第七章單片微型計算機的基本原理與結(jié)構(gòu)

第七章

單片微型計算機的基本原理與結(jié)構(gòu)

單片機問世時間不長。從1975年美國TEXAS公司研制出TMS1000系列4位單片機開始，到現(xiàn)在只不過二十多年。但單片機的發(fā)展很快，種類很多，從1位、4位、8位發(fā)展到16位、32位，集成度愈來愈高，功能愈來愈強。目前，在材料加工過程中應(yīng)用較多的是INTEL公司生產(chǎn)的MCS－51系列的單片機系統(tǒng)。例如，交流點焊機的自動控制系統(tǒng)、熱處理爐的溫度控制以及溫度檢測智能儀表，其核心部件均采用單片機應(yīng)用系統(tǒng)?！?－1

單片機基本結(jié)構(gòu)一、MCS－51系列單片機的結(jié)構(gòu)（一）8051單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

MCS－51系列單片機采用模塊式結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖7－1所示。

圖7－18051內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖主要由以下幾個部分組成：

1個8位的中央處理器（CPU）；4K字節(jié)程序存儲器（ROM）；128字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器（RAM）；32位可編程并行I/O口（四個8位口P0、P1、P2、P3）；一個可編程全雙工串行口；2個16位定時器／計數(shù)器；特殊功能寄存器（SFR）；5個中斷源，兩個優(yōu)先級嵌套中斷結(jié)構(gòu)；一個片內(nèi)振蕩器和時鐘電路。這些部件都是通過片內(nèi)總線連接而成。8051還可尋址外部程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，并具有位尋址功能和較強的布爾（位）處理能力。

1.微處理器①微處理器是單片機的核心部件，它決定了單片機的主要功能特性。微處理器主要由運算器部件和控制部件組成。運算器部件包含算術(shù)／邏輯ALU、布爾處理器、累加器Acc、寄存器B、程序狀態(tài)字寄存器PSW以及十進制調(diào)整電路等。運算部件的功能是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的算術(shù)邏輯運算、位變量處理和數(shù)據(jù)傳遞操作。它不僅可對8位變量進行邏輯操作，還可以進行加、減、乘、除等基本運算。為了乘、除運算的需要，設(shè)置了B寄存器。在執(zhí)行乘法運算指令時，用來存放一個乘數(shù)或被乘數(shù)，乘法運算后用于存放乘積的高8位；在執(zhí)行除法運算指令時，B寄存器存放除數(shù)，除法運算后B中存放余數(shù)。②運算部件中的累加器Acc是一個8位的累加器（Acc也可簡寫為A）。從功能上看，它與一般微機的累加器沒有什么特別之處。2.控制部件含時鐘電路、復(fù)位電路、指令寄存器、譯碼器以及信息傳送控制部件。它以主振頻率為基準(zhǔn)發(fā)出CPU的時序信號，對指令進行譯碼，然后發(fā)出各種控制信號，完成一系列定時控制的操作，控制單片機各部分的運行。其中有一些控制信號線能簡化應(yīng)用系統(tǒng)的外圍控制邏輯。如控制地址鎖存信號ALE，控制片外程序存儲器運行的片內(nèi)外存儲器選片信號以及片外取指令信號。

§7－2振蕩器、時鐘電路及時序振蕩電路和單片機內(nèi)部的時鐘電路一起構(gòu)成了單片機的時鐘方式，根據(jù)硬件電路的不同，連接方式分為內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。同時，振蕩周期和時鐘周期又決定了CPU的時序。1.振蕩電路和時鐘電路(a)(b)圖7－2時鐘電路單片機的內(nèi)部有一個高增益反相放大器構(gòu)成振蕩電路，圖7－1及圖7－2中XTAL1和XTAL2引腳分別是此放大器的輸入和輸出端。在兩腳之間跨接晶體振蕩器，就構(gòu)成穩(wěn)定的自激振蕩器。圖7－2（a）中C1和C2通常取30pF左右的電容，振蕩器頻率范圍為1.2～12MHZ，常取6MHZ。8051也可使用外部時鐘脈沖，也就是單片機的外部時鐘方式。外部時鐘信號由XTAL2端輸入，如圖7－2（b）所示。要求外部時鐘的頻率，一般低于12MHZ。圖7－2時鐘電路2．CPU時序及有關(guān)概念

