51單片機硬件結構

1、 本章將詳細介紹本章將詳細介紹MCS-51MCS-51系列單片機的內(nèi)部系列單片機的內(nèi)部硬件結構、引腳定義、存儲器配置、輸入硬件結構、引腳定義、存儲器配置、輸入/ /輸出輸出端口、復位和時鐘電路、工作模式等內(nèi)容。端口、復位和時鐘電路、工作模式等內(nèi)容。 l 2.1 2.1 內(nèi)部總體結構內(nèi)部總體結構l 2.2 2.2 引腳定義與功能引腳定義與功能l 2.3 2.3 存儲器配置存儲器配置 l 2.4 2.4 輸入輸入/ /輸出接口輸出接口 l 2.5 2.5 時鐘電路與時序時鐘電路與時序 l 2.6 2.6 復位和復位電路復位和復位電路l 2.7 2.7 工作方式工作方式 2.1 內(nèi)部總體結構內(nèi)部總體

2、結構5151子系列單片機的主要特點為：子系列單片機的主要特點為：l 1 1個個CPUCPU，1 1個片內(nèi)振蕩器及時鐘電路；個片內(nèi)振蕩器及時鐘電路；l 4KBROM4KBROM，128BRAM128BRAM；l 2121個特殊功能寄存器；個特殊功能寄存器； l 3232條可編程的條可編程的I/OI/O線（線（4 4個個8 8位并行位并行I/OI/O接口）；接口）；l 可尋址可尋址64KB64KB外部數(shù)據(jù)存儲器和外部數(shù)據(jù)存儲器和64KB64KB外部程序存外部程序存 儲器的控制電路；儲器的控制電路；l 2 2個個1616位定時位定時/ /計數(shù)器；計數(shù)器；l 5 5個中斷源、個中斷源、2 2個優(yōu)先級嵌

3、套中斷結構；個優(yōu)先級嵌套中斷結構；l 1 1個可編程全雙工串行接口；個可編程全雙工串行接口；l 1 1個有位尋址功能、適于邏輯運算的位處理機。個有位尋址功能、適于邏輯運算的位處理機。51系列單片機的內(nèi)部基本結構系列單片機的內(nèi)部基本結構l 中央處理器中央處理器CPU CPU 其主要由運算電路和控制電路兩大部分組成。其主要由運算電路和控制電路兩大部分組成。1. 1. 運算電路以算術邏輯單元運算電路以算術邏輯單元ALUALU為核心，包括累為核心，包括累 加器加器ACCACC、寄存器、寄存器B B、程序狀態(tài)字、程序狀態(tài)字PSWPSW和兩個暫存和兩個暫存寄存器寄存器TMPTMP等。等。 運算電路的基本結

4、構如圖所示。運算電路的基本結構如圖所示。 基本組成及功能：基本組成及功能：l 中央處理器中央處理器CPUCPU 控制電路是保證單片機各部分能在程序運行過控制電路是保證單片機各部分能在程序運行過程中自動而協(xié)調(diào)工作的指揮樞紐，其核心部分是指程中自動而協(xié)調(diào)工作的指揮樞紐，其核心部分是指令地址的計算、取指和指令譯碼。主要包括程序計令地址的計算、取指和指令譯碼。主要包括程序計數(shù)器數(shù)器PCPC、PCPC加加1 1寄存器（寄存器（PCPC增量）、指令譯碼器、增量）、指令譯碼器、定時與控制電路等。運算電路的基本結構如圖。定時與控制電路等。運算電路的基本結構如圖。 基本組成及功能：基本組成及功能：l 位處理器位

5、處理器l 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器RAMRAMl 內(nèi)部程序存儲器內(nèi)部程序存儲器ROMROMl 定時定時/ /計數(shù)器計數(shù)器l 并行并行I/OI/O口口l 串行口串行口l 中斷控制系統(tǒng)中斷控制系統(tǒng) l 時鐘電路時鐘電路l 總線總線 基本組成及功能：基本組成及功能：MCS-51MCS-51單片機內(nèi)部整體結構原理圖單片機內(nèi)部整體結構原理圖 2.2 引腳定義與功能引腳定義與功能MCS-51系列單片機引腳功能及總線結構系列單片機引腳功能及總線結構各引腳的定義和功能各引腳的定義和功能l 主電源引腳主電源引腳 VccVcc（4040腳）：一般接腳）：一般接+5V+5V電源正端。電源正端。 VssVss（2

