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1、2019/7/10,单片机原理与应用,2. 单片机的硬件结构,2,2019/7/10,2. 单片机的硬件结构,本章要点： MCS-51单片机主要功能特点和内部结构 MCS-51单片机的引脚功能与I/O口 MCS-51单片机的存储器结构 MCS-51单片机的CPU时序 MCS-51单片机的低功耗运行方式,3,2019/7/10,2.1 MCS-51单片机主要功能特点和内部结构,MCS-51系列单片机的典型代表是8051、8751、8031，它们的指令完全兼容，仅在内部结构和应用特性方面稍有差异。,4,2019/7/10,主要功能特点如下：,8位CPU 128B数据存储器RAM(52系列有256字
2、节) 4KB 程序存储器ROM/EPROM(8051/ 8751) 特殊功能寄存器区 5个中断源，2个中断优先级 32根I/O线(4个8位并行口) 2个16位定时/计数器(52系列为3个) 1个全双工异步串行口 1位布尔处理机 片外可扩展64KB程序存储器ROM和64KB数据存储器RAM 片内振荡器及时钟电路,5,2019/7/10,说明：,8051片内程序存储器为掩膜ROM，可根据特殊要求和用途在制造芯片时将专用程序固化进去，成为专用计算机。 8031单片机内部没有ROM，使用时需外接程序存储器芯片，其它与8051完全一样。 8751内部为EPROM，其它与8051无差别。,6,2019/7
3、/10,MCS-51单片机的内部结构:,7,2019/7/10,2.2 MCS-51单片机的引脚功能与I/O口,HMOS制造工艺的单片机大部分采用双列直插式（Dual In-line Package，DIP）封装，共40条引脚，如图所示。,双列直插式封装,8,2019/7/10,CHMOS制造工艺的单片机除采用DIP封装方式外，还采用方形封装，共44条引脚，其中4只引脚为无用引脚NC，有PLCC（Plastic Leaded Chip Carrier, PLCC）封装和PQFQ（Plastic Quard Flat Package，PQFQ）封装2种形式，如教材图2-3（b）和（c）所示。,9
4、,2019/7/10,PLCC封装,10,2019/7/10,PQFP封装,11,2019/7/10,2.2.1 电源引脚,电源引脚提供芯片的工作电源，MCS-51系列单片机采用单一+5V供电。 1Vcc（40号引脚） Vcc接+5V电压。 2GND（20号引脚）,12,2019/7/10,2.2.2 时钟部分,MCS-51单片机的定时器控制功能是由片内的时钟电路和振荡电路完成的，而根据硬件电路的不同，片内的时钟产生有两种方式：内部时钟方式和外部时钟方式。 单片机内部有一个反相放大器，XTAL1、XTAL2分别为反相放大器的输入端和输出端，外接定时反馈元件组成振荡器（内部时钟方式）或通过外部输
5、入时钟（外部时钟方式）的方法，产生的时钟送至单片机内部的各个部件。时钟频率越高，单片机控制器的控制节拍越快，运算速度也就越快。,13,2019/7/10,1内时钟方式 利用芯片内部振荡电路，在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡器便能产生自激振荡。 定时元件可以采用石英晶体和电容组成的并联谐振电路。 晶体可以在1.2MHz12MHz之间选择； 电容可以在2060pF之间选择，对时钟频率有微调作用，通常为30pF左右。,14,2019/7/10,2. 外时钟方式,XTAL1接地，XTAL2接外部振荡器，对外部振荡信号无特殊要求。 由于XTAL2端的电平不是TTL电平，故应接一上拉电
