第五章、CPU单元设计

nullnull 第五章 CPU单元设计学习指南学习指南 51系列单片机是8位单片机中应用范围最为广泛的一类单片机。近几年来，许多单片机开发厂商也推出了许多基于51单片机内核的扩展型单片机。 本章将简要介绍一些主流厂商的51系列单片机；然后重点介绍ATMEL公司推出的89S51单片机，并讨论89S51的最小系统设计问题。 本章主要内容本章主要内容 51系列单片机简介及选型指南：主要介绍主流的51系列单片机。 89S51单片机内部结构：主要介绍ATMEL公司的89S51单片机，包括其内部结构和外围引脚等。 89S51最小系统设计。 null5.1.1 INTEL公司 5.1 51系列单片机简介及选型指南 INTEL公司是51系列单片机的“开山鼻祖”，除了最早推出的8031单片机以外，INTEL公司还推出了8051，8751等型号的单片机。 其中，8751单片机有4K~32K的ROM、256 Bytes的 RAM，具有多种封装结构，其他公司也有许多相对应型号的单片机。 null5.1.2 ATMEL公司 ATMEL公司是世界上最大的51系列单片机生产厂商之一，其推出的89系列Flash单片机应用非常广泛。同时，该公司还推出了许多基于各种用途，包含各种接口的系列单片机，如用于MP3开发的89C51SND1系列等。 AT89C51（AT89S51）：该型号单片机是现在最常使用的单片机之一。其最高工作频率是24MHz，并具有多种封装形式给用户选择。 主要资源：主要资源：4K FlashRom.具有3级程序保护； 128字节Ram； 32个I/O口； 2个16位计数器/定时器。 现在AT89C51已经停产，其替代型号是AT89S51。AT89S51在引脚和内部资源上面和AT89C51完全一样，与AT89C51不同的是，AT89S51中加入了在线可编程（ISP）功能，并且通过ATMEL公司的ISP下载软件就可以对单片机中的FlashRom进行编程。AT89S51将在后面的章节中详细介绍。 机中的FlashRom进行编程。AT89S51将在后面的章节中详细介绍。 5.1.3 PHILIPS公司 PHILIPS公司推出了许多增强型的单片机产品。其产品以低功耗、高集成度和高稳定性而著称，其价格相对于其他公司的产品来说也较高。 PHILIPS公司的51系列单片机产品主要有8051系列和51LPC系列。 Philips 8位8051系列单片机提供完整的产品类型，包括Flash、OTP（一次性编程）、ROM和无ROM器件。由于为实时应用而设计，null 这些80C51器件可以广泛应用于从消费类产品、计算机外设到自动化系统的各种领域，如图5-2所示。 51LPC系列单片机是PHILIPS公司推出的与80C51系列单片机相兼容、低功耗、小引脚、低价格的高速单片机。最新推出的是LPC900系列。其指令周期为2~4个时钟周期，速度为标准80C51器件的6倍。它在28脚TSSOP和HVQFN封装当中集成了多种通信端口和系统监控功能，这样减少了外围元件的数量和电路板面积，并降低了系统成本。P89LPC932设计用于要求低电压、高集成度、高性能和低成本的应用领域。 5.1.4 Winbond公司 5.1.4 Winbond公司 Winbond公司推出的与51系列单片机相兼容的系列——W77和W78系列单片机，他们的引脚和指令集都与51系列相同，他们的最大特色是：每个指令周期只要4个时钟周期，因此速度相对于一般的51单片机快了3倍。部分型号中集成了看门狗电路和LCD驱动电路等。 5.1.5 CYPRESS公司5.1.5 CYPRESS公司 CYPRESS近几年推出了许多高集成度、增强型的51系列单片机。如基于51内核的SOC单片机C8051F系列等。 5.2 AT89S51单片机内部结构 5.2 AT89S51单片机内部结构 AT89S51是ATMEL公司推出的带有ISP功能的8位单片机，它替代了原有的AT89C51单片机。该单片机的主要性能如下： 完全兼容51系列； 4KflashRom，并且可以在线编程； 工作电压：4~5.5V； 工作频率：0~22MHz； 128Bit Ram； null32个I/O口； 2个16位定时/记数器； 具有6个中断源； 全双工UART； 看门狗定时器； 双数据指针； 具有多种封装方式。 