C51的结构和原理.ppt
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2019/12/13,1,80C51的结构和原理,80C51系列概述,1.1,80C51的基本结构与应用模式,1.2,80C51典型资源配置与引脚封装,1.3,80C51单片机的CPU,1.4,80C51的存储器组织,1.5,80C51的并行口结构与操作,1.6,2019/12/13,2,1.180C51系列概述,1.1.1MCS-51系列,8051/8751/80318052/8752/803280C51/87C51/80C3180C52/87C52/80C32等,MCS-51是Intel公司生产的一个单片机系列名称。这一系列的单片机有多种,如:,2019/12/13,3,生产工艺有两种:,在产品型号中凡带有字母“C”的即为CHMOS芯片,CHMOS芯片的电平既与TTL电平兼容,又与CMOS电平兼容。如87C51。,一是HMOS工艺(高密度短沟道MOS工艺)。,二是CHMOS工艺(互补金属氧化物的HMOS工艺)。,2019/12/13,4,80C51典型产品资源配置,2019/12/13,5,功能上,有基本型和增强型2大类:,增强型:8052/8752/803280C52/87C52/80C32,基本型:8051/8751/803180C51/87C51/80C31,2019/12/13,6,由表可见:增强型与基本型的几点不同:,片内ROM:从4K增加到8K片内RAM:从128增加到256定时/计数器:从2个增加到3个中断源:从5个增加到6个。,2019/12/13,7,无ROM型,要在片外扩展程序存储器;,掩膜ROM型,程序由芯片生产厂写入;,EPROM型,程序通过写入装置写入;,FlashROM型,程序可电写入(常用)。,片内ROM的配置形式:,还有型,具有较高的可靠性。,2019/12/13,8,1.1.280C51系列,各厂商以8051为基核开发出的CMOS单片机统称为80C51系列。常用产品有:,Intel:80C31、80C51、87C51,80C32、80C52、87C52等;ATMEL:89C51、89C52、89C2051等;Philips、华邦、Dallas、Siemens等公司的许多产品。,2019/12/13,9,1.280C51的基本结构与应用模式,1.2.180C51的基本结构,80C51单片机主要由以下功能部件组成:,(1)8位微处理器(CPU);(2)128B数据存储器(RAM),片外可扩展到64KB;(3)4KB程序存储器(ROM/FLASH),片外可扩展到64KB(4)21个特殊功能寄存器(SFR)(5)4个8位并行I/O口(P0口、P1口、P2口、P3口)(6)1个全双工异步串行口(UART);(7)2个16位定时器/计数器(T0,T1);(8)5个中断源的中断系统(X0,T0,X1,T1,S)。,2019/12/13,10,2019/12/13,11,1.2.280C51的应用模式,带总线扩展引脚的产品,扩展总线的应用模式不扩展总线的应用模式,2019/12/13,12,没有总线扩展引脚的产品,引脚数减少、体积减小。对于不需进行并行外围扩展,装置的体积要求苛刻且程序量不大的系统极其适合。,典型产品,如:AT89S2051/AT89S4051。,2019/12/13,13,QFP封装,1.380C51典型产品资源配置与引脚封装,2019/12/13,14,LCC封装,2019/12/13,15,80C51的引脚,电源引脚:Vcc、Vss时钟引脚:XTAL1、XTAL2控制引脚:/PSEN、/EA、ALE、RSTI/O引脚:P0、P1、P2、P3,2019/12/13,17,1.480C51的CPU,2019/12/13,18,1.4.1CPU的功能单元,运算器累加器ACC寄存器BPSW,控制器指令寄存器IR译码与控制逻辑,其他寄存器程序计数器PC数据指针DPTR堆栈指针SP工作寄存器R0R7,1运算器,运算器由算术逻辑单元ALU、累加器ACC、寄存器B、程序状态字寄存器PSW、BCD码运算调整电路等组成。(1)累加器ACCACC是一个8位的寄存器,简称为A,它通过暂存器与ALU相连。它是CPU执行指令时使用最频繁的寄存器,用来存一个操作数或中间结果。