单片机的硬件结构及原理

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1、第第1章章 单片机的硬件结构和原理单片机的硬件结构和原理 1.1 概述概述1.2 MCS -51单片机硬件结构单片机硬件结构 1.3 中央处理器中央处理器CPU 1.4 存储器的结构存储器的结构 1.5 并行输入并行输入/输出接口输出接口1.6 单片机的引脚及其功能单片机的引脚及其功能 1.7 单片机工作的基本时序单片机工作的基本时序 2021/3/101第 2 章 单片机的硬件结构和原理 1.1 概 述计算机巨大中小微多片机（PC）单片机2021/3/102第 2 章 单片机的硬件结构和原理 单片机SCMC(Single Chip MicroComputer) -属于微型机的一种 -具有一般

2、微机的基本组成和功能又称为微控制器MCU（MicroController Unit）一、一、微型机与单片机的基本组成对比微型机CPU存储器输入/输出接口2021/3/103第 2 章 单片机的硬件结构和原理 微处理器CPUROMRAMI/O接口外设地址总线AB数据总线DB控制总线CB微型机组成框图2021/3/104第 2 章 单片机的硬件结构和原理 时钟OSCCPU各种I/O定时器/计数器程序存储器ROM数据存储器RAM中断MCS-51单片机组成框图2021/3/105第 2 章 单片机的硬件结构和原理 (1)优异的性能价格比。二、单片机的特点二、单片机的特点 单片机把各功能部件集成在一块芯

3、片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合于在恶劣环境下工作。 此外，程序多采取固化形式也可以提高可靠性。 (2)集成度高、体积小、有很高的可靠性。 2021/3/106第 2 章 单片机的硬件结构和原理 为了满足工业控制要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能。单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。(3)控制功能强。(4)单片机的系统扩展、系统配置较典型、规 范，容易构成各种规模的应用系统。2021/3/107第 2 章 单片机的硬件结构和原

4、理 三、单片机的应用1 1单片机应用的特点单片机应用的特点 软硬件结合、多学科交叉；软硬件结合、多学科交叉； 应用现场环境恶劣（应用现场环境恶劣（电磁干扰、电源波动、电磁干扰、电源波动、 冲击振动、高低温湿度等冲击振动、高低温湿度等）；）； 应用领域广泛且意义重大（应用领域广泛且意义重大（硬件软化硬件软化-微控微控 制技术制技术）。）。2021/3/108第 2 章 单片机的硬件结构和原理 2 2 单片机的应用领域单片机的应用领域在在工业自动化方面（在在工业自动化方面（过程控制、数据采集和测控过程控制、数据采集和测控 技术、机器人技术、机械电子计算机一体化技术技术、机器人技术、机械电子计算机一

5、体化技术）；）；仪器仪表方面（仪器仪表方面（测试仪表和医疗仪器测试仪表和医疗仪器-数字化、智能数字化、智能 化、高精度、小体积、低成本、便于增加显示报警和自诊化、高精度、小体积、低成本、便于增加显示报警和自诊断功能断功能）；）；在家用电器方面（在家用电器方面（冰箱、洗衣机、空调机、微波炉、冰箱、洗衣机、空调机、微波炉、电视机、音像设备等电视机、音像设备等）；）；信息和通信产品方面（信息和通信产品方面（计算机的键盘、打印机、磁计算机的键盘、打印机、磁 盘驱动器；传真机、复印机、电话机、考勤机盘驱动器；传真机、复印机、电话机、考勤机）；）；在军事方面（在军事方面（飞机、大炮、坦克、军舰、导弹、火箭

6、、飞机、大炮、坦克、军舰、导弹、火箭、雷达等雷达等）。）。2021/3/1092.2 MCS - 51单片机硬件结构单片机硬件结构 2.2.1 MCS - 51系列单片机的分类系列单片机的分类 表表 2.1 MCS - 51 系列单片机配置一览表系列单片机配置一览表 q资源资源 配置配置子子 系列系列 片内片内ROMROM形式形式 片片 内内 ROM ROM 容容 量量 片片 内内 RAM RAM 容容 量量定时定时/ /计数器计数器中中断断源源无无ROMROMEPREPROMOME E2 2PROPROM M5151子系列子系列803180318051805187518751 8951895

