单片机基本结构

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1、单片机基本结构单片机应用技术1电子信息学院 袁可可回顾uKeil的使用uProtues的使用单片机应用技术2电子信息学院 袁可可回顾uKeil软件的操作新建工程并保存新建源文件并保存（需要写后缀名.C）源文件编写代码添加源文件到工程组编辑工程属性编译，生成HEX文件单片机应用技术3电子信息学院 袁可可回顾uProteus软件的操作新建文件保存文件（不需要写后缀名）选取元件绘制电路图加载HEX文件仿真调试单片机应用技术4电子信息学院 袁可可内容导航u单片机概念u内部结构u存储器u引脚u时序u复位电路单片机应用技术5电子信息学院 袁可可单片机概念u微 型 计 算 机 （ Microcomputer

2、）微处理器、存储器、输入输出接口电路u单片机集集成成在一块芯芯片片上的微型计算机单片机应用技术6电子信息学院 袁可可单片机应用技术7电子信息学院 袁可可单片机应用技术8电子信息学院 袁可可单片机概念u两大分支PC机：海量、高速，兼顾控制功能单片机：测控功能，兼顾数据处理单片机应用技术9电子信息学院 袁可可PC机单片机组成（CPU、RAM、ROM、I/O口）芯片、安装在主板集成到单芯片功能数据运算、采集、处理、存储、传输控制（或受控于）外设应用特点体积大、功耗大、价格高、易学、但用于控制时必须有专用的接口卡体积小、功耗小、价格低、用途灵活、应用中要设计专业的硬件和软件单片机应用技术10电子信息学

3、院 袁可可单片机概念u发展概况：第一阶段：起步阶段（1974-1976）第二阶段：发展阶段（1976-1978）第三阶段：完善阶段（1978-1982）第四阶段：8位机和16位机争艳阶段，也是单片机向微控制器发展的阶段（1982-1990）第五阶段：微控制器全面发展阶段（1990-）单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。单片机应用技术11电子信息学院 袁可可单片机概念uMCS-51、8051、89C51、C51的区分MCS-51：Intel的一个系列名称，简称51单片机。8051：是MCS-51系列中的一个型号，早期典型产品。89C51：

4、也是MCS-51系列中的一个型号，具有低功耗的特点。C51：不是单片机，它是应用在51单片机中的 C 语言。单片机应用技术12电子信息学院 袁可可单片机概念u常用89C51系列芯片ATMEL公司的AT89C51宏晶科技的STC系列STC89C51RC查阅资料，找出AT89C51芯片与STC89C51RC芯片的区别单片机应用技术13电子信息学院 袁可可内部结构uMCS-51单片机是高性能的8位单片机，除内置程序存储器有区别外，内部结构和引脚相同8031：内部无程序存储器8051：ROM型单片机，内含4K字节ROM8751：EPROM型单片机，内含4K字节EPROM89C51：Flash存储器，4

5、K字节，可以电擦除和改写，字母C代表CMOS工艺单片机应用技术电子信息学院 袁可可14单片机应用技术15电子信息学院 袁可可内部结构u1、CPU（微处理器）u2、数据存储器（RAM）u3、程序存储器（ROM/EEPROM）u4、并行8位I/O口：P0、P1、P2、P3 u5、串行口 1个全双工的异步串行口u6、定时器/计数器u7、中断系统 u8、特殊功能寄存器（SFR）单片机应用技术电子信息学院 袁可可16单片机应用技术电子信息学院 袁可可17内部结构CPUu由运算器和控制器所构成运算器对操作数进行算术、逻辑运算和位操作控制器单片机的指挥控制部件,主要任务是识别指令,并根据指令的性质控制单片机

6、各功能部件,从而保证单片机各部分能自动协调的工作单片机应用技术电子信息学院 袁可可18内部结构运算器u算术逻辑运算单元ALUu累加器Au程序状态字寄存器PSW单片机应用技术电子信息学院 袁可可19内部结构累加器Au使用最频繁的寄存器，可写为Acc。 uA的作用：（1）是ALU单元的输入之一，又是运算结果存放单元。（2）数据传送大多都通过累加器A。（3）A的进位标志Cy同时又是位处理机的位累加器。单片机应用技术电子信息学院 袁可可20内部结构PSWCy（PSW.7）进位标志位Ac(PSW.6)辅助进位标志位F0（PSW.5）标志位，由用户使用的一个状态标志位。RS1、RS0（PSW.4、PSW.

