單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)及原理

第1章單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)和原理1.1概述1.2MCS-51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)1.3中央處理器CPU1.4存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)1.5并行輸入/輸出接口1.6單片機(jī)的引腳及其功能

1.7單片機(jī)工作的基本時(shí)序1.1概述計(jì)算機(jī)巨大中小微多片機(jī)（PC）單片機(jī)★單片機(jī)SCMC(SingleChipMicroComputer)----屬于微型機(jī)的一種

----具有一般微機(jī)的基本組成和功能又稱為微控制器MCU（MicroController

Unit）一、微型機(jī)與單片機(jī)的基本組成對比微型機(jī)CPU存儲(chǔ)器輸入/輸出接口微處理器CPUROMRAMI/O接口外設(shè)地址總線AB數(shù)據(jù)總線DB控制總線CB微型機(jī)組成框圖時(shí)鐘OSCCPU各種I/O定時(shí)器/計(jì)數(shù)器程序存儲(chǔ)器ROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM中斷MCS-51單片機(jī)組成框圖

(1)優(yōu)異的性能價(jià)格比。二、單片機(jī)的特點(diǎn)

單片機(jī)把各功能部件集成在一塊芯片上，內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，減少了各芯片之間的連線，大大提高了單片機(jī)的可靠性與抗干擾能力。另外，其體積小，對于強(qiáng)磁場環(huán)境易于采取屏蔽措施，適合于在惡劣環(huán)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、體積小、有很高的可靠性。為了滿足工業(yè)控制要求，一般單片機(jī)的指令系統(tǒng)中均有極豐富的轉(zhuǎn)移指令、I/O口的邏輯操作以及位處理功能。單片機(jī)的邏輯控制功能及運(yùn)行速度均高于同一檔次的微機(jī)。(3)控制功能強(qiáng)。(4)單片機(jī)的系統(tǒng)擴(kuò)展、系統(tǒng)配置較典型、規(guī)范，容易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)。三、單片機(jī)的應(yīng)用1．單片機(jī)應(yīng)用的特點(diǎn)軟硬件結(jié)合、多學(xué)科交叉；應(yīng)用現(xiàn)場環(huán)境惡劣（電磁干擾、電源波動(dòng)、沖擊振動(dòng)、高低溫濕度等）；應(yīng)用領(lǐng)域廣泛且意義重大（硬件軟化--微控制技術(shù)）。2．單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域①在在工業(yè)自動(dòng)化方面（過程控制、數(shù)據(jù)采集和測控技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、機(jī)械電子計(jì)算機(jī)一體化技術(shù)）；②儀器儀表方面（測試儀表和醫(yī)療儀器--數(shù)字化、智能化、高精度、小體積、低成本、便于增加顯示報(bào)警和自診斷功能）；③在家用電器方面（冰箱、洗衣機(jī)、空調(diào)機(jī)、微波爐、電視機(jī)、音像設(shè)備等）；④信息和通信產(chǎn)品方面（計(jì)算機(jī)的鍵盤、打印機(jī)、磁盤驅(qū)動(dòng)器；傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)、電話機(jī)、考勤機(jī)）；⑤在軍事方面（飛機(jī)、大炮、坦克、軍艦、導(dǎo)彈、火箭、雷達(dá)等）。2.2MCS-51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)2.2.1MCS-51系列單片機(jī)的分類表2.1MCS-51系列單片機(jī)配置一覽表

資源配置子系列片內(nèi)ROM形式片內(nèi)

ROM

容量片內(nèi)RAM

容量定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷源

無ROMEPROME2PROM51子系列80318051875189514KB128B2×16552子系列80328052875289528KB256B3×166其中,51系列為基本型，52系列為增強(qiáng)型；

INTEL公司將MCS-51的核心技術(shù)授權(quán)給了很多其它公司，所以有很多公司在做以8051為核心的單片機(jī)，當(dāng)然，功能或多或少有些改變，以滿足不同的需求，其中89C51和89S51就是這幾年在我國非常流行的單片機(jī)，它是由美國ATMEL公司開發(fā)生產(chǎn)的。2.2.2AT89系列帶字母C的為低功耗型，如89C51；帶字母S的為可串行編程系列，如89S52；2.2.3MCS-51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2.1MCS-51單片機(jī)結(jié)構(gòu)框圖時(shí)鐘電路SFR和RAMROMCPU定時(shí)/計(jì)數(shù)器并行端口中斷系統(tǒng)串行端口系統(tǒng)總線時(shí)鐘源T0T1P0

P1

P2

P3TXDRXD

INT0INT12.3中央處理器CPU2.3.1運(yùn)算器算術(shù)邏輯單元ALU2.累加器ACC（Accumulator）累加器A是在編程操作中最常用的專用寄存器，功能較多，可按位尋址。

3.寄存器B:即可作為一般寄存器使用，也可用于乘除運(yùn)算。做乘法運(yùn)算時(shí)，B是乘數(shù)。乘法操作后，乘積的高8位存于B中。做除法運(yùn)算時(shí)，B存放除數(shù)。除法操作后，余數(shù)存放在B中。