AT89S51的内部结构如图5-7所示 AT89S51的内部结构如图5-7所示 5.2.2 中央处理器 5.2.2 中央处理器 从AT89S51的结构图中可以看出，AT89S51的中央处理器是由一个8位的运算器、控制逻辑以及若干寄存器等组成的，并且通过内部总线与其他功能部分相联结。 ALU和运算寄存器组成运算部分，ALU从TMP1、TMP2中取得操作数，运算后再送到运算寄存器、通用寄存器和存储单元中，并根据运算结构设置相应的状态标志PSW. PSW是程序状态字，用于标志前次运算的状态，其中用到了7位，具体如下： PSW是程序状态字，用于标志前次运算的状态，其中用到了7位，具体如下： 其意义如下： CY：进位标志位。运算中出现进位或者借位时为1； AC：半进位标志位。运算中，当运算数的D3位向D4位产生进位或者借位时，AC=1； F0：可由用户自行设定的标志位； RS1,RS0：通用寄存器组选择位； nullOV：溢出标志位，在三种情况下该位为1，带符号运算结果超过范围（-127~128），无符号运算结果超过范围（255），除数为0； P：奇偶标志位。 由图中可以看出，控制逻辑包括了指令寄存器、译码器、双DPTR、PC以及定时和其他控制逻辑。AT89S51的控制逻辑在结构上和功能上与传统的51系列单片机完全一样，只是有2个DPTR，这种设置能提高数据的运算速度。 5.2.3 存储器 5.2.3 存储器 与传统的51系列单片机一样，AT89S51也采用了将程序存储器和数据存储器分开，并且独立寻址的哈佛结构方式。 程序存储器是用于存放单片机执行的程序、格或是一些常量等数据，通常单片机的程序存储器是由Rom,EEPROM等组成，AT89S51单片机则采用了FlashRom.单片机中有专门的程序计数器（PC）来存放下一条指令的地址。 当用户程序大小超过片内的程序存储器的容量时，可以通过扩展外部程序存储器的方法 null来增加容量。51系列单片机将片内程序存储器和片外程序存储器统一编址，共64K，并通过管脚EA来区分是片内还片外。当EA=0时，单片机将直接从片外读取程序数据；当EA=1时，单片机先从片内读取程序数据，当地址超过片内程序存储器的最大范围后，单片机自动转到片外读取程序数据。 51系列单片机数据存储器被分成了两个区域：00H~7FH为用户数据区，80H~FFH为特殊功能寄存器区。 其中，用户数据区又划分为3个区域：00H~1FH被用为通用寄存器，20H~2FH为位寻址区，30H~7FH为用户字节寻址区和堆栈区。 null 传统的51系列单片机有21个特殊功能寄存器，存放于数据寄存器的高128字节中。而AT89S51单片机在此基础上又增加了5个寄存器，共26个： DPL1 DPH1:第2个DPTR寄存器的高位和低位寄存器 AUXR:其中用到了3位： DISALE：当此位=0时，ALE管脚以51常规模式输出1/16系统工作频率的信号；当此位=1时，ALE管脚只有当程序执行到MOVX/MOVC时才输出信号。 nullDISRTO：当此位=0时，当看门狗时间到时，RESET管脚将被拉高；当此位=1时，RESET管脚只是输入管脚。 WDIDLE：当此位=0时，看门狗电路将在空闲模式中也记数；当此位=1时，看门狗电路在空闲模式中停止记数。 AUXR1：只用到了D01位。 DPS：DPTR选择位，当=0时，选择DPTR0;当=1时，选择DPTR1. WDTRST：看门狗复位寄存器。 AT89S51内部包括了4K的FlashRom用于存储用户程序和128Bit的Ram用于存储用户数据。 null 当存储空间不够时还可以进行外部扩展，最高可以扩展到64K的Rom和64K的Ram，其存储器扩展方法与传统的51系列单片机完全一样。 5.2.4 片内并行口5.2.4 片内并行口 AT89S51包含了4组8位的并行接口，共32个I/O口，记为P0、P1、P2、P3。 P0：双向三态I/O口，可驱动8个TTL负载。在外接存储器时，作为地址总线低8位和数据总线。 P1：准双向I/O口，可驱动4个TTL负载，输入不能锁存。 