单片机原理与应用-2硬件结构和工作原理

1、MCS-51单片机单片机 1 单片机概述单片机概述2 单片机典型结构单片机典型结构3 MCS-51单片机硬件结构单片机硬件结构4 和外部管脚和外部管脚5 51单片机存储器系统单片机存储器系统 6 SFR特殊功能寄存器特殊功能寄存器7 时钟、复位和时序时钟、复位和时序 本章为重点章节，在简单介绍通用微处理器本章为重点章节，在简单介绍通用微处理器的结构组成、指令系统特点基础上，重点介绍的结构组成、指令系统特点基础上，重点介绍MCS-51单片机的硬件结构、引脚功能、三总线、单片机的硬件结构、引脚功能、三总线、存储器系统、特殊功能寄存器存储器系统、特殊功能寄存器SFR、时钟和复位电、时钟和复位电路以及

2、机器周期和时序。路以及机器周期和时序。 需要掌握的知识点：需要掌握的知识点： 单片机结构框图、引脚单片机结构框图、引脚存储器结构和功能划区、特殊功能寄存器存储器结构和功能划区、特殊功能寄存器片外片外三总线三总线 时钟复位电路、机器周期和时序概念时钟复位电路、机器周期和时序概念1单片机概述单片机概述 单片机单片机是微型计算机的核心，是将中央处理单元内是微型计算机的核心，是将中央处理单元内核和外围存储器、核和外围存储器、I/O端口、定时计数器、中断系端口、定时计数器、中断系统、串行接口等集成在一个半导体芯片上，具有强统、串行接口等集成在一个半导体芯片上，具有强大数据处理功能和控制功能的电路系统。大

3、数据处理功能和控制功能的电路系统。单片机单片机是面向控制的一类微处理器。是面向控制的一类微处理器。 早期的微处理器采用复杂的指令系统，这类微早期的微处理器采用复杂的指令系统，这类微处理器称为复杂指令集计算机（简称处理器称为复杂指令集计算机（简称CISC ），后），后来发展出精简指令集计算机（简称来发展出精简指令集计算机（简称RISC）。）。 微处理器根据其不同档次和用途，按字长分有微处理器根据其不同档次和用途，按字长分有4位机、位机、8位机、位机、16位机、位机、32位机和位机和64位机。位机。2.1单片机单片机功能部件功能部件1算术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、

4、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。l 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。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l 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。l 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。

5、l 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。2.1.2控制器控制器l 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。l 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，再到存执行完一条指令，再到存储器取下一条指令，储器取下一条指令，。l 2) 指令寄存器指令寄存器IR ：暂存当前指令。

6、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。l 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。l 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。l 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，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

7、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2.1.3存储器存储器l 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。l 字节字节 B (Byte)：8位为一

8、个字节。位为一个字节。l 字长字长 W (Word Length)：一个字包含的二进制位数。：一个字包含的二进制位数。1 存储器基本信息单位存储器基本信息单位2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 存储内容存储内容 0 10011010 1 011010111023

9、101001113存储器读写操作存储器读写操作l 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。l 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l 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.CPU.CPU先送出一个确定的单元地址给存储器先送出一个确定的单元地址给存储器4 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

10、储器。能方便读出和改写信息，但失电后信息将不复存能方便读出和改写信息，但失电后信息将不复存在。在。RAM常用作数据存储器，暂存各种现场数据、运常用作数据存储器，暂存各种现场数据、运算结果和正在调试的程序算结果和正在调试的程序。ROM：只读存储器。只读存储器。工作时从工作时从ROM中读出信息，不能随意改写。断电后信息不会丢失。中读出信息，不能随意改写。断电后信息不会丢失。ROM常用作程序存储器，存放已调试好的固定程序和常数常用作程序存储器，存放已调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

11、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。2.1.4 I/O接口接口I/O接口是联系微型计算机与外部设备的桥梁。每接口是联系微型计算机与外部设备的桥梁。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。微型

12、计算机结构特点微型计算机结构特点微型计算机由大规模集成电路组成，微型机应用系统微型计算机由大规模集成电路组成，微型机应用系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。总线总线(Bus)：微型计算机各功能部件的连接线，各功能微型计算机各功能部件的连接线，各功能部件之间的公共信息通道。部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。内部总线：内部总线：CPU或单片机芯片内部各逻辑部件之间的信或单片机芯片内部各逻辑部件之间的信息传输线。通常为单总线结构。息传输线。通常为单总线结构。外部总线：外部

