单片机的硬件结构及原理

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1、会计学1单片机的硬件结构及原理单片机的硬件结构及原理1.1 概 述计算机巨大中小微多片机（PC）单片机第1页/共46页单片机SCMC(Single Chip MicroComputer) -属于微型机的一种 -具有一般微机的基本组成和功能又称为微控制器MCU（MicroController Unit）一、微型机与单片机的基本组成对比微型机CPU存储器输入/输出接口第2页/共46页微处理器CPUROMRAMI/O接口外设地址总线AB数据总线DB控制总线CB微型机组成框图第3页/共46页时钟OSCCPU各种I/O定时器/计数器程序存储器ROM数据存储器RAM中断MCS-51单片机组成框图第4页/共

2、46页 (1)优异的性能价格比。二、单片机的特点 单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合于在恶劣环境下工作。 此外，程序多采取固化形式也可以提高可靠性。 (2)集成度高、体积小、有很高的可靠性。 第5页/共46页 为了满足工业控制要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能。单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。(3)控制功能强。(4)单片机的系统扩展、系统配置较典型、规 范，容易构成各种规模的应用系统。第6页/共

3、46页三、单片机的应用1单片机应用的特点 软硬件结合、多学科交叉； 应用现场环境恶劣（电磁干扰、电源波动、 冲击振动、高低温湿度等）； 应用领域广泛且意义重大（硬件软化-微控 制技术）。第7页/共46页2 单片机的应用领域在在工业自动化方面（过程控制、数据采集和测控 技术、机器人技术、机械电子计算机一体化技术）；仪器仪表方面（测试仪表和医疗仪器-数字化、智能 化、高精度、小体积、低成本、便于增加显示报警和自诊断功能）；在家用电器方面（冰箱、洗衣机、空调机、微波炉、电视机、音像设备等）；信息和通信产品方面（计算机的键盘、打印机、磁 盘驱动器；传真机、复印机、电话机、考勤机）；在军事方面（飞机、大

4、炮、坦克、军舰、导弹、火箭、雷达等）。第8页/共46页2.2 MCS - 51单片机硬件结构 系列单片机的分类 表 2.1 MCS - 51 系列单片机配置一览表 q 资源资源 配置配置子子 系列系列 片内片内ROMROM形式形式 片片 内内 ROM ROM 容容 量量 片片 内内 RAM RAM 容容 量量定时定时/ /计数器计数器中中断断源源 无无ROMROMEPREPROMOME E2 2PRPROMOM5151子系列子系列80318031 80518051 87518751 89518951 4KB 128B128B 2 216165 55252子系列子系列80328032 80528

5、052 87528752 89528952 8KB 256B256B 3 316166 6其中,51系列为基本型，52系列为增强型；第9页/共46页 INTEL公司将MCS-51的核心技术授权给了很多其它公司，所以有很多公司在做以8051为核心的单片机，当然，功能或多或少有些改变，以满足不同的需求，其中89C51和89S51就是这几年在我国非常流行的单片机，它是由美国ATMEL公司开发生产的。系列带字母C的为低功耗型，如89C51 ；带字母S的为可串行编程系列，如89S52；第10页/共46页单片机的内部结构 图 2.1 MCS - 51单片机结构框图 时钟电路SFR和RAM ROMCPU定时

6、/计数器并行端口中断系统串行端口系 统 总 线时钟源T0 T1P0 P1 P2 P3TXD RXD INT0 INT1第11页/共46页2.3 中央处理器CPU 运算器 1.算术逻辑单元ALU 2. 累加器ACC（Accumulator）累加器A是在编程操作中最常用的专用寄存器，功能较多，可按位寻址。 3. 寄存器B:即可作为一般寄存器使用，也可用于乘除运算。做乘法运算时，B是乘数。乘法操作后，乘积的高8位存于B中。做除法运算时，B存放除数。除法操作后，余数存放在B中。 4. 程序状态字PSW（Program State Word） CyACF0RS1RS0OVPD7 D6 D5 D4 D3

7、D2 D1 D0PSW第12页/共46页第13页/共46页表 2.2 RS1、 RS0与片内工作寄存器组的对应关系 RS1RS0寄存器组寄存器组片内片内PAM地址地址通用寄存器通用寄存器名称名称000组组00H07HR0R7011组组08H0FHR0R7102组组10H17HR0R7013组组18H1FHR0R7单片机复位时，RS1=RS2=00，默认为第0组 第14页/共46页控制器1. 时钟电路 图 2.2 单片机时钟电路（a） 内部时钟电路； （b） 外部振荡源一般地，取C1=C2=30pF, 晶振为6MHz或12MHz第15页/共46页2. 复位电路 图 2.3 单片机复位电路（a）上

