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第二章單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu) 硅谷芯微技術(shù)貢獻(xiàn)網(wǎng)址 www threeway cc 本章重點(diǎn) 單片機(jī)內(nèi)部有哪些硬件資源 處理器 管腳定義 復(fù)位原理 脈沖時(shí)序 存儲結(jié)構(gòu) ROM區(qū)地址編址 RAM區(qū)存儲結(jié)構(gòu) 2 1單片機(jī)硬件資源 單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示 主要包括CPU 存儲器和I O口 時(shí)鐘 定時(shí)器 中斷以及串口 2 2 1 運(yùn)算器 2 2微處理器的組成 1算術(shù)邏輯單元ALU對8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù) 邏輯運(yùn)算 算術(shù)運(yùn)算 加1和減1運(yùn)算 十進(jìn)制調(diào)整 邏輯操作 2暫存器TEMP1 TEMP2用于存放參與運(yùn)算的數(shù)據(jù) 用戶不可以直接使用 3累加器ACC A8位寄存器 是CPU中使用最頻繁的寄存器進(jìn)入ALU作算術(shù)和邏輯運(yùn)算的操作數(shù)多來自于A 運(yùn)算結(jié)果也常送回A保存 4寄存器B 8位 寄存器B是為ALU進(jìn)行乘除法運(yùn)算而設(shè)置的 若不作乘除運(yùn)算時(shí) 則可作為通用寄存器使用 在乘 除運(yùn)算中 與累加器A配合使用 存放操作數(shù) 5程序狀態(tài)字PSW 8位專用寄存器 寄存 存貯當(dāng)前機(jī)器指令 程序執(zhí)行后操作結(jié)果的特征狀態(tài) 以供程序查詢和判別 2 2 2 控制器主要由程序計(jì)數(shù)器PC 指令寄存器IR 指令譯碼器ID 堆棧指針SP 數(shù)據(jù)指針DPTR 時(shí)鐘發(fā)生器及定時(shí)控制邏輯等組成 控制器用以控制計(jì)算機(jī)各部分協(xié)調(diào)工作的部件 控制指令的讀取 譯碼 分析和執(zhí)行 程序計(jì)數(shù)器 ProgramCounter簡稱PC 是一個16位的有自動加1功能的計(jì)數(shù)器 PC沒有地址 是不可尋址的 因此用戶不能對它進(jìn)行讀寫 16位PC中的內(nèi)容總是CPU將要執(zhí)行的那條指令所存放的存儲單元的首地址 在單片機(jī)復(fù)位時(shí) PC中的內(nèi)容為0000H 指向第1條要執(zhí)行的指令的首地址 在CPU從存儲單元取指令的過程中 每取1個字節(jié)的內(nèi)容 程序計(jì)數(shù)器PC就自動加1 在取完這條指令后 PC中的內(nèi)容就是下一條要執(zhí)行的指令所存放的存儲單元的首地址 在實(shí)際應(yīng)用中 有時(shí)CPU還要執(zhí)行程序的轉(zhuǎn)移 子程序的調(diào)用和中斷響應(yīng)等操作 那時(shí)PC中的內(nèi)容不再是上述情況中簡單的加1 而是根據(jù)不同的情況自動地被置入或修改成新的目的地址 從而改變程序的執(zhí)行順序 PC不屬于特殊功能寄存器 2 3單片機(jī)管腳說明 51單片機(jī)有40個管腳 其中32根IO 2根時(shí)鐘信號線 2根電源線 4根控制線 管腳定義如圖所示 P0 P3 4個8位雙向輸入輸出端口 每個端口都有鎖存器 輸出驅(qū)動器和輸入緩沖器 4個端口都可以做輸入輸出口使用 其中 P0和P2通常用于對外部存儲器的訪問 在這種方式下 把P0口作為地址 數(shù)據(jù)總線使用 分時(shí)輸出外部存儲器的地址和傳送8位數(shù)據(jù) 當(dāng)擴(kuò)充外部存儲器的地址為16位時(shí) P2口作為地址總線的高8位地址使用 P3口是一個多功能的端口 P3口第二功能如表所示 2 3 1輸入輸出端口 2 3 2控制管腳 第29號引腳 當(dāng)訪問外部程序存儲器時(shí) 此腳輸出負(fù)脈沖選通信號 PC的16位地址將出現(xiàn)在P0和P2口 PC的16位地址數(shù)據(jù)將出現(xiàn)在P0和P2口上 外部程序存儲器則把指令數(shù)據(jù)放到P0口上 由CPU讀入并執(zhí)行 