6、阻。 外部振荡器的频率应低于12MHZ。,15,2019/7/10,2.2.3 控制引脚,1RST/VPD复位信号（9号引脚） 复位的目的是使单片机和系统中的其它部件处于某种确定的初始状态。 时钟电路工作后，在RST引脚上出现两个机器周期的高电平，单片机内部进行初始复位，复位后片内寄存器状态如表2-2所示。 只要该引脚保持高电平，单片机将循环复位。当该引脚从高电平变成低电平时，单片机将从0000H单元开始执行程序。,16,2019/7/10,表2-2 复位后内部寄存器状态,17,2019/7/10,说明：,复位不影响片内RAM状态，只要该引脚保持高电平，单片机将循环复位。 当该引脚从高电平变成
7、低电平时，单片机将0000H单元开始执行程序。 该引脚还有复用功能。接+5V备用电源，一旦Vcc电位突然下降或断电，能保护片内RAM中的信息不会丢失，复电后能正常工作。,18,2019/7/10,复位有两种：上电复位和开关复位。,上电复位：在通电瞬间，由于电容两端电压不能突变，电容通过电阻充电，在RESET端出现高电平，随着时间推移，RESET端逐渐变成低电平。,19,2019/7/10,开关复位：在程序运行期间，如果有必要也可通过开关使系统复位。,20,2019/7/10,2 信号（30号引脚） (30脚)：地址锁存信号/编程脉冲输入端,当访问外部存储器时，P0口输出的低八位地址由ALE输出
8、的控制信号锁存到片外地址锁存器。 由于P0口作为地址/数据复用口，在ALE为高电平期间，P0口上出现的是地址信息，在ALE下降沿将地址信息锁存到片外地址锁存器，在ALE为低电平期间，P0口上出现的一般是指令或数据。 除访问外部数据存储器外，ALE引脚会以时钟频率的六分之一输出脉冲，可用作系统中其它芯片的时钟源。 ALE可驱动8个TTL门。 对片内有EPROM的单片机，在编程时，此脚用于输入编程脉冲。,21,2019/7/10,低电平有效，8051访问片外程序存储器时，程序计数器PC通过P2口和P0口输出十六位地址，PSEN作为程序存储器读信号，输出负脉冲将相应存储单元的指令读出并送到P0口上。
9、 PSEN同样可以驱动8个TTL门输入。,3. (29脚)：片外程序存储器读选通,22,2019/7/10,4.EA/Vpp(31脚)： 内部和外部程序存储器选择信号,当EA为高电平时，CPU从片内程序存储器取指执行，地址超过0FFFH后自动转向片外程序存储器； 当EA为低电平时，CPU只从片外程序存储器取指。8031中EA必须接地。 对片内EPROM编程时，该脚接21V编程电压Vpp。,23,2019/7/10,2.2.4 I/O口,MCS-51单片机有4个双向8位并行I/O口P0P3，在特殊功能寄存器区中有相应的地址映射，对应的单元地址分别为：80H（P0）、90H（P1）、A0H（P2）
10、、B0H（P3），P0P3都有位寻址功能，即可以独立地对I/O口的每一位I/O线编程。每个并行口包含一个锁存器、一个输出驱动器和一个输入缓冲器。,24,2019/7/10,P0口为三态双向口，负载能力为8个TTL门电路； P1P3为准双向口(用作输入时，需先向锁存器写1)，负载能力为4个TTL门电路。,25,2019/7/10,1P0口,P0口既可作地址/数据总线使用，也可作通用I/O口使用。,26,2019/7/10,对8031来说，P0口只能作地址/数据复用总线使用。不再当作I/O口使用。 对内部有ROM的单片机，P0口也可以作通用I/O口用，作输入口用时，应先向锁存器写1,27,2019
11、/7/10,2P1口,与P0口不同，P1口内部有上拉电阻。,28,2019/7/10,（1）P1口作通用I/O口使用 （2）P1口的其它功能 P1口在EPROM编程时和验证程序时,它输入低八位地址.,29,2019/7/10,3P2口,30,2019/7/10,P2口为准三态双向口，负载能力为4个TTL门电路。 当单片机系统扩展存储器时，P2输出高8位地址； 系统没有扩展存储器时，P2口可作通用I/O口使用。,31,2019/7/10,4P3口,P3口为双功能口，除了可作为通用I/O口，它还具有特定的第二功能。 在第二功能起作用时，相应引脚的I/O口功能不能使用。 在不使用它的第二功能时，它就