8、电复位电路；(b) 开关复位电路取C1=22uF电解电容，R=1K, R1=100 R2=1K第16页/共46页表 2.3 复位后内部寄存器状态 第17页/共46页 3. 指令寄存器和指令译码器 指令寄存器中存放指令代码。CPU执行指令时, 由程序存储器中读取的指令代码送入指令存储器, 经译码器译码后由定时与控制电路发出相应的控制信号, 完成指令所指定的操作。 第18页/共46页 4. 程序计数器PC（Program Counter） PC用于存放CPU下一条要执行的指令地址, 是一个 16 位的专用寄存器, 可寻址范围是0000H0FFFFH共 64 K.。 程序中的每条指令存放在ROM区的

9、某一单元, 并都有自己的存放地址。 CPU 要执行哪条指令时, 就把该条指令所在的单元的地址送上地址总线。 在顺序执行程序中, 当PC的内容被送到地址总线后, 会自动加 1, 即(PC) (PC)+1, 又指向CPU 下一条要执行的指令地址。 第19页/共46页 5. 堆栈指针SP（Stack Pointer） 堆栈操作是在内存RAM区专门开辟出来的按照“先进后出”原则进行数据存取的一种工作方式, 主要用于子程序调用及返回和中断处理断点的保护及返回, 它在完成子程序嵌套和多重中断处理中是必不可少的。为保证逐级正确返回, 进入栈区的“断点”数据应遵循“先进后出”的原则。SP用来指示堆栈所处的位置

10、, 在进行操作之前, 先用指令给SP赋值, 以规定栈区在RAM区的起始地址（栈底层）。当数据推入栈区后, SP的值也自动随之变化。MCS - 51 系统复位后, SP初始化为07H。 第20页/共46页 6. 数据指针寄存器DPTR 数据指针DPTR是一个 16 位的专用寄存器, 其高位字节寄存器用DPH表示,低位字节寄存器用DPL表示。既可作为一个 16 位寄存器DPTR来处理, 也可作为两个独立的 8 位寄存器DPH和DPL来处理。 DPTR 主要用来存放 16 位地址, 当对 64 KB外部数据存储器空间寻址时, 作为间址寄存器用。在访问程序存储器时, 用作基址寄存器。 第21页/共46

11、页2.4 存储器的结构 图 2.4 MCS - 51 单片机的存储器结构 第22页/共46页 1. 程序存储器 对于8051来说, 程序存储器（ROM）的内部地址为 0000H0FFFH, 共 4 KB; 外部地址为 1000HFFFFH, 共 60 KB。 当程序计数器由内部 0FFFH执行到外部 1000H 时, 会自动跳转。对于 8751 来说, 内部有 4 KB的EPROM, 将它作为内部程序存储器; 8031 内部无程序存储器, 必须外接程序存储器。 8031 最多可外扩 64 KB程序存储器, 其中 6 个单元地址具有特殊用途, 是保留给系统使用的。0000H是系统的启动地址, 一

12、般在该单元中存放一条绝对跳转指令。0003H、000BH、 000BH、001BH和 0023H对应 5 种中断源的中断服务入口地址。 第23页/共46页 2. 内部数据存储器 MCS-51 单片机片内RAM的配置如图 2.4（b）所示。片内RAM为 256 字节, 地址范围为00HFFH, 分为两大部分: 低 128 字节（00H7FH）为真正的RAM区; 高 128 字节（80HFFH）为特殊功能寄存器区SFR。 在低 128 字节RAM中, 00H1FH共 32 单元是 4 个通用工作寄存器区。每一个区有 8 个通用寄存器R0R7。寄存器和RAM地址对应关系如表 2.4。 第24页/共4

13、6页表 2.4 寄存器与RAM 地址对照表 第25页/共46页表 2.5 RAM中的位寻址区地址表 第26页/共46页第27页/共46页表 2.6 SFR特殊功能寄存器地址表 第28页/共46页表 2.6 SFR特殊功能寄存器地址表 第29页/共46页表 2.6 SFR特殊功能寄存器地址表 第30页/共46页 3. 外部数据存储器 外部数据存储器一般由静态RAM构成，其容量大小由用户根据需要而定, 最大可扩展到 64 KB RAM , 地址是 0000H0FFFFH。 CPU通过MOVX指令访问外部数据存储器, 用间接寻址方式, R0、R1和 DPTR都可作间接寄存器。注意, 外部RAM和扩展

