1、计算机硬件技术基础,主讲教师 赵晓安,计算机科学与软件学院 计算机基础教学部,重点与要求,重点: 微型计算机的工作原理MCS-51单片机的硬件组成1、存储器结构 2、CPU结构 (运算器,布尔处理器) MCS-51单片机复位后的状态,要求:分清MCS-51存储器结构 思考题 第一章 1-191-21第二章 2-12-20,主要内容,专题二 微型计算机基础知识第一章 微型计算机基础1.1.2 微型计算机的发展1.2 微型计算机的组成及其工作原理 专题三 MCS-51单片机硬件结构 1.5 单片微型计算机的发展及应用第二章 MCS-51单片机的结构和工作原理 MCS-51单片机存储结构小结,1.1
2、.2 微型计算机的发展 (P2)自学为主,微处理器的发展 第一代微处理器(1971-1973) 4/8位 12002000管/片 指令周期1020us Intel4004/8008 第二代微处理器(1974-1978) 8位 指令周期1us Intel8080/M6800 Intel8085/Z80/M6809 第三代微处理器(1978-1981) 16位 2万管/片 指令周期0.5us Intel8086/80286 第四代微处理器(1981至今) 32位 几百万管/片 Intel80386P4 微型计算机的发展方向 微型计算机的应用,1)低档微型计算机的发展 这类微机被广泛用于仪器仪表、家
3、电和过程控制等领域,成为它们不可缺少的组成部分。特别是单片微型计算机,以其功能强、价格低和精巧灵活等特点,深受欢迎,具有无限的生命力。 2)32位和64位微型计算机的发展 32位微型计算机的发展尚未停息,新产品还在继续涌现,尤其是软件的发展还有广阔的空间。 64位微型计算机系统必将成为21世纪微型计算机发展的主流。 3)多微处理器系统的发展多微处理器系统是多个微处理器并行运算的系统,使多微处理器系统的性能相当于大型机的水平,而价格只有后者的十分之一,可以预见其发展前景十分广泛。,微型计算机主要应用在以下几方面: (1)科学计算 (2)数据处理 (3)过程控制 (4)CAD、CAM、CAA和CA
4、I中的应用 计算机辅助设计CAD(ComputerAided Design) 计算机辅助制造CAM(ComputerAided Manufacturing) 计算机辅助装配CAA(ComputerAided Assemble) 计算机辅助教学CAI(ComputerAided lnstruction)(5)多媒体系统和网络系统,1.2 微型计算机的组成及其工作原理,1.2.1 微型计算机的组成1、存储器(类型、结构、重要指标)2、微处理器MPU (结构图)3、I/O接口和外设4、地址、数据、控制总线 1.2.2 微型计算机的基本原理,1.2.1 微型计算机的组成,Random Access M
5、emory,Read Only Memory,类型: ROM 正常工作时只能读不能写的存储器PROM 可编程ROM,厂家一次写入EPROM 用户可编程可擦写ROM,紫外线擦除器EEPROM 电可擦写可编程ROM,在线,读快/写慢Flash PEROM 闪速可编程可擦写ROM,1、存储器(类型、结构、重要指标),RAM 正常工作时即可读又可写的存储器DRAM 动态RAM,集成度高,外加刷新电路SRAM 静态RAM,成本高、速度快iRAM 全集成化RAM,DRAM+刷新电路NVRAM SRAM+EEPROM,不挥发即不易失,易失,不 易 失,ROM和RAM的主要区别: 1、断电后ROM内的信息不丢
6、失RAM 中的信息立即丢失 2、读/写方式不同ROM采用特殊方式写入信息,正常工作是只读方式RAM正常工作既能读又能写,WR,ROM和RAM芯片均有分四组引脚线: (ROM另有特殊的引脚线) 1、地址线 传送存储器的地址码,其根数决定存储单元个数即字数 2、数据线 传送对某一单元进行读/写的数据,双向决定一个单元内存储二进制数的位数,即字长 3、控制线 传送读/写控制信号,以控制读/写操作 4、电源线 +5V 和GED线,存储器的两个重要指标,存贮容量存储容量2地址线条数数据线的条数bit 字数字长 例: 芯片2732 4KB 即 4 K 8bit=32Kb地址线 12根,数据线 8根 芯片
