。,嵌入式微處理器,二、外接晶體振蕩器引腳 XTAL1：芯片內(nèi)部振蕩電路（單級反相放大器）的輸入端 XTAL2：芯片內(nèi)部振蕩電路

4、（單級反相放大器）的輸出端 振蕩頻率為晶振頻率（1.220MHz），另外需兩個30pF左右的電容以微調(diào)頻率,嵌入式微處理器,1、接石英晶體和微調(diào)電容 2、接外部時鐘,80C51單片機的振蕩器有內(nèi)部和外部兩種方式,5.4 80C51單片機的引腳信號,嵌入式微處理器,三、4個8位并行I/O口引腳,80C51單片機有4個8位并行I/O口，共占了32根I/O引腳，單片機擴展時，這些I/O引腳又作為擴展總線用。 P0口作為地址/數(shù)據(jù)總線，分時輸出低8位地址和傳送8位數(shù)據(jù)； P2口作為高8位地址總線； P3口也具有第二功能。這是由接口的特殊結(jié)構(gòu)所決定的。,嵌入式微處理器,四、控制信號線引腳,1、RST/V

5、PD：復位/掉電時內(nèi)部RAM的備用電源輸入端,復位端RST ： 啟動時，需要復位，使CPU各部件處于確定的初始狀態(tài)。 正常工作狀態(tài)（振蕩器穩(wěn)定），該引腳上出現(xiàn)持續(xù)24個振蕩周期（即兩個機器周期）以上的高電平，單片機就可完成系統(tǒng)復位操作 。,嵌入式微處理器,80C51復位后內(nèi)部寄存器狀態(tài),嵌入式微處理器,2、ALE/PROG：地址鎖存允許/編程脈沖輸入 ALE：地址鎖存允許信號 片外存儲器作數(shù)據(jù)存取時，ALE為低8位地址鎖存允許輸出信號，在其下降沿將從P0口輸出的低8位地址鎖存到地址鎖存器。 以1/6振蕩頻率周期性輸出 PROG：在對8751片內(nèi)EPROM編程時，編程脈沖由此輸入。,四、控制信號

6、線引腳,嵌入式微處理器,3、EA/VDD：訪外允許/編程電壓輸入 8031中EA必須接地。 8051/8751中 EA1，單片機使用片內(nèi)ROM/EPROM（由PC值決定）； EA0，單片機片內(nèi)程序存儲器失效，而 使用片外程序存儲器。 VDD 對8751片內(nèi)EPROM編程時，此腳接編程電壓。（+21V+25V）,四、控制信號線引腳,嵌入式微處理器,4、 PSEN：外部程序存儲器讀選通信號 它與ALE配合，使P0口完成地址線和數(shù)據(jù)線的功能。 當訪問片內(nèi)ROM、RAM時無效。,四、控制信號線引腳,嵌入式微處理器,5.5 80C51單片機的存儲器配置,80C51系列單片機采用的是哈佛體系結(jié)構(gòu)，即將程序

7、存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開，程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器各有自己的尋址方式、尋址空間和控制系統(tǒng)。 存儲器在物理結(jié)構(gòu)上分為程序存儲器空間和數(shù)據(jù)存儲器空間，共有4個存儲空間：片內(nèi)程序存儲器和片外程序存儲器空間以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器和片外數(shù)據(jù)存儲器空間。,嵌入式微處理器,5.5 80C51單片機的存儲器配置,從用戶使用的角度看，80C51存儲器地址空間分為以下3類： 片內(nèi)、片外統(tǒng)一編址0000H FFFFH的64 KB程序存儲器地址空間（用16位地址）。 64KB的片外數(shù)據(jù)存儲器地址空間，地址也從0000H FFFFH（用16位地址）編址。 256字節(jié)的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器地址空間（用8位地址）。,圖中3個存儲空間地址

