第二章 单片机硬件结构 (2)

1、2022-6-231微机原理及应用技术微机原理及应用技术李艳李艳 机械学院机械学院13524367946135243679462第二章第二章 MCS-51MCS-51系列单片机的结构系列单片机的结构l 本章内容：本章内容：1.1. 单片机基本原理单片机基本原理2.2. 单片机结构组成单片机结构组成3.3. 单片机引脚分布单片机引脚分布4. 存储器存储器5. 并行口并行口6. CPU7. 时钟电路时钟电路/复位电路复位电路31.1.单片机基本原理单片机基本原理单片机单片机程序程序由一条条由一条条指令指令组成，按一定形组成，按一定形式放在式放在存储器存储器中；中；第二章第二章 MCS-51系列单片

2、机的结构系列单片机的结构存储器由一个个存储器由一个个存储单元存储单元组成，并以组成，并以地址地址进行区分；进行区分；执行指令时，执行指令时， CPU从存储器中取出指令，从存储器中取出指令，分析并执行指令，执行完将结果放到分析并执行指令，执行完将结果放到指定存指定存储单元储单元中；中；所有数据和地址在所有数据和地址在总线总线中进行传输；所有中进行传输；所有执行过程通过控制总线来控制。执行过程通过控制总线来控制。41.1.单片机基本原理单片机基本原理单片机中有两种存储器：单片机中有两种存储器： 程序存放在程序存放在程序存储器程序存储器（ROM）中，数据以及中间中，数据以及中间结果存放在结果存放在数

3、据存储器数据存储器(RAM)中；中；第二章第二章 MCS-51系列单片机的结构系列单片机的结构存储单元中存放存储单元中存放8位二进制位二进制数，即数，即1个个字节字节。指令和数据以字节的形式存指令和数据以字节的形式存放在存储器中。放在存储器中。单片机中，指令以二进制数单片机中，指令以二进制数形式存在，称为形式存在，称为机器码机器码。数。数据称为据称为机器数机器数。51.1.单片机基本原理单片机基本原理单片机中有三种总线：单片机中有三种总线： 数据总线，数据总线，传送传送8位数据的双向位数据的双向公共通信线路，从公共通信线路，从CPU到存储器，或从存储器到到存储器，或从存储器到CPU ；第二章第

4、二章 MCS-51系列单片机的结构系列单片机的结构 地址总线，地址总线，传送地址的单向传送地址的单向公共通信线路，地址公共通信线路，地址只能从只能从CPU传向存储器；地址总线的传向存储器；地址总线的位数位数决定了决定了CPU可直接寻址的内存空间大小，单片机共有可直接寻址的内存空间大小，单片机共有16位位地址线，可寻址地址线，可寻址64KB空间。空间。 控制总线，控制总线，传送控制信号的双向传送控制信号的双向公共通信线路。公共通信线路。6第二章第二章 MCS-51MCS-51系列单片机的结构系列单片机的结构2.2.单片机结构组成单片机结构组成 单片机是在一块芯片上集成了单片机是在一块芯片上集成了

5、CPU、存储存储器器和和输入输入/输出接口输出接口，所有设备之间通过，所有设备之间通过总线总线进进行信息交换。行信息交换。CPUROMRAMI/O接口接口时钟时钟外部设备外部设备7第二章第二章 MCS-51MCS-51系列单片机的结构系列单片机的结构2.2. 80518051单片机结构组成单片机结构组成输入输出接口：输入输出接口：32个并行口、个并行口、1个串行口。个串行口。CPU，由运算器、控制器和指令寄存器组成。，由运算器、控制器和指令寄存器组成。存储器：存储器：4K程序存储器，程序存储器，128B数据存储数据存储器，都可扩展到器，都可扩展到64KB。l时钟电路，时钟电路，+5V电源。电源

6、。总线：总线：由导线组成的传输线束，是由导线组成的传输线束，是CPU、内存、内存、I/O设备传递信息的公用通道。设备传递信息的公用通道。 8第二章第二章 MCS-51MCS-51系列单片机的结构系列单片机的结构存放特殊功存放特殊功能寄存器，能寄存器，以及用户数以及用户数据。据。存放程序、常数等。存放程序、常数等。与外部设备进行数与外部设备进行数据交换。据交换。核心单片，核心单片，发送控制信发送控制信号、计算并号、计算并暂存数据。暂存数据。9第二章第二章 MCS-51MCS-51系列单片机的结构系列单片机的结构3.3. MCS-51MCS-51系列单片机分类系列单片机分类型号型号片内片内RAM容

