單片機(jī)芯片的硬件結(jié)構(gòu)第二章

單片機(jī)芯片的硬件結(jié)構(gòu)第二章第二章單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)2.1MCS-51單片機(jī)的邏輯結(jié)構(gòu)及信號(hào)引腳2.2MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部存儲(chǔ)器2.3MCS-51單片機(jī)并行輸入/輸出口電路2.4MCS-51單片機(jī)時(shí)鐘電路與時(shí)序2.5MCS-51的工作方式2.1MCS-51單片機(jī)邏輯結(jié)構(gòu)及信號(hào)引腳

頻率基準(zhǔn)源

計(jì)數(shù)器

內(nèi)部總線

中斷

中斷

控制

并行I/O口

串行輸入/輸出

振蕩器及定時(shí)電路4K/8K字節(jié)程序存儲(chǔ)器ROM128/256字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器CPU64K字節(jié)總線擴(kuò)展控制可編程I/O口4×8位可編程串行口1、中央處理單元CPU（8位）用于數(shù)據(jù)處理、位操作（位測(cè)試、置位、復(fù)位）2、片內(nèi)程序存儲(chǔ)器ROM（4KB）用于存放程序、原始數(shù)據(jù)及表格3、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM（128B）用于存放可以讀或?qū)懙臄?shù)據(jù)，如運(yùn)算的中間結(jié)果，最終結(jié)果以及欲顯示的數(shù)據(jù)等4、并行輸入/輸出口I/O（32線）用作系統(tǒng)總線、擴(kuò)展外存、I/O接口芯片5、串行輸入/輸出口UART（二線）串行通信、擴(kuò)展I/O接口芯片6、定時(shí)/計(jì)數(shù)器T（16位增量可編程）每個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器都是可以設(shè)置成計(jì)數(shù)方式，用以對(duì)外部事件計(jì)數(shù)，也可以設(shè)置成定時(shí)方式，并可以根據(jù)計(jì)數(shù)或定時(shí)的結(jié)果實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制7、時(shí)鐘電路fosc分為內(nèi)部振蕩器、外接振蕩電路，最高允許振蕩頻率是12MHZ8、中斷系統(tǒng)五源中斷、兩級(jí)優(yōu)先，可編程進(jìn)行控制。9、位處理器10、總線MCS-51單片機(jī)芯片內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)1.CPU又稱為微處理器，由運(yùn)算器和控制器二部組成。1.運(yùn)算器組成：由算術(shù)運(yùn)算單元ALU及相關(guān)的專用寄存器組組成。功能：1）算術(shù)邏輯單元ALU在控制信號(hào)作用下可進(jìn)行各種算術(shù)運(yùn)算操作各邏輯操作。2）專用寄存器組主要用于指示當(dāng)前所執(zhí)行指令的內(nèi)存地址、存放操作數(shù)和指示指令執(zhí)行后的狀態(tài)等。MCS-51單片機(jī)芯片內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)說(shuō)明：1）運(yùn)算器包括一個(gè)可進(jìn)行8位算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的單元ALU，MCS-51CPU的字長(zhǎng)為8位.2）8位的暫存器1、暫存器2。3）8位的累加器ACC累加器A是一個(gè)最常用的專用寄存器，大部分操作指令的操作數(shù)取自累加器A，其運(yùn)算結(jié)果大多也存放于累加器A中，指令系統(tǒng)用A作為累加器的助記符。4）寄存器B：與累加器A一起完成乘除運(yùn)算，乘法指令的兩個(gè)操作數(shù)分別取自A和B，相乘結(jié)果高8位存于B中，低8位存于A中。其他指令，B可當(dāng)作一般寄存器存取數(shù)據(jù)。2.控制器控制器包括程序計(jì)數(shù)器PC、指令寄存器IR、指令譯碼器ID、堆棧指針SP、數(shù)據(jù)指針DPTR、振蕩器及定時(shí)電路等。1）程序計(jì)數(shù)器PC：由兩個(gè)8位的計(jì)數(shù)PCH及PCL組成，共16位。PC實(shí)際上是程序的字節(jié)地址計(jì)數(shù)器，PC中的內(nèi)容是將要執(zhí)行的下一條指令的地址。改變PC的內(nèi)容就可改變程序執(zhí)行的方向。PC可對(duì)64KB的ROM（程序存儲(chǔ)器）直接尋址。2）指令寄存器IR及指令譯碼器ID:由PC中的內(nèi)容指定ROM地址，取出來(lái)的指令經(jīng)指令寄存器IR送至指令譯碼器ID,由ID對(duì)指令譯碼并送PLA產(chǎn)生一定序列的控制信號(hào)，以執(zhí)行指令所規(guī)定的操作。3）堆棧指針SP4）數(shù)據(jù)指針DPTR:程序的切換（兩句話）處理器是個(gè)傻瓜，PC讓它干啥，它就干啥。PC是個(gè)指路器，它指向哪兒，處理器就去哪兒。從此可以知道，哪個(gè)語(yǔ)句占有了PC，哪個(gè)語(yǔ)句就占有了處理器。

