自控原理課件

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單擊此處編輯母版標題樣式,,單擊此處編輯母版文本樣式,,第二級,,第三級,,第四級,,第五級,,*,*,*,第2,章,MCS-51,單片機的結構和原理,教學提示：,需要數(shù)字電路、模擬電路和計算機基礎等課程知識單片機的結構及工作原理是單片機系統(tǒng)的基礎資源，屬硬件部分本章主要講述,MCS-51,單片機芯片的組成、內部各功能模塊的邏輯框圖、電路結構和工作原理教學要求：,本章讓學生了解單片機芯片內部功能模塊的組成，重點掌握,CPU，RAM，ROM，SFR，I/O,接口，時鐘電路和復位電路的結構與原理2.1,MCS-51,單片機的組成和內部結構,,,2.2,MCS-51,的外部引腳及功能,,,2.3,MCS-51,的存儲器配置,,,2.4,時鐘電路與復位電路,,,2.5,I/O,端口電路與電氣特性,,,2.6,本章小結,,第2,章,MCS-51,單片機的結構和原理,2.1,MCS-51,單片機的組成和內部結構,MCS-51,單片機內部主要包含下列硬件資源：,,(1) 8,位,CPU,，,片內振蕩器；,,(2) 4,KB/8KB,程序存儲器,(,ROM),；,,(3) 128B/256B,數(shù)據(jù)存儲器,(,RAM),；,,(4) 2/3,個,16,位定時,/,計數(shù)器；,,(5) 32,個可編程的,I/O,線,(4,個,8,位并行,I/O,端口,),；,,(6) 1,個可編程全雙工串行端口；,,(7) 5/6,個中斷源，,2,個中斷優(yōu)先級；,,(8),可尋址,64,KB,片外部數(shù)據(jù)存儲器空間、,64,KB,片外部程序存儲器空間的控制電路；,,(9),有位尋址功能，適用于位處理器,(,布爾處理器,),。

2.1,MCS-51,單片機的組成和內部結構,2.1,MCS-51,單片機的組成和內部結構,,2.1.1,中央處理器（,CPU）,,運算器：,運算器包括算術,/,邏輯單元,(,ALU)、,累加器,(,ACC)、,寄存器,(,B)、,暫存器,(,TEMP),及程序狀態(tài)寄存器,(,PSW),等運算器的功能是進行算術運算和邏輯運算控制器：,控制器是控制單片機工作的神經中樞，它包括程序計數(shù)器,(,PC),、,指令寄存器,(,IR),、,指令譯碼器,(,ID),、,數(shù)據(jù)指針,(,DPTR),、,堆棧指針,(,SP),、,RAM,地址寄存器、時鐘發(fā)生器、定時控制邏輯等位處理器（布爾處理機）：,MCS-51,的,CPU,內有一個,1,位處理器子系統(tǒng)，它相當于一個完整的位單片機，但每次處理的數(shù)據(jù)只有,1,位它有自己累加器,(,CY)，,數(shù)據(jù)存儲器,(,可位尋址空間,)2.1,MCS-51,單片機的組成和內部結構,,2.1.2,存儲器,,MCS-51,系列單片機的存儲器包括：數(shù)據(jù)存儲器,(,RAM),和程序存儲器,(,ROM),兩部分51/52,片內有,128/256,個,8,位用戶讀寫數(shù)據(jù)存儲單元和,21/26,個特殊功能寄存器,。

當片內數(shù)據(jù)存儲器不夠使用時，可擴展片外,RAM,MCS-51,對外有,64,KB,數(shù)據(jù)存儲器的尋址能力51/52有4,KB/8KB(1KB=1024B),的,ROM，,用于存放用戶程序和常數(shù),(,如原始數(shù)據(jù)或表格,),等當需要擴展片外,ROM,時，,MCS-51,對片外有,64,KB,程序存儲器的尋址能力2.1,MCS-51,單片機的組成和內部結構,,2.1.3,接口電路,,MCS-51,單片機有,4個8,位寬度的并行輸入,/,輸出,(,I/O),端口，分別稱,P0,口、,P1,口、,P2,口和,P3,口，,I/O,線共,32,根單片機輸出的控制信號和采集外部的輸入信號，都是通過這,32根,I/O,線進行傳輸?shù)?.1.4,時鐘振蕩電路,,51/52,內置一個振蕩器和時鐘電路，用于產生整個單片機運行的脈沖時序 2.2,MCS-51,的外部引腳及功能,有,DIP,封裝、,PLCC,封裝等，本書,DIP40,為例2.2,MCS-51,的外部引腳及功能,,2.2.1,I/O,端口,,4個并行,I/O,端口分別為,P0,口、,P1,口、,P2,口及,P3,口P0：,數(shù)據(jù)/地址復用總線,,P1：,通用靜態(tài),I/O,口,,P2：,通用,I/O,口和高8位地址總線,,P3：,通用,I/O,口和第二功能,,,注意：,驅動能力(拉：幾十微安；灌：,mA,級)，注意硬件設計。

