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1、第二章第二章 微型计算机结构微型计算机结构2-12-1 微型计算机功能部件微型计算机功能部件微型计算机功能部件微型计算机功能部件2-22-2 微型计算机结构特点微型计算机结构特点微型计算机结构特点微型计算机结构特点2-32-3 微型计算机软件微型计算机软件微型计算机软件微型计算机软件2-42-4 MCS-51MCS-51单片机结构单片机结构单片机结构单片机结构介绍微型计算机结构和工作原理介绍微型计算机结构和工作原理2-12-1 微型计算机功能部件微型计算机功能部件2-12-1 微型计算机功能部件微型计算机功能部件2-1-12-1-1 中央处理器中央处理器中央处理器中央处理器 CPUCPU1算术
2、逻辑单元算术逻辑单元ALU 运算器的核心部件，执行算术运算、逻辑运算、移位、运算器的核心部件，执行算术运算、逻辑运算、移位、比较等各种数据处理的操作比较等各种数据处理的操作。CPU微型计算机的核心部件微型计算机的核心部件CPU由运算器、控制器组成。由运算器、控制器组成。(一一一一)运算器运算器运算器运算器运算器进行数据分析、计算和处理。运算器进行数据分析、计算和处理。2寄存器组寄存器组1)工作寄存器工作寄存器(通用寄存器通用寄存器)用来暂存用来暂存ALU待处理的数据和中间结果。待处理的数据和中间结果。(一一)运算器运算器2)特殊功能寄存器特殊功能寄存器SFR(专用寄存器专用寄存器)规定了特殊用
3、途的寄存器，其内容会影响计算机的规定了特殊用途的寄存器，其内容会影响计算机的工作方式和过程工作方式和过程。3)累加器累加器(Accumulator)使用最频繁的寄存器，配合使用最频繁的寄存器，配合ALU进行各种数据处理进行各种数据处理。(二二二二)控制器控制器控制器控制器1.1.指令部件：指令部件：读取程序指令、指令译码、修改程序指针读取程序指令、指令译码、修改程序指针。1）程序计数器程序计数器 PC：存放当前指令地址。存放当前指令地址。CPU执行程序时，先按执行程序时，先按PC给出的地址到存储器取一给出的地址到存储器取一条指令，条指令，PC自动加自动加1。CPU执行完一条指令，再到存储执行完
4、一条指令，再到存储器取下一条指令，器取下一条指令，。2)指令寄存器指令寄存器IR：暂存当前指令。暂存当前指令。指令操作码送指令译码器。指令操作码送指令译码器。3)指令译码器指令译码器ID：将每条：将每条指令译码变成控制电平。指令译码变成控制电平。处理程序指令，并协调各逻辑部件按一定时序工作处理程序指令，并协调各逻辑部件按一定时序工作。(二二)控制器控制器CPU执行程序的简要过程：执行程序的简要过程：1)PC给出当前指令的存储地址。给出当前指令的存储地址。2.时序部件时序部件时钟和内部分频电路。时钟信号经过分频，与指时钟和内部分频电路。时钟信号经过分频，与指令译码信号组合，形成一定节拍的时序信号
5、，控制各逻令译码信号组合，形成一定节拍的时序信号，控制各逻辑部件协调工作。辑部件协调工作。PC=程序存储器程序存储器地址地址 程序代码程序代码0000H 指令代码指令代码1 0001H 指令代码指令代码2 0002H 指令代码指令代码3 N 指令代码指令代码n PC=PC=2)CPU到存储器取指令，到存储器取指令，PC自动加自动加13)指令译码器对指令译码，指令译码器对指令译码，CPU执行指令。执行指令。4)CPU到存储器取指令，到存储器取指令，PC=PC+1。5)CPU执行下一条指令执行下一条指令，指令代码 i 指令代码 i指令寄存器指令寄存器2-1-22-1-2 存储器与读写操作存储器与读
