单片机的结构及工作原理

1、第2章单片机的结构及工作原理主 要 章 节2.1 51系列单片机的内部结构2.2 51单片机的存储器组织2.3 51系列单片机的引脚及功能2.4 时钟电路与CPU时序2.5 51单片机的工作方式2.6 51系列单片机最小系统2022/9/2122.1 51系列单片机的内部结构一、51单片机的基本组成2022/9/2132.1 51系列单片机的内部结构二、中央处理器（CPU）1. 算术/逻辑运算部件ALU2定时控制部件3专用寄存器组 累加器A 通用寄存器B 程序状态字PSW 程序指针计数器PC 数据指针寄存器DPTR 堆栈指针寄存器SP2022/9/2142.1 51系列单片机的内部结构 程序状

2、态字PSWPSW7 PSW6 PSW5 PSW4 PSW3 PSW2 PSW1 PSW02022/9/215CYACFORS1RS0OVP进位标志辅助进位标志用户标志工作寄存器区选择位溢出标志奇偶标志（偶）2.1 51系列单片机的内部结构RS1RS0工作寄存器组000组(00H07H)011组(08H0FH)102组(10H17H)113组(18H1FH)2022/9/216 程序状态字PSW2.1 51系列单片机的内部结构2.1.3 存储器2.1.4 I/O端口 四个8位双向I/O端口（P0、P1、P2、P3），每一条I/O线都能独立地用作输入或输出。P0口为三态双向口。P1、P2、P3口为

3、准双向口2022/9/2172.1.4 I/O端口1） P0端口2022/9/218 P0口作地址/数据复用总线功能： P0口作通用I/O端口使用2.1.4 I/O端口2）P1口2022/9/219功能： P1口作通用I/O端口使用 P1口其他功能2.1.4 I/O端口3） P2口2022/9/2110功能： P2口作通用I/O端口使用 P2口作地址总线口使用2.1.4 I/O端口4） P3口2022/9/2111功能： P3口作通用I/O端口使用 P3口作第二功能使用2.1.4 I/O端口端 口 功 能第 二 功 能P3.0RXD -串行输入（数据接收）口P3.1TXD -串行输出（数据发送

4、）口P3.2 -外部中断0输入线P3.3 -外部中断1输入线P3.4T0 -定时器0外部输入P3.5T1 -定时器1外部输入P3.6 -外部数据存储器写选通信号输出P3.7 -外部数据存储器读选通信号输入2022/9/2112P3口的第二功能2.2 51单片机的存储器组织一、存储器组织 哈佛体系结构 程序存储器 由只读存储器芯片，简称为ROM，存放程序、固定常数和数据表格。 数据存储器 用随机存储器构成，简称为RAM，工作区及存放数据 完全独立，寻址空间、寻址方式和控制系统各不相同2022/9/21132.2 51单片机的存储器组织二、程序存储器总空间为64KB，地址0 x00000 xFFF

5、F，通过程序计数器PC访问。物理结构上分为片内程序存储器和片外程序存储器。8031和8032内部没有ROM，8051和8751内部有4KB的ROM，地址空间为0000H0FFFH，8052和8752内部有8KB的ROM，地址空间为0000H1FFFH。片外最多扩展64KB，地址0 x00000 xFFFF。2022/9/2114二、程序存储器2022/9/2115二、程序存储器7个特殊地址2022/9/2116名称地址系统复位地址0000H外部中断0中断服务程序入口地址0003H定时/计数器0中断服务程序入口地址000BH外部中断1中断服务程序入口地址0013H定时/计数器1中断服务程序入口地

6、址001BH串行口入口地址中断服务程序0023H定时/计数器2中断服务程序入口地址(仅52子系列有)002BH2.2 51单片机的存储器组织2.2.3 数据存储器物理结构上，数据存储器分为片内数据存储器和片外数据存储器。两者完全独立，有不同的存储空间，访问方式上也各不相同2022/9/21172.2.3 数据存储器1)片内数据存储器分：片内的随机存储块和特殊功能寄存器(SFR)块片内的随机存储块， 51子系列128字节，编址为00H7FH， 52子系列256字节，编址为00HFFH特殊功能寄存器(SFR)块也有128字节，编址为80HFFH；2022/9/21181)片内数据存储器片内的随机存

7、储块2022/9/21191)片内数据存储器(1)工作寄存器组区00H1FH单元，共32个字节，分4组：0组（00H07H ）、1组（08H0FH ）、 、2组（10H17H ）、和3组（18H1FH ） 。每组8个寄存器，依次用R0R7表示。由程序状态寄存器PSW中的RS0和RS1两位来选择，选择情况见前面。2022/9/21201)片内数据存储器(2)位寻址区 20H2FH单元2022/9/2121字节单元地址D7D6D5D4D3D2D1D020H070605040302010021H0F0E0D0C0B0A090822H171615141312111023H1F1E1D1C1B1A191

