嵌入式——MCS-51单片机的硬件结构
嵌入式——MCS-51单片机的硬件结构
- 1. 硬件结构整体概述
- 1.1 简图概述
- 1.2 个人的总结看法
- 1.3 详细结构框图
- 2. 中央处理器CPU
- 2.1 运算器——进行运算
- 2.2 通用寄存器——暂时存放数据（这应该属于存储器部分）
- 2.3 控制器——对指令进行处理
- 3. 存储器的结构
- 总体框架
- 3.1 程序存储器
- 3.2 内部数据存储器
- RAM区（低128字节）
- 3.2.1 （00H-1FH）通用工作寄存器
- 3.2.2 （20H-2FH）位寻址区
- 3.2.3 （30H-7FH）开放区
- 特殊功能寄存器SFR
- PSW程序状态字的说明
- 3.3 外部数据存储器
- 4. 并行IO接口
- 4.1 P0是三态双向口
- 4.2 P1 P2 P3是准双向口
- 5.单片机的引脚与功能
- 5.1 总览
- 5.2 控制线
- 6. 单片机的基本时序
- 6.1 机器周期和指令周期
1. 硬件结构整体概述
1.1 简图概述
单片机主要由：CPU，存储器，IO接口三者构成
1.2 个人的总结看法
| 单片机结构 | 人体结构 | 详情 |
|---|---|---|
| CPU | 大脑负责思考的部分 | 包括运算器和控制器 |
| 存储器 | 大脑负责记忆的部分 | 包括数据存储器和程序存储器 |
| 时钟与震荡器 | 相当于心脏 | 频率与性能相关 |
| IO接口 | 类似神经反射中的感受器和效应器 | 包括串行和并行接口 |
| 总线 | 人体的神经和血管 | 包括数据总线，地址总线，控制总线 |
1.3 详细结构框图
下面根据这个框图对每个部分的结构进行讲解
2. 中央处理器CPU
CPU内部的结构可以大致分成3个部分：运算器，控制器，和一些通用寄存器
2.1 运算器——进行运算
| 组成部件 | 描述 |
|---|---|
| 算术逻辑单元ALU | 进行算术运算，逻辑运算 |
| 累加器ACC（8位） | 需要ALU处理的数据和运算结果多经过A |
| 寄存器B（8位） | 与A配合执行乘除运算，也可以作为通用寄存器 |
| 程序状态字PSW（8位） | 存放ALU运算过程的标志转台CY,AC,F0,RS1,RS0,OV,F1,P |
2.2 通用寄存器——暂时存放数据（这应该属于存储器部分）
工作寄存器R0-R7（8位）
暂时存储运算数据和中间结果，有四个工作寄存器区，通过PSW.4(RS0)和PSW.3(RS1)来切换，选用
2.3 控制器——对指令进行处理
| 组成部分 | 描述 |
|---|---|
| 时钟电路 | 分内部时钟电路和外部震荡源 |
| 复位电路 | 使电路恢复称起始状态 |
| 指令寄存器 | 存放指令代码 |
| 指令译码器 | 对指令进行译码，译码之后有定时和控制电路发出相应的控制信号 |
| 程序计数器PC（16位） | PC用来存放CPU下一条要执行的指令地址，PC内容送到地址总线，CPU读取指令，PC自动加1，复位时PC=0000H |
| 堆栈指针SP（8位） | MCS-51的堆栈设在片内RAM，用于子程序调用及返回和中断处理断点的保护和返回。 数据入栈出栈时，SP自动加减1，其内容始终为栈顶地址，复位时SP=07H |
| 数据指针DPTR（16位） | 存放片外存储器地址，作为片外存储器的指针，可以分为两个八位寄存器DPH,DPL使用 |
3. 存储器的结构
总体框架
单片机的存储器可以分为三个部分：程序存储器（64KB），内部数据存储器（256B），外部数据存储器（64KB）
(存储器及其大小的理解，以程序存储器为例子，程序存储器就相当于一栋大楼，这栋大楼一共有64K（ 2 16 2^{16} 216）个房间，每个房间可以存放一个字节（8个2进制数）的数据，相当于有8个床位（有人是1，没人是0）
3.1 程序存储器
对于8051来说, 程序存储器（ROM）的内部地址为 0000H~0FFFH, 共 4 KB; 外部地址为 1000H ~ FFFFH, 共 60 KB。 当程序计数器由内部 0FFFH执行到外部 1000H 时, 会自动跳转。
按字节存放，64K的地址，存储空间是64KB
也有一些没有内部程序存储器，如8031.
