【大學(xué)課件】解剖單片機(jī)

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1、 1 第7章 解剖單片機(jī)AT89S51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 2 第7章 解剖單片機(jī)7.1 單片機(jī)的功耗7.1.1 運(yùn)行功耗 3 在時(shí)鐘頻率較高時(shí)，如表中的4.0MHz，單片機(jī)運(yùn)算速度較快，相應(yīng)的1.25mA工作電流比在時(shí)鐘頻率為1.0MHz時(shí)的550A工作電流要高。12MHz下的運(yùn)行功耗達(dá)25mA。 第7章 解剖單片機(jī)7.1.2 I/O口驅(qū)動(dòng)功耗 4 I/O口都會(huì)使能驅(qū)動(dòng)電路去控制功率較大的外設(shè)，如蜂鳴器、電機(jī)等。根據(jù)AT89S51單片機(jī)的技術(shù)手冊，其I/O口的輸出電流不能超過15mA。所以在談I/O口驅(qū)動(dòng)功耗時(shí)，我們更多關(guān)注的是外設(shè)通過驅(qū)動(dòng)電路所消耗的功率。 第7章 解剖單片機(jī)7.2 單片機(jī)內(nèi)部

2、結(jié)構(gòu)7.2.1從I/O口到內(nèi)部結(jié)構(gòu) 5比較一下圖（a）和（b），前者顯示出4根數(shù)據(jù)線：讀鎖存器、內(nèi)部總線、寫鎖存器、讀管腳。這4根數(shù)據(jù)線與單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的總線相連。而后者則用一個(gè)雙向箭頭（ ）來表示這4根數(shù)據(jù)線，說明鎖存器與總線之間的關(guān)系。 第7章 解剖單片機(jī)7.2.1從I/O口到內(nèi)部結(jié)構(gòu) 6 可把整個(gè)P1口都抽象出一個(gè)結(jié)構(gòu)框圖，如圖示，其中把8位I/O口的獨(dú)立結(jié)構(gòu)抽象到了P1口鎖存器和P1口驅(qū)動(dòng)兩個(gè)方框中，這與圖7-1所示的P0、P1、P2、P3口結(jié)構(gòu)是一致的。由于I/O口都是雙向的，所有的數(shù)據(jù)線都使用雙向箭頭。 第7章 解剖單片機(jī)7.2.2數(shù)據(jù)在內(nèi)部交換 7 舉例：RAM是單片機(jī)的隨機(jī)訪

3、問存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)。假設(shè)RAM中地址30H上存儲(chǔ)了數(shù)據(jù)“3CH”，現(xiàn)在單片機(jī)執(zhí)行指令“MOV A,30H”，之后，RAM中地址30H上的數(shù)據(jù)3CH“跑”到總線上，而累加器A根據(jù)指令要求，從總線上接收這個(gè)數(shù)據(jù)，執(zhí)行完畢后，A=3CH。 第7章 解剖單片機(jī)7.2.3算術(shù)邏輯單元（ALU） 8 ALU為“進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的處理單元”。它能進(jìn)行加、減法等算術(shù)運(yùn)算，也能做與、或、異或等邏輯運(yùn)算。ALU就是單片機(jī)的“CPU”，ALU的輸入端A和B，它們的數(shù)據(jù)都來自總線，經(jīng)過ALU運(yùn)算后，結(jié)果通過R又輸出到總線上。在運(yùn)算過程中，ALU通過輸出D向程序狀態(tài)字PSW輸出狀態(tài)，PSW會(huì)隨著A

4、LU的運(yùn)算發(fā)生相應(yīng)的變化。如執(zhí)行加法指令A(yù)DD時(shí)，當(dāng)最高位有進(jìn)位時(shí)，PSW的進(jìn)位標(biāo)志C就被置1，這都?xì)w功于ALU通過D向PSW的C位輸出高電平。 第7章 解剖單片機(jī)7.3 單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器7.3.1整體結(jié)構(gòu) 9 第7章 解剖單片機(jī)7.3.2程序下載到哪里？ 10 以.HEX為后綴的執(zhí)行代碼文件可通過下載線下載到單片機(jī)中（4.4節(jié)）。如果用記事本打開執(zhí)行代碼文件會(huì)得到一串十六進(jìn)制數(shù)，其中包含了每條指令的執(zhí)行代碼。比如指令“MOV A,#88H”執(zhí)行代碼為“74”、“88”，其他指令都可從附錄C中找到相應(yīng)的執(zhí)行代碼。執(zhí)行代碼通過下載線下載到了單片機(jī)的片內(nèi)ROM中。因?yàn)槠瑑?nèi)ROM中下載的是程序，所

