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微型计算机基本结构
总线
片内总线和片外总线
数据总线地址总线与控制总线
系统总线和IO总线
微处理器的内部结构
内部寄存器
通用寄存器
指针和变址寄存器
段寄存器
控制寄存器
标志寄存器
存储器的基本结构
存储器的分类
IO接口的功能
外部设备与CPU之间…目录
微型计算机基本结构
总线
片内总线和片外总线
数据总线地址总线与控制总线
系统总线和IO总线
微处理器的内部结构
内部寄存器
通用寄存器
指针和变址寄存器
段寄存器
控制寄存器
标志寄存器
存储器的基本结构
存储器的分类
IO接口的功能
外部设备与CPU之间的数据传送方式
单片机
单片机基本介绍
单片机的特点
单片机的命名规则
51子系列单片机特点
MCS-51系列单片机
基本组成
内部结构
中央处理器
控制部件
存储器结构
程序存储器的6个特殊的地址
数据存储器
片内数据存储器
片外数据存储器
输入输出接口
P0口
P1口
P2口
P3口
外部引脚
控制线
主电源引脚
外接晶体引脚
片外总线结构
单片机的工作方式
复位方式
单片机的时序 微型计算机基本结构
前言微型计算机由中央处理器、存储器、输入、输出设备和系统总线等组成。 注意具体理解请见计算机组成原理。
总线
含义总线是将各大基本部件按照一定得方式连接起来就构成了硬件系统为各部件提供服务的公共信息传送线路。他能够分时的发送和接收各种部件的信息是计算机系统各部件之间传输地址、数据和控制信息的公共通道CPU通过总线实现读取指令并实现与内存、外设之间的数据交换在CPU、内存与外设确定的情况下总线的速度是制约计算机整体性能的关键。
片内总线和片外总线
片内总线CPU内部的寄存器、算数逻辑部件、控制部件以及总线接口部件之间的公共信息通道片外总线泛指CPU与外部器件之间的公共信息通道。我们通常所说的总线就是指片外总线
数据总线地址总线与控制总线 数据总线用于在各个部件/设备之间传输数据信息 地址总线用于CPU与存储器、IO接口设备之间传输地址信息 控制总线用于CPU与存储器、IO接口之间传输控制和状态信息
系统总线和IO总线 系统总线CPU连接其他高速功能如存储器的总线 IO总线 中低速IO设备之间相互连接的总线
微处理器的内部结构
前言微处理器由运算器、控制器、寄存器组和片内总线组成。 注意
运算器和控制器在计算机组成原理有讲这里就不再赘述而操作单片机主要是操作寄存器这里主要讲一下寄存器相关。ALU一次性最多能够处理多少位数据那么该单片机就是几位。
内部寄存器
通用寄存器
AX累加寄存器是算术运算时使用的主要寄存器所有外部设备的输入输出指令只能使用AL或AX作为数据寄存器BX基址寄存器可以用作数据寄存器在访问存储寄存器时可以存放被读写存储单元的地址是具有双重功能的寄存器CX计数寄存器可以用作数据寄存器在字符串操作、循环操作和移位操作时用作计数器DX数据寄存器它可以用作数据寄存器在乘除法中作为辅助累加器在输入输出操作中存放接口的地址
指针和变址寄存器
前言主要用于存放操作数的偏移地址即操作数的段内地址
SP堆栈指针寄存器在堆栈操作中存放栈顶的偏移地址BP基址指针寄存器常用作堆栈区基址地址寄存器SI源变址寄存器主要用于在字符串操作中存放原操作数的偏移地址DI目的变址寄存器主要用于字符串操作中存放目的操作数的偏移地址
段寄存器
前言主要用于存放段的基址即段的起始地址的高16位。
CS代码段段寄存器代码段用于存放程序代码。CS中存放当前正在执行的代码段的段基址DS数据段段寄存器数据段用于存放当前使用的数据DS中存放当前数据段的段基址SS堆栈段段寄存器堆栈段是内存中一段特殊的存储区SS中存放堆栈段的段基址ES附加数据段段基址程序需要第二个数据段时可以使用ES存放该数据段的段基址
控制寄存器
IP指令指针寄存器是一个16位的寄存器IP存放下一条要执行的指令的偏移地址FLAGS标志寄存器共有9个标志位其中6个为状态标志位3个为控制标志位
标志寄存器
前言在单片机中若要运行一些数据的话肯定会涉及到-*/等操作这就涉及到标志寄存器功能 C进位标志位P奇偶标志位A半加标志位Z零标志位S符号标志位T陷阱标志位单步标志位I中断允许标志位D方向标志位O溢出标志位
存储器的基本结构
前言半导体存储器主要由地址译码器、存储矩阵、控制逻辑和三态双向缓冲器等部分组成。 注意地址译码器主要用于判断地址总线的电平的不同状态来确定要给RAM中哪个字节存储数据