7、2114 1K 4bit 地址线 10根,数据线 4根 问? 2764 8KB 地址线 ?根,数据线 ?根 存取周期存储器从接到存储单元地址开始,到读出或写入数据为止所用的时间。,存储单元个数,2、微处理器MPU,结构图,1)运算器(主要由五部分组成),MPU的组成部分,2)控制器(主要由三部分组成),3)内部总线,在控制器的控制下,对二进制数进行算术运算或逻辑运算。 1 算术逻辑运算单元 ALU (8位)运算器的核心,以全加器为基础,辅以移位和控制逻辑组合而成在控制器的控制下,可进行加减乘除算术运算和各种逻辑运算 2 累加器 A由8位触发器组成的移位寄存器,运算前存放一个操作数,运算后存放运
8、算结果,可进行累加 3 暂存器 TMP 8位寄存器,暂存另一个操作数 4 状态寄存器 PSW 8位触发器组成,存放ALU操作中形成的状态例 CY OV AC 标志位 5 通用寄存器组 PS 用于存放操作数或运算结果,1)运算器(主要由五部分组成)以8位微机为例,发布操作命令的机构,是计算机的指挥中心,控制计算机的各部分协调工作,用以自动执行程序。1 指令部件 用来读取指令、分析指令和为完成指令产生控制信号的逻辑部件,也是控制器的核心。指令部件由以下三部分组成: 程序计数器PC(Program Counter) 指令寄存器IR(Instruction Register) 指令译码器ID(Inst
9、ruction Decoder) 2 时序部件 由时钟系统和脉冲分配器组成,用于产生微操作控制部件所需的定时脉冲信号。 3 微操作控制部件 为指令译码器ID的输出信号配上节拍电位和节拍脉冲,也可和外部进来的控制信号组合,共同形成相应的微操作控制序列,以完成规定的操作。,2)控制器(主要由三部分组成),3、I/O接口和外设,I/O接口,是大规模集成电路芯片,是架设在微处理器和外设间的桥梁,实现两者之间的速度、电平和信号性质的匹配 。,总线是在微型计算机各部分之间传送信息的公共通道,也是沟通微型计算机各种器件的桥梁。(1)地址总线AB(Adress Bus)用来传送MPU发出的地址码,是单向总线。
10、其条数由MPU型号决定, 同时决定可直接寻址的内存地址范围.,4地址总线、数据总线和控制总线,(2)数据总线DB(Data Bus),用来传送数据和指令码,是双向总线。通过DB,MPU可将数据写入存储器或通过输出接口向外设输出数据,也可从存储器或通过输入接口从输入设备输入数据。数据总线条数常和所用微处理器字长相等,但也有内部为16位运算而外部仍为八位数据总线的情况,称为准16位。八位机中数据总线通常有八条。,(3)控制总线CB(Control Bus),用来传送MPU发出的控制信号、存储器或外设的状态信号和时序信号等。每根控制总线的信息传送方向是固定的,单向的,而控制总线作为整体为双向的。控制
11、总线的条数因机器而异,每条控制线最多传送两个控制信号。,122 微型计算机的基本原理,计算机的工作 就是执行程序。要执行一个程序必须将该程序放入内存。而程序是若干指令的有序排列,要执行程序只要从第一条指令开始,逐条读取指令、分析指令、执行指令直至执行到停机指令即完成程序。要从内存中读取指令,必须给出内存单元的地址,这就需要有一个专门的寄存器用来存放将要执行指令的内存地址,这个寄存器就是程序计数器PC。当计算机根据PC中地址取出要执行指令的一个字节后,PC就自动加1,指向指令的下一字节,为机器下次读取指令作好准备。指令寄存器IR用来存放从存储器中取出的当前要执行指令的指令码。该指令码在IR中得到
12、寄存和缓冲后被送到指令译码器ID中译码,经译码后就知道该指令所要进行的操作分析指令并在时序部件和微操作控制部件的作用下控制相应部分进行操作完成指令的执行执行指令,程序执行过程举例 求2143和的程序。机器码 机器码 助记符 功能0111010000010101B 7415H MOV A,#15H ;(A)15H0010010000101011B 242BH ADD A,#2BH ;(A)(A)2BH1000000011111110B 80FEH SJMP $ ; 停止,15H,2BH,40H,CY OV AC,0,0,1,PSW,专题三 MCS-51单片机硬件结构,1.5 单片微型计算机的发展
