第2章MCS51系列单片机的硬件结构课件.ppt
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1、第2章MCS-51系列单片机的硬件结构,1 概述 2 微处理器 3 存储器 4 定时器/计数器 5 并行I/O口 6 串行接口 7 中断系统 8 特殊工作方式,9/24/2022,1,第2章MCS-51系列单片机的硬件结构 1 概述,1 概述,学习单片机要掌握什么?单片机拥有什么资源?有哪些寄存器,各有什么功能?内部存储器特征,如何编址与访问?还有什么功能部件:定时器、并口、串口、中断系统及入口地址、工作方式?引脚情况,如何连接系统?指令系统,如何编写程序?根据系统需求,如何进行扩展?(5)典型的接口电路如何设计,程序如何实现?,9/24/2022,2,1 概述学习单片机要掌握什么?9/24/
2、20222,1 概述,1-1 主要功能MCS-51系列单片机是Intel公司在80年代初推出的高性能单片微型计算机,包含51、52两个子系列。针对特定CPU,有以下特点:,9/24/2022,3,1 概述 1-1 主要功能9/24/20223,按功能可分成8个部件,通过片内单一总线连接起来,1.微处理器,2.数据存储器,3.程序存储器,4.I/O口,5.串行口,6.定时/计数器,7.中断系统,8.特殊功能寄存器,控制方式:SFR对各功能部件集中控制,片内总线,1 概述,1-2 内部结构框图,9/24/2022,4,CPU控制部件RAMP0口P2口ROM(EPROM)串行口,1 概述,1-3 外
3、部引脚说明从结构框图可看出,MCS-51芯片共有40个引脚,HMOS工艺芯片采用DIP封装,CHMOS芯片也有方型封装的。(1)电源Vcc+5VVss 地(2)时钟XTAL2XTAL1接晶体两引脚,9/24/2022,5,1 概述1-3 外部引脚说明9/24/20225,1 概述,1-3 外部引脚说明(3)I/O引脚P0口:准双向I/O口在扩展存贮器(程序存贮器或数据存贮器)或I/O扩展时,可分时复用为低8位地址线和双向数据线P1口:准双向I/O口对52系列(8032、8052)要比51系列多一个中断源(定时器/计数器),P1.1作为T2(计数脉冲输入),P1.2为T2EX(T2的外部控制端)
4、。P2口:准双向I/O口在P0口的第2种情况,它作为高8位地址线输出,9/24/2022,6,1 概述1-3 外部引脚说明9/24/20226,1 概述,1-3 外部引脚说明(3)I/O引脚P3口:准双向I/O口 第2功能,9/24/2022,7,1 概述1-3 外部引脚说明引脚转义引脚功能说明P3.0,1 概述,1-3 外部引脚说明(4)控制线:ALE/PROG:地址锁存有效信号输出*下降沿用来锁存地址*一般情况,它均在每个机器周期出现2次(对12MHZ晶振,其频率为2MHZ,即周期为.5uS),可作为时钟供外部使用,但在MOVX访问外部数据存贮器时,它在两周期内(MOVX为双周期指令)会跳
5、空一个,频率不再恒定。*对片内有EPROM机型(8051、8751、8052),在编程时,它作为编程脉冲输入端。,9/24/2022,8,1 概述1-3 外部引脚说明9/24/20228,1 概述,1-3 外部引脚说明(4)控制线:PSEN:片外程序存贮器读选通信号输出端访问外部程序存贮器时,每周期有效2次(低电平);访问片外数据存贮器时,它无效,因此不会读错。RST/VPD:复位及备用电源在振荡时,两个机器周期的高电平(12MHz时,需2s),使单片机回初始状态,上电时,由于要起振时间,要更长约10s。在掉电时(不起振),若它接有备用电池,将自动发挥作用,向片内RAM供电。即如Vcc有,该端
6、有高电平是复位。无Vcc,该端有高电平,则是备用电源。,9/24/2022,9,1 概述1-3 外部引脚说明9/24/20229,1 概述,1-3 外部引脚说明(4)控制线:EA/VDD:片外程序存贮器选用端 EA为低时,只用片外程序存贮器,故对8031、8032只能接地。EA为高时,先选用片内程序存贮器,再选用片外程序存贮器有片内程序存贮器(EPROM)在编程时,它接21V作为编程电压输入。,9/24/2022,10,1 概述1-3 外部引脚说明9/24/202210,2 微处理器,2-1 运算器 微处理器亦称CPU,由运算器、控制器两大部分构成。运算器以ALU为核心,附加一些工作寄存器、A
7、、B、PSW暂存器等。(1)ALU,在内部控制信号作用下完成各种算术及逻辑操作。(2)累加器A,最常用的专用寄存器,为8位。(3)PSW,相当于其它单片机的标志寄存器(8位),各位有下面定义:,9/24/2022,11,2 微处理器 2-1 运算器 RS0ACF0RS1COVP,2 微处理器,2-1 运算器 C:进位标志位,在执行某些算术及逻辑操作时可被置位或复位,也可由软件访问(JC、JNC、SETBC、MOV C、bit等)例:相加时最高位的进位 C置1(硬件)相减时最高位的借位 AC:辅助进位标志,在作BCD码运算时用到。例:相加时,D3有进位 AC内硬件置1 相减时,D3有借位F0:软
