第二章 单片机芯片硬件结构

第二章单片机芯片的硬件结构2.1 MCS-51单片机的逻辑结构及信号引脚振荡器及定时电路4KB程序存储器128B数据存储器2个16位定时/计数器CPU64KB总线控制扩展器可编程I/O可编程串行口中断中断频率基准源计数器控制并行I/O口串行输入串行输出逻辑结构一个8位CPU；4KB程序存储器（8031无ROM）；128B通用数据存储器；22个特殊功能寄存器（SFR）；4个8位并行口；一个可编程全双工串行口；具有5个中断源，两个优先级嵌套结构；两个16位定时/计数器；一个片内振荡器与时钟电路。中央处理器（CPU）

中央处理器（CPU)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数或代码，CPU负责控制，指挥和调整整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。

CPU由运算器和控制器组成主要包括：算术逻辑单元（ALU）累加器（ACC）B寄存器程序状态字（PSW）两个暂存寄存器运算器:对数据进行算术逻辑运算主要包括：定时控制逻辑指令寄存器（IR）指令译码器程序计数器（PC）PC加1寄存器堆栈指针（SP）数据指针（DPTR）控制器：协调各部分工作内部数据存储器

80C51中共有256个RAM单元，但其中后128个单元被专用寄存器占用，供用户使用的只是前128个单元，作用是存放运算的中间结果和数据的暂存。地址为00H～7FH。内部程序存储器

80C51的内部程序存储器为4KB，用于存放程序代码和原始数据。定时/计数器

80C51片内有两个16位的定时/计数器，以实现定时功能和计数功能，并可以根据定时或计数的结果对单片机进行控制。并行I/O口

80C51共有4个8位的并行I/O口，P0~P3，以实现单片机与外界交换信息。串行口

80C51内部具有一个全双工的串行口，以实现单片机与其它数据设备如上位计算机之间的数据传递。中断控制系统80C51内部共有5个中断源，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。时钟电路

80C51内部有时钟电路，但晶振和微调电容需外接，典型晶振频率为12MHz。也可直接引入外部脉冲信号。位处理器（布尔处理器）

单片机主要用于控制，需要有较强的位处理功能。故与字节处理器相对应，还特别设置布尔（位）处理器。主要包括：Cy：进位标志位、位寻址寄存器、位寻址RAM、位寻址的并行I/O口、位操作指令系统。总线

单片机内部通过总线相连接。总线中传送的信号包括：地址信号、数据信号、控制信号。信号引脚

40条引脚双列直插封装（DIP）主电源引脚Vcc和VssVcc（+5V）电源输入端Vss（GND）共用接地端时钟振荡电路引脚XTAL1和XTAL2当使用芯片内部时钟时，外接晶振和微调电容，振荡频率为晶体振荡频率，振荡信号送至内部时钟电路产生时钟脉冲信号。当使用外部时钟时，接外部时钟脉冲信号。RST/VPDRST:复位信号输入端，保持两个机器周期以上的高电平复位。VPD:内部RAM备用电源输入端。ALE/PROGALE:地址锁存控制信号PROG:对8751内部EPROM编程时的编程脉冲输入端。ALE地址锁存控制信号存取片外存储器时，实现低8位地址和数据的分时传送。也可用作外部时钟或外部定时脉冲使用，为六分之一晶振频率的固定频率输出的正脉冲。8051P0P2锁存器ALE8位数据低8位地址高8位地址PSENPSEN：外部程序存储器读选通信号。当访问外部ROM时，产生负脉冲作为外部ROM的选通信号；当访问外部RAM或内部ROM时，不会产生有效的PSEN信号。EA/VPPEA:访问程序存储器控制信号EA=0：访问外部ROM；EA=1：先内部ROM，地址超过4KB，延续至外部ROM。VPP:对8751内部EPROM编程时的编程电源输入端。输入/输出口P0.0~P0.7P0口8位双向口线用于输出地址和数据P1.0~P1.7P1口8位双向口线一般的输入输出口P2.0~P2.7P2口8位双向口线外部存储器的地址高8位输出口

P3.0~P3.7P3口8位双向口线双功能口信号引脚的第二功能P3口线的第二功能编程脉冲：30脚(ALE/PROG)

编程电压(25V)：31脚(EA/VPP)备用电源引入：9脚(RST/VPD)口线

第二功能信号名称P3.0RXD串行数据接收P3.1TXD串行数据发送P3.2INT0外部中断0申请P3.3INT1外部中断1申请P3.4T0定时器/计数器0计数输入P3.5T1定时器/计数器1计数输入P3.6WR外部RAM写选通P3.7RD外部RAM读选通2.2 MCS-51单片机的内部结构详述内部结构内部数据存储器内部程序存储器并行输入/输出口时钟电路复位电路2.2.1 MCS-51单片机的内部数据存储器MCS-51内部RAM共有256个单元，这256个单元共分为两部分：低128个字节：00H—7FH单元，用户数据RAM。高128个字节：80H—FFH单元，特殊功能寄存器（SFR）单元。寄存器区位寻址区用户RAM区专用寄存器区寄存器区

内部RAM的前32个字节作为寄存器使用，共分为4组，每组含8个寄存器，在组中按R0~R7编号。地址：00H～1FH单元。由PSW中的RS0~RS1位的状态组合决定是哪一组。通用寄存器有两种用法：

