MCS-51單片機的內部結構.ppt

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第二章MCS-51單片機的內部結構,MCS-51單片機結構及工作原理MCS-51單片機引腳及外部總線結構CPU時序及輔助電路MCS-51單片機存儲器結構,,MCS-51的總體結構,,,,MCS-51系列單片機是高性能的8位單片機，該系列中有8051、8031、8751等，這三種單片機除內置程序存儲器有區(qū)別外，內部結構和引腳相同。其中8051是最早最典型的產(chǎn)品，該系列其它單片機都是在8051的基礎上進行功能的增、減、改變而來的，所以人們習慣于用8051來稱呼MCS51系列單片機。8031：內部無程序存儲器ROM，須外接EPROM。8051：ROM型單片機，內含4K字節(jié)ROM。8751：EPROM型單片機，內含4K字節(jié)EPROM。,MCS-51基本構成CPU:8位存儲器:128字節(jié)RAM21個專用寄存器4K字節(jié)ROM存儲器并行口:4個8位并行口串行口:1個全雙工的串行口定時器/計數(shù)器:2個16位的定時器/計數(shù)器中斷系統(tǒng):5個中斷源,兩個中斷優(yōu)先級尋址范圍:64K字節(jié)（程序存儲區(qū)和外部數(shù)據(jù)存儲區(qū)各64K）,,MCS-51的總體結構,,,,,MCS-51的內部結構,,,,,,,,,,MCS-51的CPU,,,,CPU：單片機的核心部分，是單片機的指揮和執(zhí)行部件。包含兩個基本部分：運算器和控制器。,運算器：進行算術和邏輯運算，存儲運算結果并作相應標記?？刂破鳎嚎刂朴嬎銠C各部分協(xié)調工作。,,MCS-51的CPU：運算器,,,,1.算術邏輯運算部件ALU：完成各種算術運算和邏輯運算2.寄存器：CPU內部沒有單獨的存儲器，而是設置了一些工作寄存器，暫存數(shù)據(jù)和狀態(tài)等(1)累加器ACC：可存放操作數(shù)和運算的中間結果；(2)寄存器B：主要用于乘、除運算。寄存器B也可作為一般的寄存器用。,,MCS-51的CPU：運算器,,,,2.寄存器(3)程序狀態(tài)字PSW程序狀態(tài)字是8位寄存器，用于指示程序運行狀態(tài)信息。其中有些位是根據(jù)程序執(zhí)行結果由硬件自動設置的，而有些位可由用戶通過指令方法設定。,PSW中各標志位名稱及定義如下：,,,,,程序狀態(tài)字PSW,C：也表示為CY進（借）位標志位在加減運算中，若操作結果的最高位有進位或有借位時，CY由硬件自動置1，否則就清0。在位操作中，CY作為位累加器使用，參于進行位傳送、位與、位或等位操作。另外某些控制轉移類指令也會影響CY位狀態(tài)。,,,,,程序狀態(tài)字PSW,AC：輔助進（借）位標志位。在加減運算中，當?shù)退奈幌蚋咚奈贿M位或借位時此標志位由硬件自動置1，否則就清0。F0：用戶標志位，由用戶通過軟件設定，用以控制程序轉向。,,,,,程序狀態(tài)字PSW,RS1，RS0：寄存器組選擇位用于設定當前通用寄存器組的組號。通用寄存器組共有4組，其對應關系如下,程序狀態(tài)字PSW,,,,,OV：溢出標志位在帶符號數(shù)（補碼數(shù)）的加減中，OV=1表示運算的結果超出了累加器A的八位符號數(shù)表示范圍（－128～+127），產(chǎn)生溢出，因此運算結果是錯誤的。OV=0，表示未超出表示范圍，運算結果正確。乘法時，OV=1，表示結果大于255，結果分別存在A，B寄存器中。OV=0，表示結果未超出255，結果只存在A中。除法時，OV=1，表示除數(shù)為0。OV=0，表示除數(shù)不為0。,程序狀態(tài)字PSW,,,,,D1位未定義?？