单片机原理及应用（C51版）教案第2章 单片机基本结构和工作原理

第2章

单片机基本结构和工作原理主要介绍MCS-51单片机的内部结构及外部引脚、存储器结构及特殊功能寄存器功能、并行I/O端口结构和工作原理、CPU工作时序和工作方式等内容。第2章

单片机的基本结构和工作原理单片机的组成和内部结构2.1单片机的外部引脚及功能2.2单片机的存储器结构2.3单片机的I/O电路2.4单片机的辅助电路2.5单片机的工作时序和工作方式2.62.1单片机的组成和内部结构2.1.1单片机的组成单片机内部通常包含以下部件：一个8位CPU；一个片内振荡器及时钟电路；4KBROM（8031没有片内ROM，增强型为8KB）；128BRAM（增强型为256B）；两个16位定时器/计数器（增强型为三个）；可寻址64KB外部数据存储器和64KB外部程序存储器空间的控制电路；32条可编程的I/O口（四个8位并行I/O端口）；一个可编程全双工串行口；具有五个中断源、两个优先级嵌套中断结构（增强型为六个中断源）。2.1.1

单片机的组成2.1.2单片机的内部逻辑结构包括：算术/逻辑运算单元ALU、布尔处理器、累加器、B寄存器、暂存器、程序状态字PSW等部件。功能：实现数据的算术逻辑运算、位变量处理和数据传送等操作。一.运算器2.1.3CPU的内部结构1．算术逻辑单元ALU运算器的核心部件，实质上是全加器。对数据进行加、减、乘、除等算术运算以及对数据进行与、或、异或、循环、置1、清0等逻辑运算。2．累加器ACC或A是一个8位寄存器，很多运算都要通过累加器提供操作数，多数运算结果也在ACC中存放。2.1.3CPU的内部结构3．B寄存器暂时存储数据总线或其他寄存器送来的操作数。4．暂存寄存器(TMP1和TMP2)5．程序状态字寄存器(PSW)一个8位的专用寄存器，主要用于存放当前运算结果的状态。B寄存器是为乘法和除法而设置的，在进行乘法和除法运算时A和B组成寄存器对，记为AB。在不执行乘法和除法时，B寄存器可以作为一个普通寄存器使用。2.1.3CPU的内部结构二.控制器

控制器是单片机的指挥控制部件。功能：接受来自程序存储器中的指令并对指令进行译码和分析并根据指令的性质控制单片机各功能部件从而保证单片机各部分能自动而协调的工作。

包括：程序计数器、指令寄存器、指令译码器、数据指针、堆栈指针、定时与控制逻辑电路等。2.1.3CPU的内部结构1．程序计数器(PC)16位专用寄存器，用于存放一条将要执行指令的地址，具有自动加1功能。执行转移、子程序调用指令和中断响应时，PC内容不再加1。单片机复位时，PC装入0000H。2．指令寄存器(IR)一个8位寄存器，用于寄存等待执行的指令。

2.1.3CPU的内部结构源程序

ORG0000H

LJMPSTARTORG0040HSTART：MOVSP，#5FH;设堆栈

LOOP：NOP

LJMPLOOP

；循环

END

；结束目标文件也就是最终写入EPROM的文件：020040FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF75815F