8、是重疊的，如何區(qū)別這3個不同的邏輯空間呢？,嵌入式微處理器,5.5 80C51單片機的存儲器配置,80C51的指令系統(tǒng)設(shè)計了不同的數(shù)據(jù)傳送指令符號：CPU用MOVC指令訪問片內(nèi)、片外ROM，用MOVX指令訪問片外RAM，用MOV指令訪問片內(nèi)RAM。 上圖中所示的引腳信號PSEN，若PSEN有效，即能讀出片外ROM中的指令。引腳信號RD和WR有效時可讀/寫片外RAM或片外I/O接口。,嵌入式微處理器,5.5 80C51單片機的存儲器配置,5.5.1 程序存儲器地址空間 程序存儲器用于存放編好的程序和表格常數(shù)。程序存儲器通過16位程序計數(shù)器尋址，尋址能力為64 KB。這使得指令能在64 KB地址空

9、間內(nèi)任意跳轉(zhuǎn)，但不能使程序從程序存儲器空間轉(zhuǎn)移到數(shù)據(jù)存儲器空間。,嵌入式微處理器,5.5 80C51單片機的存儲器配置,80C51片內(nèi)ROM的容量為4 KB，地址為0000H 0FFFH；片外最多可擴至64 KB ROM，地址為1000H FFFFH，片內(nèi)外統(tǒng)一編址。 當片內(nèi)4 KB ROM容量不夠時，可選擇8 KB、16 KB、32 KB的80C52、80C54、80C56單片機。應盡量避免外擴程序存儲器芯片而增加硬件的負擔。在極特殊情況下，才應外擴程序存儲器芯片執(zhí)行外部程序。,不用片外擴展的ROM時，EA引腳與電源Vcc連接。,嵌入式微處理器,5.5 80C51單片機的存儲器配置,5.5.

10、1 程序存儲器地址空間 擴展外部程序存儲器時單片機的硬件連接如下圖所示。,嵌入式微處理器,5.5 80C51單片機的存儲器配置,5.5.1 程序存儲器地址空間 80C51從片內(nèi)程序存儲器和片外程序存儲器取指時執(zhí)行速度相同。上電復位后程序計數(shù)器的內(nèi)容為0000H，所以CPU總是從0000H開始執(zhí)行程序。存儲單元0000H 0002H用作復位后引導程序的存放單元。如果在這3個單元中存有轉(zhuǎn)移指令，那么程序就被引導到轉(zhuǎn)移指令指定的ROM空間去執(zhí)行。0003H 002AH單元均勻地分為5段，每段8字節(jié)，用作5個中斷向量區(qū)。,嵌入式微處理器,5.5 80C51單片機的存儲器配置,5.5.1 程序存儲器地址

11、空間 注意：訪問片外程序存儲器時，16條I/O線（P0和P2）作為總線使用。P0口作為地址/數(shù)據(jù)總線使用。它先輸出16位地址的低8位PCL，然后進入懸浮狀態(tài)，等待程序存儲器送出的指令字節(jié)。 當有效地址PCL出現(xiàn)在P0總線上時，ALE（允許地址鎖存）信號把這個地址鎖存到地址鎖存器中。同時，P2端口輸出地址的高8位PCH；然后PSEN選通外部程序存儲器，使指令送到P0總線上，由CPU讀入。,嵌入式微處理器,5.5 80C51單片機的存儲器配置,5.5.1 數(shù)據(jù)存儲器地址空間 數(shù)據(jù)存儲器RAM用于存放運算的中間結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖、標志位等。數(shù)據(jù)存儲器空間也分成片內(nèi)和片外兩大部分，即片內(nèi)RAM和片外

12、RAM。80C51片外數(shù)據(jù)存儲器空間為64 KB，地址從0000H FFFFH；片內(nèi)存儲器空間為256字節(jié)，地址從0000H 00FFH。,片外數(shù)據(jù)存儲器與片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器空間的低地址部分（0000H00FFH） 是重疊的，如何區(qū)別片內(nèi)、片外RAM空間呢？,80C51有MOV和MOVX兩種指令，用以區(qū)分片內(nèi)、片外RAM空間。片內(nèi)RAM使用MOV指令，片外64KB RAM空間專門為MOVX指令（使引腳RD或WR信號有效）所用。,嵌入式微處理器,5.5 80C51單片機的存儲器配置,5.5.1 數(shù)據(jù)存儲器地址空間 1）外部RAM 外部數(shù)據(jù)存儲器的尋址空間可達64 KB。地址可以是8位或16位的。在擴

