单片机芯片的硬件结构课件.ppt

1、武汉科技大学计算机学院第2章 单片机芯片的硬件结构w 2.1 MCS-51单片机的逻辑结构单片机的逻辑结构及信号引脚及信号引脚w 2.2 MCS-51单片机的内部存储器单片机的内部存储器w 2.3 MCS-51单片机并行输入单片机并行输入/输出口电路输出口电路w 2.4 MCS-51单片机时钟电路与时序单片机时钟电路与时序w 2.5 MCS-51单片机工作方式单片机工作方式武汉科技大学计算机学院2.1 MCS-51单片机的逻辑结构及信号引脚单片机的逻辑结构及信号引脚2.1.1 MCS-51单片机结构框图单片机结构框图2.1.2 MCS-51单片机芯片内部逻辑结构单片机芯片内部逻辑结构2.1.3

2、 MCS-51的信号引脚的信号引脚武汉科技大学计算机学院内部总线时钟电路CPUINT0T1T0并行接口串行接口P0 P1 P2 P3TXD RXD中断系统ROMRAM定时/计数器INT1图图2.1 MCS-51单片机的系统结构框图单片机的系统结构框图2.1.1 MCS-51单片机结构框图单片机结构框图武汉科技大学计算机学院图图2.2 MCS-51的内部逻辑结构图的内部逻辑结构图武汉科技大学计算机学院w CPU（8位）位）运算器：ALU、ACC、B、PSW、暂存寄存器(TMP1、TMP2)控制器：PC、PC+1、指令寄存器IR、指令译码器ID、定时/控制电路w 内部数据存储器内部数据存储器（12

3、8B RAM+RAM地址寄存器）地址寄存器）w 内部程序存储器内部程序存储器（4KB ROM+程序地址寄存器）程序地址寄存器）w 定时定时/计数器（计数器（2个个16位）位）w 并行并行I/O口（口（4个个8位位 P0、P1、P2、P3）w 串行口（串行口（TXD、RXD）w 中断控制系统（中断控制系统（5个）个）2个外部中断、2个定时/计数中断、1个串行中断w 时钟电路时钟电路w 位处理器（布尔处理器）位处理器（布尔处理器）进位标志位C作为累加位w 总线（总线（bus）地址总线、数据总线、控制总线2.1.2 MCS-51单片机内部逻辑结构单片机内部逻辑结构武汉科技大学计算机学院P1.0P1.

4、1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/VPDRXD/P3.0TXD/P3.1INT0/P3.2INT1/P3.3T0/P3.4T1/P3.5WR/P3.6RD/P3.7XTAL2XTAL1VSS12345678910111213141516171819208031805187514039383736353433323130292827262521222324VCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VppALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0 图2-3 MCS-51单片机的引脚配置图武汉科技

5、大学计算机学院2.1.3 MCS-51的信号引脚的信号引脚w 信号引脚介绍信号引脚介绍 1）输入/输出口线 P0.0P0/7、P1.0P1.7、P2.0P2.7、P3.0P3.7 2）ALE 地址锁存控制信号 3）PSEN 外部程序存储器读选通信号（低电平有效）4）EA 访问程序存储器控制信号（低电平有效）5）RST 复位信号 6）XTAL1和XTAL2 外部晶体引线端 7）VSS 地线 8）VCC 5V电源 信号引脚的第二功能信号引脚的第二功能 1）P3口线的第二功能 2）EPROM存储器程序固化所需要的信号 3）备用电源引入武汉科技大学计算机学院2.2 MCS-51单片机的内部存储器单片机

6、的内部存储器2.2.1 内部数据存储器低内部数据存储器低128单元单元2.2.2 内部数据存储器高内部数据存储器高128单元单元2.2.3 MCS-51的堆栈操作的堆栈操作2.2.4 内部程序存储器内部程序存储器2.2.5 MCS-51单片机系统的存储器结构特点单片机系统的存储器结构特点武汉科技大学计算机学院2.2.1 片内数据存储器低片内数据存储器低128Bw 寄存器区寄存器区（00H1FH）R0R7w 位寻址区位寻址区（20H2FH）位地址00H7FHw 用户用户RAM区区（30H7FH）武汉科技大学计算机学院表2-1 内部数据存储器中的位地址武汉科技大学计算机学院2.2.2 片内数据存储

