单片微机原理与应用 教学课件 ppt 作者 罗印升 2011-part_02

1、2019/5/25,1,“单片机原理与应用”课程,第 2 章 51系列单片机的结构及原理,2019/5/25,2,第2章：51系列单片机的结构及原理,2.1 51系列单片机的结构原理,2.2 51系列单片机的存储器组织,2.3 51系列单片机的输入/输出口,2.4 51系列单片机的时钟电路与时序,2.5 51系列单片机的复位电路,2.6 低功耗工作方式与看门狗定时器,2019/5/25,3,【基本知识点与要求】 理解51系列单片机的内部结构、基本组成、访问存储器的时序、低功耗工作方式、看门狗定时器。 (2) 熟练掌握51系列单片机的引脚与功能。 (3) 熟练掌握51系列单片机的存储器组织与I/O接口的特点、操作方法。 (4) 熟练掌握51系列单片机的时钟电路、时序及其相关概念 和复位电路。,【重点与难点】 重点是51系列单片机的内部资源、外部引脚与功能、存储器组织、时钟电路、时序和复位电路。难点是内部数据存储器及高128B数据存储单元与SFR区域的区别与使用方法，访问片外ROM/RAM的指令时序。,第2章：51系列单片机的结构及原理,2019/5/25,4,2.1 51系列单片机的结构

2、原理,2.1.1 51系列单片机的基本组成：,2019/5/25,5,2.1 51系列单片机的结构原理,2019/5/25,6,2.1 51系列单片机的结构原理,1. 一个 8位CPU； 2. 4KB片内ROM/EPROM/Flash、128B RAM； 3. 4个8bit并行 I/O口 P0P3； 4. 2个16位定时器/计数器T0、T1； 5. 片内中断处理系统，5个中断源，2级中段； 6. 片内全双工异步串行I/O口UART； 7. 时钟电路。,89C52的变化，8K Flash ROM代替4k ROM, RAM增加到256B, 增加了一个16bit定时/计数器（ T2 ）。,2.1.1 51系列单片机的基本组成：,2019/5/25,7,2.1 51系列单片机的结构原理,2.1.1 51系列单片机的内部组成：,1. 中央处理单元CPU,（1）运算器 以ALU（Arithmetic and Logical Unit）为核心，由暂存器1、暂存器2、累加器ACC(Accumulator，简称A)、B寄存器、布尔处理器和程序状态寄存器PSW（Program Status Word） 组

3、成。 主要完成: 算术运算（加、减、乘、除、增量、减量、十进制数调整）、逻辑运算（与、或、异或）、位运算（位置“1”、置“0”和取反）和数据传送等操作，运算结果的状态由PSW保存。,2019/5/25,8,2.1 51系列单片机的结构原理,（2）控制器 由程序计数器PC(Program Counter)、PC加1寄存器、指令寄存器IR（Instruction Register）、指令译码器ID（Instruction Decoded）、数据指针DPTR(Data Pointor)、堆栈指针SP(Stack Pointor) 、缓冲器和定时控制电路等组成。 主要完成指挥控制工作，协调单片机各部分正常工作。,2. 片内存储器 51系列单片机存储器空间有程序存储器和数据存储器两个独立的空间，这种形式为哈佛结构（分别独立编址）。AT89S51有128B的片内数据存储器RAM、可外扩展64KB；有4KB可在系统编程的Flash ROM，可外扩展到64KB。,2019/5/25,9,2.1 51系列单片机的结构原理,3. I/O接口与部件 51系列单片机有4个8位并行I/O接口。每一个接口都有数据