捎脗沃噶顚⑺x為F1，如同F(xiàn)0一樣，作為用戶設定的軟件標志位。P：奇偶標志位。表示累加器A中數(shù)的奇偶性；在每個指令周期由硬件根據(jù)A的內容的奇偶性，對P自動置位或復位。P=1，表示A中內容有奇數(shù)個1。,,MCS-51的CPU,,,,CPU:運算器、控制器,控制計算機各部分協(xié)調工作。,,MCS-51的CPU：控制器,,,,程序計數(shù)器PC（ProgramCounter）PC是一個16位計數(shù)器，其內容為單片機將要執(zhí)行的指令機器碼所在存儲單元的地址。PC具有自動加1的功能，從而實現(xiàn)程序的順序執(zhí)行。由于PC不可尋址的，因此用戶無法對它直接進行讀寫操作，但可以通過轉移、調用、返回等指令改變其內容，以實現(xiàn)程序的轉移。PC的尋址范圍為64KB，即地址空間為0000～0FFFFH。,,MCS-51的CPU：控制器,,,,數(shù)據(jù)指針DPTR數(shù)據(jù)指針DPTR為16位寄存器，它是MCS—51中唯一的一個16位寄存器。DPTR通常在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時作為地址指針使用，尋址范圍為64KB。編程時，既可按16位寄存器使用，也可作為兩個8位寄存器分開使用。DPH為DPTR的高八位寄存器，DPL為DPTR的低八位寄存器。,,MCS-51的CPU：控制器,,,,堆棧指針SPSP為8位寄存器，用于指示棧頂單元地址。堆棧是一種數(shù)據(jù)結構，只允許在其一端進行數(shù)據(jù)刪除和數(shù)據(jù)插入操作的線性表。數(shù)據(jù)寫入堆棧叫入棧（PUSH），數(shù)據(jù)讀出堆棧叫出棧（POP）。堆棧的最大特點是“后進先出”的數(shù)據(jù)操作原則。,,進棧：使SP的內容增1后作數(shù)據(jù)壓入操作；出棧：先把棧頂?shù)臄?shù)據(jù)彈出，然后使SP的內容減1。,堆棧的功用堆棧的主要功用是保護斷點和保護現(xiàn)場。因為計算機無論是執(zhí)行中斷程序還是子程序，最終要返回主程序，在轉去執(zhí)行中斷或子程序時，要把主程序的斷點保護起來，以便能正確的返回。同時，在執(zhí)行中斷或子程序時，可能要用到一些寄存器，需把這些寄存器的內容保護起來，即保護現(xiàn)場。堆棧的設置MCS—51系列單片機的堆棧通常設置在內部RAM的30H~7FH之間。堆棧指示器SPSP為8位寄存器，用于指示棧頂單元地址。由于SP的內容就是堆?！皸ｍ敗钡拇尜A單元地址，因此可以用改變SP內容的方法來設置堆棧的初始位置。當系統(tǒng)復位后，SP的內容為07H，但為防止數(shù)據(jù)沖突現(xiàn)象發(fā)生，堆棧最好設置在內部RAM的30H~7FH單元之間，例如使（SP）=30H。,,MCS-51的CPU：控制器,,,,,MCS-51的CPU：控制器,,,,指令寄存器、譯碼器、定時指令寄存器（IR）：存放所取出的指令指令譯碼器（ID）：對指令進行譯碼定時和控制電路：根據(jù)指令發(fā)出時序控制信號。,指令執(zhí)行過程基本概念指令：是計算機執(zhí)行某種操作的命令。指令通常由操作碼和操作數(shù)兩部分組成。操作碼：表示計算機執(zhí)行什么具體操作。操作數(shù)：表示參加操作的數(shù)或操作數(shù)所在的地址。程序：為完成某項工作，將一系列指令有序地組合。,,MCS-51的CPU：控制器,,,,例：LDA,2;把數(shù)2送入A累加器中ADDA,6;累加器A和數(shù)6相加，結果存入A中上面程序轉化為計算機可識別的機器語言00111110LDA,2的操作碼00000010LDA,2的操作數(shù)211000110ADDA,6的操作碼00000110ADDA,6的操作數(shù)6,執(zhí)行指令：第一階段：取指令，并在取得指令操作碼后進行譯碼；第二階段：執(zhí)行指令，即取操作數(shù)，然后按操作碼的性質對操作數(shù)進行操作。