00

0200433．指令译码器(ID)对指令寄存器中的指令进行译码。

4．数据指针(DPTR)一个16位专用寄存器，通常在访问外部数据存储器时作地址指针。5．堆栈指针(SP)一个8位专用寄存器，用于存放堆栈栈顶地址。6．定时与控制逻辑电路产生各种控制信号，协调各功能部件的工作。2.1.3CPU的内部结构2.2单片机的外部引脚及功能I/O引脚控制引脚电源与晶振引脚I/O引脚即输入/输出端口，有P0（P0.0～P0.7）、P1（P1.0～P1.7）、P2（P2.0～P2.7）、P3（P3.0～P3.7）4个8位准双向输入/输出端口。P0、P2和P3口可以组成三总线，用于外围芯片扩展。2.2.1I/O引脚地址总线(AB)805187518031P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7PSENEAALERST用户I/O控制总线(CB)锁存器P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0ALEA15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0D7D6D5D4D3D2D1D0VCCVSS数据总线(DB)VCCVSSRST：复位输入端，该引脚出现连续2个周期高电平使单片机复位。ALE/PROG：当访问外部存储器时，ALE为地址锁存器提供锁存信号，用于锁存地址的低位字节，不访问外部存储器时，ALE端仍以不变的频率（为振荡频率的1/6）周期性地出现正脉冲信号。注意：访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。在对片内ROM编程时，该引脚的第二功能用于输入编程脉冲。2.2.2控制引脚PSEN：外部程序存储器取指使能。在访问外部ROM时，该信号自动产生，每个机器周期输出两个脉冲。EA/Vpp：外部访问允许；当EA为高电平时，CPU从内部程序存储器执行指令，当PC值超过片内程序存储器最大地址范围时，将自动转向外部存储器执行程序。当EA为低电平时，CPU只从外部程序存储器执行指令。在片内ROM编程期间，该引脚的第二功能用于加12V的编程允许电源。思考：8031单片机的EA引脚应该接什么电平？2.2.2控制引脚Vcc：电源端。GND：接地端。XTAL1：接外部晶振的一个引脚。XTAL2：接外部晶振的一个引脚。（后面讲）2.2.3电源与晶振引脚应用举例--P1口驱动流水灯单片机的组成和内部结构-单片机的内部逻辑结构从物理上看，MCS-51单片机有4个存储空间：内部ROM、外部ROM、内部RAM、外部RAM。从用户角度看，MCS-51单片机有3个存储地址空间：片内外统一寻址的ROM空间----用MOVC指令访问片内RAM空间和SFR----用MOV指令访问片外RAM空间----用MOVX指令访问MCS-51单片机的存储器组织采用哈佛结构，即程序存储器与数据存储器使用不同的逻辑空间、不同的物理存储、不同的寻址方式和不同的访问时序。2.3单片机的存储器结构程序存储器00H7FH80HFFH内部RAMSFR内部数据存储器外部ROM60KBEA=0EA=10000H0FFFH1000HFFFFH内部ROM4KB外部ROM4KB外部数据存储器外部RAM64KBFFFFH0000H2.3单片机的存储器结构程序存储器用来存放程序、表格和常数，也称为ROM。以程序计数器PC作为地址指针，通过16位地址总线，可寻址的地址空间为64K字节，地址范围为0000H～FFFFH。对于MCS-51系列单片机，ROM主要有3种形式：80C31/80C32片内无ROM，必须外部扩展80C51/87C51片内有4KB的ROM/EPROM80C52/87C52片内有8KB的ROM/EPROM2.3.1程序存储器要使用外部ROM，

引脚必须接低电平；要使用内部ROM，

引脚必须接高电平。2.3.1程序存储器-片内与片外程序存储器的选择2.3.1程序存储器-程序存储器低端的特殊单元地址功能0000H复位0003H外部中断0000BH定时器/计数器00013H外部中断1001BH定时器/计数器10023H串行口中断程序存储器低端的特殊单元如下表所示：2.3.1程序存储器-程序存储器低端的特殊单元低端几个特殊单元2.3.1程序存储器-程序代码及其观察数据存储器用来存放暂时性的输入输出数据、运算的中间结果或用作堆栈，也称为RAM。内部数据存储器