4、输出锁存器、输入缓冲器和输出驱动器。锁存器作为特殊的寄存器属于端口，具有端口地址。CPU通过内部总线对I/O接口中的寄存器进行读写，由于每一个接口只有一个端口，对单片机而言就不再区分两者，我们把4个接口和其中的锁存器都统一标记为P0P3，简称为P0口、P1口、P2口和P3口。51系列单片机还有1个可编程全双工异步串行I/O接口UART。,这里所讲的并行就是所有各位数据同时并排传输的方式； 串行就是所有各位数据按一定顺序，一位接着一位传输的方式。 另外，还有定时器/计数器、中断系统。,2019/5/25,10,2.1 51系列单片机的结构原理,2.1.2 单片机引脚及功能,RST/VPD,Vss,Vcc,P0口: I/O 口 或 数据总线/低8位地址总线复用口,P1口: I/O口,P3口: I/O口或第2功能口,P2口: I/O口 或 高8位地址总线,控制总线,控制总线,时钟,复位引脚,2019/5/25,11,2.1 51系列单片机的结构原理,51系列单片机的引脚可分3类：电源引脚、控制引脚、输入/输出（I/O）引脚。以DIP-40封装说明引脚功能。,1. 电源引脚（2根） （1）Vc

5、c（Volt Current Condenser，第40引脚）：电源端，接+5V电源。 （2）GND（Ground，第20引脚）：接地引脚，有时标记为Vss。,2. 控制引脚（6根） （1）RST/VPD（Reset，第9引脚）：复位信号输入引脚/备用电源输入引脚。,2019/5/25,12,2.1 51系列单片机的结构原理,（2）XTAL1（第19引脚）：晶体振荡器接入的一个引脚。若采用外部输入时钟信号，对CHMOS型51系列单片机，此引脚作为外部时钟的输入端；对HMOS型51系列单片机，此引脚接地。,（3）XTAL2（第18引脚）：晶体振荡器接入的另一个引脚。若采用外部输入时钟信号，对CHMOS型51系列单片机，此引脚悬空；对HMOS型51系列单片机，此引脚作为外部时钟的输入端。,2019/5/25,13,19,18,C1,C2,振荡频率1.2MHz12MHz,晶振,内部时钟方式电路设计原理图,C1、C2取值对振荡频率输出稳定性、大小及振荡电路的起振速度有一定的影响。,2.1 51系列单片机的结构原理,2019/5/25,14,2.1 51系列单片机的结构原理,PSEN(29),名

6、称,功 能,片外取指信号（片外程序存储器读）输出低电平有效。通过P0口读回指令或常数。 控制的是片外程序存储器,程序存储器选择信号,0 时，选外部ROM；,1，地址小于4k时，选内部ROM,地址大于4k时，选外部ROM,P0口是数据/地址复用口,P0口输出数据信息,P0口输出地址信息,锁存地址,2019/5/25,15,2.1 51系列单片机的结构原理,2. 输入 / 输出引脚（32根）,（1）P0口（P0.0P0.7，第3932引脚）作双向I/O口使用或者作为地址总线低8位/数据总线使用。,（2）P1口（P1.0P1.7，第18引脚）：P1口的第一功能是作为准双向I/O口使用，其功能完全由用户程序进行定义。这里称准双向口是由于接口内部有拉高电路。,2019/5/25,16,2.1 51系列单片机的结构原理,（3）P2口（P2.0P2.7，第2128引脚）：P2口作为一般的准双向I/O口使用或者高8位地址总线输出引脚。在对AT89S51片内的Flash进行并行编程和校验时，P2口接收高8位地址信号和一些控制信号。,（4）P3口（P3.0P3.7，第1017引脚）：P3口一般作为准双向I