7、器高片内数据存储器高128B（80HFFH）w 程序计数器PC（16位）w 累加器A/ACC（8位）w B寄存器（8位）w 程序状态字PSWw 数据指针DPTR（16位）DPH+DPL（8位）D7D6D5D4D3D2D1D0CYACF0RS1RS0OV/P武汉科技大学计算机学院表2-2 特殊功能寄存器地址及功能表位寻址区 字节寻址区武汉科技大学计算机学院w 堆栈:一种只允许在其一端进行数据插入和数据删除操作的线性表。w 特点：LIFO（Last-In First-Out）w 堆栈操作：入栈（PUSH）、出栈（POP）w 堆栈类型：1）向上生长型栈底在低地址单元（MCS-51）2）向下生长型栈底

8、在高地址单元2.2.3 MCS-51的堆栈操作的堆栈操作2.2.4 内部程序存储器内部程序存储器(4KB)武汉科技大学计算机学院特殊功能寄存器00H1FH20H2FH30H7FH80HFFH80H88H90H98HA0HA8HB0HB8HD0HE0HF0H特殊功能寄存器中位寻址外部ROM内部ROM(EA=1)外部ROM(EA=0)0000H0000H0FFFH0FFFH1000HFFFFH外 部RAM(I/O口地址)0000HFFFFH内部数据存储器（a）外部数据存储器（b）程序存储器（c）工作寄存器区图2-4 MCS-51单片机存储器结构位寻址区通用RAM区2.2.5 MCS-51的存储器结

9、构特点的存储器结构特点武汉科技大学计算机学院2.3 输入输入/输出（输出（I/O）端口结构）端口结构w MCS-51单片机有4个双向并行的8位I/O口P0P3w P0口为三态双向口，可驱动8个TTL电路w P1、P2、P3口为准双向口（作为输入时，口线被拉成高电平，故称为准双向口），其负载能力为4个TTL电路。武汉科技大学计算机学院2.3.1 P0口的结构口的结构VCCP0.X锁存器读锁存器地址/数据控制D读引脚写锁存器内部总线P0.XQQMUXT2T1CP图2-5 P0口的一位结构图武汉科技大学计算机学院2.3.2 P1口的结构口的结构 VCCP1.X锁存器读锁存器D读引脚写锁存器内部总线Q

10、QTP1.X内部上拉电阻 CP 图2-6 P1口的一位结构图武汉科技大学计算机学院2.3.3 P2口的结构口的结构图2-7 P2口的一位结构图VCCP2.X锁存器读锁存器地址控制D读引脚 写锁存器内部总线P2.XQQM UXT内部上拉电阻CP武汉科技大学计算机学院2.3.4 P3口的结构口的结构图2-8 P3口的一位结构图VCCP3.X锁存器读锁存器第二输出功能D读引脚 写锁存器内部总线QQT内 部 上 拉 电阻第二输入功能CPP3.X武汉科技大学计算机学院2.4 MCS-51时钟电路与时序时钟电路与时序w 2.4.1 时钟电路w 2.4.2 时序定时单位w 2.4.3 典型指令时序武汉科技大

11、学计算机学院2.4.1 单片机的时钟电路单片机的时钟电路单片机时钟电路通常有两种形式：w 内部振荡方式内部振荡方式：MCS-51单片机片内有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。把放大器与作为反馈元件的晶体振荡器或陶瓷谐振器连接，就构成了内部自激振荡器并产生振荡时钟脉冲（如图2-9所示）。w 外部振荡方式外部振荡方式：外部振荡方式就是把外部已有的时钟信号引入单片机内（如图2-10所示）。XTAL2XTAL1MCS-51C1C2CYSXTAL2XTAL1MCS-51+5VVSSTTL外部时钟源 图2-9 内部振荡方式 图2-10 外部振荡

