單片微型計(jì)算機(jī)的組成原理

第四章單片微型計(jì)算機(jī)的組成原理

微處理器、微型計(jì)算機(jī)和單片機(jī)的概念；單片機(jī)的結(jié)構(gòu)，指令的執(zhí)行過程；

MCS-51單片機(jī)的組成原理。本節(jié)重點(diǎn)：MCS-51單片機(jī)的組成原理。本節(jié)難點(diǎn)：MCS-51單片機(jī)的組成原理。

本節(jié)內(nèi)容：RAM00H01H02HFEHFFHD0HE0H001H000H002HFFFHROMPSWA………………………………7FH10110000100010111100001110001011ABAddressBusDBDataBusCBControlBus補(bǔ)充內(nèi)容第一節(jié)微型計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)及指令執(zhí)行過程一、微型計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)五大部分：運(yùn)算器，控制器，存儲器，輸入輸出裝置。

微處理器：由運(yùn)算器和控制器組成，是計(jì)算機(jī)的核心，也稱中央處理單元（CPU）。常用的有Intel公司的8086系列，Zilog公司的Z80、Z8000，Motorola公司的6800等?？偩€：

所謂總線(Bus)，一般指通過時分復(fù)用的方式，將信息以一個或多個源部件傳送到一個或多個目的部件的一組傳輸線。ABC總線ABC總線t1~t2t2~t3優(yōu)點(diǎn)：(1)減少部件之間信息傳送線數(shù)，提高整機(jī)可靠性；(2)使得計(jì)算機(jī)擴(kuò)充能力增強(qiáng)。單板機(jī)：微型計(jì)算機(jī)采用大規(guī)模集成電路組成，各組成部件可以方便地裝配在一塊印刷電路板上，構(gòu)成單板機(jī)。由于單板機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、攜帶方便、抗干擾能力強(qiáng)、工作可靠、價(jià)格低廉、易于擴(kuò)充使用，因此在國防、科研、工業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生等許多方面得到了廣泛應(yīng)用。

二、單片微型計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)4KBROM128BRAM8位CPU2X16位定時計(jì)數(shù)器可編程I/O接口時鐘單片微型機(jī)組成原理框圖

單片機(jī)的性能特點(diǎn)：（1）集成度高；（2）結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性好；（3）數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、速度快；（4）功耗小、成本低。由于具有以上優(yōu)點(diǎn)，若配以適當(dāng)?shù)耐鈬O(shè)備，構(gòu)成單片單板機(jī)，則功能更強(qiáng)，應(yīng)用更廣。目前單片機(jī)發(fā)展很快，大有取代當(dāng)年單板機(jī)之勢，成為計(jì)算機(jī)發(fā)展的一個重要方面。

三、指令執(zhí)行過程程序計(jì)數(shù)器地址寄存器累加器運(yùn)算器寄存器區(qū)指令寄存譯碼數(shù)據(jù)緩沖器存儲器7409400000000001000200030004外部地址總線外部數(shù)據(jù)總線外部控制總線內(nèi)部控制信號內(nèi)部數(shù)據(jù)總線XXPCARDR時鐘及清零（1）程序計(jì)數(shù)器PC（16位）（2）地址寄存器AR（16位）（3）數(shù)據(jù)緩沖器DR（8位）（4）指令寄存譯碼器（5）寄存器區(qū)執(zhí)行指令過程：取指階段；執(zhí)行階段。第二節(jié)MCS-51單片計(jì)算機(jī)組成原理4KB程序存儲器128B數(shù)據(jù)存儲器2*16位定時/記數(shù)器64KB擴(kuò)展控制器可編程I/O可編程串行口8051CPU振蕩器及定時器中斷RAM程序存儲器0000H0001H0002H0010HFFFFH00H01H02HFEHFFHD0HE0H001H000H002HFFFHROMPCPSWA………………………………8051單片機(jī)ABDB…………7FHCB…………數(shù)據(jù)存儲器一般緩沖區(qū)位尋址區(qū)寄存器3區(qū)寄存器2區(qū)寄存器1區(qū)寄存器0區(qū)00R007R708R00FR710R017R718R01FR7202F307F

