單片機(jī)結(jié)構(gòu)與原理

1、l教學(xué)目的：了解80C51系列單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理 、存儲器結(jié)構(gòu)、時序及復(fù)位電路等硬件內(nèi)容。 l教學(xué)重點(diǎn)：1.內(nèi)部主要組成及工作原理 ；l 2.存儲器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；l 3.I/O 的復(fù)用結(jié)構(gòu)及應(yīng)用特點(diǎn)； 4 .時序及復(fù)位電路的作用。l教學(xué)難點(diǎn)：1 .特殊功能寄存器的作用；l 2 .堆棧及堆棧指針的作用。5. 1. 1 標(biāo)準(zhǔn)型單片機(jī)的組成及結(jié)標(biāo)準(zhǔn)型單片機(jī)的組成及結(jié)構(gòu) l圖 5.2 AT89S51/52內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖l中央處理器（CPU）l數(shù)據(jù)存儲器（內(nèi)部RAM） l程序存儲器（內(nèi)部ROM） l定時/計數(shù)器 l并行I/O口 l串行口 l時鐘電路 l中斷系統(tǒng) l1. 主電源引腳GND和VCCl2.

2、時鐘電路引腳XTAL1和XTAL2 l3. 控制信號引腳l RSTl / VPP l l ALE/ l4. 輸入輸出引腳(P0、P1、P2和P3端口引腳) PSENPSENPSENPSENPROGEA5 52 21 1 存儲器結(jié)構(gòu)和地址空間存儲器結(jié)構(gòu)和地址空間l 圖5.4 AT89S51存儲空間分布圖 l80C51系列單片機(jī)的存儲器在物理結(jié)構(gòu)上可以分為如下4個存儲空間：l 片內(nèi)程序存儲器；l 片外程序存儲器；l 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器；l 片外數(shù)據(jù)存儲器。l但在邏輯上，即從用戶使用的角度上，80C51系列有三個存儲空間：l 片內(nèi)外統(tǒng)一編址的64KB的程序存儲器地址空間（用16位地址）；l 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲

3、器地址空間，尋址范圍為00FFH；l 64KB片外數(shù)據(jù)存儲器地址空間。5.2.2 程序存儲器 1.程序存儲器的結(jié)構(gòu)和地址分配 程序存儲器 用16位地址指針PC和DPTR，尋址范圍為64kB。可選擇片內(nèi)程序存儲器或片外程序存儲器。片外程序存儲器必須通過并行擴(kuò)展總線擴(kuò)展，同時應(yīng)將片外程序存儲器選擇引腳EA接地；選擇片內(nèi)程序存儲器時，EA接高電平。2.程序存儲器的入口地址l0000H： 復(fù)位后，程序?qū)⒆詣訌?000H開始執(zhí)行l(wèi)80C51有5個中斷源，其相應(yīng)的入口地址安排在程序存儲器的固定單元，這些入口地址不得隨意被其它程序指令占用 ：l0003H：外部中斷0入口。l000BH：定時器0溢出中斷入口。

4、l0013H：外部中斷1入口。l001BH：定時器1溢出中斷入口。l0023H：串行口中斷入口。l002BH：定時器2溢出中斷入口。只有AT89S52/C52有） 1片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器的結(jié)構(gòu)及操作 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器采用 8位地址指針，尋址范圍為 256 B，分為兩部分:00H7FH為可直接尋址和間接尋址空間；80HFFH直接尋址的空間為SFR空間，不能作數(shù)據(jù)存儲器用。 對于AT89C52/S52還有一塊只能間接尋址的地址為80HFFH的數(shù)據(jù)存儲器。 2低128字節(jié)RAM 通用工作寄存器區(qū) 位尋址區(qū) 用戶RAM區(qū) 3高128字節(jié)用戶RAM區(qū) 僅AT89S52有4片外數(shù)據(jù)存儲器的結(jié)構(gòu)及操作 片外數(shù)據(jù)存儲

5、器和外圍擴(kuò)展電路統(tǒng)一編址，可尋址范圍為64 KB。 片外數(shù)據(jù)存儲器尋址空間的數(shù)據(jù)傳送使用專門的MOVX指令。片外數(shù)據(jù)存儲器只能和累加器A交換數(shù)據(jù)，通過地址指針DPTR或工作寄存器Ri間接尋址。 圖5.5片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器的配置l80C51單片機(jī)中，在片內(nèi)RAM的80HFFH空間建立了集中的特殊功能寄存器SFR空間，通過該空間的SFR實(shí)現(xiàn)對80C51系列單片機(jī)內(nèi)部資源的運(yùn)行管理操作、位地址空間的操作等。這種集中的、歸一化操作管理寄存器的模式是單片機(jī)內(nèi)部資源操作管理的重要方式。l 采用SFR操作管理方式后，單片機(jī)內(nèi)各種單元電路都可按照可編程集成器件的運(yùn)行管理方式，通過對SFR的讀寫來實(shí)現(xiàn)操作管理。l訪

6、問這些專用寄存器僅允許使用直接尋址的方式。 l80C51系列的SFR 在數(shù)量與功能上大同小異， 它們離散地分布在片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器的高128字節(jié)地址80HFFH中，但他們是不能作為數(shù)據(jù)存儲器使用的，所以對這些特殊功能寄存器是不能隨意寫入數(shù)字的，特別是功能部件中的控制寄存器，不同的數(shù)字將使它們具有不同的工作方式。l特殊功能寄存器并未占滿80HFFH整個地址空間，對空閑地址的操作是無意義的。若訪問到空閑地址，則讀出的是隨機(jī)數(shù)。1訪問這些專用寄存器僅允許使用直接尋址的方式。2對于AT89S52單片機(jī)，其片內(nèi)RAM的80HFFH地址上有2個物理空間（見圖2-6），一個是SFR的物理空間，一個是擴(kuò)展的高12