存储器的分类
随机读写存储器RAM掉电以后数据直接丢失类似内存只读存储器ROM掉电以后数据是不丢失的类似固态硬盘
IO接口的功能
数据的寄存和缓冲信号的转换设备选择功能外设的控制和监测中断或DMA管理功能可编程功能
外部设备与CPU之间的数据传送方式
无条件传送方式查询传送方式中断传送方式
单片机
含义单片机属于微型计算机的一种是把微型计算机中的微处理器、存储器、IO接口定时器/计数器、串行接口、中断系统等电路集成在一块集成电路芯片上形成微型计算机。因而被称为单片微型计算机简称单片机。
单片机基本介绍
单片机英文Micro Controller Unit简称MCU单片机内部集成了CPU、RAM、ROM、定时器、中断系统、通讯接口等一系列电脑的常用硬件功能单片机的任务是信息采集依靠传感器、处理依靠CPU和硬件设备例如电机和LED等的控制单片机和计算机相比单片机是一个袖珍版的计算机一个芯片就能构成完整的计算机系统。但是在性能上与计算机相差甚远但单片机成本低体积小结构简单在生活和工业控制领域有很大作用单片机的适用领域已经十分广泛如智能仪表实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上单片机就能起到使产品升级换代的功效智能洗衣机。
单片机的特点
在存储结构上单片机采用哈佛结构。ROM和RAM是严格分开的ROM称为程序存储器只存放程序固定常数和数据表格。RAM则数据存储器用作工作区和存放数据在芯片引脚上大部分采用时分复用技术在内部资源访问上通过特殊功能寄存器SFR的方式在指令系统上采用面向控制的指令系统内部一般都集成一个全双工的串行接口单片机有很强的外部扩展能力
注意51单片机为80年代intel开发的8051单片机内核的统称就是因为这个8051有个51所以凡事以8051内核一样的单片机都统称为51系列单片机。
单片机的命名规则 51子系列单片机特点
8位CPU片内带有振荡器频率范围为1.2——12MHz片内带有128字节的数据存储器片内带有4K的程序存储器程序存储器的寻址空间为64K字节片外数据存储器的寻址空概念为64K字节128个用户位寻址空间
MCS-51系列单片机
基本组成 内部结构 中央处理器
前言运算部件以算数逻辑单元ALU为核心包含累加器ACC简称A、B寄存器、暂存器、标志寄存器PSW等许多部件他能实现算数运算、逻辑运算、位运算、数据传输等处理。
注意标志寄存器是一位8位寄存器它用于保存指令执行结果的状态以供程序查询和判别。 CPSW.7进位标志位ACPSW.6辅助进位标志位F0PSW.5用户标志位RS1、RS0PSW.4、PSW.3寄存器组选择位OVPSW.2溢出标志位 PPSW.1奇偶标志位若累加器A中1的个数为奇数则P置位若为偶数则P清零 控制部件
理解控制部件是单片机的控制中心它包括定时和控制电路、指令寄存器、指令译码器、程序计数器PC、堆栈和指针SP、数据指针DPTR以及信息传送控制部件等。他先以震荡信号为基准产生CPU时序从ROM中取出指令到指令寄存器然后在指令译码器中对指令进行译码产生指令执行所需的各种控制信号送到单片机内部的各个功能部件指挥各个功能部件产生相应的操作完成对应的功能。
存储器结构
前言MCS-51单片机存储结构与一般微机的存储器结构不同分为程序存储器ROM和数据存储器RAM。程序存储器存放程序、固定常数和数据表格。数据存储器用作工作区和存放数据
程序存储器的6个特殊的地址
复位地址0000H 数据存储器
注意数据存储器从物理结构上分为片内数据存储器和片外数据存储器。
片内数据存储器
片内数据存储器按功能分为以下几个部分
工作寄存器组区00H-1FH单元为工作寄存器组区共32个字节。工作寄存器也称为通用寄存器用于临时寄存8位信息。工作寄存器共4组称为0组、1组、2组、3组每组8个分别依次用R0-R7表示位寻址区20H-2FH为位寻址区共16字节128位。这128位每位都可以按位方式使用每一位都有一个位地址位地址范围为00H-7FH一般RAM区30H-7FH为一般RAM区也称为用户RAM区共80字节对于52子系列一般RAM区从30H-FFH单元。另外对于前两区中未使用的单元也可用为用户RAM单元使用堆栈区与堆栈指针堆栈是按先入后出、后入先出的原则进行管理的一段存储区域。
片外数据存储器