6、020腳）：一般接腳）：一般接+5V+5V電源地端。電源地端。 l 外接晶體振蕩器引腳外接晶體振蕩器引腳 XTAL1XTAL1（1919腳）腳） ：外接晶體振蕩器的一端。：外接晶體振蕩器的一端。 XLAT2XLAT2（1818腳）：外接晶體振蕩器的另一端。腳）：外接晶體振蕩器的另一端。 2.2 引腳定義與功能引腳定義與功能l 控制線控制線 RST/VPDRST/VPD（9 9腳）：復位腳）：復位/ /備用電源線。備用電源線。 ALE/ ALE/ （3030腳）：地址鎖存允許腳）：地址鎖存允許/ /編程線編程線 （2929腳）：片外程序存儲器讀選通信號腳）：片外程序存儲器讀選通信號輸出端，低電平

7、有效。輸出端，低電平有效。 /VPP/VPP（3131腳）：片外程序存儲器選用端，腳）：片外程序存儲器選用端，低電平有效。低電平有效。 PROGPSENEA2.2 引腳定義與功能引腳定義與功能l 輸入輸入/ /輸出口輸出口 P0P0口（口（39323932腳）：輸入腳）：輸入/ /輸出線輸出線P0.0P0.7P0.0P0.7統(tǒng)稱為統(tǒng)稱為P0P0口?？?。 P1P1口口 （1818腳）：輸入腳）：輸入/ /輸出線輸出線P1.0P1.7P1.0P1.7統(tǒng)稱統(tǒng)稱 為為P1P1口。口。 P2P2口口 （21282128腳）腳） ：輸入：輸入/ /輸出線輸出線P2.0P2.7P2.0P2.7統(tǒng)稱為統(tǒng)稱為P

8、2P2口?？?。 P3P3口口 （10171017腳）腳） ：輸入：輸入/ /輸出線輸出線P3.0P3.7P3.0P3.7統(tǒng)稱為統(tǒng)稱為P3P3口?？?。 2.2 引腳定義與功能引腳定義與功能引腳第二功能說 明P3.0RXD 串行口輸入端P3.1TXD 串行口輸出端P3.2 外部中斷0請求輸入P3.3 外部中斷1請求輸入P3.4T0 定時器/計數(shù)器0計數(shù)脈沖輸入P3.5T1 定時器/計數(shù)器1計數(shù)脈沖輸入P3.6 外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通信號輸出P3.7 外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通信號輸出P3P3口的第二功能表口的第二功能表INT1INT0WRRD2.2 引腳定義與功能引腳定義與功能2.3 存儲器配置存儲器配置

9、 微型計算機的存儲器地址空間有兩種結構微型計算機的存儲器地址空間有兩種結構形式：普林斯頓結構和哈佛結構。形式：普林斯頓結構和哈佛結構。l 普林斯頓結構是將數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲普林斯頓結構是將數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器空間合二為一，一個地址對應唯一的一個存器空間合二為一，一個地址對應唯一的一個存儲器單元，儲器單元，CPUCPU訪問訪問ROMROM和和RAMRAM使用相同的使用相同的指令；指令；l 哈佛結構是將哈佛結構是將ROMROM和和RAMRAM分別安排在兩分別安排在兩個不同的地址空間，個不同的地址空間，ROMROM和和RAMRAM可以有相同可以有相同的地址，的地址，CPUCPU訪問訪問ROMRO

10、M和和RAMRAM使用的是不同使用的是不同的指令。的指令。 MCS51單片機存儲器結構單片機存儲器結構2.3.1 程序存儲器程序存儲器 程序存儲器用于存放編好的程序和表格常程序存儲器用于存放編好的程序和表格常數(shù)，它由只讀存儲器數(shù)，它由只讀存儲器ROMROM或或EPROMEPROM或或FLASHFLASH組成。程序存儲器以程序計數(shù)器組成。程序存儲器以程序計數(shù)器PCPC作為地址指作為地址指針，通過針，通過1616位地址總線，可尋址位地址總線，可尋址64KB64KB的地址的地址空空間。間。 l 編址與訪問編址與訪問l 程序的程序的7個特殊入口地址個特殊入口地址MCS-51MCS-51單片機復位、中斷

