单片微型计算机的组成原理课件.ppt

1、第4章 单片机微型机的组成原理单片机微型机的组成原理 4.1 微型计算机的结构及指令执行过程 4.2 MCS-51单片计算机的组成原理 4.3 MCS-51存储器配置4.4 时钟电路及时序4.5 输入输出端口 4.6 复位电路4.7 MCS-51单片机的引脚功能第一节 微型计算机的结构及指令执行过程指令执行过程分为两个过程：取指令；分析执行指令取指令执行指令PC指令指令数据数据程序计数器（PC）：PC是一个自动加自动加1计数器（16位），它提供将要执行指令的地址将要执行指令的地址。例例:MOV A,#09H MOV A,#09H 74H74H 09H09H ;把把09H09H送到累加器送到累加

2、器A A中中执行过程执行过程PC=0000H0001H0000H0002H0 1 1 1 0 1 0 00 0 0 0 1 0 0 1(PC)(PC)0001H0002H0000H(PC)执行过程执行过程第一节 微型计算机的结构及指令执行过程单片机将通用微计算机基本功能部件集成在一块芯片上构成的一种专用微计算机系统单片机=CPU+程序存储器+数据存储器+定时器/计数器+内外中断+可编程I/O+可编程全双工串行口+第二节 MCS-51单片计算机的组成原理80C51=(8位)CPU+4KBROM+128BRAM+(216)T/C+(48)I/O+1个UART+5个中断源87C52INTEL MCS

3、-51系列单片机一览表CPU（中央处理器，Central Processing Unit）CPU=控制器控制器+运算器运算器通用寄存器，也称为工作寄存器，总共有4组（区），每组（区）内有8个，分别命名为：R0，R2，R3，R4，R5，R6，R7。MCS-51单片机每次只能选择一个通用寄存器组（区）进行工作。4个寄存器区的选择是由程序状态子PSW中RS0、RS1两位来控制。被选择的通用寄存器组（区）称为当前通用寄存器组（区）。一、寄存器1 通用寄存器（1）程序计数器（Program CounterPC）指向ROM存储单元的地址指针0000HPC指针xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

4、xxxxxxxxxxxxxxxxROM0000H0001H0002H0003H0004HFFFFH 永远存放着下一条指令的地址 具有16位字长可寻址范围216（=65536字节=64KB）具有自动加1功能顺序运行程序功能 具有可被指令修改功能跳转运行程序功能 复位时，PC值为0 复位后程序从0开始运行2 专用寄存器（2）累加器（ACCUMULATERA）具有8位字长是利用率最高的寄存器 存放操作数或中间运算结果的寄存器（3）B寄存器（Multiplication Register）具有8位字长主要用在乘除法中（4）程序状态字寄存器（Program State WordPSW）具有8位字长各位都

5、具有特殊含义状态信息通常自动形成，但也可用指令修改存放程序运行过程中的各种状态信息的寄存器CYACF0RS1RS0OVF1PCYACF0RS1RS0OVF1P位7位6位5位4位3位2位1位0CYACF0RS1RS0OVF1PCYCYACACF0F0RS1RS1RS0RS0OVOVF1F1P PPSW.7PSW.7PSW.6PSW.6PSW.5PSW.5PSW.4PSW.4PSW.3PSW.3PSW.2PSW.2PSW.1PSW.1PSW.0PSW.0位7位6位5位4位3位2位1位0按位置定义的名称按功能定义的名称CY（PSW.7）进位标志在进行加或减运算时，如果操作结果最高位有进位或借位时，C

6、Y由硬件硬件置“1”，否则清“0”。1001 0011 +1111 0000 CY=1 1000 0011进位标志位CYCYACF0RS1RS0OVF1PCYACF0RS1RS0OVF1P位7位6位5位4位3位2位1位0CYACF0RS1RS0OVF1PCYCYACACF0F0RS1RS1RS0RS0OVOVF1F1P PPSW.7PSW.7PSW.6PSW.6PSW.5PSW.5PSW.4PSW.4PSW.3PSW.3PSW.2PSW.2PSW.1PSW.1PSW.0PSW.0位7位6位5位4位3位2位1位0用途用途：1、根据CY判断有无判断有无进位或借位进位或借位；2、在位操作中CY可作为