13、总线：指微型机各功能芯片之间的信息传输线。指微型机各功能芯片之间的信息传输线。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。系统总线：系统总线：微机系统各逻辑功能板卡之间的信息传输线。微机系统各逻辑功能板卡之间的信息传输线。通常为统一标准总线。通常为统一标准总线。2.2总线结构特点总线结构特点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传送程序和数据的二进制代码。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传送各种控制脉冲、联络、状态电平

14、等信号，传送各种控制脉冲、联络、状态电平等信号，使存储使存储器、器、I/OI/O接口等部件协调工作。接口等部件协调工作。控制总线的根数根据微型计算机控制功能的需要而定控制总线的根数根据微型计算机控制功能的需要而定。(一) 地址总线地址总线 AB传送存储器和传送存储器和 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=6553

15、62.2单片机的典型结构单片机的典型结构 单片机单片机的结构十分复杂，由中央处理单元的结构十分复杂，由中央处理单元-即控制即控制部件和运算器、程序存储器、数据存储器、程序计数器、部件和运算器、程序存储器、数据存储器、程序计数器、指令译码器、寄存器、缓冲器、地址译码器、累加器、指令译码器、寄存器、缓冲器、地址译码器、累加器、程序状态寄存器、输入输出接口等多种功能部件组成。程序状态寄存器、输入输出接口等多种功能部件组成。其结构框图见下图。其结构框图见下图。 模型机执行指令的工作过程：模型机执行指令的工作过程： 1、程序计数器将指令地址通过缓冲器送到片外地址总线，同时计、程序计数器将指令地址通过缓冲

16、器送到片外地址总线，同时计 数器自动加数器自动加1。 2、控制器发出取指信号从程序存储器取出指令，通过数据总线送、控制器发出取指信号从程序存储器取出指令，通过数据总线送 到指令寄存器。到指令寄存器。 3、指令译码器对指令译码，根据指令类型取出相应的操作数。、指令译码器对指令译码，根据指令类型取出相应的操作数。 4、执行指令规定的动作，产生运算结果和状态标志，提供片内片、执行指令规定的动作，产生运算结果和状态标志，提供片内片 外控制信号。外控制信号。 缓冲器累加器A程序状态字算术逻 辑部件ALU片内寄存器组指令寄存器指令译码器程序计数器数据缓冲器+1数据总线数据总线控制总线控制总线地址缓冲器地址

17、总线地址总线堆栈指针控制逻辑片内总线片内总线取指、读写信号堆栈数据存储器程序存储器数据存储器输入输出接口CPU扩展单元单片机单片机的模型机的模型机单片机的结构特点单片机的结构特点(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。内部总线为单总线结构，地址、数据和控制三种信息内部总线为单总线结构，地址、数据和控制三种信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

18、和外部总线用于连接片外扩展存储器和I/O接口芯片。接口芯片。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。3 MCS-51单片机的硬件结构单片机的硬件结构 3.1 硬件资源配置硬件资源配置 3.2 硬件结构框图硬件结构框图 3.3 封装、引脚及三总线封装、引脚及三总线 型号ROM/EPROMRAMT/CI/O串行口速度（MHz)8051子系列8031805187518751BH无4K ROM4K EPROM4k OTP128128128128222232323232UARTUARTUARTUART121212128052子系列80328052875

19、2无8K ROM8K EPROMOTP256256256333323232UARTUARTUART12121280C51子系列80C3180C5187C51无4K ROM4K EPROMOTP128128128222323232UARTUARTUART12.1612.1612.16.20MCS51单片机中包含了10个子系列，每个子系列中又有多种型号2.3 MCS-51单片机的逻辑结构l1.基本组成串行输入串行输出CPU振荡器及定时电路4K字节ROM128字节RAM2个16位T/S串行口I/O总线扩展控制计数器并行I/O口控制中断中断频率基准源lMCS-51系列单片机属于总线结构1 MCS-51

20、单片机的基本资源配置单片机的基本资源配置l 一个一个8位位CPUl 一个一个128字节（字节（C52系列有系列有256B）内部数据存储器）内部数据存储器RAMl 一个一个4K程序存储器程序存储器ROM （C52系列有系列有8K的的EEPROM）l 一个一个1.2-12MHZ片内振荡器及时钟电路，（片内振荡器及时钟电路，（C51/52全静全静 态工作为态工作为0HZ到到24MHZ）l 有有32条可编程条可编程I/O端口端口l 可寻址可寻址64K外部数据存储器和外部数据存储器和64K外部程序存储器外部程序存储器l 2个个16位可编程的定时器计数器位可编程的定时器计数器(C52系列有系列有3个个)l