11、入口地址單片機復位、中斷入口地址 入口地址入口地址 用途用途0000H 0000H 復位操作后的程序入口復位操作后的程序入口0003H0003H外部中斷外部中斷0 0服務程序入口服務程序入口000BH 000BH 定時器定時器0 0中斷服務程序入口中斷服務程序入口0013H0013H外部中斷外部中斷1 1服務程序入口服務程序入口001BH 001BH 定時器定時器1 1中斷服務程序入口中斷服務程序入口0023H 0023H 串行口中斷服務程序入口串行口中斷服務程序入口002BH002BH定時器定時器2 2中斷服務程序入口（中斷服務程序入口（89C5289C52）2.3.1 程序存儲器程序存儲器

12、 MCS-51 MCS-51單片機具有擴展單片機具有擴展64KB64KB外部數(shù)據(jù)存儲器外部數(shù)據(jù)存儲器RAMRAM和和I/OI/O端口的能力，外部數(shù)據(jù)存儲器和端口的能力，外部數(shù)據(jù)存儲器和I/OI/O端口端口實行統(tǒng)一編址，并使用相同的控制信號、相同的訪實行統(tǒng)一編址，并使用相同的控制信號、相同的訪問指令問指令MOVXMOVX和相同的尋址方式。和相同的尋址方式。 片外數(shù)據(jù)存儲器按片外數(shù)據(jù)存儲器按1616位編址時，其地址空間與位編址時，其地址空間與程序存儲器重疊，但不會引起混亂，訪問程序存儲程序存儲器重疊，但不會引起混亂，訪問程序存儲器是用器是用 信號選通，而訪問片外數(shù)據(jù)存儲器時，信號選通，而訪問片外數(shù)

13、據(jù)存儲器時，由由 信號（讀）和信號（讀）和 信號（寫）選通。訪問程序信號（寫）選通。訪問程序存儲器使用的是存儲器使用的是MOVCMOVC指令，訪問片外數(shù)據(jù)存儲器指令，訪問片外數(shù)據(jù)存儲器使用的是使用的是MOVXMOVX指令和寄存器間接尋址指令。指令和寄存器間接尋址指令。2.3.2 外部數(shù)據(jù)存儲器外部數(shù)據(jù)存儲器PSENRDWR2.3.3 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器l 工作寄存器區(qū)（工作寄存器區(qū)（00H1FH 00H1FH ） 工作寄存器組的選擇表工作寄存器組的選擇表 如下圖所示。如下圖所示。 片內(nèi)通用片內(nèi)通用RAMRAM區(qū)區(qū)分為工作寄存器區(qū)、位分為工作寄存器區(qū)、位尋址區(qū)、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)尋址區(qū)、數(shù)據(jù)緩

14、沖區(qū)3 3個區(qū)域。個區(qū)域。PSW.4（RS1）PSW.3（RS0）當前使用的工作寄存器組R0R7000組（00H07H）011組（08H0FH）102組（10H17H）113組（18H1FH）l 位尋址區(qū)位尋址區(qū) 20H2FH20H2FH單元是位尋址區(qū)。這單元是位尋址區(qū)。這1616個單元（共個單元（共計計16168=1288=128位）的每一位都有對應的位地址位位）的每一位都有對應的位地址位地址范圍為地址范圍為00H7FH00H7FH。l 通用通用RAMRAM區(qū)區(qū) 30H7FH30H7FH是通用是通用RAMRAM區(qū)，共區(qū)，共8080個單元，一個單元，一般用于存儲用戶數(shù)據(jù)般用于存儲用戶數(shù)據(jù), ,

15、 也稱用戶也稱用戶RAMRAM區(qū)。區(qū)。 2.3.3 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器l 堆棧和堆棧指針堆棧和堆棧指針 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)08H入棧示意圖。入棧示意圖。 堆棧是一個特殊的堆棧是一個特殊的RAMRAM區(qū)，用來暫存數(shù)據(jù)區(qū)，用來暫存數(shù)據(jù)和地址，它是按和地址，它是按“先進后出先進后出”或或“后進先出后進先出”的的原則存取數(shù)據(jù)的，堆棧有入棧和出棧兩種操作。原則存取數(shù)據(jù)的，堆棧有入棧和出棧兩種操作。以數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)08H08H出棧入棧為例。出棧入棧為例。 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)08H出棧示意圖出棧示意圖 l 堆棧和堆棧指針堆棧和堆棧指針2.3.4 特殊功能寄存器特殊功能寄存器 特殊功能寄存器（簡稱特殊功能寄存器（簡稱SFR

