《单片机原理与应用-2硬件结构和工作原理.》由会员分享，可在线阅读，更多相关《单片机原理与应用-2硬件结构和工作原理.（114页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、MCS-51单片机 1 单片机概述 2 单片机典型结构 3 MCS-51单片机硬件结构 4 和外部管脚 5 51单片机存储器系统 6 SFR特殊功能寄存器 7 时钟、复位和时序 本章为重点章节，在简单介绍通用微处理器 的结构组成、指令系统特点基础上，重点介绍MCS- 51单片机的硬件结构、引脚功能、三总线、存储器系 统、特殊功能寄存器SFR、时钟和复位电路以及机器 周期和时序。 需要掌握的知识点： 单片机结构框图、引脚 存储器结构和功能划区、特殊功能寄存 器 片外三总线 时钟复位电路、机器周期和时序概念 1单片机概述 单片机是微型计算机的核心，是将中央处理单元 内核和外围存储器、I/O端口、定
2、时计数器、中断系 统、串行接口等集成在一个半导体芯片上，具有强大 数据处理功能和控制功能的电路系统。单片机是面 向控制的一类微处理器。 早期的微处理器采用复杂的指令系统，这类 微处理器称为复杂指令集计算机（简称CISC ），后 来发展出精简指令集计算机（简称RISC）。 微处理器根据其不同档次和用途，按字长分 有4位机、8位机、16位机、32位机和64位机。 2.1单片机功能部件 l l 中央处理器中央处理器 CPUCPU 1算术逻辑单元ALU 运算器的核心部件，执行算术运算、逻辑运算、移位 、比较等各种数据处理的操作。 lCPU微型计算机的核心部件 CPU由运算器、控制器组成。 2.1.12
3、.1.1运算器运算器 运算器进行数据分析、计算和处理。 2寄存器组 l1)工作寄存器(通用寄存器) 用来暂存ALU待处理的数据和中间结果。 l2)特殊功能寄存器SFR(专用寄存器) 规定了特殊用途的寄存器，其内容会影响计算机的 工作方式和过程。 l3) 累加器(Accumulator) 使用最频繁的寄存器，配合ALU进行各种数据处理 。 2.1.2控制器 l1.指令部件： 读取程序指令、指令译码、修改程序指针。 l1）程序计数器 PC：存放当前指令地址。 CPU执行程序时，先按PC给出的地址到存储器取一 条指令，PC自动加1。CPU执行完一条指令，再到存 储器取下一条指令，。 l2) 指令寄存
4、器IR ：暂存当前指令。 指令操作码送指令译码器。 l3) 指令译码器ID ：将每条指令译码变成控制电平。 处理程序指令，并协调各逻辑部件按一定时序工作。 lCPU执行程序的简要过程： 1)PC给出当前指令的存储地址 。 l2. 时序部件 时钟和内部分频电路。时钟信号经过分频，与指 令译码信号组合，形成一定节拍的时序信号，控制各逻 辑部件协调工作。 PC= 程序存储器 地址 程序代码 0000H 指令代码1 0001H 指令代码2 0002H 指令代码3 N 指令代码n PC= PC= 2)CPU到存储器取指令，PC自动加 13)指令译码器对指令译码， CPU执行指令。 4)CPU到存储器取指
5、令，PC=PC+1 。 5)CPU执行下一条指令， 指令代码 i 指令代码 i指令寄存器 2.1.3存储器 l位 b (bit)：一个二进制位，信息最小单位。 l字节 B (Byte)：8位为一个字节。 l字长 W (Word Length)：一个字包含的二进制位数。 1 存储器基本信息单位 2存储器结构 存储器功能：存放程序和数据等信息 。 存储内容：程序或数据的二进制代码 。 存储地址：存储器每个单元的位置编 号 存储器容量：指存储单元的多少。 如存储器容量为1KB = 10248位 。 1KB存储器 地址 存储内容 0 10011010 1 01101011 1023 10100111
6、3存储器读写操作 l存储器读： CPU从存储器中取出信息。 l存储器写： CPU将信息存入存储器。 1KB存储器 地址 存储内容 0 10011010 1 01101011 1023 10100111 CPU 地址 内容 读写控制 l存储器的读写操作： 2.发出读写控制时序信 号，对选定单元进行 读或写。 1.CPU先送出一个确定的单元地址给存储器 4 半导体存储器 RAM：随机读写存储器。 能方便读出和改写信息，但失电后信息将不 复存在。RAM常用作数据存储器，暂存各种现场数据、 运算结果和正在调试的程序。 ROM：只读存储器。 工作时从ROM中读出信息，不能随意改写。断电后信息不会丢失。R
7、OM 常用作程序存储器，存放已调试好的固定程序和常数。 程序存储器：存放程序指令代码。 每个指令周期CPU自动对程序存储器读操作 。 数据存储器：存放待处理数据。 数据存储器读写操作发生在CPU执行程序的 过程中。 2.1.4 I/O接口 I/O接口是联系微型计算机与外部设备的桥 梁。每一台外部设备必须通过I/O接口与计算机连接。 微型计算机有多种功能I/O接口 ： PIO：并行 I/O接口。 SIO：串行 I/O接口。 CTC：定时计数器。 ADC、DAC：A/D、D/A转换 器。 INT：中断输入口。 微型计算机结构特点 微型计算机由大规模集成电路组成，微型机应用系统 一般也采用特定功能的
8、大规模集成电路器件和组件。 总线(Bus)：微型计算机各功能部件的连接线，各功 能部件之间的公共信息通道。 总线宽度：总线上能并行传送的二进制位数。 内部总线：CPU或单片机芯片内部各逻辑部件之间的 信息传输线。通常为单总线结构。 外部总线：指微型机各功能芯片之间的信息传输线。 CPU或单片机芯片应用系统的主要外部引线。 系统总线：微机系统各逻辑功能板卡之间的信息传输 线。通常为统一标准总线。 2.2总线结构特点 微型计算机总线的主要信号线： (二) 数据总线 DB 传送程序和数据的二进制代码。 数据总线宽度一般与微型机的字长相同。 (三) 控制总线CB 传送各种控制脉冲、联络、状态电平等信号