扩展外部数据存储器最多64kb地址范围为0000H-0FFFFH通过数据指针寄存器DPTR作指针间接方式访问对于低端的256字节可用两位十六进制地址编址地址范围为00H-0FFH可通过R0和R1间接方式访问。
输入输出接口
前言MSC-51系列单片机有4个8位的并行IO接口P0、P1、P2和P3口。他们是特殊功能寄存器中的4个。这4个口既可以作输入也可以作输出既可以按8位处理也可以按位方式使用。输出时具有锁存能力输入时具有缓冲功能。
P0口
前言P0口是一个三态双向口可作为地址/数据分时复用口也可作为通用的IO接口。它包括一个输出锁存器、两个三态缓冲器、输出驱动电路和输出控制电路组成
当P0口作通用I/O接口时应注意以下两点
在输出数据时必须外接上拉电阻P0口作为通用I/O口输出使用时在输入数据前应先向P0口写1
P1口
前言P1口是准双向口他只能作通用I/O接口使用。对于52子系列P1.0与P1.1还有第二个功能P1.0可用作定时器/计数器2的计数脉冲输入端T2P1.1可用作定时器/计数器2的外部控制端T2EX
准双向IO口和双向IO口的区别
准双向口准双向口就是做输入用的时候要有向锁存器写1这个准备动作所以叫准双向口真正的双向口不需要任何预操作可直接读入读出
P2口
P2口也是准双向口他有两种用途通用IO接口和高8位地址线。在接有片外存储器或扩展IO口且寻址范围超过256字节时P2口用作高8位地址总线
P3口
P3口除了作为准双向通用IO口使用外他的每一根线还具有第二种功能。P3口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入/输出或第二功能 外部引脚 控制线
ALE/PROG30脚地址锁存信号输出端。ALE在每个机器周期内输入两个脉冲PSEN29脚片外程序存储器读选通信号输出端低电平有效RST/VPD9脚RST即为resetVPD为备用电源。当单片机振荡器工作时该引脚上出现持续两个机器周期的高电平就可以实现复位操作使单片机恢复到初始状态。上电时考虑到振荡器有一定的起振时间该引脚上高电平必须持续10ms以上才能保证有效复位EA/VPP31脚EA为片外程序存储器选用端。该引脚低电平时选用片外程序存储器高电平或悬空时选用片内程序存储器
主电源引脚
VCC40脚 接5v电源正极VSS20脚接5v电源地级
外接晶体引脚
XTAL1、XTAL219、18脚 当使用单片机内部震荡电路时这两个引脚用来外接石英晶体不分正负极和微调电容如图a。当采用外部时钟时对于HMOS单片机对XTAL1引脚接地XTAL2接片外震荡脉冲输入带上拉电阻对于CHMOS单片机XTAL2引脚接地XTAL1接片外震荡脉冲输入带上拉电阻 理解单片机在运行时需要一个步调作为运行基准的通过晶体振荡器输出的方波信号就像指挥方队的口号一样。
片外总线结构
地址总线地址总线宽度为16位寻址范围都为64kb。由P0口径地址锁存器提供低8位A7-A0 P2口提供高8位A15-A8而形成。可对片外程序存储器和片外数据存储器寻址数据总线数据总线宽度为8位由P0口直接提供控制总线控制总线由第二功能状态下的P3口和4根独立的控制线RST、EA、ALE和PSEN组成
单片机的工作方式
复位方式
前言在时钟电路工作以后当外部电路使得RST端出现2个机器周期24个时钟周期以上的高电平系统内部复位。复位有两种方式上电复位和按钮复位 上电复位VCC加电以后电容器充电电容器左板电子流出显正电电容器右板电子流入显负电因而rst处电流方向由右板流入rstrst处表示为高电平按键复位按键后短接上面电容进而使rst处电位处于高电平状态。
注意复位端没有标上划线就代表高电平有效当这个引脚输入5V高电平时就会触发单片机从头执行程序代码
单片机的时序
时钟周期也称振荡周期单片机内部时钟电路产生或外部时钟电路送入的信号周期指令周期计算机取一条指令至执行完该指令需要的时间称为指令周期、机器周期机器周期是单片机的基本操作周期每个机器周期包含S1S2……S6 6个状态每个状态包含2拍P1P2每一拍为一个时钟周期。因此一个机器周期包含12个时钟周期。 注意
时钟周期是单片机时序中的最小单位是时钟频率的倒数。震荡周期震荡一次的时间是多长震荡频率一秒的时间内震荡多少次。机器周期是单片机完成一个操作最短的时间也就是CPU执行语句所需时间的最小单位机器周期的大小将影响CPU执行每条指令的时间长短