7、位累加器用。举例举例 AC（PSW.6）辅助进位标志在进行加加或或减运算减运算时，如果操作结果的低四位数向高四位产生进位或借位时，将由硬件置“1”，否则清“0”。0100 1111 +1010 0001 AC=1 1111 0000半进位CYACF0RS1RS0OVF1PCYACF0RS1RS0OVF1P位7位6位5位4位3位2位1位0CYACF0RS1RS0OVF1PCYCYACACF0F0RS1RS1RS0RS0OVOVF1F1P PPSW.7PSW.7PSW.6PSW.6PSW.5PSW.5PSW.4PSW.4PSW.3PSW.3PSW.2PSW.2PSW.1PSW.1PSW.0PSW.

8、0位7位6位5位4位3位2位1位0举例举例用途用途：1、根据AC判断加减运算时有无半进位或半借位；2、在BCD码调整运算码调整运算中要用到AC标志F0（PSW.5）和F1（PSW.1）用户标志位 可作为用户自行定义的一个状态标志用户自行定义的一个状态标志 举例举例 定义F0为门的开关状态，F0=0开；F0=1闭 定义F1为灯的开闭状态，F1=0开；F1=1闭CYACF0RS1RS0OVF1PCYACF0RS1RS0OVF1P位7位6位5位4位3位2位1位0CYACF0RS1RS0OVF1PCYCYACACF0F0RS1RS1RS0RS0OVOVF1F1P PPSW.7PSW.7PSW.6PSW

9、.6PSW.5PSW.5PSW.4PSW.4PSW.3PSW.3PSW.2PSW.2PSW.1PSW.1PSW.0PSW.0位7位6位5位4位3位2位1位0用途用途：在程序运行中判断门或灯的工作状态RS1和 RS0（PSW.4和 PSW.3）工作寄存器组指针用途用途：用于指定指定CPU的当前工作寄存器组的当前工作寄存器组CYACF0RS1RS0OVF1PCYACF0RS1RS0OVF1P位7位6位5位4位3位2位1位0CYACF0RS1RS0OVF1PCYCYACACF0F0RS1RS1RS0RS0OVOVF1F1P PPSW.7PSW.7PSW.6PSW.6PSW.5PSW.5PSW.4PS

10、W.4PSW.3PSW.3PSW.2PSW.2PSW.1PSW.1PSW.0PSW.0位7位6位5位4位3位2位1位0OV（PSW.2）溢出标志在有符号数加减运算或无符号数乘除运算中若有异常结果，OV硬件置1，否则硬件清0。CYACF0RS1RS0OVF1PCYACF0RS1RS0OVF1P位7位6位5位4位3位2位1位0CYACF0RS1RS0OVF1PCYCYACACF0F0RS1RS1RS0RS0OVOVF1F1P PPSW.7PSW.7PSW.6PSW.6PSW.5PSW.5PSW.4PSW.4PSW.3PSW.3PSW.2PSW.2PSW.1PSW.1PSW.0PSW.0位7位6位5

11、位4位3位2位1位0用途用途：判断运算的结果是否正确判断运算的结果是否正确，正确=0；出错=1OV=C6Y C7Y=1 0=1 01010100 （+84）+01101001（+105）CY=0 10111101（-67）D6有进位D7无进位101111011100001011000011正数的补码是它本身，负数的补码是除符号位外每位求反，然后末尾加1 11111011 （-5）+11110000 （-16）CY=1 11101011（-21）D7有进位 D6有进位OV=C6Y C7Y=1 1=0111010111001010010010101运算出错运算正确举例举例P（PSW.0）奇偶标志位

