【ch02】单片机的结构及原理

第二章单片机的结构及原理工业和信息化部“十四五”规划教材单片机原理及应用0180C51单片机的基本结构

80C51单片机的基本组成

80C51单片机的结构框图如图2-1所示。MCS-51单片机的典型芯片有8031、8051、8751。8051内部有4KBROM，8751内部有4KBEPROM，8031片内无ROM。80C51单片机的组成中央处理器(CPU)80C51内部有一个功能很强的8位中央处理器，完成对指令的解释和运算，为指令执行提供所必需的运算、逻辑和控制线路。它由运算器、控制器和专用寄存器组等构成。

内部数据存储器(内部RAM)80C51芯片中共有256个RAM单元，能作为寄存器供用户使用的只是前128个单元，用于存放可读写的数据，它的后128个单元被专用寄存器占用。通常所说的内部数据存储器就是指前128个单元，简称内部RAM(片内RAM)。80C51单片机的组成80C51单片机的基本组成80C51单片机的组成

80C51单片机的基本组成内部程序存储器(内部ROM)80C51共有4KB掩膜ROM，用于存放程序、原始数据或表格，因此称之为内部程序存储器，简称内部ROM(片内ROM)。定时/计数器80C51共有两个16位的定时/计数器，以实现定时或计数功能，并根据其定时或计数结果对计算机进行控制。20%30%40%50%并行I/O接口80C51共有4个8位的I/O接口(P0、P1、P2、P3)，用以实现数据的并行输入输出。如可以通过P1口连接8个发光二极管等。串行口80C51单片机有一个全双工的串行口，实现单片机和其他设备之间的串行数据传送。80C51串行口，既可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为同步移位器使用。80C51单片机的组成80C51单片机的基本组成

时钟电路80C51芯片的内部有时钟电路，但石英晶体和微调电容需外接。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列。80C51单片机的基本组成中断控制系统80C51共有5个中断，即两个外部中断、两个定时/计数器中断、1个串行中断。所有中断分为两个优先级别的中断，即高级中断和低级中断。80C51单片机的组成80C51的信号引脚80C51是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片，引脚排列如图2-2所示。(1)信号引脚介绍(2)信号引脚的第二功能80C51单片机的组成80C51的信号引脚复用"是唯一可行的办法，所谓“复用”，就是给一些信号引脚赋以双重功能，如P3口线均具有第二功能。P3口的8条口线都定义有第二功能，如表2-1所示。80C51单片机的组成80C51单片机的存储器80C51单片机与一般微机的存储器配置方式不同。一般微机通常只有一个逻辑空间，可以随意安排ROM或RAM。而80C51单片机在物理结构上有4个独立的存储空间，即内部RAM、ROM和外部RAM、ROM，但从用户使用的角度考虑，80C51存储器逻辑地址空间分三类。①内部、外部统一编址的64KB程序存储器(MOVC)。②内部256B数据存储器(MOV)。③外部64KB数据存储器(MOVX)。

在访问三个不同的逻辑空间时，采用不同形式的指令，以产生不同的存储器空间的选通信号。80C51的存储器结构如图2-3所示。80C51单片机的存储器内部数据存储器低128单元低128单元的内部RAM的配置如图2-4所示，按其用途划分为三个区域。80C51单片机的存储器内部数据存储器低128单元位寻址区共有16个RAM单元，计128位，位地址为00H～7FH。这种位寻址能力是80C51的一个重要特点，表2-2为内部RAM位寻址区的位地址表。80C51单片机的存储器内部数据存储器高128单元PSW的位状态可以用专门指令进行测试，也可以用指令读出。一些条件转移指令将根据PSW有些位的状态，进行程序转移。PSW的各位定义如下：80C51单片机的存储器

内部数据存储器高128单元

RS1和RSO(PSW.4，PSW.3):寄存器组选择位。用于选择CPU当前工作的通用寄存器组。通用寄存器共有四组，其对应关系对应关系如表2-3所示。80C51单片机的存储器内部数据存储器高128单元专用寄存器的地址80C51系列单片机的21个专用寄存器中有11个专用寄存器是可以位寻址的。各寄存器的字节地址及位地址分布如表2-4所示。80C51单片机的存储器内部数据存储器高128单元专用寄存器的地址80C51系列单片机的21个专用寄存器中有11个专用寄存器是可以位寻址的。各寄存器的字节地址及位地址分布如表2-4所示。80C51单片机的存储器内部程序存储器还有一组特殊单元是0003H～002AH，共40个单元，这40个单元被均匀地分为五段，作为5个中断源的中断地址区。其中：(1)0003H～000AH 外部中断0中断地址区；(2)000BH～0012H 定时/计数器0中断地址区；(3)0013H～001AH 外部中断1中断地址区；(4)001BH～0022H 定时/计数器1中断地址区；(5)0023H～002AH 串行中断地址区。80C51单片机的存储器02并行I/O口