=PC深刻地理解PC是理解系統(tǒng)進(jìn)行程序執(zhí)行的關(guān)鍵。PC的功能：1、提供初始狀態(tài)功能。

系統(tǒng)復(fù)位時(shí)PC=0000H,即指向ROM的一開(kāi)始單元，找到程序第一條指令所在的單元。2、提供計(jì)數(shù)功能。

在順序結(jié)構(gòu)的程序執(zhí)行時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行(PC)+1送入PC，最終PC的值就是相對(duì)第一指令的偏移地址，即程序執(zhí)行的指令條數(shù)。3、提供程序的轉(zhuǎn)移功能。

在跳躍結(jié)構(gòu)的程序執(zhí)行時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行目的地址送入PC，即通過(guò)改變PC的值來(lái)改變程序的執(zhí)行方向。MCS-51單片機(jī)信號(hào)引腳封裝形式，見(jiàn)右圖：引腳及功能1、主電源引腳Vss、Vcc2、外接晶振引腳XTAL1、XTAL23、控制或復(fù)位引腳RST/VPD——當(dāng)出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期高電平時(shí)，單片機(jī)復(fù)位。復(fù)位后，PC=0000H,P0~P3輸出高電平；SP寄存器為07H；其它寄存器全部清0；不影響RAM狀態(tài)。復(fù)位電路的實(shí)現(xiàn)：=0時(shí)，只訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器,即外ROM=1時(shí)，訪問(wèn)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器,即內(nèi)ROM

/Vpp——內(nèi)\外ROM選擇端對(duì)于8751單片機(jī)編程時(shí)，該端施加編程電壓4、輸入/輸出引腳P0.0~P0.7；P1.0~P1.7；P2.0~P2.7；P3.0~P3.7四個(gè)I/O口，每口八條線；還兼作地址/數(shù)據(jù)線。EAEAEAALE/PROG——地址鎖存控制端提供1/6fosc振蕩頻率；為其內(nèi)的EPROM輸入編程脈沖PSEN——外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)端2.2MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部存儲(chǔ)器）（外部K64RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

程序存儲(chǔ)器外部ROM/EA=02.2MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部存儲(chǔ)器）（外部K64RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

程序存儲(chǔ)器外部ROM/EA=0物理上分為：4個(gè)空間即片內(nèi)ROM、片外ROM片內(nèi)RAM、片外RAM2.2MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部存儲(chǔ)器）（外部K64RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

程序存儲(chǔ)器外部ROM/EA=0邏輯上分為:3個(gè)空間（程序員的角度）1、片內(nèi)、外統(tǒng)一編址的程序存儲(chǔ)空間，0000H~FFFFH共64KB（16位地址）2、片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，0000H~FFFFH共64KB（16位地址）3、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，00H~7FH共128B（8位地址）。2.2MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部存儲(chǔ)器）（外部K64RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

程序存儲(chǔ)器外部ROM/EA=0三類不同存儲(chǔ)空間（邏輯空間）的訪問(wèn)方法：用不同的指令區(qū)別：訪問(wèn)片內(nèi)外ROM用MOVC指令；訪問(wèn)片外RAM用MOVX指令；訪問(wèn)片內(nèi)RAM用MOV指令；一、程序存儲(chǔ)器尋址范圍：0000H~FFFFH容量64KB，即地址長(zhǎng)度：16位