7、/O口使用或者第二功能引脚。在对AT89S51片内的Flash进行并行编程和校验时，P3口接收控制信号。,2019/5/25,17,2.1 51系列单片机的结构原理,P3口的第二功能,2019/5/25,18,2.2 51系列单片机的存储器组织,51系列单片机的存储器从物理位置看，有4个存储器空间，即片内数据存储器（简称片内RAM）、片内程序存储器（片内ROM）、片外数据存储器（片外RAM）和片外程序存储器（片外ROM），如图所示 。,51系列单片机存储器的物理位置,2019/5/25,19,从使用的角度来看，51系列单片机的存储器空间又可分为3 个部分，如图所示。,2.2 51系列单片机的存储器组织,程序存储器 数据存储器 外部数据存储器,2019/5/25,20,（1）片内外统一编址的64KB程序存储器空间，地 址范围0000H0FFFFH。 （2）64KB的片外数据存储器空间，地址范围 0000H0FFFFH。 （3）51单片机片内数据存储器RAM 128B，地址 范围为00H7FH；增强型AT89S52的片内数据存 储器RAM 256B，地址范围为00H0FFH。,2.2 51

8、系列单片机的存储器组织,2019/5/25,21,2.2.1 程序存储器空间,(a) ROM空间地址分布 (b) ROM低地址中断入口单元,2019/5/25,22,51系列单片机的程序存储器ROM主要用来存放程序、常数 或表格等，最大寻址空间64KB。 AT89S51片内有4KB的 Flash ROM，80C51内部有4KB的掩膜ROM，87C51内部 有4KB的EPROM(OTP)，而80C31内部没有程序存储器。,当 =1时：程序计数器PC在0000H0FFFH范围内（即 前4KB单元），则执行片内Flash ROM中的程序；PC的值超过 0FFFH时，则会自动转去执行片外ROM中1000H0FFFFH范 围的程序。 当 =0时：只能寻址片外程序存储器，地址从0000H开始， 到0FFFFH。,2.2.1 程序存储器空间,2019/5/25,23,2.2.2 数据存储器空间,51系列单片机的数据存储器RAM主要用来存放数据和运算的中间结果等。51系列单片机的数据存储器分片内RAM和片外RAM两部分。,(a) 片内RAM和SFR空间分布 (b) 片外RAM空间单元,2019/5/2

9、5,24,2.2.2 数据存储器内部低128B,1工作寄存器区： 4组寄存器（寄存器阵列）。即4个工作寄存器0区3区，每组8个寄存单元（每单元8位），以R0R7作寄存器名，暂存运算数据和中间结果。字节地址为00H1FH。 2位寻址区 ：字节地址为20H2FH，既可作RAM，也可位操作。共有16个RAM单元，共128位，位地址为00H7FH。 3用户RAM区： 80个单元，地址为30H7FH，在一般应用中常作堆栈区。,2019/5/25,25,2.2.2 数据存储器内部低128B,2019/5/25,26,这些寄存器的功能已经作了特殊规定，通常用来存储当前要执行的指令的存储地址、操作数和指令执行后的状态等信息。因此也称为特殊功能寄存器，简称为SFR寄存器。访问SFR只能使用直接地址方式。,51单片机片内数据存储器的高128字节单元供专用寄存器使用，它们分布在单元地址为80H0FFH的空间中。,2.2.2 数据存储器高128B+外,51系列单片机可以扩展64KB的RAM和I/O端口，外部RAM和I/O端口是统一编址的，CPU对他们具有相同的操作。,2019/5/25,27,2.2.3 特殊功能寄存器,80C51 有21个SFR，AT89S51单片机在此基础上增加了1组数据指针（DP1，16位）、2个辅助寄存器（AUXR、AUXR1）和一个看门狗定时器复位寄存器（WDTRST），总计有26个特殊功能寄存器。其中的11个具有位寻址功能，它们的字节地址能够被8整除，即字节地址的十六进制数最低位是0或8。,2019/5/25,28,2019/5/25,29,2.2.3 特殊功能寄存器,(1) 累加器 ACC（Accumulator 8位） 用于存放操作数或运算中间结果的8位专用寄存器，如算术运算、逻辑运算、数据传送、移位操作等。其物理地址为0E0H，也可使用ACC代表物理地址。对ACC可进行位寻址，通常用ACC.n（n=07）表示。,(2) 寄存器B （8位） 与累加器A配合执行乘、除运

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