7、14KB 128B128B 2162165 55252子系列子系列803280328052805287528752 895289528KB 256B256B 3163166 6其中其中,51系列为基本型，系列为基本型，52系列为增强型；系列为增强型；2021/3/1010第 2 章 单片机的硬件结构和原理 INTEL公司将MCS-51的核心技术授权给了很多其它公司，所以有很多公司在做以8051为核心的单片机，当然，功能或多或少有些改变，以满足不同的需求，其中89C51和89S51就是这几年在我国非常流行的单片机，它是由美国ATMEL公司开发生产的。2.2.2 AT89系列带字母带字母C的为低功

8、耗型，如的为低功耗型，如89C51 ；带字母带字母S的为可串行编程系列，的为可串行编程系列，如如89S52；2021/3/10112.2.3 MCS - 51单片机的内部结构单片机的内部结构 图图 2.1 MCS - 51单片机结构框图单片机结构框图 时钟电路SFR和RAMROMCPU定时/计数器并行端口中断系统串行端口系统总线时钟源T0T1P0P1P2P3TXDRXDINT0INT12021/3/10122.3 中央处理器中央处理器CPU 2.3.1 运算器运算器 1.算术逻辑单元算术逻辑单元ALU 2.2. 累加器累加器ACC（Accumulator）累加器累加器A是在编程操作中最常用的是

9、在编程操作中最常用的3.专用寄存器，功能较多，可按位寻址。专用寄存器，功能较多，可按位寻址。 4.3. 寄存器寄存器B:即可作为一般寄存器使用，也可用于乘除运算。做乘即可作为一般寄存器使用，也可用于乘除运算。做乘5.法运算时，法运算时，B是乘数。乘法操作后，乘积的高是乘数。乘法操作后，乘积的高8位存于位存于B中。做除中。做除6.法运算时，法运算时，B存放除数。除法操作后，余数存放在存放除数。除法操作后，余数存放在B中。中。 7.4. 程序状态字程序状态字PSW（Program State Word） CyACF0RS1RS0OVPD7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0PSW2021/3

10、/1013第 2 章 单片机的硬件结构和原理 2021/3/1014表表 2.2 RS1、 RS0与片内工作寄存器组的对应关系与片内工作寄存器组的对应关系 RS1RS0寄存器组寄存器组片内片内PAM地址地址通用寄存器通用寄存器名称名称000组组00H07HR0R7011组组08H0FHR0R7102组组10H17HR0R7013组组18H1FHR0R7单片机复位时，单片机复位时，RS1=RS2=00，默认为第，默认为第0组组 2021/3/10152.3.2 控制器控制器1. 时钟电路时钟电路 图图 2.2 单片机时钟电路单片机时钟电路（a） 内部时钟电路；内部时钟电路； （b） 外部振荡源外

11、部振荡源一般地，取一般地，取C1=C2=30pF, 晶振为晶振为6MHz或或12MHz2021/3/10162. 复位电路复位电路 图图 2.3 单片机复位电路单片机复位电路（a）上电复位电路；）上电复位电路；(b) 开关复位电路开关复位电路取取C1=22uF电解电容，电解电容，R=1K, R1=100 R2=1K2021/3/1017表表 2.3 复位后内部寄存器状态复位后内部寄存器状态 2021/3/1018 3. 指令寄存器和指令译码器指令寄存器和指令译码器 指指令令寄寄存存器器中中存存放放指指令令代代码码。CPU执执行行指指令令时时, 由由程程序序存存储储器器中中读读取取的的指指令令代

12、代码码送送入入指指令令存存储储器器, 经经译译码码器器译译码码后后由由定定时时与与控控制制电电路路发发出出相相应应的的控控制制信信号号, 完完成成指指令令所所指指定的操作。定的操作。 2021/3/1019 4. 程序计数器程序计数器PC（Program Counter） PC用用于于存存放放CPU下下一一条条要要执执行行的的指指令令地地址址, 是是一一个个 16 位位的的专专用用寄寄存存器器, 可可寻寻址址范范围围是是0000H0FFFFH共共 64 K.。 程程序序中中的的每每条条指指令令存存放放在在ROM区区的的某某一一单单元元, 并并都都有有自自己己的的存存放放地地址址。 CPU 要要

