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1、单元4单片机芯片结构,学习目的：掌握单片机的内部结构，熟悉单片机各引脚的功能；熟悉单片机输入输出接口的基本使用。 重点难点：单片机内部结构和引脚，单片机输入输出接口。 外语词汇：Pin（引脚）、Program Counter（PC，程序计数器）、Bus（总线）、Crystal Oscillators（晶振）。 单片机是单片机应用系统的核心，主要包括CPU、存储器、输入/输出设备等部分，对初学者，需首先对其结构进行学习和了解。本章以80C51为例，详细介绍单片机的硬件基础知识，包括单片机的结构、工作原理、时序及复位电路等内容。,4.1 80C51单片机外部引脚,80C5189C51是标准的40引
2、脚双列直插式集成电路芯片，引脚排列图如图4-1所示。,图4-1 引脚排列图,单片机的40个引脚大致可分为4类：电源、 时钟、控制和I/O引脚。 电源引脚 （1）VCC 芯片电源，接5V。 （2）VSS 接地端。 时钟引脚 （1）XTAL1 晶体振荡电路反相输入端。 （2）XTAL2 晶体振荡电路反相输出端。 当使用芯片内部时钟时，此二引线端用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。, 控制线（共有4根） （1）ALE/ 地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲。 1）ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址。 2）功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此
3、引脚输入编程脉冲。 （2）片外ROM读选通信号。外部程序存储器读选通信号。在读外部ROM时，PSEN有效（低电平），以实现外部ROM单元的读操作。 （3）RST/VPD 复位/备用电源。 1）RST（Reset）功能：复位信号输入端。复位信号。当输入的复位信号延续两个机器周期以上的高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作。 2）VPD功能：在Vcc掉电情况下，接备用电源。 （4）/Vpp 内外ROM选择/片内EPROM编程电源。 1）功能：内外ROM选择端。访问程序存储控制信号。当信号为低电平时，对ROM的读操作限定在外部程序存储器；当信号为高电平时，对ROM的读操作是从内部程序存储器
4、开始，并可延至外部程序存储器。 2）Vpp功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。,4. 并行I/O引脚 80C51共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。每一并行口包括输出锁存器、三态输入缓冲器、输出场效应晶体管。 引脚功能说明： （1）P0.0P0.7 P0口，8位双向口线。在系统扩展时，P0.0P0.7分时提供低8位地址信息和8位双向数据信息。当单片机与外扩芯片交换信息时，P0.0P0.7先送出外扩芯片的低8位地址，并在ALE信号的作用下将地址信息锁存在外部锁存器中，然后再传送数据信息。 在没有外扩芯片时，P0.0P0.7作为一
5、般的I/O线使用，可以直接与外设通信。此外，由于P0.0P0.7的输出驱动电路时开漏的，所以在使用P0.0P0.7驱动集电极开路电路或漏极开路电路时需外接上拉电阻。 （2）P1.0P1.7 P1口，一般作通用I/O口线使用，用于完成8位数据的并行输入/输出。 （3）P2.0P2.7 P2口，在系统扩展时，P2.0P2.7输出高8位地址信息。外扩ROM时，PC中的高8位地址由P2.0P2.7送出；而当外扩RAM或I/O接口时，则DPH中的地址信息由P2.0P2.7送出。 （4）P3.0P3.7 P3口，除可作通用I/O口线使用外，还具有第二功能，引脚P3.0P3.7的第二功能见表4-1。,表4-