13、展外部數(shù)據(jù)存儲器時，P0口用作RAM的地址/數(shù)據(jù)總線，P2 口中的3位也作為RAM的頁地址。訪問片外RAM期間，CPU根據(jù)需要發(fā)送RD和WR信號。 若需要擴展片外RAM，一般外接靜態(tài)RAM芯片，如6116/6264/62256。次圖2 KB片外RAM時的硬件連接圖。,嵌入式微處理器,5.5 80C51單片機的存儲器配置,5.5.1 數(shù)據(jù)存儲器地址空間 2）片內(nèi)RAM 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器最大可尋址256個單元，它們又分為兩部分：低字節(jié)（00H7FH）是真正的RAM區(qū)；高128字節(jié)（80HFFH）為特殊功能寄存器（SFR）區(qū)，如次圖所示。,嵌入式微處理器,5.5.1 數(shù)據(jù)存儲器地址空間,2）片內(nèi)RAM

14、 低128字節(jié)RAM 80C51的32個工作寄存器與RAM安排在同一個隊列空間里，統(tǒng)一編址并使用同樣的尋址方式（直接尋址和間接尋址）。 00H 1FH地址安排為4組工作寄存器區(qū)，每組有8個工作寄存器（R0R7），共占32個單元，見表4-1。通過對程序狀態(tài)字PSW中RS1、RS0的設(shè)置，每組寄存器均可選作CPU的當前工作寄存器組。,表4-1 工作寄存器地址表,嵌入式微處理器,5.5.1 數(shù)據(jù)存儲器地址空間,2）片內(nèi)RAM 工作寄存器區(qū)后的16字節(jié)單元（20H 2FH），可用位尋址方式訪問其各位。在80C51系列單片機的指令系統(tǒng)中，還包括許多位操作指令，這些位操作指令可直接對這128位尋址。這 1

15、28位的位地址為00H 7FH，其位地址分布如圖所示。,嵌入式微處理器,5.5.1 數(shù)據(jù)存儲器地址空間,2）片內(nèi)RAM 地址范圍30H 7FH的區(qū)域是通用存儲器，用于存儲字節(jié)數(shù)據(jù)。80C51堆棧區(qū)被限定在片內(nèi)RAM，是滿遞增堆棧，堆棧指針初值SP=07H，若不改變08H 7FH皆為堆棧區(qū)。故程序初始化時，給SP賦值，如SP=5FH，這樣60H 7FH就是堆棧區(qū)了，60H以下的區(qū)域就可以放心地用于存儲數(shù)據(jù)。,嵌入式微處理器,2）片內(nèi)RAM 低128字節(jié)RAM單元地址范圍也是00H 7FH，80C51采用不同尋址方式來加以區(qū)分，即訪問128個位地址用位尋址方式，訪問低128字節(jié)單元用直接尋址和間接

16、尋址。這樣就可以區(qū)分開00H 7FH是位地址還是字節(jié)地址。,5.5.1 數(shù)據(jù)存儲器地址空間,嵌入式微處理器,2）片內(nèi)RAM 高128字節(jié)RAM 80C51片內(nèi)高128字節(jié)RAM中，有21個特殊功能寄存器（SFR），它們離散地分布在80HFFH的RAM空間中。訪問特殊功能寄存器只允許使用直接尋址方式。 在這21個特殊功能寄存器中，有11個具有位尋址能力，它們的字節(jié)地址正好能被8整除。,5.5.1 數(shù)據(jù)存儲器地址空間,嵌入式微處理器,2）片內(nèi)RAM 高128字節(jié)RAM 累加器ACC（E0H） 累加器ACC是80C51最常用、最忙碌的8位特殊功能寄存器，許多指令的操作數(shù)取自于ACC，許多運算中間結(jié)果

17、也存放于ACC。在指令系統(tǒng)中是最多的用A作為累加器ACC的助記符。,5.5.1 數(shù)據(jù)存儲器地址空間,嵌入式微處理器,2）片內(nèi)RAM 高128字節(jié)RAM 寄存器B（F0H） 在乘、除指令中，用到了8位寄存器B。乘法指令的兩個操作數(shù)分別取自A和B，運算后，乘積存于B和A兩個8位寄存器中。除法指令中，A中存放被除數(shù)，B中存放除數(shù)，運算后，商存放在A中，余數(shù)在B中。,5.5.1 數(shù)據(jù)存儲器地址空間,嵌入式微處理器,2）片內(nèi)RAM 高128字節(jié)RAM 程序狀態(tài)寄存器PSW（D0H） PSW是一個8位特殊功能寄存器，它的各位包含了程序執(zhí)行后的狀態(tài)信息，供程序査詢或判別之用。PSW除有確定的字節(jié)地址（D0H