7、3）：4组工作寄存器区选择控制位1和位0。OV（PSW.2）溢出标志位PSW.1位: 保留位，未用 P(PSW.0)奇偶标志位单片机应用技术电子信息学院 袁可可21工作寄存器区的选择工作寄存器区的选择 18181FH1FH3 3区区1 11 1101017H17H2 2区区1 01 008080FH0FH1 1区区0 10 1000007H07H0 0区区0 00 0R R0 0R R7 7地址地址寄存器组寄存器组RSRS1 1 RS RS0 0单片机应用技术22电子信息学院 袁可可内部结构控制器u程序计数器PC（Program Counter）存放下一条要执行的指令在程序存储器中的地址。基本

8、工作方式： :（1 1）程序计数器自动加）程序计数器自动加1 1 :（2 2）执行有条件或无条件转移指令时，程序计数器将被置入新的）执行有条件或无条件转移指令时，程序计数器将被置入新的数值，从而使程序的流向发生变化。数值，从而使程序的流向发生变化。:（3 3）执行子程序调用或中断调用时完成下列操作：）执行子程序调用或中断调用时完成下列操作： PC PC的当前的当前值保护；值保护； 将子程序入口地址或中断向量的地址送入将子程序入口地址或中断向量的地址送入PCPC。u指令寄存器IR、指令译码器及控制逻辑电路单片机应用技术电子信息学院 袁可可23内部结构定时/计数器uMCS51单片机片内有两个16位

9、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。单片机应用技术电子信息学院 袁可可24内部结构I/O口u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口能带8个TTL门电路P1、P2和P3口负载能力为4个TTL门电路u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工串行通信接口，可以同时发送和接收数据。单片机应用技术电子信息学院 袁可可25内部结构u中断控制系统：51单片机共有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。u时钟电路：51芯

10、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。单片机应用技术电子信息学院 袁可可26内部结构存储器uMCS51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。u这种结构称为哈弗结构。单片机应用技术电子信息学院 袁可可27存储器u存储器是单片机里面的重要功能部件，分为程序存储器（ROM）和数据存储器（RAM）。u51系列单片机将程序存储器和数据存储器分开寻址，这样就有4个在物理上相互独立的存储器空间：片内、外的ROM和片内、外的RAM。单片机应

11、用技术电子信息学院 袁可可28单片机应用技术电子信息学院 袁可可29单片机应用技术电子信息学院 袁可可30外部外部60KFFFF1000内部内部4K（ =1）外部外部4K（ =0）0FFF00000FFF0000FF807F00 外部外部 64KFFFF0000程序存储器程序存储器 ROM内部数据存储器内部数据存储器 RAM外部数据存储器外部数据存储器 RAM专用寄存器专用寄存器片内片内RAM单片机应用技术电子信息学院 袁可可31片内片内RAM区区分为三部分分为三部分片内片内RAM7FH00HSFR特殊功能特殊功能寄存器寄存器FFH80H位寻址区位寻址区2FH20H工作工作寄存器区寄存器区1F

12、H00H7FH30H数据数据缓冲区缓冲区存储器ROM特殊单元u内部程序存储器的某些单元被保留用于特定的程序入口地址。复位0000H外部中断0 0003H定时器T0溢出中断 000BH外部中断1 0013H定时器T1溢出中断 001BH串行口中断 0023H 定时器T2中断 002BH单片机应用技术电子信息学院 袁可可32存储器特殊功能寄存器uCPU对各种功能部件的控制采用特殊功能寄存器集中控制方式，共21个。 u有的SFR可进行位寻址，其字节地址的末位是0H或8H单片机应用技术电子信息学院 袁可可33引脚u40只引脚双列直插封装（DIP）u44只引脚方形封装方式（4只未用）单片机应用技术电子信

13、息学院 袁可可34引脚单片机应用技术电子信息学院 袁可可35控控制制引引脚脚并行并行I/OI/O口引脚口引脚电电源源及及时时钟钟引引脚脚（1 1）电源与时钟）电源与时钟VccVcc：接接+5V+5V电源端电源端 VssVss：接地端接地端XTAL1XTAL1：片内振荡电路输入端片内振荡电路输入端XTAL2XTAL2：片内振荡电路输出端片内振荡电路输出端内时钟方式：内时钟方式：在在XTAL1XTAL1、XTAL2XTAL2上外接定时元件，使上外接定时元件，使其形成自激振荡器。其形成自激振荡器。时钟电路：时钟电路：内时钟方式内时钟方式外时钟方式外时钟方式管脚的功能单片机应用技术36电子信息学院 袁

14、可可定时元件采用由石英晶体和电容组成并联谐振电路。定时元件采用由石英晶体和电容组成并联谐振电路。晶体和电容尽可能靠近单片机芯片。晶体和电容尽可能靠近单片机芯片。单单片片机机XTAL1XTAL1XTAL2XTAL219191818C C1 1C C2 2电容通常选择电容通常选择为为15-33PF15-33PF左右左右振荡频率振荡频率1.2MHz12MHz1.2MHz12MHz晶晶振振内时钟方式电路图内时钟方式电路图单级反相单级反相放大器放大器单片机应用技术37电子信息学院 袁可可单单片片机机XTAL2XTAL2XTAL1XTAL1外时钟方式：外时钟方式：XTAL1XTAL1接地，接地，XTAL2