一、寄存器1通用寄存器共分4個區(qū)，每個區(qū)8個寄存器：R0R1R2...R7。單片機(jī)每次只能選擇一個區(qū)，由程序狀態(tài)字中的RS1、RS0來確定。RS1RS0寄存器區(qū)000區(qū)011區(qū)102區(qū)113區(qū)2專用寄存器（1）程序計(jì)數(shù)器PC（2）累加器A（3）B寄存器（4）程序狀態(tài)字PSW7PSW6PSW5PSW4PSW3PSW2PSW1PSW0CYACF0RS1RS0OVP(I)CY(PSW7)：進(jìn)位標(biāo)志。

11000111＋）01101100100110011進(jìn)位(II)AC(PSW6)：輔助進(jìn)位標(biāo)志。加法或減法運(yùn)算時，低4位向高四位數(shù)進(jìn)位或借位。輔助進(jìn)位(III)F0(PSW5)：標(biāo)志0。用戶定義的一個狀態(tài)標(biāo)志(IV)RS0RS1：寄存器選擇控制位。(V)OV(PSW2)：溢出標(biāo)志。OV=1溢出溢出與進(jìn)位的區(qū)別：進(jìn)位表示8位二進(jìn)制加法是否產(chǎn)生進(jìn)位與借位。溢出則主要用于表示二進(jìn)制加法的正確性。

0101101191＋）001110115910010110符號位正數(shù)相加

11110110+）11101000111011110符號位進(jìn)位位-10-24-34負(fù)數(shù)相減第6位第0位結(jié)論：當(dāng)?shù)?位與第7位同時不向前進(jìn)位或同時向前進(jìn)位時，沒有溢出，OV=0;當(dāng)?shù)?位與第7位只有一個發(fā)生進(jìn)位，則溢出發(fā)生，OV=1乘法指令：無符號乘法MUL，當(dāng)累加器A和寄存器B的乘積超過255時，OV=1，否則OV=0。除法指令：DIV，當(dāng)除數(shù)為0時，OV=1，否則OV=0。（VI）P(PSW0)：奇偶標(biāo)志。累加器中值為1的位數(shù)的奇偶數(shù)。若為奇數(shù)則P=1，否則P=0。（5）棧指針寄存器SP堆棧是指在CPU外部存儲器中一個按先進(jìn)后出原則組織的存儲區(qū)域。（1）是一個存儲區(qū)域；（2）按照先進(jìn)后出原則組織。功用：1）子程序調(diào)用和中斷服務(wù)時CPU自動將當(dāng)前PC

值壓棧保存，返回時自動將PC值彈棧；2）保護(hù)現(xiàn)場/恢復(fù)現(xiàn)場；3）數(shù)據(jù)傳輸。00H20H2FH7FH1FH30H普通RAM區(qū)位尋址區(qū)工作寄存器區(qū)SP棧頂下一個進(jìn)棧的數(shù)據(jù)將存在此數(shù)據(jù)進(jìn)棧已經(jīng)進(jìn)棧的數(shù)據(jù)存放在此初始SP復(fù)位后SP=07H，數(shù)據(jù)進(jìn)棧時：首先SP+1指向08H單元，第一個放進(jìn)堆棧的數(shù)據(jù)將放進(jìn)08H單元，然后SP再自動增1，仍指著棧頂……堆棧區(qū)由特殊功能寄存器堆棧指針SP管理