9、，使存储 器、I/O接口等部件协调工作。 控制总线的根数根据微型计算机控制功能的需要而定 。 (一) 地址总线 AB 传送存储器和 I/O接口的地址信息。 地址总线宽度决定计算机寻址空间(最大寻址)。 1KB存储器 地址 存储内容 0 10011010 1 01101011 1023 10100111 CPU 地址 内容 读写控制 MCS-51有16根地址总线，寻址空间216 = 64K=65536 2.2单片机的典型结构 单片机的结构十分复杂，由中央处理单元-即控制 部件和运算器、程序存储器、数据存储器、程序计数器、 指令译码器、寄存器、缓冲器、地址译码器、累加器、程 序状态寄存器、输入输出
10、接口等多种功能部件组成。其结 构框图见下图。 模型机执行指令的工作过程： 1、程序计数器将指令地址通过缓冲器送到片外地址总线，同时计 数器自动加1。 2、控制器发出取指信号从程序存储器取出指令，通过数据总线送 到指令寄存器。 3、指令译码器对指令译码，根据指令类型取出相应的操作数。 4、执行指令规定的动作，产生运算结果和状态标志，提供片内片 外控制信号。 缓冲器累加器A 程序状态字 算术逻 辑部件 ALU 片内 寄存 器组 指令寄存器 指令译码器 程序计数器 数据缓冲器 +1 数据总线 控制总线 地址缓冲器 地址总线 堆栈指针 控制逻辑 片内总线 取指、读写信号 堆栈 数据存储器 程序存储器
11、数据存储器 输入输出接口 CPU 扩展 单元 单片机的模型机 单片机的结构特点 单片机系统结构性能单片机系统结构性能 (一)高可靠性、高抗干扰能力 (二)配置灵活 (三)丰富的位处理功能 (四)功能齐全 (五)系统设计简便 一块芯片集成了CPU、存储器和I/O接口等功能部件。 内部总线为单总线结构，地址、数据和控制三种信息 分时占用内部总线。 外部总线用于连接片外扩展存储器和I/O接口芯片。 单片机的芯片引脚为多功能引脚，以节省芯片引脚。 3 MCS-51单片机的硬件结构 3.1 硬件资源配置 3.2 硬件结构框图 3.3 封装、引脚及三总线 型号ROM/EPRO M RAMT/CI/O串行口
12、速度（ MHz) 8051子系列 8031 8051 8751 8751BH 无 4K ROM 4K EPROM 4k OTP 128 128 128 128 2 2 2 2 32 32 32 32 UART UART UART UART 12 12 12 12 8052子系列 8032 8052 8752 无 8K ROM 8K EPROM OTP 256 256 256 3 3 3 32 32 32 UART UART UART 12 12 12 80C51子系列 80C31 80C51 87C51 无 4K ROM 4K EPROM OTP 128 128 128 2 2 2 32 32
13、 32 UART UART UART 12.16 12.16 12.16.20 MCS51单片机中包含了10个子系列，每个子系列中又有多种型号 2.3 MCS-51单片机的逻辑结构 l1.基本组成 串行 输入 串行 输出 CPU 振荡器及 定时电路 4K字节 ROM 128字节 RAM 2个16位 T/S 串行口I/O 总线扩展 控制 计数器 并行I/O口 控制 中断 中断 频率基准源 lMCS-51系列单片机属于总线结构 1 MCS-51单片机的基本资源配置 l一个8位CPU l一个128字节（C52系列有256B）内部数据存储器RAM l一个4K程序存储器ROM （C52系列有8K的EEP
14、ROM） l一个1.2-12MHZ片内振荡器及时钟电路，（C51/52全静 态工作为0HZ到24MHZ） l有32条可编程I/O端口 l可寻址64K外部数据存储器和64K外部程序存储器 l2个16位可编程的定时器计数器(C52系列有3个) l5个中断，两级优先嵌套中断结构（C52有6个） l一个全双工通用可编程串行通讯口 MCS-51系列芯片硬件资源配置 子 系 列 片内ROM的形式片内ROM 容量 KB 片内RAM 容量 B 定时器/ 计数器 中 断 源无ROMEPROM 51 803180518751 412825 80C3180C5187C51 52 803280528752 82563
15、 6 80C23280C25287C2527 其它一些公司后来推出的与51系列兼容的单片机还配置了如：低压闲置及 掉电工作方式、3级程序存储器锁定加密功能（89C51/52）、看门狗定时 器(WATCH DOG)、I2C总线、ADC、DAC等。 ALE PSE N RST EA P0口驱动器 P0口锁存器 P2口驱动器 P3口驱动器P1口驱动器 P2口锁存器 P3口锁存器P1口锁存器 RAM 地址锁存器 RAM EPROM/ROM ACCB寄存器 TMP2TMP1 程序地址 寄存器 PSW 缓冲器 PC递增器 PC DPTR OSC 定时 和 控制 指 令 寄 存 器 ALU 中断、串行口 和定时器等部件 SP P1.0P1.7 P3.0P3.7 MCS-51单片机的结构框图 2.内部逻辑结构 l（1）中央处理单元CPU CPU是单片机的核心，由运算器和控 制器，以及若干寄存器组成，完成运算和控 制操作。 MCS-51单片机CPU系统的结构特点 由中央控制器、运算器、工作寄存器、时序电路、复
