单片机结构与原理课件

2025/2/21单片机结构与原理2025/2/21时钟电路CPUROMRAMT0T1中断系统串行接口可编程I/O接口P0P1P2P3TXDRXDINT0INT1定时计数器结构框图2.1MCS-51系列单片机的基本组成一、MCS-51单片机的硬件组成2025/2/21二、MCS-51单片机的内部结构2025/2/2151单片机的主要单元（1）算术逻辑单元ALU（2）累加器ACC，程序中有时可以简写为A（3）辅助寄存器B，乘除指令用到（4）程序计数器PC，不能用程序直接访问（5）数据指针DPTR(DPH、DPL)，有的单片机有两个（6）堆栈指针SP，复位时内容是07H，一定要记住。（7）并行I/O接口P0、P1、P2、P32025/2/21PSW位地址0D0HCYACF0RS1RS0OVF1P位地址D7D6D5D4D3D2D1D0Cy(PSW.7)进位标志。有进位或借位时置1AC(PSW.6)辅助进位标志。低4位有进位或借位时F0(PSW.5)用户用位标志RS1(PSW.4)、RS0(PSW.3)选择通用寄存器组R0~R7所在内部RAM中的位置OV(PSW.2)溢出标志。F1(PSW.1)保留。51未用，52为用户标志位P(PSW.0)奇偶标志。ALU运算结果中1的个数为奇数时置1复位时00（8）程序状态寄存器PSW2025/2/21RS0、RS1的设置

11第3区18H~1FH

01第1区08H~0FHRS1RS0寄存器区

片内RAM地址

00第0区00H~07H10第2区10H~17H上电复位后，RS1=RS0=0，CPU自动选择第0组为当前工作寄存器组2025/2/2151单片机寄存器特点1.除PC外，其它寄存器都有内部RAM地址。2.SFR在80H开始的部分区域，未填满128字节。只能用直接寻址访问。3.位地址与内部RAM重叠。2025/2/212.2MCS-51系列单片机的引脚与功能一、8051型引脚与功能（40脚双列直插DIP40封装）8、P3口线的第二功能2、振荡电路：XTAL1、XTAL23、复位引脚：RST4、并行口：P0、P1、P2、P37、ALE：地址锁存控制信号1、电源线：VCC(+5V)、VSS(地)5、EA：访问程序存储控制信号6、PSEN：外部ROM读选通信号2025/2/212.2MCS-51系列单片机的引脚与功能一、8051型引脚与功能2025/2/21其它封装形式（PLCC、PQFP）2025/2/21其它引脚封装（DIP20、28，SOP20、28）2025/2/212.351单片机存储器的结构哈佛结构存储器程序存储器ROM数据存储器RAM片内程序存储器片外程序存储器片内数据存储器片外数据存储器2025/2/212.351单片机存储器的结构

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

1428

27

26

25

24

23

22

2120

19

18

17

16

15EPROM27641

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

1428

27

26

25

24

23

22

2120

19

18

17

16

15EPROM27641

2

3

4

5

6

7

8

9

10111213141516171819

2040

39

38

37

36

35

34

33

32

31302928272625242422211

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

1428

27

26

25

24

23

22

2120

19

18

17

16

15RAM62641

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

1428

27

26

25

24

23

22

2120

19

18

17

16

15RAM6264

8052片内RAM片内ROM256B（字节）8K64K64K2025/2/212.351单片机存储器的结构（8052）EA=1时，CPU先从片内程序存储器空间0000H-1FFFH取指执行；当PC的值大于1FFFH时才访问外部的程序存储器空间。若EA=0时，CPU只从片外程序存储器空间取指执行。2025/2/21

标准的51单片机程序存储器地址范围是：

0000H～FFFFH，共64KB空间。在64KB的程序存储器中0000H～002AH(地址向量区)区域具有特殊用途，是保留给系统使用的。即：0000H～0002H，为上电或复位的入口地址；0003H～000AH，为外部中断0的中断地址区；000BH～0012H，为定时/计数器0（T0）的中断地址区；0013H～001AH，为外部中断1的中断地址区；001BH～0022H，为定时/计数器1（T1）的中断地址区；0023H～002AH，为串口(TI，RI)中断地址区；002BH～0032H，为定时/计数器2（T2）的中断地址区。(52)一、程序存储器ROM2025/2/210000H0001H0002H(PC)中断5中断4中断3中断2中断10003H000BH0013H001BH0023H002BH外部中断0定时器0中断外部中断18位．．．1FFFH1FFEH片内程序存储器资源分布中断入口地址定时器2中断中断6串行口中断定时器1中断2025/2/21二、内部数据存储器

SRAMDirectAddressingIndirectAddressing2025/2/21(1)寄存器组的设置（RS1、RS0）2025/2/21(2)位操作区（20H～2FH=16字节)2025/2/21

