自控原理课件

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1、单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,*,*,*,第2,章,MCS-51,单片机的结构和原理,教学提示：,需要数字电路、模拟电路和计算机基础等课程知识。单片机的结构及工作原理是单片机系统的基础资源，属硬件部分。本章主要讲述,MCS-51,单片机芯片的组成、内部各功能模块的逻辑框图、电路结构和工作原理。,,教学要求：,本章让学生了解单片机芯片内部功能模块的组成，重点掌握,CPU，RAM，ROM，SFR，I/O,接口，时钟电路和复位电路的结构与原理。,,2.1,MCS-51,单片机的组成和内部结构,,,2.2,MCS-51,的外部引脚及功能

2、,,,2.3,MCS-51,的存储器配置,,,2.4,时钟电路与复位电路,,,2.5,I/O,端口电路与电气特性,,,2.6,本章小结,,第2,章,MCS-51,单片机的结构和原理,2.1,MCS-51,单片机的组成和内部结构,MCS-51,单片机内部主要包含下列硬件资源：,,(1) 8,位,CPU,，,片内振荡器；,,(2) 4,KB/8KB,程序存储器,(,ROM),；,,(3) 128B/256B,数据存储器,(,RAM),；,,(4) 2/3,个,16,位定时,/,计数器；,,(5) 32,个可编程的,I/O,线,(4,个,8,位并行,I/O,端口,),；,,(6) 1,个可编程全双工

3、串行端口；,,(7) 5/6,个中断源，,2,个中断优先级；,,(8),可寻址,64,KB,片外部数据存储器空间、,64,KB,片外部程序存储器空间的控制电路；,,(9),有位寻址功能，适用于位处理器,(,布尔处理器,),。,,2.1,MCS-51,单片机的组成和内部结构,2.1,MCS-51,单片机的组成和内部结构,,2.1.1,中央处理器（,CPU）,,运算器：,运算器包括算术,/,逻辑单元,(,ALU)、,累加器,(,ACC)、,寄存器,(,B)、,暂存器,(,TEMP),及程序状态寄存器,(,PSW),等。运算器的功能是进行算术运算和逻辑运算。,,,控制器：,控制器是控制单片机工作的神

4、经中枢，它包括程序计数器,(,PC),、,指令寄存器,(,IR),、,指令译码器,(,ID),、,数据指针,(,DPTR),、,堆栈指针,(,SP),、,RAM,地址寄存器、时钟发生器、定时控制逻辑等。,,位处理器（布尔处理机）：,MCS-51,的,CPU,内有一个,1,位处理器子系统，它相当于一个完整的位单片机，但每次处理的数据只有,1,位。它有自己累加器,(,CY)，,数据存储器,(,可位寻址空间,)。,2.1,MCS-51,单片机的组成和内部结构,,2.1.2,存储器,,MCS-51,系列单片机的存储器包括：数据存储器,(,RAM),和程序存储器,(,ROM),两部分。,,51/52,片

5、内有,128/256,个,8,位用户读写数据存储单元和,21/26,个特殊功能寄存器,。,当片内数据存储器不够使用时，可扩展片外,RAM,。,MCS-51,对外有,64,KB,数据存储器的寻址能力。,,,51/52有4,KB/8KB(1KB=1024B),的,ROM，,用于存放用户程序和常数,(,如原始数据或表格,),等。当需要扩展片外,ROM,时，,MCS-51,对片外有,64,KB,程序存储器的寻址能力。,2.1,MCS-51,单片机的组成和内部结构,,2.1.3,接口电路,,MCS-51,单片机有,4个8,位宽度的并行输入,/,输出,(,I/O),端口，分别称,P0,口、,P1,口、,P

6、2,口和,P3,口，,I/O,线共,32,根。单片机输出的控制信号和采集外部的输入信号，都是通过这,32根,I/O,线进行传输的。,,2.1.4,时钟振荡电路,,51/52,内置一个振荡器和时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序 。,,2.2,MCS-51,的外部引脚及功能,有,DIP,封装、,PLCC,封装等，本书,DIP40,为例。,2.2,MCS-51,的外部引脚及功能,,2.2.1,I/O,端口,,4个并行,I/O,端口分别为,P0,口、,P1,口、,P2,口及,P3,口。,,P0：,数据/地址复用总线,,P1：,通用静态,I/O,口,,P2：,通用,I/O,口和高8位地址总线,,