15、XTAL2接外部振荡器接外部振荡器外时钟方式电路图外时钟方式电路图外部外部振荡源振荡源+5V+5V18181919上拉电阻上拉电阻频率低于频率低于12MHz12MHzOCOC门门单片机应用技术38电子信息学院 袁可可复位信号：复位信号：高电平复位高电平复位CPUCPU，低电平，低电平CPUCPU工作工作EA/VEA/VPPPPALEALEPSENPSEN名称名称功功 能能片外片外取指取指信号信号（片外（片外程序存储器读程序存储器读）输出端低电平）输出端低电平有效。通过有效。通过P0P0口读回指令或常数。口读回指令或常数。控制的是片外程序存储器控制的是片外程序存储器RESETRESET 控控制制

16、信信号号地址锁存信号地址锁存信号。ALEALE低电平时，低电平时， P0P0口出现口出现数据数据信息；信息； ALEALE高电高电平时，平时， P0P0口出现口出现地址地址信息。信息。程序存储器选择信号程序存储器选择信号 EA=EA=0 0 时，选外部时，选外部ROMROM；1 1，地址小于，地址小于4k4k时，选内部时，选内部ROMROM地址大于地址大于4k4k时，选外部时，选外部ROMROMP0P0口是口是数据数据/ /地址地址复用口复用口用用下降沿下降沿 锁存锁存P0P0口的口的低低8 8位地址位地址到到外部锁存器外部锁存器单片机应用技术39电子信息学院 袁可可uP0口 当一般I/O口使

17、用. 当访问外部RAM或ROM时,当低8位地址总线和数据总线使用uP1口：提供单片机的主要I/O口 P1.0可复用作为T2的外部计数输入端 P1.1可复用作为重载/捕捉/方向控制uP2口 当一般I/O口使用. 当访问外部RAM或ROM时,做高8位地址总线（3 3）并行）并行I/OI/O口口单片机应用技术40电子信息学院 袁可可uP3口当一般I/O口使用，可以作为替代功能的输入、输出替代输入功能如下：P3.0 RXD，串行输入口。 P3.l TXD，串行输出口。P3.2 外部中断0的请求。 P3.3 外部中断1的请求。P3.4 T0，定时器计数器0外部计数脉冲输入。P3.5 T1，定时器计数器1

18、外部计数脉冲输入。 P3.6 外部数据存储器写选通，输出，低电平有效。P3.7 外部数据存储器读选通，输出，低电平有效（3 3）并行）并行I/OI/O口口单片机应用技术41电子信息学院 袁可可时序u单片机时序是指单片机执行指令时应发出的控制信号的时间序列。u这些控制信号在时间上的相互关系就是CPU的时序。u它是一系列具有时间顺序的脉冲信号。单片机应用技术电子信息学院 袁可可42时序单位u时钟周期u状态周期u机器周期u指令周期单片机应用技术电子信息学院 袁可可43电容离晶振越近越好，晶振离单片机越近越好电容一般采用15-33pF时序时钟周期u时钟周期，也叫振荡周期，指为单片机提供定时信号的振荡源

19、周期。是最小的时序单位。u其值由外接晶体或外输入时钟来决定，为振荡器频率的倒数。计算：外接晶振频率1MHz，时钟周期是多少？单片机应用技术电子信息学院 袁可可44时序状态周期u时钟信号的周期称为状态周期，每个状态周期为时钟周期的2倍，是振荡周期经二分频后得到的。u状态周期被分成两个节拍P1和P2。每个状态周期的前半周期P1信号有效，这时CPU通常完成算术逻辑操作;在每个状态周期的后半周期P2信号有效，内部寄存器与寄存器之间的数据一般在此状态发生单片机应用技术电子信息学院 袁可可45时序机器周期u机器周期：定义为实现特定功能所需要的时间。u在一个机器周期内，CPU可以完成一个独立的操作uMCS-

20、51的机器周期时间是不变的，均为12个晶振周期或6个状态周期。单片机应用技术电子信息学院 袁可可461机器周期=12振荡脉冲周期时序指令周期u指令周期：执行一条指令的时间。u按指令执行的时间可分为：单周期、双周期和四周期(只有乘法和除法两条指令)。单片机应用技术电子信息学院 袁可可47复位u复位操作：单片机的初始化操作，摆脱死锁状态。u引脚RST加上大于2个机器周期（即24个时钟振荡周期）的高电平就可使MCS-51复位。复位时，PC初始化为0000H，使MCS-51单片机从0000H单元开始执行程序。单片机应用技术电子信息学院 袁可可48复位电路u复位电路分为上电自动复位和按钮复位两种单片机应用技术电子信息学院 袁可可49上电复位按钮复位电平方式按钮复位脉冲方式电容一般采用10-30F电容的容值越大复位时间越长小结u单片机内部结构单片机应用技术电子信息学院 袁可可50