單片機(jī)的體系結(jié)構(gòu)

會(huì)計(jì)學(xué)1單片機(jī)的體系結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)要點(diǎn)：

(1)8051單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、功能部件；

(2)8051單片機(jī)引腳名稱(chēng)、功能和三總線信號(hào)；

(3)單片機(jī)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)、編址、特殊功能寄存器；

(4)單片機(jī)工作時(shí)序、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路；

(5)單片機(jī)I/O的結(jié)構(gòu)功能特點(diǎn)；

(6)單片機(jī)的工作模式。

第1頁(yè)/共63頁(yè)18051單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)八大功能部件：（1）微處理器（8位CPU）（2）程序存儲(chǔ)器（ROM、EPROM或Flash等）（3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM、E2PROM）（4）四個(gè)8位并行可編程I/O端口（P0、P1、P2、P3）（5）一個(gè)串行口（UART）（6）兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（T0/T1）（7）中斷系統(tǒng)（含５～8個(gè)中斷源、2個(gè)優(yōu)先級(jí)）（8）特殊功能寄存器（SFR）

第2頁(yè)/共63頁(yè)

還包含：時(shí)鐘振蕩器、總線控制器和供電電源此外，有的還有其它功能部件，如：

A/D、D/APWM、PCAWDTSPI、I2C、ISP、IAP第3頁(yè)/共63頁(yè)8051單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

第4頁(yè)/共63頁(yè)28051單片機(jī)芯片引腳功能單片機(jī)芯片雙列直插封裝方式引腳圖

第5頁(yè)/共63頁(yè)28051單片機(jī)芯片引腳功能單片機(jī)芯片方形封裝方式引腳圖

第6頁(yè)/共63頁(yè)28051單片機(jī)芯片引腳功能單片機(jī)芯片引腳功能1．主電源引腳（1）GND接地（2）VCC正常操作時(shí)為十5V電源。2．時(shí)鐘電路引腳（1）XTAL1：（2）XTAL2：第7頁(yè)/共63頁(yè)3．控制線與電源復(fù)用引腳（1）RST/VPD：RST是復(fù)位信號(hào)，高電平有效。

VPD為第二功能，即備用電源輸入端。（2）ALE/PROG：ALE為地址鎖存允許信號(hào)輸出引腳。

PROG為編程信號(hào)，第二功能，低電平有效。（3）PSEN：片外ROM選通信號(hào)輸出端，低電平有效。（4）EA／VPP：EA為內(nèi)部和外部ROM控制端

當(dāng)EA＝1時(shí)，從內(nèi)ROM開(kāi)始訪問(wèn)當(dāng)EA＝0時(shí)，只訪問(wèn)外部ROM

VPP是編程電源輸入端第8頁(yè)/共63頁(yè)4．并行輸入/輸出引腳（1）P0口：P0.0～P0.7統(tǒng)稱(chēng)為P0口（2）P1口：P1.0～P1.7統(tǒng)稱(chēng)為P1口（3）P2口：P2.0～P2.7統(tǒng)稱(chēng)為P2口（4）P3口：P3.0～P3.7統(tǒng)稱(chēng)為P3口

P3口每一位可用作第二功能，而且P3口的每一條引腳都可以獨(dú)立設(shè)置為第一功能的I/O口功能和第二功能。第9頁(yè)/共63頁(yè)38051中央處理器

單片機(jī)的CPU是完整的1位微計(jì)算機(jī)。這個(gè)1位微計(jì)算機(jī)包含CPU、位寄存器、I/O口和指令集。

CPU內(nèi)部包含：

1、運(yùn)算器

2、控制器

3、存儲(chǔ)器。第10頁(yè)/共63頁(yè)3.1運(yùn)算器

運(yùn)算器包含：

1.算術(shù)邏輯運(yùn)算單元ALU---算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算

2.累加器A---相當(dāng)于數(shù)據(jù)加工廠

3.位處理器---位運(yùn)算

4.BCD碼修正電路---十進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算處理

5.PSW---記錄程序運(yùn)行狀態(tài)第11頁(yè)/共63頁(yè)3.2控制器

單片機(jī)的指揮部件，主要任務(wù)是識(shí)別指令，控制各功能部件，保證各部分有序工作。主要包括指令寄存器、指令譯碼器、程序計(jì)數(shù)器、程序地址寄存器、條件轉(zhuǎn)移邏輯電路、時(shí)序控制邏輯電路。

