单片机开发技术--第2章.ppt
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第2章51系列单片机系统结构第第22章章5151系列单片机系统结构系列单片机系统结构2.1总体结构总体结构2.2存储器组织存储器组织2.3时钟、时钟电路、时钟、时钟电路、CPU定时定时2.4复位和复位电路复位和复位电路2.5中断系统中断系统第2章51系列单片机系统结构图2.1MCS-51单片机结构简图2.12.1总体结构总体结构2.1.1512.1.151系列单片机的内部结构系列单片机的内部结构第2章51系列单片机系统结构图图2.251系列单片机内部结构框图系列单片机内部结构框图第2章51系列单片机系统结构单片机的引脚及其功能单片机的引脚及其功能图图2.3MCS-51单片机引脚及总线结构单片机引脚及总线结构第2章51系列单片机系统结构1.主电源引脚Vcc和VssVCC(40脚):
接+5V电源正端;VSS(20脚):
接+5V地端。
2.外接晶体引脚XTAL1和XTAL2XTAL1(19脚):
输入端。
XTAL2(18脚):
输出端。
第2章51系列单片机系统结构
(2)(30脚);当访问外部存储器时,ALE(允许地址锁存8位地址。
(3)(29脚);(片外信号)以每机器周期两次的信号输出,用于锁存出现在P0口的低程序存储器读选通信号输出端,低电平有效。
(4)(31脚):
为访问外部程序存储器控制信号,低电平有效。
3.控制信号或与其它电源复用引脚
(1)RST/VPD(9脚):
RST即为RESET,VPD为备用电源,所以该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。
第2章51系列单片机系统结构4.输入/输出(I/O)引脚
(1)P0口(39脚32脚):
P0.0P0.7统称为P0口
(2)P1口(1脚8脚):
P1.0P1.7统称为P1口,可作为准双向I/O接口使用。
(3)P2口(21脚28脚):
P2.0P2.7统称为P2口,一般可作为准双向I/O接口。
(4)P3口(10脚17脚):
P3.0P3.7统称为P3口。
第2章51系列单片机系统结构2.22.2存储器组织存储器组织图2.4MCS-51单片机的存储器结构第2章51系列单片机系统结构8051:
内部:
内部ROM的地址为的地址为0000H0FFFH,共共4KB;外部地址为外部地址为0000HFFFFH,共共64KB。
8751:
内部有内部有4KB的的EPROM;8031:
内部无内部无ROM,必须外接必须外接EPROM等等。
2.2.1程序存储器程序存储器ROM中系统占用的单元:
中系统占用的单元:
0000H是系统的启动地址(入口地址是系统的启动地址(入口地址/复位地址)复位地址)5种中断源的中断服务入口地址:
种中断源的中断服务入口地址:
0003H、000BH、000BH、001BH和和0023H第2章51系列单片机系统结构片内片内RAM为为128字节字节,地址范围为地址范围为00H7FH;2.2.2内部内部RAM数据存储器数据存储器分为三大部分分为三大部分:
00H1FH:
通用工作寄存器区通用工作寄存器区,共,共32个单元;个单元;20H2FH:
位寻址区,位寻址区,共共16个单元;个单元;30H7FH:
数据缓冲区,数据缓冲区,共共80个单元。
个单元。
51系列的片内系列的片内RAM第2章51系列单片机系统结构通用工作寄存器区通用工作寄存器区:
00H1FH,共,共32个单元;个单元;分分成成4个个通通用用工工作作寄寄存存器器区区。
每每一一个个区区有有8个个通通用用寄寄存存器器R0R7。
寄寄存存器器和和RAM地地址址对对应关系如表应关系如表2.2。