13、及应用1.5.1 单片机的发展历史1.5.2 单片机的发展趋势1.5.3 单片机的典型产品1.5.4 单片机的应用 第二章 MCS-51单片机的结构和工作原理,1974年12月,美国仙童(Fairchild)公司推出了世界上第一台8位单片机F8。单片机的发展过程分为以下几个发展阶段。 第一代单片机(19741976年)单片机发展的起步阶段。集成度也较低,并且采用了双片形式。代表产品有Fairchild公司的F8和Mostek公司的3870等。 第二代单片机(19761978年)这是单片机的发展阶段。最典型的产品有Intel公司的MCS-48系列单片机。 第三代单片机(1979一1982年)这是
14、8位单片机的成熟阶段。代表产品有Intel公司的MCS-51系列机、Motorola公司的MC6801系列机、Zilog公司的Z8系列机等。 第四代单片机(1983年以后)1983年以后是16位单片机和8位高性能单片机并行发展的时代。,151 单片机的发展历史,目前,单片机正朝着高速度、高性能和多品种方向发展,单片机的发展趋势具体体现在以下四个方面: 1CPU功能增强 2内部资源增多 3引脚的多功能化 4低电压和低功耗,152 单片机的发展趋势,153 单片机的典型产品,1八位低档系列机MCS-48系列是Intel公司1976年后推出的八位系列机单片机 2八位高档系列机MCS-51系列单片机是
15、Intel公司1980年以后推出的8位高档机 3十六位单片机系列Intel公司从1984年开始推出高性能的十六位MCS-96系列单片机,单片机具有集成度高、结构简单、可靠性高、控制功能强、应用灵活方便和价格低等优点,因此广泛应用于国民经济的各个领域。单片机的应用提高了机电设备的技术水平和自动化程度,对各行各业的技术改造和产品更新换代起到了重要的推动作用。1单片机特别适用于机、电、仪一体的智能产品 (1)单片机在日常生活中的应用 (2)单片机在数据处理方面的应用 (3)单片机在智能化的仪器仪表中应用2单片机在工业控制中的应用 3单片机在通讯方面的应用,154 单片机的应用,单片机成功地应用于玩具
16、、游戏机、无绳电话、充电器、按摩器、IC卡电话、IC卡水表、IC卡煤气表、IC卡电度表、流量温控仪表、家庭自动化、电子锁、电子秤、步进电机、防盗报警、电子日历时钟等这些日常生活的产品中。图形终端、彩色黑白复印机、软盘及硬盘驱动器、磁带机、打印机的内部都采用单片机进行控制。 在各类仪器仪表中(包括医疗器械、色谱仪、温度、湿度、流量、流速、电压、频率、功率、厚度、角度、长度、硬度、元素测定等)引人单片机,使仪器仪表数字化、智能化、微型化,功能大大提高。,第二章MCS-51单片机的结构和工作原理,本教材主要讲述MCS-51单片机,包括它的硬件、软件及其应用。本章介绍MCS-51单片机的结构、工作原理
17、及其组成部件和各部件的功能。 2.1 MCS-51系列单片机的结构 2.2 8051单片机内部结构和功能 2.3 MCS-51单片机的引脚功能 2.4 MCS-51单片机的工作方式2.5 MCS-51单片机的时序,2.1.2 MCS-51单片机的应用特性,21 MCS-51系列单片机的结构,2.1.1 MCS-51 单片机的基本组成,2.2.1 中央处理器CPU 2.2.2 存储器结构2.2.3 定时器/计数器(T/C)2.2.4 并行I/O接口2.2.5 串行口2.2.6 中断系统,22 8051单片机内部结构和功能,存储器,I/O接口,MCS-51单片机芯片有许多种:如8051、8031、
18、8751、80C51、80C31等。 它由8个部件组成,1、中央处理器(CPU)核心2、时钟电路 12MHz3、程序存储器(ROM/EPROM) 4KB4、数据存储器(RAM) 128B+128B SFR5、并行I/O口(P0P3口)P0和P2兼作外总线6、串行口 全双工串行口7、定时器/计数器 2个16位8、中断系统 5个中断源,高级和低级两级优先级别它们都是通过单一总线连接,并被集成在一块半导体芯片上,为单片微型计算机(Single-Chip Microcomputer),片内存储器,片内I/O接口,1. MCS-51单片机系列两大系列:MCS-51子系列和MCS-52子系列。 其中51子