5、以也稱這個(gè)片內(nèi)ROM為片內(nèi)程序存儲(chǔ)器。 第7章 解剖單片機(jī)7.3.3片內(nèi)程序存儲(chǔ)器 11AT89S51單片機(jī)的片內(nèi)程序存儲(chǔ)器容量為4K bytes，即41024=4096 bytes。 這4096 bytes片內(nèi)程序存儲(chǔ)器可用地址0000H0FFFH來指向。在我們通過下載線往單片機(jī)下載程序時(shí)，執(zhí)行代碼將從0000H開始，被依次存儲(chǔ)到單片機(jī)中。如圖示的執(zhí)行代碼，存儲(chǔ)到0000H里的是74H，即“0111 0100”；0001H里的是88H，即“1000 1000”。按照這種方法直到程序全部下載完畢，根據(jù)程序的長短不同，程序存儲(chǔ)器被占用的空間多少也就不同。 第7章 解剖單片機(jī)7.3.4程序計(jì)數(shù)器P

6、C 12程序計(jì)數(shù)器PC，它用于指示單片機(jī)下一條將要執(zhí)行的代碼的地址。當(dāng)單片機(jī)上電復(fù)位時(shí)，PC=0000H，即指向程序存儲(chǔ)器中的0000H，單片機(jī)就把0000H上的代碼取出執(zhí)行。之后PC自動(dòng)增加1，變成0001H，如圖示，接著單片機(jī)就執(zhí)行0001H地址上的代碼。 第7章 解剖單片機(jī)7.3.4程序計(jì)數(shù)器PC 13 由于程序計(jì)數(shù)器PC是個(gè)兩個(gè)字節(jié)（16位）的寄存器，于是受PC的制約，AT89S51單片機(jī)最大的尋址范圍是0000HFFFFH，共64K bytes。也就是說，除了AT89S51單片機(jī)片內(nèi)的4K bytes程序存儲(chǔ)器（地址0000H0FFFH）外，單片機(jī)能尋址的外部擴(kuò)展的程序存儲(chǔ)器空間最大

7、為64 K bytes -4 K bytes =60K bytes，即地址1000HFFFFH。 第7章 解剖單片機(jī)7.3.5是片內(nèi)還是片外程序存儲(chǔ)器? 14 當(dāng) 接高電平時(shí)，單片機(jī)復(fù)位時(shí)讀取片內(nèi)程序存儲(chǔ)器中的程序，即從PC=0000H開始，依次讀取0000H0FFFH上的程序。當(dāng)PC增加到0FFFH時(shí)，PC再增加1等于1000H，單片機(jī)將自動(dòng)轉(zhuǎn)到片外程序存儲(chǔ)器上執(zhí)行其中的程序。而當(dāng) 接低電平時(shí)，單片機(jī)則完全讀取片外程序存儲(chǔ)器中的程序，即從片外程序存儲(chǔ)器中的0000H開始，依次讀取程序來執(zhí)行。由于受到程序計(jì)數(shù)器PC的位數(shù)限制，讀取片內(nèi)或片外程序存儲(chǔ)器的最大地址范圍為0000HFFFFH。EA/

8、VPPEA/VPP 第7章 解剖單片機(jī)7.4 單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器7.4.1片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 15 單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器也有片內(nèi)和片外之分。片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器就是單片機(jī)中原有的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，即片內(nèi)RAM。片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可分成三個(gè)部分：工作寄存器區(qū)、位尋址區(qū)、開放區(qū)。這三個(gè)區(qū)都可用來保存單片機(jī)運(yùn)行過程所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。但片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是一個(gè)RAM，即隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器，在掉電后其中的數(shù)據(jù)將會(huì)丟失。 第7章 解剖單片機(jī)7.4.1片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 16 單片機(jī)的1288-bit的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器只有其中的20H7FH共96個(gè)字節(jié)（開放區(qū)+位尋址區(qū)）給我們使用的，而00H1FH則是工作寄存器區(qū)，一般通過工作寄存器R0R7來使

