1、第二章 單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理,2.1. 單片機(jī)的基本組成,1. 中央處理器,2. 存儲(chǔ)器,普林斯頓結(jié)構(gòu)：將程序和數(shù)據(jù)合用一個(gè)存儲(chǔ)器空間。,哈佛結(jié)構(gòu)：將程序和數(shù)據(jù)截然分開，分別尋址的結(jié)構(gòu)。,程序存儲(chǔ)器（ROM）,片內(nèi)只讀存儲(chǔ)器,片外只讀存儲(chǔ)器,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）,3. 并行I/0口,4. 串行I/0口,5. 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,6. 定時(shí)電路及元件,2.2. 單片機(jī)的引腳功能和結(jié)構(gòu)框圖,40引腳雙列直插（DIP）封裝圖,邏輯圖符號(hào),引腳的復(fù)用功能,2.3 80C51的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組成,內(nèi)部結(jié)構(gòu),算術(shù)邏輯部件ALU,類加器ACC（或A）,只讀存儲(chǔ)器ROM,隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM,指令寄存器IR,程

2、序地址寄存器,程序計(jì)數(shù)器PC,地址指針DPTR,定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,并行I/O口P0 P3,串行口,程序狀態(tài)標(biāo)志寄存器PSW,定時(shí)控制邏輯電路,專用寄存器SFR,累加器A,寄存器B,程序狀態(tài)字寄存器PSW,堆棧指針SP,程序計(jì)數(shù)器PC和數(shù)據(jù)指針DPTR,端口03的鎖存器P0、P1、 P2、P3,串行口數(shù)據(jù)緩存器SBUF（99H）,定時(shí)器寄存器,捕捉寄存器,控制寄存器,一.專用寄存器,1. 累加器A,作用：,累加器A是ALU單元的輸入之一，因而是處理數(shù)據(jù)源之一。 同時(shí)它又是ALU運(yùn)算結(jié)果的存放單元。,CPU中的數(shù)據(jù)傳送大多都通過累加器，故又相當(dāng)于一個(gè)數(shù)據(jù) 的中轉(zhuǎn)站。,2. B寄存器,B寄存器在乘法和

3、除法指令中作為ALU的輸入之一。,作用：,其他情況下，B寄存器可以作為內(nèi)部RAM中的一個(gè)單元來 使用。,3. 程序狀態(tài)字PSW,程序狀態(tài)字PSW是一個(gè)逐位定義的8位寄存器，其內(nèi)容的主要部分是算術(shù)邏輯運(yùn)算單元（ALU）的輸出。,OV溢出標(biāo)志位。表示運(yùn)算結(jié)果超出了目的寄存器A所能表示 的帶符號(hào)數(shù)的范圍（-128 - +127）,ADD加法：若 表示 i向位 i+1位有進(jìn)位，則,當(dāng)位6向位7有進(jìn)位而位7不向CY進(jìn)位時(shí)，或當(dāng)位7向C進(jìn)位而位6不向位7進(jìn)位時(shí)，OV=1；否則OV=0。,SUBB加法：若 表示 i向位 i+1位有借位，則,當(dāng)位6向位7有借位而位7無借位時(shí)，或當(dāng)位7向CY借位而位6不向位7借

4、位時(shí)，OV=1；否則OV=0。,DIV除法：若除數(shù)為0時(shí)，OV=1；否則，OV=0。,PC是中央控制器中最基本的寄存器，是一個(gè)獨(dú)立的計(jì)數(shù)器，存放著下一條將要從程序存儲(chǔ)器中取出的指令地址。,4. 地址寄存器PC,基本工作過程：,讀指令時(shí)，程序計(jì)數(shù)器將其中的數(shù)作為所取指令的地址輸出給程序存儲(chǔ)器，然后程序存儲(chǔ)器按此地址輸出指令字節(jié)，同時(shí)程序計(jì)數(shù)器本身自動(dòng)加 1，指向下一條指令地址。,程序計(jì)數(shù)器PC變化的軌跡決定程序的流程,程序計(jì)數(shù)器PC的寬度決定了程序存儲(chǔ)器可以直接尋址的范圍。在80C51中，PC是一個(gè)16位的計(jì)數(shù)器，所以，可對64KB（ ）程序存儲(chǔ)器進(jìn)行尋址。,程序存儲(chǔ)器PC的基本工作方式有：,程