2.2,MCS-51,的外部引腳及功能,,P3,的第二功能口,,P3.0：,RXD，,串口輸入口,,P3.1：,TXD，,串行輸出口,,P3.2：,/INT0，,外部中斷0輸入口,,P3.3：,/INT1，,外部中斷1輸入口,,P3.4：,T0，,定時器0外部輸入口,,P3.5：,T1，,定時器1外部輸入口,,P3.6：,/WR，,寫選通輸出口,,P3.7：,/RD，,讀選通輸出口,2.2,MCS-51,的外部引腳及功能,,2.2.2 控制引腳,,控制引腳包括,ALE//PROG（30）：,地址鎖存信號輸出及編程脈沖輸入端①,地址鎖存允許，在單片機訪問外部存儲器（包括外,ROM,和外,RAM）,時，該引腳的輸出信號,ALE,用于鎖存,P0,的低8位地址（結合最小系統(tǒng)稍細講一下），信號的輸出頻率一般為,fosc,/6（,特殊的到第4章再介紹）；②編程時的編程脈沖輸入端，與我們使用,CPU,的用戶無關，與設計編程器的廠商有關/,PSEN（29）：,程序存儲器輸出使能在擴展外,ROM,時，為取指時的外部,ROM,選通信號信號頻率一般為,fosc,/6但,CPU,內部有,ROM,時，即在訪問內,ROM,時，該信號不出現(xiàn)，由于,CPU,的內,ROM,化，使目前的該引腳功能有退化的趨勢。

RST/VPD（9）：,復位信號輸入及后備電源輸入端2.2,MCS-51,的外部引腳及功能,,2.2.2 控制引腳,,/,EA/VPP（31）：,片內程序存儲器屏蔽控制及編程電壓輸入端① /,EA=0，,只訪問外,ROM，/EA=1，,先內后外，但隨著,CPU,的內,ROM,容量的不斷增大，一般只訪問內,ROM，,因此使用時目前的趨勢/,EA,只接高電平，而且一般通過一上拉電阻接高電平；②編程時，該腳作編程電源輸入端，與我們使用,CPU,的用戶無關，與設計編程器的廠商有關2.2.3,電源與晶振引腳,,VCC(40,腳)：,主電源正端，接+5,VVSS(20,腳)：,主電源負端，接地XTAL1(19,腳)：,片內高增益反相放大器的輸入端若使用外部輸入時鐘，該引腳必須接地XTAL2(18,腳)：,片內高增益反相放大器的輸出端若使用外部輸入時鐘，該引腳作為外部輸入時鐘的輸入端2.2,MCS-51,的外部引腳及功能,,2.3,MCS-51,的存儲器配置,,內,RAM,：,內部數(shù)據(jù)存儲器，存放運算中間結果、數(shù)據(jù)暫存SFR,：,特殊功能寄存器，,設置片內電路運行方式，記錄電路的運行狀態(tài)，表明有關標志，映射和實現(xiàn),I/O,口操作等。

ROM,：,程序存儲器，,存放程序或表格外,RAM,：,外部數(shù)據(jù)存儲器，,存放運算中間結果、數(shù)據(jù)暫存存儲器的配置分類,2.3,MCS-51,的存儲器配置,,功能,：存放運算中間結果、數(shù)據(jù)暫存數(shù)量,：128字節(jié),,地址范圍,：00,H~7FH,,3,個區(qū),：,00,H ~ 1FH：,寄存器區(qū),,20,H ~ 2FH：,位地址區(qū),,30,H ~ 7FH：,通用,RAM,區(qū),2.3.1內部數(shù)據(jù)存儲器：,內,RAM,7,FH,通用,RAM,區(qū),,,,,,,,?,,,,,,,,,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,49,48,28,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區(qū)、2區(qū)、1區(qū)、0區(qū),,,,,,,,?,,,,,,,,,00,H,,,,,,,,,寄存器區(qū),,位地址區(qū),,通用,RAM,區(qū),,內,RAM,組織圖,2.3,MCS-51,的存儲器配置,,寄存器區(qū),,,00,H-1FH：32,個單元，4個區(qū)，每區(qū)8個寄存器，稱為,R0、R1、…R7,（,Register,）,。