9、用。AT89S51單片機(jī)最大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（片內(nèi)片外）尋址范圍也為0000HFFFFH，共64K bytes的空間。 第7章 解剖單片機(jī)7.4.2工作寄存器區(qū)（00H 1FH） 17 工作寄存器共有8個(gè)，分別為R0、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7，前面有許多程序已經(jīng)涉及工作寄存器。這8個(gè)工作寄存器可以用來裝載1個(gè)字節(jié)長度的數(shù)據(jù)，在程序中可視為一個(gè)變量來使用，常常用來作為計(jì)數(shù)值、顯示值等。指令“MOV R0,#24H”，把立即數(shù)24H裝載到工作寄存器R0中。 第7章 解剖單片機(jī)7.4.2工作寄存器區(qū)（00H 1FH） 18 工作寄存器R0R7指向片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的地址，當(dāng)單片機(jī)上電復(fù)位時(shí)

10、，R0R7映射片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的00H07H，即第0組。執(zhí)行指令“MOV R0,#24H” ，立即數(shù)24H裝載到R0，實(shí)際上被裝載到00H地址空間上。執(zhí)行“MOV R5,#3FH”，那R5映射的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器05H地址上即被裝載3FH。 第7章 解剖單片機(jī)7.4.2工作寄存器區(qū)（00H 1FH） 19工作寄存器R0R7除了映射片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址00H07H外，還可以映射向其余的地址08H1FH。工作寄存器可用不同組別來稱呼。 第7章 解剖單片機(jī)7.4.2工作寄存器區(qū)（00H 1FH） 20AT89551單片機(jī)上電復(fù)位時(shí)工作寄存器默認(rèn)的組別是第0組，即R0R7映射00H07H。如果想改變當(dāng)前程序

11、使用的工作寄存器組別，可以通過更改程序狀態(tài)字PSW中的第3位（RS0）和第4位（RS1）。 第7章 解剖單片機(jī)7.4.3位尋址區(qū)（20H2FH） 21 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的20H2FH（共16個(gè)字節(jié)）為位尋址區(qū)，這16個(gè)字節(jié)共有168=128位的空間可進(jìn)行位尋址。位尋址的意思是可對某一位單獨(dú)進(jìn)行操作，比如指令SETB可讓位尋址區(qū)的任何一位置1，指令CLR可清0位尋址區(qū)的任何一位。 第7章 解剖單片機(jī)7.4.3位尋址區(qū)（20H2FH） 22 在使用位尋址區(qū)時(shí)，并不是直接操作20H2FH這16個(gè)地址，而是用圖示的映射地址來完成。假如程序中需要把20H上的B0位清0，就需要操作20H上的B0位所映射的地

12、址00H，于是指令可設(shè)計(jì)為：“CLR 00H”。再如想把2AH上的B4位置1，指令則為“SETB 54H”。 第7章 解剖單片機(jī)7.4.4開放區(qū)（30H7FH） 23片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址30H7FH是開放給用戶使用的空間，用戶可以在這段空間里存儲(chǔ)單片機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，也可以讀取存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)到工作寄存器、累加器等中。例如以下指令實(shí)現(xiàn)將累加器A的數(shù)據(jù)載入33H上，執(zhí)行過后（33H）=8FH。 第7章 解剖單片機(jī)7.5 單片機(jī)的特殊功能寄存器7.5.1特殊功能寄存器分布圖 24 AT89S51單片機(jī)共有26個(gè)特殊功能寄存器，位于地址80H0FFH上。其中有前面使用過的累加器A、程序狀態(tài)字PSW、P0