MOVA，R0和MOVA，00H

位寻址区

片内20H～2FH，位地址：00H~7FH

用户RAM区

供用户使用的一般RAM区，其单元地址为30H～7FH单元。对于用户RAM区，只能以存储单元（字节地址）的形式来使用，在一般应用中常把堆栈开辟在此区中。

专用寄存器区MCS-51有22个专用寄存器，其中21个被离散地分布在内部RAM的80H—FFH地址中，这些寄存器的功能已作了专门的规定，用户不能修改其结构。专用寄存器，也称为特殊功能寄存器（SpecialFunctionRegister，SFR），用于控制、管理单片机内部算术逻辑部件、并行I/O口、串行I/O口、定时器/计数器、中断系统等功能模块的工作。SFR:标识符号地址寄存器名称标识符号地址寄存器名称ACC0E0H累加器PCON87H波特率选择寄存器B0F0HB寄存器SCON98H串行口控制寄存器PSW0D0H程序状态字SBUF99H串行数据缓冲寄存器SP81H堆栈指针TCON88H定时控制寄存器DPTR82H、83H数据指针（16位）含DPL和DPHTMOD89H定时器方式选择寄存器IE0A8H中断允许控制寄存器TL08AH定时器0低8位IP0B8H中断优先控制寄存器TH08CH定时器0高8位P080HI/O口0寄存器TL18BH定时器1低8位P190HI/O口1寄存器TH18DH定时器1高8位P20A0HI/O口2寄存器P30B0HI/O口3寄存器主要寄存器：程序计数器PC(programCounter)

PC中的数据为将要执行的指令地址。累加器ACC(Accumulator)

累加器为8位寄存器，地址为：E0H。用于存放操作数，是ALU输入的一个重要来源。是ALU运算结果的暂存单元，用于存放运算的中间结果。是数据传输的中间站，单片机的大部分数据传送都通过累加器进行。在变址寻址方式中把累加器作为变址寄存器使用。寄存器B

8位寄存器，地址为：F0H,主要用于乘除运算。

乘法运算：乘积的高8位存于B中，低8位存于A中。除法运算：B为除数，运算后，B为余数，A为商值。例如：

MULAB；A*B-->(BA)B中放高8位数据，A中放低8位数据。

DIVAB；A/B-->(A)商值

(B)余数位序PSW.7PSW.6PSW.5PSW.4PSW.3PSW.2PSW.1PSW.0位标志CYACF0RS1RS0OV/P定义进位标志辅助进位用户标志寄存器组选择位溢出奇偶程序状态字(ProgramStatusWord)8位寄存器，用于寄存指令执行的状态信息。PSW的各位定义如下：CY（PSW.7）：进位标志位AC（PSW.6）：辅助进位标志位F0（PSW.5）：用户标志位四组通用寄存器与RS1RS0对应关系表：RS1RS0寄存器组片内RAM地址对应寄存器00

组0

00～07HR0～R701组108～0FHR0～R710组210～17HR0～R711组318～1FHR0～R7RS1和RS0（PSW.4和PSW.3）：工作寄存器组选择位OV（PSW.2）：溢出标志位符号数的加减运算：OV＝1表示加减运算的范围超出了A所表达的符号数范围：－128～＋127乘法运算：OV＝1乘积超过255，即乘积分别在B与A中。P（PSW.0）：奇偶校验位数据指针DPTR

16位寄存器，在访问外部64K数据存储器时作地址指针用。DPTR为16位，可分为两个8位寄存器DPHDPTR高位字节，8位DPLDPTR低位字节，8位

堆栈操作特点：后进先出；功能：保护断点和保护现场定义：堆栈指示器SP是一个8位寄存器，用来指示堆栈顶部在内部RAM中的位置；初始化：系统复位后，SP的初始值为07H，使得堆栈实际上是从08H开始的。但08H—1FH隶属1—3工作寄存器区，因此必须对堆栈指针SP进行初始化，一般设在30H—7FH之间较为适宜。操作方法：自动方式；人工指令方式。单片机具有64kB程序存储器寻址空间，根据类型的不同，其内部程序存储器的分布也不同：31系列：片内无ROM，EA端接地。51系列：片内有4KROM，EA接高电平。52系列：片内有8KROM，EA接高电平。

单片机启动复位后，程序计数器的内容为0000H，所以系统将从0000H单元开始执行程序。

另外0003H—002AH这40个单元各有用途，它们被均匀地分为五段，其定义如下：

0003H—000AH

外部中断0中断地址区。

000BH—0012H

定时/计数器0中断地址区。

0013H—001AH

外部中断1中断地址区。

001BH—0022H

定时/计数器1中断地址区。

0023H—002AH

串行中断地址区。2.2.2 MCS-51单片机的程序存储器

一是把数据存储器和程序存储器分开，二是存储器有内外之分。MCS-51单片机系统的存储器结构特点ROM0FFFFH1000H0FFFH0000H0000H0FFFHEA=1EA=0片内程序存储器片外程序存储器程序存储器80H0FFH7FH00H0FFH80H片内RAM（80c52/80C32)片内RAM特殊功能寄存器片内数据存储器片外数据存储器数据存储器0000H0FFFFHRAM

单片机端口是一个集数据输入缓冲，数据输出驱动及锁存等多项功能于一体的I/O口。MCS-51单片机有四个8位的并行双向I/O口，分别记做P0，P1，P2，P3。P0口一个输出锁存器；两个三态输入缓冲器；一个多路转接器,实现I/O与地址/数据转换；两只FET输出驱动2.2.3 MCS-51单片机的并行输入/输出口P1口