单片机芯片的硬件结构课件

第2章单片机芯片的硬件结构2.1MCS-51单片机的逻辑结构及信号引脚2.2MCS-51单片机的内部存储器2.3MCS-51单片机并行输入/输出口电路2.4MCS-51单片机时钟电路与时序2.5MCS-51单片机工作方式第2章单片机芯片的硬件结构2.1MCS-51单片机的逻12.1MCS-51单片机的逻辑结构及信号引脚2.1.1MCS-51单片机结构框图2.1.2MCS-51单片机芯片内部逻辑结构2.1.3MCS-51的信号引脚2.1MCS-51单片机的逻辑结构及信号引脚2.1.12图2.1MCS-51单片机的系统结构框图2.1.1MCS-51单片机结构框图图2.1MCS-51单片机的系统结构框图2.1.1M3图2.2MCS-51的内部逻辑结构图图2.2MCS-51的内部逻辑结构图4

CPU（8位）运算器：ALU、ACC、B、PSW、暂存寄存器(TMP1、TMP2)控制器：PC、PC+1、指令寄存器IR、指令译码器ID、定时/控制电路

内部数据存储器（128BRAM+RAM地址寄存器）内部程序存储器（4KBROM+程序地址寄存器）定时/计数器（2个16位）并行I/O口（4个8位P0、P1、P2、P3）串行口（TXD、RXD）中断控制系统（5个）2个外部中断、2个定时/计数中断、1个串行中断时钟电路位处理器（布尔处理器）进位标志位C作为累加位

总线（bus）地址总线、数据总线、控制总线2.1.2MCS-51单片机内部逻辑结构CPU（8位）2.1.2MCS-51单片机内部逻辑结构5P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/VPDRXD/P3.0TXD/P3.1INT0/P3.2INT1/P3.3T0/P3.4T1/P3.5WR/P3.6RD/P3.7XTAL2XTAL1VSS12345678910111213141516171819208031805187514039383736353433323130292827262521222324VCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VppALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0

图2-3MCS-51单片机的引脚配置图P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P162.1.3MCS-51的信号引脚信号引脚介绍

1）输入/输出口线P0.0~P0/7、P1.0~P1.7、P2.0~P2.7、P3.0~P3.72）ALE地址锁存控制信号3）PSEN外部程序存储器读选通信号（低电平有效）4）EA访问程序存储器控制信号（低电平有效）5）RST复位信号6）XTAL1和XTAL2外部晶体引线端7）VSS地线8）VCC＋5V电源信号引脚的第二功能

1）P3口线的第二功能2）EPROM存储器程序固化所需要的信号3）备用电源引入2.1.3MCS-51的信号引脚信号引脚介绍72.2MCS-51单片机的内部存储器2.2.1内部数据存储器低128单元2.2.2内部数据存储器高128单元2.2.3MCS-51的堆栈操作2.2.4内部程序存储器2.2.5MCS-51单片机系统的存储器结构特点2.2MCS-51单片机的内部存储器2.2.1内部数据82.2.1片内数据存储器低128B寄存器区（00H~1FH）R0~R7位寻址区（20H~2FH）位地址00H~7FH用户RAM区（30H~7FH）2.2.1片内数据存储器低128B寄存器区（00H~1F9表2-1内部数据存储器中的位地址表2-1内部数据存储器中的位地址102.2.2片内数据存储器高128B（80H~FFH）程序计数器PC（16位）累加器A/ACC（8位）B寄存器（8位）程序状态字PSW数据指针DPTR（16位）DPH+DPL（8位）D7D6D5D4D3D2D1D0CYACF0RS1RS0OV/P2.2.2片内数据存储器高128B（80H~FFH）程序计11表2-2特殊功能寄存器地址及功能表位寻址区字节寻址区表2-2特殊功能寄存器地址及功能表位寻址区字节12堆栈:一种只允许在其一端进行数据插入和数据删除操作的线性表。特点：LIFO（Last-InFirst-Out）堆栈操作：入栈（PUSH）、出栈（POP）堆栈类型：