6、写操作位位 b(bit)：一个二进制位，信息最小单位。一个二进制位，信息最小单位。字节字节 B(Byte)：8位为一个字节。位为一个字节。(一一一一)存储器基本信息单位存储器基本信息单位存储器基本信息单位存储器基本信息单位(二二)存储器结构存储器结构存储器功能存储器功能：存放程序和数据等信息。：存放程序和数据等信息。存储内容存储内容：程序或数据的二进制代码。：程序或数据的二进制代码。存储地址存储地址：存储器每个单元的位置编号：存储器每个单元的位置编号存储器容量存储器容量：指存储单元的多少。：指存储单元的多少。如存储器容量为如存储器容量为1KB=10248位。位。1KB存储器存储器地址地址 存储
7、内容存储内容 0 10011010 1 011010111023 10100111(三三三三)存储器读写操作存储器读写操作存储器读写操作存储器读写操作存储器存储器读读：CPU从存储器中取出信息。从存储器中取出信息。存储器存储器写写：CPU将信息存入存储器将信息存入存储器。1KB存储器存储器地址地址 存储内容存储内容 0 10011010 1 011010111023 10100111 CPU 地址内容读写控制存储器的存储器的读写操作读写操作：2.2.发出读写控制时序信发出读写控制时序信号，对选定单元进行号，对选定单元进行读或写读或写。1 1.CPUCPU先送出一个确定的单元地址给存储器先送出一
8、个确定的单元地址给存储器(四四四四)半导体存储器半导体存储器半导体存储器半导体存储器RAM：随机读写存储器。随机读写存储器。能能方方便便读读出出和和改改写写信信息息，但但失失电电后后信信息息将将不不复复存存在在。RAM常常用用作作数数据据存存储储器器，暂暂存存各各种种现现场场数数据据、运运算结果和正在调试的程序算结果和正在调试的程序。ROMROM：只读存储器。只读存储器。只读存储器。只读存储器。工作时从工作时从工作时从工作时从ROMROM中读出信息，不能随意改写。断电中读出信息，不能随意改写。断电中读出信息，不能随意改写。断电中读出信息，不能随意改写。断电后信息不会丢失。后信息不会丢失。后信息
9、不会丢失。后信息不会丢失。ROMROM常用作程序存储器，存放已调常用作程序存储器，存放已调常用作程序存储器，存放已调常用作程序存储器，存放已调试好的固定程序和常数试好的固定程序和常数试好的固定程序和常数试好的固定程序和常数。程序存储器：程序存储器：存放程序指令代码。存放程序指令代码。每个指令周期每个指令周期CPUCPU自动对程序存储器读操作自动对程序存储器读操作。数据存储器：数据存储器：存放待处理数据。存放待处理数据。数据存储器读写操作发生在数据存储器读写操作发生在CPU执行程序的过程中执行程序的过程中。2-1-3 I/O接口接口I/O接接口口是是联联系系微微型型计计算算机机与与外外部部设设备
10、备的的桥桥梁梁。每每一台外部设备必须通过一台外部设备必须通过I/O接口与计算机连接接口与计算机连接。微型计算机有多种功能微型计算机有多种功能I/O接口：接口：PIO：并行并行 I/O接口。接口。SIO：串行串行 I/O接口。接口。CTC：定时计数器。定时计数器。ADC、DAC：A/D、D/A转换器。转换器。INT：中断输入口中断输入口。2-2 2-2 微型计算机结构特点微型计算机结构特点微微型型计计算算机机由由大大规规模模集集成成电电路路组组成成，微微型型机机应应用用系系统统一般也采用特定功能的大规模集成电路器件和组件。一般也采用特定功能的大规模集成电路器件和组件。总总线线(Bus)：微微型型
11、计计算算机机各各功功能能部部件件的的连连接接线线，各各功功能能部部件之间的公共信息通道。件之间的公共信息通道。总线宽度总线宽度：总线上能并行传送的二进制位数。：总线上能并行传送的二进制位数。内内部部总总线线：CPU或或单单片片机机芯芯片片内内部部各各逻逻辑辑部部件件之之间间的的信信息传输线。通常为单总线结构。息传输线。通常为单总线结构。外外部部总总线线：指指微微型型机机各各功功能能芯芯片片之之间间的的信信息息传传输输线线。CPU或单片机芯片应用系统的主要外部引线。或单片机芯片应用系统的主要外部引线。系系统统总总线线：微微机机系系统统各各逻逻辑辑功功能能板板卡卡之之间间的的信信息息传传输输线线。
