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第1章MCS-51单片机的组成及结构1.1微型计算机与单片机1.1.1单片机计算机:运算器、控制器、数据(程序)存贮器和输入/输出接口四大部分;存储器输出设备输入设备控制器运算器微处理器:运算器和控制器集成在一个芯片上;1.2MCS-51单片机的组成及结构1.2.1内部结构框图MCS-51单片机组成结构中包含运算器、控制器、片内存储器、4个I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统、振荡器等功能部件。图中SP是堆栈寄存器,PC是程序计数器,PSW是状态标志寄存器,DPTR是地址指针。图2.1MCS-51单片机内部结构框图表1.1PSW寄存器各位功能、标志符号、位地址功能标志位地址*进位标志CY=1表示有进借位PSW.7辅助进位标志AC=1表示有半进借位PSW.6用户标识F0PSW.5*寄存器组选择MSbRS1工作寄存器组选择PSW.4*寄存器组选择LSbRS0工作寄存器组选择PSW.3*溢出标志OV=1有溢出PSW.2保留……PSW.1*奇偶标志P=1表示累加器中1的个数为奇PSW.02.控制器与时钟电路控制器是CPU的神经中枢,它包括:指令寄存器IR、指令译码器ID、16位地址指针DPTR及16位程序计数器PC、堆栈指针SP等。工作过程:CPU从程序存储器中取出指令后送入指令寄存器IR中,经指令译码器译码产生一种或几种电平信号与系统时钟统一在CPU定时与控制电路中组合,形成按一定时间节拍变化的电平和脉冲控制信号。作用:对内协调各部件的工作,例如数据传送、存储、运算、输出等;对外发出时序控制信号,例如地址锁存ALE、外部程序存储器选通/PSEN(“/”表示低电平有效,以后类同)、以及/RD和/WR信号等。时钟是时序的基础,MCS-51的时钟电路由片内的反相放大器和外接的两个电容和晶体振荡器而构成。时钟的产生两种方式:内部方式和外部方式,如图所示。1.2.3存储器1.MCS-51的存储器结构特点数据存储器与程序存储器的寻址空间互相独立,按物理结构有四个独立空间,即:内部程序存储器、外部程序存储器、内部数据存储器和外部数据存储器。从逻辑空间上来看有三个独立空间,即:内外部程序存储器外部数据存储器0000HFFFFHFFH00H内部数据存储器64KB内外程序存储器,处于一个逻辑空间,可寻址范围0000H~FFFFH;256B片内数据存储空间00H~FFH;64KB外部数据存储空间0000H~FFFFH。片内片外ROM——MOVC片外RAM——MOVX片内RAM——MOV2.程序存储器/EA=1时程序先片内后片外自动连续运行;例如:89C52内部有8K字的EEPROM就可使/EA=1,先从内程序区开始执行程序,当PC值超过内部8K(0000-1FFF)字节,才会转到从2000H开始的外程序区执行程序;当/EA=0时程序直接从片外开始执行程序。程序存储器ROM用来存放指令、常数、表格、程序等程序计数器PC为16位,决定了可寻址地址范围内外不超过64K。当上电复位后,PC初始化值为0000H操作入口地址复位0000H外部中断INT00003H√定时器/计数器T0溢出000BH外部中断INT10013H√定时器/计数器T1溢出001BH√串行口中断0023H定时器/计数器2溢出或T2EX端负跳变(52子系列)002BH表1.3MCS-51单片机复位、中断入口地址3.外部数据存储器访问路径是使用16位的DPTR直接寄存器寻址,同样由P2口提供高8位地址,P0口经573提供低8位地址,在时序上则产生相应读/RD或写/WR信号,完成对外部RAM或I/O的读写外部数据存储器空间外部RAMI/O接口空间访问方式有专门的指令MOVX4.内部数据存储器机型不断升级也有的单片机具有和地址80H~FFH重叠的数据存储器,在该地址范围内用间接寻址访问。内部数据存储器空间(00H~FFH)内部数据RAM地址空间(00H~7FH)特殊功能寄存器(SFR)的地址空间,(80H~FFH)直接寻址方式7FH30H2FH7F7E7D7C7B7A79782EH77767574737271702DH6F6E6D6C6B6A69682CH67666564636261602BH5F5E5D5C5B5A59582AH575655545352515029H4F4E4D4C4B4A494828H474645444342414027H3F3E3D3C3B3A393826H373635343332313025H2F2E2D2C2B2A292824H272625242322212023H1F1E1D1C1B1A191822H171615141312111021H0F0E0D0C0B0A090820H07060504030201001FH18H第3组工作寄存器(R0~R7)17H10H第2组工作寄存器(R0~R7)0FH08H第1组工作寄存器(R0~R7)07H00H第0组工作寄存器(R0~R7)工作寄存器区位寻址区用户RAM区(堆栈、数据缓冲区)内部数据存储器空间(00H~FFH)特殊功能寄存器(SFR)的地址空间,(80H~FFH)直接寻址方式内部数据RAM地址空间(00H~7FH)2)特殊功能寄存器(SFR)51内部都含有128B的SFR,其地址为80H—FFH。