单片机原理与C51编程第二章单片机硬件结构和原理课件

第二章MCS-51单片机的硬件结构2.1MCS-51单片机的内部结构2.2MCS-51单片机的引脚功能、时钟电路、复位电路2.3MCS-51I/02.4MCS-51单片机的存储器结构2.1MCS-51单片机的硬件结构8位的CPU，片内有振荡器和时钟电路,工作频率为(Atmel89Cxx为0～24MHz）片内有128/256字节RAM片内有0K/4K/8K字节程序存储器ROM可寻址片外64K字节数据存储器RAM可寻址片外64K字节程序存储器ROM片内21/26个特殊功能寄存器（SFR）4个8位的并行I/O口（PIO）1个全双工串行口（SIO/UART）2/3个16位定时器/计数器（TIMER/COUNTER）可处理5/6个中断源，两级中断优先级内置1个布尔处理器和1个布尔累加器（Cy）MCS-51指令集含111条指令（指汇编语言）2.1MCS-51单片机的硬件结构系列片内存储器（字节）定时器计数器并行I/O串行I/O中断源片内ROM片内RAM无有ROM有EPROMIntelMCS-51子系列803180C31805180C51(4K字节)875187C51(4K字节)128字节2x164x8位15IntelMCS-52子系列803280C32805280C52(8K字节)875287C52(8K字节)256字节3x164x8位16ATEML89C系列(常用型)1051(1K)/2051(2K)/4051(4K)（20条引脚DIP封装）1282151589C51(4K)/89C52(8K)（40条引脚DIP封装）128/2562/33215/62.1MCS-51单片机的硬件结构按功能可分成8个部件，通过片内单一总线连接起来.控制方式：SFR对各功能部件集中控制1.微处理器2.数据存储器3.程序存储器4.I/O口5.串行口6.定时/计数器7.中断系统8.特殊功能寄存器片内总线CPU运算部件控制部件BRAMP0口P2口ROM(EPROM)串行口

C

/T中断系统SFRP1口8P3口888XTAL1XTAL2PSENALEEARESETVccVss2.1MCS-51单片机的硬件结构各功能部件：

1.CPU（微处理器）2.数据存储器（RAM）片内为128个字节（52子系列的为256个字节）3.程序存储器（ROM/EPROM）

8031:无此部件；

8051:4K字节ROM；

8751:4K字节EPROM；

89C51/89C52/89C55:4K/8K/20K字节闪存。2.1MCS-51单片机的硬件结构4.P1口、P2口、P3口、P0口：为4个并行8位I/O口。5.串行口1个全双工的异步串行口6.定时器/计数器7.中断系统8.特殊功能寄存器（SFR）共有21个，是一个具有特殊功能的RAM区。

2.2MCS-51单片机的引脚功能控制引脚并行I/O口引脚电源及时钟引脚引脚逻辑图8051单片机为40条引脚双列直插式封装引脚可分为三个部分X1

X2

EA

PSEN

ALE

RST

VCC

GND

89C51

P0

P1

P2

P3

P0.0~P07

P10~P17

P20~P27

P30~P37

2.2MCS-51单片机的引脚功能电源和地（Vcc,GND）:

正电源端与接地端（+5V/3.3V/2.7V)不同的单片机可以允许不同的工作电压，不同的单片机表现出的功耗也不同。实验用5#电池4节串接供电。晶振（XTAL1,XTAL2）:

片内振荡电路输入/输出端。1、电源及时钟引脚2.2MCS-51单片机的引脚功能电容：15～45pf常取20pf或30pf1～12MHz（MCS-51）0～24MHz（Atmel89C）实验取12MHzXTAL1XTAL2也可以由XTAL1端接入外部时钟，此时应将XTAL2接地。外部时钟XTAL2XTAL1通常外接一个晶振两个电容时钟电路2.2MCS-51单片机的引脚功能CPU总是按照一定的时钟节拍与时序工作：振荡周期/时钟周期：