16、），也稱為專用），也稱為專用寄存器，用于控制、管理片內(nèi)算術邏輯部件、并寄存器，用于控制、管理片內(nèi)算術邏輯部件、并行行I/O口、串行口、串行I/O口、定時器口、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等特殊功能模塊的工作。等特殊功能模塊的工作。 特殊功能寄存器名稱、表示符、地址、復位狀態(tài)一覽表特殊功能寄存器名稱、表示符、地址、復位狀態(tài)一覽表 特殊功能寄存器名稱、表示符、地址、復位狀態(tài)一覽表特殊功能寄存器名稱、表示符、地址、復位狀態(tài)一覽表 特殊功能寄存器名稱、表示符、地址、復位狀態(tài)一覽表特殊功能寄存器名稱、表示符、地址、復位狀態(tài)一覽表 程序狀態(tài)字（程序狀態(tài)字（PSW）l 進位標志位進位標志位C C

17、l 輔助進輔助進/ /借位（或稱半進位）標志位借位（或稱半進位）標志位AC AC l 用戶自定義標志位用戶自定義標志位F0 F0 l 工作寄存器組選擇位工作寄存器組選擇位RS1RS1、RS0 RS0 l 溢出標志位溢出標志位OV OV l 奇偶標志位奇偶標志位P P 2.3.4 特殊功能寄存器特殊功能寄存器2.4 輸入輸出接口輸入輸出接口 單片機內(nèi)部有單片機內(nèi)部有P0P0、P1P1、P2P2和和P3P3共共4 4個個8 8位雙位雙向向I/OI/O口?？?。 P0P3P0P3的每個端口可按字節(jié)輸入或輸?shù)拿總€端口可按字節(jié)輸入或輸出，也可按位進行輸入或輸出，共出，也可按位進行輸入或輸出，共3232根口

18、線，對根口線，對于需要位控制的場合使用十分方便。于需要位控制的場合使用十分方便。P0P0為三態(tài)雙為三態(tài)雙向口，能驅(qū)動向口，能驅(qū)動8 8個個TTLTTL電路；電路；P1P3P1P3為準雙向口，為準雙向口，負載能力為負載能力為4 4個個TTLTTL電路。如果外設需要的驅(qū)動電路。如果外設需要的驅(qū)動電流大，可加接驅(qū)動器。電流大，可加接驅(qū)動器。2.4.1 P0口口l P0 P0口結構口結構 P0P0口有位，每一位由一個鎖存器、兩個三口有位，每一位由一個鎖存器、兩個三態(tài)輸入緩沖器以及控制電路和驅(qū)動電路組成，其態(tài)輸入緩沖器以及控制電路和驅(qū)動電路組成，其位結構如圖所示。位結構如圖所示。l 地址地址/ /數(shù)據(jù)分

19、時復用功能數(shù)據(jù)分時復用功能P0P0口作為地址口作為地址/ /數(shù)據(jù)分時復用使用時的邏輯關系示意圖數(shù)據(jù)分時復用使用時的邏輯關系示意圖2.4.1 P0口口l通用通用I/O接口功能接口功能P0P0口作為通用口作為通用I/OI/O口使用時的邏輯關系示意圖口使用時的邏輯關系示意圖 2.4.1 P0口口l 端口操作端口操作MCS-51MCS-51單片機有不少指令可直接進行端口操作，單片機有不少指令可直接進行端口操作，例如：例如： ANL P0ANL P0，A A ；（；（P0P0）（P0P0）（A A） ORL P0ORL P0，#data #data ；（；（P0P0）（P0P0）datadata DEL

20、 P0 DEL P0 ；（；（P0P0）（P0P0）-1 -12.4.1 P0口口 綜上所述，綜上所述，P0口在有外部擴展存儲器時被口在有外部擴展存儲器時被作為地址作為地址/數(shù)據(jù)總線口，此時是一個真正的雙向數(shù)據(jù)總線口，此時是一個真正的雙向口；在沒有外部擴展存儲器時，口；在沒有外部擴展存儲器時，P0口作為通用口作為通用的的I/O接口，但此時只是一個準雙向口，在輸入接口，但此時只是一個準雙向口，在輸入數(shù)據(jù)時，應先向端口寫入數(shù)據(jù)時，應先向端口寫入1，在輸出數(shù)據(jù)時，必，在輸出數(shù)據(jù)時，必須外接上拉電阻才能正常輸出高電平。另外，須外接上拉電阻才能正常輸出高電平。另外，P0口的輸出級具有驅(qū)動口的輸出級具有驅(qū)

