單片機的基本結構與工作原理市公開課一等獎省賽課獲獎課件

第二章

單片機基本結構與工作原理課時：4關鍵點：單片機基本組成、引腳功效、結構及特點、存放器結構、工作方式。重點：MCS-51單片機結構及特點、存放器結構。1單片機的基本結構與工作原理第1頁內容課時：22.1單片機基本組成2.280C51單片機引腳功效和結構框圖2.380C51CPU結構和特點課時：22.4存放器結構和地址空間2.5布爾（位）處理器2.680C51單片機工作方式仿真軟件介紹

2單片機的基本結構與工作原理第2頁2.1單片機基本組成特征：將組成計算機基本部件集成在一塊芯片上。中央處理器、并行可編程I/O、可編程串行口、定時器/計數(shù)器、定時電路及元件等。3單片機的基本結構與工作原理第3頁2.280C51單片機引腳功效和結構框圖圖2-280C51/80C52封裝及邏輯圖4單片機的基本結構與工作原理第4頁2.2.1引腳功效管腳圖P16,圖2-2P15，對照書看管腳介紹。注意：T2為80C52定時器/計數(shù)器2計數(shù)輸入端，T2EX為80C52定時器/計數(shù)器2定時輸入端。5單片機的基本結構與工作原理第5頁2.2.2內部結構框圖和組成

圖2-380C51內部結構框圖ALUACC（A）ROMRAM指令存放器IR地址存放器PCDPTRT/CI/OPSW定時控制邏輯6單片機的基本結構與工作原理第6頁2.380C51CPU結構和特點7單片機的基本結構與工作原理第7頁2.3.1中央控制器組成：程序計數(shù)器PC、程序地址存放器、指令存放器IR、指令譯碼器、條件轉移邏輯電路及定時控制邏輯電路。功效：控制指令讀出、譯碼和執(zhí)行，對指令執(zhí)行過程進行定時控制，并依據執(zhí)行結果決定是否分支轉移。與運算器一起組成中央處理器。8單片機的基本結構與工作原理第8頁1.PC和DPTR（1）PC由PC（PCH、PCL）、指令存放器IR、指令譯碼器ID等組成。尋址范圍64K，16根地址線。工作方式：PC+1、條件或無條件轉移、調用或中止，3種。0000HFFFFHPC+10000HFFFFH轉移0000HFFFFH中止0000HFFFFH調用CALLSPPC工作方式9單片機的基本結構與工作原理第9頁圖2-4程序計數(shù)器PC輸出與P0、P2口之間關系10單片機的基本結構與工作原理第10頁PC←A+DPTR（2）數(shù)據指針DPTR16位（DPL、DPH）訪問片外數(shù)據存放器：MOVXA，@DPTR讀MOVX@DPTR，A寫訪問程序存放器：MOVCA，@A+DPTR變址基址JMP@A+DPTR變址基址圖2-5DPTR輸出與P0、P2口之間關系11單片機的基本結構與工作原理第11頁DPTR可作為存放器使用作為16位存放器使用：MOVDPTR，#16位地址INCDPTR作為8位存放器使用：CJNEA，DPL，$CJNEA，DPH，$指令存放器IR、指令譯碼器ID及控制邏輯參考P21，簡單介紹。12單片機的基本結構與工作原理第12頁2.3.2運算器組成：算術和邏輯運算單元ALU、累加器ACC、暫存器TMP1和TMP2、存放器B以及程序狀態(tài)字PSW等。ACC（8位）地位特殊，很多運算都要經過其完成。以后在學習指令時，慣用A來表示累加器。但有一些地方例外，比如在PUSH指令中，就必須用ACC表示。圖2-7算術邏輯運算單元ALUALU功效：加減乘除；AND、OR、XOR；位操作；左、右移；半字節(jié)交換；BCD運算13單片機的基本結構與工作原理第13頁ACC（最頻繁使用存放器）（1）是ALU輸入，又是ALU運算結果存放單元。（2）中轉站。（3）有一部分傳送指令不經過ACC，降低堵塞現(xiàn)象，如MOVDPTR，#16位地址。B存放器普通情況下，能夠做為通用存放器來用，不過，在執(zhí)行乘法和除法運算結時。B就參加其中，存放運算一個操作數(shù)和運算后一個結果。14單片機的基本結構與工作原理第14頁程序狀態(tài)字PSW仿真程序證實可用15單片機的基本結構與工作原理第15頁MULA，B時，若積>255，則OV=1，說明B中有高8位積。DIVA，B時，若除數(shù)為0，則OV=1。（3）存放器區(qū)選擇控制位RS1，RS0，在下節(jié)講解。（4）F0，用戶可使用通用標志位。可實現(xiàn)分支轉移。16單片機的基本結構與工作原理第16頁17單片機的基本結構與工作原理第17頁2.3.3時鐘電路及CPU工作時序時鐘電路用于產生單片機工作所需要時鐘信號，而時序所研究是指令執(zhí)行中各信號之間相互關系。1.時鐘電路（1）時鐘電路見圖2-8，說明三個輸出作用。（2）振蕩器電路：C1=C2=10~30pF，CYS=1.2~12MHz圖2-880C51單片機時鐘電路18單片機的基本結構與工作原理第18頁2.時序定時單位（1）振蕩周期：為單片機提供時鐘信號振蕩源周期。（2）時鐘周期：是振蕩源信號經二分頻后形成時鐘脈沖信號。（3）機器周期：通常將完成一個基本操作所需時間稱為機器周期。（4）指令周期：是指CPU執(zhí)行一條指令所需要時間。一個指令周期通常含有1～4個機器周期。19單片機的基本結構與工作原理第19頁3.指令時序