0,區(qū)：00,H-07H,,1,區(qū)：08,H-0FH,,2,區(qū)：10,H-17H,,3,區(qū)：18,H-1FH,,由,RS0RS1,(PSW,中的兩個位),,組合決定當前工作寄存器區(qū),,,R0-R7,是哪個區(qū)RS1、RS0,寄存器工作區(qū),0 0,0區(qū),0 1,1區(qū),1 0,2區(qū),1 1,3區(qū),2.3.1內部數(shù)據(jù)存儲器：,內,RAM,位地址區(qū),,字節(jié)地址范圍,：,,20,H~2FH,,位地址范圍,：,,00,H-7FH，,,128,個位,,通用,RAM,區(qū),,字節(jié)地址范圍,：,,,30,H-7FH,,功能,：,,暫存數(shù)據(jù)；,,也可作堆棧區(qū)使用2.3.1,內,RAM,7,FH,通用,RAM,區(qū),,,,,,,,?,,,,,,,,,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,49,48,28,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區(qū)、2區(qū)、1區(qū)、0區(qū),,,,,,,,?,,,,,,,,,00,H,,,,,,,,,2.3,MCS-51,的存儲器配置,,功能,：用來存放運算過程的中間值,,容量,：64,K，0000H~FFFFH,,器件,：6116、6264、62256等,,與內,RAM,區(qū)分,：,,片外有讀寫引腳信號，指令用,MOVX,,,片內無讀寫引腳信號，指令用,MOV,2.3.2外部數(shù)據(jù)存儲器：,外,RAM,2.3,MCS-51,的存儲器配置,,數(shù)據(jù)存儲器配置圖,2.3,MCS-51,的存儲器配置,,功能,：設置片內電路運行方式，記錄電路的運行狀態(tài)，表明有關標志，映射和實現(xiàn),I/O,口操作,,數(shù)量,：21個,SFR,,地址范圍,：不連續(xù)地分布在80,H~FFH,中，11個,SFR,具有83個位地址。

與內,RAM,統(tǒng)一編址,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,的存儲器配置,,A （,Accumulator,）*,:,累加器，,ACC，,最繁忙的專用寄存器0,E0H,,B*,:,可作為一般寄存器使用但在乘除指令中，,B,寄存器有專門的用途0,F0H,,,PSW,（,Program Status Word,）,*,:,程序狀態(tài)寄存器是一個8位寄存器它包含了程序狀態(tài)信息和一些可控制位0,D0H,,,說明：,寄存器右上腳帶*為能進行位尋址！,SFR,2.3,MCS-51,的存儲器配置,,,CY,：,借進位標志，＝1，有；＝0，無,,,AC,：,輔助借進位標志，高低半字節(jié)間,,,F0,：,用戶設置標志位,,,RS1RS0,：,當前工作寄存器選擇位,,,OV,：,溢出位，＝1，有；＝0，無；,,,X,：,無效位，保留,,,P,：,奇偶校驗位，累加器中奇數(shù)個1為1，偶數(shù)個1為0，經常被用在通信時為增加通信的可靠性而使用。

CY,AC,F0,RS1,RS0,OV,X,P,D7,D0,PSW:,程序狀態(tài)字,2.3,MCS-51,的存儲器配置,,對8位運算而言，溢出是指,兩個帶符號數(shù)運算,時，結果超出了累加器,A,所能表示的帶符號數(shù)的范圍（+127～-128）還有,無符號數(shù)乘法,指令,MUL,的執(zhí)行結果也會影響溢出標志位置于累加器,A,和寄存器,B,的兩個乘數(shù)的積超過255（0,FFH）,時，,OV=“1”，,否則,OV=“0”較少使用！,,,除法指令,DIV,也會影響溢出標志位當除數(shù)為0時，,OV=“1”，,否則,OV=“0”較少使用！,OV：,溢出位,，＝1，有；＝0，無,2.3,MCS-51,的存儲器配置,,SP （,Stack Pointer,）,：,堆棧指針,SP,是一個8位的特殊功能寄存器81,H,,堆棧,是指數(shù)據(jù)只允許在其一端進出的一段,存儲空間,堆棧數(shù)據(jù)寫入和讀出遵守“,先入后出，后進先出,” 的規(guī)則要實現(xiàn)這一功能，需要有一個特殊的地址指針,SP MCS-51,的堆棧指針是,指向棧頂,的復位時，堆棧指針,SP=07H，,根據(jù),SP,是指向棧頂?shù)奶攸c堆棧正落在,工作,寄存器1區(qū)SFR,2.3,MCS-51,的存儲器配置,,DPTR（,Data Pointer,）,：,數(shù)據(jù)指針寄存器,DPTR,是一個16位專用寄存器。