21、動8個個TTL門的負載能力，門的負載能力，即輸出電流不大于即輸出電流不大于800A。2.4.1 P0口口2.4.2 P1口口l P1P1口的位結構口的位結構 P1P1口是一個專用的口是一個專用的8 8位準雙向位準雙向I/OI/O口，只具有通口，只具有通 用輸入用輸入/ /輸出口功能（對輸出口功能（對5151子系列）子系列） ，每一位都，每一位都 能設定為輸入或能設定為輸入或 輸出，它的位結構如圖。輸出，它的位結構如圖。2.4.3 P2口口 P2P2口的位結構口的位結構 P2P2具有通用具有通用I/OI/O接口或高接口或高8 8位地址總線輸出兩位地址總線輸出兩種功能，所以同種功能，所以同P0P0

22、口類似，其電路結構中有一個口類似，其電路結構中有一個多路轉(zhuǎn)換開關多路轉(zhuǎn)換開關MUXMUX。 2.4.4 P3口口 P3P3口除了可作為通用準雙向口除了可作為通用準雙向I/OI/O接口外，每一接口外，每一根口線還具有第二功能。根口線還具有第二功能。 P3P3口位結構口位結構2.5 時鐘電路與時序時鐘電路與時序 MCS-51MCS-51單片機本身是一個復雜的同步時序電單片機本身是一個復雜的同步時序電路，為保證同步工作方式的實現(xiàn)，路，為保證同步工作方式的實現(xiàn)，MCS-51MCS-51單片機單片機在唯一的時鐘信號控制下，嚴格地按時序執(zhí)行指在唯一的時鐘信號控制下，嚴格地按時序執(zhí)行指令。在執(zhí)行指令時，令。

23、在執(zhí)行指令時，CPUCPU以時鐘電路的主振頻率以時鐘電路的主振頻率為基準發(fā)出為基準發(fā)出CPUCPU的時序，對指令進行譯碼，并由的時序，對指令進行譯碼，并由時序電路產(chǎn)生一系列控制信號去完成指令所規(guī)定時序電路產(chǎn)生一系列控制信號去完成指令所規(guī)定的操作。這些控制信號在時間上的相互關系就是的操作。這些控制信號在時間上的相互關系就是CPUCPU時序。時序。 CPUCPU產(chǎn)生的時序信號有兩類：一類用于片內(nèi)產(chǎn)生的時序信號有兩類：一類用于片內(nèi)各功能部件的控制各功能部件的控制 ；另一類用于片外存儲器或；另一類用于片外存儲器或I/OI/O端口的控制端口的控制 。2.5.1 時鐘電路時鐘電路 MCS-51MCS-51

24、單片機的時鐘信號產(chǎn)生通常有兩種方單片機的時鐘信號產(chǎn)生通常有兩種方式：內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。式：內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。 內(nèi)部時鐘方式內(nèi)部時鐘方式 外部時鐘方式外部時鐘方式2.5.2 單片機的時序單位單片機的時序單位單片機的時序單位有以下幾種。單片機的時序單位有以下幾種。l 時鐘周期時鐘周期l 機器周期機器周期l 指令周期指令周期各時序單位的關系各時序單位的關系2.6 復位和復位電路復位和復位電路l 復位操作復位操作 MCS-51MCS-51單片機復位狀態(tài)表單片機復位狀態(tài)表 寄存器復位狀態(tài)寄存器復位狀態(tài)PC0000HTMOD00HA00HTCON(T2CON)00HB00HTH000H

25、PSW00HTL000HSP07HTH100HDPTR0000HTL100HP0P3FFHSCON00HIPxxx00000BSBUFxxxxxxxxBIE0 xx00000BPCON0 xxx0000Bl 復位電路復位電路 與其它計算機一樣，與其它計算機一樣，MCS-51MCS-51單片機系統(tǒng)通常有單片機系統(tǒng)通常有上電復位和按鍵復位兩種方式。上電復位和按鍵復位兩種方式。 最簡單的一種上電復位及按鍵復位電路如圖。最簡單的一種上電復位及按鍵復位電路如圖。 2.6 復位和復位電路復位和復位電路2.7 工作方式工作方式 MCS-51MCS-51系列單片機中，系列單片機中，80518051及及80C5180C51的工的工作方式有：復位方式、程序執(zhí)行方式、掉電方式作方式有：復位方式、程序執(zhí)行方式、掉電方式、低功耗方式以及、低功耗方式以及EPROMEPROM編程和校驗方式。單編程和校驗方式。單片機不同的工作方式，代表單片機處于不同的狀片機不同的工作方式，代表單片機處于不同的狀態(tài)。單片機工作方式的多少，是衡量