Tc=晶振频率fosc（或外加频率）的倒数状态周期：Ts=2个时钟周期(Tc)（很少用到此概念）机器周期：Tm=6个状态周期(Ts)=12个振荡周期(Tc)指令周期:

Ti:执行一条指令所需的机器周期(Tm)数牢牢记住：

振荡周期=晶振频率fosc的倒数；

1个机器周期=12个振荡周期；

1个指令周期=1、2、4个机器周期2.2MCS-51单片机的引脚功能一个机器周期又分为6个状态：S1～S6。每个状态又分为两拍：P1和P2。因此，一个机器周期中的12个时钟周期表示为：S1P1、S1P2、S2P1、S2P2、…、S6P2。

S1S2S3S4S5S6S1S2P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2fosc一个状态周期一个机器周期T=12*(1/fosc)X22.2MCS-51单片机的引脚功能指令周期执行一条指令时，可分为取指令阶段和指令执行阶段。取指令阶段，PC中地址送到程序存储器，并从中取出需要执行指令的操作码和操作数。指令执行阶段，对指令操作码进行译码，以产生一系列控制信号完成指令的执行。ALE信号是为地址锁存而定义的，以时钟脉冲1/6的频率出现，在一个机器周期中，ALE信号两次有效（注意，在执行访问外部数据存储器的指令时，将会丢失一个ALE脉冲）2.2MCS-51单片机的引脚功能寄存器复位状态寄存器复位状态PC0000HTCON00HA00HT2CON00HB00HTH000HPSW00HTL000HSP07HTH100HDPTR0000HTL100HP0~P3FFHSCON00HIPXX000000BSBUFXXHIE0X000000BPCON0XXX0000BTMOD00H单片机复位状态表2.2MCS-51单片机的引脚功能+5V10uF10KVccRSTGND上电复位电路10uF10KVccRSTGND手动&上电复位1K+5V单片机电路2.2MCS-51单片机的引脚功能EA/Vpp:

EA为内外程序存储器选择控制，

EA=1，访问片内程序存储器，

EA=0，单片机则只访问外部程序存储器。第二功能VPP，用于施加编程电压。ALE/PROG:

地址锁存允许/编程脉冲输入端。

P0口寻址外部低8位地址时接外部锁存器（74HC373/74HC273)；

ALE端平时会输出周期正脉冲：ffosc/6；第二功能PROG:对片内ROM编程时编程脉冲由此端加入。2.2MCS-51单片机的引脚功能P0口：双向8位三态I/O口，地址总线（低8位）及数据总线分时复用口，可驱动8个LS型TTL负载。P1口：8位准双向I/O口，可驱动4个LS型TTL负载。P2口：8位准双向I/O口，与地址总线（高8位）复用，可驱动4个LS型TTL负载。P3口：8位准双向I/O口，双功能复用口，可驱动4个LS型TTL负载。注意:准双向口与双向三态口的差别。当3个准双向I/O口作输入口使用时，要向该口先写“1”，另外准双向I/O口无高阻的“浮空”状态。3、I/O口引脚引脚转义引脚功能说明P3.0RXD串行数据接收端P3.1TXD串行数据发送端P3.2INT0外部中断0请求P3.3INT1外部中断1请求P3.4T0计数器0外部输入P3.5T1计数器1外部输入P3.6WR外部数据存储器写P3.7RD外部数据存储器读2.3MCS-51单片机I/O端口结构单片机的引脚（P1口）P1.0—P1.7:准双向I/O口（内置了上拉电阻）。输出时一切照常，仅在作输入口用时要先对其写“1”。21DQCK/Q读引脚读锁存器写锁存器内部总线Vcc引脚P1.X内部上拉电阻2.3MCS-51单片机I/O端口结构单片机的引脚（P1口）P1.0—P1.7:准双向I/O口（内置了上拉电阻）。输出时一切照常，仅在作输入口用时要先对其写“1”。Vcc21DQCK/Q读引脚读锁存器写锁存器内部总线引脚P1.X内部上拉电阻输出数据=1时110截止=12.3MCS-51单片机I/O端口结构单片机的引脚（P1口）P1.0—P1.7:准双向I/O口（内置了上拉电阻）。输出时一切照常，仅在作输入口用时要先对其写“1”。输入数据时，要先对其写“1”Vcc21DQCK/Q读引脚=1读锁存器写锁存器内部总线引脚P1.X内部上拉电阻110截止2.3MCS-51单片机I/O端口结构单片机的引脚（P0口）P0.0—P0.7:双向I/O（内置场效应管上拉），寻址外部程序存储器时分时作为双向8位数据口和输出低8位地址复用口；不接外部程序存储器时可作为8位准双向I/O口使用。21DQCK/Q读引脚读锁存器写锁存器内部总线地址/数据控制引脚P0.X34Vcc2.3MCS-51单片机I/O端口结构单片机的引脚（P0口）P0.0—P0.7:双向I/O（内置场效应管上拉），寻址外部程序存储器时分时作为双向8位数据口和输出低8位地址复用口；不接外部程序存储器时可作为8位准双向I/O口使用。21DQCK/Q读锁存器写锁存器内部总线地址/数据控制引脚P0.X34Vcc控制=0时，此脚作I/O输入口（事先必须对它写“1”）读引脚=1控制00100截止截止=02.3MCS-51单片机I/O端口结构单片机的引脚（P0口）P0.0—P0.7:双向I/O（内置场效应管上拉），寻址外部程序存储器时分时作为双向8位数据口和输出低8位地址复用口；不接外部程序存储器时可作为8位准双向I/O口使用。21DQCK/Q读锁存器写锁存器内部总线地址/数据控制引脚P0.X34Vcc控制=1时，此脚作地址/数据复用口:（2)输出地址/数据=1时读引脚=0控制1导通=1100=1截止=12.3MCS-51单片机I/O端口结构单片机的引脚（P0口）P0.0—P0.7:双向I/O（内置场效应管上拉），寻址外部程序存储器时分时作为双向8位数据口和输出低8位地址复用口；不接外部程序存储器时可作为8位准双向I/O口使用。21DQCK/Q读锁存器写锁存器内部总线地址/数据控制引脚P0.X34Vcc控制=1时，此脚作地址/数据复用口:（3)输入数据时，输入指令将使引脚与内部总线直通读引脚=1控制=1=1单片机的引脚（P2口）P2.0—P2.7:

双向I/O（内置了上拉电阻）,寻址外部程序存储器时输出高8位地址；不接外部程序存储器时可作为8位准双向I/O口使用。21DQCK/Q读引脚读锁存器写锁存器内部总线地址高8位控制引脚P2.X3内部上拉电阻Vcc2.3MCS-51单片机I/O端口结构单片机的引脚（P3口）P3.0—P3.7:

双功能口（内置了上拉电阻）,它具有特定的第二功能。在不使用它的第二功能时它就是普通的通用准双向I/O口。21DQCK/Q读引脚读锁存器写锁存器内部总线第二功能输出引脚P3.X3内部上拉电阻Vcc第二功能输入42.3MCS-51单片机I/O端口结构51单片机的8个特殊引脚Vcc,GND:电源端XTAL1,XTAL2:片内振荡电路输入、输出端RESET:复位端正脉冲有效（宽度8mS）EA/Vpp:寻址外部ROM控制端。低有效片内有ROM时应当接高电平。ALE/PROG:地址锁存允许控制端。PSEN：选通外部ROM的读(OE)控制端。低有效

小结2.3MCS-51单片机I/O端口结构51单片机的4个8位的I/O口P0.0—P0.7:8位数据口和输出低8位地址复用口

(复用时是双向口；不复用时也是准双向口)P1.0—P1.7:通用I/O口（准双向口）P2.0—P2.7:输出高8位地址（用于寻址时是输出口；不寻址时是准双向口）P3.0—P3.7:具有特定的第二功能（准双向口）注意：在不外扩ROM/RAM时，P0～P3均可作通用I/O口使用，而且都是准双向I/O口(例如:AT89C51)！