外部数据存储器2.3.2数据存储器2.3.2数据存储器-工作寄存器区工作寄存器区（4组）寄存器组0：地址00H~07H

寄存器组1：地址08H~0FH寄存器组2：地址10H~17H寄存器组3：地址18H~1FH

PSW寄存器中：

每组又包括8个寄存器，记为R0～R7当前工作寄存器组选择通过RS1和RS0设置内部RAM的20H～2FH区域为位寻址区，只能按位寻址。

2.3.2数据存储器-位寻址区字节地址位地址D7D6D5D4D3D2D1D020H07H06H05H04H03H02H01H00H21H0FH0EH0DH0CH0BH0AH09H08H22H17H16H15H14H13H12H11H10H23H1FH1EH1DH1CH1BH1AH19H18H24H27H26H25H24H23H22H21H20H25H2FH2EH2DH2CH2BH2AH29H28H26H37H36H35H34H33H32H31H30H27H3FH3EH3DH3CH3BH3AH39H38H28H47H46H45H44H43H42H41H40H29H4FH4EH4DH4CH4BH4AH49H48H2AH57H56H55H54H53H52H51H50H2BH5FH5EH5DH5CH5BH5AH59H58H2CH67H66H65H64H63H62H61H60H2DH6FH6EH6DH6CH6BH6AH69H68H2EH77H76H75H74H73H72H71H70H2FH7FH7EH7DH7CH7BH7AH79H78H字节地址位地址D7D6D5D4D3D2D1D020H07H06H05H04H03H02H01H00H21H0FH0EH0DH0CH0BH0AH09H08H22H17H16H15H14H13H12H11H10H23H1FH1EH1DH1CH1BH1AH19H18H24H27H26H25H24H23H22H21H20H25H2FH2EH2DH2CH2BH2AH29H28H26H37H36H35H34H33H32H31H30H27H3FH3EH3DH3CH3BH3AH39H38H28H47H46H45H44H43H42H41H40H29H4FH4EH4DH4CH4BH4AH49H48H2AH57H56H55H54H53H52H51H50H2BH5FH5EH5DH5CH5BH5AH59H58H2CH67H66H65H64H63H62H61H60H2DH6FH6EH6DH6CH6BH6AH69H68H2EH77H76H75H74H73H72H71H70H2FH7FH7EH7DH7CH7BH7AH79H78HMOVA，20HMOVC，20H累加器位累加器位寻址区2.3.2数据存储器-位寻址区内部RAM的30H～7FH区域为普通存储区，只能按字节寻址。

数据缓冲

堆栈

SP指示栈顶复位时SP=07H

系统初始化通常重新设置2.3.2数据存储器-普通存储区基本型单片机有21个SFR离散地分布在80H～FFH空间。与运算器相关3个

ACC

B

PSW与定时/计数器相关6个

TH0,TL0

TH1,TL1

TMODTCON指针类3个

SP

DPH,DPL与口相关7个

P0,P1,P2,P3

SBUFSCON

PCON与中断相关2个

IE

IP2.3.3特殊功能寄存器2.3.3特殊功能寄存器标

志

符名

称地

址ACC累加器E0HBB寄存器F0HPSW程序状态字寄存器D0HSP堆栈指针81HDPH数据指针DPTR高字节83HDPL数据指针DPTR低字节82HP0P0口80HP1P1口90HP2P2口A0HP3P3口B0HIE中断允许控制寄存器A8HIP中断优先级控制寄存器B8HTMOD定时器/计数器工作方式寄存器89HTCON中断请求标志寄存器88H标

志

符名

称地

址TH0定时器/计数器0（高字节）8CHTL0定时器/计数器0（低字节）8AHTH1定时器/计数器1（高字节）8DHTL1定时器/计数器1（低字节）8BHSCON串行口控制寄存器98HSBUF串行口收发数据寄存器99HPCON电源控制寄存器87H地址的尾数是0或8的寄存器不仅可以按字节访问，也可以按位寻址，常用的访问方法“寄存器名.位序号”2.3.3特殊功能寄存器1．累加器

8位寄存器，ACC表示地址（E0H），寄存器名称为A。为ALU提供操作数、存放运算结果。大部分指令要通过累加器ACC进行，通常用A表示。2.3.3特殊功能寄存器其中F0、RS1、RS0可以软件设置，Cy、Ac、OV和P由CPU决定。PSWD7D6D5D4D3D2D1D0D0HCyAcF0RS1RS0OV-PCy：进位标志位。当最高位有进位(加法)或有借位(减法)时，Cy=1，否则Cy=0。