21、 5个中断，两级优先嵌套中断结构（个中断，两级优先嵌套中断结构（C52有有6个）个）l 一个全双工通用可编程串行通讯口一个全双工通用可编程串行通讯口MCS-51系列系列芯片芯片硬件资源配置硬件资源配置子系列片内ROM的形式片内ROM容量KB片内RAM容量B定时器/计数器中断源无ROMEPROM5180318051875141282580C3180C5187C515280328052875282563680C23280C25287C2527其它一些公司后来推出的与51系列兼容的单片机还配置了如：低压闲置及掉电工作方式、3级程序存储器锁定加密功能（89C51/52）、看门狗定时器(WATCH DO

22、G)、I2C总线、ADC、DAC等。ALEPSENRSTEAP0口驱动器口驱动器P0口锁存器口锁存器P2口驱动器口驱动器P3口驱动器口驱动器P1口驱动器口驱动器P2口锁存器口锁存器P3口锁存器口锁存器P1口锁存器口锁存器RAM地址锁存器地址锁存器RAMEPROM/ROMACCB寄存器寄存器TMP2TMP1程序地址程序地址寄存器寄存器PSW缓冲器缓冲器PC递增器递增器PCDPTROSC定时定时和和控制控制指指令令寄寄存存器器ALU中断、串行口中断、串行口和定时器等部件和定时器等部件SPP1.0P1.7 P3.0P3.7MCS-51单片机的结构框图单片机的结构框图2.内部逻辑结构l（1）中央处理单

23、元CPU CPU是单片机的核心，由运算器和控制器，以及若干寄存器组成，完成运算和控制操作。MCS-51单片机单片机CPU系统的结构特点系统的结构特点 由中央控制器、运算器、工作寄存器、时序电路、复位电路等组成。由中央控制器、运算器、工作寄存器、时序电路、复位电路等组成。（一）（一） 中央控制器中央控制器 功能：控制器的功能是识别指令、控制各部件协调工作，与运算器一功能：控制器的功能是识别指令、控制各部件协调工作，与运算器一起组成中央处理器。起组成中央处理器。 构成：由程序计数器构成：由程序计数器PC、程序地址寄存器、指令寄存器、程序地址寄存器、指令寄存器IR、指令译码、指令译码器、条件转移逻辑

24、电路和定时控制逻辑电路组成器、条件转移逻辑电路和定时控制逻辑电路组成。1程序计数器程序计数器PC（Program Counter）和数据指针）和数据指针DPTR （1）程序计数器）程序计数器PC：存放存放16位下一条要执行的程序地址。有顺序程位下一条要执行的程序地址。有顺序程序、转移指令、调用或响应中断指令三种不同的工作方式。序、转移指令、调用或响应中断指令三种不同的工作方式。（ PC与程序与程序存储器的地址有关）存储器的地址有关） （2）数据存储器地址指针）数据存储器地址指针DPTR: 是是16位数据指针，寻址位数据指针，寻址64KB。由。由DPH、DPL两个两个8位位SFR组成，用于片外数

25、据存储器的间接访问，或程序组成，用于片外数据存储器的间接访问，或程序存储器查表等。存储器查表等。 （ DPTR与数据存储器的地址有关）与数据存储器的地址有关）2指令寄存器指令寄存器IR、指令译码器及控制逻辑电路功能：、指令译码器及控制逻辑电路功能：将将ROM中的程序读入指令寄存器中的程序读入指令寄存器 指令译码器指令译码器 定时控制逻辑电路处定时控制逻辑电路处理、执行。理、执行。（二）（二） 运算器运算器（完成算术逻辑运算和位操作）（完成算术逻辑运算和位操作） 结构：结构：由算术逻辑运算单元由算术逻辑运算单元ALUALU、累加器、累加器ACCACC、暂存寄存器、暂存寄存器、B B寄存器、寄存器

26、、程序状态寄存器程序状态寄存器PSWPSW以及以及BCDBCD码运算调整电路等组成。码运算调整电路等组成。1 1逻辑运算单元功能：逻辑运算单元功能： 带进位和无进位的加、减及带进位和无进位的加、减及8 8位数的乘、除运算；逻辑与位数的乘、除运算；逻辑与ANLANL、或或ORLORL、异或、异或XRLXRL；增；增/ /减量；位操作（置位、清零、取反）；左、右移减量；位操作（置位、清零、取反）；左、右移位；字节、半字节交换；位；字节、半字节交换；BCDBCD运算修正运算修正。2 2累加器累加器A A、寄存器、寄存器B B 累加器累加器A A是算术运算和数据传送中使用频率最高的单元。是算术运算和数