,,MCS-51的CPU：控制器,,,,MCS-51單片機結構及工作原理MCS-51單片機引腳及外部總線結構CPU時序及輔助電路MCS-51單片機存儲器結構,第二章MCS-51單片機的內部結構,,MCS-51的引腳,,,,,MCS—51系列單片機的芯片一般都采用40個引腳的雙列直插式封裝（DIP）方式。其中有些CHMOS制造工藝的單片機芯片還采用44個引腳的方形封裝（LCC或QFP）方式，44個引腳中標識有NC的4個引腳為空引腳。,,MCS-51的引腳,,,,,主電源及地引腳VCC（40腳）：電源（接+5V）VSS（20腳）：地線。外接晶振引腳（時鐘電路引腳）XTAL1（19腳）：接外部晶振的一個引腳（內部反相放大器的輸入端）XTAL2（18腳）：接外部晶振的一個引腳（內部反相放大器的輸出端）,,,,,MCS-51的引腳,,,,,并行輸入/輸出(I/O)引腳P0.0～P0.7（39～32腳）：P0口是8位雙向I/O口，分時提供低8位地址和作8位雙向數(shù)據(jù)總線；P1.0～P1.7（1～8腳）：P1口是8位準雙向I/O口；P2.0～P2.7（21～28腳）：P2口是8位準雙向I/O口。當CPU訪問外部存儲器時，它輸出高8位地址；P3.0～P3.7（10～17腳）：P3口是8位準雙向I/O口。它是一個復用功能口。,,,,,,,,MCS-51的引腳,,P3.0～P3.7（10～17腳）：它是一個復用功能口。作為第一功能使用時，為普通I/O口，與P1口相同。作為第二功能使用是，各腳的定義如下表。,/VPP(31腳)：訪問程序存貯器選擇信號輸入線。當為低電平時，CPU只能訪問外部程序存儲器；當為高電平時，CPU可訪問內部程序存儲器（當8051單片機的PC值小于等于0FFFH時），也可訪問外部程序存儲器（當PC值大于0FFFH時）。,,MCS-51的引腳,,,,,RST/VPD（RESET，9腳）復位信號輸入引腳，高電平有效。在該引腳上輸入持續(xù)2個機器周期以上的高電平時，單片機系統(tǒng)復位。,,,,,,,MCS-51的引腳,（29腳）：外部程序存儲器的讀選通輸出信號，低電平有效。在讀外部程序存儲器時CPU會送出有效的低電平信號。,,ALE/PROG（30腳）：地址鎖存允許信號輸出端，高電平有效。在訪問外部存儲器時，該信號將控制P0口送出的低8位地址鎖存到外部地址鎖存器中。,MCS-51的片外總線結構,總線：是用來傳送信息的一組導線，它為CPU和其他部件之間提供數(shù)據(jù)、地址、和控制信息的傳輸通道。一般包括：地址總線AB：用來傳送地址信息。地址總線是由CPU出發(fā)的，因而是單向的。地址總線的位數(shù)決定了CPU可直接尋址的內存范圍。數(shù)據(jù)總線DB：用于傳送數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)既可以從CPU傳送到存儲器或輸入輸出接口，也可以從存儲器或輸入輸出接口傳送到CPU，因而是雙向的。控制總線CB：用于傳送控制信號。一種是有CPU發(fā)出到存儲器或輸入輸出接口，一種是有輸入輸出接口發(fā)送到CPU的控制信號。,MCS-51的片外總線結構,外部總線1.地址總線AB2.數(shù)據(jù)總線DB3.控制總線CB,MCS-51的片外總線結構,地址總線AB：寬度為16位；因此，外部存儲器直接尋址為64k字節(jié)。16位地址總線中，有P0口經(jīng)地址鎖存器提供低8為地址A0-A7，P2口直接提供高8位地址A8-A15。數(shù)據(jù)總線DB：寬度為8位，由P0口提供?？