單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)和原理.ppt

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1、第2章單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)和原理2.1概述2.2MCS-51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)2.3中央處理器CPU2.4單片機(jī)工作的基本時(shí)序2.5存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)2.6并行輸入/輸出接口2.7單片機(jī)的引腳及其功能2.1概述2.1.1單片機(jī)的發(fā)展簡史Intel公司是世界上生產(chǎn)CPU的最大廠商之一，以Intel公司典型產(chǎn)品加以介紹。我們可以把單片機(jī)的發(fā)展歷史劃分為四階段：第一階段（1976～1978年）：低性能單片機(jī)的探索階段。以Intel公司的MCS-48為代表，采用了單片結(jié)構(gòu)，即在一塊芯片內(nèi)含有8位CPU、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、并行I/O口、RA

2、M和ROM等。主要用于工業(yè)領(lǐng)域。第二階段（1978～1982年）：高性能單片機(jī)階段，這一類單片機(jī)帶有串行I/O口，8位數(shù)據(jù)線、16位地址線可以尋址的范圍達(dá)到64K字節(jié)、控制總線、較豐富的指令系統(tǒng)等。這類單片機(jī)的應(yīng)用范圍較廣，并在不斷的改進(jìn)和發(fā)展。第三階段（1982～1990年）：16位單片機(jī)階段。16位單片機(jī)除CPU為16位外，片內(nèi)RAM和ROM容量進(jìn)一步增大，實(shí)時(shí)處理能力更強(qiáng)，體現(xiàn)了微控制器的特征。例如Intel公司的MCS-96主振頻率為12M，片內(nèi)RAM為232字節(jié)，ROM為8K字節(jié)，中斷處理能力為8級(jí)，片

3、內(nèi)帶有10位A/D轉(zhuǎn)換器和高速輸入/輸出部件等。第四階段（1990年～）：微控制器的全面發(fā)展階段，各公司的產(chǎn)品在盡量兼容的同時(shí)，向高速、強(qiáng)運(yùn)算能力、尋址范圍大以及小型廉價(jià)方面發(fā)展。2.1.2單片機(jī)的應(yīng)用（1）測控系統(tǒng)。（2）智能儀表。（3）機(jī)電一體化產(chǎn)品。（4）實(shí)時(shí)控制。（5）智能民用產(chǎn)品。2.2MCS-51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)2.2.1MCS-51系列單片機(jī)的分類表2.1MCS-51系列單片機(jī)配置一覽表2.2.2MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2.1MCS-51單片機(jī)結(jié)構(gòu)框圖2.2.3MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部硬件資源8

4、051為典型的ROM型單片機(jī)面向控制的8位CPU4K字節(jié)掩膜ROM程序存儲(chǔ)器128字節(jié)內(nèi)部RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1個(gè)全雙工的異步串行口5個(gè)中斷源，2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)的中斷控制器時(shí)鐘電路，時(shí)鐘頻率在1.2MKZ～12MHZ2.3中央處理器CPU2.3.1運(yùn)算器算術(shù)邏輯單元ALU2.累加器ACC（Accumulator）3.寄存器B4.程序狀態(tài)字PSW（ProgrameStateWord）CyACF0RS1RS0OV…PD7D6D5D4D3D2D1D0PSW表2.2RS1、RS0與片內(nèi)工作寄存器組的對

5、應(yīng)關(guān)系RS1RS0寄存器組片內(nèi)PAM地址通用寄存器名稱000組00H~07HR0~R7011組08H~0FHR0~R7102組10H~17HR0~R7013組18H~1FHR0~R7MCS-51CPU對用戶開發(fā)的寄存器：累加器ACC，寄存器B，程序計(jì)數(shù)器PC，數(shù)據(jù)指針DPTR，程序狀態(tài)寄存器PSW，堆棧指針SP。2.3.2控制器1.時(shí)鐘電路圖2.2單片機(jī)時(shí)鐘電路（a）內(nèi)部時(shí)鐘電路；（b）外部振蕩源10KMCS-51單片機(jī)的時(shí)鐘頻率因型號(hào)而異，典型值為12MHz。電容C1和C2的作用有兩個(gè)：其一是使振蕩器起振，其二

6、是對振蕩器的頻率f起微調(diào)作用，典型值為30pF。2.復(fù)位電路（NMOS單片機(jī)）圖2.3單片機(jī)復(fù)位電路（a）上電復(fù)位電路；(b)開關(guān)復(fù)位電路（a）（b）單片機(jī)有一個(gè)復(fù)位引腳RST，它是施密特觸發(fā)輸入（對于CHMOS單片機(jī)，RST引腳的內(nèi)部有一個(gè)拉低電阻），單片機(jī)復(fù)位必須使該引腳出現(xiàn)2個(gè)時(shí)鐘周期以上的高電平。此時(shí)，ALE，PSEN，P0、P1、P2、P3口輸出高電平。單片機(jī)復(fù)位后，除了（SP）＝07，P0、P1、P2、P3為0FFH外，其它寄存器都為0。上圖復(fù)位電路中RC時(shí)間常數(shù)越大，上電時(shí)RST端保持高電平的時(shí)間

7、越長。當(dāng)振蕩頻率為12MHz時(shí)，典型值為C＝10μF，R＝8.2kΩ。表2.3復(fù)位后內(nèi)部寄存器狀態(tài)3.指令寄存器和指令譯碼器指令寄存器中存放指令代碼。CPU執(zhí)行指令時(shí),由程序存儲(chǔ)器中讀取的指令代碼送入指令存儲(chǔ)器,經(jīng)譯碼器譯碼后由定時(shí)與控制電路發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào),完成指令所指定的操作。4.程序計(jì)數(shù)器PC（ProgramCounter）PC用于存放CPU下一條要執(zhí)行的指令地址,是一個(gè)16位的專用寄存器,可尋址范圍是0000H~0FFFFH共64KB。程序中的每條指令存放在ROM區(qū)的某一單元,并都有自己的存放地址。

8、CPU要執(zhí)行哪條指令時(shí),就把該條指令所在的單元的地址送上地址總線。在順序執(zhí)行程序中,當(dāng)PC的內(nèi)容被送到地址總線后,會(huì)自動(dòng)加1,即(PC)←(PC)+1,又指向CPU下一條要執(zhí)行的指令地址。5.堆棧指針SP（StackPointer）堆棧操作是在內(nèi)存RAM區(qū)專門開辟出來的按照“先進(jìn)后出”原則進(jìn)行數(shù)據(jù)存取的一種工作方式,主要用于子程序調(diào)用及返回和中斷處理斷點(diǎn)的保護(hù)及返回,它