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单片机原理及应用第二章单片机硬件结构单片机硬件结构第二章MCS-51单片机的硬件结构本章重点与要求1、重点:微型计算机的工作原理MCS-51单片机的硬件组成(1)存储器配置(2)CPU结构(运算器,布尔处理器)(3)时钟电路与读写时序(4)MCS-51单片机的输入输出端口MCS-51单片机复位电路及复位后的状态单片机硬件结构2、要求:(1)分清MCS-51存储器配置结构(2)掌握并行口的输入输出编程(3)熟悉单片机的引脚功能(4)能看懂单片机的读写时序(5)复位电路设计单片机硬件结构一、微型计算机1、微型计算机结构CBCBDBDBABABMPUMPU外设外设I/OI/O接口接口RAMRAMROMROM微型计算机组成原理框图微型计算机组成原理框图单片机硬件结构2、微型计算机的应用微型计算机主要应用在以下几方面:(1)科学计算与数据处理(2)自动控制与系统仿真(3)CAD、CAM、CAA和CAI中的应用计算机辅助设计CAD(ComputerAidedDesign)计算机辅助制造CAM(ComputerAidedManufacturing)计算机辅助装配CAA(ComputerAidedAssemble)计算机辅助教学CAI(ComputerAidedlnstruction)(4)智能仿真、多媒体系统和网络系统单片机硬件结构3、微型计算机的发展(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。INTEL等公司已经推出。单片机硬件结构(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。目前有些网络服务器和巨型计算机就采用多处理器系统。单片机硬件结构二、单片微型计算机1、单片机的发展历史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(1974—1976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。单片机硬件结构第二代单片机(1976—1978年)----SCMC时代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)-----MCU时代这是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)----SOC时代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。单片机硬件结构单片机的发展历史IntelPhillipsCygnalMCS-5180C51C8051FSCMC时代MCU时代SOC时代单片机硬件结构常见的缩写SCMC:Single-ChipMicrocomputerMCU:MicrocomputerUnitMicrocontrollerUnitMPU:MicroprocessorUnitSOC:SystemOnChip单片机硬件结构2、单片机的发展趋势目前,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:(1)CPU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;(5)运行速度提高。单片机硬件结构3、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(4)DSP系列DSP系列有16位及32位,也属于单片机单片机硬件结构4、单片机的性能特点1)集成度高(通常包含CPU、ROM/RAM、I/O接口、定时器/计数器、PWM、ADC、DAC等);2)结构紧凑、可靠性高;3)数据处理能力强、速度快(如采用MCS-51内核CPU的频率已高达40MHz,单指令周期us级,DSP单指令周期ns级);4)功耗小、成本低。单片机硬件结构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5、单片机的应用单片机硬件结构单片机的应用实例单片机成功地应用于玩具、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)引入单片机,使仪器仪表数字化、智能化、微型化,功能大大提高。单片机硬件结构三、MCS-51单片机的组成原理内部总线单片机硬件结构1、MCS-51单片机的基本组成MCS-51单片机芯片有许多种系列:如8051、8031、8751、80C51、80C31等。它们主要都由以下8个部件组成:(1)中央处理器CPU(2)时钟电路(3)内部存储器(4)定时器/计数器(T/C)(5)并行I/O口(6)串行口(7)中断控制系统(8)内部总线(AB、DB、CB)以上主要部件都是通过内部总线相连接,并被集成在一块半导体芯片上,为单片微型计算机(Single-ChipMicrocomputer)单片机硬件结构2、MCS-51单片机的应用特性(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子系列是基本型,而52子系列属于增强型。各子系列配置如下表所示。片内ROM无ROMROMEPROM80318051875180C3180C5187C5180328052875280C3280C5287C525151子系统子系统5252子系统子系统单片机硬件结构52子系列与51子系列相比,其功能增强的具体方面如下:a.片内RAM从128字节增加到256字节b.片内ROM从4KB增加到8KBc.定时器/计数器从2个增加到3个d.中断源从5个增加到6~7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LHMOS芯片型号中不带字母“C”特点:功耗较大。LCHMOS芯片型号中带有字母“C”特点:高速度、高密度、低功耗例如8051的功耗为630mW,80C51的功耗只有120mW。低功耗在便携式、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型芯片.单片机硬件结构单片机硬件结构(3)片内ROM存储器的配置形式及应用环境0MCS-51单片机内程序存储器配置形式有三种: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,各有其适用场合,根据需要进行选择0环境温度范围,划分为三个等级民用级0℃~+70℃工业级-40℃~+85℃军用级-65℃~+125℃因此在使用中应注意根据现场温度选择芯片。单片机硬件结构单片机硬件结构中央处理器CPU(一)运算器1.算术逻辑单元(ALU—ArithmeticLogicUnit)2.累加器(ACC—Accumulator)3.寄存器B4.布尔处理器Cy5.程序状态字(PSW—ProgramStatusWord)单片机硬件结构(二)控制器1.程序计数器(PC--ProgramCounter)2.指令译码器(ID)3.数据指针(DPTR)4.堆栈指针(SP--StackPointer)单片机硬件结构(三)内部数据总线1.地址总线AB(AddressBus)2.数据总线DB(Databus)3.控制总线CB(ControlBus)单片机硬件结构(一)运算器运算器功能: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ACC,进行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位存放操作数和运算中间结果,是CPU中工作最频繁的部件,大多数操作均要通过它进行单片机硬件结构3.寄存器B8位乘法时用于存放乘数/积的高8位,除法时用于存放除数/余数4.布尔处理器1位它以进位标志(CY)作为累加位进行位操作5.程序状态字(PSW)8位特殊功能寄存器,包含程序状态信息单片机硬件结构程序状态字PSW各位标志的含义PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0CYACF0RS1RS0OV保留PCY(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、RS0(PSW.4,PSW.3)工作寄存器组选择位单片机硬件结构程序状态字PSW各位标志的含义OV(PSW.2)溢出标志位,由硬件置位或清零保留位(PSW.1)未定义位P(PSW.0)奇偶标志位单片机硬件结构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)。加法时: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: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。单片机硬件结构Cy的值在指令中可作为转移的条件:JCrel;Cy=1转移JNCrel;Cy=0转移Cy在位操作指令中做累加器:ANLC,bitANLC,/bitORLC,bitORLC,/bitSETBCCLRCCPLCMOVC,bitMOVbit,C单片机硬件结构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”。一般在BCD码运算时,系统用于进行十进制调整。单片机硬件结构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。双进位位法判溢出:OV=C8⊕C7C8C7单片机硬件结构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。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)。因此使用时应加以注意。单片机硬件结构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。SETBF0;置位CLRF0;复位相当于高级语言中的逻辑变量。单片机硬件结构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中的内容对P位自动置位或复位。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。单片机硬件结构(二)、控制器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
本文标题:SCMC Chapter 2
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