刂瓶偩€CB：由P3口的第二功能狀態(tài)和4根獨立控制線組成,第二章MCS-51單片機的內部結構,MCS-51單片機結構及工作原理MCS-51單片機引腳及外部總線結構CPU時序及輔助電路MCS-51單片機存儲器結構,MCS-51的時序：CPU的時序,,時序的基本概念計算機的工作過程就是不斷執(zhí)行指令的過程。CPU每執(zhí)行一條指令，都要進行取指令、譯碼、執(zhí)行指令。這些操作都必須按照時間節(jié)拍一步步地順序完成。人們把CPU執(zhí)行一條指令的各個操作所對應的脈沖信號遵循的時間順序稱為時序。時序嚴格地規(guī)定了單片機內部以及與外部各功能部件相互配合協(xié)調工作的時空關系。時序圖：直觀展現(xiàn)CPU的時序。把執(zhí)行一條指令時對應信號線上有關信息的變化按時間序列以特定的波形表示出來。,MCS-51的時序：CPU的時序,,按指令的執(zhí)行過程，定義了四種周期：振蕩周期：為單片機提供定時信號的振蕩源的周期；時鐘周期：振蕩脈沖二分頻，又稱為狀態(tài)周期S；機器周期：完成一個基本操作（如取指令、讀存儲器等）所需要的時間稱為機器周期。機器周期由6個狀態(tài)周期（12個振蕩周期）組成。指令周期：CPU執(zhí)行一條指令所需要的時間，可包含1~4個機器周期。,MCS-51的復位和復位電路,,復位計算機在啟動運行時都需要復位，使CPU和系統(tǒng)中的其他部件都處在一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。只要在MCS-51單片機的RST引腳輸入24個振蕩周期（即2個機器周期）以上的高電平，單片機即被復位。復位是單片機系統(tǒng)的初始化操作，系統(tǒng)復位后會對專用寄存器和單片機的個別引腳信號有影響，復位后對一些專用寄存器的影響情況如下：,（PC）=0000H：系統(tǒng)復位后，使單片機從0000H單元開始執(zhí)行程序。（SP）=07H：單片機自動把堆棧的棧底設置在內部RAM07H單元，從08H單元開始存儲數(shù)據(jù)。其余的專用寄存器在復位后都全部清“0”。此外，復位操作還對單片機的個別引腳信號有影響，如把ALE和PSEN信號變?yōu)闊o效狀態(tài)，即ALE=1，PSEN=1。復位操作對內部RAM不產(chǎn)生影響。,MCS-51的復位和復位電路,,第二章MCS-51單片機的內部結構,MCS-51單片機結構及工作原理MCS-51單片機引腳及外部總線結構CPU時序及輔助電路MCS-51單片機存儲器結構,存儲器：儲存二進制信息的數(shù)字電路器件。存儲器包括主存儲器和外存儲器。外存儲器（外存）指各種大容量的磁盤存儲器、光盤等。存儲器（內存）指能與CPU直接進行數(shù)據(jù)交換的半導體存儲器。半導體存儲器：按讀、寫功能可以分為隨機讀/寫存儲器RAM和只讀存儲器ROM。隨機讀/寫存儲器RAM在斷電后再通電時，原存的信息全部丟失。它主要用來存放臨時的數(shù)據(jù)和程序。只讀存儲器ROM在使用時，只能讀出信息，而不能寫入，且在斷電后ROM中的信息仍然保留。它主要用來存放固定不變的程序和數(shù)據(jù)。,,Intel單片機系列,,,,MCS-51的存儲器結構,,ROM按生產(chǎn)工藝分，又可以分為以下幾種：掩膜ROM：其存儲的信息在制造過程中采用光刻工藝生成，一旦出廠，信息就不可改變?？删幊讨蛔x存儲器PROM：其存儲的信息可由用戶通過特殊手段一次性寫入，但只能寫入一次?？刹脸蛔x存儲器：其存儲的信息用戶可以多次擦除，并可用專用的編程器重新寫入新的信息。可擦除只讀存儲器又可分為紫外線擦除的EPROM、電擦除的EEPROM和FlashROM。,只讀存儲器ROM,MCS-51的存儲器結構,,物理結構上，8051有四個存儲空間：,程序存儲器存放編好的程序和常數(shù)表格。它應該是ROM還是RAM？