12、通常为统一标准总线。通常为统一标准总线。2-2 微型计算机的结构特点微型计算机的结构特点2-2-12-2-1 微型机的总线结构微型机的总线结构微型机的总线结构微型机的总线结构微型计算机总线的主要信号线：微型计算机总线的主要信号线：微型计算机总线的主要信号线：微型计算机总线的主要信号线：(二)数据总线数据总线 DB双向三态。传送程序和数据的二进制代码。双向三态。传送程序和数据的二进制代码。数据总线宽度一般与微型机的字长相同数据总线宽度一般与微型机的字长相同。(三三)控制总线控制总线CB单单向向三三态态。传传送送各各种种控控制制脉脉冲冲、联联络络、状状态态电电平平等等信信号，号，使存储器、使存储器
13、、I/OI/O接口等部件协调工作。接口等部件协调工作。控控制制总总线线的的根根数数根根据据微微型型计计算算机机控控制制功功能能的的需需要要而而定定。T(一)地址总线地址总线 AB单向三态。传送存储器和单向三态。传送存储器和 I/O接口的地址信息。接口的地址信息。地址总线宽度决定计算机寻址空间地址总线宽度决定计算机寻址空间(最大寻址最大寻址)。1KB存储器地址 存储内容 0 10011010 1 011010111023 10100111 CPU 地址内容读写控制MCS-51有有16根地址总线，寻址空间根地址总线，寻址空间216=64K=655362-2-22-2-2 单片机的结构特点单片机的结
14、构特点单片机的结构特点单片机的结构特点2-2-32-2-3 单片机系统结构性能单片机系统结构性能单片机系统结构性能单片机系统结构性能(一一)高可靠性、高抗干扰能力高可靠性、高抗干扰能力(二二)配置灵活配置灵活(三三)丰富的位处理功能丰富的位处理功能(四四)功能齐全功能齐全(五五)系统设计简便系统设计简便一块芯片集成了一块芯片集成了CPU、存储器和存储器和I/O接口等功能部件。接口等功能部件。内内部部总总线线为为单单总总线线结结构构，地地址址、数数据据和和控控制制三三种种信信息息分时占用内部总线。分时占用内部总线。外部总线用于连接片外扩展存储器和外部总线用于连接片外扩展存储器和I/O接口芯片。接
15、口芯片。单片机的芯片引脚为多功能引脚，以节省芯片引脚。单片机的芯片引脚为多功能引脚，以节省芯片引脚。2-3 2-3 微型计算机软件微型计算机软件（二）汇编语言汇编语言 与与机机器器语语言言指指令令一一一一对对应应的的英英文文单单词词缩缩写写，称称为为指指令令助助记记符符。汇编语言编写的程序称为汇编语言程序。汇编语言编写的程序称为汇编语言程序。如：如：MCS-51两个寄存器相加汇编语言指令：两个寄存器相加汇编语言指令：ADD AADD A，R0R0（三）高级语言高级语言语语句句和和语语法法接接近近人人们们习习惯惯的的表表达达方方式式。高高级级语语言言编编写写的的程程序序称称为高级语言源程序为高级
16、语言源程序。如：C语言、VC、VB、JAVA语言等。（一）机器语言机器语言指指令令的的二二进进制制代代码码，又又称称指指令令代代码码。机机器器语语言言指指令令组组成成的的程程序称目标程序。序称目标程序。如：如：MCS-51两个寄存器相加的机器语言指令两个寄存器相加的机器语言指令 0010100000101000 2-3-1 2-3-1 计算机语言计算机语言计算机语言计算机语言不同计算机语言的应用不同计算机语言的应用不同计算机语言的应用不同计算机语言的应用源程序通过编译得到机器能执行的目标程序源程序通过编译得到机器能执行的目标程序。汇汇编编语语言言程程序序可可以以高高效效率率利利用用计计算算机机