小结2.3MCS-51单片机I/O端口结构P3口第二功能表引脚第二功能P3.0RxD:串行口接收数据输入端P3.1TxD:串行口发送数据输出端P3.2INT0:外部中断申请输入端0P3.3INT1:外部中断申请输入端1P3.4T0:外部计数脉冲输入端0P3.5T1:外部计数脉冲输入端1P3.6WR:写外设控制信号输出端P3.7RD:读外设控制信号输出端

小结2.3MCS-51单片机I/O端口结构数据存储器——RAM（RandomAccessMemory）程序存储器——ROM（ReadOnlyMemory）闪速存储器——FlashMemoryEPROM——（UV）ErazibleProgrammableROME2PROM——ElectricalErasableProgrammableROM静态存储器SRAM——StaticRAM动态存储器DRAM——DynamicRAM）按字节寻址：每个字节(8个位)占一个地址按位寻址：有的存储器每一个位就有一个地址单片机的存储器——几个有关的概念：2.4MCS-51单片机的存储器结构

2.4MCS-51单片机存储器结构

1、89C51单片机存储器配置片内RAM128字节（00H—7FH）；片内RAM前32个单元是工作寄存器区(00H—1FH)片内RAM有128个可按位寻址的位，占16个单元。位地址编号为：00H—7FH，分布在20H—2FH单元片内21个特殊功能寄存器(SFR)中：地址号能被8整除的SFR中的各位也可按位寻址可寻址片外RAM64K字节（0000H—FFFFH）可寻址片外ROM64K字节（0000H—FFFFH）片内FlashROM4K字节（0000H—0FFFH）2、存储器配置（片内RAM）片内RAM

128字节（00H—7FH）00H20H2FH7FH1FH30H80HFFH52子系列才有的RAM区普通RAM区位寻址区工作寄存器区SFR分布在80H-FFH，其中92个位可位寻址80HFFH所有的RAM区(包括位寻址区、工作寄存器区）都可以用于存放数据，故也称为数据缓存寄存器89C51128字节2.4MCS-51单片机存储器结构

片内RAM前32个单元是工作寄存器区(00H—1FH)00H20H2FH7FH1FH30H80HFFH52子系列才有的RAM区普通RAM区位寻址区工作寄存器区2、存储器配置（片内RAM）2.4MCS-51单片机存储器结构

00H20H2FH7FH1FH30H80HFFH52子系列才有的RAM区普通RAM区位寻址区工作寄存器区R0R2R1R3R4R5R6R707H02H01H00H06H04H05H03H08H1FH工作寄存器区3工作寄存器区2工作寄存器区1工作寄存器区00FH10H17H18H片内RAM前32个单元是工作寄存器区(00H—1FH)2、存储器配置（片内RAM）2.4MCS-51单片机存储器结构

00H20H2FH7FH1FH30H80HFFH52子系列才有的RAM区普通RAM区位寻址区工作寄存器区片内RAM中有128个可按位寻址的位。

位地址:00H—7FH；分布在:20H—2FH单元2、存储器配置（片内RAM）2.4MCS-51单片机存储器结构

00H20H2FH7FH1FH30H80HFFH52子系列才有的RAM区普通RAM区位寻址区工作寄存器区片内RAM中有128个可按位寻址的位。

位地址:00H—7FH；

分布在:20H—2FH单元2、存储器配置（片内RAM）2.4MCS-51单片机存储器结构

27H22H21H20H26H24H25H23H28H2FH单元地址07060504030201000F0E0D0C0B0A090817161514131211101F1E1D1C1B1A191827262524232221202F2E2D2C2B2A292837363534333231303F3E3D3C3B3A393847464544434241407F7E7D7C7B7A7978位地址总共128个可按位寻址的位可寻址片外RAM64K字节（0000H—FFFFH）；可寻址片外ROM64K字节（0000H—FFFFH）；片内FlashROM4K字节（000H—FFFH）；FFFFH0000H可寻址片外RAM