一條指令可以分解為若干基本的微操作，而這些微操作所對應(yīng)的脈沖信號，在時間上有嚴(yán)格的先后次序，這些次序就是計算機的時序。時序是非常重要的概念，它指明單片機內(nèi)部以及內(nèi)部與外部相互聯(lián)系所遵守的規(guī)律。首先介紹以下幾個常用的概念：

①振蕩周期

是指為單片機提供定時信號的振蕩源的周期。②指令周期

是執(zhí)行一條指令所用的全部時間，一個指令周期通常含有1～4個機器周期。③時鐘周期（狀態(tài)周期或S周期）因為時鐘發(fā)生器就是2分頻觸發(fā)器，所以它是振蕩周期的兩倍，時鐘周期被分成兩個節(jié)拍，即P1節(jié)拍和P2節(jié)拍。在每個時鐘的前半周期，P1信號有效，此時通常完成算術(shù)邏輯操作；在每個時鐘的后半周期，P2信號有效，一般進行內(nèi)部寄存器與寄存器的信號傳輸。④機器周期

一個機器周期由6個狀態(tài)（12個振蕩脈沖）組成，即6個時鐘周期，12個振蕩周期，并可依次表示為S1P1（狀態(tài)1拍1）、S1P2（狀態(tài)1拍2）、……、S6P1（狀態(tài)6拍1）。每個機器周期完成某些規(guī)定操作。以上四種周期的相互關(guān)系可用圖7－3表示，若單片機的外接晶振為12MHZ，那末振蕩周期為1/12μs；時鐘周期為1/6μs；機器周期為1μs；指令周期為1～4μs圖7－3單片機各種周期的相互關(guān)系圖7－48051單片機取指令/執(zhí)行指令時序列出了幾種典型指令的CPU取指令和執(zhí)行指令的時序。圖中（a）和（b）分別表示單字節(jié)單周期和雙字節(jié)單周期指令時序，在任何情況下，這兩條指令都會在S6P2結(jié)束時完成操作。圖中（c）表示單字節(jié)雙周期指令的時序，在兩個機器周期內(nèi)發(fā)生4次讀操作碼的操作，但由于是單字節(jié)指令，所以，后3次操作都是無效的。圖中（d）表示訪問外部數(shù)據(jù)存儲器的時序，是一條多字節(jié)雙周期指令。一般情況下，2個指令碼字節(jié)在一個機器周期內(nèi)從程序存儲器中取出，而在MOVX執(zhí)行期間，少執(zhí)行兩次取指操作?！?－3存儲器與特殊功能寄存器

8051單片機中的存儲器包含程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器。1．程序存儲器

8051單片機內(nèi)有4K字節(jié)的程序存儲器ROM，片外可以擴展64KB的ROM，片內(nèi)外統(tǒng)一編址。用引腳控制內(nèi)外尋址。當(dāng)＝1（引腳為高電平）時，片內(nèi)外統(tǒng)一編址，片內(nèi)ROM地址范圍0000H～0FFFH，片外ROM從1000H～FFFFH；當(dāng)＝0（引腳為低電平）時，只能片外尋址，如8031芯片，無內(nèi)部ROM，只能用片外16位地址擴展的ROM，地址范圍為0000H～FFFFH。需要注意的是程序存儲器中有6個地址單元具有特殊功能，用于復(fù)位和中斷入口地址，如表2－1所示。地址單元功能說明0000H程序的起始地址（系統(tǒng)程序從0000H開始執(zhí)行)0003H外部中斷0入口地址000BH定時器0溢出中斷入口地址0013H外部中斷1入口地址001BH定時器1溢出中斷入口地址0023H串行口入口地址表2－18051單片機復(fù)位、中斷入口地址2.數(shù)據(jù)存儲器

8051片內(nèi)有256個字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器RAM。數(shù)據(jù)存儲器采用8位地址，最大可尋址256個單元。

8051單片機將256個單元分為兩部分，低128個單元（00H～7FH）為通用工作寄存器區(qū)、位尋址區(qū)和用戶堆棧區(qū)。高128個單元為特殊功能寄存器（SFR）區(qū)。

