Benjamin Chen.
Benjamin Chen.

【学习笔记】单片机结构与原理（MCS-51为例）

单片机结构与原理(MCS-51为例）

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基础知识

概述

  1. 什么是单片机
    • 单片机（Single-Chip-Microcomputer）又称为单片微计算机
    • 结构特点：将微型计算机的基本功能部件全部集成在一个半导体芯片上
  2. 单片机的特点
    • 集成度高，体积小，抗干扰能力强，可靠性高
    • 开发性能好，开发周期短，控制功能强
    • 低功耗，低电压，具有掉电保护功能
    • 通用性和灵活性好
    • 具有良好的性能价格比
  3. 单片机的应用领域
    • 工业自动化控制
    • 智能仪器仪表
    • 通信设备
    • 汽车电子与航空航天电子系统
    • 家用电器
  4. 单片机发展趋势
    • 高集成度
    • 高性能
    • 低功耗
    • 高性价比

预备知识

  1. 数制及其变换

    • 数制：十进制D、二进制B、十六进制H
    • 进制转换：BH转D（加权展开）、B转H（4位对应）、D转BH（除基取余）

  2. 有符号数表示方法

    • 原码：0正1负，其余数值
    • 反码：正数（与原码相同）、负数（符号位不变，数值位取反）
    • 补码：正数（与原码相同）、负数（符号位不变，数值位取反，末位加1）
    • 负数补码 = 模 - 绝对值差值
    • 补码的补码为原码

  3. 位、字节、字

    • 位（bit）：0和1
    • 字节（Byte）：1Byte = 8bit
    • 字（Word）：计算机一次存取、加工和传送的数据长度

  4. BCD码

    • 以二进制数表示十进制数

    • 8421BCD码
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    • 压缩BCD码：1字节表示2个十进制数

    • 非压缩BCD码：1字节只表示1个十进制数

  5. ASCII码

    • 采用7位二进制编码表示128个字符

  6. 基本逻辑门电路

    • 与门、或门、非门、异或门、与非门、或非门
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结构与原理

结构

  1. 内部结构

    • MCS-51单片机内部基本结构
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    • 80C51单片机的内部资源

      • 1个8位中央处理器（CPU）
      • 1个片内振荡器和时钟电路
      • 4KB片内程序存储器（ROM）
      • 256字节的片内RAM
      • 2个16位定时/计数器
      • 可寻址64KB外部程序存储器和64KB数据存储空间控制电路
      • 4个8位双向I/O口
      • 1个全双工串行口
      • 5个中断源

    • CPU（单片机的大脑和心脏）：运算器和控制器

    • 控制器：对取自程序存储器中的指令进行译码，在规定时间发出各种操作所需的控制信号，完成指令所规定的功能。

      • 程序计数器PC：存放下一条要执行指令的首地址（决定程序的运动轨迹）
      • 指令寄存器IR：暂存待执行的指令，等待译码
      • 指令译码器ID：对指令进行译码，转变为执行指令所需电信号
      • 数据指针DPTR：DPH（高8位）和DPL（低8位）
      • 定时控制与条件转移逻辑电路

    • 运算器

      • 累加器ACC（CPU工作中使用最频繁的寄存器）：存放一个操作数或中间结果

      • 算术逻辑部件ALU：对数据进行四则运算和逻辑运算

      • 程序状态字寄存器PSW：存放程序运行过程中的各种状态信息
        [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-1umCF0Rb-1651216399449)(/Users/jermy/Library/Application Support/typora-user-images/截屏2022-04-28 14.30.14.png)]

        • 进位标志CY（PSW7）：位累加器
        • 辅助进位标志AC（PSW6）
        • 用户标志位F0（PSW5）
        • 工作寄存器组指针RS1、RS0（PSW4、PSW3）：选择CPU当前工作的寄存器组
        • 溢出标志OV（PSW2）：指示是否发生益处，由硬件自动形成
        • 用户标志位F1（PSW1）
        • 奇偶标志位P（PSW0）：跟踪累加器A中含“1”个数的奇偶性

