第七章单片微型计算机的基本原理与结构.

1、第七章第七章 单片微型计算机的基本原理与结构单片微型计算机的基本原理与结构 单片机问世时间不长。从单片机问世时间不长。从19751975年美国年美国TEXASTEXAS公司公司研制出研制出TMS1000TMS1000系列系列4 4位单片机开始，到现在只不过位单片机开始，到现在只不过二十多年。但单片机的发展很快，种类很多，从二十多年。但单片机的发展很快，种类很多，从1 1位、位、4 4位、位、8 8位发展到位发展到1616位、位、3232位，集成度愈来愈高，位，集成度愈来愈高，功能愈来愈强。目前，在材料加工过程中应用较多功能愈来愈强。目前，在材料加工过程中应用较多的是的是INTELINTEL公司

2、生产的公司生产的MCSMCS5151系列的单片机系统。系列的单片机系统。例如，交流点焊机的自动控制系统、热处理炉的温例如，交流点焊机的自动控制系统、热处理炉的温度控制以及温度检测智能仪表，其核心部件均采用度控制以及温度检测智能仪表，其核心部件均采用单片机应用系统。单片机应用系统。 7 71 1 单片机基本结构单片机基本结构一、一、MCSMCS5151系列单片机的结构系列单片机的结构（一）（一）80518051单片机的内部结构单片机的内部结构 MCSMCS5151系列单片机采用模块式结构，其内部结构框图系列单片机采用模块式结构，其内部结构框图如图如图7 71 1所示。所示。 图图7 71 805

3、11 8051内部结构框图内部结构框图主要由以下几个部分组成：主要由以下几个部分组成： 1 1个个8 8位的中央处理器（位的中央处理器（CPUCPU）；）；4K4K字节程序存储器字节程序存储器（ROMROM）；）；128128字节数据存储器（字节数据存储器（RAMRAM）；）；3232位可编程并行位可编程并行I/OI/O口（四个口（四个8 8位口位口P0P0、P1P1、P2P2、P3P3）；一个可编程全双工）；一个可编程全双工串行口；串行口；2 2个个1616位定时器计数器；特殊功能寄存器位定时器计数器；特殊功能寄存器（SFRSFR）；）；5 5个中断源，两个优先级嵌套中断结构；一个片个中断源

4、，两个优先级嵌套中断结构；一个片内振荡器和时钟电路。内振荡器和时钟电路。 这些部件都是通过片内总线连接而成。这些部件都是通过片内总线连接而成。80518051还可寻址还可寻址外部程序存储器和数据存储器，并具有位寻址功能和较强的外部程序存储器和数据存储器，并具有位寻址功能和较强的布尔（位）处理能力。布尔（位）处理能力。 1.1.微处理器微处理器微处理器是单片机的核心部件，它决定了单片机的主要功微处理器是单片机的核心部件，它决定了单片机的主要功能特性。微处理器主要由运算器部件和控制部件组成。能特性。微处理器主要由运算器部件和控制部件组成。运算器部件包含算术逻辑运算器部件包含算术逻辑ALUALU、布

5、尔处理器、累加器、布尔处理器、累加器AccAcc、寄存器、寄存器B B、程序状态字寄存器、程序状态字寄存器PSWPSW以及十进制调整电以及十进制调整电路等。运算部件的功能是实现数据的算术逻辑运算、位路等。运算部件的功能是实现数据的算术逻辑运算、位变量处理和数据传递操作。它不仅可对变量处理和数据传递操作。它不仅可对8 8位变量进行逻辑位变量进行逻辑操作，还可以进行加、减、乘、除等基本运算。为了乘、操作，还可以进行加、减、乘、除等基本运算。为了乘、除运算的需要，设置了除运算的需要，设置了B B寄存器。在执行乘法运算指令时，寄存器。在执行乘法运算指令时，用来存放一个乘数或被乘数，乘法运算后用于存放乘