,2019/12/13,20,(2)算术逻辑单元ALUALU是由加法器和其它逻辑电路等组成的,它用于对数据进行算术四则运算和逻辑运算、移位操作、位操作等功能。ALU的两个操作数,一个由A通过暂存器2输入,另一个由暂存器1输入,运算结果的状态送PSW。(3)寄存器B乘除运算时候存放一个操作数,(4)程序状态字寄存器PSWPSW是一个8位的专用寄存器,用于存程序运行中的各种状态信息。它可以进行位寻址。PSW各位的定义如下:,PSW位地址字节地址D0H,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时,CY由硬件置“1”,否则清“0”。在进行位操作时。AC(PSW.6):辅助进位标志(又称半进位),在进行加或减运算时,低四位数向高四位产生的进位或借位,将由硬件置“1”,否则为0。F0(PSW.5):用户标志位,由用户置位或复位。它可作为用户自行定义的一个状态标记。RS1RS0(PSW.4PSW.3):工作寄存器组指针,用以选择CPU当前工作的寄存器组。,2019/12/13,22,RS1RS0与工作寄存器组的对应关系,OV(PSW.2):溢出标志,当进行算术运算时,如果产生溢出,则由硬件将OV位置1,否则清“0”。P(PSW.0):奇偶标志位,该位始终跟踪累加器A内容中“1”的奇偶性。当累加器A内容中有奇数个“1”时,P置1;否则,P置“0”。改变累加器A中内容的指令均会影响P标志位。,2019/12/13,24,2控制器,(1)指令寄存器(IR,8位)保存当前正在执行的一条指令,内容包含操作码和地址码。(2)译码与控制逻辑是微处理器的核心部件。它的任务是完成读指令、执行指令、存取操作数运算结果,向其他部件发出各种微控制信号,协调各部件工作。,26,3.其他寄存器,堆栈指针SP:指示栈顶在内部RAM中的位置,复位后,SP中的内容为07H,堆栈从08H开始向上生长。,数据指针DPTR:由DPH和DPL两个8位寄存器构成,可对片外64KB范围内的RAM或ROM进行间接寻址或变址寻址操作。,程序计数器PC:16位计数器,它总是存放着下一个要取指令的16位存储单元地址,复位时PC装入0000H。,2019/12/13,27,工作寄存器R0-R7:,2019/12/13,28,1.4.280C51的时钟与时序,时钟产生方式(时序),内部时钟方式外部时钟方式,2019/12/13,29,80C51的时钟信号,1个机器周期:12个晶振周期(或6个时钟周期),指令的执行时间称作指令周期(单、双、四周期),1、若外接晶振fOSC=12MHz时:,振荡周期1/6MHz1/6s0.167sS状态周期2(1/6s)=0.334s机器周期12(1/6s)=2s指令周期28s,振荡周期1/12MHz1/12s0.0833sS状态周期2(1/12s)=1/6s0.167s机器周期12(1/12s)=1s指令周期14s,2、若外接晶振fOSC=6MHz时:,时钟参数,2019/12/13,31,80C51的典型时序,单字节指令双字节指令,单周期指令,2019/12/13,32,程序存储器中的指令代码及其观察,2019/12/13,33,双周期指令,2个机器周期中ALE有效4次,后3次读操作无效。,2019/12/13,34,访问外部RAM的双周期指令时序,第二机器周期无读操作码的操作,而是进行外部数据存储器的寻址和数据选通。ALE信号会出现非周期现象。,2019/12/13,35,1.4.380C51单片机的复位,复位可使单片机或系统部件处于确定的初始状态。,复位电路,上电复位电路按键与上电复位,2019/12/13,36,单片机复位后的状态,PC=0000HRAM:随机值(运行中复位不改变RAM内容),SFR:P0P3=FFHSP=07HIP、IE和PCON:有效位为0PSW=00H,作业:,MCS-51单片机的时针周期、机器周期、指令周期是什么?当主频为12MHZ时,一个机器周期为多少微秒?执行一条最长的指令需要多少秒?单片机复位以后的状态。,2019/12/13,38,1.580C51的存储器组织,80C51存储器可以分成两大类:,RAM,CPU在运行时能随时进行数据的写入和读出,但在关闭电源时,其所存储的信息将丢失。用来存放暂时性的输入输出数据、运算的中间结果或用作堆栈。,ROM,写入信息后不易改写的存储器。断电后,其中的信息保留不变。用来存放固定的程序或数据,如系统监控程序、常数表格等。