第二章 51单片机的内部结构1
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(2)数据存储器
物理上分为两大区域: 00H ~ 7FH即128B内RAM区 80H ~ FFH即SFR区。 外部数据存储器用16位地址,只能用 MOVX指令访问 内部数据存储器用8位地址,通常用 MOV指令访问
数据存储器:
7FH
用户RAM区
2FH / 30H
位寻址区 (位地址00H ~ 7FH )
1)程序计数器PC
指明即将执行的下一条指令的地址 (程序存储器地址),在物理上独立,复 位时PC = 0000H。
2)堆栈指针SP
指明栈顶元素的地址,8位,可软件 设置初值,复位时SP = 07H。
3)数据指针DPTR
@DPTR;指明访问的数据存储器的 单元地址,16位,寻址范围64KB。 DPTR = DPH + DPL,也可单独使用。
00FFH
特殊功
外部 RAM (64K)
能寄存器
1000H
0 F F F H 内部 ROM
0000H
EA = 1
0080H
0080H
内部RAM
0000H
数据存储器
0000H
程序存储器
(1)程序存储器
MCS-51系列中有3种形式
无内部ROM型
如8031、8032
4KB内部ROM型
如8051
8KB内部ROM型
第二章
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5
51单片机内部结构
51单片机基本结构 51单片机引脚功能 51单片机的CPU 51单片机的存储器 51单片机的工作方式
2.1
基本结构
存储器类
MCS-51单片机系列
型 单片机系列
51子系 列 52子系 列
掩膜 MOS
/
4KB / / 8KB
EPROM
/
/ 4KB / /
2.算术运算 (1)ALU (2)A——累加器。
(3)B——B寄存器,乘、除法运算用。
(4)PSW——程序状态字寄存器:包含 程序运行状态、信息。
PSW CY
AC
F0
OV
RS1 RS0
—
P
CY —— 进位/借位标志;位累加器。 AC —— 辅助进/借位标志;用于十进制调整。 F0 —— 用户定义标志位;软件置位/清零。 OV —— 溢出标志; 硬件置位/清零。 P —— 奇偶标志;A中1的个数为奇数 P = 1;否则 P = 0。
特殊功能寄存器 SFR为特殊功能寄存器。其寻址空间:
80H ~ FFH。 其中, 51 子系列有 18 个寄存器,占有 21个字节;52子系列有21个寄存器,占有 26个字节。
寄存器 B ACC PSW IP P3 IE P2 SBUF A7 P2.7 A6 P2.6 A5 P2.5 F7 E7 D7 CY BF B7 P3.7 F6 E6 D6 AC BE B6 P3.6 F5 E5 D5 F0 BD B5 P3.5
数据缓冲区、堆栈区、工作 单元
1FH / 20H
即可位寻址,又可字节寻址
第3组通用寄存器区
17H / 18H
0FH / 10H
07H / 08H
第2组通用寄存器区
第1组通用寄存器区
00H
第0组通用寄存器区
R0、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7
位寻址区
特殊功能寄存器 MCS-51单片机内共有22个特殊功能寄 存器,包括PC及SFR。 PC为程序计数器。它是一个双字节寄 存器,寻址范围为: 0000H ~ FFFFH,即0 ~ 64KB。
2 个 16 位定 时器 / 计数器
内部总线 8051 CPU
64K 字节总 线扩展控制 中断 中断 控制
可编程 I/O 口 4× 8 位
可编程 串行口
并行 I/O 口
串行输入
/ 输出
8051
单片机结构框图
2.2 引脚功能
p 1.0
1
40 39
VCC
p 0. 0
p 1.7
8
9
10 11 12
RST
30
29
ALE / PROG PSEN
p 2.7
28
21
p 2. 0
总线结构:
2.3
CPU