在布尔(位)处理器中作位累加器使用，常用“C”表示。Ac：辅助进位标志位。当低4位相加(或相减)时，若D3位向D4位有进位(或借位)，AC=1，否则AC=0。2．程序状态字寄存器PSW

2.3.3特殊功能寄存器F0（用户标志位）：F0是开发者可以定义的一个状态标记，用软件来使它置1或清0。RS1、RS0：工作寄存器组选择控制位。OV：溢出标志位。用于指示带符号数运算的溢出。

当两个带符号数进行运算时，OV逻辑表达式为OV=C7⊕C6。P：奇偶标志位，ACC中“1”的个数为奇数，P置1。RS1RS0组对应RAM中的地址00000H～07H01108H～0FH10210H～17H11318H～1FH2.3.3特殊功能寄存器有符号二进制数的表示方法及溢出问题

我们假定讨论的数为整数，对8位有符号二进制整数，用下表示：数值部分符号位0：表示正数1：表示负数

这种表示方法称为机器数表示法。有符号二进制数的真值为它对应的十进制数。有符号二进制数的表示方法及溢出问题补码表示法一个数X的补码记为，补码可定义为：补[X]补[x]=x

当

当(mod)值的注意的是：0的补码只有唯一的形式，符号位和数值位均为0。无正负0之分。有符号二进制数的表示方法及溢出问题负数补码的求法补[x]==，x<0即负数x的补码等于模加上其真值（或减去其真值的绝对值）。补[X](mod)如：x=-1010111B，n=8，则===10000000B-1010111B10101001B有符号二进制数的表示方法及溢出问题有符号数运算的溢出问题

如果计算机的字长为n位，n位二进制数的最高位为符号位，其余n-1位为数值位，采用补码表示法时，可表示的数X的范围为：当n=8时，可表示的有符号数的范围为：-128+127

如果补码的运算结果超出可表示的有符号数的范围时，就会发生溢出，使计算结果出错（举例）。3.数据指针DPTR

16位特殊功能寄存器，可分为2个8位寄存器：高8位字节寄存器用DPH表示；低8位字节寄存器用DPL表示。常用作访问外部存储器的地址寄存器。寻址范围为64KB。

2.3.3特殊功能寄存器

4．堆栈指针SP

8位特殊功能寄存器，总是指向栈顶。

堆栈操作遵循“后进先出”的原则，并由压入指令(PUSH)和弹出指令(POP)完成：

数据入栈时SP先加1，然后压入数据；数据出栈时先弹出数据，SP再减1。

主机复位后，SP的初始值为07H，为避免与工作寄存器、位寄存器重叠，通常设在30H～7FH。工作寄存器一直使用0组时，SP也可默认初始值而不做改变。2.3.3特殊功能寄存器片内RAM30H11H10HSP××片内RAM50H40H11H10HSP××40H30H片内RAM50H40H11H10H50H××SP30H片内RAM40H11H10H34H××SP30H34H34H××××执行前执行前执行前PUSH指令后执行POP指令后指令PUSH40H操作示意图指令POP30H操作示意图2.3.3特殊功能寄存器2.3.3特殊功能寄存器-寄存器在RAM中的映射RAM内容查看2.3.3数据存储器-数据查看单片机的组成和内部结构-单片机的内部逻辑结构有4个8位并行I/O端口，占32根引脚。每位都有自己的锁存器(即特殊功能寄存器P0～P3)、输出驱动器和输入缓冲器。不需外部功能扩展时：都可以作典型的并行I/O端口，P3还可以作第二功能口。需要外部功能扩展时：P2口作高8位地址线，P0口为低8位地址/数据线复用，P1作典型的I/O口。2.4单片机的I/O电路P0、P2和P3口可以组成三总线，用于外围芯片扩展。地址总线(AB)805187518031P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7PSENEARST用户I/O控制总线(CB)锁存器P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0ALEA15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0D7D6D5D4D3D2D1D0VCCVSS数据总线(DB)VCCGND2.4单片机的I/O电路当控制信号为0时，P0口输入数据或作I/O口控制信号为1时，P0口输出地址/数据信息输出锁存器两个输入缓冲器输出驱动电路P0口内部结构输出控制电路2.4.1P0口-P0口的结构截止0控制电平为“0”，锁存器的Q与V2接通与门封锁，V1截止，P0口的输出是漏极开路电路P0作输出口时，要外接上拉电阻，一般选R=4.7KΩ或5.1KΩ。0R2.4.1P0口-P0口的功能1.P0作通用I/O口（1）输出时2.4.1P0口-P0口的功能1.P0作通用I/O口R0100010截止1导通（2）输入时读锁存器(“读-修改-写”类指令，如ANLP0,A)