第12頁(yè)/共63頁(yè)1、指令、指令譯碼及控制器指令---就是完成某項(xiàng)操作的命令。指令譯碼---對(duì)指令進(jìn)行解析和翻譯控制器---發(fā)出相應(yīng)的控制信息，指揮運(yùn)算器和存儲(chǔ)器協(xié)同完成指令所要求的操作。例如：下面是單片機(jī)的一條指令：

0010010100110000(A)+(30H)

該指令是加法指令,指令占2字節(jié)第13頁(yè)/共63頁(yè)2、指令集和指令助記符指令譯碼器所能解析系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)規(guī)定的。為直觀表達(dá)，用指令助記符表示。例如，上面的加法指令的助記符為：

ADDA，30H第14頁(yè)/共63頁(yè)3、程序及程序計(jì)數(shù)器PC

什么叫計(jì)算機(jī)程序：為完成一個(gè)完整的運(yùn)算任務(wù)，按照?qǐng)?zhí)行步驟用計(jì)算機(jī)指令編寫(xiě)的指令集合。

執(zhí)行程序指示：地址由PC指示。

執(zhí)行程序時(shí)，在計(jì)算機(jī)控制器的控制下，取指令裝置會(huì)按PC的指向從存儲(chǔ)器中讀出第一條指令并譯碼，執(zhí)行指令所要求的操作。第15頁(yè)/共63頁(yè)3.3程序執(zhí)行過(guò)程執(zhí)行程序線路實(shí)際上按PC的指取指令運(yùn)行，PC就象引路人，稱(chēng)為程序指針。執(zhí)行流程如下圖：第16頁(yè)/共63頁(yè)程序指令取指執(zhí)行過(guò)程1、復(fù)位PC=00002、從PC取指，PC+13、取數(shù)據(jù)4、執(zhí)行指令5、取下一條指令……第17頁(yè)/共63頁(yè)48051單片機(jī)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

8051單片機(jī)存儲(chǔ)器采用哈佛結(jié)構(gòu)：

1、有一根地址和數(shù)據(jù)總線。

2、程序存儲(chǔ)器空間和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間采用獨(dú)立編址。

3、擁有各自的尋址方式和尋址空間。第18頁(yè)/共63頁(yè)4.18051單片機(jī)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)8051單片機(jī)存儲(chǔ)器從物理結(jié)構(gòu)上分四種：

1、片內(nèi)程序存儲(chǔ)器（只讀存儲(chǔ)器ROM）

（類(lèi)型：ROM、PROM、EPROM、E2PROM、Flash）

2、片外程序存儲(chǔ)器(類(lèi)型同上)

3、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（讀寫(xiě)存儲(chǔ)器RAM）

(類(lèi)型：SRAM、DRAM、E2PROM、Flash)

4、片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(類(lèi)型同上)第19頁(yè)/共63頁(yè)從尋址空間分布上分三種：程序存儲(chǔ)器、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。從功能作用上可五種：程序存儲(chǔ)器、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、特殊功能寄存器、位地址空間存儲(chǔ)器和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。第20頁(yè)/共63頁(yè)4.18051單片機(jī)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)圖第21頁(yè)/共63頁(yè)4.2程序存儲(chǔ)器：可尋址的地址空間為64KB，從0000H開(kāi)始編址，最大地址可至FFFFH。

用EA信號(hào)選擇片內(nèi)、片外程序存儲(chǔ)器：對(duì)于STC89C51單片機(jī)（片內(nèi)有4KB），編址為0000～0FFFH，EA接高電平，從片內(nèi)0000H開(kāi)始執(zhí)行程序。對(duì)于8031單片機(jī)無(wú)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，EA接低電平，從片外讀取程序執(zhí)行。第22頁(yè)/共63頁(yè)中斷向量：

單片機(jī)至少有5個(gè)中斷地址，在0000～002FH程序存儲(chǔ)器地址之間占5個(gè)特殊地址，被固定用于5個(gè)中斷源的中斷服務(wù)程序入口地址。中斷地址如下：第23頁(yè)/共63頁(yè)4.3片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器1、片內(nèi)RAM編址片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)，128B/256B)，用來(lái)存放程序運(yùn)行時(shí)所需要的常數(shù)或變量。編址如下：51子系列片內(nèi)RAM有128字節(jié)編址為00～7FH