第2章51系列单片机系统结构表2.2寄存器与RAM地址对照表第2章51系列单片机系统结构位寻址区位寻址区:
20H2FH,共,共16个单元;个单元;每每一一个个单单元元有有8位位,共共168=128位位。
位位地地址重新编为址重新编为00H7FH。
RAM中中各各存存储储单单元元与与位位地地址址的的对对应应关关系系如如表表2.3所示。
所示。
注意单元地址(字节地址)与位地址的区别。
注意单元地址(字节地址)与位地址的区别。
第2章51系列单片机系统结构表2.3RAM中的位寻址区地址表第2章51系列单片机系统结构52系列的数据缓冲区增加系列的数据缓冲区增加128B;30H0FFH,共,共208个单元;个单元;数据缓冲区(数据缓冲区(51系列)系列):
30H7FH,共,共80个单元;个单元;每每一一个个单单元元都都只只能能按按字字节节方方式式操操作作,进进行行数据的存取。
操作时直接给出字节地址即可。
数据的存取。
操作时直接给出字节地址即可。
第2章51系列单片机系统结构80HFFH,共共128个个字字节节单单元元;但但未未完完全全占占用用,51系系列列只只离离散散分分布布了了21个个字字节节,对对应应21个个8位的位的SFR。
89C52增加增加6个与定时器个与定时器T2对应的对应的SFR;2.2.3特殊功能寄存器区(特殊功能寄存器区(SFR区)区):
第2章51系列单片机系统结构SFR按功能可分成按功能可分成5个部分:
个部分:
CPU:
Acc、B、PSW、SP、DPTR并行并行I/O口口:
P0、P1、P2、P3中断系统中断系统:
IE、IP定时器定时器/计数器计数器:
TCON、TMOD、T0、T1串行串行I/O口口:
SCON、SBUF、PCON第2章51系列单片机系统结构注意:
注意:
5151系系列列单单片片机机的的片片内内RAMRAM只只有有128128个个字字节节。
5252系系列列单单片片机机的的片片内内RAMRAM有有256256个个字字节节。
SFRSFR的的地地址址分分配配采采用用的的是是与与片片内内RAMRAM的的地地址址统统一一编编码码的的方方式式。
SFRSFR虽虽然然采采用用了了片片内内RAMRAM的的地地址址,但但实实质质上上并并不不属属于于片片内内RAMRAM的的存存储储空空间间,而而是是功功能能相相对对独独立的一个部分。
立的一个部分。
各各SFR与与RAM中各存储单元地址的对应关系中各存储单元地址的对应关系如表如表2.3所示。
所示。
第2章51系列单片机系统结构表表2.3SFR特殊功能寄存器地址表特殊功能寄存器地址表第2章51系列单片机系统结构续表续表2.3SFR特殊功能寄存器地址表特殊功能寄存器地址表第2章51系列单片机系统结构续表续表2.4SFR特殊功能寄存器地址表特殊功能寄存器地址表第2章51系列单片机系统结构SFRSFR中的可寻址位中的可寻址位:
在在5151系系列列单单片片机机的的SFRSFR中中有有1111个个是是可可以以位位寻寻址址的的,每每个个SFRSFR有有88位位,共共有有8888个个位位地地址址,其其中中有有55位未定义,不能使用。
位未定义,不能使用。
特征:
字节地址能被特征:
字节地址能被88整除的整除的SFRSFR都能进行位寻址。
都能进行位寻址。
第2章51系列单片机系统结构2.2.42.2.4单片机的单片机的位地址空间:
位地址空间:
5151系列单片机的系列单片机的位地址空间位地址空间由两部分组成:
由两部分组成:
片内片内RAM的的20H2FH单元单元SFR中的中的可寻址位可寻址位CPU既能对其进行字节寻址,也能按既能对其进行字节寻址,也能按位进行操作位进行操作第2章51系列单片机系统结构位位地址的表示方法:
地址的表示方法:
(1)直接用位地址码表示)直接用位地址码表示00HFFH;