27、据传送中使用频率最高的单元。B B寄存器寄存器是乘除运算中作为是乘除运算中作为ALUALU的输入单元之一。的输入单元之一。 AB= BA A/B=A-B3 3程序状态字程序状态字PSWPSW 反映程序运算过程中指令操作的辅助结果。反映程序运算过程中指令操作的辅助结果。运算器l算术和逻辑运算，可对半字节（4位）和单字节数据进行操作；l加、减、乘、除、加1、减1、比较等算术运算。l与、或、异或、求补、循环等逻辑运算；l布尔处理器MCS-51 CPUCPU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、

28、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。每个区均区。每个区均含含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

29、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。l2寄存器阵列寄存器阵列(6)堆栈指针堆栈指针SP(8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。因此此CPU执

30、行程序一般是顺序方式。当发生转移、子程序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，调用、中断和复位等操作，PC被强制改写，程序执行被强制改写，程序执行顺序也发生改变。顺序也发生改变。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。lCPU执行指令过程： 由程序存储器(ROM）中读取指令代码送入指令寄存器，经译码器译码后由

31、定时与控制电路发出相应的控制信号，完成指令功能l（2）内部数据存储器 内部数据存储器包括了128字节8位的RAM和RAM地址寄存器，作用是存放运算的中间结果以及数据的暂存。地址为00H-7FHl(3)内部程序存储器 8051/8751的内部程序存储器为4k容量，地址从0000H开始，用于存放程序代码和表格数据。l(4)定时/计数器 80C51片内有两个16位的定时器/计数器，以实现定时功能和计数功能，并可根据定时或计数的结果对单片机进行控制l（5）并行I/O口 MCS-51共有四个8位的并行I/O口， P0-P3,以实现单片机与外界交换信息。l（6）串行口 MCS-51具有一个全双工的串行口，

32、以实现单片机与其它的数据设备，如上位计算机之间的数据传送。 l（7）中断系统 中断系统是为了使单片机具有实时控制能力而设计的内部电路l （8）时钟电路 MCS-51芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为XTAL1,输出端为XTAL2. 有两种时钟生成电路，内部方式，外部方式。 当单片机外接了一个晶体管振荡器后，时钟电路就可产生时钟脉冲序列，这个时钟脉冲序列就作为单片机的基本工作拍节，单片机是按照基本的时序脉冲拍节来进行工作的器件，对于这个外接的晶体振荡器，要求它的工作频率在1.2-12MHz之间。l（9）位处理器 以状态寄存器的进位标志位C作为它的累加位，可以进行数据位的置位、复位，取反、

33、判断是否等于0转移，是否等于1转移，并且清零等等操作，也可以与单片机内部的可寻址位之间进行数据的传递以及逻辑运算等等操作。l（10)总线 系统的数据信号，地址信号和控制信号都是通过总线进行传递的。 减少了外部连线和引脚，提高了单片机的可靠性和集成度2.4 封装形式、引脚功能和外部三总线封装形式、引脚功能和外部三总线 1.封装形式：封装形式： 有双列直插有双列直插DIP40（Daul In-line Package） 贴片封装贴片封装LCC40（Lead Chip Carrier） 扁平封装扁平封装QFP44(Quad Flat Packege)。 另有一种另有一种ATMEL公司生产的简约式公司

34、生产的简约式51系系列单片机列单片机AT89C1051/2051，其结构是将，其结构是将DIP40的的51单片机的单片机的P0口和口和P2口去掉，形成口去掉，形成20引脚的非总线式单片机。引脚的非总线式单片机。上图为QFP40封装的是AD公司与51系列兼容(内置12位ADC和DAC)的ADUC812嵌入式单片机，DIP20封装的是ATMEL公司的非总线简约式51单片机89C2051，DIP40封装的是单片机ATMEL公司带8KB FLASHRAM的89C52单片机。上图分别是ATMEL公司32KB和64KB的FLASH RAM以及国家半导体公司8KB的 EPROM。1 MCS-51单片机的基本

35、资源配置单片机的基本资源配置l 一个一个8位位CPUl 一个一个128字节（字节（C52系列有系列有256B）内部数据存储器）内部数据存储器RAMl 一个一个4K程序存储器程序存储器ROM （C52系列有系列有8K的的EEPROM）l 一个一个1.2-12MHZ片内振荡器及时钟电路，（片内振荡器及时钟电路，（C51/52全静全静 态工作为态工作为0HZ到到24MHZ）l 有有32条可编程条可编程I/O端口端口l 可寻址可寻址64K外部数据存储器和外部数据存储器和64K外部程序存储器外部程序存储器l 2个个16位可编程的定时器计数器位可编程的定时器计数器(C52系列有系列有3个个)l 5个中断，