7、P3：,通用,I/O,口和第二功能,,,注意：,驱动能力(拉：几十微安；灌：,mA,级)，注意硬件设计。,2.2,MCS-51,的外部引脚及功能,,P3,的第二功能口,,P3.0：,RXD，,串口输入口,,P3.1：,TXD，,串行输出口,,P3.2：,/INT0，,外部中断0输入口,,P3.3：,/INT1，,外部中断1输入口,,P3.4：,T0，,定时器0外部输入口,,P3.5：,T1，,定时器1外部输入口,,P3.6：,/WR，,写选通输出口,,P3.7：,/RD，,读选通输出口,2.2,MCS-51,的外部引脚及功能,,2.2.2 控制引脚,,控制引脚包括,ALE//PROG（30）：

8、,地址锁存信号输出及编程脉冲输入端。,①,地址锁存允许，在单片机访问外部存储器（包括外,ROM,和外,RAM）,时，该引脚的输出信号,ALE,用于锁存,P0,的低8位地址（结合最小系统稍细讲一下），信号的输出频率一般为,fosc,/6（,特殊的到第4章再介绍）；②编程时的编程脉冲输入端，与我们使用,CPU,的用户无关，与设计编程器的厂商有关。,,/,PSEN（29）：,程序存储器输出使能。在扩展外,ROM,时，为取指时的外部,ROM,选通信号。信号频率一般为,fosc,/6。,但,CPU,内部有,ROM,时，即在访问内,ROM,时，该信号不出现，由于,CPU,的内,ROM,化，使目前的该引脚功

9、能有退化的趋势。,,RST/VPD（9）：,复位信号输入及后备电源输入端。,2.2,MCS-51,的外部引脚及功能,,2.2.2 控制引脚,,/,EA/VPP（31）：,片内程序存储器屏蔽控制及编程电压输入端。,① /,EA=0，,只访问外,ROM，/EA=1，,先内后外，但随着,CPU,的内,ROM,容量的不断增大，一般只访问内,ROM，,因此使用时目前的趋势/,EA,只接高电平，而且一般通过一上拉电阻接高电平；②编程时，该脚作编程电源输入端，与我们使用,CPU,的用户无关，与设计编程器的厂商有关。,,2.2.3,电源与晶振引脚,,VCC(40,脚)：,主电源正端，接+5,V。,,VSS(2

10、0,脚)：,主电源负端，接地。,,XTAL1(19,脚)：,片内高增益反相放大器的输入端。若使用外部输入时钟，该引脚必须接地。,,XTAL2(18,脚)：,片内高增益反相放大器的输出端。若使用外部输入时钟，该引脚作为外部输入时钟的输入端。,2.2,MCS-51,的外部引脚及功能,,2.3,MCS-51,的存储器配置,,内,RAM,：,内部数据存储器，存放运算中间结果、数据暂存。,,SFR,：,特殊功能寄存器，,设置片内电路运行方式，记录电路的运行状态，表明有关标志，映射和实现,I/O,口操作等。,,ROM,：,程序存储器，,存放程序或表格。,,外,RAM,：,外部数据存储器，,存放运算中间结果

11、、数据暂存。,存储器的配置分类,2.3,MCS-51,的存储器配置,,功能,：存放运算中间结果、数据暂存。,,数量,：128字节,,地址范围,：00,H~7FH,,3,个区,：,00,H ~ 1FH：,寄存器区,,20,H ~ 2FH：,位地址区,,30,H ~ 7FH：,通用,RAM,区,2.3.1内部数据存储器：,内,RAM,7,FH,通用,RAM,区,,,,,,,,↨,,,,,,,,,30,H,,,,,,,,,,D7,D6,D5,D4,D3,D2,D1,D0,2,FH,7,F,7,E,7,D,7,C,7,B,7,A,79,78,2,EH,77,76,75,74,73,72,71,70,2

12、,DH,6,F,6,E,6,D,6,C,6,B,6,A,69,68,2,CH,67,66,65,64,63,62,61,60,2,BH,5,F,5,E,5,D,5,C,5,B,5,A,59,58,2,AH,57,56,55,54,53,52,51,50,29,H,4,F,4,E,4,D,4,C,4,B,4,A,49,48,28,H,47,46,45,44,43,42,41,40,27,H,3,F,3,E,3,D,3,C,3,B,3,A,39,38,26,H,37,36,35,34,33,32,31,30,25,H,2,F,2,E,2,D,2,C,2,B,2,A,29,28,24,H,27,26

13、,25,24,23,22,21,20,23,H,1,F,1,E,1,D,1,C,1,B,1,A,19,18,22,F,17,16,15,14,13,12,11,10,21,H,0,F,0,E,0,D,0,C,0,B,0,A,09,08,20,H,07,06,05,04,03,02,01,00,1,FH,3区、2区、1区、0区,,,,,,,,↨,,,,,,,,,00,H,,,,,,,,,寄存器区,,位地址区,,通用,RAM,区,,内,RAM,组织图,2.3,MCS-51,的存储器配置,,寄存器区,,,00,H-1FH：32,个单元，4个区，每区8个寄存器，称为,R0、R1、…R7,（,Regis