第30號引腳 ALE 地址鎖存引腳 當(dāng)訪問外部程序存儲器時(shí) ALE 地址鎖存 的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié) 而訪問內(nèi)部程序存儲器時(shí) ALE端將有一個1 6時(shí)鐘頻率的正脈沖信號 這個信號可以用于識別單片機(jī)是否工作 也可以當(dāng)作一個時(shí)鐘向外輸出 第31號引腳 程序存儲器的內(nèi)外部選通線 80C51內(nèi)置有4kB的程序存儲器 當(dāng)EA為高電平并且程序地址小于4kB時(shí) 讀取內(nèi)部程序存儲器指令數(shù)據(jù) 而超過4kB地址則讀取外部指令數(shù)據(jù) 如EA為低電平 則不管地址大小 一律讀取外部程序存儲器指令 振蕩周期 晶振的振蕩周期 為最小的時(shí)序單位 我們的實(shí)驗(yàn)板上有11 0592MHz 12MHz 24MHz三種晶振 可以通過跳線冒進(jìn)行選擇 機(jī)器周期 一個機(jī)器周期由12個振蕩周期組成 是計(jì)算機(jī)執(zhí)行一個基本操作的時(shí)間單位 指令周期 執(zhí)行一條指令所需要的時(shí)間 一條指令由1 4個機(jī)器周期組成 依據(jù)指令的不同而不同 振蕩周期 機(jī)器周期 指令周期之間的換算如下 假設(shè)所使用的晶振為12MHz 振蕩周期 0 0833機(jī)器周期 1指令周期 1 4 個機(jī)器周期 機(jī)器周期和指令周期第18 19號引腳 為外部時(shí)鐘輸入引腳 為單片機(jī)的工作提供時(shí)鐘周期 51單片機(jī)的時(shí)鐘是為單片機(jī)提供工作時(shí)序 單片機(jī)從內(nèi)部FlashROM中取指令和各種操作都是按時(shí)序走的 所以時(shí)序是單片機(jī)正常工作的一個必要的條件 8051單片機(jī)內(nèi)部有一個高增益的反相放大器 用于構(gòu)成振蕩器 反相輸入端為XTAL1 第19號引腳 輸出端為XTAL2 第18號引腳 只需要在兩端跨接一個無源的石英晶體以及兩個電容就可以構(gòu)成一個穩(wěn)定的振蕩電路 但石英晶體和微調(diào)電容需要外接 最高允許振蕩頻率為37MHz SST89V58RD最高允許振蕩頻率達(dá)40MHz 因而大大的提高了指令的執(zhí)行速度 另一種接法就是直接由外部的電路提供標(biāo)準(zhǔn)的振蕩時(shí)序直接輸入單片機(jī)的XTAL2引腳 將XTAL1引腳直接接地 這樣 在外部時(shí)鐘與XTAL2引腳之間連接了一個反相器 用于波形的放大和緩沖 單片機(jī)時(shí)鐘電路 用單片機(jī)內(nèi)部振蕩電路由外部電路提供時(shí)鐘源 第9號引腳 復(fù)位引腳 復(fù)位信號是高電平有效 其有效時(shí)間應(yīng)持續(xù)連續(xù)24個時(shí)鐘周期 兩個機(jī)器周期 復(fù)位電路大致可以分為上電復(fù)位和手動復(fù)位兩種 上電自動復(fù)位手動復(fù)位 第20號管腳 VCC 電源 5V 第40號管腳 GND 接地 復(fù)位后PC及SFR的初始值 存儲器分為程序存儲器 ROM 和隨機(jī)存儲器 RAM 程序存儲器用于存放我們編寫的程序代碼 隨機(jī)存儲器用于保存程序運(yùn)行時(shí)的中間變量 他們之間最大的區(qū)別就是 程序存儲器為只讀存儲器 其中的數(shù)據(jù)在單片機(jī)掉電后數(shù)據(jù)依然保持 而數(shù)據(jù)存儲器 隨機(jī)存儲器 在單片機(jī)掉電后數(shù)據(jù)丟失 2 4單片機(jī)存儲結(jié)構(gòu) 2 4 1 程序存儲器 只讀存儲器ROM MCS 51單片機(jī)可以尋址64KB的程序存儲空間 其地址為0000H 0FFFH 如圖所示 他的主要功能是存放用戶的程序數(shù)據(jù)和表格等信息 單片機(jī)啟動復(fù)位后 程序計(jì)數(shù)器PC的內(nèi)容為0000H 所以系統(tǒng)將從0000H單元開始執(zhí)行程序 但在程序存儲中有些特殊的單元 所以在編程時(shí)需要注意 ROM分布圖 中斷響應(yīng)后 按中斷的類型 自動轉(zhuǎn)到各自的中斷區(qū)去執(zhí)行程序 只讀存儲器的存儲介質(zhì)的發(fā)展如圖所示 掩膜ROM 這種ROM是芯片生產(chǎn)廠根據(jù)ROM要存儲的信息 