微机原理与应用自学课件 第二章

2 中央处理器与单片机
2.3 MCS-51单片机
CPU组成
控制器 IR：指令寄存器，8bit，存放当前要执行的指令码； ID：指令译码器，对指令码进行译码； TC：定时与控制部件，控制CPU执行指令。 需要一个时钟信号fosc、2个输入控制信号/EA、RST 输出4个控制信号：/PSEN、ALE、/RD、/WR。 OSC：一个振荡电路， 结合外部定时器件产生 方波脉冲信号，供TC 作为时钟信号fosc。
2 中央处理器与单片机
2.1 中央处理器(CPU)
内部结构与组成
运算器：完成算术和逻辑运算 ALU (Arithmetic and Logical Unit) 算术逻辑运算单元：对2个输入操作数 A和TR进行加算术和逻辑运算，运算 结果输出到A和PSW。 A (Accumulator)：累加器 存放ALU的一个操作数，运算结果也 输出到A，以便连续运算使用， “累加器” 的称呼也由此而来。 TR (Temporary Register)：暂时寄存器，存放ALU的另一个操作数。 PSW (Program Status Word)：程序状态字，存放ALU运算结果的状态， 如结果是否为零、是否出现溢出和借位等。 RA (Register Array)：通用和专用寄存器组，存放各种数据和地址。
2 中央处理器与单片机
2.1 中央处理器(CPU)
工作原理与过程
CPU工作过程 现有一段程序从地址0000H开始存储 在该芯片中，工作过程如下： CPU复位，PC=0000H； 控制器输出地址0000H选择存储器 的0000H单元，机器码76H从D0~D7 输出到DB上； 控制器输出读信号从DB上读入76H、 锁存到IR、将PC加1，使PC=0001H； 译码76H、并执行： 若0001H单元中的12H是76H所需的 操作数，则读入，并将PC加1； 若是下一条指令，则从第2步重复。 如此连续不断，永远进行下去，直至复位、掉电或损坏。 要有多少程序供CPU那样永远执行?
2 中央处理器与单片机
2.3 MCS-51单片机
存储器组成
数据存储器 外部数据存储器 地址范围：0000H~FFFFH，共有64K。 根据需要在外部扩展，有专门的指令用于访问它们。 内部数据存储器(RAM) 共有256字节，分为低128字节和高128字节2部分。 高128字节 地址范围：80H~FFH，由用户自定义用途。 SFR：使用80H~FFH地址空间→冲突。 解决办法：采用直接寻址方式访问SFR ，采用寄存器间接寻址方式存取高128字节。 只有8052系列单片机的具备高128字节， 8051系列的只有低128字节；即使没有高128 字节，访问SFR也必须采用直接寻址方式。 低128字节：地址范围00H~7FH，采用2种寻址方式均可。
AC：辅助进位标志 加减运算时，若A的b3发生进位或借位时置1，否则置0。 F0：用户标志位，由用户(编程者)分配使用。
2 中央处理器与单片机
2.3 MCS-51单片机
CPU组成
运算器 PSW
RS1、RS0： 4组寄存器选择位，选择哪一个使用R0~R7符号。 OV：溢出标志位，形成规则：CP CS 用于符号数(补码)运算时，判断是否出现溢出，即A中的运算结果是否超 出了的表示范围(-128～+127)。若超出范围OV =1，否则OV =0。 CP=1：b7到b8有进位/借位， CS=1：当b6到b7有进位/借位。 P：奇偶标志位 指示A中1的个数的奇偶性。 P =1：1的个数是奇数；P =0：1的个数是偶数。
Ch2 中央处理器与单片机
◘ 2.1 中央处理器(CPU) ◘ 2.2 单片机概述 ◘ 2.3 MCS-51单片机
2 中央处理器与单片机
2.1 中央处理器(CPU)
内部结构与组成
虚线框内：运算器，以外的：控制器。 内部数据总线(Internal Data Bus)： “无箭头双线” 将CPU内部的各个组成部分连接起来 通过数据总线缓冲器DBB (Data Bus Buffer)缓冲后输出到CPU芯片外部 ，成为数据总线信号DB，用于读写存储器、I/O口等数据。