17、资资源源，目目标标程程序序占占用用内内存存少少，执执行行速速度度快快，适适合合于于自自动动测测控控系系统统反反应应快快速速、结结构构紧紧凑凑的的要要求求。实实际际应应用用中中，常常与与C语语言言配配合合使用。使用。高高级级语语言言程程序序容容易易掌掌握握，通通用用性性好好，但但编编译译程程序序系系统统开开销销大大，目目标标程程序序占占用用内内存存多多，且且执执行行时时间间比比较较长长，多用于科学计算、工业设计、企业管理多用于科学计算、工业设计、企业管理。源程序目标程序编译程序 2-4 2-4 MCS-51单片机硬件结构单片机硬件结构 硬件配置硬件配置基本配置：基本配置：1.8位位CPU2.片内
18、片内ROM/EPROM、RAM3.片内并行片内并行 I/O接口接口4.片内片内16位定时器位定时器/计数器计数器5.片内中断处理系统片内中断处理系统6.片内全双工串行片内全双工串行I/O口口MCS-51系列基本产品型号：系列基本产品型号：8051、8031、8751称为称为 51子系列。子系列。不不同同型型号号MCS-51单单片片机机CPU处处理理能能力力和和指指令令系系统统完完全全兼容，只是存储器和兼容，只是存储器和I/O接口的配置有所不同接口的配置有所不同。2-4-12-4-1 MCS-51MCS-51总体结构总体结构总体结构总体结构MCS-51单片机内部结构单片机内部结构2-4-22-4
19、-2 MCS-51 CPU(一一一一)CPU内部结构内部结构1算术逻辑运算单元算术逻辑运算单元ALU(8位位)+、算术运算，与、或、非、异或算术运算，与、或、非、异或 逻辑运算、逻辑运算、循环移位、位处理。循环移位、位处理。2寄存器阵列寄存器阵列(1)工作寄存器工作寄存器R0R7(8位位)暂存运算数据和中间结果。暂存运算数据和中间结果。4个工作寄存器区，工作寄存器个工作寄存器区，工作寄存器0区区3区。每个区均含区。每个区均含8个寄存器个寄存器R0R7。用用PSW中的两位中的两位PSW.4和和PSW.3来切换工作寄存器区，来切换工作寄存器区，选用一个工作寄存器区进行读写操作选用一个工作寄存器区进
20、行读写操作。(3)寄存器寄存器B(8位位)与与A累加器配合执行乘、除运算。也可用作通用寄存器。累加器配合执行乘、除运算。也可用作通用寄存器。(4)程序状态字程序状态字PSW(8位位)存放存放ALU运算过程的标志状态运算过程的标志状态Cy AC F0 RS1 RS0 OV P(5)数据指针数据指针DPTR(16位位)存放片外存储器地址，作为片外存储器的指针。可分成存放片外存储器地址，作为片外存储器的指针。可分成两个两个8位寄存器位寄存器DPH、DPL使用使用。(2)累加器累加器Acc(8位位)需要需要ALU处理的数据和计算结果多数要经过处理的数据和计算结果多数要经过A累加器累加器。2寄存器阵列寄
21、存器阵列(6)(6)堆栈指针堆栈指针堆栈指针堆栈指针SPSP(8(8位位位位)(7)程序计数器程序计数器PC(16位位)CPU总是按总是按PC的指示读取程序。的指示读取程序。PC可自动加可自动加1。因此。因此CPU执行程序一般是顺序方式。当发生转移、子程序调执行程序一般是顺序方式。当发生转移、子程序调用、中断和复位等操作，用、中断和复位等操作，PC被强制改写，程序执行顺序被强制改写，程序执行顺序也发生改变。也发生改变。复位时，复位时，PC=0000H。堆栈是按堆栈是按“先进后出先进后出”原则存取数据的存储区。原则存取数据的存储区。MCS-51堆栈设在片内堆栈设在片内RAM区。数据入栈区。数据入
22、栈/出栈时，出栈时，SP自动加自动加1/减减 1，其内容始终为栈顶地址。，其内容始终为栈顶地址。复位时复位时 SP=07H。MCS-51的寄存器在片内的寄存器在片内RAM都有映像地址。使用时，都有映像地址。使用时，既可用寄存器名，也可用对应单元地址。既可用寄存器名，也可用对应单元地址。(二二)MCS-51时钟及时序时钟及时序时钟频率时钟频率MHz12MHz之间。之间。1内部时钟方式内部时钟方式：内部一个高增益反相放大器与片：内部一个高增益反相放大器与片外石英晶体或陶瓷谐振器构成了一个自激振荡器。外石英晶体或陶瓷谐振器构成了一个自激振荡器。晶体振荡器的振荡频率决定单片机的时钟频率。晶体振荡器的振