，尋址內(nèi)部ROM；

，尋址外部ROM。

當(dāng)PC值超過(guò)片內(nèi)ROM容量時(shí)會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)向外部存儲(chǔ)器空間。8031單片機(jī)接低電平。作用：

存放程序及程序運(yùn)行時(shí)所需的常數(shù)。七個(gè)具有特殊含義的單元是：

0000H——

系統(tǒng)復(fù)位，PC指向此處；0003H——

外部中斷0入口000BH——T0溢出中斷入口

0013H——

外中斷1入口001BH——T1溢出中斷入口0023H——

串口中斷入口002BH——T2溢出中斷入口

二、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器物理上分為兩大區(qū)域：00H~7FH即128B內(nèi)RAM區(qū)

80H~FFH即SFR區(qū)。1、低128BRAM（00H~7FH）可直接、間接訪問(wèn)。分為三個(gè)區(qū)域（1）工作寄存器組區(qū)（字節(jié)地址00H~1FH）4組32個(gè)單元，每組8個(gè)寄存器R0、R1、R2……R7工作寄存器組區(qū)（1）工作寄存器組區(qū)（字節(jié)地址00H~1FH）4組32個(gè)單元，每組8個(gè)寄存器R0、R1、R2……R700H01H02H04H03H05H06H07HR0R1R2R3R4R5R6R712HMOV00H,#12HMOVR0,#12H通過(guò)直接數(shù)值地址進(jìn)行訪問(wèn)通過(guò)寄存器名字（即符號(hào)地址）進(jìn)行訪問(wèn)（1）工作寄存器組區(qū)（字節(jié)地址00H~1FH）4組32個(gè)單元，每組8個(gè)寄存器R0、R1、R2……R708H09H0AH0CH0BH0DH0EH0FHR0R1R2R3R4R5R6R712HMOV08H,#12HMOVR0,#12H通過(guò)寄存器PSW的兩個(gè)位RS1、RS0來(lái)控制當(dāng)前工作寄存器組的選擇。（1）工作寄存器組區(qū)（字節(jié)地址00H~1FH）4組32個(gè)單元，每組8個(gè)寄存器R0、R1、R2……R7RS1RS0工作寄存器組數(shù)值地址范圍00第0組工作寄存器組01第1組工作寄存器組10第2組工作寄存器組11第3組工作寄存器組（2）位尋址區(qū)（字節(jié)地址20H~2FH）16個(gè)字節(jié)，128個(gè)可操作位。每一位都有一個(gè)位地址，范圍為：00H—7FH（2）位尋址區(qū)位操作：置1或清0置1:SETB清0:CLRSETB0DHSETB21H.5訪問(wèn)方式：1、直接位地址2、字節(jié)地址.位序號(hào)位尋址區(qū)（20H—2FH）16個(gè)字節(jié)。16*8=128位，每一位都有一個(gè)位地址，范圍為：00H—7FH，位地址區(qū)也可作為一般RAM使用。（3）用戶RAM區(qū)（字節(jié)地址30H~7FH）共80個(gè)字節(jié)單元，為用戶RAM區(qū)（堆棧、數(shù)據(jù)緩沖）注意：在源程序中用到子程序調(diào)用時(shí)或者說(shuō)是用到堆棧時(shí)，首先設(shè)置SP的值在（30H～7FH）之間。因系統(tǒng)復(fù)位時(shí)SP的值為07H，即指向第0組工作寄存器的R7單元。3.特殊功能寄存器MCS-51單片機(jī)內(nèi)共有22個(gè)專用功能寄存器，包括PC及SFR。PC為程序計(jì)數(shù)器。它是一個(gè)雙字節(jié)寄存器,尋址范圍為:0000H~FFFFH，即0~64KB。SFR為特殊功能寄存器。其尋址空間：80H~FFH其中，51子系列有18個(gè)寄存器，占有21個(gè)字節(jié)；52子系列有21個(gè)寄存器，占有26個(gè)字節(jié)。

