单片机组成

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1、2018/10/8,1,第2章 MCS-51系列单片机的硬件结构,1 总体概况 2 微处理器 3 存储器 4 定时器/计数器 5 并行输入/输出接口 6 串行输入/输出接口 7 中断系统 8 特殊工作方式,本章学习目标,MCS-51单片机的内部结构、引脚功能、工作方式和时序。 掌握MCS-51单片机的内部结构特点 了解单片机并行I/O口的结构特点 掌握MCS-51单片机的基本工作原理 掌握单片机最小系统的设计方法,2018/10/8,3,1 总体概况,MCS-51系列单片机是把构成计算机的CPU、存储器、寄存器组、I/O接口制作在一块集成电路芯片中。另外，还集成有定时器/计数器、串行通信接口等

2、部件，因此可方便地用于定时控制和远程数据传送。在MCS-51系列单片机中，主要有8031、8051、8751及80C51等型号。随着超大规模集成电路的发展，单片机的内部结构仍在不断地扩大，功能在不断提高，其型号与类型也在不断地变换。例如8052AH、8032Ah、8752BH采用HMOS工艺制成，内部ROM/RAM的容量增大了一倍。80C51BH系列采用CHMOS工艺制成，功耗低，其中87C51具有两级存储器保密系统，可防止非法拷贝。8052AH-BASIC芯片内部固化有MCS BASIC 52解释程序，可使BASIC 52语言与汇编语言混合使用。,又如可编程计数阵列型单片机80C51FA具有

3、5个比较/捕捉模块，每个模块可执行16位的正跳变捕捉、负跳变捕捉和正负跳变捕捉，可执行16位软件定时、16位高速输出及位脉冲宽度调制输出等，另外还有一个增强的多机串行通信接口。A/D型单片机80C51GA具有8路8位A/D转换器、半双工同步串行通信接口、16位程序监视跟踪定时器，扩展了A/D中断和串行口中断，使中断源达7个之多。多并行接口型单片机80C451增加了两个8位并行I/O接口P4口和P5口，从而提高了数据的吞吐能力。DMA（直接存储器存取方式）型单片机80C52JA具有用于DMA传送的目的地址寄存器、源地址寄存器和字节计数器，支持DMA传送，且在80C452中设有128字节的双向先进

4、先出（FIFO）RAM阵列，支持从一个RAM到另一个RAM的高速数据传送。,2018/10/8,4,2018/10/8,5,目前，使用较多的还有89C51型单片机，其内部有4KB/8KB/16KB/32KB/64KB的Flash程序存储器、128/256/512/1024字节的随机存取数据存储器、3个定时器/计数器，采用双DPTR结构，有6个中断源，分4个优先级控制，可低电压运行，且有较强的抗电磁干扰能力。本章仍以8051为例，讲述单片机的基本组成与工作原理，然后介绍89C51单片机的组成与特点。8051单片机的内部结构如图2.1所示，包含1个8位中央处理器CPU、4KB程序存储器EPROM、

5、128B随机存取存储器RAM、4个8位并行I/O接口、1个全双工串行通信接口、2个16位定时器/计数器及21个特殊功能寄存器。外部具有64KB程序存储器寻址能力和64KB数据存储器寻址能力。指令系统中增加了乘除法指令，提高了运算及数据处理能力，且具有位操作能力。,MCS-51单片机主要特点： （1）扩大了内部程序存储器（ROM）和内部数据存储器（RAM）的容量。 （2）具有布尔代数运算能力。 （3）具有32条双向可被独立寻址的I/O口。 （4）具有56个中断源，可分为2个中断优先级。 （5）具有丰富的指令系统。,（6）具有全双工传输信号UART。 （7）片内具有时钟振荡电路。 （8）烧写工艺上