7、8字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器物理空間，他們所用的地址單元相同，通過不同的尋址方式區(qū)分這2個空間。3這26/32個專用寄存器都可以字節(jié)尋址，其中有11/12個專用寄存器還具有位尋址能力，它們的字節(jié)地址正好能被8整除。（參考書中表）4SFR的位尋址與字節(jié)尋址 80C51中可位尋址SFR的直接地址為OH或8H，相鄰的8個地址號依次作為相應(yīng)的8個位地址號。例如：P1口的口地址是90H（字節(jié)地址），而位地址90H是P1.0，位地址91H是P1.1等等依次類推 。l 1. 程序狀態(tài)字寄存器PSW D7H D6H D5H D4H D3H D2H D1H D0H C AC F0 RS1 RS0 OV - P PSW的各

8、位功能簡要說明如下：C為進(jìn)位標(biāo)志，AC為半進(jìn)位標(biāo)志，F(xiàn)0 為用戶標(biāo)志，RS1和RS0為當(dāng)前工作寄存器組的選擇位： 表27 RS0、RS1對工作寄存器組的選擇 RS1 RS0 寄存器組 片內(nèi)RAM地址 0 0 第 0 組 00H 07H 0 1 第 1 組 08H 0FH 1 0 第 2 組 10H 17H 1 1 第 3 組 18H 1FHlOV 是溢出標(biāo)志位：該位表示在有符號數(shù)進(jìn)行加、減運(yùn)算時，是否發(fā)生了溢出。lP 是奇偶標(biāo)志位：表示累加器A內(nèi)容的奇偶性。 D1H位 也可做用戶標(biāo)志，位名稱需自己定義。 2.ACC3.雙數(shù)據(jù)指針寄存器DPTR0/1 4.SP堆棧指針 堆棧指針SP（Stack

9、Pointer） 中始終存放著堆棧棧頂?shù)牡刂?。每存入或取出一個字節(jié)數(shù)據(jù)，SP就自動加1或減1。堆棧操作過程見圖26。 l 圖5.6 堆棧和堆棧指針示意圖5.4.1 P05.4.1 P0口口1.P0口位電路結(jié)構(gòu)2.工作原理1）P0作為一般IO口 2） P0口作為地址數(shù)據(jù)總線圖5.7 P0口某位結(jié)構(gòu)l5.4.2 P15.4.2 P1口口l1.P1口位電路結(jié)構(gòu)l2.工作原理lP1口作輸出 lP1口作為輸入l3.P1口各位的l第二功能圖5.8 P1口某位結(jié)構(gòu)l1.P2口位電路結(jié)構(gòu)l2.工作原理lP2口作輸出 ,可作為高8位地址線l1）P2口作為輸入 l2）作通用I/O口圖5.9 P2口某位結(jié)構(gòu)l1 1

10、P3P3口位電路結(jié)構(gòu)口位電路結(jié)構(gòu)l2. 2. 工作原理工作原理l1 1）作為通用）作為通用I/OI/Ol2）作為第2功能引腳l（見書中表28）圖5.10 P3口某位結(jié)構(gòu)1 .主要相同點(diǎn)1）鎖存器加引腳的典型結(jié)構(gòu) 2）I/O 的復(fù)用結(jié)構(gòu)I/O 端口的總線復(fù)用 I/O 端口的功能復(fù)用3）在對雙向口作輸入操作時，一定要先向鎖存器寫 “1”，然后才能正確讀入引腳狀態(tài)。 2 .主要不同點(diǎn)1）P1P3為準(zhǔn)雙向口結(jié)構(gòu) 2）驅(qū)動能力不同3）功能不同 l5.5.1 復(fù)位和復(fù)位電路 l復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，單片機(jī)在啟動運(yùn)行時，都需要先復(fù)位，它的作用是使CPU和系統(tǒng)中其他部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀

11、態(tài)開始工作。 圖5.11復(fù)位電路原理圖 l 復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，單片機(jī)在啟動運(yùn)行時，都需要先復(fù)位，它的作用是使CPU和系統(tǒng)中其他部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。 l1. 內(nèi)部復(fù)位信號的產(chǎn)生 圖5.11復(fù)位電路原理圖 l復(fù)位后，PC初始化為0，于是單片機(jī)自動從0單元開始執(zhí)行程序。復(fù)位后片內(nèi)各專用寄存器的狀態(tài)如表3-9所示,表中X為不定數(shù) 。 SFRSFR的復(fù)位狀態(tài)的復(fù)位狀態(tài) lIO口（P0、P1、P2、P3）各位為FFH狀態(tài)，即雙向IO口的輸入狀態(tài)。l堆棧指針 SP=07H，即堆棧底為片內(nèi)RAM的07H單元。l除上述SFRSFR外，其余SFR的復(fù)位狀態(tài)復(fù)位狀態(tài)大部分為零或?yàn)殡S機(jī)數(shù)。 （a） 上電復(fù)位 （b）按鍵脈沖復(fù)位 （c）按鍵電平復(fù)位圖5.12 復(fù)位電路 l1.振蕩器和時鐘電路原理圖5.13 振蕩器工作原理 圖5.14內(nèi)部時鐘方式 圖5.15外時鐘源接法 l5.6.1 電源控制寄存器PCON (87H) l D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 lSMOD GF1 GF0 PD IDLl其各位作用如下：l（l）SMOD：波特率倍增位。在串行口工作方式1、2或3下，SMOD1使波特率加倍l（詳見第7章）。l（2）GF1和GF0：通用標(biāo)志位。用戶用軟件置、復(fù)位。l（3）PD：