6、积用来存放一个乘数或被乘数，乘法运算后用于存放乘积的高的高8 8位；在执行除法运算指令时，位；在执行除法运算指令时，B B寄存器存放除数，寄存器存放除数，除法运算后除法运算后B B中存放余数。中存放余数。运算部件中的累加器运算部件中的累加器AccAcc是一个是一个8 8位的累加器（位的累加器（AccAcc也可简也可简写为写为A A）。从功能上看，它与一般微机的累加器没有什么）。从功能上看，它与一般微机的累加器没有什么特别之处。特别之处。2. 2. 控制部件控制部件 含含时钟电路时钟电路、复位电路复位电路、指令寄存器指令寄存器、译码器译码器以及以及信息传送控制信息传送控制部件。它以主振频率为基准

7、发出部件。它以主振频率为基准发出CPUCPU的时序的时序信号，对指令进行译码，然后发出各种控制信号，完成信号，对指令进行译码，然后发出各种控制信号，完成一系列定时控制的操作，控制单片机各部分的运行。其一系列定时控制的操作，控制单片机各部分的运行。其中有一些控制信号线能简化应用系统的外围控制逻辑。中有一些控制信号线能简化应用系统的外围控制逻辑。如控制地址锁存信号如控制地址锁存信号ALEALE，控制片外程序存储器运行的片，控制片外程序存储器运行的片内外存储器选片信号以及片外取指令信号。内外存储器选片信号以及片外取指令信号。 7 72 2 振荡器、时钟电路及时序振荡器、时钟电路及时序 振荡电路和单片

8、机内部的时钟电路一起构成了单片振荡电路和单片机内部的时钟电路一起构成了单片机的时钟方式，根据硬件电路的不同，连接方式分为内机的时钟方式，根据硬件电路的不同，连接方式分为内部时钟方式和外部时钟方式。同时，振荡周期和时钟周部时钟方式和外部时钟方式。同时，振荡周期和时钟周期又决定了期又决定了CPUCPU的时序。的时序。1.1.振荡电路和时钟电路振荡电路和时钟电路(a)(a)(b)图图7 72 2 时钟电路时钟电路单片机的内部有一个高增单片机的内部有一个高增益反相放大器构成振荡电益反相放大器构成振荡电路，图路，图7 71 1及图及图7 72 2中中XTALXTAL1 1和和XTALXTAL2 2引脚分

9、别是引脚分别是此放大器的输入和输出端。此放大器的输入和输出端。在两脚之间跨接晶体振荡在两脚之间跨接晶体振荡器，就构成稳定的自激振器，就构成稳定的自激振荡器。荡器。 v图图7 72 2（a a）中）中C C1 1和和C C2 2通常取通常取30pF30pF左右的电容，振荡器频左右的电容，振荡器频率范围为率范围为1.21.212MH12MHZ Z，常取，常取6MH6MHZ Z。v80518051也可使用外部时钟脉冲，也就是单片机的外部时钟也可使用外部时钟脉冲，也就是单片机的外部时钟方式。外部时钟信号由方式。外部时钟信号由XTALXTAL2 2端输入，如图端输入，如图7 72 2（b b）所示。）所

10、示。要求外部时钟的频率，一般低于要求外部时钟的频率，一般低于12MHZ12MHZ。图图7 72 2 时钟电路时钟电路2 2CPUCPU时序及有关概念时序及有关概念 一条指令可以分解为若干基本的微操作，而这些微一条指令可以分解为若干基本的微操作，而这些微操作所对应的脉冲信号，在时间上有严格的先后次序，操作所对应的脉冲信号，在时间上有严格的先后次序，这些次序就是计算机的时序。时序是非常重要的概念，这些次序就是计算机的时序。时序是非常重要的概念，它指明单片机内部以及内部与外部相互联系所遵守的规它指明单片机内部以及内部与外部相互联系所遵守的规律。首先介绍以下几个常用的概念：律。首先介绍以下几个常用的概