堆棧區(qū)可以安排在RAM區(qū)任意位置，一般不安排在工作寄存器區(qū)和可按位尋址的RAM區(qū)，通常放在RAM區(qū)的靠后的位置。從堆棧取出數(shù)據(jù)時：取出的數(shù)據(jù)是最近放進(jìn)去的一個數(shù)據(jù)，也就是當(dāng)前棧頂?shù)臄?shù)據(jù)。然后SP再自動減1，仍指著棧頂……00H20H2FH7FH1FH30H普通RAM區(qū)位尋址區(qū)工作寄存器區(qū)SP棧頂當(dāng)前要出棧的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)出棧SP-1指向下一個將要出棧的數(shù)據(jù)初始SP從堆棧取出數(shù)據(jù)時：取出的數(shù)據(jù)是最近放進(jìn)去的一個數(shù)據(jù)，也就是當(dāng)前棧頂?shù)臄?shù)據(jù)。然后SP再自動減1，仍指著棧頂……00H20H2FH7FH1FH30H普通RAM區(qū)位尋址區(qū)工作寄存器區(qū)SP-1指向新的棧頂,也就是下一個將要出棧的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)出棧初始SPpushapushbpushPSW……….

popapopbpopPSW這樣的指令順序?qū)Σ粚Γ?/p>

popPSWpopbpopa（6）其它專用寄存器數(shù)據(jù)指針寄存器（DPTR），端口寄存器（P0P1P2P3），串行數(shù)據(jù)緩沖器（SBUF），定時/計(jì)數(shù)器（T0T1），及IPIETMODTCONSCONPCON控制寄存器等等。

二、運(yùn)算器包括：ALUA暫存寄存器、PSW。用來實(shí)現(xiàn)對操作數(shù)的算術(shù)/邏輯運(yùn)算和位操作。帶進(jìn)位和不帶進(jìn)位的加法、減法運(yùn)算；加1、減1和位操作；左移位、右移位和半字節(jié)移位；BCD碼調(diào)整等。

三、控制器控制器包括定時器控制邏輯電路、指令寄存器IR、指令譯碼器ID等，是微處理器的大腦中樞。需要掌握的問題：1單片微型計(jì)算機(jī)組成原理框圖？(Page.72Page.75)2指令的執(zhí)行過程？(Page.73~75)3

MCS-51通用寄存器、專用寄存器作用？(Page.76~79)思考題：（不交作業(yè)）習(xí)題1習(xí)題4第三節(jié)MCS-51存儲器配置微處理器存儲器結(jié)構(gòu)：ALU控制部件輸入/輸出部件存儲器ALU控制部件輸入/輸出部件程序存儲器數(shù)據(jù)存儲器CPU（a）（b）普林斯頓結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu)MCS-51單片機(jī)程序與數(shù)據(jù)分別在2個存儲器。因?yàn)椋簡纹瑱C(jī)往往為某個特定的對象服務(wù)，程序設(shè)計(jì)好后，一般固定不變。因而程序（包括常數(shù)表）可以而且也應(yīng)該一次性永久放到單片機(jī)內(nèi)。這樣不僅省去每次開機(jī)重新裝入步驟，還可以有效地防止因掉電和其它干擾而引起的程序丟失的錯誤。

MCS-51 單片機(jī)存儲器的配置：物理上：(1)片內(nèi)程序存儲器(2)片外程序存儲器(3)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器(4)片外數(shù)據(jù)存儲器邏輯上：(1)片內(nèi)外統(tǒng)一的64KB的程序數(shù)據(jù)存儲器(2)256B片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器(3)64KB片外數(shù)據(jù)存儲器

一、程序存儲器作用：用于存放編好的程序和表格常數(shù)。牢記8051：4KB的ROM8751：4KB的EPROM8031：沒有程序存儲器程序存儲器可以通過MOVC指令訪問。使用方式：（1）片內(nèi)程序存儲器EA=1（2）片外程序存儲器EA=0（3）內(nèi)外結(jié)合的程序存儲器EA=1此時片外存儲器中低位地址未被使用。