(2)采用采用单元号单元号.位号位号表示,如表示,如2CH.2,24H.5;(3)对)对SFR表示为表示为寄存器名寄存器名.位号位号,如,如PSW.2,ACC.5;(4)用)用伪指令伪指令定义。
(定义。
(BIT指令)指令)第2章51系列单片机系统结构2.2.5外部外部RAM和和I/O口口外外部部数数据据存存储储器器一一般般由由静静态态RAM构构成成,其其容容量量大大小小由由用用户户根根据据需需要要而而定定,最最大大可可扩扩展展到到64KB,地地址址是是0000H0FFFFH。
CPU通通过过MOVX指指令令访访问问外外部部数数据据存存储储器器,用用间间接接寻寻址址方方式式,R0、R1和和DPTR都都可可作作间间接接寄寄存存器器。
注注意意,外外部部RAM和和扩扩展展的的I/O接接口口是是统统一一编编址址的的,所所有有的的外外扩扩I/O口都要占用口都要占用64KB中的地址单元。
中的地址单元。
第2章51系列单片机系统结构2.3时钟、时钟电路、时钟、时钟电路、CPUCPU定时定时2.3.12.3.1中央处理器中央处理器CPUCPUCPU是单片机的核心部件,它由运算器是单片机的核心部件,它由运算器和控制器组成。
和控制器组成。
CPU控制数据的处理和整个单片机系统控制数据的处理和整个单片机系统的操作。
的操作。
第2章51系列单片机系统结构1.运算器运算器1.算术逻辑单元算术逻辑单元ALU2.2.累加器累加器ACC(Accumulator)3.3.寄存器寄存器B4.程序状态字程序状态字PSW(ProgrameStateWord)5.暂存器暂存器TMP功能:
完成数据的算术逻辑运算(特别是功能:
完成数据的算术逻辑运算(特别是、运算)、运算)、位变量处理以及数据传送操作等位变量处理以及数据传送操作等第2章51系列单片机系统结构功能:
发出操作时序、对指令译码,发出控制信号,功能:
发出操作时序、对指令译码,发出控制信号,是单片机的控制核心是单片机的控制核心2.控制器控制器1.程序指针程序指针PC2.2.指令寄存器、指令译码器指令寄存器、指令译码器3.3.地址指针地址指针DPTR4.控制信号发生器控制信号发生器5.定时控制逻辑定时控制逻辑第2章51系列单片机系统结构程序计数器程序计数器PC(ProgramCounter)PC用于存放CPU下一条要执行的指令地址,是一个16位的专用寄存器,可寻址范围是0000H0FFFFH共64KB。
程序中的每条指令存放在ROM区的某一单元,并都有自己的存放地址。
CPU要执行哪条指令时,就把该条指令所在的单元的地址送上地址总线。
在顺序执行程序中,当PC的内容被送到地址总线后,会自动加1,即(PC)(PC)+1,又指向CPU下一条要执行的指令地址。
第2章51系列单片机系统结构指令寄存器和指令译码器指令寄存器和指令译码器指令寄存器中存放指令代码。
CPU执行指令时,由程序存储器中读取的指令代码送入指令存储器,经译码器译码后由定时与控制电路发出相应的控制信号,完成指令所指定的操作。
第2章51系列单片机系统结构堆栈指针堆栈指针SP(StackPointer)堆栈操作是在内存RAM区专门开辟出来的按照“先进后出”原则进行数据存取的一种工作方式,主要用于子程序调用及返回和中断处理断点的保护及返回,它在完成子程序嵌套和多重中断处理中是必不可少的。
为保证逐级正确返回,进入栈区的“断点”数据应遵循“先进后出”的原则。
SP用来指示堆栈所处的位置,在进行操作之前,先用指令给SP赋值,以规定栈区在RAM区的起始地址(栈底层)。
当数据推入栈区后,SP的值也自动随之变化。
MCS-51系统复位后,SP初始化为07H。
第2章51系列单片机系统结构数据指针寄存器数据指针寄存器DPTR数据指针DPTR是一个16位的专用寄存器,其高位字节寄存器用DPH表示,低位字节寄存器用DPL表示。