12、该位始终跟踪累加器A中含“1”个数的奇偶性如果A中有奇数个“1”，则P置“1”，否则置“0”举例举例 若A=1001 1111，则P=0 若A=1100 0001，则P=1CYACF0RS1RS0OVF1PCYACF0RS1RS0OVF1P位7位6位5位4位3位2位1位0CYACF0RS1RS0OVF1PCYCYACACF0F0RS1RS1RS0RS0OVOVF1F1P PPSW.7PSW.7PSW.6PSW.6PSW.5PSW.5PSW.4PSW.4PSW.3PSW.3PSW.2PSW.2PSW.1PSW.1PSW.0PSW.0位7位6位5位4位3位2位1位0用途用途：用于串行通讯中的数据校

13、验，判断是否存在传输错误判断是否存在传输错误。堆栈是个特殊的存储区，主要功能是暂时存放数据和地址，通常用来保护断点和现场。它的特点是按照先进后出的原则存取数据，这里的进与出是指进栈与出栈操作。SP中的8位二进制数就是堆栈顶部的地址值，术语称为“指向栈顶”。（5）堆栈指针寄存器（Stack PointSP）假若有8个RAM单元，每个单元都在其右面编有地址，栈顶由堆栈指针SP自动管理。每次进行压入或弹出操作以后，堆栈指针便自动调整以保持指示堆栈顶部的位置。这些操作可用图说明。（6）其它专用寄存器数据指针寄存器（Data Pointer DPTR）具有16位字长，可寻址范围216（64KB）具有可被

14、指令修改功能可变更数据地址可拆为2个8位的独立寄存器DPL和DPH0000H0001H0002H0003H0004HFFFFH 35H 77H F4H 94H 9EHDPTR指针 xxH xxHxxH xxH xxHROMRAMDPLDPH0000H0001H0002H0003H0004HFFFFH 指向ROM或RAM存储单元的地址指针第三节第三节 MCS-51的存储器配置的存储器配置 计算机存储器地址空间地址空间的两种结构形式：普林斯顿结构普林斯顿结构和哈佛结构哈佛结构。RAM和和ROM统一编址统一编址 RAM和和ROM分别编址分别编址 80C51在物理结构上有4个存储空间：片内程序存储器片

15、外程序存储器片内数据存储器片外数据存储器在逻辑上，即从用户使用的角度上，80C51有三个存储空间。片内外统一编址的64 KB程序存储器地址空间256 B片内数据存储器的地址空间64KB片外数据存储器地址空间用户角度看用户角度看80C51存储器配置存储器配置由于三个空间的地址有重叠，所以在访问三个不同的逻辑空间不同的逻辑空间时，应采用不同形式的指令不同形式的指令（见指令系统），以产生不同的存不同的存储空间的选通信号储空间的选通信号。下面分别叙述程序存储器和数据存储器的配置特点。一、程序存储器程序存储器用来存储编写好的程序和常数。由于PC是16位的，因此51系列可以寻址64KB的程序存储器。805

16、1单片机内部有4KB的ROM，亦可外接最大64K的外部ROM，由EA引脚的电平来确定运行时选择从哪个ROM从读取程序。8031无内部ROM，只能外接ROM现在的绝大多数单片机均包含内部Flash ROM。a）同时使用片内和片外ROM b）ROM地址分布 当EA引脚接高电平引脚接高电平（开关接A点）时，4 KB以内的地址在片内ROM，大于4KB的地址在片外ROM中（图中折线），两者共同构成64KB空间；当EA引脚接低电平引脚接低电平（开关接B点）时，片内ROM被禁用，全部64KB地址都在片外ROM中（图中直线）。ROM的6个特殊存储器单元引导汇编程序跳转 0000H：复位后程序自动运行的首地址