DPTR=DPH+DPL（83H、82H）,,它既可以是一個16位專用寄存器；,,也可以拆開，作為2個獨立的8位寄存器,DPH,和,DPL,使用主要用途,是保持16位的地址，常用于尋址片外64,KB,的數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器空間SFR,2.3,MCS-51,的存儲器配置,,P0~P3*,：,專用寄存器,P0(80H)、P1(90H)、P2(0A0H),和,P3(0B0H),分別是,I/O,端口,P0～P3,的8位鎖存器IP （,Interrupt Priority Register,）*,：,中斷優(yōu)先級寄存器，0,B8H,,IE （,Interrupt Enable Register,）*,：,中斷允許寄存器，0,A8H,SFR,2.3,MCS-51,的存儲器配置,,TMOD （,Timer/Counter Mode Register,）,：,定時器模式控制寄存器，89,H,,TCON （,Timer/Counter Control Register,）*,：,定時器控制寄存器，88,H,,TH1、TL1,：,定時器1的16位計數(shù)值寄存器，8,DH、8BH,,TH0、TL0,：,定時器0的16位計數(shù)值寄存器，8,CH、8AH,SFR,2.3,MCS-51,的存儲器配置,,SBUF （,Serial Date Buffer,）,：,串行數(shù)據(jù)緩沖器，用于串行通信，存放欲發(fā)送和已接收數(shù)據(jù)的，雙緩沖結構。

99,H,,SCON （,Serial Control Register,）*,：,串行接口控制寄存器，98,H,,PCON （,Power Control Register,）,：,電源控制寄存器，97,H,SFR,2.3,MCS-51,的存儲器配置,,PC （,Program Counter）,不屬于,特殊功能寄存器,SFR,編程是,不能,對它進行,訪問,它是一個,16位程序地址寄存器,專門用于存放,下一條,要執(zhí)行指令的,地址,當一條指令被取出后，,PC,的內容會,自動增量,，指向下一條要執(zhí)行指令的地址除非遇到子程序調用、跳轉等轉移類指令程序計數(shù)器,PC**,2.3,MCS-51,的存儲器配置,,功能,：存放程序或表格,,最大容量,：64,K，0000H~FFFFH（,有內、有外擴）,,與外,RAM,重址,,,ROM,：,只讀，讀時由/,PSEN,引腳提供信號,,,外,RAM,：,讀寫，由/,RD、/WR,引腳提供信號,,工作時有程序計數(shù)器,PC,指針進行取指，具有,自動增量,，轉移類指令可修改,PC,值專用器件,：2716、2764、27256等,,目前的發(fā)展趨勢,：,CPU,的內,ROM,化，容量增大化,2.3.4程序存儲器：,ROM,2.3,MCS-51,的存儲器配置,,程序存儲器配置圖,2.3,MCS-51,的存儲器配置,,0000,H：,復位后的入口地址,,0003,H：,外部中斷0的入口地址,,000,BH：T0,溢出中斷的入口地址,,0013,H：,外部中斷1的入口地址,,001,BH：T1,溢出中斷的入口地址,,0023,H：,串口中斷的入口地址,,特殊的入口地址,2.3,MCS-51,的存儲器配置,,內,RAM,與位地址的重址問題,,內,RAM、,外,RAM,區(qū)分,,ROM,與外,RAM,重址區(qū)分,,不要死記,SFR,的物理地址！,,幾個注意點,2.3,MCS-51,的存儲器配置,,內,RAM、SFR、,外,RAM、ROM,四種類型的存儲器,,內,RAM：128,個，3個區(qū)，寄存器區(qū)、位地址區(qū)、通用,RAM,區(qū),,21個,SFR，,重點,PSW、SP、DPTR、A、B,等,,PC**：,程序計數(shù)器,,外,RAM：,暫存數(shù)據(jù)，64,K,,ROM：,程序與表格，64,K,小結,。

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