第二章单片机芯片的硬件结构

第二章单片机的硬件结构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的工作方式2.1MCS-51单片机逻辑结构及信号引脚

频率基准源

计数器

内部总线

中断

中断

控制

并行I/O口

串行输入/输出

振荡器及定时电路4K/8K字节程序存储器ROM128/256字节数据存储器RAM2个16位定时器/计数器CPU64K字节总线扩展控制可编程I/O口4×8位可编程串行口1、中央处理单元CPU（8位）用于数据处理、位操作（位测试、置位、复位）2、片内程序存储器ROM（4KB）用于存放程序、原始数据及表格3、片内数据存储器RAM（128B）用于存放可以读或写的数据，如运算的中间结果，最终结果以及欲显示的数据等4、并行输入/输出口I/O（32线）用作系统总线、扩展外存、I/O接口芯片5、串行输入/输出口UART（二线）串行通信、扩展I/O接口芯片6、定时/计数器T（16位增量可编程）每个定时器/计数器都是可以设置成计数方式，用以对外部事件计数，也可以设置成定时方式，并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制7、时钟电路fosc分为内部振荡器、外接振荡电路，最高允许振荡频率是12MHZ8、中断系统五源中断、两级优先，可编程进行控制。9、位处理器10、总线MCS-51单片机芯片内部逻辑结构1.CPU又称为微处理器，由运算器和控制器二部组成。1.运算器组成：由算术运算单元ALU及相关的专用寄存器组组成。功能：1）算术逻辑单元ALU在控制信号作用下可进行各种算术运算操作各逻辑操作。2）专用寄存器组主要用于指示当前所执行指令的内存地址、存放操作数和指示指令执行后的状态等。MCS-51单片机芯片内部逻辑结构说明：1）运算器包括一个可进行8位算术运算和逻辑运算的单元ALU，MCS-51CPU的字长为8位.2）8位的暂存器1、暂存器2。3）8位的累加器ACC累加器A是一个最常用的专用寄存器，大部分操作指令的操作数取自累加器A，其运算结果大多也存放于累加器A中，指令系统用A作为累加器的助记符。4）寄存器B：与累加器A一起完成乘除运算，乘法指令的两个操作数分别取自A和B，相乘结果高8位存于B中，低8位存于A中。其他指令，B可当作一般寄存器存取数据。2.控制器控制器包括程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器ID、堆栈指针SP、数据指针DPTR、振荡器及定时电路等。1）程序计数器PC：由两个8位的计数PCH及PCL组成，共16位。PC实际上是程序的字节地址计数器，PC中的内容是将要执行的下一条指令的地址。改变PC的内容就可改变程序执行的方向。PC可对64KB的ROM（程序存储器）直接寻址。2）指令寄存器IR及指令译码器ID:由PC中的内容指定ROM地址，取出来的指令经指令寄存器IR送至指令译码器ID,由ID对指令译码并送PLA产生一定序列的控制信号，以执行指令所规定的操作。3）堆栈指针SP4）数据指针DPTR:程序的切换（两句话）处理器是个傻瓜，PC让它干啥，它就干啥。PC是个指路器，它指向哪儿，处理器就去哪儿。从此可以知道，哪个语句占有了PC，哪个语句就占有了处理器。

=PC深刻地理解PC是理解系统进行程序执行的关键。PC的功能：1、提供初始状态功能。

系统复位时PC=0000H,即指向ROM的一开始单元，找到程序第一条指令所在的单元。2、提供计数功能。

在顺序结构的程序执行时，系统自动执行(PC)+1送入PC，最终PC的值就是相对第一指令的偏移地址，即程序执行的指令条数。3、提供程序的转移功能。

在跳跃结构的程序执行时，系统自动执行目的地址送入PC，即通过改变PC的值来改变程序的执行方向。MCS-51单片机信号引脚封装形式，见右图：引脚及功能1、主电源引脚Vss、Vcc2、外接晶振引脚XTAL1、XTAL23、控制或复位引脚RST/VPD——当出现两个机器周期高电平时，单片机复位。复位后，PC=0000H,P0~P3输出高电平；SP寄存器为07H；其它寄存器全部清0；不影响RAM状态。复位电路的实现：=0时，只访问外部程序存储器,即外ROM=1时，访问内部程序存储器,即内ROM