7、量容量/B片内片内ROM容量容量/KB片内片内EPROM容量容量/KB寻址范寻址范围围/KBI/O口类型口类型定时器定时器/计计数器数器并行口并行口串行口串行口中断源中断源8031128-642x16b4x8b1580C31128-642x16b4x8b1580511284-642x16b4x8b1580C511284-642x16b4x8b158951128-4642x16b4x8b1589C51128-4642x16b4x8b158032256-643x16b4x8b1680C32256-643x16b4x8b1680522568-643x16b4x8b1680C522568-643x16

8、b4x8b168952256-4643x16b4x8b1689C52256-4643x16b4x8b16104.4. 80518051单片机引脚分布单片机引脚分布( (引脚排列图引脚排列图) )第二章第二章 MCS-51MCS-51系列单片机的结构系列单片机的结构1)1) 电源引脚：电源引脚：+5v+5v电源引脚电源引脚Vcc(40)Vcc(40)接地引脚接地引脚Vss(20)Vss(20)2)2) 时钟电路引脚：时钟电路引脚：XTAL1(18) XTAL1(18) XTAL2(19)XTAL2(19)114.4. 80518051单片机引脚分布单片机引脚分布( (引脚排列图引脚排列图) )第

9、二章第二章 MCS-51MCS-51系列单片机的结构系列单片机的结构3) 控制信号引脚：控制信号引脚：复位引脚：复位引脚：RST/Vpd；扩展用：扩展用：ALE/PROG；扩展用：扩展用： /PSEN；扩展用：扩展用： /EA/Vpp。124.4. 80518051单片机引脚分布单片机引脚分布( (引脚排列图引脚排列图) )第二章第二章 MCS-51MCS-51系列单片机的结构系列单片机的结构4)4) 输入输出接口：输入输出接口： 8 8引脚的引脚的P0P0口；口；8 8引脚的引脚的P1P1口；口；8 8引脚的引脚的P2P2口；口；8 8引脚的引脚的P3P3口。口。都可作为输入输出接口，建都可

10、作为输入输出接口，建立单片机与外界的联系。立单片机与外界的联系。134.4. 80518051单片机引脚分布单片机引脚分布第二章第二章 MCS-51MCS-51系列单片机的结构系列单片机的结构引脚功能图引脚功能图14第二章第二章 MCS-51MCS-51系列单片机的结构系列单片机的结构l单片机中存储器分两种：单片机中存储器分两种：v 程序存储器程序存储器 ：存放程序和表格常数：存放程序和表格常数 。可扩展外。可扩展外部部ROM到到64KB， ROM/EPROM/E2PROMv 数据存储器数据存储器 ：存放中间结果，暂存数据。可扩：存放中间结果，暂存数据。可扩展到展到64KB， RAM 5.5.

11、 存储器存储器v弄清内部数据存储器的结构和地址分配是本课程弄清内部数据存储器的结构和地址分配是本课程十分重要的内容。十分重要的内容。15第二章第二章 MCS-51MCS-51系列单片机的结构系列单片机的结构l80518051单片机中数据的存储单片机中数据的存储数据存放在存储器中，每个地址存放一个数据存放在存储器中，每个地址存放一个字节字节的数据；的数据；有多少个地址有多少个地址（地址空间）（地址空间），就表示可存储多，就表示可存储多少数据少数据（存储空间）（存储空间）；5.5. 存储器存储器对数据对数据存储器，单片机存储空间为存储器，单片机存储空间为128B，即，即地地址范围是：址范围是：00

12、H7FH;对对程序程序存储器，存储空间为存储器，存储空间为4K，即，即地址范围是：地址范围是：0000H0FFFH;16第二章第二章 MCS-51MCS-51系列单片机的结构系列单片机的结构l单片机中程序存储器的地址空间分布单片机中程序存储器的地址空间分布5. 存储器存储器ROMROM地址空间分布与地址空间分布与/EA引脚有关。引脚有关。/EA为低电平为低电平0，程序从外部存储器开始存放；，程序从外部存储器开始存放；/EA为高电平为高电平1，程序从内部存储器开始存放，内，程序从内部存储器开始存放，内部部4KB空间不够，再从外部存储器接着存放。空间不够，再从外部存储器接着存放。8031，8051