19、系列是基本型,而52子系列属于增强型。各子系列配置如表2-1所示。(P36)片内ROM形式无 ROM EPROM8031 8051 875180C31 80C51 87C518032 8052 875280C32 80C52 87C52,212 MCS-51单片机的应用特性,51子系统,52子系统,52子系列与51子系列相比,其功能增强的具体方面如下: 1片内RAM从128字节增加到256字节 2片内ROM从4KB 增加到8KB 3定时器/计数器从2个增加到3个 4中断源从5个增加到67个,2. 单片机芯片的半导体工艺 MCS-51系列单片机采用以下两种半导体工艺生产HMOS 芯片型号中不带有
20、字母“C”的,功耗较大。CHMOS 芯片型号中凡带有字母“C”的,具有高速度、高密度、低功耗的特点 例如 8051的功耗为630mW,80C51的功耗只有120mW。在便携式、手提式或野外作业仪器设备或长期无人值守自动监测、监控的仪表上是非常有意义的。因此在这些产品中最好使用CHMOS型单片机芯片.,3. 片内ROM存储器的配置形式及应用环境MCS-51单片机内程序存储器的配置形式有三种:掩模ROM型 (由厂家一次写入,成本低)EPROM型 (由用户可反复写入,成本较高)无ROM (需在片外扩展)各有特点,也各有其适用场合,可根据需要进行选择环境温度范围,划分为三个等级民用级 070工业级 4
21、085军用级 65125因此在使用中应注意根据现场温度选择芯片。,22 8051单片机内部结构和功能,一、运算器1算术逻辑单元(ALUArithmetic Logic Unit)2累加器(ACCAccumulator)3寄存器 B4程序状态字(PSWProgram Status Word)5布尔处理器 二、控制器 1程序计数器(PCProgram Counter) 2指令译码器ID 3数据指针(DPTR) 4. 堆栈指针(SPStack Pointer),221 中央处理器CPU,一、运算器功能:运算部件实现算术、逻辑运算、位变量处理、移位、数据传送1算术逻辑单元(ALU)8位 其累加器是AC
22、C二进制四则运算和布尔代数的逻辑运算 运算结果影响PSW的有关标志位2. 累加器(ACC)8位 存放操作数和中间结果工作频繁,大多数操作均通过它进行3寄存器B 8位 乘法时用于存乘数/积的高8位除法时用于存除数/余数4程序状态字(PSW)8位 特殊功能寄存器 5布尔处理器 1位它以进位标志(CY)作为累加位 进行位操作,程序状态字PSW各位标志的含义,PSW.7 PSW.6 PSW.5 PSW.4 PSW.3 PSW.2 PSW.1 PSW.0,CY (PSW.7) 进位标志位 AC(PSW.6) 辅助进位(或称半进位)标志 F0(PSW.5) 用户标志位 RS1和RS0(PSW.4,PSW.
23、3)工作寄存器组选择位 OV(PSW.2) 溢出标志位 PSW.1 未定义位 P(PSW.0) 奇偶标志位,CY是PSW中最常用的标志位。由硬件或软件置位和清零。 字节运算中(ALU):它表示运算结果是否有进位(或借位)。Cy=SUBC8 加法时(SUB=0):有进位 Cy由硬件置“1” 即Cy=1; 无进位 CY被硬件清“0” 即Cy=0。 减法时(SUB=1):有借位 Cy由硬件置“1” 即Cy=1;无借位 CY被硬件清“0” 即Cy=0。 位操作(布尔操作)时,CY作为累加器使用,其作用相当于字节操作的累加器ACC。,Cy,在指令中可作为转移的条件JC rel ; cy=1转移JNC r