特殊功能寄存器区（80H～FFH）与SRAM的高128字节地址在物理上是重叠的。操作时通过不同指令区分。特殊功能寄存器区存放的是51单片机中专用寄存器（SFR）的数据。其名称、符号及字节地址见下表所示。(3)其它SRAM区的划分(4)特殊功能寄存器SFR

片内SRAM区的30H～7FH可用作高速的数据存储区或堆栈区。片内SRAM区的80H～FFH可用作一般的数据存储区（要间接寻址，8051无这个区域）或堆栈区。2025/2/21特殊功能寄存器SFR地址表（8051）☆离散分布有21个特殊功能寄存器SFR。☆

11个可以进行位寻址。☆对SFR只能使用直接寻址方式，书写时可使用寄存器符号，也可用寄存器单元地址。☆8052增加了定时/计数器2的设置，占用C8H~CDH。具体参看相关资料。2025/2/21SFR能够位寻址的是地址末位能被8整除的，即末位在16进制下是0或8。因此能够位寻址的有：NameAddressNameAddressP080HTCON88HP190HSCON98HP2A0HIEA8HP3B0HIPB8HC0HT2CONC8HPSWD0HD8HACCE0HE8HBF0HF8H2025/2/21

外部数据存储器（keilC用xtata声明）的地址范围是:0000H～FFFFH。与内部数据存储器00H~FFH重叠，通过指令区分：片内MOV，片外MOVX。

MOVXA,@DPTRMOVX@DPTR,AMOVX@Ri,AMOVXA,@Ri注意：i=0,1。坚决不能为2,3,4,5,6,7，除非你自己设计的CPU三、外部数据存储器2025/2/212.4单片机I/O端口逻辑结构8051有4个8位并行I/O端口，记做P0、P1、P2、P3；这四个口都是准双向的I/O口，共占有32条管脚；每一条I/O线都能独立的用作输入或输出，作输出时可以锁存，作输入时可以缓冲；P0、P2、P3还具有第二功能。

2025/2/21一、P1口（I/O口）锁存器输入缓冲器输出驱动器P1口其中一位的逻辑结构12DQCK/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2025/2/21P1口的输出操作12DQCK/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110截止=1输出数据=1时☆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。☆作为输出口使用时，无需再外接上拉电阻。一、P1口（I/O口）2025/2/2112DQCK/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001=0导通输出数据=0时P1口的输出操作2025/2/21P1口的输入操作并行口作为输入口使用时，有两种方式：读锁存器、读引脚。读锁存器：并不是从芯片外部读入数据，而只是把端口锁存器中的内容读到内部总线。先将P1口的数据读入CPU，在ALU中进行运算，运算结果再送回P1。读－修改－写操作读引脚：真正把芯片外部的数据读入到内部总线。先向P1口锁存器写入1，然后进行读操作；此时读进来的是引脚的信号。准双向I/O口2025/2/2112DQCK/Q读引脚=1读锁存器写锁存器内部总线Vcc引脚P1.X内部上拉电阻110截止读引脚MOVA,P1读锁存器ANLP1,A准双向口的特点是：当某管脚由原来的输出变为输入时，用户必须先向锁存器写“1”，以免误读管脚上的内容；当复位后，P口寄存器均自动置“1”，即输出驱动器已截止，可直接输入数据。2025/2/21

二、P0口（I/O、数据总线、地址总线低8位）☆包含一个输出锁存器、两个三态输入缓冲器、一个数据输出驱动电路和一个输出控制电路。☆作为通用的I/O口时，是一个漏极开路电路，必须外接上拉电阻；☆作为地址/数据线使用时，不需外接上拉电阻；12DQCK/Q读引脚读锁存器写锁存器内部总线地址/数据控制C引脚P0.X43VccP0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.02025/2/21

二、P0口（I/O、数据总线、地址总线低8位）不接外部存储器时可作为8位准双向I/O口使用。漏极开路，需外接上拉电阻。控制“C”=0时，此脚作准双向I/O口12DQCK/Q读引脚读锁存器写锁存器内部总线地址/数据控制C=0引脚P0.X43Vcc截止02025/2/21二、P0口（I/O、数据总线、地址总线低8位）寻址外部存储器时作为双向8位数据口和输出低8位地址复用口－－真正的双向口。12DQCK/Q读引脚数据输入读锁存器写锁存器内部总线

地址/数据控制C=1引脚P0.X43Vcc控制“C”=1时，此脚作地址/数据复用口1011导通截止输出数据1时2025/2/2112DQCK/Q读引脚数据输入读锁存器写锁存器内部总线