13、的区别。的区别。8031单片机无内部程序存储器，应用时必须扩展外单片机无内部程序存储器，应用时必须扩展外部程序存储器，指令在外部部程序存储器，指令在外部ROM存放，并将存放，并将/EA引引脚接低电平。脚接低电平。17第二章第二章 MCS-51系列单片机的结构系列单片机的结构单片机中存储器和寄存器单片机中存储器和寄存器8051单片机内部存储器指单片机内部存储器指4K程序存储器和程序存储器和128字字节的数据存储器。节的数据存储器。外部存储器则是指单片机通过数据、地址和控外部存储器则是指单片机通过数据、地址和控制总线连接外部存储器芯片，使制总线连接外部存储器芯片，使CPU可读取和可读取和修改外部存

14、储器内容。修改外部存储器内容。外部存储器包括程序存储器和数据存储器，最外部存储器包括程序存储器和数据存储器，最大都是大都是64KB。5. 存储器存储器RAM寄存器属于内部寄存器属于内部RAM的一部分，与的一部分，与128字节数据存字节数据存储空间不同的是，储空间不同的是，CPU读写寄存器速度更快；读写寄存器速度更快；同时寄存器控制单片机中的定时器、中断、串行口同时寄存器控制单片机中的定时器、中断、串行口以及电源等。以及电源等。18第二章第二章 MCS-51MCS-51系列单片机的结构系列单片机的结构5. 存储器存储器ROM程序程序存储器地址分布图存储器地址分布图19第二章第二章 MCS-51M

15、CS-51系列单片机的结构系列单片机的结构l程序程序存储器存储器ROM51单片机地址线单片机地址线16位，可扩展的最大程序空间为位，可扩展的最大程序空间为64K；整个整个ROM分为片内和片外，分为片内和片外，CPU访问哪一个，由控制访问哪一个，由控制引脚引脚EA决定；（决定；（对于对于8031，EA固定接低电平，固定接低电平，对于对于8051，8751等，等， EA一般接高电平）一般接高电平）5. 存储器存储器ROM存储器中存在地址重叠，片内和片外存储器中存在地址重叠，片内和片外0000H-0FFFH地地址重叠，在单片机中通过址重叠，在单片机中通过不同指令不同指令来自动区分；来自动区分；系统系

16、统复位复位(reset)后，程序入口地址在后，程序入口地址在0000H。20第二章第二章 MCS-51MCS-51系列单片机的结构系列单片机的结构l程序程序存储器存储器ROM入口地址（入口地址（P10.表表2.2） 00000002H 初始化程序入口。初始化程序入口。 0003H-002AH 5个中断处理程序入口个中断处理程序入口。 002BH- 用户程序。用户程序。5. 存储器存储器ROM21第二章第二章 MCS-51系列单片机的结构系列单片机的结构l单片机中单片机中RAM的地址的地址5. 存储器存储器RAM内部内部RAM(128B)特殊特殊功能功能寄存寄存器器SFR外部外部RAM(64K)

17、FFH80H7FH00H0000HFFFFH8051RAM地址空间地址空间内部内部RAM(高高128B)FFH 80H (80328052)22第二章第二章 MCS-51系列单片机的结构系列单片机的结构片内数据存储器空间为片内数据存储器空间为128B，编址为，编址为00H-7FH；5. 存储器存储器RAM00H-1FH为为4组工作寄存组工作寄存器区；器区；20H-2FH既可作为字节既可作为字节地址，也可作为位寻址；地址，也可作为位寻址；30H -7FH作为数据存储作为数据存储区，存放中间数据；区，存放中间数据；80H - FFH为特殊功能寄为特殊功能寄存器区。存器区。23第二章第二章 MCS-

18、51系列单片机的结构系列单片机的结构l 通用工作寄存器区（通用工作寄存器区（00H-1FH）共共8个通用工作寄存器个通用工作寄存器R0R7；存取速度快，快速保护现场；存取速度快，快速保护现场；5. 存储器存储器RAMMOV PSW,#08H；为；为PSW赋值，取（赋值，取（08H-0FH）为工作寄存器组。为工作寄存器组。INC R0；寄存器；寄存器R0里面的值里面的值+1DEC R1；寄存器；寄存器R1里面的值里面的值-1共共4组组R0-R7, 任选其中一组使用；任选其中一组使用；由寄存器由寄存器PSW（程序状态字）（程序状态字）决定使用哪一组。决定使用哪一组。其余地址单元作为其余地址单元作为