36、两级优先嵌套中断结构（个中断，两级优先嵌套中断结构（C52有有6个）个）l 一个全双工通用可编程串行通讯口一个全双工通用可编程串行通讯口1 402 393 384 375 366 357 348 339 8031 3210 8051 3111 8751 3012 8032 2913 8052 2814 8752 2715 2616 (DIP40) 2517 2418 2319 2220 21VCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VDDALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0T2/P1.0T2EX/P1.1P1

37、.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/VPDRXD/P3.0TXD/P3.1INT0/P3.2INT1/P3.3T0/P3.4T1/P3.5WR/P3.6RD/P3.7XTAL2XTAL1VSS双列直插式的51 单片机引脚图QFP40封装各管脚名称：各管脚名称： 电源电源Vcc （1根线）根线） 地线地线Vss （1根线）根线） 振荡器输入振荡器输入XTAL1/ 输出输出XTAL2 （2根线）根线） 4个个8位并行位并行I/O口口P0P3 （32根线）根线） 复位端复位端RST （1根线）根线） 地址锁存及编程脉冲输入端地址锁存及编程脉冲输入端ALE/ （1根线）根线） 外部程序

38、存储器选通端外部程序存储器选通端 (读程序读程序) （1根线）根线） 片内片内/外外ROM选择及编程电源端选择及编程电源端 /Vpp （1根线）根线） EAPROGPSEN各管脚功能各管脚功能1. 电源和晶振电源和晶振（共（共4根）根） 电源电源Vcc-运行时加运行时加+5V 地线地线Vss-接地接地 XTAL1-振荡器内部反向器输出端振荡器内部反向器输出端 XTAL2-振荡器内部反向器输入端振荡器内部反向器输入端 当采用内部时钟方式时：当采用内部时钟方式时：利用其内部的振荡电路在利用其内部的振荡电路在XTAL1 、XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡电路便产生自激振荡，晶体可引脚上外接定时

39、元件，内部振荡电路便产生自激振荡，晶体可在在1.212MHz之间选择。之间选择。 当采用外部时钟方式时：当采用外部时钟方式时： 对对HCOM工艺单片机，工艺单片机， XTAL1 接地，接地，XTAL2接外部振荡脉冲（及上接外部振荡脉冲（及上 电阻）。电阻）。 CHCOM工艺单片机，工艺单片机，XTAL1接外部振荡脉冲，接外部振荡脉冲，XTAL2不接（或输不接（或输 出）。出）。2. 4个个8位并行位并行I/O口口P0P3的功能的功能（共（共32根）根） P0除了用作普通除了用作普通I/O口外，还可作为双向数据总线或低位地址总线口外，还可作为双向数据总线或低位地址总线 P1口为普通口为普通I/O

40、口口 P2口除了用作普通口除了用作普通I/O口外，还可作为高位地址总线口外，还可作为高位地址总线 P3为双功能口，其为双功能口，其P3.0-P3.7对应的第二功能依次为：对应的第二功能依次为： RXD(P3.0) TXD(P3.1) -用于串口通信接收、发送用于串口通信接收、发送 /INT0 (P3.2) /INT1(P3.3) -用于外部中断，输入用于外部中断，输入 T0(P3.4) T1(P3.5) -用于定时器，输入用于定时器，输入 /WR(P3.6) /RD(P3.7) -用于片外用于片外RAM的写、读选通，输入的写、读选通，输入3. 控制线（共控制线（共4根）根） 复位端复位端RST

41、 -复位输入信号，高电平有效。在振荡器工作时，复位输入信号，高电平有效。在振荡器工作时， RST上作用两个机器周期以上的高电平，将器件复位。上作用两个机器周期以上的高电平，将器件复位。 地址锁存及编程脉冲输入端地址锁存及编程脉冲输入端ALE/ -输出信号，用作片外存输出信号，用作片外存储器访问时低字节地址锁存。储器访问时低字节地址锁存。 ALE以以1/6振荡频率输出，可用作对外振荡频率输出，可用作对外输出时钟或用于定时。此引脚第二功能用在输出时钟或用于定时。此引脚第二功能用在EPROM编程期间，作输编程期间，作输入，接入编程脉冲。入，接入编程脉冲。 外部程序存储器选通端外部程序存储器选通端 (

42、读程序读程序)-低电平有效，在取指令低电平有效，在取指令和从片外程序存储器读数据时，每机器周期有效两次，以实现对片和从片外程序存储器读数据时，每机器周期有效两次，以实现对片外外ROM的选通。的选通。 片内片内/外外ROM选择及编程电源端选择及编程电源端 /Vpp-片外片外ROM选择信号，低选择信号，低电平电平有效，当有效，当 为为 “0”时，时，低端程序从片外程序存储器开始；低端程序从片外程序存储器开始；当当 为为 “1”时，时，低端程序从片内程序存储器开始，此引脚第二功能低端程序从片内程序存储器开始，此引脚第二功能用于对片内程序存储器用于对片内程序存储器编程时接入编程电压。编程时接入编程电压