6、1 引脚P3.0P3.7的第二功能,在并口总结：P0口的输出级与PlP3口的输出级在结构上是不同的，没有内部上拉电阻。因此，它们的负载能力和接口要求也各不相同，P1P3口也被称做准双向口。,1）P0口的每一位可驱动8个LSTTL负载。P0既可作IO端口使用，也可作地址总线数据总线使用。当把它作通用口输出时，输出级是开漏电路，在驱动NMOS或其他拉电流负载时，只有外接上拉电阻，才有高电平输出；作地址总线数据总线时，无需外接上拉电阻，但此时不能再作IO口使用。 2）P1P3口输出级接有内部上拉负载电阻，每位可驱动4个LSTTL负载。 3）P0P3口都是双向IO口，作输入时，必须先在相应端口锁存器上
7、写“1”，使驱动管FET截止。系统复位时，端口锁存器全为“1”。 注：Low-power Schottky TTL低功耗肖特基TTL，LSTTL的功耗典型 值为传统TTL的1/5。,4.2 80C51单片机的总线,总线（Bus）是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线，它是由导线组成的传输线束，按照计算机所传输的信息种类，计算机的总线可以划分为数据总线、地址总线和控制总线，分别用来传输数据、数据地址和控制信号。,1. 地址总线（AB） 地址总线宽度为16位，由P0口经地址锁存器提供低8位地址（A0A7）；P2口直接提供高8位地址（A8A15）。地址信号是由CPU发出的，故地址总线是单方向
8、的。地址总线的宽度决定了CPU的寻址范围。 2. 数据总线（DB） 数据总线宽度为8位，用于传送数据和指令，由P0口提供。数据总线是双向的。 3. 控制总线（CB） 控制总线随时掌握各种部件的状态，并根据需要向有关部件发出命令。,4.3 单片机内部结构,80C51单片机内部包括1个8位CPU、1个片内振荡器及时钟电路、128B的RAM（数据存储器）、4KB 的ROM（程序存储器）、2个16位定时/计数器、32条可编程的I/O线（4个8位并行I/O端口）、1个全双工串口、5个中断源等。80C51内部结构框图如图4-2所示。,图4-2 80C51内部结构框图,中央处理器CPU是单片微机内部的核心部
9、件，主要包括控制器、运算器等。 1. 控制器 控制器是识别指令，并根据指令性质控制计算机各组成部件进行工作的部件，与运算器一起构成中央处理器。在80C51单片机中，控制器包括程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器、定时控制部分等逻辑电路。,程序计数器PC（Program Counter）是一个独立的计数器，不属于内部的特殊功能寄存器。PC中存放的是下一条将要从程序存储器中取出的指令的地址，具有自动加1的功能，即完成一条指令的执行后，其内容自动加1。 PC本身并没有地址，用户无法对它进行读写，但是可以通过转移、调用和返回等指令改变其内容，以控制程序按要求去执行。PC是一个16位的寄存器，由两
10、个8位寄存器组成，其高8位用PCH表示，低8位用PCL表示，寻址范围为64KB。 当单片机上电复位时，PC=0000H，即指向程序存储器中的0000H，单片机就把0000H上的代码取出执行。之后PC自动增加1，变成0001H，接着单片机就执行0001H单元地址中保存的代码。程序计数器的基本工作过程如图4-3所示。,图4-3 程序计数器的基本工作过程,其基本的工作过程是：读指令时，程序计数器PC将其中的数作为所取指令的地址输出给程序存储器，然后程序存储器按此地址输出指令字节，同时程序计数器PC本身自动加1，指向下一条指令地址。 程序计数器PC变化的轨迹决定程序的流程。 指令寄存器IR是用来存放指
11、令操作码的专用寄存器。执行程序时，首先进行程序存储器的读操作，也就是根据程序计数器给出的地址从程序存储器中取出指令，送指令寄存器IR，IR的输出送指令译码器；然后由指令译码器对该指令进行译码，译码结果送定时控制逻辑电路，指令寄存器工作过程如图4-4所示。,图4-4 指令寄存器工作过程,定时控制逻辑电路则根据指令的性质发出一系列定时控制信号，控制计算机的各组成部件进行相应的工作，执行指令。单片机的定时控制功能是用片内的时钟电路和定时电路来完成的。 2. 运算器 运算器主要用来实现对操作数的算术逻辑运算和位操作的。如对传送到CPU的数据进行加、减、乘、除、比较、BCD码校正等算术运算；“与”、“或