51子系列SFR的地址分配及位地址見(jiàn)下頁(yè)表：

寄存器

位地址/位定義

地址

F7

F6

F5

F4

F3

F2

F1

F0

B

F0H

E7

E6

E5

E4

E3

E2

E1

E0

ACC

E0

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

PSW

CY

AC

F0

RS1

RS0

OV

/

P

D0H

BF

BE

BD

BC

BB

BA

B9

B8

IP

B8H

B7

B6

B5

B4

B3

B2

B1

B0

P3

P3.7

P3.6

P3.5

P3.4

P3.3

P3.2

P3.1

P3.0

B0H

IE

A8H

A7

A6

A5

A4

A3

A2

A1

A0

P2

P2.7

P2.6

P2.5

P2.4

P2.3

P2.2

P2.1

P2.0

A0H

SBUF

99H

++

注意：1、表中共有3個(gè)雙字節(jié)寄存器。2、PC也為雙字節(jié)寄存器，但是不在80H~FFH

范圍內(nèi)。

3、表中，凡地址能被8整除的寄存器都是可位尋址的寄存器。各寄存器的名稱：1、算術(shù)運(yùn)算寄存器（1）A——累加器。功能:A.累加器用于存放操作數(shù),是ALU數(shù)據(jù)輸入的一個(gè)重要來(lái)源,單片機(jī)中大部分單操作數(shù)指令的操作數(shù)取自累加器,許多雙操作數(shù)指令的一個(gè)操作數(shù)也取自累加器.B.累加器是ALU運(yùn)算結(jié)果的暫存單元,用于存放運(yùn)算的中間結(jié)果.C.累加器是數(shù)據(jù)傳送的中轉(zhuǎn)站,單片機(jī)中的大部分傳送都通過(guò)累加器進(jìn)行.D.在變址尋址方式中把累加器作為變址寄存器用.（2）B——B寄存器，乘、除法運(yùn)算用。B寄存器是一個(gè)8位寄存器,主要用于乘除運(yùn)算.乘法運(yùn)算時(shí),B為乘數(shù).乘法操作后,乘積的高8位存于B中.除法運(yùn)算時(shí),B為除數(shù).除法操作后,余數(shù)存于B中.此外B寄存器也可作為一般數(shù)據(jù)寄存器使用.CY——

進(jìn)位/借位標(biāo)志；位累加器。AC——

輔助進(jìn)/借位標(biāo)志；用于十進(jìn)制調(diào)整。F0——

用戶定義標(biāo)志位；軟件置位/清零。OV——

溢出標(biāo)志；

硬件置位/清零。P——

奇偶標(biāo)志；A中1的個(gè)數(shù)為奇數(shù)P=1；否則P=0。RS1、RS0——寄存器區(qū)選擇控制位。00：0區(qū)R0~R701：1區(qū)R0~R710：2區(qū)R0~R711：3區(qū)R0~R7

P—RS0RS1OVF0ACCYPSW（3）PSW——程序狀態(tài)字寄存器：包含程序運(yùn)行狀態(tài)、信息。2、指針寄存器（1）程序計(jì)數(shù)器PC指明即將執(zhí)行的下一條指令的地址(程序存儲(chǔ)器地址)，在物理上獨(dú)立，復(fù)位時(shí)PC=0000H。（2）堆棧指針SP指明棧頂元素的地址，8位，可軟件設(shè)置初值，復(fù)位時(shí)SP=07H。（3）數(shù)據(jù)指針DPTR@DPTR；指明訪問(wèn)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的單元地址，16位，尋址范圍64KB。DPTR=DPH+DPL，也可單獨(dú)使用。

3、并行輸入/輸出端口寄存器P0、P1、P2、P3實(shí)為相應(yīng)端口鎖存器。4、串行輸入/輸出端口（1）串行數(shù)據(jù)緩沖器SBUF是物理上獨(dú)立的兩個(gè)寄存器，共同使用一個(gè)地址（99H）。（2）串行控制/狀態(tài)寄存器SCON控制監(jiān)視串行口的工作狀態(tài)（3）電源控制寄存器PCON控制單片機(jī)的低功耗工作方式及波特率選擇。

5、中斷系統(tǒng)（1）中斷優(yōu)先級(jí)寄存器IP：2級(jí)優(yōu)先，可軟件設(shè)定（2）中斷允許寄存器IE6、定時(shí)/計(jì)數(shù)器（1）定時(shí)器方式寄存器：TMOD（2）定時(shí)器控制寄存器：TCON（3）計(jì)數(shù)寄存器：TH0、TL0；TH1、TL1。可用于設(shè)定計(jì)數(shù)初值。五、地址空間（1）內(nèi)部RAM20H~2FH共16個(gè)單元可按位尋址128位。（2）SFR80H~FFH51子系列，有11個(gè)寄存器，83位；52子系列，有12個(gè)寄存器，93位。