11、念： 振荡周期振荡周期 是指为单片机提供定时信号的振荡源的周期。是指为单片机提供定时信号的振荡源的周期。 指令周期指令周期 是执行一条指令所用的全部时间，一个指令周期通常是执行一条指令所用的全部时间，一个指令周期通常含有含有1 14 4个机器周期。个机器周期。时钟周期（状态周期或时钟周期（状态周期或S S周期）周期） 因为时钟发生器就是因为时钟发生器就是2 2分频触发器，所以它是振荡周分频触发器，所以它是振荡周期的两倍，时钟周期被分成两个节拍，即期的两倍，时钟周期被分成两个节拍，即P1P1节拍和节拍和P2P2节节拍。在每个时钟的前半周期，拍。在每个时钟的前半周期，P1P1信号有效，此时通常完信

12、号有效，此时通常完成算术逻辑操作；在每个时钟的后半周期，成算术逻辑操作；在每个时钟的后半周期，P2P2信号有效，信号有效，一般进行内部寄存器与寄存器的信号传输。一般进行内部寄存器与寄存器的信号传输。机器周期机器周期 一个机器周期由一个机器周期由6 6个状态（个状态（1212个振荡脉冲）组成，即个振荡脉冲）组成，即6 6个时钟周期，个时钟周期，1212个振荡周期，并可依次表示为个振荡周期，并可依次表示为S1P1S1P1（状（状态态1 1拍拍1 1）、）、S1P2S1P2（状态（状态1 1拍拍2 2）、）、S6P1S6P1（状态（状态6 6拍拍1 1）。每个机器周期完成某些规定操作。）。每个机器周

13、期完成某些规定操作。 以上四种周期的相互关系可用图以上四种周期的相互关系可用图7 73 3表示，表示， 若单片机的外接晶振为若单片机的外接晶振为12MH12MHZ Z，那末振荡周期为，那末振荡周期为1/12s1/12s；时钟周期为；时钟周期为1/6s1/6s；机器周期为；机器周期为1s1s；指令；指令周期为周期为1 14s4s图图7 73 3 单片机各种周期的相互关系单片机各种周期的相互关系图图7 74 4 80518051单片机单片机取指令取指令/ /执执行指令时序行指令时序 列出了几列出了几种典型指令的种典型指令的CPUCPU取指令和取指令和执行指令的时执行指令的时序。序。 图中（图中（a

14、 a）和（和（b b）分别表）分别表示单字节单周期示单字节单周期和双字节单周期和双字节单周期指令时序，在任指令时序，在任何情况下，这两何情况下，这两条 指 令 都 会 在条 指 令 都 会 在S6P2S6P2结束时完成结束时完成操作。操作。 图中（图中（c c）表示单字节双周表示单字节双周期指令的时序，期指令的时序，在两个机器周期在两个机器周期内发生内发生4 4次读操次读操作码的操作，但作码的操作，但由于是单字节指由于是单字节指令，所以，后令，所以，后3 3次操作都是无效次操作都是无效的。的。 图中（图中（d d）表示访问外部数表示访问外部数据存储器的时序，据存储器的时序，是一条多字节双是一条

15、多字节双周期指令。一般周期指令。一般情况下，情况下，2 2个指个指令码字节在一个令码字节在一个机器周期内从程机器周期内从程序存储器中取出，序存储器中取出，而在而在MOVXMOVX执行期执行期间，少执行两次间，少执行两次取指操作。取指操作。7 73 3 存储器与特殊功能寄存器存储器与特殊功能寄存器 80518051单片机中的存储器包含程序存储器、数据存储器。单片机中的存储器包含程序存储器、数据存储器。1 1程序存储器程序存储器 80518051单片机内有单片机内有4K4K字节的程序存储器字节的程序存储器ROMROM，片外可，片外可以扩展以扩展64KB64KB的的ROMROM，片内外统一编址。用引

16、脚控制内外，片内外统一编址。用引脚控制内外寻址。寻址。 当当 1 1（引脚为高电平）时，片内外统一编址，（引脚为高电平）时，片内外统一编址，片内片内ROMROM地址范围地址范围0000H0000H0FFFH0FFFH，片外，片外ROMROM从从1000H1000HFFFFHFFFFH； 当当 0 0（引脚为低电平）时，只能片外寻址，如（引脚为低电平）时，只能片外寻址，如80318031芯片，无内部芯片，无内部ROMROM，只能用片外，只能用片外1616位地址扩展的位地址扩展的ROMROM，地址范围为地址范围为0000H0000HFFFFHFFFFH。EAEAEAEA 需要需要注意注意的是程序的

