单片机结构与原理.ppt
第2篇 单片机原理及应用第5章单片机的结构与工作原理,教学目的：了解80C51系列单片机的内部结构、工作原理、存储器结构、时序及复位电路等硬件内容。教学重点：1.内部主要组成及工作原理；2.存储器结构特点；3.I/O 的复用结构及应用特点；4.时序及复位电路的作用。教学难点：1.特殊功能寄存器的作用；2.堆栈及堆栈指针的作用。,51 单片机结构,5.1.1 标准型单片机的组成及结构,图 5.1 AT89S51/S52的基本组成功能框图,图 5.2 AT89S51/52内部结构框图,各主要部分的作用,中央处理器（CPU）数据存储器（内部RAM）程序存储器（内部ROM）定时/计数器 并行I/O口 串行口 时钟电路 中断系统,5.1.2 引脚定义与功能,1.主电源引脚GND和VCC2.时钟电路引脚XTAL1和XTAL2 3.控制信号引脚 RST/VPP ALE/4.输入输出引脚(P0、P1、P2和P3端口引脚),521 存储器结构和地址空间,52 80C51的存储器,80C51系列单片机的存储器在物理结构上可以分为如下4个存储空间：片内程序存储器；片外程序存储器；片内数据存储器；片外数据存储器。但在逻辑上，即从用户使用的角度上，80C51系列有三个存储空间：片内外统一编址的64KB的程序存储器地址空间（用16位地址）；片内数据存储器地址空间，寻址范围为00FFH；64KB片外数据存储器地址空间。,5.2.2 程序存储器 1.程序存储器的结构和地址分配 程序存储器 用16位地址指针PC和DPTR，寻址范围为64kB。可选择片内程序存储器或片外程序存储器。片外程序存储器必须通过并行扩展总线扩展，同时应将片外程序存储器选择引脚EA接地；选择片内程序存储器时，EA接高电平。2.程序存储器的入口地址0000H：复位后，程序将自动从0000H开始执行80C51有5个中断源，其相应的入口地址安排在程序存储器的固定单元，这些入口地址不得随意被其它程序指令占用：0003H：外部中断0入口。000BH：定时器0溢出中断入口。0013H：外部中断1入口。001BH：定时器1溢出中断入口。0023H：串行口中断入口。002BH：定时器2溢出中断入口。只有AT89S52/C52有）,5.2.3 数据存储器,1片内数据存储器的结构及操作 片内数据存储器采用 8位地址指针，寻址范围为 256 B，分为两部分:00H7FH为可直接寻址和间接寻址空间；80HFFH直接寻址的空间为SFR空间，不能作数据存储器用。对于AT89C52/S52还有一块只能间接寻址的地址为80HFFH的数据存储器。2低128字节RAM 通用工作寄存器区 位寻址区 用户RAM区 3高128字节用户RAM区 仅AT89S52有4片外数据存储器的结构及操作 片外数据存储器和外围扩展电路统一编址，可寻址范围为64 KB。片外数据存储器寻址空间的数据传送使用专门的MOVX指令。片外数据存储器只能和累加器A交换数据，通过地址指针DPTR或工作寄存器Ri间接寻址。,5.3 特殊功能寄存器SFR,80C51单片机中，在片内RAM的80HFFH空间建立了集中的特殊功能寄存器SFR空间，通过该空间的SFR实现对80C51系列单片机内部资源的运行管理操作、位地址空间的操作等。这种集中的、归一化操作管理寄存器的模式是单片机内部资源操作管理的重要方式。采用SFR操作管理方式后，单片机内各种单元电路都可按照可编程集成器件的运行管理方式，通过对SFR的读写来实现操作管理。访问这些专用寄存器仅允许使用直接寻址的方式。,5.3.1 80C51系列的SFR,80C51系列的SFR 在数量与功能上大同小异，它们离散地分布在片内数据存储器的高128字节地址80HFFH中，但他们是不能作为数据存储器使用的，所以对这些特殊功能寄存器是不能随意写入数字的，特别是功能部件中的控制寄存器，不同的数字将使它们具有不同的工作方式。特殊功能寄存器并未占满80HFFH整个地址空间，对空闲地址的操作是无意义的。若访问到空闲地址，则读出的是随机数。,5.3.2 AT89S51/S52的SFR地址分布及寻址,1访问这些专用寄存器仅允许使用直接寻址的方式。2对于AT89S52单片机，其片内RAM的80HFFH地址上有2个物理空间（见图2-6），一个是SFR的物理空间，一个是扩展的高128字节的数据存储器物理空间，他们所用的地址单元相同，通过不同的寻址方式区分这2个空间。