      • 运算调整电路

  2. 外部引脚

    • 封装方式
      • HMOS制造工艺：40只引脚的双列直插封装（DIP）
      • CHMOS制造工艺：44只引脚方形封装方式（其中4只是无用的）
    • 80C51单片机40只引脚功能划分
      • 电源及晶振引脚（4只）
      • 控制引脚（4只）
      • 并行I/O口引脚（32只）
    • 电源及晶振引脚
      • 电源引脚：VCC（+5V电源引脚）、VSS（接地引脚）
      • 外接晶振引脚：XTAL1、XTAL2
    • 控制引脚
      • RST/VPD（复用/备用电源引脚）
      • ALE/PROG（地址锁存使能输出/编程脉冲输入）
      • PSEN（输出访问片外程序存储器读选通信号）
      • EA/VPP（外部ROM允许访问/编程电源输入）
    • 并行I/O口引脚
      • P0口（P0.0~P0.7）
      • P1口（P1.0~P1.7）
      • P2口（P2.0~P2.7）
      • P3口（P3.0~P3.7）

存储器

  1. 划分方法

    • 计算器存储器地址空间结构形式：普林斯顿结构（冯·诺伊曼结构）、哈佛结构
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    • 普林斯顿结构（冯·诺伊曼结构）

      • 将程序指令存储器和数据存储器合并在一起（ROM和RAM位于统一存储空间的不同物理位置处）
      • CPU可以使用相同指令访问ROM和RAM

    • 哈佛结构

      • 将程序指令存储器和数据存储器分开设置（ROM和RAM位于不同存储空间）
      • ROM和RAM中的存储单元可以有相同的地址
      • CPU需要采用不同的访问指令加以区别

    • MCS-51单片机存储空间结构
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      • 物理地址（4个）：片内程序存储器（片内ROM）、片外程序存储器（片外ROM）、片内数据存储器（片内RAM）、片外数据存储器（片外RAM）
      • 逻辑地址（3个）：程序存储器、片内数据存储器、片外数据存储器

    • MCS-51单片机存储器地址空间

      • 片内ROM地址空间：0000H~0FFFH（4KB）
      • 片外ROM地址空间：0000H~FFFFH（64KB）
      • 片内RAM地址空间：00H~FFH（256B）
      • 片外RAM地址空间：0000H~FFFFH（64KB）
  2. 程序存储器（存放程序代码及程序中用到的常数）
    • 保存在ROM里的程序不会因为单片机掉电而丢失
    • 外部ROM允许访问引脚EA
      • EA引脚接高电平：片内ROM（小于等于4KB地址）和片外ROM（大于4KB地址）共同构成64KB空间
      • EA引脚接低电平：片内ROM被禁用，全部64KB地址都在片外ROM中
    • 特殊地址单元（6个）：专门为复位和中断功能设计
      • 0000H（程序首地址）：单片机复位后程序从首地址开始运行
      • 0003H（外部中断0入口地址）
      • 000BH（定时器0益处中断入口地址）
      • 0013H（外部中断1入口地址）
      • 001BH（定时器1溢出中断入口地址）
      • 0023H（串行口中断入口地址）
  3. 数据存储器（存放运算中间结果、标志位、待调试程序）

    • 数据存储器由RAM构成，一旦掉电，其数据将丢失

    • 数据存储器在物理上和逻辑上都占有两个地址空间：片内256B的RAM、片外64KB的RAM

    • 片内RAM配置：低128B RAM区、高128B RAM区
      【学习笔记】单片机结构与原理（MCS-51为例）_第7张图片

      • 低128B RAM区
        • 00H~1FH：作为工作寄存器使用（通用寄存器R0-R7）
        • 20H~2FH：位寻址区
        • 30H~7FH：用户可以设置堆栈区和存储中间数据
      • 高128B RAM区：21个特殊功能寄存器

