wgh第2章单片机芯片的硬件结构

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1、第2章 单片机芯片的硬件结构2.1 单片机的逻辑结构及信号引脚 2.2 单片机的内部存储器 2.3 单片机的并行输入/输出口电路 2.4 单片机时钟电路与时序 2.5 单片机工作方式内容提要:2.1 MCS51单片机的逻辑结构及信号引脚2.1.1 MCS-51单片机结构框图冯.诺依曼结构单片机以精巧的设计，克服芯片尺寸的制约。MCS-51单片机的系统逻辑结构如图2.1所示。 输入设备运算器输出设备控制器存储器振 荡 器 及 定 时 电 路4 K B 程 序 存 储 器1 2 8 B 数 据 存 储 器2 个 1 6 位 定 时 器 / 计 数 器C P U6 4 K B 总 线 扩 展 控 制

2、可 编 程 串 行 口可 编 程 I / O中 断中 断频 率 基 准 源计 数 器串 行 输 入串 行 输 出并 行 I / O 口控 制图2.1 MCS-51单片机系统结构框图由图2.1可以看出，单片机内部主要包含下列几个部件： 一个8位CPU； 一个时钟电路； 4KB程序存储器； 128B数据存储器； 两个16位定时/计数器； 64K扩展总线控制电路； 四个8-bit并行I/O端口； 一个可编程串行接口；五个中断源，其中包括两个优先级嵌套中断 2.1.2 MCS51单片机芯片内部逻辑结构MCS51单片机芯片内部的逻辑结构如图2.2所示。 端 口0 驱 动 器端 口2 驱 动 器RAM （

3、128 8 ）端 口0 锁 存 器端 口2 锁 存 器ROM （4K 8 ）程 序 地 址 寄 存 器缓 冲 器PC 加1 寄 存 器程 序 计 数 器PC数 据 指 针DPTR堆 栈 指 示 器SPPCONSCONTMODTCONTH0TL0TH1TL1 SBUF （TX ）SBUF （RX ）IE中 断 、 串 行 口 和 定 时 器RAM 地 址 寄 存 器ACCB 寄 存 器ALU状 态 寄 存 器暂 存 器2暂 存 器1定 时 与 控 制指 令 寄 存 器 端 口1 锁 存 器端 口3 锁 存 器端 口1 驱 动 器端 口3 驱 动 器XTAL1XTAL2P0.0P0.7P2.0P2

4、.7P1.0P1.7P3.0P3.7ALERSTPSENEAVccVss（ 5V ）图2.2 MCS51单片机芯片内部逻辑结构图通道0驱动器通道2驱动器RAM地址 寄存器RAM通道0 锁存器通道2 锁存器ROM/ EPROMB寄存器程序地址寄存器缓冲器PC递增器程序计数器PCDPTR指针VCCGNDP1.0P1.7堆栈指针SPACCTMP2PSW通道3锁存器通道1锁存器通道1驱动器通道3驱动器TMP1SCON TMODPCONTCON TL0TH1TH0TL1 IESBUF(TX/RX)IP 中断、串行口和定时器逻辑振荡器P3.0P3.7RSTALEPSENXTAL2XTAL1ALU(+5V)

5、指 令 寄 存 器定时 和 控制 逻辑指 令 译 码 器P0.0P0.7P2.0P2.7EA1. CPUCPU即中央处理器的简称，是单片机的核心部件，它完 成各种运算和控制操作，CPU由运算器和控制器两部分电路 组成。（1）运算器电路运算器电路包括ALU（算术逻辑单元）、ACC（累加器 ）、B寄存器、状态寄存器、暂存器1和暂存器2等部件，运算 器的功能是进行算术运算和逻辑运算。 （2）控制器电路控制器电路包括程序计数器PC、PC加1寄存器、指令寄 存器、指令译码器、数据指针DPTR、堆栈指针SP、缓冲器以 及定时与控制电路等。控制电路完成指挥控制工作，协调单 片机各部分正常工作。 2. 定时器