/Vpp——内\外ROM选择端对于8751单片机编程时，该端施加编程电压4、输入/输出引脚P0.0~P0.7；P1.0~P1.7；P2.0~P2.7；P3.0~P3.7四个I/O口，每口八条线；还兼作地址/数据线。EAEAEAALE/PROG——地址锁存控制端提供1/6fosc振荡频率；为其内的EPROM输入编程脉冲PSEN——外部程序存储器的读选通信号端2.2MCS-51单片机的内部存储器）（外部K64RAM数据存储器

程序存储器外部ROM/EA=02.2MCS-51单片机的内部存储器）（外部K64RAM数据存储器

程序存储器外部ROM/EA=0物理上分为：4个空间即片内ROM、片外ROM片内RAM、片外RAM2.2MCS-51单片机的内部存储器）（外部K64RAM数据存储器

程序存储器外部ROM/EA=0逻辑上分为:

3个空间（程序员的角度）1、片内、外统一编址的程序存储空间，0000H~FFFFH共64KB（16位地址）2、片外数据存储空间，0000H~FFFFH共64KB（16位地址）3、片内数据存储空间，00H~7FH共128B（8位地址）。2.2MCS-51单片机的内部存储器）（外部K64RAM数据存储器

程序存储器外部ROM/EA=0三类不同存储空间（逻辑空间）的访问方法：用不同的指令区别：访问片内外ROM用MOVC指令；访问片外RAM用MOVX指令；访问片内RAM用MOV指令；一、程序存储器寻址范围：0000H~FFFFH容量64KB，即地址长度：16位

，寻址内部ROM；

，寻址外部ROM。

当PC值超过片内ROM容量时会自动转向外部存储器空间。8031单片机接低电平。作用：

存放程序及程序运行时所需的常数。七个具有特殊含义的单元是：

0000H——

系统复位，PC指向此处；

0003H——

外部中断0入口

000BH——T0溢出中断入口

0013H——

外中断1入口

001BH——T1溢出中断入口

0023H——

串口中断入口

002BH——T2溢出中断入口

二、内部数据存储器物理上分为两大区域：00H~7FH即128B内RAM区

80H~FFH即SFR区。1、低128BRAM（00H~7FH）

可直接、间接访问。分为三个区域（1）工作寄存器组区（字节地址00H~1FH）4组32个单元，每组8个寄存器R0、R1、R2……R7工作寄存器组区（1）工作寄存器组区（字节地址00H~1FH）4组32个单元，每组8个寄存器R0、R1、R2……R700H01H02H04H03H05H06H07HR0R1R2R3R4R5R6R712HMOV00H,#12HMOVR0,#12H通过直接数值地址进行访问通过寄存器名字（即符号地址）进行访问（1）工作寄存器组区（字节地址00H~1FH）4组32个单元，每组8个寄存器R0、R1、R2……R708H09H0AH0CH0BH0DH0EH0FHR0R1R2R3R4R5R6R712HMOV08H,#12HMOVR0,#12H通过寄存器PSW的两个位RS1、RS0来控制当前工作寄存器组的选择。（1）工作寄存器组区（字节地址00H~1FH）4组32个单元，每组8个寄存器R0、R1、R2……R7RS1RS0工作寄存器组数值地址范围00第0组工作寄存器组01第1组工作寄存器组10第2组工作寄存器组11第3组工作寄存器组（2）位寻址区（字节地址20H~2FH）16个字节，128个可操作位。每一位都有一个位地址，范围为：00H—7FH（2）位寻址区位操作：置1或清0置1:SETB清0:CLRSETB0DHSETB21H.5访问方式：1、直接位地址2、字节地址.位序号位寻址区（20H—2FH）16个字节。16*8=128位，每一位都有一个位地址，范围为：00H—7FH，位地址区也可作为一般RAM使用。（3）用户RAM区（字节地址30H~7FH）共80个字节单元，为用户RAM区（堆栈、数据缓冲）注意：在源程序中用到子程序调用时或者说是用到堆栈时，首先设置SP的值在（30H～7FH）之间。因系统复位时SP的值为07H，即指向第0组工作寄存器的R7单元。3.特殊功能寄存器MCS-51单片机内共有22个专用功能寄存器，包括PC及SFR。PC为程序计数器。它是一个双字节寄存器,寻址范围为:0000H~FFFFH，即0~64KB。SFR为特殊功能寄存器。其寻址空间：80H~FFH其中，51子系列有18个寄存器，占有21个字节；52子系列有21个寄存器，占有26个字节。