二、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)存儲器的作用：用于存放運(yùn)算的中間結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖以及標(biāo)志位等。牢記訪問內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器：MOV指令訪問外部數(shù)據(jù)存儲器：MOVX指令內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器專用寄存器寄存器區(qū)位尋址區(qū)一般緩沖存儲區(qū)1內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（一般RAM區(qū)）一般緩沖區(qū)位尋址區(qū)寄存器3區(qū)寄存器2區(qū)寄存器1區(qū)寄存器0區(qū)00R007R708R00FR710R017R718R01FR7202F307F(1)寄存器區(qū)RS1RS0寄存器區(qū)000區(qū)011區(qū)102區(qū)113區(qū)單片機(jī)對寄存器操作最靈活，響應(yīng)速度最快。內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器4組工作寄存器根據(jù)PSW中的RS0和RS1來確定，每次只能選擇其中1組；單片機(jī)對寄存器操作最靈活，響應(yīng)速度最快。因此編程時應(yīng)首先選用；有效地設(shè)置4個寄存器工作區(qū)，可以提高現(xiàn)場保護(hù)能力和CPU的實(shí)時響應(yīng)速度。4組工作寄存器如何選用？（2）位尋址區(qū)（20H~2FH共16個單元）位尋址空間（位地址）00~7FHH（3）一般緩沖區(qū)（字節(jié)尋址區(qū)）內(nèi)部RAM塊中的30H~7FH構(gòu)成一般緩沖區(qū)，可用于存放數(shù)據(jù)，也可以作為堆棧存儲區(qū)域。它是按照字節(jié)尋址。2專用寄存器8051內(nèi)部有19個專用寄存器，其中4個雙字節(jié)寄存器，PC寄存器在物理上是獨(dú)立的，其余18個寄存器都屬于內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器的專用寄存器（SFR）塊。特殊功能寄存器功能名稱地址復(fù)位后初態(tài)B通用寄存器F0H00HA累加器E0H00HPSW程序狀態(tài)寄存器D0H00HIP中斷優(yōu)先級控制B8H***00000BP3P3口數(shù)據(jù)B0HFFHIE中斷允許A8H0**00000BP2P2口數(shù)據(jù)A0HFFH表4-3MCS-51專用寄存器特殊功能寄存器功能名稱地址復(fù)位后初態(tài)SBUF串行口發(fā)送接收99H不定SCON串行口控制98H00HP1P1口數(shù)據(jù)90HFFHTH1T1計(jì)數(shù)器高8位8DH00HTH0T0計(jì)數(shù)器高8位8CH00HTL1T1計(jì)數(shù)器低8位8BH00HTL0T0計(jì)數(shù)器低8位8AH00H表4-3MCS-51專用寄存器特殊功能寄存器功能名稱地址復(fù)位后初態(tài)TMOD定時器/計(jì)數(shù)器方式控制寄存器89H00HTCON定時器控制字88H00HPCON電源控制寄存器87H00HDPH地址寄存器高8位83H00HDPL地址寄存器低8位82H00HSP堆棧指針寄存器81H07HP0P0口數(shù)據(jù)80HFFH表4-3MCS-51專用寄存器在專用寄存器中有11個寄存器有專門的位地址，可以按位尋址（參考圖4-9）。

三、外部數(shù)據(jù)存儲器MCS51外部數(shù)據(jù)存儲器尋址空間為64KB。對外部數(shù)據(jù)存儲器可用R0、R1及DPTR間接尋址寄存器。R0、R1為8位寄存器，尋址范圍為256B；DPTR為16位寄存器，尋址范圍為64KB。第四節(jié)時鐘電路及時序

一、時鐘電路

圖4-10MCS-51內(nèi)部方式時鐘電路圖4-11MCS-51外部方式時鐘電路外部晶振在2~12MHz，C1C2一般30或47PF1一般為頻率低于12MHz的方波