6、采用可一次性烧写的内含ROM或可重复烧写的EPROM。,第一节 内部结构 微计算机组成,单片机的内部结构,中央处理器是进行算术/逻辑运算，控制程序执行的部件。CPU也叫中央处理器，是单片机的核心部件，主要完成单片机的运算和控制功能。 它包括运算器和控制器。,(1)、运算器 (2)、 控制器 (3)、振荡器和CPU时序,1、 中央处理器(CPU),(1)、 运算器,运算器主要包括算术/逻辑部件ALU、累加器A、暂存寄存器TMP1和TMP2、程序状态标志寄存器PSW、BCD码修正电路等。为了提高数据处理和位操作能力，片内设有一个通用寄存器B和一些专用寄存器。ALU的功能主要是对数据进行加、减、乘、

7、除等算术运算及“与”、“或”、“非”、“异或”等逻辑运算。对于位操作数，可进行置位、清零、求反、移位、条件判断及按位“与”、按位“或”等操作。 累加器A 操作数及结果常放于A。有许多单操作数指令仅是针对A的，如INC,CLR,RL等；大量双操作数指令的一个操作数只能是A。,程序状态字PSWPSW共有8位，全部用作程序运行时的状态标志，其格式：,2018/10/8,12,P：奇偶标志位。当累加器中1的个数为偶数时，P置0，否则清1。 OV：溢出标志位。当执行有符号数算术运算时，加（减）运算时最高位和次高位之一有进位（或借位）时，有溢出，OV置1；否则，没有溢出，OV清0。运算结果放回累加器，溢出

8、则表示结果超出了累加器以补码形式表示一个有符号数的范围。乘、除运算也会影响OV标志。 F0：用户标志位。用户可通过软件对它置位或清零。 AC：辅助进位标志位。算术运算时，若低半字节向高半字节有进位（或借位）时，AC置1，否则清0。 Cy：最高进位标志位。算术运算时，若最高位有进位（或借位）时，Cy置1，否则清0。 D1：保留（未定义）。,表 2.2 RS1、 RS0与片内工作寄存器组的对应关系,RS0 RS1：寄存器工作区选择。可编程置位或清零，以选择4个工作寄存器组中的一个投入工作。,(2)、 控制器,控制器包括指令寄存器、指令译码器、定时控制与条件转移逻辑电路等。能根据不同的指令产生相应的

9、操作时序和控制信号。指令寄存器中存放指令代码。CPU执行指令时, 由程序存储器中读取的指令代码送入指令存储器, 经译码器译码后由定时与控制电路发出相应的控制信号, 完成指令所指定的操作。,2018/10/8,15,(3)、振荡器和CPU时序,振荡器其振荡频率主要取决于石英晶体。CPU时序 各项工作所用的时间和工作时刻。 可由时钟周期，机器周期和指令周期描述。 时钟周期：协调单片机内部各功能部件工作的控制信号的周期。（内部时钟信号，振荡器输出的振荡脉冲f经2分频f1/2。） 机器周期：6个时钟周期构成一个机器周期。 指令周期：CPU执行一条指令的时间。（以机器周期为单位） 。 每条指令执行时间都

10、是有一个或几个机器周期组成。MCS - 51 系统中, 有单周期指令、双周期指令和四周期指令。,MCS-51单片机的定时时序如图2.2所示。一个机器周期为6个时钟周期，表示为S1S6。在一个机器周期中，包含有两个机器周期信号ALE。时钟信号S为振荡器频率的2分频，一般情况下，算术/逻辑运算在S的前半周期P1进行，内部寄存器传送在S的后半周期P2进行。MCS-51单片机的大部分指令执行时间为一个机器周期，少数为2个机器周期，乘法和除法指令需要4个机器周期。,2存储器,单片机内的存储器包括程序存储器和数据存储器，它们是相互独立。 （1）程序存储器（ROM）：为只读存储器，用于存放程序指令，常数及数

11、据表格。 （2）数据存储器（RAM）：为随机存储器，用于存放数据。数据存储器又可分为内部数据存储器和外部数据存储器。 8051内部有256B个RAM单元来存放可读写的数据，地址00H-FFH，其中，高128B单元被专用寄存器占用；低128B单元作为寄存器供用户使用，用于数据暂存和数据缓冲。,3定时/计数器,MCS-51单片机内部有2个16位的定时器/计数器，用于实现内部定时或外部计数的功能；并以其定时或计数的结果（查询或中断方式）来实现控制功能。,4中断系统控制器,MCS-51单片机具有中断功能，以满足控制应用的需要。MCS-51共有5个中断源（52系列有6个中断源），即外部中断2个，定时/计