12、”、“异或”等逻辑操作；移位、置位、清零、取反、加1、减1等操作。 80C51的ALU还具有极强的位处理功能，如位置1、位清零、位“与”、位“或”等操作。,4.4 单片机最小系统,单片机最小系统，或者称为最小应用系统，是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对51系列单片机来说，最小系统一般应该包括：单片机、时钟电路和复位电路等，单片机最小系统电路图如图4-5所示。,图4-5单片机最小系统电路图,4.4.1 时钟电路与时序,单片机时钟电路有内部时钟方式和外部时钟方式两种方式。 1. 内部时钟电路 在80C51芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，其输出端为引脚XTA
13、L2。而在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器。内部时钟振荡电路如图4-6所示,图4-6 内部时钟振荡电路,一般地，电容C1和C2取30pF左右，晶体的振荡频率范围是1.212MHz。晶体振荡频率高，则系统的时钟频率也高，单片机运行速度也就快。80C51在通常应用情况下，使用振荡频率为6MHz或12 MHz。 2.外部时钟电路 在由多片单片机组成的系统中，为了各单片机之间时钟信号的同步，应当引入唯一的公用外部脉冲信号作为各单片机的振荡脉冲。这时，外部的脉冲信号是经XTAL2引脚注入，单片机外部时钟电路如图4-7所示。 HMOS和CHMOS
14、单片机外时钟信号接入方式不同。,a）HMOS b） CHMOS 图4-7 单片机外部时钟电路,3. 时序 时序是用定时单位来说明的。80C51的时序定时单位共有4个，从小到大依次是：节拍、状态、机器周期和指令周期。下面分别加以说明。 （1）节拍与状态 时钟周期为晶体振荡器（晶振）的振荡周期，把振荡脉冲的周期定义为节拍（用P表示）。振荡脉冲经过2分频后，就是单片机的时钟信号的周期，其定义为状态（用S表示）。 这样，1个状态就包含2个节拍，具前半周期对应的拍节叫节拍1（P1）、后半周期对应的节拍叫节拍2(P2）。 （2）机器周期 80C51采用定时控制方式，因此它有固定的机器周期。规定1个机器周期
15、的宽度为6个状态，并依次表示为S1S6。由于1个状态又包括2个节拍，称为P1相和P2相。因此，1个机器周期总共有12个节拍，分别记作S1P1、S1P2、S6P2。由于1个机器周期共有12个振荡脉冲周期，因此机器周期就是振荡脉冲的12分频。80C51的1个机器周期和状态组成如图4-8所示。1个机器周期中ALE信号两次有效。,图4-8 80C51的1个机器周期和状态组成,当振荡脉冲频率为12 MHz时，一个机器周期为1s；当振荡脉冲频率为6 MHz时，一个机器周期为2s。 （3）指令周期 指令周期是最大的时序定时单位, 执行一条指令所需要的时间称为指令周期。它一般由若干个机器周期组成。不同的指令，
16、所需要的机器周期数也不相同。通常，包含1个机器周期的指令称为单周期指令，包含2个机器周期的指令称为双周期指令。指令的运算速度与指令所包含的机器周期有关，机器周期数越少的指令执行速度越快。80C51单片机通常可以分为单周期指令、双周期指令和四周期指令等三种。四周期指令只有乘法和除法指令两条，其余均为单周期和双周期指令。 单片机执行任何一条指令时都可以分为取指令阶段和执行指令阶段。80C51单片机的取指/执行时序如图4-9所示。 由图4-9可见，ALE引脚上出现的信号是周期性的，在每个机器周期内出现两次高电平。第一次出现在S1P2和S2P1期间，第二次出现在S4P2和S5P1期间。ALE信号每出现一次，CPU就进行一次取指操作，但由于不同指令的字节数和机器周期数不同，因此取指令操作也随指令不同而有小的差异。,图4-9a、b所示分别给出了单字节单周期和双字节单周期指令的时序。单周期指令的执行始于S1P2，这时操作码被锁存到指令寄存器内。若是双字节，则在同一机器周期的S4读第二字