13、执执行行哪哪条条指指令令时时, 就就把把该该条条指指令令所所在在的的单单元元的的地地址址送送上上地地址址总总线线。 在在顺顺序序执执行行程程序序中中, 当当PC的的内内容容被被送送到到地地址址总总线线后后, 会会自自动动加加 1, 即即(PC) (PC)+1, 又指向又指向CPU 下一条要执行的指令地址。下一条要执行的指令地址。 2021/3/1020 5. 堆栈指针堆栈指针SP（Stack Pointer）堆堆栈栈操操作作是是在在内内存存RAM区区专专门门开开辟辟出出来来的的按按照照“先先进进后后出出”原原则则进进行行数数据据存存取取的的一一种种工工作作方方式式, 主主要要用用于于子子程程序

14、序调调用用及及返返回回和和中中断断处处理理断断点点的的保保护护及及返返回回, 它它在在完完成成子子程程序序嵌嵌套套和和多多重重中中断断处处理理中中是是必必不不可可少少的的。为为保保证证逐逐级级正正确确返返回回, 进进入入栈栈区区的的“断断点点”数数据据应应遵遵循循“先先进进后后出出”的的原原则则。SP用用来来指指示示堆堆栈栈所所处处的的位位置置, 在在进进行行操操作作之之前前, 先先用用指指令令给给SP赋赋值值, 以以规规定定栈栈区区在在RAM区区的的起起始始地地址址（栈栈底底层层）。当当数数据据推推入入栈栈区区后后, SP的的值值也也自自动动随随之之变变化化。MCS - 51 系系统统复复位

15、位后后, SP初始化为初始化为07H。 2021/3/1021 6. 数据指针寄存器数据指针寄存器DPTR 数数据据指指针针DPTR是是一一个个 16 位位的的专专用用寄寄存存器器, 其其高高位位字字节节寄寄存存器器用用DPH表表示示,低低位位字字节节寄寄存存器器用用DPL表表示示。既既可可作作为为一一个个 16 位位寄寄存存器器DPTR来来处处理理, 也也可可作作为为两两个个独独立立的的 8 位位寄寄存存器器DPH和和DPL来来处理。处理。 DPTR 主主要要用用来来存存放放 16 位位地地址址, 当当对对 64 KB外外部部数数据据存存储储器器空空间间寻寻址址时时, 作作为为间间址址寄寄存

16、存器器用用。在在访问程序存储器时访问程序存储器时, 用作基址寄存器。用作基址寄存器。 2021/3/10222.4 存储器的结构存储器的结构 图图 2.4 MCS - 51 单片机的存储器结构单片机的存储器结构 2021/3/1023 1. 程序存储器程序存储器对对于于8051来来说说, 程程序序存存储储器器（ROM）的的内内部部地地址址为为 0000H0FFFH, 共共 4 KB; 外外部部地地址址为为 1000HFFFFH, 共共 60 KB。 当当程程序序计计数数器器由由内内部部 0FFFH执执行行到到外外部部 1000H 时时, 会会自自动动跳跳转转。对对于于 8751 来来说说, 内

17、内部部有有 4 KB的的EPROM, 将将它它作作为为内内部部程程序序存存储储器器; 8031 内内部部无无程程序序存存储储器器, 必必须须外外接接程程序序存存储储器器。 8031 最最多多可可外外扩扩 64 KB程程序序存存储储器器, 其其中中 6 个个单单元元地地址址具具有有特特殊殊用用途途, 是是保保留留给给系系统统使使用用的的。0000H是是系系统统的的启启动动地地址址, 一一般般在在该该单单元元中中存存放放一一条条绝绝对对跳跳转转指指令令。0003H、000BH、 000BH、001BH和和 0023H对应对应 5 种中断源的中断服务入口地址。种中断源的中断服务入口地址。 2021/