3这26/32个专用寄存器都可以字节寻址，其中有11/12个专用寄存器还具有位寻址能力，它们的字节地址正好能被8整除。（参考书中表）4SFR的位寻址与字节寻址 80C51中可位寻址SFR的直接地址为OH或8H，相邻的8个地址号依次作为相应的8个位地址号。例如：P1口的口地址是90H（字节地址），而位地址90H是P1.0，位地址91H是P1.1等等依次类推。,5.3.3 SFR的功能及应用,1.程序状态字寄存器PSW D7H D6H D5H D4H D3H D2H D1H D0H C AC F0 RS1 RS0 OV-P PSW的各位功能简要说明如下：C为进位标志，AC为半进位标志，F0 为用户标志，RS1和RS0为当前工作寄存器组的选择位：表27 RS0、RS1对工作寄存器组的选择 RS1 RS0 寄存器组 片内RAM地址 0 0 第 0 组 00H 07H 0 1 第 1 组 08H 0FH 1 0 第 2 组 10H 17H 1 1 第 3 组 18H 1FH,OV 是溢出标志位：该位表示在有符号数进行加、减运算时，是否发生了溢出。P 是奇偶标志位：表示累加器A内容的奇偶性。D1H位 也可做用户标志，位名称需自己定义。2.ACC3.双数据指针寄存器DPTR0/1 4.SP堆栈指针 堆栈指针SP（Stack Pointer）中始终存放着堆栈栈顶的地址。每存入或取出一个字节数据，SP就自动加1或减1。堆栈操作过程见图26。,图5.6 堆栈和堆栈指针示意图,54 输入输出端口结构,5.4.1 P0口1.P0口位电路结构2.工作原理1）P0作为一般IO口 2）P0口作为地址数据总线,5.4.2 P1口1.P1口位电路结构2.工作原理P1口作输出 P1口作为输入3.P1口各位的第二功能,5.4.3 P2口,1.P2口位电路结构2.工作原理P2口作输出,可作为高8位地址线1）P2口作为输入 2）作通用I/O口,5.4.4 P3口,1P3口位电路结构2.工作原理1）作为通用I/O2）作为第2功能引脚（见书中表28）,5.4.5 4个I0端口的主要异同点,1.主要相同点1）锁存器加引脚的典型结构 2）I/O 的复用结构I/O 端口的总线复用 I/O 端口的功能复用3）在对双向口作输入操作时，一定要先向锁存器写“1”，然后才能正确读入引脚状态。2.主要不同点1）P1P3为准双向口结构 2）驱动能力不同3）功能不同,5.5 复位及时钟电路,5.5.1 复位和复位电路 复位是单片机的初始化操作，单片机在启动运行时，都需要先复位，它的作用是使CPU和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。,1.内部复位信号的产生,5.5.1 复位和复位电路,复位是单片机的初始化操作，单片机在启动运行时，都需要先复位，它的作用是使CPU和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。1.内部复位信号的产生,2.复位状态,复位后，PC初始化为0，于是单片机自动从0单元开始执行程序。复位后片内各专用寄存器的状态如表3-9所示,表中X为不定数。SFR的复位状态 IO口（P0、P1、P2、P3）各位为FFH状态，即双向IO口的输入状态。堆栈指针 SP=07H，即堆栈底为片内RAM的07H单元。除上述SFR外，其余SFR的复位状态大部分为零或为随机数。,3.复位方式与外部复位电路,5.5.2 时钟电路,1.振荡器和时钟电路原理,2.时钟电路接法,56 80C51系列单片机的低功耗方式,5.6.1 电源控制寄存器PCON(87H)D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 SMOD GF1 GF0 PD IDL其各位作用如下：（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（详见第7章）。（2）GF1和GF0：通用标志位。用户用软件置、复位。（3）PD：掉电方式位。若PD1，进入掉电工作方式。（4）IDL:待机方式位。若IDL1，进入待机工作方式。,5.6.2 待机方式,1待机方式的工作特点2单片机进入待机方式的方法向PCON中写一个字节，使IDL1 3单片机终止待机方式的方法通过硬件复位 通过中断方法,5.6.3 掉电方式,1掉电方式的工作特点 2单片机进入掉电方式的方法 向PCON中写一个字节，使PD 13单片机退出掉电方式的方法硬件复位,