P2：准双向I/O口，可驱动4个TTL负载，内部具有上拉电阻，在外接存储器时，作为地址总线的高8位。 nullP3：准双向I/O口，可驱动4个TTL负载，内部具有上拉电阻；除了作为I/O口，P3口还有第二功能。 此外，对于AT89S51来说，由于提供了ISP功能，因此，P1.5 P1.6 P1.7也具有第二功能，用于实现ISP。 MOSI：主机输出，从机输入； MISO：主机输入，从机输出； SCK：串行系统时钟。 5.2.5 其他片内资源5.2.5 其他片内资源其他的片内资源包括： 定时器/记数器：与传统51系列单片机相同，AT89S51中也提供了两个16位可编程的定时器/记数器。其工作方式、编程方式与传统51系列单片机相同。 串行口：AT89S51提供了一个可编程的全双工串行接口，使用T1作为波特率发生器。 中断系统：AT89S51可以响应5个不同的中断源，它们彼此之间都相互独立，可以通过设置IE中的相应位来关闭/打开中断响应。 null EA0：单片机将不响应任何中断 EX0/EX1：外部中断响应使能。 0：单片机不响应任何外部中断；1：当单片机管脚P3.2(INT0)/P3.3(INT 1)有中断信号时，单片机响应。 ET0/ET1:计数器中断响应使能。 0：记数结束后，单片机不响应记数中断；1：记数结束后，单片机响应记数中断 ES：串行通讯中断。0：单片机不响应任何串行口通讯中断；1：单片机响应串行口产生的发送/接收中断 null 此外，51系列单片机可以对中断设置两个等级的优先级，即高优先级和低优先级，由中断优先级寄存器IP来控制。 5.2.6 管脚介绍5.2.6 管脚介绍null5.2.7 工作方式5.2.7 工作方式 AT89S51单片机提供了空闲和掉电两种模式。 在空闲模式中，CPU自己进入睡眠状态而其他片内的功能部件保持工作状态，这种模式是可以被软件调用的。当CPU启动了这个模式，片内所有的数据存储器和特殊功能存储器将保持不变。任何的中断信号和硬件复位信号都可以使CPU退出空闲模式。在空闲模式下，单片机的功耗下降大约80%。 null 在掉电模式中，单片机片内振荡停止，CPU执行的最后一条指令就是调用掉电模式的指令。片内所有的数据存储器和特殊功能存储器将保持不变，一直到模式终止。可以通过外部的复位信号或者是向INT0、INT1管脚上送出外部中断信号来终止掉电模式。在这种模式中，Vcc可以降低到2V，片内RAM处于50uA的供电状态，以减少功耗。 5.3 单片机应用系统结构5.3 单片机应用系统结构典型的单片机应用系统结构如下图所示。 5.4 AT89S51最小系统设计 5.4 AT89S51最小系统设计 无须外扩单片机总线的系统称为单片机最小系统。由于单片机最小系统，全部资源在单片机内，抗干扰能力强，系统性价比高，所以成为单片机应用的首选。不同型号单片机构成的单片机最小系统的性能是不同的。这就要求设计者根据具体环境来选择单片机型号，来构成性价比更高的单片机应用系统。这既是开发单片机应用系统的优势，但也带来对开发人员要求较高的劣势。 单片机最小系统通常包括：时钟电路、单片机和复位电路。 5.4.1 时钟电路设计5.4.1 时钟电路设计 时钟电路是MCS-51单片机系统的心脏，它控制着单片机的工作节奏。单片机虽然内部由振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。MCS-51系列的时钟有两种产生方式，一种是内部时钟方式，利用芯片内部的振荡电路；另一种是外部方式。 1.内部时钟方式 MCS-51系列单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。引脚XTAL1为反相器的输入端，引脚XTAL2为输出端。放大器与作为反馈元件的片外晶体或陶瓷谐振器一起构成了一个自激振荡器。 如图5-10所示是MCS-51内部时钟方式的电路图。 如图5-10所示是MCS-51内部时钟方式的电路图。 石英晶体振荡器的频率范围一般在1.2MHZ～12MHZ之间（不同机型略有不同），典型值为12MHz和11.0592MHz。电容C1，C2主要作用是帮助振荡器起振，其值的大小对振荡频率有小许影响，其值通常在20pf～100pf之间选择，时钟频率为12MHZ典型值通常选择30pf。 