2 中央处理器与单片机
2.3 MCS-51单片机
存储器组成
内部低128字节数据存储器 通用寄存器区：地址范围00H~1FH 4组R0~R7，每组占用8个字节 4组寄存器共享1组符号R0~R7， 究竟它们代表哪一组，由PSW中的RS1、RS0确定。 当然不用作为通用寄存器，用户可自行定义其功能。 可位寻址区：20H~2FH共16个字节，除了可按字节进行访问外， 也可按bit进行访问，位地址范围：00H~7FH
2 中央处理器与单片机
2.1 中央处理器(CPU)
内部结构与组成
控制器：CPU的指挥中心 IR (Instruction Register) 指令寄存器，存储从内存中 取出的指令机器码； ID (Instruction Decoder) 指令译码器：将指令翻译成 对应的具体控制信号，控制 TC执行具体的指令功能。 PC、IR和ID等被称为指令部件。 TC (Timing and Control)：定时与控制部件，依据时钟信号fosc产生执行 指令所需要的定时脉冲信号、微操作控制序列，控制运算器完成指令规定的 操作；还产生输出到外部的控制总线CB信号。 控制器在取出一个字节机器码后，TC控制PC加一，指向指令机器码的下 一个字节，为下一次读取机器码做好准备。
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2 中央处理器与单片机
2.3 MCS-51单片机
是Intel推出的8bit系列高档单片机，现有许多单片机都与其兼容。
内部数据总线
连接CPU的各个部分 通过缓冲器(Buffer) 与PC、DPTR等连接； 通过P0 Drive输出到 片外，成为外部 数据总线信号DB。
2 中央处理器与单片机
2.3 MCS-51单片机
存储器组成
MCS-51单片机的存储器组成比较复杂： 程序存储器、数据存储器、特殊功能寄存器 程序存储器又有内部和外部之分 数据存储器也有内部和外部之分 程序存储器(ROM)，共有64K 地址范围：0000H~FFFFH 由内部和外部2部分组成。 图中： 内部：4K、地址范围：0000H~0FFFH； 外部：60K、地址范围：1000H~FFFFH。 内部和外部中地址重叠的部分不能同时 使用，实际上也是不会出现这种情况的。 通过引脚/EA，告知CPU：使用内部的还是外部的。
2 中央处理器与单片机
2.2 单片机概述
发展及产品概览
产品发展 1974年：仙童(Fairchild)公司推出得F8单片微型计算机 该机含8位CPU、64字节数据存储器和2个并行I/O接口，其它必须外接， 且采用了2片结构，还不是真正意义上的单片机。 1976年：Intel推出了MCS-48系列单片机 内含8位CPU、1K字节程序存储器、64字节数据存储器、1个8位定时/计数 器和27条I/O口线，是一个真正意义上的单片机。但开辟了市场，促进了单 片机技术与应用的迅猛发展。 进入1980年：Intel推出了MCS-51系列8位单片机，单片机的代表、模范 ，功能和性能有了大幅度提高。 到了1984年，Intel推出了16位的MCS-96系列单片机；接着Motorola推 出了32位的M68300系列，日立(Hitachi)推出了SH系列32位单片机。 此后，单片机技术只是在性能和特殊功能部件上进行加强，没有更大的 发展。
2 中央处理器与单片机
2.2 单片机概述
发展及产品概览
产品发展 现在，有许多公司生产单片机，产品已达近百个系列、成千个品种。
如此多型号的单片机，如何比较? 哪一种是最好的? 如何选择? 硬件和软件，以适当的成本，满足应用要求！
2 中央处理器与单片机
2.2 单片机概述
应 用