13、P3口等。 第7章 解剖單片機(jī)7.5.2特殊功能寄存器的功能 25 AT89S51單片機(jī)多個(gè)內(nèi)部功能模塊如中斷控制、Timer0/1、串行口等都由特殊功能寄存器控制。每個(gè)特殊功能寄存器的長度都是1個(gè)字節(jié)，它們的詳細(xì)介紹將在隨后的章節(jié)中詳細(xì)展開。 第7章 解剖單片機(jī)7.5.3特殊功能寄存器的字節(jié)操作 26 操作特殊功能寄存器寄存器的過程，實(shí)際就是控制單片機(jī)充分發(fā)揮自身功能的過程。例如指令“MOV P1,#00H”，這條指令把立即數(shù)00H從P1口送出去。P1也是特殊功能寄存器的一份子，它的地址為90H。所以指令“MOV P1,#00H”就是對特殊功能寄存器的操作，會(huì)讓特殊功能寄存器區(qū)的（90H）=

14、00H。以上這種操作我們稱為字節(jié)操作，因?yàn)樵趫?zhí)行“MOV P1,#00H”時(shí)，P1就像一個(gè)符號(hào)，實(shí)際上立即數(shù)是送到P1對應(yīng)的特殊功能寄存器地址空間上，也就是90H。所以，這和我們往片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的開放區(qū)某一個(gè)地址裝載1個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)的過程是一樣的。 第7章 解剖單片機(jī)7.5.4特殊功能寄存器的位操作 27 某些特殊功能寄存器還支持位操作，比較常用的是置1指令“SETB”和清0指令“CLR”。例如指令“CLR P2.0”將P2.0清0。執(zhí)行這條指令后，只有P2.0 =0，之相連的發(fā)光二極管點(diǎn)亮。而P2.1P2.7仍然保持原來的狀態(tài)。支持位操作的特殊功能寄存器：P0（P0口鎖存器） P1（P1口鎖存

15、器）P2（P2口鎖存器）P3（P3口鎖存器）ACC（累加器）B（B寄存器）PSW（程序狀態(tài)字寄存器）TCON（定時(shí)/計(jì)數(shù)器控制寄存器）SCON（串行口控制寄存器）IE（中斷使能寄存器）IP（中斷優(yōu)先控制寄存器） 第7章 解剖單片機(jī)7.6 應(yīng)用體驗(yàn)用取表方式實(shí)現(xiàn)流水燈7.6.1 取表法 28 要實(shí)現(xiàn)流水燈需要在P2口按圖示依次輸出每一行數(shù)據(jù)，如果用十六進(jìn)制表示每一行數(shù)據(jù)為：FEH、FDH、FBH、F7H、EFH、DFH、BFH、7FH。取表法的思路就是把這些數(shù)據(jù)預(yù)先放在一個(gè)數(shù)據(jù)表中，作為程序的一部分。單片機(jī)執(zhí)行時(shí)每次取一個(gè)數(shù)據(jù)從P2口送出，延時(shí)后再取下一個(gè)數(shù)據(jù)送出，這樣就可以從發(fā)光二極管上看到流

16、水燈的效果了。 第7章 解剖單片機(jī)7.6.1 取表法 29 第7章 解剖單片機(jī)7.6.1 取表法 30 第7章 解剖單片機(jī)7.6.3 體驗(yàn)流水燈 31 第7章 解剖單片機(jī)7.7 實(shí)例解讀直接驅(qū)動(dòng)七段數(shù)碼管7.7.1 需求分析7.7.2 電路設(shè)計(jì) 32單片機(jī)直接驅(qū)動(dòng)七段數(shù)碼管以200ms為間隔，依次顯示0、1、2、3、4、5、6、7、8、9這10個(gè)數(shù)字。 第7章 解剖單片機(jī)7.7.3 軟件設(shè)計(jì) 33 根據(jù)表的亮段組合與顯示數(shù)字的關(guān)系，可得到對應(yīng)I/O口狀態(tài)與顯示數(shù)字的關(guān)系，比如要顯示“5”，顯示數(shù)據(jù)為12H。 第7章 解剖單片機(jī)7.7.3 軟件設(shè)計(jì) 34 第7章 解剖單片機(jī)7.7.3 軟件設(shè)計(jì) 35