14、ter,）,。,,0,区：00,H-07H,,1,区：08,H-0FH,,2,区：10,H-17H,,3,区：18,H-1FH,,由,RS0RS1,(PSW,中的两个位),,组合决定当前工作寄存器区,,,R0-R7,是哪个区。,RS1、RS0,寄存器工作区,0 0,0区,0 1,1区,1 0,2区,1 1,3区,2.3.1内部数据存储器：,内,RAM,位地址区,,字节地址范围,：,,20,H~2FH,,位地址范围,：,,00,H-7FH，,,128,个位,,通用,RAM,区,,字节地址范围,：,,,30,H-7FH,,功能,：,,暂存数据；,,也可作堆栈区使用。,2.3.1,内

15、,RAM,7,FH,通用,RAM,区,,,,,,,,↨,,,,,,,,,30,H,,,,,,,,,,D7,D6,D5,D4,D3,D2,D1,D0,2,FH,7,F,7,E,7,D,7,C,7,B,7,A,79,78,2,EH,77,76,75,74,73,72,71,70,2,DH,6,F,6,E,6,D,6,C,6,B,6,A,69,68,2,CH,67,66,65,64,63,62,61,60,2,BH,5,F,5,E,5,D,5,C,5,B,5,A,59,58,2,AH,57,56,55,54,53,52,51,50,29,H,4,F,4,E,4,D,4,C,4,B,4,A,49,48

16、,28,H,47,46,45,44,43,42,41,40,27,H,3,F,3,E,3,D,3,C,3,B,3,A,39,38,26,H,37,36,35,34,33,32,31,30,25,H,2,F,2,E,2,D,2,C,2,B,2,A,29,28,24,H,27,26,25,24,23,22,21,20,23,H,1,F,1,E,1,D,1,C,1,B,1,A,19,18,22,F,17,16,15,14,13,12,11,10,21,H,0,F,0,E,0,D,0,C,0,B,0,A,09,08,20,H,07,06,05,04,03,02,01,00,1,FH,3区、2区、1区、

17、0区,,,,,,,,↨,,,,,,,,,00,H,,,,,,,,,2.3,MCS-51,的存储器配置,,功能,：用来存放运算过程的中间值,,容量,：64,K，0000H~FFFFH,,器件,：6116、6264、62256等,,与内,RAM,区分,：,,片外有读写引脚信号，指令用,MOVX,,,片内无读写引脚信号，指令用,MOV,2.3.2外部数据存储器：,外,RAM,2.3,MCS-51,的存储器配置,,数据存储器配置图,2.3,MCS-51,的存储器配置,,功能,：设置片内电路运行方式，记录电路的运行状态，表明有关标志，映射和实现,I/O,口操作,,数量,：21个,SFR,,地址范围,：不

18、连续地分布在80,H~FFH,中，11个,SFR,具有83个位地址。与内,RAM,统一编址,。,,A,、,B,、,PSW,、,SP,、,DPTR(DPH+DPL),、P0、P1,、P2、P3、IP、IE、TMOD、TCON、TH0、TL0、TH1、TL1、SCON、SBUF、PCON,2.3.3特殊功能寄存器：,SFR,2.3,MCS-51,的存储器配置,,A （,Accumulator,）*,:,累加器，,ACC，,最繁忙的专用寄存器。0,E0H,,B*,:,可作为一般寄存器使用。但在乘除指令中，,B,寄存器有专门的用途。0,F0H,,,PSW,（,Program Status Word,）

19、,*,:,程序状态寄存器是一个8位寄存器。它包含了程序状态信息和一些可控制位。0,D0H,,,说明：,寄存器右上脚带*为能进行位寻址！,SFR,2.3,MCS-51,的存储器配置,,,CY,：,借进位标志，＝1，有；＝0，无,,,AC,：,辅助借进位标志，高低半字节间,,,F0,：,用户设置标志位,,,RS1RS0,：,当前工作寄存器选择位,,,OV,：,溢出位， ＝1，有；＝0，无；,,,X,：,无效位，保留,,,P,：,奇偶校验位，累加器中奇数个1为1，偶数个1为0，经常被用在通信时为增加通信的可靠性而使用。,CY,AC,F0,RS1,RS0,OV,X,P,D7,D0,PSW:,程序状态字