特殊功能寄存器塊有128字節(jié)編址為為80～FFH52子系列片內(nèi)RAM有256字節(jié)低128字節(jié)編址為00～7FH（直接尋址）高128字節(jié)編址為80～FFH（間接尋址）

SFR有128字節(jié)編址為為80～FFH

（間接尋址）第24頁(yè)/共63頁(yè)2、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的劃分

片內(nèi)RAM編址為00～7FH，分工作寄存器區(qū)、位尋址區(qū)、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和堆棧數(shù)據(jù)區(qū)三個(gè)部分。結(jié)構(gòu)如下圖：第25頁(yè)/共63頁(yè)(1)工作寄存器區(qū)從上圖中可以看到，單片機(jī)內(nèi)部RAM的00～1FH區(qū)是R工作寄存器區(qū)，分為四個(gè)組，由RS1、RS0配置選擇：第26頁(yè)/共63頁(yè)(2)位尋址區(qū)內(nèi)部RAM的20H～2FH為位尋址區(qū)域(見(jiàn)表2-4)。這16個(gè)單元(共128位)的位地址編址范圍為00H～7FH。第27頁(yè)/共63頁(yè)(3)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)部RAM的30H～7FH是數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，也稱(chēng)為用戶RAM區(qū)，共80個(gè)單元。

52子系列內(nèi)部有256個(gè)單元的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，用戶RAM區(qū)范圍為30H～FFH，共208個(gè)單元。工作寄存器區(qū)和位尋址區(qū)的地址及單元數(shù)與上述一致。第28頁(yè)/共63頁(yè)3、堆棧和堆棧指針

堆棧的概念：是一種數(shù)據(jù)項(xiàng)按序排列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，采用后進(jìn)先出，這種后進(jìn)先出操作的緩沖器區(qū)稱(chēng)為堆棧。堆棧指針總是指向棧頂。堆棧就好比水桶或手槍中的彈匣，更象一個(gè)裝兵乓球的小圓筒。堆棧的幾個(gè)名詞：

滿堆棧、空堆棧、遞增堆棧和遞減堆棧第29頁(yè)/共63頁(yè)堆棧特點(diǎn)：后進(jìn)先出堆棧有3個(gè)具體功能：

(1)保護(hù)斷點(diǎn)

(2)現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)

(3)臨時(shí)暫存數(shù)據(jù)第30頁(yè)/共63頁(yè)4.4特殊功能寄存器單片機(jī)是通過(guò)特殊功能寄存器（SFR）對(duì)各種功能部件進(jìn)行集中控制。如下表：第31頁(yè)/共63頁(yè)4.5外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器單片機(jī)一般的內(nèi)部RAM只有128B或256B?，F(xiàn)在有大RAM容量單片機(jī)或集成了DataFlash的單片機(jī)。系統(tǒng)需要海量存儲(chǔ)器必須擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器。

擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器方式：（1）并行方式擴(kuò)展（最大64KB）（2）串行方式擴(kuò)展（最大1MB以上）第32頁(yè)/共63頁(yè)存儲(chǔ)器使用總結(jié)如下：

(1)地址有重疊性，用不同的控制命令分開(kāi)。

(2)(RAM)和(ROM)在操作使用上是嚴(yán)格區(qū)分的，不同的操作指令不能混用。

(3)位地址空間有兩個(gè)區(qū)域：

20H～2FH區(qū)和SFR區(qū)

(4)片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器區(qū)中，RAM存儲(chǔ)單元與單片機(jī)外部擴(kuò)展的I/O端口是統(tǒng)一編址的。第33頁(yè)/共63頁(yè)5并行I/O端口

共有4個(gè)8位雙向I/O口，共32口線。每位均有自己的鎖存器(SFR)，輸出驅(qū)動(dòng)器和輸入緩沖器。第34頁(yè)/共63頁(yè)多路開(kāi)關(guān)功能：用于控制選通I/O方式還是地址/數(shù)據(jù)輸出方式方式控制：由內(nèi)部控制信號(hào)產(chǎn)生輸入鎖存器兩個(gè)輸入緩沖器(BUF1和BUF2)推拉式I/O驅(qū)動(dòng)器5.1P0口位圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)BUF2BUF15、P0R2為讀引腳信號(hào)，執(zhí)行“MOVA,P0”時(shí)該信號(hào)有效6、讀引腳（端口）時(shí)，輸出鎖存器應(yīng)為“1”說(shuō)明：1、當(dāng)控制信號(hào)為0時(shí)，P0口做雙向I/O口，為漏極開(kāi)路（三態(tài)）2、控制信號(hào)為1時(shí)，P0口為地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線（用于口擴(kuò)展）3、P0W為端口輸出寫(xiě)信號(hào)，用于鎖存輸出狀態(tài)4、P0R1為讀鎖存器信號(hào)，執(zhí)行“ANLP0,#0FH”時(shí)該信號(hào)有效QQDCVcc控制AD0P0R1