18、3/1024 2. 内部数据存储器内部数据存储器MCS-51 单单片片机机片片内内RAM的的配配置置如如图图 2.4（b）所所示示。片片内内RAM为为 256 字字节节, 地地址址范范围围为为00HFFH, 分分为为两两大大部部分分: 低低 128 字字节节（00H7FH）为为真真正正的的RAM区区; 高高 128 字字节节（80HFFH）为特殊功能寄存器区）为特殊功能寄存器区SFR。 在在低低 128 字字节节RAM中中, 00H1FH共共 32 单单元元是是 4 个个通通用用工工作作寄寄存存器器区区。每每一一个个区区有有 8 个个通通用用寄寄存存器器R0R7。寄寄存存器器和和RAM地址对应

19、关系如表地址对应关系如表 2.4。 2021/3/1025表表 2.4 寄存器与寄存器与RAM 地址对照表地址对照表2021/3/1026表表 2.5 RAM中的位寻址区地址表中的位寻址区地址表2021/3/10272021/3/1028表表 2.6 SFR特殊功能寄存器地址表特殊功能寄存器地址表2021/3/1029表表 2.6 SFR特殊功能寄存器地址表特殊功能寄存器地址表2021/3/1030表表 2.6 SFR特殊功能寄存器地址表特殊功能寄存器地址表 2021/3/1031 3. 外部数据存储器外部数据存储器外外部部数数据据存存储储器器一一般般由由静静态态RAM构构成成，其其容容量量大

20、大小小由由用用户户根根据据需需要要而而定定, 最最大大可可扩扩展展到到 64 KB RAM , 地地址址是是 0000H0FFFFH。 CPU通通过过MOVX指指令令访访问问外外部部数数据据存存储储器器, 用用间间接接寻寻址址方方式式, R0、R1和和 DPTR都都可可作作间间接接寄寄存存器器。注注意意, 外外部部RAM和和扩扩展展的的I/O接接口口是是统统一一编编址址的的, 所所有有的的外外扩扩I/O口口都都要占用要占用 64 KB中的地址单元。中的地址单元。 2021/3/10322.6 单片机的引脚及其功能单片机的引脚及其功能 图图 2.6 MCS - 51单片机引脚及总线结构单片机引脚

21、及总线结构(a) 管脚图；管脚图； (b) 8031 引脚功能分类引脚功能分类 2021/3/1033(1)ALE/PROG(30脚)：地址锁存有效信号输出端。ALE在每个机器周期内输出两个脉冲。在访问片外程序存储器期间，下降沿用于控制锁存P0输出的低8位地址；在不访问片外程序存储器期间，可作为对外输出的时钟脉冲或用于定时目的。但要注意，在访问片外数据存储器期间，ALE脉冲会跳空一个，此时作为时钟输出就不妥了。对于片内含有EPROM的机型，在编程期间，该引脚用作编程脉冲PROG的输入端。2021/3/1034(2)PSEN(29脚)：片外程序存储器读选通信号输出端，低电平有效。当从外部程序存储

22、器读取指令或常数期间，每个机器周期该信号两次有效，以通过数据总线P0口读回指令或常数。在访问片外数据存储器期间，PSEN信号将不出现。(3)RST/VPD(9脚)：RST即为RESET，VPD为备用电源。该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平，就可实现复位操作，使单片机回复到初始状态。上电时，考虑到振荡器有一定的起振时间，该引脚上高电平必须持续10ms以上才能保证有效复位。当VCC发生故障，降低到低电平规定值或掉电时，该引脚可接上备用电源VPD(+5V)为内部RAM供电，以保证RAM中的数据不丢失。2021/3/10352.5 并行输入

23、并行输入/输出接口输出接口 图图 2.5 P0 口内部一位结构图口内部一位结构图 1. P0口口 2021/3/10362. P1、P2和和P3口口 P1、P2 和和P3 口口为为准准双双向向口口, 在在内内部部差差别别不不大大, 但但使使用用功功能能有所不同。有所不同。 P1口口是是用用户户专专用用 8 位位准准双双向向I/O口口, 具具有有通通用用输输入入/输输出出功功能能, 每每一一位位都都能能独独立立地地设设定定为为输输入入或或输输出出。当当有有输输出出方方式式变变为为输输入入方方式式时时, 该该位位的的锁锁存存器器必必须须写写入入“1”, 然然后后才才能能进进入入输输入入操作。操作。