23、荡频率决定单片机的时钟频率。思考题：思考题：设应用单片机晶振频率为设应用单片机晶振频率为12MHz，问机器周期为多少？指令周期又为多少问机器周期为多少？指令周期又为多少？机器周期机器周期：完成一个基本操作所需要的时间。：完成一个基本操作所需要的时间。一个机器周期由一个机器周期由12个时钟周期组成。个时钟周期组成。指令周期指令周期：一条指令的执行时间。：一条指令的执行时间。以机器周期为单位：以机器周期为单位：单周期单周期、双周期双周期和和四周期四周期指令。指令。XTAL1 单片机 XTAL2 2外部时钟方式：外部振荡器输入时钟信号。外部时钟方式：外部振荡器输入时钟信号。T2-4-3T2-4-3
24、MCS-51单片机引脚单片机引脚1I/O口线功能口线功能4个个8位并行位并行 I/O 接口引脚接口引脚 PP、P1.0P、P2.0P和和 P3.0P2控制线控制线ALE：地址锁存允许信号端地址锁存允许信号端PSEN：外部程序存储器读选外部程序存储器读选通信号端通信号端EA/VPP：程序存储器选择信程序存储器选择信号端和编程电源输入端号端和编程电源输入端为多功能引脚，可自动切换为多功能引脚，可自动切换用作数据总线、地址总线、控用作数据总线、地址总线、控制总线和或制总线和或I/O 接口外部引脚。接口外部引脚。2 2控制线控制线控制线控制线RST/VPD：复位信号端和后备电源输入端。复位信号端和后备
25、电源输入端。输入输入10ms以上高电平脉冲，单片机复位。以上高电平脉冲，单片机复位。VPD使用后备电源，可实现掉电保护使用后备电源，可实现掉电保护。3.电源及时钟引线电源及时钟引线工作电源：工作电源：VCC、VSS、时钟输入：时钟输入：XTAL1、XTAL2。复位电路：复位电路：1）上电复位上电复位 2）外部信号复位）外部信号复位单片机RSTK+5V2001K30F2-4-42-4-4 MCS-51存储器配置存储器配置普普林林斯斯顿顿结结构构：程程序序和和数数据据共共用用一个存储器逻辑空间，统一编址。一个存储器逻辑空间，统一编址。哈哈佛佛结结构构：程程序序与与数数据据分分为为两两个个独立存储器
26、逻辑空间，分开编址独立存储器逻辑空间，分开编址。物理上物理上4个存储器地址空间：个存储器地址空间：片内片内/片外程序存储器空间片外程序存储器空间片内片内/片外数据存储器空间片外数据存储器空间逻辑上逻辑上3个存储器地址空间个存储器地址空间：64KB 程序存储器程序存储器256B 片内数据存储器片内数据存储器64KB 片外数据存储器片外数据存储器2-4-42-4-4 MCS-51存储器配置存储器配置 (一)程序存储器程序存储器6464KB KB 程序存储器空间程序存储器空间EAEA不同电平，选择片不同电平，选择片内或片外低位存储单元内或片外低位存储单元 (二)数据存储器数据存储器164KB片外数据
27、存储器空间片外数据存储器空间(与扩展与扩展I/O接口共用接口共用)2.256B片内数据存储器片内数据存储器:1)片内片内RAMRAM 2)特殊功能寄存器特殊功能寄存器 SFR 特殊存储单元：特殊存储单元：复位入口复位入口:0000H中断入口中断入口:0003H0023H(二二)数据存储器数据存储器2.256B片内数据存储器片内数据存储器1)片内片内RAM工作寄存器区：工作寄存器区：字节地址：字节地址：00H1FH位寻址区：位寻址区：字节地址：字节地址：20H2FH位地址为：位地址为：00H7FH数据缓冲区数据缓冲区/堆栈区：堆栈区：字节地址：字节地址：00H7FH一般使用一般使用30H7FHT(二二)数据存储器数据存储器2.256B数据存储器空间数据存储器空间2)特殊功能寄存器特殊功能寄存器SFR占用字节地址：占用字节地址：80HFFH位寻址寄存器：位寻址寄存器：其字节地址可被其字节地址可被8整除。整除。专用寄存器：专用寄存器：A、B、PSW、DPTR、SPI/O接口寄存器：接口寄存器：P0、P1、P2、P3、SBUF、TMOD、TCON、SCON