17、0003H：外部中断0入口地址 000BH：定时器0溢出中断入口地址 0013H：外部中断1入口地址 001BH：定时器0溢出中断入口地址 0023H：串行口中断入口地址程序一般应安排在0030H地址以后 跳转指令 跳转指令 跳转指令 跳转指令 跳转指令0000H0001H0002H0003H0004H0030H主程序首指令二二 内部数据存储器内部数据存储器(RAM)作用：存放程序运行结果字长：8位数量：256B（80C51）30H低128B（00H7FH）为普通RAM区高128B（80HFFH）为特殊功能寄存器区 工作寄存器区（00H-1FH）可位寻址区（20H-2FH）用户RAM区（30H

18、-7FH）30H（1）内部数据寄存器（）内部数据寄存器（低低128字节字节RAM区区）区共有32个字节单元（分4组每组8单元，工作寄存器工作寄存器R0R7）任一时刻CPU只能选用一组工作寄存器为当前工作寄存器组当前工作寄存器组通过PSW的RS1和RS0标志位（工作寄存器组指针）进行设置 30HCPU复位后RS1和 RS0默认值为0，即默认第0组为当前工作寄存器组。区共有16个字节单元（字节地址字节地址20H2FH），又可分为128个位单元（位地址位地址00H 7FH）可以两种方式存取数据。30H区共有80个字节单元（30H7FH），是用户RAM区。30H此区可作为堆栈区和中间数据存储区使用。【

19、注意注意】：51单片机片内RAM中，区和区只能按字节进行数据存取操作，区则可按字节和位两种方式存取操作。（2）专用寄存器（）专用寄存器（高高128字节字节RAM区区）在80HFFH的高128字节RAM区中，离散地分布有21个特殊功能寄存器SFR（Spetial Function Register)，又称为特殊功能寄存器区。30HSFR是单片机内部资源的组织、管理单元字节地址末位是0或8的SFR，都具有位地址。88H89H8AH8BH8CH8DH8EH8FH三三 外部数据存储器外部数据存储器外部数据存储器寻址空间为外部数据存储器寻址空间为64K只能间接寻址只能间接寻址R0，R1和和DPTR为间接

20、寻址寄存器。为间接寻址寄存器。CPU微操作必须在统一的时钟控制下才能正确进行。一一.时钟电路时钟电路 内部时钟方式内部时钟方式微调电容:C1、C2 30pF 晶振：石英晶体封裝 80C51时钟振荡频率通常为612MHz ALE时钟S1S4S6S5S3S2读操作码读操作码(无效)(a)1字节1周期指令读下一指令S1S4S6S5S3S2读操作码读第二字节(b)2字节1周期指令读下一指令S1S4S6S5S3S2读操作码读操作码(无效)(c)1字节2周期指令读下一指令S1S4S6S5S3S2外部时钟方式外部时钟方式第四节第四节 时钟电路及时序时钟电路及时序 时序是各种微操作动作在时间上的顺序关系在时间

21、上的顺序关系二二.CPU时序时序（1）时序的概念）时序的概念时序关系时序关系：在时钟信号CL触发下，输出端Q电平具有跟随输入端D电平的功能，在没有CL触发时，D与Q端是信号隔离的数字锁存功能。t t1t t2t t3t tQ QD DCLCL0 0时钟端CL输入端D输出端Q以D触发器为例D触发器逻辑符号时序的定时单位共有4个参数：拍（或振荡周期）P、状态周期（或时钟周期）S、机器周期、指令周期 一个状态（S）包含2个拍（P）;一个机器周期由6个S或12个P组成；一个指令周期约为14个机器周期。（2）51单片机的取指单片机的取指/执行时序执行时序 oCPU的指令都是按照时序要求设计的o每条指令的