P0R2D0P0W圖1、P0口內(nèi)部結(jié)構(gòu)讀鎖存器讀引腳鎖存器內(nèi)部總線寫(xiě)鎖存器地址/數(shù)據(jù)P00多路開(kāi)關(guān)10第35頁(yè)/共63頁(yè)5.2P1口內(nèi)部結(jié)構(gòu)P1口內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示輸出部分有內(nèi)部上拉電阻R*約為20K。其他部分與P0端口使用相類(lèi)似（讀引腳時(shí)先寫(xiě)入1）。寫(xiě)數(shù)據(jù)讀端口第36頁(yè)/共63頁(yè)5.3P2口內(nèi)部結(jié)構(gòu)2、當(dāng)控制信號(hào)為1時(shí)P2口輸出地址信息，此時(shí)單片機(jī)完成外部的取指操作或?qū)ν獠繑?shù)據(jù)存儲(chǔ)器16位地址的讀寫(xiě)操作。3、當(dāng)P2口作為普通I/O口使用時(shí)用法和P1口類(lèi)似。說(shuō)明：1、P2可以作為通用的I/O，也可以作為高8位地址輸出。第37頁(yè)/共63頁(yè)P(yáng)0.3地址鎖存器CBI/OA15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0D7D6D5D4D3D2D1D0DBABP1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RESETP3.0P3.1P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7VSSVCCP0.0P0.1P0.2P0.5P0.6P0.7EAALEPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0P3.2MCS-51片外總線結(jié)構(gòu)示意圖返回MCS-51單片機(jī)片外總線

P0.4第38頁(yè)/共63頁(yè)返回單片機(jī)

8031P2.0P2.1P2.2A8A9A10ALERD74LS373G6264A7A6A5A4A3A2A1A0O0O1O2O3O4O5O6O7P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7OECEQ0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7D0D1D2D3D4D5D6D7WEWRP2.7P2.3P2.4A11A126264WE單片機(jī)

8031P2.0:.A8..ALERD74LS373GA7..A0P0.0

:P0.7OECEQ0..Q7D0..D7A12P2.4WRD7..D0第39頁(yè)/共63頁(yè)5.4P3口內(nèi)部結(jié)構(gòu)說(shuō)明：1、做普通端口使用時(shí)，第二功能應(yīng)為“1”。2、使用第二功能時(shí)，輸出端口鎖存器應(yīng)為“1”。3、變異功能（）

P3.0TXDP3.4T0P3.1RXDP3.5T1P3.2INT0P3.6WRP3.3INT1P3.7RD1輸出I/O口1讀I/O口11第40頁(yè)/共63頁(yè)5.5P0～P3端口功能總結(jié)使用中應(yīng)注意的問(wèn)題：（1）P0～P3口都是并行I/O口，但P0口和P2口還可用來(lái)構(gòu)建數(shù)據(jù)總線和地址總線，所以電路中有一個(gè)MUX，進(jìn)行轉(zhuǎn)換。（2）而P1口和P3口無(wú)構(gòu)建系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線和地址總線的功能，因此，無(wú)需轉(zhuǎn)接開(kāi)關(guān)MUX。第41頁(yè)/共63頁(yè)（3）只有P0口是一個(gè)真正的雙向口，P1～P3口都是準(zhǔn)雙向口。原因:P0口作數(shù)據(jù)總線使用時(shí)，為保證數(shù)據(jù)正確傳送，需解決芯片內(nèi)外的隔離問(wèn)題，即只有在數(shù)據(jù)傳送時(shí)芯片內(nèi)外才接通；否則應(yīng)處于隔離狀態(tài)。為此，P0口的輸出緩沖器應(yīng)為三態(tài)門(mén)。（4）P3口具有第二功能。因此在P3口電路增加了第二功能控制邏輯。這是P3口與其它各口的不同之處。第42頁(yè)/共63頁(yè)P(yáng)3口的第二功能第43頁(yè)/共63頁(yè)6單片機(jī)時(shí)序與復(fù)位時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所必需的時(shí)鐘控制信號(hào)。6.1時(shí)鐘電路時(shí)鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，電路的質(zhì)量直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常用的時(shí)鐘電路有兩種方式：內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。第44頁(yè)/共63頁(yè)一、內(nèi)部時(shí)鐘方式