1）向上生长型－栈底在低地址单元（MCS-51）2）向下生长型－栈底在高地址单元2.2.3MCS-51的堆栈操作2.2.4内部程序存储器(4KB)堆栈:一种只允许在其一端进行数据插入和数据删除操作的线性表。13特殊功能寄存器00H1FH20H2FH30H7FH80HFFH80H88H90H98HA0HA8HB0HB8HD0HE0HF0H特殊功能寄存器中位寻址外部ROM内部ROM(EA=1)外部ROM(EA=0)0000H0000H0FFFH0FFFH1000HFFFFH外部RAM(I/O口地址)0000HFFFFH内部数据存储器（a）外部数据存储器（b）程序存储器（c）工作寄存器区图2-4MCS-51单片机存储器结构位寻址区通用

RAM区2.2.5MCS-51的存储器结构特点特00H1FH20H2FH30H7FH80HFFH80H88142.3输入/输出（I/O）端口结构MCS-51单片机有4个双向并行的8位I/O口P0～P3P0口为三态双向口，可驱动8个TTL电路P1、P2、P3口为准双向口（作为输入时，口线被拉成高电平，故称为准双向口），其负载能力为4个TTL电路。2.3输入/输出（I/O）端口结构MCS-51单片机有4152.3.1P0口的结构VCCP0.X锁存器读锁存器地址/数据控制D读引脚写锁存器内部总线P0.XQQMUXT2T1CP图2-5P0口的一位结构图2.3.1P0口的结构VCCP0.X读锁存器地址/数据控162.3.2P1口的结构VCCP1.X锁存器读锁存器D读引脚写锁存器内部总线QQTP1.X内部上拉电阻

CP图2-6P1口的一位结构图2.3.2P1口的结构VCCP1.X读锁存器D读引脚172.3.3P2口的结构图2-7P2口的一位结构图VCCP2.X锁存器读锁存器地址控制D读引脚写锁存器内部总线P2.XQQMUXT内部上拉电阻CP2.3.3P2口的结构图2-7P2口的一位结构图VC182.3.4P3口的结构图2-8P3口的一位结构图VCCP3.X锁存器读锁存器第二输出功能D读引脚写锁存器内部总线QQT内部上拉电阻第二输入功能CPP3.X2.3.4P3口的结构图2-8P3口的一位结构图VC192.4MCS-51时钟电路与时序2.4.1时钟电路2.4.2时序定时单位2.4.3典型指令时序2.4MCS-51时钟电路与时序2.4.1时钟电路202.4.1单片机的时钟电路单片机时钟电路通常有两种形式：内部振荡方式：MCS-51单片机片内有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。把放大器与作为反馈元件的晶体振荡器或陶瓷谐振器连接，就构成了内部自激振荡器并产生振荡时钟脉冲（如图2-9所示）。外部振荡方式：外部振荡方式就是把外部已有的时钟信号引入单片机内（如图2-10所示）。

XTAL2XTAL1MCS-51C1C2CYSXTAL2XTAL1MCS-51+5VVSSTTL外部时钟源

图2-9内部振荡方式

图2-10外部振荡方式2.4.1单片机的时钟电路单片机时钟电路通常有两种形式：21P1P2S1P2振荡周期时钟周期机器周期机器周期指令周期XTAL2(OSC)S2S3S4S5S6S1S2S4S5S3S6P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P2P2P2P2P2P2P2P2P2P2P2图2-11MCS-51单片机各种周期的相互关系2.4.2时序定时单位P1P2S1P2振荡周期时钟周期机器周期机器周期指令周期XT221．振荡周期：为单片机提供时钟信号的振荡源的周期。2．时钟周期：是振荡源信号经二分频后形成的时钟脉冲信号。3．机器周期：通常将完成一个基本操作所需的时间称为机器周期。4．指令周期：是指CPU执行一条指令所需要的时间。一个指令周期通常含有1～4个机器周期。1．振荡周期：为单片机提供时钟信号的振荡源的周期。23例：若MCS-51单片机外接晶振为12MHz时，则单片机的四个周期的具体值为：振荡周期＝1/12MHz＝1/12μs＝0.0833μs时钟周期＝1/6μs＝0.167μs机器周期＝1μs指令周期＝1～4μs例：若MCS-51单片机外接晶振为12MHz时，则单片机的四242.4.3典型指令时序图2-12MCS-51单片机典型指令的取指和执行时序再读下一条指令再读下一条指令XTAL2(OSC)P2S1ALE读操作码读下一个操作码（丢弃）读第二字节（a）单字节，单周期指令例：MOVAR1（d）单字节，双周期指令，如MOVXP1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P2S5P2S6P2S1P1P1P1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P2S6P2S1S2P1P1P1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S1读操作码P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1读下一个操作码（丢弃）（b）双字节，单周期指令例：ADDAdir（c）单字节，双周期指令例：INCDPTR读操作码（MOVX）读下一个操作码（丢弃）无取指无ALE无取指地址数据（DATA）访问外部存储器P2S1读操作码P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S2P1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S2P12.4.3典型指令时序图2-12MCS-51单片机典252.5MCS-51工作方式