12、是准双向I/O口，负载能力为4个TTL门电路。 P3口各个引脚的第二功能定义如表2-3所示。,32,2019/7/10,33,2019/7/10,四个并口的使用注意事项：,如果单片机不需要扩展存储器和I/O接口，单片机的4个口均可作I/O口使用。 四个口在作为输入口使用时，均应先对其写“1”，以避免误读。P0口只有作为地址/数据总线使用时是一个真正的双向口，做通用I/O口时也是准双向口。 P0口作为I/O口使用时，应外接10k的上拉电阻，其他口则不必。 P2口的某几根线作为地址线使用时，P2口剩下的口线不能作为I/O口线使用。 P3口的某几根线作为第二功能使用时，P3口剩下的口线可以单独作为I
13、/O口线使用。,34,2019/7/10,2.3 MCS-51的存储器结构,单片机的存储结构有两种：一种结构称为哈佛结构，即程序存储器和数据存储器分开，相互独立；另一种结构称为普林斯顿结构，即程序存储器和数据存储器是统一的，地址空间统一编址。 MCS-51系列单片机的存储器结构属于哈佛结构，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，各有各的寻址机构和寻址方式。,35,2019/7/10,对于MCS-51系列（8031除外）有4个物理上相互独立的存储空间：片内、外程序存储器，片内、外数据存储器。图2-11为MCS-51系列单片机存储器的配置图。 从逻辑上（用户角度）看，有3个逻辑空
14、间：片内外统一编址的64KB程序存储空间；256B（51系列） 的片内数据存储空间（其中包括特殊功能寄存器空间）；64KB片外数据存储空间。,36,2019/7/10,对于这三个逻辑空间，采用不同的指令形式和寻址方式访问。 汇编指令系统设计了不同的数据传送指令符号：CPU访问片内、片外程序存储器（ROM），指令用MOVC；访问片外数据存储器（RAM），指令用MOVX；访问片内RAM，指令用MOV。 在用C语言编程时设计了不同的数据存储类型：CPU访问片内、片外ROM，数据类型用code；访问片外RAM，数据类型用pdata和xdata；访问片内RAM，数据类型用data、bdata和idata
15、。其具体应用在后面的章节中说明。,37,2019/7/10,2.3.1 程序存储器,在计算机处理问题之前，必须事先把编好的程序和所需表格常数等存入机器之中，单片机中完成这一任务的物理器件就是程序存储器。 程序存储器是以程序计数器PC作地址指针，MCS-51的程序计数器PC是16位的，因此最大寻址空间为64KB，地址范围为0000HFFFFH。,38,2019/7/10,51子系列存储器配置,39,2019/7/10,程序存储器中有7个地址具有特殊意义，使用时要注意。,单片机复位后，PC中为0，单片机由0000H开始执行程序。,40,2019/7/10,2.3.2 数据存储器,数据存储器分为片内
16、和片外两种，二者无论在物理上或逻辑上，其地址空间都是彼此独立的。,访问片内RAM用“MOV”指令， 访问片外RAM用“MOVX”指令。,41,2019/7/10,1.片内数据存储器,片内数据存储器的地址为00FFH，共256字节，按功能划分为不同的区域。 007FH为128字节用户可使用的RAM， 80FFH是专为特殊功能寄存器使用。 低128字节又可以划分为三个区域：工作寄存器组、位寻址区和数据缓冲区。,42,2019/7/10,特殊功能 寄存器 SFR,FFH 80H,数据缓冲区,位寻址区,四个 工作寄存器组,7FH 30H,2FH 20H,1FH 18H,17H 10H,0FH 08H,07H 00H,3区（8字节）,2区（8字节）,1区（8字节）,0区（8字节）,每个区有8个工作寄存器R0-R7,128字节 用户可使用的RAM,128字节 特殊功能寄存器,也称为 通用寄存器组,只能按字节寻址,可位寻址 也可按字节寻址,43,2019/7/