微处理器又称为CPU,是单片机内 部的核心部件,它决定了单片机的重 要功能特性。它由运算器和控制器两 大部分组成。
对CPU的使用就是对CPU中的寄存器 的使用。
1.控制器
(1) 时序电路 (2)程序计数器PC:16位 (3)指令寄存器IR(8位)和指令译码电路 (4)微操作控制部件 (5)中断控制电路 (6)数据指针DPTR:16位
如8052
内部ROM、外部ROM统一编址,同样 的时序访问。
七个具有特殊含义的单元是:
0000H —— 系统复位,PC指向此处; 0003H —— 外部中断0入口 000BH —— T0溢出中断入口 0013H —— 外中断1入口 001BH ——T1溢出中断入口 0023H —— 串口中断入口 002BH —— T2溢出中断入口
读操作码(丢弃)
S3 S4 S5 S6 S1 S2 S3 S4 S5 S6
S1
S2
单字节双周期指令例:INC DPTR
(1)单字节单周期指令:INC
A
只需进行一次读指令操作(指令只有
一个字节),当第二个ALE有效时,由于
PC没有加1,读出的还是原指令。属于一
次无效操作。
(2)双字节单周期指令:ADD
98H 90H 8DH 8CH 8BH 8AH
+
GATE 8B IE1 GF1
C/T 8A IT1 GF0
M1 89 IE0 PD
M0 88 IT0 IDL
89H 88H 87H 83H 82H 81H 80H
+
外部数据存储器
• 也称作外部RAM,使用MCS-51提供的总线结 构扩展 • 数据总线由P0口提供,地址总线由P2口和P0 口分别提供高8位和低8位,控制总线由P3口 P3.6、P3.7的第二功能WR#、RD#提供 • 外部RAM的地址范围为0000H~FFFFH,共 64KB • 只能使用间接寻址方式和MOVX指令
PSW CY
AC
F0
OV
RS1 RS0
—
P
RS1、RS0 —寄存器区选择控制位。
0 0: 0区 R0 ~ R7
0 1:
1 0:
1区 R0 ~ R7
2区 R0 ~ R7
1 1:
3区 R0 ~ R7
3.布尔处理器
(1)位累加器(C) (2)位寻址的数据存储区(20H-2FH) (3)位寻址的寄存器区 (4)位寻址的I/O引脚 (5)位操作指令系统
A4 P2.4
A3 P2.3
A2 P2.2
A1 P2.1
A0 P2.0
A0H 99H
SCON P1 TH1 TH0 TL1 TL0 TMOD TCON PCON DPH DPL SP P0 87 P0.7 86 P0.6 85 P0.5 84 P0.4 83 P0.3 82 P0.2 81 P0.1 80 P0.0 GATE 8F TF1 SMOD C/T 8E TR1 / M1 8D TF0 / M0 8C TR0 / 97 P1.7 96 P1.6 95 P1.5 94 P1.4 93 P1.3 92 P1.2 91 P1.1 90 P1.0
2.5 MCS-51单片机的工作方式
• 系统设计制造完成、产品交付使用后,第一步就是上电工作 • 为使系统从确定的状态开始工作,必须进行内部复位操作, 然后进入程序执行方式 • 在运行过程中,如果外部干扰或其他因素使系统处于不正常 状态,还需要通过手动按钮或监视定时器使其复位
• 在电源不稳定或由电池供电的场合,需要降低功耗,启用单 片机的低功耗方式
编程和校验方式
• 编程 – 向只读存储器内写入数据的过程 • 校验 – 将已经写入的数据读出,与编程时的原始数据 进行比较 • 只有EPROM型单片机才具有编程和校验方式 • 8751H内部的4KB程序存储器是EPROM型的, 芯片上有擦除窗口。其EPROM有编程、校验和 加密三种方式
振荡周期Tosc = 1/fosc
(1振荡周期=1节拍)
状态周期:每个状态周期含两个振荡周 期,即相位P1、P2。 (即震荡周期二分频)
机器周期:机器的基本操作周期。 振荡周期Tosc = 1/fosc 一个机器周期 = 12个振荡周期 = 6个状态周期
= 12×1/fosc 例如,若fosc = 12MHz,则一个机器 周期 = 1μs。