5、序計(jì)數(shù)器PC自動(dòng)加 1；,執(zhí)行條件或無條件轉(zhuǎn)移指令時(shí)，程序計(jì)數(shù)器將被置入新 的數(shù)值，程序的流向發(fā)生變化；,在執(zhí)行調(diào)用指令或響應(yīng)中斷時(shí)： PC的現(xiàn)行值，即下一條將要執(zhí)行的指令的地址，送入堆棧， 加以保護(hù)。 將子程序的入口地址或者中斷矢量地址送入PC，程序流發(fā)生 變化，執(zhí)行子程序或中斷服務(wù)程序。子程序或中斷服務(wù)執(zhí)行完 畢，遇到返回指令RET或RETI時(shí)，將棧頂?shù)膬?nèi)容送到PC中， 程序流程又返回到原來的地方，繼續(xù)執(zhí)行。,5. 數(shù)據(jù)指針DPTR,DPTR是一個(gè)16位的特殊功能寄存器，主要功能是作為片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器尋址用的地址寄存器（間接尋址），,訪問片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的指令為：,MOVX A，DPTR 讀

6、MOVX DPTR, A 寫,二. 算術(shù)邏輯運(yùn)算單元ALU,算是邏輯運(yùn)算單元主要是對數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)/邏輯運(yùn)算。從結(jié)構(gòu)上，該單元實(shí)質(zhì)是一個(gè)全加器。,通過暫存器 1 的輸入；,通過暫存器 2 或累加器ACC的輸入；,兩個(gè)輸入：,兩個(gè)輸出：,累加器；,程序狀態(tài)字PSW；,算術(shù)/邏輯運(yùn)算可完成的操作：,帶進(jìn)位和不帶進(jìn)位的加法、減法及8位的乘、除法運(yùn)算；,邏輯運(yùn)算AND、OR和XOR；,增量或減量；,位操作有位置位、位復(fù)位和位取反；,左移位、右移位；,半字節(jié)交換；,BCD碼運(yùn)算修正；,三. 時(shí)鐘電路及CPU的工作時(shí)序,1. 時(shí)鐘電路,振蕩器,定時(shí)控制元件,時(shí)鐘發(fā)生器,地址所存允許信號(hào)ALE,2. 時(shí)序定時(shí)

7、單位,節(jié)拍與狀態(tài)：一個(gè)狀態(tài)包含兩個(gè)節(jié)拍，其前半周期對應(yīng)的節(jié)拍叫P1，后 半周期對應(yīng)的節(jié)拍叫P2。；,機(jī)器周期： 80C51規(guī)定一個(gè)機(jī)器周期的寬度為6個(gè)狀態(tài)，并依次表示為 S1 S6，分別記為S1P1，S1P2，S2P1，S2P2，S6P2；,指令周期： 執(zhí)行一條指令所需要的時(shí)間稱為指令周期。,3. 80C51指令時(shí)序,80C51共有111條指令，全部指令按其長度可分為單字節(jié)指令、雙字節(jié)指令和三字節(jié)指令。,單字節(jié)單機(jī)器周期指令,單字節(jié)雙機(jī)器周期指令,雙字節(jié)單機(jī)器周期指令,雙字節(jié)雙機(jī)器周期指令,三字節(jié)雙機(jī)器周期指令,ALE信號(hào)是為地址鎖存而定義的，該信號(hào)煤有效一次對應(yīng)單片機(jī)進(jìn)行的一次讀指令操作。A

8、LE信號(hào)以振蕩脈沖六分之一的頻率出現(xiàn)，因此在一個(gè)機(jī)器周期中，ALE信號(hào)兩次有效，有效寬度為一個(gè)狀態(tài)。,單字節(jié)單機(jī)器周期指令,由于是單字節(jié)指令，因此只需進(jìn)行一次讀指令操作。當(dāng)?shù)诙€(gè)ALE有效時(shí)，由于PC沒有加 1，所以讀出的還是原指令，屬于一次無效的操作。,雙字節(jié)單機(jī)器周期指令,這種情況下，對應(yīng)于ALE的兩次讀操作都是有效的，第一次是讀指令操作碼，第二次是讀指令第二字節(jié)。,單字節(jié)雙機(jī)器周期指令（例如：INC DPTR）,兩個(gè)機(jī)器周期共進(jìn)行四次讀指令的操作，但其中后三次的讀操作全是無效的。,單字節(jié)雙機(jī)器周期指令（例如：MOVX類指令）,先在ROM讀取指令，然后對外部RAM進(jìn)行讀/寫操作。第一機(jī)器周