24、el ; cy=0 转移 位操作指令中做累加器ANL C, bit ANL C, / bitORL C, bit ORL C, / bitSETB C CLR CCPL C MOV C,bitMOV bit,c,Cy,C,AC(PSW.6) 辅助进位(或称半进位)标志。当执行加减运算时,其运算结果产生低四位向高四位进位或借位时, AC由硬件置“1”;否则AC位被自动清“0”。 AC=SUB C4 一般在BCD码运算时,系统用于进行十进制调整。,Ac,OV,OV(PSW.2) 溢出标志位它反映运算结果是否溢出,溢出时则由硬件将OV 位置“1”;否则置“0”。只有在补码运算时起作用。双进位位法判溢
25、出:OV=C8 C7,溢出和进位是两种不同性质的概念。溢出是指有正负号的两个数运算时,运算结果超出了累加器以补码所能表示一个有符号数的范围。补码运算是闭运算。而进位则表示两数运算最高位(D7)相加(或相减)有无进位(或借位)。无符号运算是开运算。因此使用时应加以注意。,OV 与 Cy,F0(PSW.5) 用户标志位。用户可根据自己的需要对F0位赋予一定的含义,由用户置位或复位,作为软件标志。SETB F0 ; 置位CLR F0 ; 复位相当于高级语言中的逻辑变量,F0,P(PSW.0) 奇偶标志位P标志表明累加器ACC中1的个数的奇偶性。在每条指令执行完后,单片机根据ACC的内容对P 位自动置
26、位或复位。若累加器ACC中有奇数个“1”,则P=1;若累加器ACC中有偶数个“1”,则P=0。,P,1程序计数器(PC)16位计数器(重要)PC是程序的字节地址计数器,其内容是将要执行的下一条指令的地址,寻址范围达64KB。PC 有自动加1功能,从而实现程序的顺序执行。可以通过转移、调用、返回等指令改变其内容,以实现程序的转移。,二、控制器,2指令译码器ID 当指令取出经指令寄存器IR送至指令译码器ID时 ,ID对该指令进行译码,即把指令转变成所需的电平信号,CPU 根据ID输出的电平信号使定时控制电路定时地产生执行该指令所需的各种控制信号,以使计算机能正确执行程序所要求的各种操作。,程序 存
27、储器,PC,取出 指令码,指令 寄存器IR,指令 译码器ID,把指令转变 成所需要得 电平信号,CPU 产生执行该指令所需的各种控制信号,取指令,分析指令,执行指令,3数据指针(DPTR)16bit数据指针DPTR为16位寄存器。它的功能是存放16位的地址,作为访问外部程序存储器和外部数据存储器时的地址。编程时,DPTR既可按16位寄存器使用,也可以按两个8位寄存器分开使用。即: DPH DPTR的高8位 DPL DPTR的低8位4. 堆栈指针(SP)8 bitSP的内容就是堆栈栈顶的存储单元地址。不论是数据进栈还是数据出栈,都是对堆栈的栈顶单元进行的,即对栈顶单元的写和读操作。,2.2.2
28、存储器结构,2.2.2.1 程序存储器,2.2.2.2.片内数据存储器(RAM),2.2.2.3 片外数据存储器(RAM/I/O),数据及 堆栈区,2.2.2 存储器结构,8051单片机在系统结构上采用了哈佛型,其存储器在物理结构上分程序存储器(ROM) 和数据存储器(RAM)。有四个物理上相互独立的存储空间 :其配置如图2-3所示。,片内ROM,片外ROM,片内RAM,片外RAM/I/O口,60KB,4KB,64KB,128B RAM,128B SFR,特殊单元:0000H-0002H(开机复位单元) 3个0003H-000AH(INT0中断地址区) 8个000BH-0012H(T/C0中断
29、地址区) 8个0013H-001AH(INT1中断地址区) 8个001BH-0022H(T/C1中断地址区) 8个0023H-002AH(串行口中断地址区) 8个,2.2.2.1 程序存储器,当CPU的引脚EA接高电平时,PC在0000H0FFFH范围内,CPU从片内ROM取指令; 而当PC0FFFH后,则自动转向片外ROM去取指令。当引脚EA接低电平时,8051片内ROM不起作用,CPU只能从片外ROM取指令,地址可以从0000H开始编址对于片内无ROM的 8031、8032单片机,EA应接地。以便从外部扩展EPROM中取指令。8051从片内ROM和片外ROM取指时执行速度相同。,数据存储器