14、的I/O接口是统一编址的, 所有的外扩I/O口都要占用 64 KB中的地址单元。 第31页/共46页2.6 单片机的引脚及其功能 图 2.6 MCS - 51单片机引脚及总线结构(a) 管脚图； (b) 8031 引脚功能分类 第32页/共46页(1) ALE/PROG(30脚)：地址锁存有效信号输出端。ALE在每个机器周期内输出两个脉冲。在访问片外程序存储器期间，下降沿用于控制锁存P0输出的低8位地址；在不访问片外程序存储器期间，可作为对外输出的时钟脉冲或用于定时目的。但要注意，在访问片外数据存储器期间，ALE脉冲会跳空一个，此时作为时钟输出就不妥了。 对于片内含有EPROM的机型，在编程期

15、间，该引脚用作编程脉冲PROG的输入端。第33页/共46页(2) PSEN(29脚)：片外程序存储器读选通信号输出端，低电平有效。当从外部程序存储器读取指令或常数期间，每个机器周期该信号两次有效，以通过数据总线P0口读回指令或常数。在访问片外数据存储器期间，PSEN信号将不出现。 (3) RST/VPD(9脚)：RST即为RESET，VPD为备用电源。该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平，就可实现复位操作，使单片机回复到初始状态。上电时，考虑到振荡器有一定的起振时间，该引脚上高电平必须持续10 ms以上才能保证有效复位。 当VCC发生

16、故障，降低到低电平规定值或掉电时，该引脚可接上备用电源VPD(+5 V)为内部RAM供电，以保证RAM中的数据不丢失。第34页/共46页2.5 并行输入/输出接口 图 2.5 P0 口内部一位结构图 1. P0口 第35页/共46页2. P1、P2和P3口 P1、P2 和P3 口为准双向口, 在内部差别不大, 但使用功能有所不同。 P1口是用户专用 8 位准双向I/O口, 具有通用输入/输出功能, 每一位都能独立地设定为输入或输出。当有输出方式变为输入方式时, 该位的锁存器必须写入“1”, 然后才能进入输入操作。 P2口是 8 位准双向I/O口。外接I/O设备时, 可作为扩展系统的地址总线,

17、输出高8位地址, 与P0 口一起组成 16 位地址总线。 对于 8031 而言, P2 口一般只作为地址总线使用, 而不作为I/O线直接与外部设备相连。 第36页/共46页表 2.7 P3口的第二功能 第37页/共46页说明：1. 各个端口引脚在作输入口之前，都要先向对应的口寄存器中写“1”，不然不能作输入口用。2. P0口内部没有上拉电阻（其他都有），所以作通用IO口用时为“开漏”输出，必须外加上拉电阻。在作总线使用时不需要加上拉。其他的口可加可不加。 （上拉电阻的阻值确定，5.1K或者4.7K都可以）。3. P3口作第二功能使用时，相应的口锁存器必须为 “1” 状态。4. 如果使用了外部存

18、储器，不要再写P0口。第38页/共46页2.7 单片机工作的基本时序 所谓时序就是CPU总线信号在时间上的顺序关系。 CPU控制器实际上是复杂的同步时序电路，所有的工作都是在时钟信号的控制下进行的。每执行一条指令，CPU控制器都要发出一系列特定的控制信号，这些控制信号在时间上的相互关系就是CPU的时序。 一个单片机系统要想正常工作，除了要做到电平匹配、功率匹配外，还要做到时序匹配。第39页/共46页 1. 机器周期和指令周期 （1） 振荡周期: 也称时钟周期, 是指为单片机提供时钟脉冲信号的振荡源的周期。 （2） 状态周期: 每个状态周期为时钟周期的 2 倍, 是振荡周期经二分频后得到的。 （

19、3） 机器周期: 一个机器周期包含 6 个状态周期S1S6, 也就是 12 个时钟周期。 在一个机器周期内, CPU可以完成一个独立的操作。 （4） 指令周期: 它是指CPU完成一条操作所需的全部时间。 每条指令执行时间都是有一个或几个机器周期组成。MCS - 51 系统中, 有单周期指令、双周期指令和四周期指令。 第40页/共46页2. MCS - 51 指令的取指/执行时序 图2.7 MCS - 51 单片机取指/执行时序第41页/共46页3. 访问外部ROM的时序（） 图 2.8 读外部程序ROM时序 第42页/共46页图 2 - 9 读外部数据RAM时序 第43页/共46页图 2.10 写外部数据RAM的时序 第44页/共46页作业：P32 3、5、7 题 第45页/共46页