12、方式武汉科技大学计算机学院P1P2S1P2振荡周期时钟周期机器周期机器周期指令周期XTAL2(OSC)S2S3S4S5S6S1S2S4S5S3S6P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P2P2P2P2P2P2P2P2P2P2P2图2-11 MCS-51单片机各种周期的相互关系2.4.2 时序定时单位时序定时单位武汉科技大学计算机学院w 1振荡周期：为单片机提供时钟信号的振荡源的周期。w 2时钟周期：是振荡源信号经二分频后形成的时钟脉冲信号。w 3机器周期：通常将完成一个基本操作所需的时间称为机器周期。w 4指令周期：是指CPU执行一条指令所需要的时间。一个指令周期通常含有14个机器周期。

13、武汉科技大学计算机学院例：若MCS-51单片机外接晶振为12MHz时，则单片机的四个周期的具体值为：w 振荡周期1/12MHz1/12s0.0833sw 时钟周期1/6s0.167sw 机器周期1sw 指令周期14s武汉科技大学计算机学院2.4.3 典型指令时序典型指令时序图2-12 MCS-51单片机典型指令的取指和执行时序 再 读 下 一条指令再 读 下 一条指令XTAL2(OSC)P2S1ALE读操作码读下一个操作码（丢弃）读第二字节（a）单字节，单周期指令 例：MOV A R1（d）单字节，双周期指令，如MOVXP1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P2S5P2S6P2S1P

14、1P1P1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P2S6P2S1S2P1P1P1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S1读操作码P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1读下一个操作码（丢弃）（b）双字节，单周期指令 例：ADD A dir（c）单字节，双周期指令 例：INC DPTR读 操 作 码（MOVX）读下一个操作码（丢弃）无取指无ALE无取指地址数据（DATA）访问外部存储器P2S1读操作码P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4

15、P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S2P1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S2P1武汉科技大学计算机学院2.5 MCS-51工作方式工作方式w 2.5.1 复位方式w 2.5.2 程序执行方式w 2.5.3 掉电保护方式w 2.5.4 低功耗方式（80C51）武汉科技大学计算机学院2 2 F C1 RST R11K+5V2 2 F C1 RST+5VR2200 RSTR1+5V C222F 8031805187518031805187518031805187

16、51（a）上电复位电路（c）按键脉冲复位电路（b）按键电平复位电路 R11K22FC11K R21K图2-13 几种复位电路w复位电路复位电路单片机复位电路包括片内、片外两部分。外部复位电路就是为内部复位电路提供两个机器周期以上的高电平而设计的。MCS-51单片机通常采用上电自动复位和按键手动复位两种方式。如图1-9所示。武汉科技大学计算机学院特殊功能寄存器初始状态特殊功能寄存器初始状态A00HTMOD00HB00HTCON00HPSW00HTH000HSP07HTL000HDPL00HTH100HDPH00HTL100HP0P3FFHSBUFBIP00000BSCON00HIE000000B

17、PCON0B表2-3 单片机复位后特殊功能寄存器的状态u单片机复位后的状态单片机复位后的状态单片机运行出错或进入死循环时，可按复位键重新运行。21个特殊功能寄存器复位后的状态为确定值，如表2-3所示。武汉科技大学计算机学院2.5.2 程序执行方式程序执行方式w 数据转存w 接通备用电源2.5.3 掉电保护方式掉电保护方式武汉科技大学计算机学院w 电源控制寄存器PCONw 待机方式 IDL=1 80c51即进入待机方式，CPU被“冻结”；使用外中断唤醒，PCON.0自动被清“0”，中断服务程序只需一条RETI指令。w 掉电保护方式 80c51:检测到电源故障时，应使PD=1,进入掉电保护，单片机停止工作，只有内部RAM内容得以保存；80C51可以有备用电源从Vcc端引入，Vcc正常后，硬件复位信号维持10ms即能使单片机退出掉电方式。2.5.4 低功耗方式（低功耗方式（80C51）PCOND7D6D5D4D3D2D1D0SMODGF1GF0FDIDL武汉科技大学计算机学院本章到此结束本章到此结束