,數(shù)據(jù)存儲器存放運算的中間結果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖以及標志位等。它應該是ROM還是RAM？,MCS-51的存儲器結構,,物理結構上，8051有四個存儲空間：,邏輯上，即從用戶編程的角度看，8051只有三個存儲空間：,當單片機的EA引腳為1:同時使用片內外的ROM若程序計數(shù)器PC的值在4KB（0000H～0FFFH）范圍內，CPU訪問片內ROM，執(zhí)行片內ROM中的程序；若PC的值大于0FFFH（0FFFH～FFEFH），CPU將自動訪問片外ROM。單片機的EA引腳為0:只使用片外ROM，丟棄片內ROMCPU的所有取指令操作均訪問片外ROM，這是片外ROM從0000H開始編址。,MCS-51的存儲器結構：程序存儲器,,8051內共有4KB掩膜ROM，片外可接60KB的EPROM，片內外統(tǒng)一編址,程序存儲器的兩種配置,MCS-51的存儲器結構：程序存儲器,,問題：單片機復位后，程序計數(shù)器PC的內容為0000H，即系統(tǒng)從0000H單元開始執(zhí)行程序。然而，由于0003H單元被保留，不能存放用戶程序。我們怎么存放大量的程序？解決的方法：所以，一般在0000H～0002H單元，存放一條無條件轉移指令（類似goto），從而程序可從轉移后的地址開始存放。這樣，CPU復位后，PC可以從0000H起始地址跳轉到用戶程序去執(zhí)行。,在程序存儲器中，有6個地址單元被保留用于某些特定地址,MCS-51的存儲器結構：數(shù)據(jù)存儲器,,數(shù)據(jù)存儲器(RAM)：用于存放數(shù)據(jù)、運算的中間結果和標志等,片內數(shù)據(jù)存儲器：8位地址，共256個字節(jié)存儲單元。對片內RAM使用MOV指令訪問；片外數(shù)據(jù)存儲器：16位地址，最大可擴展至64K字節(jié)；對片外RAM使用MOVX指令訪問；,,,MCS-51的存儲器結構：數(shù)據(jù)存儲器,,,片內數(shù)據(jù)存儲器的低128字節(jié),00H～1FH為通用工作寄存器區(qū)，分為4組，每組8個工作寄存器R0～R7，每個寄存器一個字節(jié)。在任一時刻，CPU只能使用其中一組通用寄存器，稱為當前通用寄存器組。由程序狀態(tài)寄存器PSW中RS1，RS0位的狀態(tài)組合來確定。通用寄存器為CPU提供了就近存取數(shù)據(jù)的便利，提高了工作速度，也為編程提供了方便。,片內數(shù)據(jù)存儲器,,MCS-51的存儲器結構：數(shù)據(jù)存儲器,,,片內數(shù)據(jù)存儲器的低128字節(jié),20H～2FH為位尋址區(qū)。16個字節(jié)共128位，每一位都分配一個8位地址，稱為位地址，其范圍是00H～7FH。位尋址區(qū)既可作為一般的RAM區(qū)進行字節(jié)操作；也可對單元的每一位進行位操作，因此稱為位尋址區(qū)，是存儲空間的一部分。30H～7FH為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，用來存放數(shù)據(jù)。用戶堆棧一般設在這個區(qū)間。,片內數(shù)據(jù)存儲器,,,MCS-51的存儲器結構：數(shù)據(jù)存儲器,,,片內數(shù)據(jù)存儲器的高128字節(jié),片內數(shù)據(jù)存儲器,內部RAM高128單元是供給專用寄存器使用的，因此稱之為專用寄存器區(qū)（也稱為特殊功能寄存器區(qū)（SFR）區(qū)），單元地址為80H~0FFH。這些特殊功能寄存器中，A、B、PSW、SP、DPTR等已在前面介紹過，其他的留在后面的有關章節(jié)介紹。,