18、）外，每一位均有位地址，各位的含義及其格式如表所示。,5.5.1 數(shù)據(jù)存儲器地址空間,嵌入式微處理器,2）片內(nèi)RAM 高128字節(jié)RAM 程序狀態(tài)寄存器PSW（D0H）,5.5.1 數(shù)據(jù)存儲器地址空間,PSW.7 PSW.6 PSW.5 PSW.4 PSW.3 PSW.2 PSW.1 PSW.0,嵌入式微處理器,程序狀態(tài)寄存器PSW,PSW.7 PSW.6 PSW.5 PSW.4 PSW.3 PSW.2 PSW.1 PSW.0,進位標志Cy： 算術(shù)邏輯指令時，最高位D7有進（借）位，則Cy=1，否則Cy=0； 在布爾處理器中，它起著“位累加器”的作用。17條布爾處理指令多數(shù)是針對CY來完成的。

19、程序中寫成C，如：MOV C, 20H。,嵌入式微處理器,程序狀態(tài)寄存器PSW,PSW.7 PSW.6 PSW.5 PSW.4 PSW.3 PSW.2 PSW.1 PSW.0,輔助進位標志AC： 加（減）法運算時，如果低半字節(jié)的最高位D3有進（借）位，則AC=1，否則AC=0；AC在作BCD碼運算而進行二十進制調(diào)整時有用。,嵌入式微處理器,程序狀態(tài)寄存器PSW,PSW.7 PSW.6 PSW.5 PSW.4 PSW.3 PSW.2 PSW.1 PSW.0,用戶標志FO： 是用戶定義的一個狀態(tài)標志?？赏ㄟ^軟件對它置位、清零；在編程時，也常測試其狀態(tài)進行程序分支。,嵌入式微處理器,程序狀態(tài)寄存器P

20、SW,PSW.7 PSW.6 PSW.5 PSW.4 PSW.3 PSW.2 PSW.1 PSW.0,工作寄存器區(qū)選擇位RS1、RS0: 可借軟件置位或清零，以選定4個工作寄存器區(qū)中的一個區(qū)投入工作。,嵌入式微處理器,程序狀態(tài)寄存器PSW,PSW.7 PSW.6 PSW.5 PSW.4 PSW.3 PSW.2 PSW.1 PSW.0,溢出標志OV： 作有符號數(shù)加法、減法時由硬件置位或清除，以指示運算結(jié)果是否溢出。,嵌入式微處理器,程序狀態(tài)寄存器PSW,PSW.7 PSW.6 PSW.5 PSW.4 PSW.3 PSW.2 PSW.1 PSW.0,奇偶標志P: 每執(zhí)行一條指令，單片機都能根據(jù)A中

21、1的個數(shù)的奇偶自動令P置位或清零：奇為1，偶為0。此標志對串行通信的數(shù)據(jù)傳輸非常有用，通過奇偶校驗可檢驗數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_與否。,嵌入式微處理器,程序計數(shù)器PC（程序指針81H） 16位地址指針，專門用來控制指令執(zhí)行順序的寄存器，其中的內(nèi)容總是下一條要執(zhí)行的指令的地址。 復位時PC=0000H，控制器從0單元取指令，即程序從0單元開始執(zhí)行。通常單片機每取一個字節(jié)機器碼，PC就自動加1，從而保證了指令的順序執(zhí)行。 轉(zhuǎn)移指令可強行改變PC的內(nèi)容。,2）片內(nèi)RAM-高128字節(jié)RAM,嵌入式微處理器, 數(shù)據(jù)指針DPTR（83H，82H） DPTR是一個16位的特殊功能寄存器。其高位字節(jié)寄存器用DPH表示

