单片机的硬件结构及原理

第1章单片机的硬件结构和原理1.1概述1.2MCS-51单片机硬件结构1.3中央处理器CPU1.4存储器的结构1.5并行输入/输出接口1.6单片机的引脚及其功能

1.7单片机工作的基本时序1.1概述计算机巨大中小微多片机（PC）单片机★单片机SCMC(SingleChipMicroComputer)----属于微型机的一种

----具有一般微机的基本组成和功能又称为微控制器MCU（MicroController

Unit）一、微型机与单片机的基本组成对比微型机CPU存储器输入/输出接口微处理器CPUROMRAMI/O接口外设地址总线AB数据总线DB控制总线CB微型机组成框图时钟OSCCPU各种I/O定时器/计数器程序存储器ROM数据存储器RAM中断MCS-51单片机组成框图

(1)优异的性能价格比。二、单片机的特点

单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合于在恶劣环境下工作。此外，程序多采取固化形式也可以提高可靠性。

(2)集成度高、体积小、有很高的可靠性。为了满足工业控制要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能。单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。(3)控制功能强。(4)单片机的系统扩展、系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。三、单片机的应用1．单片机应用的特点软硬件结合、多学科交叉；应用现场环境恶劣（电磁干扰、电源波动、冲击振动、高低温湿度等）；应用领域广泛且意义重大（硬件软化--微控制技术）。2．单片机的应用领域①在在工业自动化方面（过程控制、数据采集和测控技术、机器人技术、机械电子计算机一体化技术）；②仪器仪表方面（测试仪表和医疗仪器--数字化、智能化、高精度、小体积、低成本、便于增加显示报警和自诊断功能）；③在家用电器方面（冰箱、洗衣机、空调机、微波炉、电视机、音像设备等）；④信息和通信产品方面（计算机的键盘、打印机、磁盘驱动器；传真机、复印机、电话机、考勤机）；⑤在军事方面（飞机、大炮、坦克、军舰、导弹、火箭、雷达等）。2.2MCS-51单片机硬件结构2.2.1MCS-51系列单片机的分类表2.1MCS-51系列单片机配置一览表

资源配置子系列片内ROM形式片内

ROM

容量片内RAM

容量定时/计数器中断源

无ROMEPROME2PROM51子系列80318051875189514KB128B2×16552子系列80328052875289528KB256B3×166其中,51系列为基本型，52系列为增强型；

INTEL公司将MCS-51的核心技术授权给了很多其它公司，所以有很多公司在做以8051为核心的单片机，当然，功能或多或少有些改变，以满足不同的需求，其中89C51和89S51就是这几年在我国非常流行的单片机，它是由美国ATMEL公司开发生产的。2.2.2AT89系列带字母C的为低功耗型，如89C51；带字母S的为可串行编程系列，如89S52；2.2.3MCS-51单片机的内部结构图2.1MCS-51单片机结构框图时钟电路SFR和RAMROMCPU定时/计数器并行端口中断系统串行端口系统总线时钟源T0T1P0

P1

P2

P3TXDRXD

INT0INT12.3中央处理器CPU2.3.1运算器算术逻辑单元ALU2.累加器ACC（Accumulator）累加器A是在编程操作中最常用的专用寄存器，功能较多，可按位寻址。

3.寄存器B:即可作为一般寄存器使用，也可用于乘除运算。做乘法运算时，B是乘数。乘法操作后，乘积的高8位存于B中。做除法运算时，B存放除数。除法操作后，余数存放在B中。

4.程序状态字PSW（ProgramStateWord）CyACF0RS1RS0OV…PD7D6D5D4D3D2D1D0PSW表2.2RS1、RS0与片内工作寄存器组的对应关系RS1RS0寄存器组片内PAM地址通用寄存器名称000组00H~07HR0~R7011组08H~0FHR0~R7102组10H~17HR0~R7013组18H~1FHR0~R7单片机复位时，RS1=RS2=00，默认为第0组2.3.2控制器1.时钟电路图2.2单片机时钟电路（a）内部时钟电路；（b）外部振荡源一般地，取C1=C2=30pF,晶振为6MHz或12MHz2.复位电路图2.3单片机复位电路（a）上电复位电路；(b)开关复位电路取C1=22uF电解电容，R=1KΩ,R1=100ΩR2=1KΩ表2.3复位后内部寄存器状态

3.指令寄存器和指令译码器指令寄存器中存放指令代码。CPU执行指令时,由程序存储器中读取的指令代码送入指令存储器,经译码器译码后由定时与控制电路发出相应的控制信号,完成指令所指定的操作。

4.程序计数器PC（ProgramCounter）

PC用于存放CPU下一条要执行的指令地址,是一个16位的专用寄存器,可寻址范围是0000H~0FFFFH共64K.。程序中的每条指令存放在ROM区的某一单元,并都有自己的存放地址。CPU要执行哪条指令时,就把该条指令所在的单元的地址送上地址总线。在顺序执行程序中,当PC的内容被送到地址总线后,会自动加1,即(PC)←(PC)+1,又指向CPU下一条要执行的指令地址。