2.5.1复位方式2.5.2程序执行方式2.5.3掉电保护方式2.5.4低功耗方式（80C51）2.5MCS-51工作方式 2.5.1复位方式2622μFC1

RSTR11KΩ+5V22μFC1

RST+5VR2200Ω

RSTR1

+5V

C222μF

803180518751803180518751803180518751（a）上电复位电路（c）按键脉冲复位电路（b）按键电平复位电路R11KΩ22μFC11KΩR21KΩ图2-13几种复位电路复位电路单片机复位电路包括片内、片外两部分。外部复位电路就是为内部复位电路提供两个机器周期以上的高电平而设计的。MCS-51单片机通常采用上电自动复位和按键手动复位两种方式。如图1-9所示。22μFC1RSTR1+5V22μFC1RST+5V27特殊功能寄存器初始状态特殊功能寄存器初始状态A00HTMOD00HB00HTCON00HPSW00HTH000HSP07HTL000HDPL00HTH100HDPH00HTL100HP0～P3FFHSBUF××××××××BIP×××00000BSCON00HIE0××00000BPCON0×××××××B表2-3单片机复位后特殊功能寄存器的状态单片机复位后的状态单片机运行出错或进入死循环时，可按复位键重新运行。21个特殊功能寄存器复位后的状态为确定值，如表2-3所示。特殊功能寄存器初始状态特殊功能寄存器初始状态A00HTMOD282.5.2程序执行方式数据转存接通备用电源2.5.3掉电保护方式2.5.2程序执行方式数据转存2.5.3掉电保护方式29电源控制寄存器PCON待机方式

IDL=180c51即进入待机方式，CPU被“冻结”；使用外中断唤醒，PCON.0自动被清“0”，中断服务程序只需一条RETI指令。掉电保护方式80c51:检测到电源故障时，应使PD=1,进入掉电保护，单片机停止工作，只有内部RAM内容得以保存；80C51可以有备用电源从Vcc端引入，Vcc正常后，硬件复位信号维持10ms即能使单片机退出掉电方式。2.5.4低功耗方式（80C51）

PCOND7D6D5D4D3D2D1D0SMOD———GF1GF0FDIDL电源控制寄存器PCON2.5.4低功耗方式（80C51）30本章到此结束TankYou！本章到此结束TankYou！31第2章单片机芯片的硬件结构2.1MCS-51单片机的逻辑结构及信号引脚2.2MCS-51单片机的内部存储器2.3MCS-51单片机并行输入/输出口电路2.4MCS-51单片机时钟电路与时序2.5MCS-51单片机工作方式第2章单片机芯片的硬件结构2.1MCS-51单片机的逻322.1MCS-51单片机的逻辑结构及信号引脚2.1.1MCS-51单片机结构框图2.1.2MCS-51单片机芯片内部逻辑结构2.1.3MCS-51的信号引脚2.1MCS-51单片机的逻辑结构及信号引脚2.1.133图2.1MCS-51单片机的系统结构框图2.1.1MCS-51单片机结构框图图2.1MCS-51单片机的系统结构框图2.1.1M34图2.2MCS-51的内部逻辑结构图图2.2MCS-51的内部逻辑结构图35