,2019/12/13,39,1.5.180C51单片机的程序存储器配置,片内与片外程序存储器的选择,2019/12/13,40,2019/12/13,41,程序存储器低端的几个特殊单元,2019/12/13,42,程序存储器中的指令代码及其观察,2019/12/13,43,1.5.280C51单片机数据存储器配置,片内、片外数据存储器概况,片内RAM及SFR片外RAM,44,51存储器结构总结,45,(1)00H7FH(0127)单元组成低128字节的片内RAM区,对其访问可采用直接寻址或间接寻址的方式。(2)80HFFH(128256)单元组成高128字节的专用寄存器(SFR)区,只能采用直接寻址方式来访问。(3)MCS-52子系列中的片内RAM增大了128字节,其地址范围也是从80HFFH;为了与SFR区分,对此段的范围只能采用间接寻址方式来访问。,2019/12/13,46,工作寄存器区(含寄存器组03),寄存器组0:地址00H07H寄存器组1:地址08H0FH寄存器组2:地址10H17H寄存器组3:地址18H1FH,当前工作寄存器组选择,PSW寄存器中:,2019/12/13,47,片内RAM详图,2019/12/13,48,位寻址区,2019/12/13,49,通用RAM区,30H7FH,共80字节,数据缓冲堆栈SP指示栈顶复位时SP=07H系统初始化通常重新设置,2019/12/13,50,RAM内容查看,2019/12/13,51,1.5.380C51单片机的特殊功能寄存器(SFR),基本型单片机有21个SFR离散地分布在80HFFH空间。,与运算器相关3个ACCBPSW,与定时/计数器相关6个TH0,TL0TH1,TL1TMODTCON,指针类3个SPDPH,DPL,与口相关7个P0,P1,P2,P3SBUFSCONPCON,与中断相关2个IEIP,2019/12/13,52,80C51的逻辑结构(IO),2019/12/13,53,1.680C51的并行口结构与操作,P0口结构,输出时,1.6.1P0、P2口的结构,2019/12/13,54,输入时,读锁存器(“读-修改-写”类指令,如ANLP0,A),读引脚(“MOV”类指令,如MOVA,P0),要先写“1”,1,0,P0作通用I/O时为:准双向口!,2019/12/13,55,输出时,地址/数据信息分时出现在输出引脚。,输入时,先输出地址,然后自动向锁存器写1,再读引脚。此时为真正双向口。,2019/12/13,56,P2口结构,P2作通用I/O口(未扩片外存储器,或虽扩RAM但采用“MOVXRi”传送时C=0),P2作通用I/O时为:准双向口!,P2作地址总线高8位(C=1),2019/12/13,57,P1口结构,P1仅能为通用的准双向口!,1.6.2P1、P3口的结构,2019/12/13,58,P3口结构,第一功能:通用I/O口(对口寻址时),2019/12/13,59,第二功能(不对口寻址时),2019/12/13,60,1.6.3并行口驱动简单外设,并行口的负载能力(AT89S52),每根口线最大可吸收10mA的(灌)电流P0口吸收电流的总和不能超过26mAP1、P2和P3每个口吸收电流的总和限制在15mA4个口所有口线的吸收电流总和限制在71mA,2019/12/13,61,驱动简单的输出设备,驱动LED(发光二极管),LED典型工作点:1.75V,10mA。单个LED驱动特性如下图:,2019/12/13,62,多个LED驱动如下图:,并口直接驱动经缓冲器驱动,(亮度不理想),(245:单根线25mA,总和75mA),2019/12/13,63,驱动LED数码管,公共电阻限流各路分别限流,2019/12/13,64,共阴极字形“1”编码示例:06H,2019/12/13,65,驱动蜂鸣器,有源蜂鸣器:接额定电压就可连续发声,无源蜂鸣器:接入变频方波,可得到不同音调的声音,两种蜂鸣器驱动电路相同,仅程序不同,2019/12/13,66,驱动简单的输入设备,简单开关及输入接口,2019/12/13,67,开关闭合与断开时的抖动及去抖电路,按键较少时:去抖电路,按键较多时:软件延时,通常为10ms,ThankYou!,- 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- C51 结构 原理
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