单片机功能强大、使用灵活、体积小、价格低廉，应用非常广泛。 大幅度提高了传统产品的性能价格比，甚至实现了传统技术无法完成的任务 ，已经深入到工农业的各个领域和日常生活中。 应用中，单片机的作用主要表现为： 取代传统的模拟控制电路，实现数字化控制； 取代传统的组合逻辑，实现软件逻辑控制； 取代传统的信号处理电路，实现数字化信号处理； 取代机械系统的控制方法，实现数字化、智能化控制 改变了传统的处理与控制方式，实现智能化处理与控制。
便笺区(jian) ：30H~7FH共96个字节，由用户自定义用途。
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2.3 MCS-51单片机
CPU组成
运算器 算术逻辑单元ALU、累加器A、暂存器TMP1、 TMP2和程序状态字PSW，它们都是8bit的， 作用与前面介绍的CPU相同。 PSW Cy：进位标志， 当A的b7发生进位/借位时置1，否则置0； 用于无符号运算时判断是否溢出，多字节加减运算，移位操作等。
2 中央处理器与单片机
2.1 中央处理器(CPU)
工作原理与过程
半导体存储器与CPU的连接 一半导体存储芯片：有2K个存储单元、每个单元包含8Bit，即该芯片有 A0~A10共11条地址线、D0~D7共8条数据线。
A0~A10：连接到CPU的AB D0~D7：连接到CPU的DB RD、WR(读写)：连接到CPU的CB
2 中央处理器与单片机
2.2 单片机概述
单片机是单片微型计算机的简称。 主要部件都集成在一片IC中，连线很短，抗干扰能力较强。
内部结构
CPU 单片机的核心 内部总线 AB、DB、CB 连接单片机内 部的各个组成部分。 程序存储器：存放单片机要执行的程序和部分数据。 一般采用半导体只读存储器 (ROM)，掉电后程序不消失。 数据存储器：存放程序运行中所使用的数据， 一般选用半导体随机存储器 (RAM)，可随时读写。 程序和数据存储器都是内存，但二者的地址空间是分开的。 时钟电路：振荡器电路，外接定时器件产生单片机需要的时钟信号。
2 中央处理器与单片机
2.2 单片机概述
内部结构
复位电路： 一个单脉冲信 号产生电路， 外接定时器件 产生单片机需 要的复位信号。 中断控制器：完成中断系统的控制，是单片机必备的部件，且中断源有 内部和外部两类，内部源来自内部得特殊功能部件。 并行I/O接口：用于数据的并行输入/输出，AB、DB、CB和特殊功能部 件信号的输入/输出。 串行I/O接口：支持串行通信，仅需要2条数据传输线(TXD和RXD)。 定时/计数器：用于定时和计数，是应用中常用的功能。 特殊功能部件：模拟数字转换器(ADC)、数字模拟转换器(DAC)、脉宽 调制器(PWM)、串行I/O接口、定时/计数器。
2 中央处理器与单片机
2.1 中央处理器(CPU)
工作原理与过程
半导体存储器的基本结构 存储阵列 包含若干存 储单元，每 个单元由若 干bit组成， 在片内有唯 一的地址。 存储单元1 的地址为0001H 地址寄存器：锁存来自芯片外部的地址信号An~A0(编码格式) 地址译码器：将地址译成唯一的电路地址信号，选择某个存储单元。 数据寄存器：控制存储阵列中数据的输入/输出 读信号Read，写信号Write，数据线Dn~D0。 芯片选择信号CS：在使用多片存储器时，An~A0、Dn~D0由所有芯片 共用，它区分读写哪一个芯片---芯片的电路地址信号。
2 中央处理器与单片机
2.1 中央处理器(CPU)
内部结构与组成
控制器：CPU的指挥中心 从存储器读取指令、根据 指令指挥CPU的各部分完 成指令规定的功能，并进 行中断控制。 PC (Program Counter) 程序计数器，专用寄存器， 用于存放当前要执行指令的 机器码在内存中的地址。 PC的值通过地址总线缓冲器ABB (Address Bus Buffer)缓冲后输出到 CPU芯片外部，成为地址总线信号AB。 CPU复位后，PC值被设置为一个固定值； 该值确定了复位后CPU要执行的第一条指令机器码在内存中的地址。