（1）片內(nèi)RAM低128字節(jié)各區(qū)的地址分配如左表所示，

7FH用戶RAM區(qū)（堆棧、數(shù)據(jù)緩沖）30H2FH位尋址區(qū)20H1FH第3工作寄存器18H17H第2工作寄存器10H0FH第1工作寄存器08H07H第0工作寄存器00H工作寄存器共四組（0～3組），每組有8個寄存器，共有32個寄存器，占32個地址單元00H～1FH。組號由程序狀態(tài)字PSW中的RS1、RS0兩位狀態(tài)決定，表2－2給出了工作寄存器地址及組號分配情況。組RS1RS0R0R1R2R3R4R5R6R700000H01H02H03H04H05H06H07H10108H09H0AH0BH0CH0DH0EH0FH21010H11H12H13H14H15H16H17H31118H19H1AH1BH1CH1DH1EH1FH表2－2工作寄存器地址與組號分布（2）特殊功能寄存器（SFR）

程序計數(shù)器指針PC97H電源控制PCON0B8H中斷優(yōu)先級控制IP99H串行數(shù)據(jù)緩存器SBUF0B0H輸入／輸出3口P398H串口控制SCON0A0H輸入／輸出2口P28BH定時器／計數(shù)器1初值低字節(jié)TL190H輸入／輸出1口P18DH定時器／計數(shù)器1初值高字節(jié)TH180H輸入／輸出0口P08AH定時器／計數(shù)器0初值低字節(jié)TL083H和82H數(shù)據(jù)指針（DPH和DPL）DPTR8CH定時器／計數(shù)器0初值高字節(jié)TH081H堆棧指針SP88H定時器／計數(shù)器控制TCON0D0H程序狀態(tài)字PSW89H定時器／計數(shù)器方式控制TMOD0F0HB寄存器B0A8H允許中斷控制IE0E0H累加器ACC地

址名

稱標(biāo)識符地

址名

稱標(biāo)識符8051單片機共有21個特殊功能寄存器，分布在片內(nèi)RAM的80H～FFH地址范圍內(nèi)，這些寄存器的功能與地址見下表?！?－58051引腳及功能MCS－51系列單片機有40個引腳，采用雙列直插（DIP）封裝形式，使用方便。8051（或8031）引腳如圖7－6所示。圖7－68051引腳圖1．電源引腳

Vcc（40腳），供電電源，＋5V。Vss（20腳），接地線。圖7－68051引腳圖2．時鐘電路引腳

XTAL1（18腳）和XTAL2（19腳），使用和連接方法見圖7－2。圖7－68051引腳圖3．控制信號引腳（1）RST/VPD（9腳）在該腳上輸入2個時鐘周期寬度以上的高電平，可實現(xiàn)復(fù)位。單片機的復(fù)位方式由上電復(fù)位和手動復(fù)位。該引腳還有復(fù)用功能，若將VPD接＋5V備用電源，當(dāng)芯片在使用中Vcc電壓突然下降或斷電（掉電或失電）時，能保護片內(nèi)RAM中的信息不丟失。圖7－68051引腳圖（2）ALE／（30腳）

訪問片外存儲器時，ALE作為鎖存擴展地址的低字節(jié)的控制信號。另外，對于8751片內(nèi)EPROM編程（固化）時，此引腳用于輸入編程脈沖。圖7－68051引腳圖（3）（29腳）

在訪問片外程序存儲器時，此腳輸出負脈沖作為存儲器的讀選通信號。圖7－68051引腳圖（4）／Vpp（31腳）

當(dāng)端輸入高電平時，CPU執(zhí)行低4KB地址范圍內(nèi)的片內(nèi)程序存儲器中的程序，若超出4KB地址時，自動執(zhí)行片外程序存儲器的程序。當(dāng)輸入低電平時，CPU只能訪問片外程序存儲器。由此可見，8031的端應(yīng)接低電平。圖7－68051引腳圖4．輸入／輸出引腳（P0、P1、P2、P3口）(1)P0(P0.0～P0.7)口(32～39腳)

P0是一個8位漏極開路型準(zhǔn)雙向I／O端口，在訪問片外存儲器時，它作為低8位地址線和8位雙向數(shù)據(jù)總線。圖7－68051引腳圖(2)P1(P1.0～P1.7)口(1～8腳)P1是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8準(zhǔn)雙向I／O端口，在EPROM編程和驗證程序時，它輸出高8位地址。一般專供用戶使用。

圖7－68051引腳圖(3)P2(P2.0～P2.7)口(21～28腳)P2是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8準(zhǔn)雙向I／O端口，在訪問片外存儲器時，它作為高8位地址線。圖7－68051引腳圖(4)P3(P3.0～P3.7)口(10～17腳)