后面演示圖2-1080C51取指/執(zhí)行時序共有111條指令，按其長度可分為單字節(jié)指令、雙字節(jié)指令和三字節(jié)指令。執(zhí)行這些指令所需要機器周期數(shù)目是不一樣：單字節(jié)單機器周期指令、單字節(jié)雙機器周期指令、雙字節(jié)單機器周期指令和雙字節(jié)雙機器周期指令，三字節(jié)指令都是雙機器周期，而單字節(jié)乘除指令則均為四機器周期。20單片機的基本結構與工作原理第20頁演示“單片機課件”之第二章4.2謝謝各位同學21單片機的基本結構與工作原理第21頁2.4存放器結構和地址空間因為單片機“面向控制”實際應用特點，普通需要較大程序存放器，所以普遍采取哈佛結構。22單片機的基本結構與工作原理第22頁圖2-1180C51存放器映象圖①在物理上設有4個存放器空間③在訪問這3個不一樣邏輯空間時，應選取不一樣形式指令：MOVC、MOV、MOVX②在邏輯上設有3個存放器地址空間從片外開始執(zhí)行0000H從片內開始執(zhí)行52系列單片機80H~FFH是數(shù)據存放器和特殊功效存放器地址重合空間23單片機的基本結構與工作原理第23頁2.4.1程序存放器80C31無片內ROM，80C51有4K一次性淹膜ROM，87C51有4KEPROM，89C51有4KE2PROM。以后有可能做64KB。P2924單片機的基本結構與工作原理第24頁幾個ROM區(qū)分ROM：只讀存放器。一次性。EPROM：可擦除可編程只讀存放器，斷電后仍能保留數(shù)據。一旦編程完成后，能用強紫外線照射來擦除。EEPROM(E2PROM)：電可擦除可編程只讀存放器。25單片機的基本結構與工作原理第25頁程序存放器一些單元被保留用于特定程序入口地址（P30，非常主要）程序存放器一些單元被保留用于特定程序入口地址。系統(tǒng)復位后PC地址為0000H。0003H~002BH為中止服務程序入口地址，禁止主程序使用。26單片機的基本結構與工作原理第26頁2.4.2數(shù)據存放器RAM：隨機存取記憶體。RAM和ROM相比，二者最大區(qū)分是RAM在斷電以后保留在上面數(shù)據會自動消失，而ROM就不會。27單片機的基本結構與工作原理第27頁1片內數(shù)據存放器1234P3228單片機的基本結構與工作原理第28頁（1）片內數(shù)據RAM區(qū)。依據尋址方式不一樣可分為以下4個區(qū)域。（一）工作存放器（00H~1FH）特點：執(zhí)行速度最快。其使用方法見下述程序：CLRPSW.3CLRPSW.4MOVR0，#01H ；（00H）=01HSETBPSW.3MOVR0，#01H ；（08H）=01HCLRPSW.3SETBPSW.4MOVR0，#01H ；（10H）=01HSETBPSW.3MOVR0，#01H ；（18H）=01H29單片機的基本結構與工作原理第29頁（二）位尋址區(qū)20H~2FH共16個字節(jié)分別對應00H~7FH共128位。見P33表2-2。