既可作为一个16位寄存器DPTR来处理,也可作为两个独立的8位寄存器DPH和DPL来处理。
DPTR主要用来存放16位地址,当对64KB外部数据存储器空间寻址时,作为间址寄存器用。
在访问程序存储器时,用作基址寄存器。
第2章51系列单片机系统结构3.CPU中的中的SFR1.累加器累加器A2.寄存器寄存器B:
用于用于、运算时较特殊,平时作通用寄存器运算时较特殊,平时作通用寄存器3.程序状态字程序状态字PSW4.堆栈指针堆栈指针SP(StackPointer)5.数据指针数据指针DPTR(DataPointer)CyACF0RS1RS0OVPD7D6D5D4D3D2D1D0PSW程序状态字(程序状态字(ProgramStatusWord)第2章51系列单片机系统结构表表2.2RS1、RS0与片内工作寄存器组的对应关系与片内工作寄存器组的对应关系RS1RS0寄存器组片内PAM地址通用寄存器名称000组00H07HR0R7011组08H0FHR0R7102组10H17HR0R7013组18H1FHR0R7第2章51系列单片机系统结构图2.7单片机时钟电路(a)内部时钟电路;(b)外部振荡源2.3.22.3.2时钟电路时钟电路第2章51系列单片机系统结构2.3.3CPU定时(单片机的基本时序)定时(单片机的基本时序)1.1.机器周期和指令周期机器周期和指令周期
(1)振荡周期:
也称时钟周期,是指为单片机提供时钟脉冲信号的振荡源的周期。
(2)状态周期:
每个状态周期为时钟周期的2倍,是振荡周期经二分频后得到的。
(3)机器周期:
一个机器周期包含6个状态周期S1S6,也就是12个时钟周期。
在一个机器周期内,CPU可以完成一个独立的操作。
(4)指令周期:
它是指CPU完成一条操作所需的全部时间。
每条指令执行时间都是有一个或几个机器周期组成。
MCS-51系统中,有单周期指令、双周期指令和四周期指令。
第2章51系列单片机系统结构2.MCS-51指令的取指指令的取指/执行时序执行时序图2.8MCS-51单片机取指/执行时序第2章51系列单片机系统结构3.访问外部访问外部ROM和和RAM的时序的时序图2.9读外部程序ROM时序第2章51系列单片机系统结构图210读外部数据RAM时序第2章51系列单片机系统结构图2.11写外部数据RAM的时序第2章51系列单片机系统结构2.42.4复位和复位电路复位和复位电路图2.6单片机复位电路(a)上电复位电路;(b)开关复位电路第2章51系列单片机系统结构表表2.6复位后内部寄存器状态复位后内部寄存器状态第2章51系列单片机系统结构2.52.5中断系统中断系统2.5.12.5.1中断的概述中断的概述2.5.2MCS-512.5.2MCS-51中断系统中断系统2.5.32.5.3中断系统的应用中断系统的应用第2章51系列单片机系统结构2.5.1中中断断概概述述1.中断中断中断是指计算机在执行某一程序的过程中,由于计算机系统内、外的某种原因,而必须中止原程序的执行,转去执行相应的处理程序,待处理结束之后,再回来继续执行被中止的原程序的过程。
采用了中断技术后的计算机,可以解决CPU与外设之间速度匹配的问题,使计算机可以及时处理系统中许多随机的参数和信息,同时,它也提高了计算机处理故障与应变的能力。
第2章51系列单片机系统结构2.中断源中断源中断源是指在计算机系统中向CPU发出中断请求的来源,中断可以人为设定,也可以是为响应突发性随机事件而设置。
通常有I/O设备、实时控制系统中的随机参数和信息故障源等。
第2章51系列单片机系统结构3.中断优先级中断优先级中断优先级越高,则响应优先权就越高。