地址/数据控制C=1引脚P0.X43Vcc0100截止导通输出数据0时2025/2/2112DQCK/Q读引脚数据输入读锁存器写锁存器内部总线

地址/数据控制C=1引脚P0.X43Vcc输入数据时2025/2/21三、P2口（I/O口、地址总线高8位）☆无需再外接上拉电阻。寻址外部存储器时输出高8位地址不接外部存储器时可作为8位准双向I/O口。12DQCK/Q读引脚读锁存器写锁存器内部总线地址高8位控制C

引脚P2.X3内部上拉电阻Vcc控制“C”=0时，此脚作通用I/O口控制“C”=1时，此脚作高8位地址输出口：2025/2/21四、P3口（I/O口、复用功能）☆P3口的特点在于适应引脚信号复用功能的需要。☆对于复用功能为输出的信号引脚，当作为I/O使用时，第二功能信号引线应保持高电平，与非门开通，以维持从锁存器到输出端数据输出通路的畅通。☆当输出复用功能信号时，锁存器应置“1”，使与非门对第二功能信号的输出是畅通的，从而实现第二功能信号的输出。12DQCK/Q读引脚读锁存器写锁存器内部总线第二功能输出TXD、WR、RD引脚P3.X3内部上拉电阻Vcc第二功能输入RXD、INT0/1、T0/142025/2/212025/2/21第二功能输出时，内部自动使锁存器Q=112DQCK/Q读引脚读锁存器写锁存器内部总线第二功能输出（WR，RD，TxD）引脚P3.X3内部上拉电阻Vcc4111反相器P3口第二功能输出2025/2/21P3口第二功能输入第二功能输入时，信号经缓冲器4直接进入内总线12DQCK/Q读引脚读锁存器写锁存器内部总线

此端自动＝1引脚P3.X3内部上拉电阻Vcc

第二功能输入（RxD，T0，T1，INT0，INT1）41110截止2025/2/212025/2/21五、I/O口的“读－修改－写”操作

从P0～P3口的逻辑电路分析可知，读一个端口的数据有两类：一类是读引脚电平的，例：读P1口线状态时，打开三态门2，将外部状态读入CPU。

另一类是读锁存器的，首先是读锁存器的内容，进行处理后再写到锁存器中，这种操作即“读-修改-写”操作，是为了避免误读引脚电平。（见表2-8列出的指令）。例如，ANLP1,A;逻辑与指令…….CPLP2.0;取反……INCP3;P3的内容增1…..P0-P3口作为输入时，必须先对相应端口锁存器写1。2025/2/212.5单片机的工作时序及时钟电路振荡频率----晶振的频率；机器周期----包含12个振荡脉冲，显然，如果使用6MHz的时钟频率，一个机器周期就是2μs，而如使用12MHz的时钟频率，一个机器周期就是1μs。指令周期----执行一条指令所需要的时间称为指令周期。指令有单字节、双字节和三字节之分。根据指令的不同，指令周期可分别包含1~4个时钟周期。一、几个概念2025/2/21P1P2S1振荡周期状态周期机器周期机器周期指令周期S2S3S4S5S6S1S2S4S5S3S6P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P1P2P2P2P2P2P2P2P2P2P2P2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。(很少用到此概念)2025/2/21可通过测量ALE确定CPU是否工作，ALE有时钟的特点。

二、典型时序（教材34～36页）2025/2/21访问外部数据存储器指令MOVX的时序（单字节双周期）2025/2/21三、MCS-51单片机的时钟电路(见教材37页）内部方式：电容C1、C2通常取30pF，晶振频率可在2MHZ~12MHZ之间选择（不同型号的单片机的上限频率可能有差别）。时钟电路是计算机的心脏，控制着计算机的工作节奏。2025/2/21四、MCS-51单片机的复位及省电方式

单片机刚开始工作时，需要复位以完成内部初始化；程序出现错误、跑飞、死机等非正常状态时，需要复位使单片机重新工作。复位的输入引脚是RST，高电平有效，它是施密特触发器的输入端，要保持两个时钟周期以上。复位后，除了P0、P1、P2、P3、SP、SBUF寄存器外，其余SFR全部清零，但片内SRAM中的数据不受影响。

<1>复位方式2025/2/21复位后特殊功能寄存器SFR初值注意：复位后，SP=07H2025/2/21<2>复位电路上电自动复位——利用电容上电压不能突变而是按指数规律上升或下降的特性，产生所需的复位脉冲。按键脉冲复位——通过按键使复位端经电阻与Vcc接通，利用

RC微分电路得到短时的高电平。2025/2/21“看门狗”复位电路——为防止程序跑飞或死机，常采用看门狗电路，如

MAX813L、IMP813L、MAX706P等。☆上电时，RST端有160ms的高电平复位脉冲。☆

P1.0输出“喂狗”脉冲，如果超过时间不喂狗（