30、用来存放运算的中间结果、标志位,及数据的暂存和缓冲等。分为片内RAM和片外RAM。8051系列单片机内数据存储器最大可寻址256个单元,片外可寻址16位(64kB)的地址空间,该空间包括外扩展I/O口的地址,两者统一编址。,数据存储器,2.2.2.2.片内数据存储器(RAM),用户RAM区 (堆栈、数据缓冲) (30H-7FH),位寻址区 (位地址00H-7FH) (20H-2FH),第3组通用寄存器 (18H-1FH),第2组通用寄存器 (10H-17H),第1组通用寄存器 (08H-0FH),第0组通用寄存器 (00H-07H),用于存放操作数及中间结果。由于它们的功能预先不作规定,因此称
31、为通用寄存器,也叫工作寄存器。任一时刻,CPU只能使用一组工作寄存器。(由PSW的RS0和RS1决定),可以直接对位进行寻址。(共16个单元,128个位),用于存放用户数据和及做堆栈用。,00H,7FH,1、低128字节RAM,1、工作寄存器(00H1FH)RS1 RS0 寄存器组 片内RAM地址0 0 第0组 00H07H0 1 第1组 08H0FH1 0 第2组 10H17H1 1 第3组 18H1FH,R0R7,4个,这16个单元(共计128位)的每一位都有一个8位表示的位地址,位寻址范围为00H7FH,如表2-3所示P42。位寻址区的每一个单元既可作为一般RAM单元使用,进行字节操作,
32、也可以对单元中的每一位进行位操作。MCS-51布尔处理器的存储空间就是指这个位寻址空间。,47H,46H,45H,44H,43H,42H,41H,40H,D0,D1,D2,D3,D4,D5,D6,D7,28H 字节地址,位地址,2、可位寻址区(20H2FH),28H 字节地址,MOV 28H,#56H,SETB 43H,CLR 42H,1,0,字节操作,位操作,30H7FH是供用户使用的一般RAM区,也是数据缓冲区,共80个单元。对用户RAM区的使用没有任何规定或限制,一般用于存放用户数据及作堆栈区使用。,3、用户RAM区(30H7FH),2、高128字节特殊功能寄存器 SFR,Special
33、 Function Register,8051片内高128字节RAM中,除程序计数器PC外,还有21个特殊功能寄存器,又称为专用寄存器(SFR)。它们离散地分布在80H0FFH RAM空间中。 特殊功能寄存器的字节寻址8051片内21个特殊功能寄存器的名称、符号及单元地址如表2-4所示(P43)。, 特殊功能寄存器的位寻址在21个特殊功能寄存器中,有11个寄存器具有位寻址,即表2-4中带者,其地址分布见表2-5(P43)。表中11个可位寻址的寄存器,它们的字节地址正好能被8整除,而且字节地址与该字节最低位的位地址相同。,2.2.2.3 片外数据存储器(RAM/I/O),2、片外RAM地址范围为
34、0000H0FFFFH,其中在0000H00FFH这段区间与片内数据存储器空间是重叠的,CPU使用MOV指令和MOVX指令加以区分。3、若用户应用系统有扩展的I/O接口时,数据区与扩展的I/O口统一编址,所有的外围接口地址均占用片外RAM的地址单元,因此要合理地分配地址空间,保证译码的唯一性。,1、片外数据存储器,即片外RAM一般由静态RAM组成。MCS-51系列单片机访问外部数据存储器通过一个特殊寄存器DPTR寻址。由于DPTR是16位,则外部数据存储器可寻址的范围是64kB。,8051系列单片机内有两个16位的定时器/计数器:定时器/计数器0和定时器/计数器1。定时器/计数器具有定时和计数
35、的功能(参见P46页)。共有4种工作方式。,2.2.3 定时器/计数器(T/C),8051有4个8位的并行接口即PO-P3,共32根I/O线。它们都具有双向I/O功能。每个I/O口由输出锁存器、输出驱动器和数据输入缓冲器组成。(经常用于为扩展外部存储器和I/O接口的外部总线),2.2.4 并行I/O接口,计算机与外界、计算机与计算机之间的信息交换称为通信,有串行通信和并行通信两种基本方式。 并行通信是数据的各位同时传送,而串行通信是数据的各位按顺序一位一位地传送。MCS-51系列单片机内部有一个可编程的全双工的串行接口。由串行数据缓冲寄存器、控制寄存器、电源控制和串行口波特率的倍增控制。,2.