6、/计数器MCS51单片机片内有两个16位的定时/计数器，即定 时器0和定时器1。它们可以用于定时控制、延时以及对外 部事件的计数和检测等。3. 存储器MCS51系列单片机的存储器包括数据存储器和程序 存储器，其主要特点是程序存储器和数据存储器的寻址空 间是相互独立的，物理结构也不相同。4. 并行I/O口MCS51单片机共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2和 P3），每一条I/O线都能独立地用作输入或输出。P0口为 三态双向口，能带8个TTL门电路，P1、P2和P3口为准双 向口(输出非三态)，负载能力为4个TTL门电路。 5. 串行I/O口MCS51单片机具有一个采用通用异步工作方式的全双

7、 工串行通信接口，可以同时发送和接收数据。6. 中断控制系统8051共有5个中断源，即外中断2个，定时/计数中断2个 ，串行中断1个。分为高级和低级两个优先级别。7. 时钟电路MCS51芯片内部有时钟电路，但晶体振荡器和微调电 容必须外接。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列，振荡器 的频率范围为1.2MHz12MHz，典型取值为6MHz。8. 总线以上所有组成部分都是通过总线连接起来，从而构成一 个完整的单片机。系统的地址信号、数据信号和控制信号都 是通过总线传送的，总线结构减少了单片机的连线和引脚， 提高了集成度和可靠性。 2.1.3 MCS-51的信号引脚图2.3为MCS51系列单片机引脚图

8、及逻辑符号，它 们为标准的40脚DIP(双列直插)封装。 图2.3 MCS51系列单片机引脚图及逻辑符号电源引脚Vcc和VssVcc：电源端，接5V。Vss：接地端。时钟电路引脚XTAL1和XTAL2XTAL1：接外部晶振和微调电容的一端，在片内它是振 荡器倒相放大器的输入，若使用外部TTL时钟时，该引脚必 须接地。XTAL2：接外部晶振和微调电容的另一端，在片内它是 振荡器倒相放大器的输出，若使用外部TTL时钟时，该引脚 为外部时钟的输入端。地址锁存允许ALE/PROG(编程脉冲)系统扩展时，ALE用于控制地址锁存器锁存P0口输出的低 8位地址，从而实现数据与低位地址的复用。也可用作外部时

9、钟或外部定时脉冲。外部程序存储器读选通信号PSEN是读外部程序存储器的选通信号，低电平有效。程序存储器地址允许输入端 EA/VPP (编程电压25V)当为高电平时，CPU执行片内程序存储器指令，但当PC 中的值超过0FFFH时，将自动转向执行片外程序存储器指令 。当为低电平时，CPU只执行片外程序存储器指令。复位信号RST/VPD(备用电源引入)该信号高电平有效，在输入端保持两个机器周期的高电 平后，就可以完成复位操作。1. 输入/输出口引脚P0、P1、P2和P3P0口（P0.0P0.7）：该端口为漏极开路的8位准双向 口，负载能力位8高LSTTL负载，它为8位地址线和8位 数据线的复用端口。

10、P1口（P1.0P1.7）：它是一个内部带上拉电阻的8位 准双向I/O口，P1口的驱动能力为4个LSTTL负载。P2口（P2.0P2.7）：它为一个内部带上拉电阻的8位 准双向I/O口，P2口的驱动能力也为4个LSTTL负载。在 访问外部程序存储器时，它作存储器的高8位地址线。P3口（P3.0P3.7）：P3口同样是内部带上拉电阻的8 位准双向I/O口，P3口除了作为一般的I/O口使用之外， 其还具有第二功能 ，其引脚描述如表2-1。表2-1 P3口特殊功能口线线特殊功能信号名称P3.0RXD串行数据接收P3.1TXD串行数据发发送P3.2外部中断0输输入口P3.3外部中断1输输入口P3.4T

11、0定时时器0外部输输入口P3.5T1定时时器1外部输输入口P3.6WR外部RAM写选选通P3.7RD外部RAM读选读选 通2.2 MCS51单片机的存储器MCS51的存储器结构如图2.4所示。在本节中我们将 对单片机的内部数据存储器、内部程序存储器和外部存储 器分别作一介绍。 图2.4 MCS51的存储器结构物理上分为：4个空间，即片内ROM、片外ROM片内RAM、片外RAM逻辑上分为: 3个空间，程序存储器（片内、外）统一编址 MOVC数据存储器（片内） MOV数据存储器（片外） MOVX相关控制信号：EA、PSEN、WR、RDR0、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7既可位寻址，又可字