43、。EAPROGEAEAPSEN P0 P1 P2 P3RSTEAALEPSENXTAL1XTAL2MCS-51数据 P0 总线地址 P0+P2 总线控制 RST/ALE总线 EA /PSEN WR RD I/O口 P1口第二 RXD/TXD功能端口 INT0/INT1 T0 T18888单片机引脚功能示意图 和三总线功能示意图 MCS-51Vcc8 锁锁存存器器P2口口 P0口口数据数据DB地址地址AB 8 外外 部部 I/O 设设 备备RAMROM地址高地址高8位位 地址地址/数据复用数据复用 ALEPSENRDWR控制控制CB片外三总线片外三总线AB、DB和和CB总线总线-是微处理机系统的

44、公用信息通道，由多条信号线组成。是微处理机系统的公用信息通道，由多条信号线组成。寄存器、寄存器、RAM、ROM和各种部件平等地挂接在总线上，一次和各种部件平等地挂接在总线上，一次只有一个部件被只有一个部件被选通选通有效和微处理器之间进行数据传输。所有效和微处理器之间进行数据传输。所有部件有部件分时分时共享总线资源。在共享总线资源。在MCS51中总线分为中总线分为片内总线片内总线 和和片外总线片外总线。片内总线片内总线：MCS-51MCS-51的片内总线为单总线结构。片内存储器地的片内总线为单总线结构。片内存储器地址、寄存器选择、指令码、操作数、运算结果和各种控制信址、寄存器选择、指令码、操作数

45、、运算结果和各种控制信号均通过内部总线号均通过内部总线分时分时传送。传送。片外总线：片外总线：（数据总线数据总线DB、地址总线地址总线AB、控制总线控制总线CB）由于引脚数的由于引脚数的限制，限制，MCS-51系列外部地址系列外部地址/数据总线由双向并行口数据总线由双向并行口P0和和P2构造产生构造产生 （即（即P0口地址口地址/数据总线分时复用）。数据总线分时复用）。MCS51单片机的三总线结构单片机的三总线结构（不注明就指片（不注明就指片外）外） ： 数据总线数据总线DB-由由P0口组成口组成 地址总线地址总线AB-从从P0口输出低口输出低8位地址，经位地址，经373锁存锁存器锁存作为低位

46、地址器锁存作为低位地址 A7-A0，由，由P2口输出高口输出高8位地位地址址A15-A8组成组成A15-A0共共16位的地址总线。位的地址总线。 控制总线控制总线CB-由由RST，/EA，/PSEN， ALE，以及，以及/WR，/RD等组成。等组成。 MCS-51片外控制引脚有片外控制引脚有6根：根：ALE、/PSEN、/RD、/WR、 RST、/EA。ALE信号：信号：芯片送出的地址数据分离信号。当芯片送出的地址数据分离信号。当ALE信号高电平有效时，信号高电平有效时，P0口送出的低口送出的低8位地址信号由片外锁存器接收，并在位地址信号由片外锁存器接收，并在ALE下降沿时刻下降沿时刻被片外锁

47、存器锁存后释放被片外锁存器锁存后释放P0口用于口用于8位数据传输。位数据传输。/PSEN信号：信号：用于从片外程序存储器取指令或查表换码时读数据的选用于从片外程序存储器取指令或查表换码时读数据的选通。取指时每个通。取指时每个机器周期机器周期 中中 /PSEN信号自动有效信号自动有效2次；查数据表时次；查数据表时PSEN信号的有效期横跨于信号的有效期横跨于MOVC A，APC 和和 MOVC A，A+DPTR指令的指令的2个机器周期间。个机器周期间。/RD，/WR信号：信号：用于累加器用于累加器A与片外数据存储器交换数据。与片外数据存储器交换数据。/RD（读读入入）信号在执行信号在执行 MOVX

48、 A，Ri；MOVX A，DPTR 指令时有效；指令时有效；/WR（写出）（写出）信号在执行信号在执行MOVX Ri，A；MOVX DPTR，A指令指令时有效，指令均为时有效，指令均为2个机器周期。个机器周期。I/O口的结构及应用特性口的结构及应用特性（1）所有）所有32个端口均带输出锁存器，都可作普通个端口均带输出锁存器，都可作普通I/O口用。口用。 （2）P0口为双向口，可驱动口为双向口，可驱动8个个TTL门，门，P1P3为准双向为准双向 口，只能驱动口，只能驱动4个个TTL门。门。 （3）P0口作普通口作普通I/O口时需外接上拉电阻。口时需外接上拉电阻。（4）所有）所有I/O作输入口用时