当CPU正在执行中断服务程序时,又有中断优先级更高的中断申请产生,这时CPU就会暂停当前的中断服务转而处理高级中断申请,待高级中断处理程序完毕再返回原中断程序断点处继续执行,这一过程称为中断嵌套。
第2章51系列单片机系统结构4.中断响应的过程中断响应的过程
(1)在每条指令结束后,系统都自动检测中断请求信号,如果有中断请求,且CPU处于开中断状态下,则响应中断。
(2)保护现场,在保护现场前,一般要关中断,以防止现场被破坏。
保护现场一般是用堆栈指令将原程序中用到的寄存器推入堆栈。
(3)中断服务,即为相应的中断源服务。
(4)恢复现场,用堆栈指令将保护在堆栈中的数据弹出来,在恢复现场前要关中断,以防止现场被破坏。
在恢复现场后应及时开中断。
(5)返回,此时CPU将推入到堆栈的断点地址弹回到程序计数器,从而使CPU继续执行刚才被中断的程序。
第2章51系列单片机系统结构2.5.251单片机中断系统单片机中断系统图图2.1551中断系统结构框图中断系统结构框图第2章51系列单片机系统结构1.中断源中断源表表18051中中断断源源第2章51系列单片机系统结构特殊功能寄存器特殊功能寄存器TCON中的标志中的标志TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0(MSB)(LSB)图图1TCON格式格式第2章51系列单片机系统结构特殊功能寄存器特殊功能寄存器SCON图图2SCON格式格式SM0SM1SM2RENTB0RB0TIRI(MSB)LSB第2章51系列单片机系统结构2.中断控制中断控制中断允许控制中断允许控制MCS-51单片机有5个(8052有6个)中断源,为了使每个中断源都能独立地被允许或禁止,以便用户能灵活使用,它在每个中断信号的通道中设置了一个中断屏蔽触发器。
只有该触发器无效,它所对应的中断请求信号才能进入CPU,即此类型中断开放。
否则,即使其对应的中断标志位置1,CPU也不会响应中断,即此类型中断被屏蔽了。
同时CPU内还设置了一个中断允许触发器,它控制CPU能否响应中断。
第2章51系列单片机系统结构图图3IE格式格式EAET2ESET1EX1ET0EX0(MSB)(LSB)中断使能控制:
中断使能控制:
第2章51系列单片机系统结构中断优先级控制中断优先级控制PT2PSPT1PX1PT0PX0(MSB)(LSB)图图4IP的格式的格式第2章51系列单片机系统结构表表2同级内第二优先级次序同级内第二优先级次序第2章51系列单片机系统结构例如例如,某软件中对寄存器某软件中对寄存器IE、IP设置如下设置如下:
MOVIE,8FHMOVIP,06H则此时该系统中则此时该系统中:
CPU中断允许中断允许;允允许许外外部部中中断断0、外外部部中中断断1、定定时时器器/计计数数器器0、定时器定时器/计数器计数器1提出的中断申请提出的中断申请;允许中断源的中断优先次序为允许中断源的中断优先次序为:
定时器定时器/计数器计数器0外部中断外部中断1外部中断外部中断0定时器定时器/计数器计数器1。
第2章51系列单片机系统结构3.中断响应中断响应中断响应的条件中断响应的条件
(1)同级或高优先级的中断已在进行中;
(2)当前的机器周期还不是正在执行指令的最后一个机器周期(换言之,正在执行的指令完成前,任何中断请求都得不到响应);(3)正在执行的是一条RETI或者访问特殊功能寄存器IE或IP的指令(换言之,在RETI或读写IE或IP之后,不会马上响应中断请求,而至少执行一条其它指令之后才会响应)。
第2章51系列单片机系统结构中断响应过程中断响应过程单片机一旦响应中断请求,就由硬件完成以下功能:
(1)根据响应的中断源的中断优先级,使相应的优先级状态触发器置1;