1.外边时钟方式1.外边时钟方式 外边时钟方式是利用外部振荡器信号源（时钟源）直接接入XTAL1或XTAL2。通常XTAL1接地，XTAL2接外部时钟，电路图如图5-11所示。由于XTAL2的逻辑电平不是TTL的，所以应该加一个5.1k的上拉电阻 5.4.2 复位电路5.4.2 复位电路 复位电路由单片机的复位引脚RST接入，只要RST端保持10ms以上高电平，就能使单片机有效地复位。复位电路如图5-12为上电复位与按钮复位电路，上电瞬间RST端的电位与Vcc相同，随着充电电流的减小，RST的电位逐渐下降；通过选择一定大小的C和R来保证RST脚维持高电平的时间，以完成可靠的复位。 null 上图为一个经典的复位电路原理图，但由于可靠性不高，工程应用中并不适用。工程应用中一般选择专用复位芯片MAX819，详细资料见光盘。 5.5 总线扩展5.5 总线扩展 有时仅靠的单片机最小系统，是无法应用系统要求的所有功能，必须外接其他器件来扩展单片机系统的资源，如存储器扩展，并行A/D,D/A等等。这些器件最经典的扩展方式是三总线结构。 总线就是单片机中各个功能部件之间传送信息的公用通道，是连接各个功能部件并为它们服务的一组信息传递导线。 一般地说，总线是连接于多个源设备和目标设备之间的一束并行的连接线。并行通讯连接线的根数，就是并行地传送信息代码的位数，称为总线的宽度。 null 按传送信息的属性来分析，总线可分为：数据总线、地址总线和控制总线。 数据总线（DB，DATA BUS）：是各功能部件之间用来相互传送数据、状态特征、标志等信息的总线，总线的宽度一般和计算机的字长一致。 地址总线（AB，ADDRESS BUS）：是用来传送CPU发出的地址信息，总线的宽度由CPU对存储器或设备的寻址范围确定。 控制总线（CB，CONTROL BUS）：是用来传送读/写命令等控制信息的总线。 单片机的三总线结构形式如图5-13所示。 单片机的三总线结构形式如图5-13所示。 由于51系列单片机是地址总线的低8位与数据总线是分时复用的，而对于一般的总线结构器件来说，数据和地址数据需要同时出现在器件的管脚上，因此，一般在扩展总线器件时需要对地址总线的低8位进行锁存。常用的锁存芯片是74LS373和74LS273。 由于51系列单片机是地址总线的低8位与数据总线是分时复用的，而对于一般的总线结构器件来说，数据和地址数据需要同时出现在器件的管脚上，因此，一般在扩展总线器件时需要对地址总线的低8位进行锁存。常用的锁存芯片是74LS373和74LS273。 以74LS373为例，当OE为低电平而LE为高电平时，输出随输入变化；当LE由高变低时，输出锁存，直到LE再次变高，连接电路图如图5-13所示。 以74LS373为例，当OE为低电平而LE为高电平时，输出随输入变化；当LE由高变低时，输出锁存，直到LE再次变高，连接电路图如图5-13所示。 习 题 1. MCS51单片机内部有哪些主要的逻辑功能部件? 2. MCS51单片机中的运算器和控制器有哪些部件组成? 3. MCS5l单片机的时钟周期、机器周期、指令周期是如何分配的?当主频为6M时，机器周期为几个微秒？ 4. MCS51单片机的P0、P1、P2、P3和单片机对外的地址总线和数据总线有什么关系?地址总线和数据部线各是几位? 5. MCS51单片机内部RAM区功能结构如何分配?工作寄存器使用时如何选择?位寻址区域的字节范围是多少？ 6. 特殊功能寄存器中哪些寄存器可以位寻址？它们的地址是多少? 7. 简述PSW中各标志位的功能。 习 题 1. MCS51单片机内部有哪些主要的逻辑功能部件? 2. MCS51单片机中的运算器和控制器有哪些部件组成? 3. MCS5l单片机的时钟周期、机器周期、指令周期是如何分配的?当主频为6M时，机器周期为几个微秒？ 4. MCS51单片机的P0、P1、P2、P3和单片机对外的地址总线和数据总线有什么关系?地址总线和数据部线各是几位? 5. MCS51单片机内部RAM区功能结构如何分配?工作寄存器使用时如何选择?位寻址区域的字节范围是多少？ 6. 特殊功能寄存器中哪些寄存器可以位寻址？它们的地址是多少? 7. 简述PSW中各标志位的功能。