读引脚(“MOV”类指令，如MOVA,P0),要先写“1”

1.P0作通用I/O口2.4.1P0口-P0口的功能①读引脚时为什么要先给锁存器写“1”？输入操作前，内部总线先输出1，使V2截至，引脚处于悬浮状态，变为高阻抗输入（不接上拉电阻时）；或者被上拉为高电平（接上拉电阻时）。因为作输入端口时，要先执行输出“1”的操作，所以这种口不是真正的双向I/O口，被称为准双向口。在读输入端口数据时（MOVA，P0），如果V2导通，就会将输入的高电平（按键没按下）拉成低电平，产生误读。0100010截止1导通有效R典型输入电路2.4.1P0口-P0口的功能②为什么需要读锁存器？对P0口进行“读-修改-写”操作时，如执行“ANLP0，A”指令，此时要读取锁存器的内容。VCC001有效1导通00有效1先修改R因为从引脚读出的电平有时不正确(例如用端口驱动晶体管的基极时)。2.4.1P0口-P0口的功能2.P0作地址数据总线地址或数据信息分时出现在输出引脚。控制电平为“1”，与门打开，地址/数据信息与V1接通。地址/数据信息经反相器与V2接通。上下两个FET处于反相，构成了推拉式的输出电路，其负载能力大大增强。此时，P0口不需要外接上拉电阻！（1）输出时（C=1）2.4.1P0口-P0口的功能数据是从引脚通过输入缓冲器进入内部总线。CPU会在读入数据之前自动向P0口写入“FFH”，V2截止。输入数据前无需额外操作，此时P0口是真正的双向口。2.P0作地址数据总线（2）输入时（C由1变成0）2.4.1P0口-P0口的功能本身有上拉电阻由输出锁存器、输入缓冲器和输出驱动电路组成。只有一种功能——通用I/O口读引脚时先向该口写“1”—准双向I/O口。2.4.2P1口控制信号为0时：为通用I/O口，读引脚时先向该口写“1”—准双向I/O口。输出锁存输入缓冲输出驱动输出控制本身有上拉电阻2.4.3P2口控制信号为1时:为地址总线高8位2.4.3P2口既可作通用I/O口，又可实现变异功能。1.P3作通用I/O口—准双向I/O口变异功能输出端W的状态为“1”1本身有上拉电阻2.4.4P3口