二、時序振蕩周期：單片機(jī)振蕩電路輸出的脈沖信號的周期。狀態(tài)周期：內(nèi)部時鐘信號的周期，為振蕩周期的2倍。機(jī)器周期：CPU完成一個獨(dú)立操作的時間。指令周期：CPU執(zhí)行一條指令的時間。一個機(jī)器周期有6個狀態(tài)，一個狀態(tài)有2個節(jié)拍P1P2。因此一個機(jī)器周期：S1P1、S1P2、S2P1、S2P2、...、S6P1、S6P6。圖4-128051取指/執(zhí)行時序ALE：MCS51擴(kuò)展系統(tǒng)的外部存儲器低8位的鎖存信號，在訪問程序存儲器的機(jī)器周期內(nèi)，ALE信號二次有效（S1P2~S2P1產(chǎn)生正脈沖）因此可以作為時鐘信號輸出。CPU程序存儲器P0P1P3P2DATA地址:0~7位地址:8~15位ALE但是在執(zhí)行MOVX命令時，要跳過一個ALE信號，因此ALE的頻率可能是不穩(wěn)定的。需要掌握的問題：1數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器作用？2MCS-51數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器如何配置（記住地址分配）？(Page.80~81)3振蕩周期、狀態(tài)周期、機(jī)器周期、指令周期的定義？習(xí)題（本章結(jié)束后一起交上來）習(xí)題2習(xí)題3第五節(jié)輸入輸出端口MCS-51單片機(jī)有4個口，共32根I/O線。所有4個口都是雙向口，每口包含一個鎖存器，即專用寄存器P0~P3，一個輸出驅(qū)動和一個輸入緩沖器。CPU存儲器P0P1P3P2DATA地址:0~7位地址:8~15位ALE地址低8位地址高8位數(shù)據(jù)無MOVX指令（訪問程序存儲器）S1S2S3S4S5S6S1S2S3S4S5S6ALEPSENRDP2P0PCHOUTPCHOUTDPHOUT或P2OUTPCLOUTPCLOUTPCLOUTPCLOUTINSTININSTINDATAIN機(jī)器周期機(jī)器周期一P0口（1）作輸出口時，接上拉電阻（2）準(zhǔn)雙向口：作輸入口時，必須先向鎖存器寫1，關(guān)斷2個輸出場效應(yīng)管。作I/O口時：作地址/數(shù)據(jù)總線：（1）在實(shí)際應(yīng)用中，P0口常用來傳送8位數(shù)據(jù)信息。（2）當(dāng)P0口當(dāng)?shù)刂窋?shù)據(jù)總線使用時，就不能做為I/O口使用了。

P0口給出地址低8位。二P1口P1口是8位準(zhǔn)雙向口，作通用輸入/輸出使用；在輸出部分有別于P0口，它接有上拉電阻；每一位可以獨(dú)立的定義為輸入或輸出。CPU既可以對P1口進(jìn)行字節(jié)操作，也可以位操作；當(dāng)做輸入方式時，該位鎖存器必須寫1。DQCLKQP1.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳VCCRTP1口引腳內(nèi)部上拉電阻12三P2口P2口是8位準(zhǔn)雙向口，可作通用輸入/輸出用；在輸出部分接有上拉電阻；當(dāng)外接程序存儲器時，P2口給出地址高8位，此時不能作I/O口；當(dāng)外接數(shù)據(jù)存儲器時，分為兩種情況：（1）RAM<256B;（2）RAM>256B。D

QCLP2.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳VCCRTP2口引腳內(nèi)部上拉電阻121地址控制四P3口P3口是8位準(zhǔn)雙向口，可作通用輸入/輸出用；在輸出部分接有上拉電阻；可以獨(dú)立地作為串行輸入/輸出口；作為控制信號線。DQCLKQP3.n讀鎖存器內(nèi)部總線寫鎖存器讀引腳VCCRTP3口引腳第二輸入功能第二輸出功能W&123P3口的第二功能五P0-P3口的負(fù)載能力及接口要求每位輸出驅(qū)動P0可驅(qū)動8個LSTTL輸入當(dāng)通用口時需接上拉電阻當(dāng)?shù)刂窋?shù)據(jù)總線不接上拉電阻P1~P3可驅(qū)動8個LSTTL輸入六I/O口的讀-修改-寫特性讀鎖存器指令是從鎖存器中讀出數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理，并把處理以后的數(shù)據(jù)重新寫入鎖存器，這類指令稱為“讀-修改-寫”指令。如：ANL（邏輯與，例如ANLP1，A）

INC（遞增，例如INCP2）

“讀-修改-寫”指令的理由：避免誤解引腳上的電平。第六節(jié)復(fù)位電路復(fù)位即