PO口的口线逻辑电路如图2-5所示。由图2-5可见，电路中包含有1个数据输出锁存器、2个三态数据输入缓冲器、1个数据输出的驱动电路和1个输出控制电路。P0口因为P1口通常是作为通用I/O口使用的，所以在电路结构上与P0口有一些不同之处。首先它不再需要多路转接电路MUX;其次是电路的内部有上拉电阻，与场效应管共同组成输出驱动电路。P1口P2口电路中比P1口多了一个多路转接电路MUX，这又正好与PO口一样。P2口可以作为通用I/O口使用，这时多路转接开头倒向锁存器Q端。但通常情况下，P2口作为高位地址线使用，此时多路转接开头应倒向相反方向。P2口P3口的特点在于为适应引脚信号第二功能的需要，增加了第二功能控制逻辑。由于第二功能信号有输入和输出两类，因此分两种情况说明。P3口03时钟电路与复位电路

时钟信号的产生在80C51芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，其输出端为引脚XTAL2。而在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器，这就是单片机的时钟电路，如图2-9所示。时钟电路与时序外部引入脉冲信号在由多片单片机组成的系统中，为了各单片机之间时钟信号的同步，应当引入唯一的公用外部脉冲信号作为各单片机的振荡脉冲。时钟电路与时序时序时序是用定时单位来说明的。80C51的时序定时单位共有4个，从小到大依次是：节拍、状态、机器周期和指令周期。振荡周期、机器周期、指令周期之间的关系如图2-11所示。时钟电路与时序时序单片机执行任何一条指令时都可以分为取指令阶段和执行指令阶段。80C51的取指/执行时序如图2-12所示。时钟电路与时序

单片机复位是使CPU和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，例如，复位后PC=0000H，使单片机从第一个单元取指令。复位电路单片机复位期间不产生ALE和PSEN信号，即ALE=1和PSEN=1。这表明单片机复位期间不会有任何取指操作。复位后内部各专用寄存器状态如表2-5所示。复位电路04单片机的工作方式复位方式复位是单片机进入工作状态的初始化操作，使CPU和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。另外，当程序运行错误或由于错误操作而使单片机进入死锁状态时，也可以通过复位进行重新启动。复位后，单片机内部寄存器的值被初始化，其值见表2-5。20%30%40%50%(1)连续执行方式连续执行方式是从指定地址开始连续执行程序存储器ROM中存放的程序，每读一次程序，PC自动加1。(2)单步运行方式单步运行方式是在单步运行键的控制下实现的，每按一次单步运行键，程序顺序执行一条指令。程序执行方式

MCS-51单片机中有HMOS和CHMOS两种工艺芯片，它们的节电运行方式不同，HMOS单片机只有掉电工作方式，而CHMOS单片机具有掉电工作方式和空闲工作方式两种。单片机的节电工作方式，是由其内部的电源控制寄存器PCON控制的。PCON寄存器的控制格式如表2-6所示。节电工作方式空闲工作方式当程序将PCON的IDL位置1后，系统就进入了空闲工作方式。空闲工作方式是在程序运行过程中，用户在CPU无事可做或不希望它执行程序时，进入的一种降低功耗的待机工作方式。掉电工作方式当CPU执行一条置PCON.1位(PD)为1的指令后，系统即进入掉电工作方式。掉电的具体含义是指由于电源的故障使电源电压丢失或工作电压低于正常要求的范围值。节电工作方式对于内部程序存储器为EPROM型的单片机，如8751型单片机，需要一种对EPROM可以操作的工作方式，即用户可对片内的EPROM进行编程和校验。关于对片内EPROM编程和校验的具体方式，大家可参看有关资料。EPROM编程和校验方式05单片机的工作过程取指令过程接通电源开机后，PC=0000H，取指令过程如下：①PC中的0000H送到片内的地址寄存器；②PC的内容自动加1变为0001H指向下一个指令字节；③地址寄存器中的内容0000H通过地址总线送到存储器，经存储器中的地址译码选中0000H单元；④CPU通过控制总线发出读命令；⑤被选中单元的内容74H送至内部数据总线上，该内容通过内部数据总线送给单片机内部的指令寄存器。到此取指令过程结束，进入执行指令过程。执行指令的过程如下：①指令寄存器中的内容经指令译码器译码后，说明这条指令是取数命令，即把一个立即数送入累加器A中；②PC的内容0001H送地址寄存器，译码后选中0001H单元，同时PC的内容自动加1变为0002H;③CPU同样通过控制总线发出读命令；④读出0001H单元的内容EOH，经内部数据总线送至A，至此本指令执行结束。PC=0002H，机器又进入下一条指令的取指令过程。一直重复上述过程直到程序中的所有指令执行完毕，这就是单片机的基本工作过程。执行指令的过程06AT89系列单片机简介20%30%40%50%

标准型单片机标准型单片机有AT89C51、AT89LV51、AT89C52、AT89LV52这4种型号。

低档型单片机在AT89系列单片机中，还有一类单片机，其基本部件结构和AT89C51差不多，只是I/O口数目、内部Flash存储器、内部RAM存储器等少些，这类单片机被称为AT89系列的低档型产品，如AT89C1051、AT89C2051两种型号。

高档型单片机在AT89系列单片机中，还有的是在标准型的基础上增加了一些功能，形成高档型产品，如AT89S8252。AT89系列单片机简介在AT89系列单片机中，AT89C1051和AT89C2051两种型号其内部基本结构与AT89C51类似，但其外部引脚只有20个，AT89C2051的引脚图如图2-14所示。AT89系列单片机简介07单片机最小应用系统

图2-15为基于