24、 P2口口是是 8 位位准准双双向向I/O口口。外外接接I/O设设备备时时, 可可作作为为扩扩展展系系统统的的地地址址总总线线, 输输出出高高8位位地地址址, 与与P0 口口一一起起组组成成 16 位位地地址址总总线线。 对对于于 8031 而而言言, P2 口口一一般般只只作作为为地地址址总总线线使使用用, 而而不不作作为为I/O线直接与外部设备相连。线直接与外部设备相连。 2021/3/1037表表 2.7 P3口的第二功能口的第二功能 2021/3/1038说明：说明：1. 各各个个端端口口引引脚脚在在作作输输入入口口之之前前，都都要要先先向向对对应应的的口寄存器中写口寄存器中写“1”，

25、不然不能作输入口用。，不然不能作输入口用。2. P0口口内内部部没没有有上上拉拉电电阻阻（其其他他都都有有），所所以以作作通通用用IO口口用用时时为为“开开漏漏”输输出出，必必须须外外加加上上拉拉电电阻阻。在在作作总总线线使使用用时时不不需需要要加加上上拉拉。其其他他的的口口可可加加可可不不加加。 （上上拉拉电电阻阻的的阻阻值值确确定定，5.1K或或者者4.7K都都可可以以）。3. P3口作第二功能使用时，相应的口锁存器必须为口作第二功能使用时，相应的口锁存器必须为 “1” 状态。状态。4. 如果使用了外部存储器，不要再写如果使用了外部存储器，不要再写P0口。口。2021/3/10392.7

26、单片机工作的基本时序单片机工作的基本时序 所所谓谓时时序序就就是是CPU总总线线信信号号在在时时间间上上的的顺顺序关系。序关系。 CPU控控制制器器实实际际上上是是复复杂杂的的同同步步时时序序电电路路，所所有有的的工工作作都都是是在在时时钟钟信信号号的的控控制制下下进进行行的的。每每执执行行一一条条指指令令，CPU控控制制器器都都要要发发出出一一系系列列特特定定的的控控制制信信号号，这这些些控控制制信信号号在在时时间间上上的的相相互关系就是互关系就是CPU的时序。的时序。 一一个个单单片片机机系系统统要要想想正正常常工工作作，除除了了要要做做到到电电平平匹匹配配、功功率率匹匹配配外外，还还要要

27、做做到到时时序序匹匹配配。2021/3/1040 1. 机器周期和指令周期机器周期和指令周期 （1） 振振荡荡周周期期: 也也称称时时钟钟周周期期, 是是指指为为单单片片机机提提供供时时钟钟脉脉冲信号的振荡源的周期。冲信号的振荡源的周期。 （2） 状状态态周周期期: 每每个个状状态态周周期期为为时时钟钟周周期期的的 2 倍倍, 是是振振荡荡周期经二分频后得到的。周期经二分频后得到的。 （3） 机机器器周周期期: 一一个个机机器器周周期期包包含含 6 个个状状态态周周期期S1S6, 也也就就是是 12 个个时时钟钟周周期期。 在在一一个个机机器器周周期期内内, CPU可可以以完完成成一一个个独立

28、的操作。独立的操作。 （4） 指指令令周周期期: 它它是是指指CPU完完成成一一条条操操作作所所需需的的全全部部时时间间。 每每条条指指令令执执行行时时间间都都是是有有一一个个或或几几个个机机器器周周期期组组成成。MCS - 51 系统中系统中, 有单周期指令、双周期指令和四周期指令。有单周期指令、双周期指令和四周期指令。 2021/3/10412. MCS - 51 指令的取指指令的取指/执行时序执行时序 图图2.7 MCS - 51 单单片片机机取取指指/执执行行时时序序2021/3/10423. 访问外部访问外部ROM的时序（）的时序（） 图图 2.8 读外部程序读外部程序ROM时序时序 2021/3/1043图图 2 - 9 读外部数据读外部数据RAM时序时序 2021/3/1044图图 2.10 写外部数据写外部数据RAM的时序的时序 2021/3/1045作业：作业：P32 3、5、7 题题 2021/3/1046