19、RAM使用。使用。24l 位寻址区位寻址区(20H-2FH) P12表表2.4 共共16个字节，个字节，128个位；个位； 既可按字节寻址，又可按位寻址；既可按字节寻址，又可按位寻址； 地址分配如表地址分配如表2.4（P20）； 可进行位变量的传送、控制、逻辑运算等操作。可进行位变量的传送、控制、逻辑运算等操作。5. 存储器存储器RAMMOV C, 07H；将位地址；将位地址07H（即（即RAM中中20H的的D7位）位）的值送到进位标志位的值送到进位标志位C中。中。SETB 1FH；位地址；位地址1FH的值置的值置1。第二章第二章 MCS-51系列单片机的结构系列单片机的结构25l 数据缓冲区

20、数据缓冲区存放用户数据，或者中间结果。存放用户数据，或者中间结果。指令举例：指令举例：MOV 30H, #00H；30H00HMOV 31H, A ；31H(A)MOV R0, 30H ；R0(30H)INC 31H ； 31H(31H)+1DEC 30H ； 30H(30H)-1第二章第二章 MCS-51系列单片机的结构系列单片机的结构5. 存储器存储器RAM26l 特殊功能寄存器特殊功能寄存器SFR，见，见P14表表2.5特殊功能寄存器，与用户数据区相比，读取速度更特殊功能寄存器，与用户数据区相比，读取速度更快，控制单片机的定时器、中断、串行口等。快，控制单片机的定时器、中断、串行口等。2

21、1个个8位的位的SFR，离散分布在地址为，离散分布在地址为80H-FFH的空的空间上，其他剩余空间不可用。间上，其他剩余空间不可用。包括：累加器包括：累加器A，寄存器，寄存器B，程序状态字，程序状态字PSW，堆，堆栈指针栈指针SP，数据指针，数据指针DPTR；四个并行四个并行I/O口：口：P0P3；定时器控制、中断控制、串行口控制、电源控制寄定时器控制、中断控制、串行口控制、电源控制寄存器。存器。5. 存储器存储器RAM第二章第二章 MCS-51系列单片机的结构系列单片机的结构27l 累加器累加器A，ACC最常用的专用寄存器：最常用的专用寄存器：与与CPU联系最多的寄存器。联系最多的寄存器。参

22、与所有算术运算、逻辑运算；参与所有算术运算、逻辑运算；ACC，表示地址为，表示地址为E0H的寄存器；的寄存器；A ，表示累加器。，表示累加器。5. 存储器存储器RAM第二章第二章 MCS-51系列单片机的结构系列单片机的结构举例：举例：MOVA, 30H ; A(30H)ADD A, R028l 寄存器寄存器B多用于乘法和除法；多用于乘法和除法；一般作为通用寄存器使用。一般作为通用寄存器使用。4. 存储器存储器RAM第二章第二章 MCS-51系列单片机的结构系列单片机的结构举例：举例：MUL AB ; A A*B MOV B, 30H;B(30H)29l 程序状态字程序状态字 PSW4. 存储

23、器存储器RAM怎样选择怎样选择工作寄存工作寄存器组器组?第二章第二章 MCS-51系列单片机的结构系列单片机的结构30l 程序状态字程序状态字 PSW反映指令的执行状态，可用于查询和判别反映指令的执行状态，可用于查询和判别累加器当前状态。累加器当前状态。4. 存储器存储器RAM第二章第二章 MCS-51系列单片机的结构系列单片机的结构Cy 累加器累加器A的的进位标志位；进位标志位；Ac 累加器累加器A的的半进位标志位；半进位标志位；F0 可用户使用的标志位；可用户使用的标志位；OV累加器累加器A的的补码运算溢出标志位；补码运算溢出标志位；P 累加器累加器A的的奇偶校验位，偶校验。奇偶校验位，偶

24、校验。31l 堆栈指针堆栈指针SP 堆栈数据存储器内一种特殊的数据存储结构。堆栈数据存储器内一种特殊的数据存储结构。 程序调用时，保护其中必要的参数：程序调用时，保护其中必要的参数：A，PSW等等入栈入栈。 程序返回，恢复参数：程序返回，恢复参数：出栈出栈。4. 存储器存储器RAM第二章第二章 MCS-51系列单片机的结构系列单片机的结构32l 堆栈指针堆栈指针SP，对堆栈进行操作的寄存器。，对堆栈进行操作的寄存器。复位后复位后SP指向指向07H入栈：入栈：SP先加先加1，再将，再将断点断点进栈；进栈；出栈：出栈： SP先先断点断点出栈，再减出栈，再减1。先进后出，后进先出先进后出，后进先出。