51子系列SFR的地址分配及位地址见下页表：

寄存器

位地址/位定义

地址

F7

F6

F5

F4

F3

F2

F1

F0

B

F0H

E7

E6

E5

E4

E3

E2

E1

E0

ACC

E0

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

PSW

CY

AC

F0

RS1

RS0

OV

/

P

D0H

BF

BE

BD

BC

BB

BA

B9

B8

IP

B8H

B7

B6

B5

B4

B3

B2

B1

B0

P3

P3.7

P3.6

P3.5

P3.4

P3.3

P3.2

P3.1

P3.0

B0H

IE

A8H

A7

A6

A5

A4

A3

A2

A1

A0

P2

P2.7

P2.6

P2.5

P2.4

P2.3

P2.2

P2.1

P2.0

A0H

SBUF

99H

++

注意：1、表中共有3个双字节寄存器。2、PC也为双字节寄存器，但是不在80H~FFH

范围内。

3、表中，凡地址能被8整除的寄存器都是可位寻址的寄存器。各寄存器的名称：1、算术运算寄存器（1）A——累加器。功能:A.累加器用于存放操作数,是ALU数据输入的一个重要来源,单片机中大部分单操作数指令的操作数取自累加器,许多双操作数指令的一个操作数也取自累加器.B.累加器是ALU运算结果的暂存单元,用于存放运算的中间结果.C.累加器是数据传送的中转站,单片机中的大部分传送都通过累加器进行.D.在变址寻址方式中把累加器作为变址寄存器用.（2）B——B寄存器，乘、除法运算用。B寄存器是一个8位寄存器,主要用于乘除运算.乘法运算时,B为乘数.乘法操作后,乘积的高8位存于B中.除法运算时,B为除数.除法操作后,余数存于B中.此外B寄存器也可作为一般数据寄存器使用.CY——

进位/借位标志；位累加器。AC——

辅助进/借位标志；用于十进制调整。F0——

用户定义标志位；软件置位/清零。OV——

溢出标志；

硬件置位/清零。P——

奇偶标志；A中1的个数为奇数P=1；否则P=0。RS1、RS0——寄存器区选择控制位。

00：0区R0~R7

01：1区R0~R710：2区R0~R7

11：3区R0~R7

P—RS0RS1OVF0ACCYPSW（3）PSW——程序状态字寄存器：包含程序运行状态、信息。2、指针寄存器（1）程序计数器PC指明即将执行的下一条指令的地址(程序存储器地址)，在物理上独立，复位时PC=0000H。（2）堆栈指针SP指明栈顶元素的地址，8位，可软件设置初值，复位时SP=07H。（3）数据指针DPTR@DPTR；指明访问的数据存储器的单元地址，16位，寻址范围64KB。DPTR=DPH+DPL，也可单独使用。

3、并行输入/输出端口寄存器P0、P1、P2、P3实为相应端口锁存器。4、串行输入/输出端口（1）串行数据缓冲器SBUF是物理上独立的两个寄存器，共同使用一个地址（99H）。（2）串行控制/状态寄存器SCON控制监视串行口的工作状态（3）电源控制寄存器PCON控制单片机的低功耗工作方式及波特率选择。

5、中断系统（1）中断优先级寄存器IP：2级优先，可软件设定（2）中断允许寄存器IE6、定时/计数器（1）定时器方式寄存器：TMOD（2）定时器控制寄存器：TCON（3）计数寄存器：TH0、TL0；TH1、TL1。可用于设定计数初值。五、地址空间（1）内部RAM20H~2FH共16个单元可按位寻址128位。（2）SFR80H~FFH51子系列，有11个寄存器，83位；52子系列，有12个寄存器，93位。

六、外部数据存储器

（1）容量最大扩展到64KB（2）寻址范围：0000H~FFFFH（3）寻址方式：间接寻址可用R0，R1，DPTR

3.MCS-51的堆栈操作1)何为堆栈是一个按照”先进后出”或”后进先出”原则存取数据的RAM区域.2)堆栈的作用堆栈主要是为子程序调用和中断操作而设立的.其具体功能有两个:保护断点和保护现场.子程序2子程序1主程序中断中断2.3并行输入/输出接口图2.5P0口内部一位结构图1.P0口2.3I/O口的结构和功能四个端口、双向、每个口包含一个锁存器、一个输出驱动器和二个输入缓冲器。1、结构