內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，其輸入端：XTAL1，輸出端：XTAL2。

C1和C2典型值通常選擇為30pF左右。晶體的振蕩頻率在1.2MHz～12MHz之間。某些高速單片機(jī)芯片的時(shí)鐘頻率已達(dá)40MHz。第45頁(yè)/共63頁(yè)二、外部時(shí)鐘方式

常用于多片單片機(jī)同時(shí)工作。

第46頁(yè)/共63頁(yè)

三、時(shí)鐘信號(hào)的輸出為應(yīng)用系統(tǒng)中的其它芯片提供時(shí)鐘，但需增加驅(qū)動(dòng)能力。

第47頁(yè)/共63頁(yè)6.2機(jī)器周期、指令周期與指令時(shí)序一、時(shí)鐘周期單片機(jī)的基本時(shí)間單位。若時(shí)鐘的晶體的振蕩頻率為fosc，則時(shí)鐘周期Tosc=1/fosc。如fosc=6MHz，Tosc=166.7ns。二、機(jī)器周期CPU完成一個(gè)基本操作所需要的時(shí)間。執(zhí)行一條指令分為幾個(gè)機(jī)器周期。每個(gè)機(jī)器周期完成一個(gè)基本操作。MCS-51單片機(jī)每12個(gè)時(shí)鐘周期為一個(gè)機(jī)器周期，第48頁(yè)/共63頁(yè)一個(gè)機(jī)器周期又分為6個(gè)狀態(tài)：S1～S6。每個(gè)狀態(tài)又分為兩拍：P1和P2。因此，一個(gè)機(jī)器周期中的12個(gè)時(shí)鐘周期表示為：S1P1、S1P2、S2P1、S2P2、…、SP6P1、S6P2第49頁(yè)/共63頁(yè)三、指令周期執(zhí)行一條指令時(shí)，可分為取指令階段和指令執(zhí)行階段。取指令階段，PC中地址送到程序存儲(chǔ)器，并從中取出需要執(zhí)行指令的操作碼和操作數(shù)。指令執(zhí)行階段，對(duì)指令操作碼進(jìn)行譯碼，以產(chǎn)生一系列控制信號(hào)完成指令的執(zhí)行。ALE信號(hào)是為地址鎖存而定義的，以時(shí)鐘脈沖1/6的頻率出現(xiàn)，在一個(gè)機(jī)器周期中，ALE信號(hào)兩次有效（注意，在執(zhí)行訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的指令MOVX時(shí)，將會(huì)丟失一個(gè)ALE脈沖）第50頁(yè)/共63頁(yè)8051X2X1VssTTL外接時(shí)鐘源Vcc時(shí)鐘電路需外接晶振的頻率1.2~12MHZ，C1和C2取30±10PFX1X2C2

C1X

8051振蕩電路S1S2S3S4S5S6S1S2P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2P1P2fosc一個(gè)狀態(tài)周期一個(gè)機(jī)器周期T=12*(1/fosc)X2CPU的時(shí)序（時(shí)鐘周期、狀態(tài)周期、機(jī)器周期）第51頁(yè)/共63頁(yè)若外接晶振為12MHz時(shí)，則單片機(jī)的四個(gè)周期的具體值為：

時(shí)鐘周期＝1/12MHz＝1/12μs＝0.0833μs

狀態(tài)周期＝1/6μs＝0.167μs

機(jī)器周期＝1μs

指令周期＝1～4μs可用于計(jì)算指令、程序的執(zhí)行時(shí)間，以及定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間第52頁(yè)/共63頁(yè)6.3復(fù)位電路單片機(jī)的初始化操作，擺脫死鎖狀態(tài)。

引腳RST加上大于2個(gè)機(jī)器周期（即24個(gè)時(shí)鐘振蕩周期）的高電平就可使MCS-51復(fù)位。