8031
8051 8751 8032 8052
MCS - 51
MCS-51两个系列: 基本型 51子系列 (8031\8051\8751) 增强型 52子系列 (8032\8052\8752) 所有的基础都是基本型。
内部结构: 8位的CPU; 128个字节的片内RAM; 4K字节的片内ROM程序存储
A,#data
ALE两次读操作都有效,第一次读操 作码(指令第一字节),第二次读立即数
(指令第二字节)。
(3)单字节双周期指令:INC
DPTR
两个机器周期共进行四次读指令操 作,但其后三次的读操作都是无效的。
2.4 MCS-51单片机的存储器组织
0FFFFH
0FFFFH
外部 ROM EA = 0
p 3.0 / RXD p 3.1 / TXD
p 3.2 / INT 0
32 31
p 0.7
Vpp / EA
p 3.3 / INT1 p 3.4 / T0
p 3.5 / T1
p 3.6 / WR p 3.7 / RD XTAL2 XTAL1
VSS
13 14 15 16 17 18 19 20
8051
指令周期:即从取指到执行完,所需时 间。不同机器指令周期不一样;即使相 同机器,不同的指令其指令周期也不一 样。一个指令周期含若干机器周期(单、 双、四周期)
一个机器周期
S1
P1 P2
S2
S3
S4
S5
S6
S1
P1 P2
S2
S3
S4
S5
S6
ALE
读操作码
读下一个操作码(丢弃 )
单字节单周期指令
S1
低功耗方式
• HMOS型单片机的掉电操作方式 • CHMOS单片机的低功耗方式
CHMOS单片机的低功耗方式
• PCON • 待机方式 – 将IDL置位 – 退出待机方式有两条途径 • 掉电方式 – 将PD置位 – 退出掉电方式的惟一途径是硬件复位 SMO D — — — GF1 GF0 PD IDL
• 对于EPROM型单片机,交付使用或软件调试期间都需要对 EPROM编程和校验
复位方式
外部复位信号的产生
程序执行方式
• 复位信号撤销后,单片机总是从0000H处取指令并 开始执行程序
• 从0003H开始,很多存储单元作为中断服务程序的 预留空间,不便使用。所以,通常在0000H处放一 条转移指令,转移到0000H~FFFFH范围内合适的 位置继续执行 • 在执行程序的过程中,还会发生中断响应的情况, 打断正常的程序执行流程。但中断返回后,仍将继 续原来的程序
4.辅助电路及时序
时钟电路
HMOS型
CMOS型
使用外部时钟的连接
5. CPU的时序 时钟的基本概念
启动单片机后,指令执行顺序:
取指令 分析 执行
时序的定义:
单片机内的各种操作都是在一系列脉
冲控制下进行的,而各脉 冲在时间上 是有先后顺序的,这种顺序就称为时序。
振荡周期:由振荡时钟产生。
(8031无);
外部的RAM和ROM的寻址范围为64K;
21个字节的专用寄存器; 4个8位并行I/O口
1个全双工的串行口
2个16位的定时器/计数器
5个中断源、2个中断优先级
111• 条指令。
频率基准源
计数器
振荡器及定 时电路
4 K /8K 存储器
字节程序 ROM
128 /256 字 节数据存储 器 RAM
位地址 / 位定义 F4 E4 D4 RS1 BC B4 P3. 4 F3 E3 D3 RS0 BB B3 P3.3 F2 E2 D2 OV BA B2 P3.2 F1 E1 D1 / B9 B1 P3.1 F0 E0 D0 P B8 B0 P3.0
地址 F0H E0 D0H B8H B0H A8H
S2
S3
S4
S5
S6
S1
例:INC
A
S1 P1 P2 S2
S3
S4
S5
S1 S6 P1 P2 S2
S3
S4
S5
S6
ALE
读操作码
பைடு நூலகம்
读下一个操作码(丢弃 )
单字节单周期指令
S1
S2
S3
S4
S5
S6
S1
例:INC
A
读操作码
读第二个字节
双字节单周期指令
S1
S2
S3
S4
S5
S6
S1
例:ADD A,DATA
读操作码