17、是程序存储器中有存储器中有6 6个地址单元个地址单元具有特殊功能，用于复具有特殊功能，用于复位和中断入口地址，如位和中断入口地址，如表表2 21 1所示。所示。地址单元地址单元功功 能能 说说 明明0000H0000H程序的起始地址（系统程序的起始地址（系统程序从程序从0000H0000H开始执行开始执行) )0003H0003H外部中断外部中断0 0入口地址入口地址000BH000BH定时器定时器0 0溢出中断入口溢出中断入口地址地址0013H0013H外部中断外部中断1 1入口地址入口地址001BH001BH定时器定时器1 1溢出中断入口溢出中断入口地址地址0023H0023H串行口入口地

18、址串行口入口地址表表2 21 80511 8051单片机复位、中断入口地址单片机复位、中断入口地址2. 2. 数据存储器数据存储器 80518051片内有片内有256256个字节的个字节的数据存储器数据存储器RAMRAM。数据存储。数据存储器采用器采用8 8位地址，最大可寻位地址，最大可寻址址256256个单元。个单元。 80518051单片机将单片机将256256个单元个单元分为两部分，低分为两部分，低128128个单元个单元（00H00H7FH7FH）为通用工作寄）为通用工作寄存器区、位寻址区和用户堆存器区、位寻址区和用户堆栈区。高栈区。高128128个单元为特殊个单元为特殊功能寄存器（功

19、能寄存器（SFRSFR）区。）区。 （1 1）片内片内RAMRAM低低128128字节字节各区的地址分配如左表所示，各区的地址分配如左表所示， 7FH7FH用户用户RAMRAM区（堆栈、数据缓冲）区（堆栈、数据缓冲）30H30H2FH2FH位寻址区位寻址区20H20H1FH1FH第第3 3工作寄存器工作寄存器18H18H17H17H第第2 2工作寄存器工作寄存器10H10H0FH0FH第第1 1工作寄存器工作寄存器08H08H07H07H第第0 0工作寄存器工作寄存器00H00H 工作寄存器共四组（工作寄存器共四组（0 03 3组），每组有组），每组有8 8个寄存器，个寄存器，共有共有3232

20、个寄存器，占个寄存器，占3232个地址单元个地址单元00H00H1FH1FH。组号由程。组号由程序状态字序状态字PSWPSW中的中的RS1RS1、RS0RS0两位状态决定，表两位状态决定，表2 22 2给出了给出了工作寄存器地址及组号分配情况。工作寄存器地址及组号分配情况。组组RS1RS0R0R1R2R3R4R5R6R700000H01H02H03H04H05H06H07H10108H09H0AH0BH0CH0DH0EH0FH21010H11H12H13H14H15H16H17H31118H19H1AH1BH1CH1DH1EH1FH表表2 22 2 工作寄存器地址与组号分布工作寄存器地址与组号

21、分布（2 2）特殊功能寄存器（）特殊功能寄存器（SFRSFR） 程序计数器指针程序计数器指针PCPC97H97H电源控制电源控制PCONPCON0B8H0B8H中断优先级控制中断优先级控制IPIP99H99H串行数据缓存器串行数据缓存器SBUFSBUF0B0H0B0H输入输出输入输出3 3口口P3P398H98H串口控制串口控制SCONSCON0A0H0A0H输入输出输入输出2 2口口P2P28BH8BH定时器计数器定时器计数器1 1初值低字节初值低字节TL1TL190H90H输入输出输入输出1 1口口P1P18DH8DH定时器计数器定时器计数器1 1初值高字节初值高字节TH1TH180H80