补充说明：ROM（read only menmory），这种存储单元不会因为掉电而消失，ROM有MASKROM.PROM,EPROM,EEPROM,FLASH，当需要需要频繁的重写，就要采用EEPROM，或是FLASH，因为FLASH擦写速度快，所以一般采用FLASH。
3.2 内部数据存储器
从00H到0FFH一共256个字节，低128个字节（00H-7FH）为整整的RAM区，高128字节（80H-FFH）为特殊功能寄存器SFR
RAM区（低128字节）
3.2.1 （00H-1FH）通用工作寄存器
在低128个字节RAM中，00H-1FH共32个单元是4个通用工作寄存器区。每一个区有8个通用寄存器R0-R7，地址对应关系如下
3.2.2 （20H-2FH）位寻址区
可以当成一般的开放区使用，也可以通过地址映射表进行位操作
3.2.3 （30H-7FH）开放区
这部分区域“痛快的”开放给用户使用，用户直接对该区域进行写入与读取。
特殊功能寄存器SFR
各个特殊功能寄存器在内存（80H-0FFH）的分布如下，但是要注意，这部分寄存器是分散地分布，但是没有被占用的地址一般不会用作一般开放区，因为这些地址有可能不存在。
PSW程序状态字的说明
| 位符号 | 名称 | 功能 |
|---|---|---|
| CY | 进位标志位 | 最高位向前进位借位时，CY为1 |
| AC | 辅助进位标志位 | 用于十进制调整，低四位向高四位进位借位时，AC为1 |
| F0 | 用户标志位 | 可以用指令置位，复位 |
| RS1、RS0 | 寄存器组选择位 | 选择寄存器组 |
| OV | 溢出标志位 | 带符号加减运算，结果溢出，OV为1，乘积超过255，OV为1，出发无意义，OV为1 |
| / | 无定义 | |
| P | 奇偶标志位 | 累加器A中为奇数，P为1 |
3.3 外部数据存储器
外部数据存储器一般由静态RAM构成，其容量大小由用户根据需要而定, 最大可扩展到 64 KB RAM , 地址是 0000H~0FFFFH。
CPU通过MOVX指令访问外部数据存储器, 用间接寻址方式, R0、R1和 DPTR都可作间接寄存器。
注意, 外部RAM和扩展的I/O接口是统一编址的, 所有的外扩I/O 口都要占用 64 KB中的地址单元。
4. 并行IO接口
·MCS-51单片机有4个双向8位并行的IO口;P0-P3
·每一个口都是一个8位的锁存器
·复位后状态都是1
4.1 P0是三态双向口
三态指0,1，高阻态
既可以作为并行IO口，也可以作为数据总线口
当外部拓展了存储器或是IO端口，则只能作数据总线和地址总线低8位
4.2 P1 P2 P3是准双向口
- P1口是专供用户使用的IO口
- P2可以做并行IO口，当有外部拓展时，充当地址总线感8位
- P3还是双功能口，每个口都有第二功能
5.单片机的引脚与功能
5.1 总览
| 引脚 | 功能 |
|---|---|
| 端口线（4*8） | 前面的IO端口介绍 |
| 电源线 | VCC电源线，VSS接地线 |
| 控制线（6条） | 进行一些控制 |
5.2 控制线
| 符号 | 名称 |
|---|---|
| A L E / P R O G ‾ ALE/\overline{PROG} ALE/PROG | 地址锁存允许/编程线 |
| E A ‾ / V P P \overline{EA}/VPP EA/VPP | 允许访问片外存储器/变成电源线 |
| P S E N ‾ \overline{PSEN} PSEN | 片外ROM选通线 |
| R S T / V P D RST/VPD RST/VPD | 复位/备用电源线 |
| X T A L 1 / X T A L 2 XTAL1/XTAL2 XTAL1/XTAL2 | 片内震荡电路输入输出线 |
6. 单片机的基本时序
6.1 机器周期和指令周期
- 振荡周期，也称时钟周期，是指为单排年级提供时钟振荡信号的振荡源的周期
- 状态周期:每个状态周期是时钟周期的两倍，每个状态周期由两个节拍P1，P2组成
- 机器周期：一个机器周期包含6个状态周期，也就是12个时钟周期，在一个机器周期内，单片机可以完成一个独立的操作
- 指令周期：CPU执行一条指令所需要的时间叫做一个指令周期，由一个或是几个机器周期组成
因为重点关注硬件结构，时序暂时不作深入了解