第二功能

P3.0：RxD（串行口输入）

P3.1：TxD（串行口输出）

P3.2：INT0（外部中断0输入）

P3.3：INT1（外部中断1输入）

P3.4：T0（定时器/计数器0的外部输入）

P3.5：T1（定时器/计数器1的外部输入）

P3.6：WR（片外数据存储器“写选通控制”输出）

P3.7：RD（片外数据存储器“读选通控制”输出）2.4.4P3口2.P3实现第二功能输出：Q=1输入：Q=1，W=12.4.4P3口外部扩展ROM或RAM时：P0口和P2口构成16位地址总线P0口分时复用为8位数据总线P3口作第二变异功能P1口作I/O用P0口可驱动8个LSTTL的电路，作通用I/O口时要加上拉电阻，作地址/数据总线时，不必加上拉电阻。P1、P2、P3口可驱动4个LSTTL的电路。2.4单片机的I/O电路-总结单片机的外部引脚单片机的外部引脚及最小系统复位电路时钟电路最小应用系统：维持单片机运行的最简单配置的系统。2.5.3单片机最小系统RSTP1口驱动流水灯的硬件电路P1口驱动流水灯的硬件电路时钟电路：给单片机提供时钟脉冲，保证单片机按照自身的时序自动工作起来。复位电路RST：复位输入端，该引脚连续出现2个机器周期以上的高电平，使单片机复位。时钟电路复位电路2.5单片机的辅助电路辅助电路是单片机正常工作的必要条件。单片机的主要辅助电路为：MCS-51的时钟信号通常有内部方式和外部方式两种产生方式：内部方式：在XTAL1和XTAL2之间连上晶振和电容。内部时钟方式晶体的振荡频率在1.2MHz～24MHz之间，典型值为6MHz、12MHz或11.0592MHz。

C1和C2的作用是稳定频率和快速起振，电容值在10～30pF之间，典型值为30pF。2.5.1时钟电路-内部方式外部时钟方式（CHMOS）外部方式：将外部已有的时钟信号引入单片机。常用于多片单片机同时工作，为使各单片机时序同步。2.5.1时钟电路-外部方式MCS-51单片机的时序定时单位从小到大依次为时钟周期、S状态、机器周期和指令周期。2.6单片机的工作时序和工作方式S1S2S3S4

S5S6S1S2P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2一个机器周期X21.时钟周期也称振荡周期、晶振周期，指为单片机提供时钟信号的振荡源的周期或外部输入时钟的周期。若晶体振荡频率为fosc，则时钟周期T=1/fosc。2.6.1时序的基本概念2.机器周期完成一条指令的一个基本操作所需的时间称为机器周期。一个机器周期包含6个S状态，12个节拍：

S1P1、S1P2、S2P1、S2P2、…、S6P1、S6P2若晶体振荡频率为fosc，则机器周期=12/fosc。S1S2S3S4

S5S6S1S2P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2一个机器周期X22.6.1时序的基本概念3.指令周期单片机CPU执行一条指令所需的时间。执行不同指令所需时间也不尽相同，有单机器周期、双机器周期、四机器周期三种指令周期。MCS-51系列单片机除乘法、除法指令是四周期指令外，其余都是单周期指令或双周期指令。2.6.1时序的基本概念按所占字节分单字节指令双字节指令三字节指令按运行时间分单周期指令双周期指令四周期指令汇编指令的分类单字节单周期指令单字节双周期指令单字节四周期指令双字节单周期指令双字节双周期指令三字节双周期指令2.6.2单片机的工作时序取址和执行指令的时序关系ALE信号是地址锁存信号。该信号每有效一次，就能对程序存储器执行一次读指令操作。ALE信号的频率为1/6振荡频率，即在一个机器周期中，ALE信号两次有效：第一次在S1P2和S2P1期间，第二次在S4P2和S5P1期间，有效宽度为一个状态周期。122.6.2单片机的工作时序地址总线(AB)805187518031P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7PSENEARST用户I/O控制总线(CB)锁存器P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0ALEA15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0D7D6D5D4D3D2D1D0VccVss数据总线(DB)VccGND单片机的I/O引脚组成的三总线P0口既是地址总线，又是数据总线，它如何做到“身兼二职”的？P0口如何做到既是地址总线，又是数据总线的？当ALE输出高电平时，P0口提供低8位地址信号；当ALE变成低电平时，低8位地址信号被存在锁存器中，然后P0口可以当作数据总线使用。地址总线(AB)805187518031P1.7P1.6P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.