22、H输入输出输入输出0 0口口P0P08AH8AH定时器计数器定时器计数器0 0初值低字节初值低字节TL0TL083H83H和和82H82H数据指针（数据指针（DPHDPH和和DPLDPL）DPTRDPTR8CH8CH定时器计数器定时器计数器0 0初值高字节初值高字节TH0TH081H81H堆栈指针堆栈指针SPSP88H88H定时器计数器控制定时器计数器控制TCONTCON0D0H0D0H程序状态字程序状态字PSWPSW89H89H定时器计数器方式控制定时器计数器方式控制TMODTMOD0F0H0F0HB B寄存器寄存器B B0A8H0A8H允许中断控制允许中断控制IEIE0E0H0E0H累加器

23、累加器ACCACC地地 址址名名 称称标识符标识符地地 址址名名 称称标识符标识符80518051单片机共有单片机共有2121个特殊功能寄存器，分布在片内个特殊功能寄存器，分布在片内RAMRAM的的80H80HFFHFFH地址范围内，这些寄存器的功能与地址见下表。地址范围内，这些寄存器的功能与地址见下表。7 75 80515 8051引脚及功能引脚及功能vMCSMCS5151系列单片机有系列单片机有4040个引脚，采用双列直个引脚，采用双列直插（插（DIPDIP）封装形式，）封装形式，使用方便。使用方便。80518051（或（或80318031）引脚如图）引脚如图7 76 6所所示。示。图图7

24、 76 80516 8051引脚图引脚图1 1电源引脚电源引脚 VccVcc（4040脚），供电电脚），供电电源，源，5V5V。VssVss（2020脚），接地线。脚），接地线。图图7 76 80516 8051引脚图引脚图2 2时钟电路引脚时钟电路引脚 XTAL1XTAL1（1818脚）和脚）和XTAL2XTAL2（1919脚），使脚），使用和连接方法见图用和连接方法见图7 72 2。图图7 76 80516 8051引脚图引脚图3 3控制信号引脚控制信号引脚（1 1）RST/VPDRST/VPD（9 9脚）脚） 在该脚上输入在该脚上输入2 2个时个时钟周期宽度以上的高电钟周期宽度以上的高电

25、平，可实现复位。平，可实现复位。 单片机的复位方式单片机的复位方式由上电复位和手动复位。由上电复位和手动复位。 该引脚还有复用功该引脚还有复用功能，若将能，若将VPDVPD接接5V5V备备用电源，当芯片在使用用电源，当芯片在使用中中VccVcc电压突然下降或电压突然下降或断电（掉电或失电）时，断电（掉电或失电）时，能保护片内能保护片内RAMRAM中的信中的信息不丢失。息不丢失。图图7 76 80516 8051引脚图引脚图（2 2）ALEALE （3030脚）脚） 访问片外存储访问片外存储器时，器时，ALEALE作为锁存作为锁存扩展地址的低字节扩展地址的低字节的控制信号。的控制信号。 另外，对

26、于另外，对于87518751片内片内EPROMEPROM编程编程（固化）时，此引（固化）时，此引脚用于输入编程脉脚用于输入编程脉冲。冲。图图7 76 80516 8051引脚图引脚图PROG（3 3） （2929脚）脚） 在访问片外程在访问片外程序存储器时，此脚序存储器时，此脚输出负脉冲作为存输出负脉冲作为存储器的读选通信号。储器的读选通信号。图图7 76 80516 8051引脚图引脚图PROG（4 4） VppVpp（3131脚）脚） 当当 端输入高电端输入高电平时，平时，CPUCPU执行低执行低4KB4KB地地址范围内的片内程序存址范围内的片内程序存储器中的程序，若超出储器中的程序，若超

27、出4KB4KB地址时，自动执行地址时，自动执行片外程序存储器的程序。片外程序存储器的程序。当当 输入低电平时，输入低电平时，CPUCPU只能访问片外程序只能访问片外程序存储器。由此可见，存储器。由此可见，80318031的的 端应接低电端应接低电平。平。图图7 76 80516 8051引脚图引脚图EAEAEAEA4 4输入输出引脚输入输出引脚（P0P0、P1P1、P2P2、P3P3口）口）(1)P0(P0.0(1)P0(P0.0P0.7)P0.7)口口(32(323939脚脚) ) P0P0是一个是一个8 8位漏极位漏极开路型准双向开路型准双向I IO O端口，端口，在访问片外存储器时，在访问片外存储器时，它