CPU（8位）运算器：ALU、ACC、B、PSW、暂存寄存器(TMP1、TMP2)控制器：PC、PC+1、指令寄存器IR、指令译码器ID、定时/控制电路

内部数据存储器（128BRAM+RAM地址寄存器）内部程序存储器（4KBROM+程序地址寄存器）定时/计数器（2个16位）并行I/O口（4个8位P0、P1、P2、P3）串行口（TXD、RXD）中断控制系统（5个）2个外部中断、2个定时/计数中断、1个串行中断时钟电路位处理器（布尔处理器）进位标志位C作为累加位

总线（bus）地址总线、数据总线、控制总线2.1.2MCS-51单片机内部逻辑结构CPU（8位）2.1.2MCS-51单片机内部逻辑结构36P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/VPDRXD/P3.0TXD/P3.1INT0/P3.2INT1/P3.3T0/P3.4T1/P3.5WR/P3.6RD/P3.7XTAL2XTAL1VSS12345678910111213141516171819208031805187514039383736353433323130292827262521222324VCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/VppALE/PROGPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0

图2-3MCS-51单片机的引脚配置图P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1372.1.3MCS-51的信号引脚信号引脚介绍

1）输入/输出口线P0.0~P0/7、P1.0~P1.7、P2.0~P2.7、P3.0~P3.72）ALE地址锁存控制信号3）PSEN外部程序存储器读选通信号（低电平有效）4）EA访问程序存储器控制信号（低电平有效）5）RST复位信号6）XTAL1和XTAL2外部晶体引线端7）VSS地线8）VCC＋5V电源信号引脚的第二功能

1）P3口线的第二功能2）EPROM存储器程序固化所需要的信号3）备用电源引入2.1.3MCS-51的信号引脚信号引脚介绍382.2MCS-51单片机的内部存储器2.2.1内部数据存储器低128单元2.2.2内部数据存储器高128单元2.2.3MCS-51的堆栈操作2.2.4内部程序存储器2.2.5MCS-51单片机系统的存储器结构特点2.2MCS-51单片机的内部存储器2.2.1内部数据392.2.1片内数据存储器低128B寄存器区（00H~1FH）R0~R7位寻址区（20H~2FH）位地址00H~7FH用户RAM区（30H~7FH）2.2.1片内数据存储器低128B寄存器区（00H~1F40表2-1内部数据存储器中的位地址表2-1内部数据存储器中的位地址412.2.2片内数据存储器高128B（80H~FFH）程序计数器PC（16位）累加器A/ACC（8位）B寄存器（8位）程序状态字PSW数据指针DPTR（16位）DPH+DPL（8位）D7D6D5D4D3D2D1D0CYACF0RS1RS0OV/P2.2.2片内数据存储器高128B（80H~FFH）程序计42表2-2特殊功能寄存器地址及功能表位寻址区字节寻址区表2-2特殊功能寄存器地址及功能表位寻址区字节43堆栈:一种只允许在其一端进行数据插入和数据删除操作的线性表。特点：LIFO（Last-InFirst-Out）堆栈操作：入栈（PUSH）、出栈（POP）堆栈类型：

1）向上生长型－栈底在低地址单元（MCS-51）2）向下生长型－栈底在高地址单元2.2.3MCS-51的堆栈操作2.2.4内部程序存储器(4KB)堆栈:一种只允许在其一端进行数据插入和数据删除操作的线性表。44特殊功能寄存器00H1FH20H2FH30H7FH80HFFH80H88H90H98HA0HA8HB0HB8HD0HE0HF0H特殊功能寄存器中位寻址外部ROM内部ROM(EA=1)外部ROM(EA=0)0000H0000H0FFFH0FFFH1000HFFFFH外部RAM(I/O口地址)0000HFFFFH内部数据存储器（a）外部数据存储器（b）程序存储器（c）工作寄存器区图2-4MCS-51单片机存储器结构位寻址区通用