8、件标志,用户定义的状态标志,由用户软件置位或复位。RS1,RS0:寄存器组选择,由用户软件置位或复位,以选定4个组中的哪一个工作寄存器组投入工作。,9/24/2022,12,2 微处理器 2-1 运算器 9/24/202212,2 微处理器,2-1 运算器 OV:溢出标志,运算结果超出A有效范围时(-128127),由硬件置位,否则清零。加法最高、次高之一有进位减法最高、次高之一有借位 OV置1乘法:积大于255时,表示有高8位在B寄存器中除法:DIV A B中B为0时,9/24/2022,13,2 微处理器 2-1 运算器 9/24/202213,2 微处理器,2-1 运算器 加法运算时OV
9、标志置、复位的条件分析:(1)最高位有、次高位无进位:OV=1 负数+负数正数(2)最高位无、次高位有进位:OV=1 正数+正数负数(3)最高位有、次高位有进位:OV=0 负数+负数负数 正数+负数正数(4)最高位无、次高位无进位:OV=0 正数+正数正数 正数+负数负数由此可见,OV=1表示有符号数的运算出错,9/24/2022,14,2 微处理器 2-1 运算器 9/24/202214,2 微处理器,2-1 运算器 OV标志例子:无符号数 127+10 1 1 1 1 1 1 10 0 0 0 0 0 0 1 C=0 OV=1 128出范围1 0 0 0 0 0 0 0 结果成了-128有
10、符号数-128+(-1)1 0 0 0 0 0 0 01 1 1 1 1 1 1 1 C=1 OV=1-129出范围0 1 1 1 1 1 1 1 结果为127有符号数-1+(-1)1 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 C=1 OV=0-21 1 1 1 1 1 1 0 未出范围,9/24/2022,15,2 微处理器 2-1 运算器 9/24/202215,2 微处理器,2-1 运算器 P奇偶标志每条指令根据A中1的个数对P置位或复位:奇数个置1,偶数个清0(注意与80 x86的PF相反)在通信时有用,9/24/2022,16,2 微处理器 2-1 运算器 9/24/
11、202216,2 微处理器,2-2 控制器含IR、ID、定时及控制电路根据指令产生相应的操作时序及控制信号。,9/24/2022,17,2 微处理器 2-2 控制器9/24/202217,2 微处理器,2-3 CPU时序 振荡周期、时钟周期(状态周期)、机器周期、指令周期。若振荡周期为12MHz,则状态周期、机器周期、指令周期分别为:6MHz、1MHz、250kHz1MHz(4周期指令单周期指令)见图,9/24/2022,18,2 微处理器 2-3 CPU时序 9/24/202218,3 存储器,9/24/2022,19,内部数据存储器外部数据存储器特00H1FH20H2FH30H,3 存储器
12、,3-1 程序存储器51系列:8031:无,8051:4kROM,8751:4kEPROMAT89C51:4kFLASH 52系列:它由8032、8052、8kROM外部程序存贮器:64k寻址范围(1)访问方式执行程序时:由PC自动寻址访问其特定单元数据时,用MOVC指令程序转移,用转移指令(2)编址 EA为0,只访问片外ROM,EA为1,先访问片内,超出片内容量范围后自动访问片外。,9/24/2022,20,3 存储器 3-1 程序存储器9/24/202220,3 存储器,3-1 程序存储器(3)程序存贮器的几个特殊单元程序存贮器中有7个特殊单元做为程序入口。0000H 复位后 PC初值为0
13、,即从此开始执行0003H INT0入口000BH T0溢出0013H INT1入口001BH T1溢出0023H 串行口002BH T2溢出或T2EX负跳变(下降沿)(52子系列8032,8052才有)由于间隔短,一般只放跳转指令。,9/24/2022,21,3 存储器 3-1 程序存储器9/24/202221,3 存储器,3-2 数据存贮器51子系列:8031、8051、8751 RAM 128byte SFR 128个52子系列:8032、8052 RAM 256byte SFR 128个外部数据存贮器寻址范围 64K,9/24/2022,22,3 存储器 3-2 数据存贮器9/24/2