9、期時(shí)，與其它指令一樣，第一次讀指令（操作碼）有效，第二次讀指令操作無效。第二機(jī)器周期時(shí)，進(jìn)行外部RAM訪問，此時(shí)與ALE信號(hào)無關(guān)，因此不產(chǎn)生讀指令操作。,2.4 存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)和地址空間,80C51單片機(jī)系列的存儲(chǔ)器采用的是哈拂結(jié)構(gòu)，即將程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器截然分開，它們各有自己的尋址方式、尋址空間和控制系統(tǒng)。尋址范圍分別達(dá)到64KB。,1. 程序存儲(chǔ)器,80C51單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器用于存放經(jīng)調(diào)試正確的應(yīng)用程序和表格之類的固定常數(shù)。尋址空間為64KB。,80C51單片機(jī)程序存儲(chǔ)器的某些單元被保留于特定的程序入口地址。,2. 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,根據(jù) 不同的尋址方式，片內(nèi)數(shù)據(jù)RAM區(qū)可分為以下幾個(gè)區(qū)域：,

10、(1). 片內(nèi)數(shù)據(jù)RAM區(qū),工作寄存器區(qū)：這是一個(gè)用寄存器尋址的區(qū)域，指令的數(shù)量最多，均為單 周期指令，執(zhí)行速度最快。,位尋址區(qū)：片內(nèi)數(shù)據(jù)RAM區(qū)的20H 2FH的16個(gè)字節(jié)單元，既可進(jìn)行字節(jié) 尋址，又可實(shí)現(xiàn)位尋址。,字節(jié)尋址區(qū)：片內(nèi)數(shù)據(jù)RAM區(qū)的30H 7FH的80個(gè)字節(jié)單元，可采用直接 字節(jié)尋址訪問。,堆棧區(qū)及堆棧指示器：堆棧是在片內(nèi)數(shù)據(jù)RAM區(qū)中，數(shù)據(jù)先進(jìn)后出或后 進(jìn)先出的區(qū)域。堆棧指示器在80C51中存放當(dāng)前的堆棧棧頂所指存儲(chǔ)單元 地址的一個(gè)8位寄存器。,(2). 特殊功能寄存器SFR區(qū),特殊功能寄存器是80C51單片機(jī)中各功能部件所對應(yīng)的寄存器，用以存放相應(yīng)功能部件的控制命令、狀態(tài)或

11、數(shù)據(jù)區(qū)域。,80C51中共定義了21個(gè)特殊功能寄存器，其名稱和字節(jié)地址列于下表中：,(3). 片外數(shù)據(jù)RAM區(qū),片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是在外部存放數(shù)據(jù)的區(qū)域，這一區(qū)域用寄存器間接尋址的方法訪問，所用的寄存器為DPTR、R1或R0。,當(dāng)用R1、R0尋址時(shí)，由于R1、R0為8位寄存器，因此最大尋址范圍為256B；當(dāng)用DPTR尋址時(shí)，由于DPTR是16位寄存器，因此，最大尋址范圍為64KB。,數(shù)據(jù)傳送類指令示意圖,ACC,MOVC,MOVX,MOV,2.5 80C51單片機(jī)的工作方式,80C51單片機(jī)的工作方式,復(fù)位,程序執(zhí)行,低功耗編程,校驗(yàn),1. 復(fù)位操作,復(fù)位操作是單片機(jī)的初始化操作，其主要功能是把P

12、C初始化為0000H，使單片機(jī)從0000H單元開始執(zhí)行程序。,復(fù)位操作對單片機(jī)的個(gè)別引腳信號(hào)有影響。例如在復(fù)位期間，ALE和PSEN信號(hào)變?yōu)闊o效狀態(tài)，即ALE=1，PSEN=1。,一. 復(fù)位方式,特殊功能寄存器的復(fù)位狀態(tài),2. 復(fù)位信號(hào)及其產(chǎn)生,（1）.復(fù)位信號(hào),RST引腳是復(fù)位信號(hào)的輸入端。復(fù)位信號(hào)是高電平有效，其有效時(shí)間應(yīng)持續(xù)24個(gè)振蕩脈沖周期（即兩個(gè)機(jī)器周期）以上。,（2）.復(fù)位方式,復(fù)位方式,上電自動(dòng)復(fù)位方式,按鍵電平復(fù)位方式,外部脈沖復(fù)位方式,二. 程序執(zhí)行方式,程序執(zhí)行方式是單片機(jī)的基本工作方式。由于復(fù)位后PC=0000H，因此，程序執(zhí)行總是從地址0000H開始的。但一般程序并不是真正從0000H開始，為此就得在0000H開始的單元中存放一條無條件轉(zhuǎn)移指令，以便跳轉(zhuǎn)到實(shí)際程序的入口去執(zhí)行。,三. 低功耗工作方式,