49、需作输入口用时需“先写先写1后读后读”。（5）对于）对于52单片机，其单片机，其P1.0、P1.1的第二功能为定时器、的第二功能为定时器、 计数器计数器T2输入输入/控制端。控制端。（6）AB、DB、CB三总线结构三总线结构2.5 存储器结构和地址空间配置存储器结构和地址空间配置l1 存储器结构形式存储器结构形式l2 存储器的一般特点存储器的一般特点l3程序存储器程序存储器ROMl4 数据存储器数据存储器RAM1 存储器结构形式存储器结构形式 80C51单片机存储器包括单片机存储器包括程序存储器程序存储器ROM和和数据存储器数据存储器RAM，其结构形式：，其结构形式： 51单片机采用程序存储器

50、和数据存储器单片机采用程序存储器和数据存储器相互独立的相互独立的哈佛结构哈佛结构。控制程序和存取数据。控制程序和存取数据各有自己的各有自己的寻址空间寻址空间、寻址方式寻址方式（用不同指（用不同指令）和令）和控制系统控制系统。 而一般而一般PC机采用普林斯顿（或冯机采用普林斯顿（或冯.诺依曼）诺依曼）结构，程序存储器和数据存储器合用同一个结构，程序存储器和数据存储器合用同一个存储器系统。存储器系统。2 存储器的一般特点：存储器的一般特点：单片机存储器的基本特性和用途名名 称称程序存储器程序存储器ROM数据存储器数据存储器RAM用用 途途存放指令、常数、表格、公式等存放指令、常数、表格、公式等存放

51、缓冲数据、记录数据信息存放缓冲数据、记录数据信息存放形式存放形式程序固化在芯片内、只读、不丢失程序固化在芯片内、只读、不丢失数据通电保持、断电丢失数据通电保持、断电丢失寻址范围寻址范围64K范围范围64K范围范围编址形式编址形式片内外统一编址片内外统一编址片内片内/片外的片外的RAM地址重叠地址重叠控制方式控制方式硬件：硬件：/EA“1”片内，片内，“0”片外片外软件：软件：MOV片内片内/MOVX片外片外容容 量量片内片内0KB、1KB32KB，片外片外2KB-64KB片内片内128B/256B，片外片外2KB64KB工艺结工艺结构构 掩膜掩膜OM/EPROM/EEPROM/OTPDRAM/

52、SRAM/EEPROM/NOVRAM接口形式接口形式片外片外ROM通常为并行总线通常为并行总线片外片外RAM并行总线并行总线/I2C总线总线0000H图A24 80C51单片机存储器结构框图 片外 程序存储器外部 EA=0片外数据存储器 片内数据存储器（直接、间接寻址） 特殊 片内 功能 数据寄存器 存储器 51无（直接 （间接寻址） 寻址）内部EA=1FFFFH80C51单片机存储器结构映象图单片机存储器结构映象图FFFFH外部数据存储器 内部数据存储器程序存储器 FFH 0000H 00H7FH 80H 0FFFH 0000H （1）物理上分成）物理上分成4个存储器空间：个存储器空间： 片

53、内程序存储器、片外程序存储器；片内程序存储器、片外程序存储器； 片内数据存储器、片外数据存储器。片内数据存储器、片外数据存储器。 （2）逻辑上分成）逻辑上分成3个地址空间：个地址空间： 片内、片外统一编址的片内、片外统一编址的64KB程序存储器空间程序存储器空间； 片内片内256B的数据存储器地址空间；的数据存储器地址空间； 片外片外64KB的数据存储器空间。的数据存储器空间。 （3）在寻址方式上分成：直接寻址和间接寻址方式。）在寻址方式上分成：直接寻址和间接寻址方式。 （4）不同的存储空间采用）不同的存储空间采用3种不同的指令寻址：种不同的指令寻址： 对于片内或片外程序存储器查表，用对于片内

54、或片外程序存储器查表，用MOVC指令寻指令寻址；址； 对片内数据存储器传送数据用对片内数据存储器传送数据用MOV指令寻址；指令寻址； 对片外数据存储器读写用对片外数据存储器读写用MOVX指令寻址。指令寻址。3程序存储器（程序存储器（Program memory-Read only memory）一特点：一特点：（1）ROM类型有：掩膜类型有：掩膜ROM、EPROM、E2PROM、FLASH ROM、OTPROM。分成片内和片外两部分，由。分成片内和片外两部分，由EA引脚接高（低地址从片内引脚接高（低地址从片内ROM开始）或接地（低地址从片外开始）或接地（低地址从片外ROM开始）决定。片内、片外