5.堆栈指针SP（StackPointer）

堆栈操作是在内存RAM区专门开辟出来的按照“先进后出”原则进行数据存取的一种工作方式,主要用于子程序调用及返回和中断处理断点的保护及返回,它在完成子程序嵌套和多重中断处理中是必不可少的。为保证逐级正确返回,进入栈区的“断点”数据应遵循“先进后出”的原则。SP用来指示堆栈所处的位置,在进行操作之前,先用指令给SP赋值,以规定栈区在RAM区的起始地址（栈底层）。当数据推入栈区后,SP的值也自动随之变化。MCS-51系统复位后,SP初始化为07H。

6.数据指针寄存器DPTR

数据指针DPTR是一个16位的专用寄存器,其高位字节寄存器用DPH表示,低位字节寄存器用DPL表示。既可作为一个16位寄存器DPTR来处理,也可作为两个独立的8位寄存器DPH和DPL来处理。

DPTR主要用来存放16位地址,当对64KB外部数据存储器空间寻址时,作为间址寄存器用。在访问程序存储器时,用作基址寄存器。2.4存储器的结构图2.4MCS-51单片机的存储器结构

1.程序存储器

对于8051来说,程序存储器（ROM）的内部地址为0000H~0FFFH,共4KB;外部地址为1000H~FFFFH,共60KB。当程序计数器由内部0FFFH执行到外部1000H时,会自动跳转。对于8751来说,内部有4KB的EPROM,将它作为内部程序存储器;8031内部无程序存储器,必须外接程序存储器。8031最多可外扩64KB程序存储器,其中6个单元地址具有特殊用途,是保留给系统使用的。0000H是系统的启动地址,一般在该单元中存放一条绝对跳转指令。0003H、000BH、000BH、001BH和0023H对应5种中断源的中断服务入口地址。存储器结构图

2.内部数据存储器

MCS-51单片机片内RAM的配置如图2.4（b）所示。片内RAM为256字节,地址范围为00H~FFH,分为两大部分:低128字节（00H~7FH）为真正的RAM区;高128字节（80H~FFH）为特殊功能寄存器区SFR。在低128字节RAM中,00H~1FH共32单元是4个通用工作寄存器区。每一个区有8个通用寄存器R0~R7。寄存器和RAM地址对应关系如表2.4。存储器结构图表2.4寄存器与RAM地址对照表

存储器结构图表2.5RAM中的位寻址区地址表

存储器结构图表2.6SFR特殊功能寄存器地址表

存储器结构图表2.6SFR特殊功能寄存器地址表

表2.6SFR特殊功能寄存器地址表

3.外部数据存储器

外部数据存储器一般由静态RAM构成，其容量大小由用户根据需要而定,最大可扩展到64KBRAM,地址是0000H~0FFFFH。CPU通过MOVX指令访问外部数据存储器,用间接寻址方式,R0、R1和DPTR都可作间接寄存器。注意,外部RAM和扩展的I/O接口是统一编址的,所有的外扩I/O口都要占用64KB中的地址单元。存储器结构图2.6单片机的引脚及其功能图2.6MCS-51单片机引脚及总线结构(a)管脚图；(b)8031引脚功能分类(1)ALE/PROG(30脚)：地址锁存有效信号输出端。ALE在每个机器周期内输出两个脉冲。在访问片外程序存储器期间，下降沿用于控制锁存P0输出的低8位地址；在不访问片外程序存储器期间，可作为对外输出的时钟脉冲或用于定时目的。但要注意，在访问片外数据存储器期间，ALE脉冲会跳空一个，此时作为时钟输出就不妥了。对于片内含有EPROM的机型，在编程期间，该引脚用作编程脉冲PROG的输入端。(2)PSEN(29脚)：片外程序存储器读选通信号输出端，低电平有效。当从外部程序存储器读取指令或常数期间，每个机器周期该信号两次有效，以通过数据总线P0口读回指令或常数。在访问片外数据存储器期间，PSEN信号将不出现。

(3)RST/VPD(9脚)：RST即为RESET，VPD为备用电源。该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平，就可实现复位操作，使单片机回复到初始状态。上电时，考虑到振荡器有一定的起振时间，该引脚上高电平必须持续10ms以上才能保证有效复位。当VCC发生故障，降低到低电平规定值或掉电时，该引脚可接上备用电源VPD(+5V)为内部RAM供电，以保证RAM中的数据不丢失。2.5并行输入/输出接口图2.5P0口内部一位结构图1.P0口2.P1、P2和P3口

P1、P2和P3口为准双向口,在内部差别不大,但使用功能有所不同。

P1口是用户专用8位准双向I/O口,具有通用输入/输出功能,每一位都能独立地设定为输入或输出。当有输出方式变为输入方式时,该位的锁存器必须写入“1”,然后才能进入输入操作。

P2口是8位准双向I/O口。外接I/O设备时,可作为扩展系统的地址总线,输出高8位地址,与P0口一起组成16位地址总线。对于8031而言,P2口一般只作为地址总线使用,而不作为I/O线直接与外部设备相连。表2.7P3口的第二功能说明：1.各个端口引脚在作输入口之前，都要先向对应的口寄存器中写“1”，不然不能作输入口用。2.P0口内部没有上拉电阻（其他都有），所以作通用IO口用时为“开漏”输出，必须外加上拉电阻。在作总线使用时不需要加上拉。其他的口可加可不加。（上拉电阻的阻值确定，5.1K或者4.7K都可以）。3.P3口作第二功能使用时，相应的口锁存器必须为“1”状态。4.如果使用了外部存储器，不要再写P0口。2.7单片机工作的基本时序