12、数器中断2个，串行口中断1个。全部中断可分为高级和低级两个优先级别。 5并行I/O口 MCS-51单片机内部共有四个8位的并行I/O口（P0、P1、P2、P3），以实现数据的并行输入和输出。,6全双工串行口,MCS-51单片机还有一个全双工的串行口，以实现单片机与外部之间的串行数据传送。 7OSC OSC是单片机的时钟电路。时钟电路用于单片机产生时钟脉冲序列，协调和控制单片机的工作。,MCS-51系列单片机分类,第二节 引脚定义及功能,2018/10/8,23,MCS-51单片机40脚 Vcc, GND 2 XTAL1, XTAL2 2 RESET 1 EA/Vpp 1 ALE/PROG 1

13、PSEN 1 P0.0P0.7 8 P1.0P1.7 8 P2.0P2.7 8P3.0P3.7 8,认识单片机的引脚,图 2.6 MCS - 51单片机引脚及总线结构 (a) 管脚图； (b) 8031 引脚功能分类,8051,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20,40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21,P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/VPD RXD/ P3.0 TXD/ P3.1 INT0/ P3.2 INT1

14、/ P3.3T0/ P3.4T1/ P3.5WR/ P3.6RD/ P3.7XTAL2XTAL1Vss,Vcc P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 EA/Vpp ALE/PROG PSEN P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0,单片机引脚说明,（1）P0口（32脚39脚）有三种使用方法： 作为与外部传送数据的8位数据总线（D0D7）。 作为扩展外部存储器时的低8位地址总线（A0A7）。 作为普通I/O口使用，外接上拉电阻。 （2）P1口（1脚8脚）：作为普通I/O口使用，无须外接上拉电阻（80C52的P1.0

15、和P1.1还具有特殊功能见表2-1）。,（3）P2口（21脚28脚）有两种使用方法： 作为普通I/O口使用，无须外接上拉电阻。 作为扩展外部存储器时的高8位地址总线（A8A15）。 （4）P3口（10脚17脚）有两种使用方法。 作为普通I/O口使用，无须外接上拉电阻； P3口的特殊功能。,P3口的特殊功能,单片机引脚,（5）VDD（40脚）：+5V电源。 （6）VSS（20脚）：GND （7）XTAL1（19脚） XTAL2（18脚）：接外部石英晶振的引脚，也可引入外部时钟。,（8）RST/VPD（9脚）：复位信号引脚。必须在此引脚上出现两个机器周期的高电平，才能保证单片机可靠的复位。复位后，

16、单片机内部各寄存器的状态见表2-2所示。 第二功能为片内RAM备用电源输入端； 复位电路接法:,复位后单片机寄存器的内容,单片机引脚,（9）ALE/PROG（30脚）：地址锁存允许信号。有以下三个作用： 当外接存储器（RAM/ROM）时，ALE（允许地址锁存）的输出用于锁存地址的低8位。一般ALE接锁存器的EN端。 当没有外部存储器时，ALE端可输出脉冲信号，此频率为石英振荡频率的1/6。因此，它可用作对外部芯片提供输出的时钟，或用于定时的目的。 第二功能PROG对片内可编程序存储器作编程序的脉冲输入端。,单片机引脚,（10） （29脚）：外部程序存储器的读选通信号 （11） /VPP（脚31）：访问外部程序存储器地址允许输入端/固化编程电压端 。 当信号接低电平时，对ROM的读操作（执行程序）限定在外部程序储器。 当接高电平时，对ROM的读操作（执行程序）从内部开始。在使用内部带程序存储器的单片机时，应接高电平。 第二功能VPP对片内EPROM固化程序时提供编程电压（一般12-21V）输入端。,