20、,2.3,MCS-51,的存储器配置,,对8位运算而言，溢出是指,两个带符号数运算,时，结果超出了累加器,A,所能表示的带符号数的范围（+127～-128）。,,还有,无符号数乘法,指令,MUL,的执行结果也会影响溢出标志位。置于累加器,A,和寄存器,B,的两个乘数的积超过255（0,FFH）,时，,OV=“1”，,否则,OV=“0”。,较少使用！,,,除法指令,DIV,也会影响溢出标志位。当除数为0时，,OV=“1”，,否则,OV=“0”。,较少使用！,OV：,溢出位,， ＝1，有；＝0，无,2.3,MCS-51,的存储器配置,,SP （,Stack Pointer,）,：,堆栈指针,SP,

21、是一个8位的特殊功能寄存器。81,H,,堆栈,是指数据只允许在其一端进出的一段,存储空间,。,,堆栈数据写入和读出遵守“,先入后出，后进先出,” 的规则。要实现这一功能，需要有一个特殊的地址指针,SP 。,,MCS-51,的堆栈指针是,指向栈顶,的。复位时，堆栈指针,SP=07H，,根据,SP,是指向栈顶的特点。堆栈正落在,工作,寄存器1区。,SFR,2.3,MCS-51,的存储器配置,,DPTR（,Data Pointer,）,：,数据指针寄存器,DPTR,是一个16位专用寄存器。,,DPTR=DPH+DPL（83H、82H）,,它既可以是一个16位专用寄存器；,,也可以拆开，作为2个独立的

22、8位寄存器,DPH,和,DPL,使用。,,主要用途,是保持16位的地址，常用于寻址片外64,KB,的数据存储器或程序存储器空间。,SFR,2.3,MCS-51,的存储器配置,,P0~P3*,：,专用寄存器,P0(80H)、P1(90H)、P2(0A0H),和,P3(0B0H),分别是,I/O,端口,P0～P3,的8位锁存器。,,,IP （,Interrupt Priority Register,）*,：,中断优先级寄存器，0,B8H,,IE （,Interrupt Enable Register,）*,：,中断允许寄存器，0,A8H,SFR,2.3,MCS-51,的存储器配置,,TMOD （,

23、Timer/Counter Mode Register,）,：,定时器模式控制寄存器，89,H,,TCON （,Timer/Counter Control Register,）*,：,定时器控制寄存器，88,H,,TH1、TL1,：,定时器1的16位计数值寄存器，8,DH、8BH,,TH0、TL0,：,定时器0的16位计数值寄存器，8,CH、8AH,SFR,2.3,MCS-51,的存储器配置,,SBUF （,Serial Date Buffer,）,：,串行数据缓冲器，用于串行通信，存放欲发送和已接收数据的，双缓冲结构。99,H,,SCON （,Serial Control Register,

24、）*,：,串行接口控制寄存器，98,H,,PCON （,Power Control Register,）,：,电源控制寄存器，97,H,SFR,2.3,MCS-51,的存储器配置,,PC （,Program Counter）,不属于,特殊功能寄存器,SFR,。,,编程是,不能,对它进行,访问,。,,它是一个,16位程序地址寄存器,。,,专门用于存放,下一条,要执行指令的,地址,。,,当一条指令被取出后，,PC,的内容会,自动增量,，指向下一条要执行指令的地址。除非遇到子程序调用、跳转等转移类指令。,程序计数器,PC**,2.3,MCS-51,的存储器配置,,功能,：存放程序或表格,,最大容量,

25、：64,K，0000H~FFFFH（,有内、有外扩）,,与外,RAM,重址,,,ROM,：,只读，读时由/,PSEN,引脚提供信号,,,外,RAM,：,读写，由/,RD、/WR,引脚提供信号,,工作时有程序计数器,PC,指针进行取指，具有,自动增量,，转移类指令可修改,PC,值。,,专用器件,：2716、2764、27256等,,目前的发展趋势,：,CPU,的内,ROM,化，容量增大化,2.3.4程序存储器：,ROM,2.3,MCS-51,的存储器配置,,程序存储器配置图,2.3,MCS-51,的存储器配置,,0000,H：,复位后的入口地址,,0003,H：,外部中断0的入口地址,,000,

26、BH：T0,溢出中断的入口地址,,0013,H：,外部中断1的入口地址,,001,BH：T1,溢出中断的入口地址,,0023,H：,串口中断的入口地址,,特殊的入口地址,2.3,MCS-51,的存储器配置,,内,RAM,与位地址的重址问题,,内,RAM、,外,RAM,区分,,ROM,与外,RAM,重址区分,,不要死记,SFR,的物理地址！,,几个注意点,2.3,MCS-51,的存储器配置,,内,RAM、SFR、,外,RAM、ROM,四种类型的存储器,,内,RAM：128,个，3个区，寄存器区、位地址区、通用,RAM,区,,21个,SFR，,重点,PSW、SP、DPTR、A、B,等,,PC**：,程序计数器,,外,RAM：,暂存数据，64,K,,ROM：,程序与表格，64,K,小结,