64K字节FFFFH0000H可寻址片外ROM

64K字节0FFFH0000H可寻址片内FlashROM4K字节89C517FH00H片内RAM

128字节FFH80H2.4MCS-51单片机存储器结构

堆栈：在片内RAM中，常常要指定一个专门的区域来存放某些特别的数据,它遵循顺序存取和后进先出(LIFO/FILO）的原则,这个RAM区叫堆栈。

功用：1）子程序调用和中断服务时CPU自动将当前PC

值压栈保存，返回时自动将PC值弹栈。2）保护现场/恢复现场3）数据传输2.4MCS-51单片机存储器结构

00H20H2FH7FH1FH30H80HFFH52子系列才有的RAM区普通RAM区位寻址区工作寄存器区

SP栈顶下一个进栈的数据将存在此数据进栈已经进栈的数据存放在此初始SP复位后SP=07H，数据进栈时：首先SP+1指向08H单元，第一个放进堆栈的数据将放进08H单元，然后SP再自动增1，仍指着栈顶……堆栈区由特殊功能寄存器堆栈指针SP管理。堆栈区可以安排在RAM区任意位置，一般不安排在工作寄存器区和可按位寻址的RAM区，通常放在RAM区的靠后的位置。2.4MCS-51单片机存储器结构

00H20H2FH7FH1FH30H80HFFH52子系列才有的RAM区普通RAM区位寻址区工作寄存器区

SP栈顶初始SP从堆栈取出数据时：取出的数据是最近放进去的一个数据，也就是当前栈顶的数据。然后SP再自动减1，仍指着栈顶……堆栈区由特殊功能寄存器堆栈指针SP管理。堆栈区可以安排在RAM区任意位置，一般不安排在工作寄存器区和可按位寻址的RAM区，通常放在RAM区的靠后的位置。2.4MCS-51单片机存储器结构

数据出栈当前要出栈的数据SP-1指向下一个将要出栈的数据程序计数器PC（ProgramCounter）PC不是一个特殊功能寄存器SFR，但其作用又十分重要和特殊!!!

特点：它是16位的按机器周期自动增1计数器；总指向下一条指令所在首地址(当前PC值)；一切分支/跳转/调用/中断/复位等操作的本质就是:改变PC值2.4MCS-51单片机存储器结构

3、89C51特殊功能寄存器(SFR)特殊功能寄存器SFR（专用寄存器）

专用于控制、选择、管理、存放单片机内部各部分的工作方式、条件、状态、结果的寄存器。

不同的SFR管理不同的硬件模块，负责不同的功能——各司其职。换言之：要让单片机实现预订的功能，必须有相应的硬件和软件，而软件中最重要的一项工作就是对SFR写命令（要求）。2.4MCS-51单片机存储器结构

已知的P0、P1、P2、P3等四个8位I/O口分别由名为P0、P1、P2、P3四个SFR代表。堆栈指针寄存器SP（StackPointer):总是指向栈顶,压栈时先(SP)+1然后数据进栈；弹栈时数据先出栈然后(SP)-1。累加器ACC:一个被众多指令用得最频繁的特殊功能寄存器(如：运算、数据传输…)副累加器B:一个经常与ACC配合在一起使用的特殊功能寄存器(如：乘法、除法)，此外，它也经常当作普通寄存器使用。特殊功能寄存器(P0—P3,SP,A,B)：89C51有21个SFR(89C52有26个)

2.4MCS-51单片机存储器结构

CY(PSW.7)进位/借位标志位。若ACC在运算过程中发生了进位或借位，则CY=1；否则=0。它也是布尔处理器的位累加器，可用于布尔操作。

AC(PSW.6)半进位/借位标志位。若ACC在运算过程中，D3位向