22、执行都是从S1P2开始的o每个机器周期最多可执行2个字节指令（3）51单片机访问外部单片机访问外部RAM时序时序 访问外部RAM的操作包括读操作和写操作，主要区别是利用不同的P3第二功能口。写操作时要用到WR输出命令，读操作时要用到RD输入命令。第五节第五节 输入输出端口（输入输出端口（I/O口）口）MCS-51单片机有4个个8位的并行位的并行I/O端口端口，记作P0P3。每个端口都包含一个同名的特殊功能寄存器，P0P3。对并行IO口的控制是通过对同名特殊功能寄存器的控制实现的。地址、数据和控制：三总线结构地址、数据和控制：三总线结构1.P0口口 P0.n=1个锁存器+2个三态缓冲器+1个输出

23、控制电路（非门 X+与门A+电子开关MUX）+1个输出驱动电路（场效应管V2+V1）P0口可作为通用通用I/O口口实现输入/输出功能，也可作为单片机地址地址/数据线数据线实现外设扩展功能。漏极开路与上拉电阻的概念 封锁封锁与门A0 地址/数据端与A输出无关控制端=0MUX下通/Q与V1栅极直通V2截止V1漏极开路为使漏极开路的V1有效，必须通过外接上拉电阻与电源连通，上拉电阻的阻值一般为10k。注意：P1、P2、P3口无需外接上拉电阻（已有内部上拉电阻）3412第二输入功能VP0口的通用通用IO口工作方式口工作方式（控制端控制端=0）输出时输出时：D端=1/Q=0V1截止P0.n=1 D端=0

24、/Q/=1V1导通P0.n=0读引脚时读引脚时：P0.n读引脚三态门1内部总线（需要先写“1”）读锁存器读锁存器：Q端读锁存器三态门2内部总线P0口的地址地址/数据分时复用方式数据分时复用方式（控制端控制端=1）“地址/数据”端无条件输入/输出，是严格意义上的双向口双向口“地址/数据”方式下没有漏极开路问题，无需外接上拉电无需外接上拉电阻阻 2.P1口口 P1.n=1个锁存器+1个场效应管驱动器V+2个三态门缓冲器V21P1口包含P1.0P1.7共八个相同结构的电路P1.0P1.7中的8个锁存器组合成1个SFRP1（90H）P1口具有输出输出、读引脚读引脚、读锁存器读锁存器三种通用IO口工作方

25、式输出时输出时：D端=1/Q=0V截止P1.n=1 D端=0/Q=1V导通P1.n=0V21读引脚时读引脚时：P1.n读引脚三态门1内部总线读锁存器时读锁存器时：Q端读锁存器三态门2内部总线场效应管V的状态会影响P1.n的状态：如V导通P1.n电平0（钳位）读引脚可能出错可见，P1口作为输入口时是有条件的（应先写1），而输出时无条件，因此，称P1口为准双向口准双向口。V为正确读出P1.n引脚电平，需设法在读引脚前先使在读引脚前先使V截止截止 令令D=1/Q=0V截止读P1.n不会出错3.P2口口 P2.n=1个锁存器+2个三态缓冲器+1个输出控制单元+1个输出驱动单元VP2口可以实现通用I/O

26、口和地址输出口两种功能输出时输出时：D端=1Q端=1V截止P2.n=1 D端=0Q端=0V导通P2.n=0读引脚时读引脚时：P2.n读引脚三态门内部总线（需要先写“1”）读锁存器读锁存器：Q端读锁存器三态门内部总线P2作为通用通用I/O口口时（控制端控制端=0）V输出时输出时：地址端=1V截止P2.n=1 地址端=0V导通P2.n=0P2作为地址输出口地址输出口时（控制端控制端=1）V4.P3口口 P3.n=1个锁存器+2个三态缓冲器+1个第二功能控制单元+1个输出驱动单元3412第二输入功能VP3口具有通用通用IO口工作方式口工作方式+第二功能方式第二功能方式输出时输出时：D端=1Q=1V截