P0口电路图如下图一、P0口P0口的字节地址为80H,位地址为80H~87H.P0口：是漏极开路的准双向口低8位地址/数据总线口P0口：地址/数据复用口G1G2G3G4T2T12、通用I/O口作为通用I/O口用时，它的控制C为0,这时多路开关是与/Q端相连。它有两个功能。2、通用I/O口1）读（端口外数据

内部寄存器）方式1（读锁存器）Q

G2D内部总线,适于“读—修改—写”方式2（读引脚）：P0.xG1D内部总线。作为通用I/O使用，

是一个准双向口：“在输入数据时应先把口置1，使两个FET都截止，引脚处于悬浮状态，可作高阻抗输入”2）写（片内数据

端口）

数据

锁存MUXP0.x

作为通用I/O口用时，它的控制C为0,这时多路开关是与/Q端相连。它有两个功能：3）地址/数据总线口控制MUX写：地址/数据为1，P0·x——高

地址/数据为0，P0·x——低读：经缓冲器G1读入

4)负载能力可带8个TTL输入，驱动NMOS时，接上拉电阻。

总结特点：（1）P0口可作通用I/O口使用，又可作地址/数据总线口；（2）P0既可按字节寻址，又可按位寻址；（3）P0作为输入口使用时：是准双向口；（4）作通用I/O口输出时：是开漏输出；（5）作地址/数据总线口时，P0是一真正双向口，而作通用I/O口时，只是一个准双向口。

二、P1口1、结构：只能作I/O口用，且是一个准双向口。内部已有上拉电阻，不是开漏输出口。2、特点：（1）无地址/数据口功能（2）可按字节寻址，也可按位寻址（3）作I/O输入口时：是一准双向口，不是开漏输出。

三、P2口1、结构

2、特点：（1）当P2口作为通用I/O时，是一准双向口。（2）从P2口输入数据时，先向锁存器写“1”。（3）可位寻址，也可按字节寻址（4）可输出地址高8位。

四、P3口1、结构2、特点：（1）作通用I/O时，“选择输出功能”应保持高电平，（2）工作于第二功能时，该位锁存器应置1，（3）作输入口时，输出锁存器和选择输出功能端都应置1（4）第二功能专用输入，取自输入通道第一缓冲器（G1）输出端，通用输入信号取自“读引脚”。

表2.7P3口的第二功能小结：1、P0口：地址低8位与数据线分时使用端口，2、P1口：按位可编址的输入输出端口，3、P2口：地址高8位输出口4、P3口：双功能口。若不用第二功能，也可作通用I/O口。5、按三总线划分：

地址线：P0低八位地址，P2高八地址；数据线：P0输入输出8位数据；控制线：P3口的8位加上/PSEN、ALE共同完成控制总线。2.4单片机工作的基本时序1.时钟电路图2-6,2-7,2-82.机器周期和指令周期（1）振荡周期:也称时钟周期,是指为单片机提供时钟脉冲信号的振荡源的周期。（2）状态周期:每个状态周期为时钟周期的2倍,是振荡周期经二分频后得到的。（3）机器周期:一个机器周期包含6个状态周期S1~S6,也就是12个时钟周期。在一个机器周期内,CPU可以完成一个独立的操作。（4）指令周期:它是指CPU完成一条操作所需的全部时间。每条指令执行时间都是有一个或几个机器周期组成。MCS-51系统中,有单周期指令、双周期指令和四周期指令。3.MCS-51指令的取指/执行时序图2.7MCS-51单片机取指/执行时序2.5MCS-51单片机工作方式一.复位操作和复位电路1.复位操作2.复位信号及其产生3.复位方式二.程序执行方式三.掉电保护方式四.80C51的低功耗方式BYE-BYE树立质量法制观念、提高全员质量意识。6月-236月-23Monday,June5,2023人生得意须尽欢，莫使金樽空对月。20:08:0120:08:0120:086/5/20238:08:01PM安全象只弓，不拉它就松，要想保安全，常把弓弦绷。6月-2320:08:0120:08Jun-2305-Jun-23加强交通建设管理，确保工程建设质量。20:08:0120:08:0120:08Monday,June5,2023安全在于心细，事故出在麻痹。6月-236月-2320:08:0120:08:01June5,2023踏实肯干，努力奋斗。2023年6月5日8:08下午6月-236月-23追求至善凭技术开拓市场，凭管理增创效益，凭服务树立形象。05六月20238:08:01下午20:08:016月-23