55、统一编开始）决定。片内、片外统一编址，最大寻址范围址，最大寻址范围64KB。（2）51系列单片机64K字节程序存储器统一编址。l EA=1程序从片内ROM开始执行，当PC值超过片内ROM容量时会自动转向外部存储器空间。l EA=0程序从外部存储器开始执行。l 51系列单片机复位后PC=0000H,系统从0000H开始执行程序。安排一条跳转指令。l 0003H-0032H单元被保留专用于中断服务程序（入口地址）l 每个服务中断服务程序只有8个字节单元存放，显然不够，故此8个单元通常放一条跳转指令，指向被实际分配的中断服务程序段（3）程序存储器特定的复位入口地址）程序存储器特定的复位入口地址 MC

56、S-51单片机复位单片机复位/中断入口地址中断入口地址 入口地址入口地址名名 称称0000H复位后程序计数器复位后程序计数器PC地址地址0003H外部中断外部中断INT0入口地址入口地址000BH定时定时/计数器计数器T0溢出中断入口地址溢出中断入口地址0013H外部中断外部中断INT1入口地址入口地址001BH定时定时/计数器计数器T1溢出中断入口地址溢出中断入口地址0023H串行口接收串行口接收/发送中断入口地址发送中断入口地址002BH定时定时/计数器计数器T2溢出中断入口地址溢出中断入口地址注：仅注：仅80C52系列单片机有系列单片机有T2二程序运行控制操作有：二程序运行控制操作有：自

57、主操作：顺序执行、转移控制、复位和中断。自主操作：顺序执行、转移控制、复位和中断。（1）复位和中断由相应的硬件结构控制，它们的程序入口地址是固定的。）复位和中断由相应的硬件结构控制，它们的程序入口地址是固定的。（2）顺序执行顺序执行 PC+1（3）转移控制则是通过各种调用、返回、有条件和无条件转移）转移控制则是通过各种调用、返回、有条件和无条件转移,通过改变通过改变PC来实现。来实现。指令操作：查表指令操作：查表是通过基址偏址的间接寻址方式，共有两条指令：是通过基址偏址的间接寻址方式，共有两条指令： MOVC A，A+DPTR ； 将将 DPTR 中的地址加中的地址加 A中的偏移量，得到该单元

58、内容存中的偏移量，得到该单元内容存A。寻址范围为。寻址范围为64K，称，称长查表长查表指令。指令。 MOVC A，APC； 以以PC为基址寄存器，为基址寄存器，A为偏址数据，相加后的数作为地址，取出该地址为偏址数据，相加后的数作为地址，取出该地址单元的内容送累加器单元的内容送累加器A。表格只能放在。表格只能放在0255字节范围之内。称字节范围之内。称短查表短查表指令。指令。 4 数据存储器数据存储器一特点：一特点： 分成片内和片外分成片内和片外RAM，内外地址重叠。，内外地址重叠。 片外片外RAM寻址范围寻址范围0-64KB，只能用，只能用MOVX指令间接寻址；片内指令间接寻址；片内有有128

59、B/256B的的RAM，用，用MOV指令寻址。指令寻址。 片内片内80H-FFH为特殊功能寄存器为特殊功能寄存器SFR地址，用直接寻址。地址，用直接寻址。 片内片内0-7FH为为80C51固有片内固有片内RAM，可以直接或间接寻址；，可以直接或间接寻址；80H-FFH仅仅80C2单片机有，只能间接寻址。单片机有，只能间接寻址。 二片内二片内RAM功能划区功能划区 片内片内RAM的的00H-7FH功能划区：物理上分成放在功能划区：物理上分成放在工作寄存器区工作寄存器区，位寻位寻址区，数据缓冲区址区，数据缓冲区 三个区域，三个区域，应用中分成应用中分成工作寄存器区工作寄存器区，位寻址区位寻址区，数

60、据缓冲区数据缓冲区 和和 堆栈区堆栈区（1）00H-1FH为工作寄存器区，该区分成为工作寄存器区，该区分成4组，每组都有组，每组都有R0-R7八个工八个工 作寄存器（但地址不同）。由作寄存器（但地址不同）。由PSW.3(RS0)和和PSW.4(RS1)两位来两位来 选区。选区。（2）20H2FH为位寻址区，共为位寻址区，共16个字节单元个字节单元128位，位地址位，位地址00H-7FH（3）30H-7FH为数据缓冲区（也称用户为数据缓冲区（也称用户RAM区）；区）；（4）可浮动的堆栈区设在）可浮动的堆栈区设在07H为栈底的片内为栈底的片内RAM中合适的区域。中合适的区域。（5）片内）片内RAM