复位、时钟、时序

  1. 复位

    • 复位片内寄存器初始值
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    • 复位条件

      • 在RST引脚端出现满足复位要求的高电平状态
      • 该时间等于系统时钟振荡周期建立时间再加2个机器周期时间（一般不小于10ms）

    • 复位方式

      • 上电复位：利用阻容充电电路实现
      • 按键复位：利用电阻分压电路实现
      • 复合复位
  2. 时钟
    • 单片机执行指令过程：取指令、分析指令、执行指令
    • 单片机时钟信号产生方法
      • 内部时钟方法：利用单片机芯片内部的振荡电路实现
        • 定时元件一般用晶体振荡器和电容组成并联谐振电路
        • 晶体振荡频率越高，则系统的时钟频率也越高，单片机运行速度也就越快
        • MCS-51时钟振荡频率为6~12MHz
      • 外部时钟方法：采用公用外部脉冲信号作为各单片机振荡脉冲
  3. 时序

    • 时序：按照时间顺序显示的对象序列关系

    • 时序表示方式：状态方程、状态图、状态表、时序表

    • 时序表（波形图、序列图）
      【学习笔记】单片机结构与原理（MCS-51为例）_第9张图片

      • 从上到下查看对象间的交互关系
      • 时间轴从左往右的方向为时间正向轴（时间在增长）
      • 最左边是引脚的标识
      • 交叉线部分标识电平的变化
      • 封闭菱形部分标识数据有效范围
      • 水平方向的尺寸线标识持续时间长度

    • 时序单位
      【学习笔记】单片机结构与原理（MCS-51为例）_第10张图片

      • 时钟周期（节拍P）：晶振或外加振荡源的振荡周期（最小时序单位）
      • 状态周期（S）：1个状态周期等于2个时钟周期
      • 机器周期：1个机器周期等于6个状态周期（12个节拍）
      • 指令周期：执行一条指令所需要的时间（1个指令周期由1~4个机器周期组成）

    • 单片机时序：CPU在执行指令时所需控制信号的时间顺序

    • CPU发出的时序信号：用于片内个功能部件的控制、用于片外存储器或I/O端口的控制

    • D触发器（边沿D触发器）
      【学习笔记】单片机结构与原理（MCS-51为例）_第11张图片

      • 正边沿D触发器：只在CLK上升沿时刻采样D输入信号，改变Q输出状态
      • 负边沿D触发器：只在CLK下降沿时刻采样D输入信号，改变Q输出状态

并行I/O口

  1. P1口（作为通用I/O口使用）：字节地址90H
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    • 输出方式
    • 读引脚方式（准双向口）：必须先用输出指令置Q=1，使V截止
    • 读锁存器方式：P1口已有内部上拉电阻，无需外接上拉电阻

  2. P3口：字节地址B0H
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    • 通用I/O功能（与P1口完全相同）：当“第二输出功能”段保持“1”状态
    • 第二功能口状态：当锁存器Q端保持“1”状态
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  3. P0口字节地址80H
    【学习笔记】单片机结构与原理（MCS-51为例）_第15张图片

    • 通用I/O口：要使“1”信号正常输出，必须外界一个上拉电阻（上拉电阻一般为100Ω~10kΩ）
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    • 单片机系统的地址/数据线（连接外部存储器）：双向口

      • 当需要输入外部数据时，CPU自动向P0.n的锁存器写“1”（保证引脚电平不会被误读）
      • P0口在“地址/数据”方式下没有漏极开路问题（不必外接上拉电阻）

  4. P2口：字节地址A0H
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    • 通用I/O口（准双向口）：输出、读引脚、读锁存器
    • 地址线接口

  5. 并行I/O口

    • P0~P3口都可作为准双向通用I/O口提供给用户
      • P1~P3口无需外接上拉电阻
      • P0口需要外接上拉电阻
    • 拓展片外存储器
      • P2口作为地址线接口
      • P0口作文地址线/数据线复用接口（双向口）

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