反映了8051的状态和控制字。它可分为以下两类。低128字节RAM特殊功能寄存器区00H7FH80HFFH特殊功能寄存器区两类对芯片内部功能的控制对芯片引脚有关控制对特殊寄存器来说直接找到地址是唯一的访问方式.中断屏蔽IP、优先级控制IE以及对A、B、PSW、SP、DPTR、TMOD、TCON、T0、T1、SCON、SBUF例如对P0口~P3口的功能控制符号地址注释符号地址注释ACCE0H累加器PCON87H电源控制及波特率控制BF0H乘法寄存器SCON98H串行通信口控制PSWD0H程序状态字SBUF99H串行通信数据缓冲器SP81H堆栈指针TCON88H定时器控制寄存器DPL82H数据指针(低8位)TMOD89H定时器方式控制DPH83H数据指针(高8位)TL08AH定时器0低8位IEA8H中断允许控制寄存器TL18BH定时器0高8位IPD8H中断优先级控制寄存器TH08CH定时器1低8位P080H端口0TH18DH定时器1高8位P190H端口1P2A0H端口2P3B0H端口3特殊功能寄存器表(红色表示可位寻址)1.2.4I/O及相应的特殊功能寄存器MCS-51有4个8位I/O口,分别记作P0口、P1口、P2口和P3口,每个口位包含了一个特殊功能寄存器,输入缓冲器,一个输出驱动器和引至芯片外的端口引脚。这种结构使各口在做I/O时作为数据输出口用时总是经过锁存,所以可直接和外设相连。表1-6P3口的第二功能当该口的个别第二功能未用时,可用作I/O口,但必须首先用位操作定义。端口位第二功能注释P3.0RXD串行输入口P3.1TXD串行输出口P3.2/INT0外部中断0P3.3/INT1外部中断1P3.4T0计数器0计数输入P3.5T1计数器1计数输入P3.6/WR外部数据RAM写入选通信号P3.7/RD外部数据RAM读出选通信号1.2.5MCS-51引脚1.外部程序存贮器的操作时序在实际中,我们经常使用图1-6简化时序图来分析,从图中可以看出,对于程序存储器的访问总是地址先有效,选中字节,然后数据有效,在/PSEN低有效时指令读。在/PSEN无效时,才将数据和地址撤除。这种时序在任何其他单片机中也是适用的。图1-6简化时序图2外部数据存贮器的操作时序对外部数据存储器(包括I/O口)的读写操作,也可以用简化时序来分析,其要点是地址总线有效,然后数据总线有效,这样,在读写信号有效时,将数据读入或写出。同理,该简化时序对于其他的单片机中也适用简化时序1.2.7单片机的低功耗操作方式CMOS型单片机有两种低功耗操作方式:节电操作方式和掉电操作方式。在节电方式时,CPU停止工作,而RAM、定时器、串行口和中断系统继续工作。在掉电方式时,仅给片内RAM供电。CMOS型单片机用软件来选择操作方式,由电源控制寄存器PCON中的有关位控制,规定如下:1.2.7单片机的低功耗操作方式IDL(PCON.0),节电方式控制位IDI=l时,激活节电方式PD(PCON.1),掉电方式控制位PD=1时,激活掉电方GF0(PCON.2),通用标志位GFl(PCON.3),通用标志位SMoD———GF1GF0PDIDL1.2.7单片机的低功耗操作方式l.节电方式执行IDL位置l的指令后,MCS-51就进入节电方式。CPU的状态、栈指针SP、程序计数器PC、程序状态字PSW、累加器ACC及通用寄存器的内容被保留。VCC仍为5V,但消耗电流由正常工作方式的24mA降为3.7mA。退出节电方式:一是硬件复位;二是中断激活,此时IDL位将被硬件清除。2.掉电方式执行PD位置l的指令后,80C51就进入掉电工作方式。掉电后,片内振荡器停止工作,只有片内RAM的内容被保持。掉电方式下VCC可以降到2V,耗电仅50uA。退出掉电方式的唯一途径是硬件复位。应在VCC恢复到正常值后再进行复位,复位时间需10ms时间,以保证振荡器再启动并达到稳定。1.2.7单片机的低功耗操作方式在进入掉电方式前,VCC不能掉下来,因此要有掉电检测电路。采用比较器实现掉电检测,在该电路中,R都选择1K欧姆,稳压管选择2.4V。电源正常为5V时,输出为低电平,当电源VCC低于4.8V时,比较电路输出高电平。假如Alert接至P1.0,则通过CPU查询可以检测到它的变化,从而通过程序转向控制80C51进入掉电工方式。3.上电复位电路通过阻容组成一阶电路。为使得输出复位信号的上升沿尽量陡峭。可在其后增加带有施密特性质的反相器。如图1-10所示,它包含了上电自动复位和手动复位,通常R取值10K,C取值10uF。RDCVCCRESET
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