36、2.5 串行口,8051系列单片机有5个中断源,分高级和低级两个优先级。它可以接受外部中断申请、定时器/计数器申请和串行口申请。常用于实时控制、故障自动处理、计算机与外设间传送数据及人机对话等。,2.2.6 中断系统,MCS-51系列单片机芯片均为40个引脚,HMOS工艺制造的芯片采用双列直插式封装(DIP)。本节主要介绍引脚功能和引脚功能的复用。,2.3 MCS-51单片机的引脚功能,1、电源引脚Vss和VccVss为电压接地端,Vcc为+5V电源端。,2、时钟电路引脚XTAL1和XTAL2XTAL1和XTAL2是外接晶体引线端。当芯片使用内部时钟时,用于外接石英晶体和电容;当用外部时钟时,
37、用于接外部时钟脉冲信号。,2.3.1引脚信号功能介绍,4、I/O(输入/输出)端口(Port)P0、P1、P2、P3P0口是一个漏级开路的8位双向I/O口。在访问外存储器时,P0分时提供低8位地址线和8位双向数据线。当不接外存储器或不扩展I/O口时,P0口可作为一个通用输入输出接口。P1口是一个带内部上拉电阻的准双向口。P1口只能做通用输入输出口。P2口是一个带内部上拉电阻的准双向口。在访问外部存储器只输出高8位地址。P3口为双功能口,除了作为一般的准双响通用接口外,每个引脚还有特殊的功能。,2.3.2 引脚信号的第二功能,1、P3口线的第二功能,MCS-51单片机的工作方式有复位方式单步执行
38、方式程序执行方式掉电和低功耗方式以及EPROM编程、校验与加密方式等。,2.4 MCS-51单片机的工作方式,1、单片机的初始化操作复位单片机复位后,程序计数器PC和特殊功能寄存器的状态(见书P50页)。复位后,PC初始化为0000H,使单片机从0000H开始执行程序。复位后不影响片内RAM。,2.4.1 复位方式,2、复位信号RST引脚是复位信号的输入端,复位信号为高电平有效。当高电平持续24个震荡脉冲周期(两个时钟周期)以上时,单片机完成复位。,3、复位方式复位分为按键手动复位和上电自动复位。,复位后各SFR的初始状态重要,单步执行就是通过外来脉冲控制程序的执行,使之达到来一个脉冲就执行一
39、条指令的目的。而外来脉冲是通过按键产生的,因此单步执行实际上就是按一次键执行一条指令。,2.4.2 单步执行方式,程序执行方式是单片机的基本工作方式。由于复位后PC=0000H,因此程序总是从地址0000H开始。,2.4.3 程序执行方式,2.4.4 掉电和低功耗(见书P51页),2.4.5 EPROM编程、校验和加密方式P53,244 掉电和低功耗方式,什么时候低功耗工作?,为什么要掉电保护?,单片机系统在运行程序过程中,如发生掉电故障将会使RAM和寄存器中的数据丢失,其后果有时是非常严重的。为此,MCS-51单片机可以设置掉电保护,进行掉电变化处理。具体作法是:1先把有用信息转存2然后接通
40、备用电源,一、8051的掉电保护,2接通备用电源信息转存后还应维持内部RAM的供电,才能保护转存信息不被破坏。为此系统应装有备用电源,并在掉电后立即接通备用电源。备用电源由单片机RST/VPD引脚接入。为了在掉电时能及时接通备用电源,系统中还需要备用电源与VCC电源的自动切换电路,这个电路已表示在图2-7中。,切换电路有两个二极管组成,当电源电压VCC高于RSR/VPD引脚的备用电源电压时,D1导通,D2截止,内部RAM由VCC电源供电。当VCC电源电压降至备用电源电压以下时,D1截止,D2导通,内部RAM由备用电源供电。这时,单片机就进入掉电保护方式。由于备用电源容量有限,系统在掉电后,可以
41、使时钟电路和CPU停止工作,但内部RAM和寄存器应继续工作以保持其内容。为此,有人把备用电源提供的仅维持单片机内部RAM工作的最低消耗电流形象地称为“饥饿电流”。当电源VCC恢复时,RST/VPD端备用电压还应继续维持一段时间(约10ms),以给其它电路从启动到稳定工作留出足够的过渡时间来,然后才结束掉电保护状态,使单片机恢复正常工作。当然,单片机恢复正常工作以后的第一件事情就是恢复被保护的信息。,HMOS型8051在掉电保护情况下,备用电源给单片机低功耗供电,因此掉电保护方式就是低功耗方式。CHMOS型80C51与8051不同,它有两种低功耗方式:待机工作方式和掉电保护方式。待机工作方式和掉