設(shè)計(jì)固定的半導(dǎo)體掩模板進(jìn)行生產(chǎn)的 一旦制作成為成品 其內(nèi)部的信息只能讀取不能進(jìn)行修改寫入 由于這種ROM的成本低廉 所以這種ROM現(xiàn)在也大量使用 主要用在產(chǎn)品的量產(chǎn)中 一次性編程ROM PROM 容許用戶對其進(jìn)行一次性編程 即寫入數(shù)據(jù)或者程序 一旦編程信息就永久性的保存 用戶只能讀出和使用 但不能改變其中的內(nèi)容 紫外線可擦除可改寫EPROM 可改寫ROM芯片的內(nèi)容也由用戶寫入 但容許用戶反復(fù)擦除重新寫入 EPROM用電信號編程而用紫外線擦除的只讀存儲器芯片 在芯片外殼上方的中央有一個圓形窗口 通過此窗口照射紫外線可以擦除原有的信息 電可擦除EEPROM 這是一種由電信號編程也由電信號擦除的ROM芯片 它可以通過讀寫操作進(jìn)行逐個存儲單元的讀出和寫入 Flash是在EEPROM的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種只讀存儲器 讀寫速度都很快 寫EEPROM雖然具有即可讀又可寫的特點(diǎn)但其速度較慢 2 4 2數(shù)據(jù)存儲器 RAM 存儲器也稱為隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器 作數(shù)據(jù)緩沖器用 單片機(jī)的內(nèi)部RAM結(jié)構(gòu)如圖所示 1 通用寄存器區(qū) 00H 1FH 在00H 1FH共32個單元中被均勻地分為四塊 每塊包含八個8位寄存器 均以R0 R7來命名 我們常稱這些寄存器為通用寄存器 我們在編程的時(shí)候會經(jīng)常使用到這些寄存器 這就產(chǎn)生一個問題 在程序中所使用的到底是哪一組呢 這里就引出了前邊所講到的程序狀態(tài)寄存器 PSW PSW中的第3 4位 RS0 RS1 決定了我們程序中所使用的到底是哪一組工作寄存器 如表所示 C 進(jìn)位標(biāo)志位 當(dāng)無符號數(shù)據(jù)在運(yùn)算過程中出現(xiàn)進(jìn)位或者借位時(shí) C置1 AC 輔助進(jìn)位標(biāo)志位 當(dāng)?shù)谌幌虻谒奈贿M(jìn)位時(shí)置1 F1 F2 用戶標(biāo)志位 OV 溢出標(biāo)志位 當(dāng)有符號數(shù)據(jù)在運(yùn)算過程中發(fā)生溢出則置1 P 奇偶校驗(yàn)位 若累加器A中1的個數(shù)為基數(shù)個 則P為1 為偶數(shù)則置0 2 可位尋址區(qū) 20H 2FH 單片機(jī)RAM的20H 2FH為位可尋址區(qū) 在這段空間中 每個字節(jié)的每一位都有一個位地址 共128個位 如圖所示 每一位都可以進(jìn)行位操作 可見本章16頁 3 通用RAM區(qū) 30H 7FH 30H 7FH的80個單元只能以存儲單元的形式來使用 沒有其它規(guī)定或限制 存儲程序的中間結(jié)果或者變量 4 特殊功能寄存器 SFR 單片機(jī)片內(nèi)RAM的高128字節(jié)為單片機(jī)的21個特殊功能寄存器 他們離散的分布在80H FFH的地址中 如表所示 其中有一部分特殊功能寄存器是可以位尋址的 單片機(jī)的最小系統(tǒng) 就是指單片機(jī)可以工作的最小系統(tǒng) 沒有任何外設(shè) 那么51單片機(jī)工作的最小必要條件是什么 當(dāng)然首先要有電源 為單片機(jī)提供能量 有振蕩電路為單片機(jī)提供時(shí)序 要有復(fù)位電路 還有一個很重要的條件 那就是我們單片機(jī)的第31號引腳 由于我們所使用的是單片機(jī)的內(nèi)部的存儲器 所以第31號引腳必須接高電平如圖所示 2 5單片機(jī)最小系統(tǒng) 2 6課后練習(xí)2 6 1在單片機(jī)4組I O口中 哪一組有第二功能 試簡單描述 2 6 212MHZ的晶振 它所產(chǎn)生的機(jī)器周期是1us 對于24兆晶振 它產(chǎn)生的機(jī)器周期是多少 2 6 3對于復(fù)位電路 上電時(shí)會產(chǎn)生復(fù)位 那么請分析下圖按鍵復(fù)位的原理及復(fù)位過程過程 按鍵復(fù)位電路圖2 6 4畫出RAM的空間分布圖 在存儲器配置中RAM區(qū)中有兩個30H的地址 分析兩個30H地址的區(qū)別 謝謝大家 硅谷芯微技術(shù)貢獻(xiàn)