RAM区2.2.5MCS-51的存储器结构特点特00H1FH20H2FH30H7FH80HFFH80H88452.3输入/输出（I/O）端口结构MCS-51单片机有4个双向并行的8位I/O口P0～P3P0口为三态双向口，可驱动8个TTL电路P1、P2、P3口为准双向口（作为输入时，口线被拉成高电平，故称为准双向口），其负载能力为4个TTL电路。2.3输入/输出（I/O）端口结构MCS-51单片机有4462.3.1P0口的结构VCCP0.X锁存器读锁存器地址/数据控制D读引脚写锁存器内部总线P0.XQQMUXT2T1CP图2-5P0口的一位结构图2.3.1P0口的结构VCCP0.X读锁存器地址/数据控472.3.2P1口的结构VCCP1.X锁存器读锁存器D读引脚写锁存器内部总线QQTP1.X内部上拉电阻

CP图2-6P1口的一位结构图2.3.2P1口的结构VCCP1.X读锁存器D读引脚482.3.3P2口的结构图2-7P2口的一位结构图VCCP2.X锁存器读锁存器地址控制D读引脚写锁存器内部总线P2.XQQMUXT内部上拉电阻CP2.3.3P2口的结构图2-7P2口的一位结构图VC492.3.4P3口的结构图2-8P3口的一位结构图VCCP3.X锁存器读锁存器第二输出功能D读引脚写锁存器内部总线QQT内部上拉电阻第二输入功能CPP3.X2.3.4P3口的结构图2-8P3口的一位结构图VC502.4MCS-51时钟电路与时序2.4.1时钟电路2.4.2时序定时单位2.4.3典型指令时序2.4MCS-51时钟电路与时序2.4.1时钟电路512.4.1单片机的时钟电路单片机时钟电路通常有两种形式：内部振荡方式：MCS-51单片机片内有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。把放大器与作为反馈元件的晶体振荡器或陶瓷谐振器连接，就构成了内部自激振荡器并产生振荡时钟脉冲（如图2-9所示）。外部振荡方式：外部振荡方式就是把外部已有的时钟信号引入单片机内（如图2-10所示）。

XTAL2XTAL1MCS-51C1C2CYSXTAL2XTAL1MCS-51+5VVSSTTL外部时钟源

图2-9内部振荡方式

图2-10外部振荡方式2.4.1单片机的时钟电路单片机时钟电路通常有两种形式：52P1P2S1P2振荡周期时钟周期机器周期机器周期指令周期XTAL2(OSC)S2S3S4S5S6S1S2S4S5S3S6P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P2P2P2P2P2P2P2P2P2P2P2图2-11MCS-51单片机各种周期的相互关系2.4.2时序定时单位P1P2S1P2振荡周期时钟周期机器周期机器周期指令周期XT531．振荡周期：为单片机提供时钟信号的振荡源的周期。2．时钟周期：是振荡源信号经二分频后形成的时钟脉冲信号。3．机器周期：通常将完成一个基本操作所需的时间称为机器周期。4．指令周期：是指CPU执行一条指令所需要的时间。一个指令周期通常含有1～4个机器周期。1．振荡周期：为单片机提供时钟信号的振荡源的周期。54例：若MCS-51单片机外接晶振为12MHz时，则单片机的四个周期的具体值为：振荡周期＝1/12MHz＝1/12μs＝0.0833μs时钟周期＝1/6μs＝0.167μs机器周期＝1μs指令周期＝1～4μs例：若MCS-51单片机外接晶振为12MHz时，则单片机的四552.4.3典型指令时序图2-12MCS-51单片机典型指令的取指和执行时序再读下一条指令再读下一条指令XTAL2(OSC)P2S1ALE读操作码读下一个操作码（丢弃）读第二字节（a）单字节，单周期指令例：MOVAR1（d）单字节，双周期指令，如MOVXP1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P2S5P2S6P2S1P1P1P1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P2S6P2S1S2P1P1P1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S1读操作码P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1读下一个操作码（丢弃）（b）双字节，单周期指令例：ADDAdir（c）单字节，双周期指令例：INCDPTR读操作码（MOVX）读下一个操作码（丢弃）无取指无ALE无取指地址数据（DATA）访问外部存储器P2S1读操作码P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S2P1P2S1P1P2S2P1P2S3P1P2S4P1P2S5P1P2S6P1P2S1P1P2S2P1P