42、电保护方式都是由特殊功能寄存器PCON (电源控制寄存器)的有关位来控制的。PCON寄存器格式如下: D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0SMOD GF1 GF0 PD IDL 其中:SMOD 在串行通信时使用的波特率倍增位。 GF0、GF1 通用标志位。 PD(PCON.1)掉电方式位。若PD=1,则进入掉电保护方式。 IDL(PCON.0) 待机方式位。若IDL=1,则进入待机方式。 若PD和IDL同时为1时,则先进入掉电保护方式。,二、80C51的低功耗方式,执行指令 SETB IDL进入待机方式,振荡器仍然工作,并向中断逻辑、串行口和定时器/计数器电路提供时钟,但送往CPU时
43、钟的信号被封锁,CPU不能工作,与CPU有关的如SP、PC、PSW、ACC以及其它通用寄存器也都保持在原状态。故也称为冻结工作方式。 退出待机工作方式的方法有两种: 中断退出待机工作方式下,中断系统仍在工作,中断服务程序中只需安排一条RETI指令,就能恢复正常工作而返回断点继续执行程序。 硬件复位退出由于振荡器一直在工作,因此,硬件复位只需保持两个机器周期即可完成。,执行指令 SETB PD掉电保护工作方式,PCON中的通用标志位GF0和GF1可用来指示中断是在正常运行期间,还是在待机工作方式期间发生的。例如,在执行置位待机工作方式之前设置了GF0或GF1标志位,当有中断请求信号,并退出待机工
44、作方式时,中断服务程序可检查这些标志位,使程序作出正确判断。,此时片内振荡器停止工作,因此单片机所有运行状态都停止,只有内部RAM和SFR中的内容被保存起来。退出掉电保护方式,只能用硬件复位,复位操作将重新定义所有的SFR,但不改变片内RAM的内容。,注意:只有在VCC 恢复到正常工作电压后,才能启动复位,而且复位应保持足够长的时间,以便使振荡器起振并达到稳定工作状态,该时间不小于10毫秒。80C51单片机除进入掉电保护方式的方法与8051不同外,还有备用电源由VCC端引入的特点。,251 片内振荡器结构和时钟电路,25 MCS-51单片机的时序,单片机在执行指令时,通常将一条指令分解为若干基
45、本的微操作,这些微操作所对应的脉冲信号在时间上的先后次序称为单片机的时序。,在通常应用情况下,MCS-51使用谐振频率为6MHz的石英晶体,而12MHz主要是在高速串行通信的情况下使用。,252CPU时序,时序定时单位MCS-51的时序定时单位从小到大依次为:节拍、状态、机器周期和指令周期。下面分别说明。 1节拍与状态把振荡脉冲的周期定义为节拍(用P表示)。每二个节拍定义为一个状态(用S表示)。一个状态包含节拍1(P1)和节拍2(P2) 2机器周期MCS-51采用定时控制方式,有固定的机器周期,规定一个机器周期的宽度为6个状态,并依次表示为S1S6。由于一个状态包括两个节拍,因此一个机器周期总
46、共有12个节拍,分别记作S1P1、S1P2、S6P2。因此一个机器周期就由12个振荡周期组成。显然,当振荡频率为12MHz时,一个机器周期为1s ,当振荡频率为6MHz时,一个机器周期为2s 。,3指令周期指令周期是最大的时序定时单位,执行一条指令所需的时间称为指令周期。MCS-51的指令周期根据指令的不同,可分别包含有一、二、四个机器周期。例:MUL AB DIV AB 是4机器周期指令SJMP $ 是2机器周期指令MOV A,B 是1机器周期指令,S状态,P节拍,节拍、状态、机器周期和指令周期,MCS-51的时序定时单位,几个地址重叠区的用指令识别: 1、片内RAM/SFR 用MOV指令 2、片外RAM/I/O 用 MOVX 指令 3、片外程序存储器 用MOVC指令 4、片内可位寻址区,用SETB ,CLR ,MOV指令 用控制信号识别: 1、片外程序存储器 用/PSEN 2、片外RAM/I/O 用/WR,/RD,MCS-51单片机存储结构小结,第二、三专题结束,