25、第二章第二章 MCS-51系列单片机的结构系列单片机的结构4. 存储器存储器RAM33l数据地址指针数据地址指针DPTR指向（存放）外部数据存储器地址的寄存器；指向（存放）外部数据存储器地址的寄存器； 16位的寄存器；位的寄存器； 由两个由两个8位的位的SFR组成：组成：DPH和和DPL； 可寻找可寻找64K地址范围内的数据：地址范围内的数据：地址范围：地址范围：0000HFFFFH第二章第二章 MCS-51系列单片机的结构系列单片机的结构4. 存储器存储器RAM指令举例：指令举例：MOV DPTR, #2000H; DPTR 2000HMOVX A, DPTR; A(2000H)34l四个结

26、构和功能各异的四个结构和功能各异的I/O端口端口P0口口5. 并行并行I/O口口 内部由内部由锁存器、锁存器、MOS管和三态门管和三态门组成；组成；用作双向用作双向I/O口；口；作输出用电路图作输出用电路图：第二章第二章 MCS-51系列单片机的结构系列单片机的结构35P0口口 作输入用电路图：作输入用电路图：5. 并行并行I/O口口 第二章第二章 MCS-51系列单片机的结构系列单片机的结构用作读用作读-修改修改-写指令：写指令：MOV A, P0；A(P0)ANL P0, A ； P0(A)(P0)36l四个结构和功能各异的四个结构和功能各异的I/O端口端口P0口口5. 并行并行I/O口口

27、 可扩展做数据总线可扩展做数据总线/低低8位地址总线分时复用。位地址总线分时复用。第二章第二章 MCS-51系列单片机的结构系列单片机的结构与与P0口用作口用作I/O口时相同。口时相同。主要用于扩展地址线高主要用于扩展地址线高8位。位。P2口口37l四个结构和功能各异的四个结构和功能各异的I/O端口端口P1口口5. 并行并行I/O口口 一般用作通用一般用作通用I/O口；与口；与P0口用作口用作I/O口时相同。口时相同。第二章第二章 MCS-51系列单片机的结构系列单片机的结构用作用作I/O口时与口时与P0口相同。口相同。主要用于第二功能。主要用于第二功能。P3口口38l 8位位CPU， 由运算

28、器由运算器ALU，控制器组成。，控制器组成。l其主要的性能指标：其主要的性能指标： 时钟频率，也叫主频。由外部振荡器提供。时钟频率，也叫主频。由外部振荡器提供。 8位字长。位字长。 数据处理功能：算术运算；数据处理功能：算术运算； 位操作；位操作； 逻辑操作；逻辑操作； 数据传送操作。数据传送操作。 6. CPU 第二章第二章 MCS-51系列单片机的结构系列单片机的结构39l 时钟电路时钟电路为单片机工作提供时间基准；时钟频率决定了单为单片机工作提供时间基准；时钟频率决定了单片机的工作速度。片机的工作速度。6. CPU 第二章第二章 MCS-51系列单片机的结构系列单片机的结构使用内部时钟电

29、路使用内部时钟电路40l CPU的时钟的时钟CPU执行指令是在时钟控制下进行的。执行指令是在时钟控制下进行的。几个重要概念：几个重要概念：1.时钟周期时钟周期：即单片机时钟电路中晶振的振荡周期。：即单片机时钟电路中晶振的振荡周期。 fosc=12MHz，即时钟周期为，即时钟周期为1/fosc。2.机器周期机器周期：CPU完成一个完成一个基本操作基本操作所需要的时间，所需要的时间，为为12个时钟周期。个时钟周期。即：即：1个机器周期个机器周期=12*(1/ fosc)=1s。3.时序时序： CPU执行指令的时间顺序。执行指令的时间顺序。6. CPU 第二章第二章 MCS-51系列单片机的结构系列单片机的结构41lCPU的时序的时序CPU执行执行1条指令，包括以下基本操作：条指令，包括以下基本操作：取指令取指令：根据地址从存储器中取出指令，送到指令：根据地址从存储器中取出指令，送到指令译码器，之后译码器，之后程序地址指针程序地址指针PC+1;译码：分析指令译码：分析指令执行