(2)执行硬件中断服务子程序调用,并把当前程序计数器PC的内容压入堆栈;(3)清除相应的中断请求标志位(串行口中断请求标志RI和TI除外);(4)把被响应的中断源所对应的中断服务程序的入口地址(中断矢量)送入PC,从而转入相应的中断服务程序。
第2章51系列单片机系统结构表表3中断服务程序入口地址表中断服务程序入口地址表第2章51系列单片机系统结构例如,现有外部中断1提出申请,且主程序中有R0、R1、DPTR、累加器A需保护,则编制程序应为:
ORG0000HAJMPMAINORG0013HLJMPINT1ORG0100HMAIN:
;主程序ORG1000H第2章51系列单片机系统结构INT1:
PUSHACC;中断服务程序PUSHDPHPUSHDPLPUSH0PUSH1POP1POP0POPDPLPOPDPHPOPACCRETI第2章51系列单片机系统结构编程中应注意:
(1)在0000H放一条跳转到主程序的跳转指令,这是因为MCS-51单片机复位后,PC的内容变为0000H,程序从0000H开始执行,紧接着0003H是中断程序入口地址,故在此中间只能插入一条转移指令;
(2)响应中断时,先自动执行一条隐指令“LCALL0013H”,而0013H至001BH(定时器1溢出中断入口地址)之间可利用的存储单元不够,故放一条无条件转移指令。
(3)在中断服务程序的末尾,必须安排一条中断返回指令RETI,使程序自动返回主程序。
第2章51系列单片机系统结构2.5.3中断系统的应用中断系统的应用例例1:
单步操作的中断实现。
单步操作的中断实现。
把把一一个个外外部部中中断断(设设为为INT0)设设置置为为电电平平激激活活方方式式。
其其中断服务程序的末尾写上如下几条指令中断服务程序的末尾写上如下几条指令:
JNBP3.2,$;在在INT0变高前原地等待变高前原地等待(死循环死循环)JBP3.2,$;在在INT0变低前原地等待变低前原地等待(死循环死循环)RETI;返回并执行一条指令返回并执行一条指令第2章51系列单片机系统结构现现在在,若若INT0保保持持低低电电平平,且且允允许许INT0中中断断,则则CPU就就进进入入外外部部中中断断0服服务务程程序序,由由于于有有上上述述几几条条指指令令,它它就就会会停停在在JNB处处,原原地地等等待待。
当当INT0端端出出现现一一个个正正脉脉冲冲(由由低低到到高高,再再到到低低)时时,程程序序就就会会往往下下执执行行,执执行行RETI后后,将将返返回回主主程程序序,往往下下执执行行一一条条指指令令,然然后后又又立立即即响响应应中中断断,以以等等待待INT0端端出出现现的的下下一一个个正正脉脉冲冲。
这这样样在在INT0端端每每出出现现一一个个正正脉脉冲冲,主主程程序序就就执执行行一一条条指指令令,实实现现了了单单步步执执行行的的目目的的,要要注注意意的的是是,这这个个正正脉脉冲冲的的高高电电平平持持续续时时间间不不小小于于3个个周周期期,以以确确保保CPU能采集到高电平值。
能采集到高电平值。
第2章51系列单片机系统结构例例2:
多中断源。
多中断源。
MCS-51单单片片机机有有两两个个外外部部中中断断输输入入端端,当当有有2个个以以上上中中断断源源时时,它它的的中中断断输输入入端端就就不不够够了了。
此此时时,可可以以采采用用中中断断与与查查询询相相结结合合的的方方法法来来实实现现。
可可以以使使每每个个中中断断源源都都接接在在同同一一个个外外部部中中断断输输入入端端上上,同同时时利利用用输输入入口口线线作作为为多多中中断断源源情情况下各中断源的识别线。
况下各中断源的识别线。
第2章51系列单片机系统结构图图5.6多中断源多中断源第2章51系列单片机系统结构ORG000
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