单片机的硬件结构及原理

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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。
2.4 存储器的结构
图 2.4 MCS - 51 单片机的存储器结构
1.
对 于 8051 来 说 , 程 序 存 储 器 ( ROM ) 的 内 部 地 址 为
0000H~0FFFH, 共 4 KB; 外部地址为 1000H~FFFFH, 共 60
二、单片机的特点 (1)优异的性能价格比。 (2)集成度高、体积小、有很高的可靠性。
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。
2.2.3 MCS - 51单片机的内部结构
时钟源 T0 T1
时钟电路
SFR和RAM
ROM
定时/计数器
CPU



线
并行端口
串行端口
中断系统
P0 P1 P2 P3
TXD RXD
INT0 INT1
图 2.1 MCS - 51单片机结构框图
2.3 中央处理器CPU
2.3.1 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。
2.5 并行输入/输出接口
1. P0口
图 2.5 P0 口内部一位结构图
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
表 2.6 SFR
表 2.6 SFR
3.
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 0000H~0FFFFH。 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。
初始化为07H。
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
址, 一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。
2. 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00H~FFH, 分为两大部分: 低 128 字节( 00H~7FH )为真正的 RAM 区 ; 高 128 字节
P=1,则累加器A中 1 的个数为奇数 P=0,则累加器A中 1 的个数为偶数
表 2.2 RS1、 RS0与片内工作寄存器组的对应关系 RS1
0 0 1 0
RS0
0 1 0 1
片内PAM 通用寄存器 寄存器组 地址 名称 00H~07H R0~R7 0组 08H~0FH R0~R7 1组 10H~17H R0~R7 2组 18H~1FH R0~R7 3组
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, 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
2.2 MCS - 51单片机硬件结构
2.2.1 MCS - 51系列单片机的分类
表 2.1 MCS - 51 系列单片机配置一览表 资源
片内ROM形式


配置 无
系列 51子系列 52子系列
ROM EPR E2PR OM OM
片 片 内 内 ROM RAM 容 容 量 量
中 定时/ 断 计数器 源
(80H~FFH)为特殊功能寄存器区SFR。
在低 128 字节RAM中, 00H~1FH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R0~R7。寄存器
和RAM地址对应关系如表 2.4。
表 2.4 寄存器与RAM 地址对照表
表 2.5 RAM中的位寻址区地址表
表 2.6 SFR
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) D7
Cy
D6
AC
D5
F0
D4
RS1
D3
RS0
D2
OV
D1

D0
第1章 单片机的硬件结构和原理
1.1 概述
1.2 MCS -51单片机硬件结构
1.3 中央处理器CPU
1.4 存储器的结构
1.5 并行输入/输出接口 1.6 单片机的引脚及其功能 1.7 单片机工作的基本时序
第 2 章 单片机的硬件结构和原理
1.1
概 巨

计 算 机

中 小 微 单片机 多片机(PC)
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 2 章 单片机的硬件结构和原理
2 .单片机的应用领域 ①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);
P
PSW
第 2 章 单片机的硬件结构和原理
位 7 6 5 4 3 2 1 0
标志 CY AC F0 RS1 RS0 OV P


进位标志位 辅助进位标志位 用户标志位 当前寄存器区选择 位 当前寄存器区选择 位 溢出标志位 保留位 奇偶标志位
功 能 1.是存放算术运算的进位标志,有进位或借位时置 1 2.是在布尔运算中作累加位使用 作 BCD 运算时,低 4 位向高 4 位进位或借位时为 1 了,置“ 1” 用户可用软件自定义的一个状态标记 见表 2-2 所示 见表 2-2 所示 作算术运算时 OV=0,未溢出 作算术运算时 OV=1,溢出
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
单片机复位时,RS1=RS2=00,默认为第0组
2.3.2 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
2. 复位电路
图 2.3 (a)上电复位电路;(b) 开关复位电路 取C1=22uF电解电容,R=1KΩ, R1=100Ω R2=1KΩ
表 2.3 复位后内部寄存器状态
3.
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。
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0000H~0FFFFH共 64 K.。 程序中的每条指令存放在ROM区的某一单元, 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。
8031 8051 8751 8951 4KB 128B 2×16 8032 8052 8752 8952 8KB 256B 3×16
5 6
其中,51系列为基本型,52系列为增强型;
第 2 章 单片机的硬件结构和原理
2.2.2
AT89系列
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。 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;
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, 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。
2.6 单片机的引脚及其功能
图 2.6 MCS - 51 (a) 管脚图; (b) 8031 引脚功能分类
(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,在编程期间,该
引脚用作编程脉冲PROG的输入端。
(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 2 章 单片机的硬件结构和原理
★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 CPU 微型机 存储器 输入/输出接口
②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);
③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);
④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); ⑤在军事方面(飞机、大炮、坦克、军舰、导弹、火箭、 雷达等)。
第 2 章 单片机的硬件结构和原理
地址总线AB 数据总线DB
微 处 理 器 CPU
控制总线CB
ROM
RAM
I/O接口
外 设
微型机组成框图
第 2 章 单片机的硬件结构和原理
时钟OSC
程序存储器 ROM
数据存储器 RAM
CPU
中断
各种I/O
定时器/计数器
MCS-51单片机组成框图
第 2 章 单片机的硬件结构和原理
Байду номын сангаас
第 2 章 单片机的硬件结构和原理
(3)控制功能强。
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。
(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 2 章 单片机的硬件结构和原理
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