14、02222,3 存储器,3-2 数据存贮器(1)编址与访问*片内,9/24/2022,23,3 存储器 3-2 数据存贮器9/24/202223,3 存储器,3-2 数据存贮器(1)编址与访问*片外:均为64K寻址空间,9/24/2022,24,3 存储器 3-2 数据存贮器00HFFH100HFFFF,3 存储器,3-2 数据存贮器(2)堆栈内部RAM区有一部分用于堆栈,位置由SP初值决定。初始时,SP=07H,即跳过0组通用寄存器,(占用R0R7 00H07H,由PSW复位初值决定)。SP可人为设定为2FH,即从30H开始,不影响工作寄存器组及位寻址区。,9/24/2022,25,3 存储
15、器 3-2 数据存贮器9/24/202225,4 定时器/计数器,背景知识,9/24/2022,26,4 定时器/计数器 背景知识9/24/202226,4 定时器/计数器,背景知识,TH1 TL1TH0 TL0TMODTCON,9/24/2022,27,4 定时器/计数器 背景知识TH1 TL19/24/202,4 定时器/计数器,4-1 概述,为什么需要定时/计数器?,根据规定的时间间隔完成某项控制功能,9/24/2022,28,4 定时器/计数器 4-1 概述为什么需要定时/计数器?根,4 定时器/计数器,4-1 概述,为什么需要定时/计数器?,根据规定的时间间隔完成某项控制功能,根据需
16、要的延时启动某项任务,9/24/2022,29,4 定时器/计数器 4-1 概述为什么需要定时/计数器?根,4 定时器/计数器,4-1 概述,为什么需要定时/计数器?,根据规定的时间间隔完成某项控制功能,根据需要的延时启动某项任务,检测外部事件发生的次数,9/24/2022,30,4 定时器/计数器 4-1 概述为什么需要定时/计数器?根,4 定时器/计数器,4-1 概述,为什么需要定时/计数器?,根据规定的时间间隔完成某项控制功能,根据需要的延时启动某项任务,检测外部事件发生的次数,9/24/2022,31,4 定时器/计数器 4-1 概述为什么需要定时/计数器?根,4 定时器/计数器,4-
17、1 概述,为什么需要定时/计数器?,根据规定的时间间隔完成某项控制功能,根据需要的延时启动某项任务,检测外部事件发生的次数,9/24/2022,32,4 定时器/计数器 4-1 概述为什么需要定时/计数器?根,4 定时器/计数器,4-1 概述,为什么需要定时/计数器?,根据规定的时间间隔完成某项控制功能,根据需要的延时启动某项任务,检测外部事件发生的次数,9/24/2022,33,4 定时器/计数器 4-1 概述为什么需要定时/计数器?根,4 定时器/计数器,4-1 概述,为什么需要定时/计数器?,根据规定的时间间隔完成某项控制功能,根据需要的延时启动某项任务,检测外部事件发生的次数,9/24
18、/2022,34,4 定时器/计数器 4-1 概述为什么需要定时/计数器?根,4 定时器/计数器,4-1 概述,如何实现?,软件延时采用延时电路实现固定的硬件延时采用可编程定时/计数器实现,可编程定时/计数器(Timer/Counter,简称T/C)正是MCS-51单片机的一种重要的功能部件,9/24/2022,35,4 定时器/计数器 4-1 概述如何实现?软件延时可编程定,4 定时器/计数器,4-1 概述,可编程定时/计数器(T/C)工作原理?,例:往桶里滴水,考察其溢出时间:,9/24/2022,36,4 定时器/计数器 4-1 概述可编程定时/计数器(T/C,4 定时器/计数器,4-1
19、 概述,可编程定时/计数器(T/C)工作原理?,例:往桶里滴水,考察其溢出时间:,9/24/2022,37,4 定时器/计数器 4-1 概述可编程定时/计数器(T/C,4 定时器/计数器,4-1 概述,可编程定时/计数器(T/C)工作原理?,例:往桶里滴水,考察其溢出时间:,9/24/2022,38,4 定时器/计数器 4-1 概述可编程定时/计数器(T/C,4 定时器/计数器,4-1 概述,可编程定时/计数器(T/C)工作原理?,例:往桶里滴水,考察其溢出时间:,9/24/2022,39,4 定时器/计数器 4-1 概述可编程定时/计数器(T/C,4 定时器/计数器,4-1 概述,可编程定时
20、/计数器(T/C)工作原理?,例:往桶里滴水,考察其溢出时间:,桶有多大?-定时/计数范围滴水的速度?-时钟源频率原来有多少水?-初值问题如何知道溢出?-溢出时的反应,9/24/2022,40,4 定时器/计数器 4-1 概述可编程定时/计数器(T/C,4 定时器/计数器,4-1 概述,51系列单片机有2个定时/计数器(T/C0、T/C1),外部计数引脚,内部定时时钟,特殊功能寄存器,9/24/2022,41,4 定时器/计数器 4-1 概述51系列单片机有2个定时/,4 定时器/计数器,4-1 概述,51系列单片机有2个定时/计数器(T/C0、T/C1),定时/计数范围:均为16位,可以设定
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