六、外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（1）容量最大擴(kuò)展到64KB（2）尋址范圍：0000H~FFFFH（3）尋址方式：間接尋址可用R0，R1，DPTR

3.MCS-51的堆棧操作1)何為堆棧是一個(gè)按照”先進(jìn)后出”或”后進(jìn)先出”原則存取數(shù)據(jù)的RAM區(qū)域.2)堆棧的作用堆棧主要是為子程序調(diào)用和中斷操作而設(shè)立的.其具體功能有兩個(gè):保護(hù)斷點(diǎn)和保護(hù)現(xiàn)場(chǎng).子程序2子程序1主程序中斷中斷2.3并行輸入/輸出接口圖2.5P0口內(nèi)部一位結(jié)構(gòu)圖1.P0口2.3I/O口的結(jié)構(gòu)和功能四個(gè)端口、雙向、每個(gè)口包含一個(gè)鎖存器、一個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器和二個(gè)輸入緩沖器。1、結(jié)構(gòu)

P0口電路圖如下圖一、P0口P0口的字節(jié)地址為80H,位地址為80H~87H.P0口：是漏極開(kāi)路的準(zhǔn)雙向口低8位地址/數(shù)據(jù)總線口P0口：地址/數(shù)據(jù)復(fù)用口G1G2G3G4T2T12、通用I/O口作為通用I/O口用時(shí)，它的控制C為0,這時(shí)多路開(kāi)關(guān)是與/Q端相連。它有兩個(gè)功能。2、通用I/O口1）讀（端口外數(shù)據(jù)

內(nèi)部寄存器）方式1（讀鎖存器）QG2D內(nèi)部總線,適于“讀—修改—寫(xiě)”方式2（讀引腳）：P0.xG1D內(nèi)部總線。作為通用I/O使用，

是一個(gè)準(zhǔn)雙向口：“在輸入數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)先把口置1，使兩個(gè)FET都截止，引腳處于懸浮狀態(tài)，可作高阻抗輸入”2）寫(xiě)（片內(nèi)數(shù)據(jù)

端口）

數(shù)據(jù)

鎖存MUXP0.x

作為通用I/O口用時(shí)，它的控制C為0,這時(shí)多路開(kāi)關(guān)是與/Q端相連。它有兩個(gè)功能：3）地址/數(shù)據(jù)總線口控制MUX寫(xiě)：地址/數(shù)據(jù)為1，P0·x——高

地址/數(shù)據(jù)為0，P0·x——低讀：經(jīng)緩沖器G1讀入

4)負(fù)載能力可帶8個(gè)TTL輸入，驅(qū)動(dòng)NMOS時(shí)，接上拉電阻?？偨Y(jié)特點(diǎn)：（1）P0口可作通用I/O口使用，又可作地址/數(shù)據(jù)總線口；（2）P0既可按字節(jié)尋址，又可按位尋址；（3）P0作為輸入口使用時(shí)：是準(zhǔn)雙向口；（4）作通用I/O口輸出時(shí)：是開(kāi)漏輸出；（5）作地址/數(shù)據(jù)總線口時(shí)，P0是一真正雙向口，而作通用I/O口時(shí)，只是一個(gè)準(zhǔn)雙向口。

二、P1口1、結(jié)構(gòu)：只能作I/O口用，且是一個(gè)準(zhǔn)雙向口。內(nèi)部已有上拉電阻，不是開(kāi)漏輸出口。2、特點(diǎn)：（1）無(wú)地址/數(shù)據(jù)口功能（2）可按字節(jié)尋址，也可按位尋址（3）作I/O輸入口時(shí)：是一準(zhǔn)雙向口，不是開(kāi)漏輸出。

三、P2口1、結(jié)構(gòu)

2、特點(diǎn)：（1）當(dāng)P2口作為通用I/O時(shí)，是一準(zhǔn)雙向口。（2）從P2口輸入數(shù)據(jù)時(shí)，先向鎖存器寫(xiě)“1