27、止P1.n=1 D端=0Q=0V导通P1.n=0读引脚时读引脚时：P1.n读引脚三态门1内部总线（需先写1）读锁存器时读锁存器时：Q端读锁存器三态门2内部总线3412第二输入功能V第二输出第二输出功能功能=“1”(与非门开锁)P3口的第二功能方式：输出时输出时：第二输出功能=1与非门输出0V截止P3.n=1 第二输出功能=0与非门输出1V导通P3.n=0输入时输入时：P3.n驱动门4第二输入功能（也需先使V截至）D端端 写写“1”(与非门开锁)3412第二输入功能V P3口第二功能定义 引脚名称第二功能定义P3.0RXD串行通信数据接收端输入P3.1TXD串行通信数据发送端输出输出P3.2外部

28、中断0请求端口输入P3.3外部中断1请求端口输入P3.4T0定时器/计数器0外部计数输入端口输入P3.5T1定时器/计数器1外部计数输入端口输入P3.6片外数据存储器写选通输出输出P3.7片外数据存储器读选通输入INT0WRINT1RDP0 P3并行口的基本用途 1、可作为并行、可作为并行IO输入通道输入通道（例如，按键/开关连接通道）2、可作为并行、可作为并行IO输出通道输出通道（例如，数码管显示器连接通道）3、可作为串行通信通道、可作为串行通信通道（例如，双机通讯的连接通道）4、可作为外部设备的连接通道、可作为外部设备的连接通道（例如，存储器扩展通道）P0P3小结1.结构2.功能第六节第六

29、节 复位电路复位电路 除P0P3、SP、SBUF外，其余寄存器的复位初值均为0复位：使单片机恢复原原始默认状态始默认状态的操作。复位条件：在RST/VPD引脚端出现两个机器周两个机器周期以上的高电平（期以上的高电平（3V）状态状态。复位方式复位方式 上电复位 按键复位 复合复位80C51的40条引脚，可分为端口线、电源线和控制线三类。在绘制电路原理图时，经常采用元器件的逻辑符号，80C51逻辑符号如图所示。第七节第七节 MCS-51单片机的引脚功能单片机的引脚功能51系列单片机一般采用40只引脚的双列直插式（DIPDual In-line Package）封装结构除DIP封装外，51单片机还采

30、用44只引脚的方形扁平(QFP Quad Flat Package)封装方式（4只引脚无用）。DIP引脚分布 电源及晶振引脚（共4只）控制引脚（共4只）端口引脚（共32只）三类（1）电源及晶振引脚VCC(40脚)：+5V电源引脚VSS(20脚)：接地引脚XTAL1(19脚)；外接晶振引脚（内置放大器输入端）XTAL2(18脚)：外接晶振引脚（内置放大器输出端）80C51Vcc80C512040Vss+5V80C51（2）控制引脚 RST/VPD(9)：复位/备用电源引脚 ALE/PROG(30)：地址锁存使能输出/编程脉冲输入 PSEN(29)：输出访问片外程序存储器读选通信号 EA/VPP(

31、31)：外部ROM允许访问/编程电源输入 10F8.2K1080C51用到时再介绍（3）端口引脚 共计8只/组4 组=32 只引脚：P0.0P0.7（3932脚）P0口；P1.0P1.7（18脚）P1口；P2.0P2.7（2128脚）P2口；P3.0P3.7（1017脚）P3口。P0口P3口是单片机对外联络的重要通道地址、数据和控制：三总线结构地址、数据和控制：三总线结构本章小结本章小结1、单片机的CPU由控制器和运算器组成，在时钟电路和复位电路的支持下，按一定的时序工作。单片机的时序信号包括振荡周期、时钟周期、机器周期和指令周期。2、51单片机采用哈佛结构存储器，共有3个逻辑存储空间和4个物理存储空间。片内低128字节RAM中包含4个工作寄存器组、128个位地址单元和80个字节地址单元。片内高128字节RAM中离散分布有21个特殊功能寄存器。3、P0P3口都可作为准双向通用I/O口，其中只有P0口需要外接上拉电阻；在需要扩展片外设备时，P2口可作为其地址线接口，P0口可作为其地址线/数据线复用接口，此时它是真正的双向口。