12、节寻址数据缓冲区、堆栈区、工作 单元物理上分为两大区域：00H 7FH即128B内RAM区80H FFH即SFR区。2.2.1 内部数据存储器 1. 内部数据存储器低128单元在低128字节存储单元中，前32个单元（00H1FH） 作为工作寄存器使用，这32个寄存器分作4组，每组由8个 通用寄存器（R0R7）组成，组号依次为0、1、2和3。通 过对程序状态字中RS1和RS0的设置，可以决定选用哪一组 工作寄存器，通常没有选中的单元也可作为一般的数据缓 存使用。系统上电复位时，默认选中第0组寄存器。在工作寄存器后的16个数据单元（20H2FH），它们既 可以作为一般的数据单元使用，由可以按位对每

13、个单元进行 操作，因此这16个数据单元又称作位寻址区。位寻址区共计 128位，其位地址为00H7FH。在内部RAM的低128个单元中，剩余的80个数据单元即 30H7FH为真正的用户RAM区，对于这些区域，用户只能 以存储单元的形式来使用，通常在应用中也把堆栈开辟在这 段区域。MCS-51的堆栈操作堆栈是一种数据结构。数据写入堆栈称为入栈(PUSH)。数据从 堆栈中读出称之出栈(POP)。数据操作规则：“后进先出”LIFO。(1)堆栈的功用堆栈主要是为子程序调用和中断操作而设立的。其具体功能有 两个：保护断点和保护现场。(2)堆栈的开辟堆栈只能开辟在芯片的内部数据存储器中，即所谓的内堆栈形 式

14、。(3)堆栈指示器堆栈指示器SP（Stack Pointer）的内容是堆栈栈顶的存储单元 地址。SP是一个8位寄存器。位寻址区（20H2FH）16个字节。 16*8=128位，每一位都有一个位地址，范围为：00H7FH，位地址区 也可作为一般RAM使用。位寻址区说明：系统复位后，SP的内容为07H，但由于堆栈最好在内部 RAM的30H7FH单元中开辟，所以在程序设计时应注意把 SP值初始化为30H以后。(4)堆栈使用方式堆栈的使用有两种方式。自动方式：即在调用子程序或中断时，返回地址(断点)自动进 栈。程序返回时，断点再自动弹回PC。指令方式：即使用专用的堆栈操作指令，进行进出栈操作。其 进栈

15、指令为PUSH，出栈指令为POP。例如保护现场就是指令 方式进行操作内部数据存储器中的位地址2. 内部数据存储器高128单元内部数据存储器的高128个单元是为专用寄存器提供的， 因此该区也称作特殊功能寄存器区（SFR），它们主要用于存 放控制命令、状态或数据。除去程序计数器PC(16位，可寻址 64KB)外，还有21个特殊功能寄存器，其地址空间为80H FFH。这21个寄存器中有11个特殊功能寄存器具有位寻址能力 (共83位)，它们的字节地址都刚好能被8整除。51子系列SFR的地址分配及位地址见下页表：特殊功能寄存器地址及功能表特殊功能寄存器地址及功能表注意：1、表中共有3个双字节寄存器。2、PC也为双字节寄存器，但是不在80H FFH范围内。 3、表中，凡地址能被8整除的寄存器都是可位寻址的寄存器，共有11个。各寄存器的名称：1、算术运算寄存器 ACC累加器累加器为8位寄存器，是程序中最常用的专用寄存器，在 指令系统中累加器的助记符为A。大部分单操作数指令的 操作取自累加器，很多双操作数指令的一个操作数也取自 累加器。加、减乘和除等算术运算指令的运算结果都存放 在累加器A或AB寄存器中，在变址寻址方式中累加器被作 为变址寄存器使用。在MCS51中由于只有一个累加器， 而单片机中的大部分数据操作都是通过累加器进行的，故 累加器的使用是十分频繁的