22、（地址83H），低位字節(jié)寄存器用DPL表示（地址82H)。 DPTR既可以作為一個16位寄存器來處理，也可以作為兩個獨立的8位寄存器DPH和DPL使用。主要用于存放16位地址，以便對64 KB片外RAM作間接尋址。,2）片內(nèi)RAM-高128字節(jié)RAM,嵌入式微處理器,高128字節(jié)RAM 棧指針SP（81H） 80C51堆棧的操作有兩種：一種叫數(shù)據(jù)壓入（PUSH），另一種叫數(shù)據(jù)彈出（POP）。堆棧的方式是滿遞增方式，當數(shù)據(jù)要壓入堆棧時，SP先自動加1，即RAM地址單元加1以指出當前棧頂位置，然后數(shù)據(jù)送入棧頂單元。 80C51的堆棧指針SP是一個雙向計數(shù)器。進棧時，SP內(nèi)容自動增值，出棧時自動減值

23、。,2）片內(nèi)RAM,嵌入式微處理器,高128字節(jié)RAM I/O端口P0 P3鎖存器（80H,90H,A0H,B0H） P0P3為4個8位特殊功能寄存器，分別是4個并行I/O端口的鎖存器。它們都有字節(jié)地址，每一個口鎖存器還有位地址，所以，每一條I/O線均可獨立用作輸入或輸出。用作輸出時，可以鎖存數(shù)據(jù)；用作輸入時，數(shù)據(jù)可以緩沖。,2）片內(nèi)RAM,嵌入式微處理器,4.6 時鐘電路及80C51 CPU時序,1片內(nèi)時鐘信號的產(chǎn)生 80C51芯片內(nèi)部有一個高增益反相放大器，用于構(gòu)成振蕩器。反相放大器的輸入端為 XTAL1，輸出端為XTAL2，兩端跨接石英晶體及兩個電容就可以構(gòu)成穩(wěn)定的自激振蕩器。 電容器C

24、1和C2通常取30 pF左右，可穩(wěn)定頻率并對振蕩頻率有微調(diào)作用。振蕩脈沖頻率范圍為fosc = 0 24 MHz。,嵌入式微處理器,1片內(nèi)時鐘信號的產(chǎn)生,1）節(jié)拍與狀態(tài)周期 時鐘發(fā)生器是一個2分頻的觸發(fā)器電路，它向CPU提供兩相時鐘信號P1和P2。時鐘信號的周期稱為機器狀態(tài)周期S（STATE）。在每個時鐘周期（即機器狀態(tài)周期S）的前半周期，相位1（P1）信號有效，在每個時鐘周期的后半周期，相位2（P2）信號有效。 CPU就以兩相時鐘P1和P2為基本節(jié)拍指揮80C51單片機各個部件協(xié)調(diào)地工作。,嵌入式微處理器,1片內(nèi)時鐘信號的產(chǎn)生,2）機器周期和指令周期 計算機執(zhí)行一條指令需要多長時間是以機器周

25、期為單位。一個機器周期是指CPU訪問存儲器一次所需要的時間，例如取指令、讀存儲器、寫存儲器等等。 80C51的一個機器周期包括12個振蕩周期，分為6個S狀態(tài)：S1S6。每個狀態(tài)又分為兩拍，稱為P1和P2。因此，一個機器周期中的12個振蕩周期表示為S1P1、S1P2、S2P1、S2P2、 、 S6P1、S6P2。,嵌入式微處理器,1片內(nèi)時鐘信號的產(chǎn)生,3）基本時序定時單位 4 個時序單位從小到大依次是節(jié)拍（振蕩脈沖周期，1/fosc）、狀態(tài)周期（時鐘周期）、機器周期和指令周期，如下圖所示。,嵌入式微處理器,5.6 時鐘電路及80C51 CPU時序,2CPU取指、執(zhí)指時序 每一條指令的執(zhí)行都可以包括取指和執(zhí)指兩個階段。CPU在取指階段中，取出PC指針指向的程序存儲器單元中的指令代碼；在執(zhí)行階段中，對指令進行譯碼，并產(chǎn)生一系列控制信號，使相應單元完成指令要求的操作。,1）外部ROM訪問時序,5.6 時鐘電路及80C51 CPU時序,嵌入式微處理器,1）外部RA