8、824H272625242322212025H2F2E2D2C2B2A292826H373635343332313027H3F3E3D3C3B3A393828H474645444342414029H4F4E4D4C4B4A49482AH57565554535251502BH5F5E5D5C5B5A59582CH67666564636261602DH6F6E6D6C6B6A69682EH77767574737271702FH7F7E7D7C7B7A79781)片内数据存储器(3)一般RAM区(4)堆栈区与堆栈指针存储区域“先入后出、后入先出”堆栈指针SP管理。堆栈主要是为子程序调用和中断调用而设

9、立的，用于保护断点地址和保护现场状态。堆栈有入栈和出栈两种操作，入栈时先改变堆栈指针SP，再送入数据，出栈时先送出数据，再改变堆栈指针SP。2022/9/21221)片内数据存储器根据入栈方向堆栈一般分两种：向上生长型和向下生长型。按处理数据的多少可分为单字节、双字节等。2022/9/2123向上生长型1)片内数据存储器2022/9/2124向下生长型51单片机是单字节向上生长型堆栈，SP的初值为07H，复位时堆栈从08H开始。1)片内数据存储器(5)特殊功能寄存器除PC外，51子系列有18个特殊功能寄存器，其中3个为双字节，共占用21个字节；52子系列有21个特殊寄存器，其中5个为双字节，共

10、占用26个字节。CPU专用寄存器：累加器A(E0H)，寄存器B(F0H)，程序状态寄存器PSW(D0H)，堆栈指针SP(81H)，数据指针DPTR(82H、83H)并行接口：P0P3(80H、90H、A0H、B0H)。2022/9/21251)片内数据存储器串行接口：串口控制寄存器SCON(98H)，串口数据缓冲器SBUF(99h)，电源控制寄存器PCON(87H)。定时/计数器：方式寄存器TMOD(89H)，控制寄存器TCON(88H)，初值寄存器TH0、TL0(8CH、8AH)/TH1、TL1(8DH、8BH)。中断系统：中断允许寄存器IE(A8H)，中断优先级寄存器IP(B8H)。定时/

11、计数器2相关寄存器：定时/计数器2控制寄存器T2CON(CBH)，定时/计数器2自动重装寄存器RLDL、RLDH(CAH、CBH)，定时/计数器2初值寄存器TH2、TL2 (CDH、CCH)(仅52子系列有)。2022/9/21261)片内数据存储器字节地址能被8整除的特殊功能寄存器，既能按字节方式处理，也能按位方式处理。2022/9/21272)片外数据存储器总空间64KB，地址范围为0000H0FFFFH，通过DPTR作指针间接寻址方式访问对于低端的256字节，可用两位十六进制地址编址，地址范围为00H0FFH，由R0和R1间接方式访问。2022/9/21282.3 51系列单片机的引脚及

12、功能2022/9/21292.3.1 51单片机的引脚分类 主电源引脚 外接晶体或外部振荡器引脚 控制信号线RST/VPD（9脚）：复位信号输入端ALE/ （30脚）：地址锁存允许/编程脉冲输入。 （29脚）：外部程序存储器读选通信号 /VPP（31脚）：访问外部存储器允许/编程电压输入2022/9/21302.3.2 三总线结构1. 地址总线地址总线宽度为16位，寻址范围都为64KB。由P0口经地址锁存器提供低8位(A7A0)，P2口提供高8位(A15A8)而形成。可对片外程序存储器和片外数据存储器寻址。2. 数据总线数据总线宽度为8位，由P0口直接提供。3. 控制总线控制总线由第二功能状态

13、下的P3口和4根独立的控制线RST、EA、ALE和PSEN组成。2022/9/21312.4 时钟电路与CPU时序一、 振荡器和时钟电路2022/9/2132(a) 内部时钟方式 (b) HMOS工艺外接时钟 (c) CHMOS工艺外接时钟2.4 时钟电路与CPU时序二、 CPU时序时序就是在执行指令过程中，CPU产生的各种控制信号在时间上的相互关系。1.时钟周期、机器周期和指令周期2022/9/21332.4 时钟电路与CPU时序2022/9/2134(b) 单字节单周期指令(c) 双字节单周期指令(d) 单字节双周期指令2.4 时钟电路与CPU时序2. 访问外部ROM的时序2022/9/21352.4 时钟电路与CPU时序3. 访问外部RAM的时序2022/9/21362.5 单片机的工作方式2.5.1 复位方式RST输入两个机器周期(24个时钟周期)以上的高电平，两种：上电复位和按钮复位2022/9/2137复位后内部各寄存器的内容2022/9/2138特殊功能寄存器初始内容特殊功能寄存器初始内容A00HTCON00HPC0000HTL000HB00HTH000HPSW00HTL100H