SP=07H30單片機的基本結構與工作原理第30頁特點：既可字節(jié)尋址，也可位尋址。與SFR組成布爾（位）處理器。例：下面程序執(zhí)行結果是一樣。CPL0CH ；將（21H）中第5位取反MOVA，21H ANLA，#00010000BJZLB1ANL21H，#11101111BSJMPLB2LB1：ORL21H，#00010000BLB2：SJMP$31單片機的基本結構與工作原理第31頁（三）字節(jié)尋址區(qū)（30H~7FH）注意：對于MCS-52系列單片機，80H~FFHRAM區(qū)只能采取間接尋址方式訪問。講完SFR后舉例。（四）堆棧區(qū)特點：先進后出，進棧時SP加1，出棧時SP減1。功效：調用子程序和中止時保護現(xiàn)場。系統(tǒng)復位時，SP=07H。使用時要尤其小心。32單片機的基本結構與工作原理第32頁（2）特殊功效存放器SFR

高128字節(jié)中，51系列占用了21個，52系列占用了26個，其余訪問無效，見P34表2-3。SFR中低位地址為0H和8H特殊功效存放器，除了有字節(jié)尋址能力外，還有12個有位尋址能力見P34表2-3。SFR空間分布見P35表2-4及右圖。33單片機的基本結構與工作原理第33頁52系列高128字節(jié)尋址方式存放器間接尋址。128-26=102B。MOVR0，#8FHMOV@R0，#01H ；對51系列是無效MOVA，@R0 ；對51系列是無效MOVR0，#80HMOV@R0，A ；對P0口操作，而非52系列高128字節(jié)34單片機的基本結構與工作原理第34頁2片外數(shù)據存放器64K字節(jié)。采取MOVX指令和DPTR、R0或R1存放器以間接尋址方式訪問。MOVDPTR，#1000HMOVX@DPTR，AMOVDPTR，#0029HMOVXA，@DPTRMOVR0，#30HMOVX@R0，A ；該指令不能超出256B35單片機的基本結構與工作原理第35頁2.5布爾(位)處理器布爾處理功效是MCS-51系列單片機一個主要特征。布爾變量也即開關變量，它是以位（bit）為單位進行操作。它以進位標志C做為累加位，以內部RAM可尋址128個為存放位。布爾操作指令集：位傳送指令（2條）位置位復位指令（4條）位運算指令（6條）位控制轉移指令（5）36單片機的基本結構與工作原理第36頁2.680C51單片機工作方式四種：復位、程序執(zhí)行、低功耗以及編程和校驗。2.6.1復位功效：PC=0000H，跳出死機。復位影響：（1）SFR狀態(tài)見P37表2-6；（2）復位期間，ALE=1，PSEN=1。37單片機的基本結構與工作原理第37頁特殊存放器復位狀態(tài)（見P37表2-6）38單片機的基本結構與工作原理第38頁復位電路（P38圖2-14）

要求：高電平連續(xù)時間>2個機器周期。fosc=12MHz時>2us，fosc=6MHz時>4us。39單片機的基本結構與工作原理第39頁2.6.2程序執(zhí)行方式 ORG0000H0000HAJMPMAIN ORG000BH0003HAJMPINT0 ORG0030H0030HMAIN：MOVR3，#00H......ORG0100H0100HINT0:CLRC......

40單片機的基本結構與工作原理第40頁2.6.3低功耗工作方式介紹P39。對于MCS－51系列機型來說，它們有待機方式和掉電保護方式兩種低功耗方式。經過設置電源控制存放器PCON相關位能夠確定當前低功耗方式。PCON存放器格式以下：41單片機的基本結構與工作原理第41頁PCONSMOD：波特率倍增位。當SMOD=1時，串行口方式1、2、3波特率提升一倍。GF0，GF1：通用標志位。供用戶使用。PD：掉電方式位，PD＝1為掉電方式IDL：待機方式位，IDL＝1為待機方式SMOD———GF1GF0PDIDL42單片機的基本結構與工作原理第42頁（1）待機方式使IDL=1，則CPU進入待機方式。

由圖2-15中可看出這時振蕩器依然運行，并向中止邏輯、串行口和定時器/計數(shù)器電路提供時鐘，中止功效繼續(xù)存在

。

向CPU提供時鐘電路被阻斷，所以CPU不能工作，與CPU相關如SP、PC、PSW、ACC以及全部通用存放器都被凍結在原狀態(tài)。