4.程序狀態(tài)字PSW（ProgramStateWord）CyACF0RS1RS0OV…PD7D6D5D4D3D2D1D0PSW表2.2RS1、RS0與片內(nèi)工作寄存器組的對應(yīng)關(guān)系RS1RS0寄存器組片內(nèi)PAM地址通用寄存器名稱000組00H~07HR0~R7011組08H~0FHR0~R7102組10H~17HR0~R7013組18H~1FHR0~R7單片機(jī)復(fù)位時(shí)，RS1=RS2=00，默認(rèn)為第0組2.3.2控制器1.時(shí)鐘電路圖2.2單片機(jī)時(shí)鐘電路（a）內(nèi)部時(shí)鐘電路；（b）外部振蕩源一般地，取C1=C2=30pF,晶振為6MHz或12MHz2.復(fù)位電路圖2.3單片機(jī)復(fù)位電路（a）上電復(fù)位電路；(b)開關(guān)復(fù)位電路取C1=22uF電解電容，R=1KΩ,R1=100ΩR2=1KΩ表2.3復(fù)位后內(nèi)部寄存器狀態(tài)

3.指令寄存器和指令譯碼器指令寄存器中存放指令代碼。CPU執(zhí)行指令時(shí),由程序存儲(chǔ)器中讀取的指令代碼送入指令存儲(chǔ)器,經(jīng)譯碼器譯碼后由定時(shí)與控制電路發(fā)出相應(yīng)的控制信號,完成指令所指定的操作。

4.程序計(jì)數(shù)器PC（ProgramCounter）

PC用于存放CPU下一條要執(zhí)行的指令地址,是一個(gè)16位的專用寄存器,可尋址范圍是0000H~0FFFFH共64K.。程序中的每條指令存放在ROM區(qū)的某一單元,并都有自己的存放地址。CPU要執(zhí)行哪條指令時(shí),就把該條指令所在的單元的地址送上地址總線。在順序執(zhí)行程序中,當(dāng)PC的內(nèi)容被送到地址總線后,會(huì)自動(dòng)加1,即(PC)←(PC)+1,又指向CPU下一條要執(zhí)行的指令地址。

5.堆棧指針SP（StackPointer）

堆棧操作是在內(nèi)存RAM區(qū)專門開辟出來的按照“先進(jìn)后出”原則進(jìn)行數(shù)據(jù)存取的一種工作方式,主要用于子程序調(diào)用及返回和中斷處理斷點(diǎn)的保護(hù)及返回,它在完成子程序嵌套和多重中斷處理中是必不可少的。為保證逐級正確返回,進(jìn)入棧區(qū)的“斷點(diǎn)”數(shù)據(jù)應(yīng)遵循“先進(jìn)后出”的原則。SP用來指示堆棧所處的位置,在進(jìn)行操作之前,先用指令給SP賦值,以規(guī)定棧區(qū)在RAM區(qū)的起始地址（棧底層）。當(dāng)數(shù)據(jù)推入棧區(qū)后,SP的值也自動(dòng)隨之變化。MCS-51系統(tǒng)復(fù)位后,SP初始化為07H。

6.數(shù)據(jù)指針寄存器DPTR

數(shù)據(jù)指針DPTR是一個(gè)16位的專用寄存器,其高位字節(jié)寄存器用DPH表示,低位字節(jié)寄存器用DPL表示。既可作為一個(gè)16位寄存器DPTR來處理,也可作為兩個(gè)獨(dú)立的8位寄存器DPH和DPL來處理。

DPTR主要用來存放16位地址,當(dāng)對64KB外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間尋址時(shí),作為間址寄存器用。在訪問程序存儲(chǔ)器時(shí),用作基址寄存器。2.4存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)圖2.4MCS-51單片機(jī)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

1.程序存儲(chǔ)器

對于8051來說,程序存儲(chǔ)器（ROM）的內(nèi)部地址為0000H~0FFFH,共4KB;外部地址為1000H~FFFFH,共60KB。當(dāng)程序計(jì)數(shù)器由內(nèi)部0FFFH執(zhí)行到外部1000H時(shí),會(huì)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)。對于8751來說,內(nèi)部有4KB的EPROM,將它作為內(nèi)部程序存儲(chǔ)器;8031內(nèi)部無程序存儲(chǔ)器,必須外接程序存儲(chǔ)器。8031最多可外擴(kuò)64KB程序存儲(chǔ)器,其中6個(gè)單元地址具有特殊用途,是保留給系統(tǒng)使用的。0000H是系統(tǒng)的啟動(dòng)地址,一般在該單元中存放一條絕對跳轉(zhuǎn)指令。0003H、000BH、000BH、001BH和0023H對應(yīng)5種中斷源的中斷服務(wù)入口地址。存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)圖

2.內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

MCS-51單片機(jī)片內(nèi)RAM的配置如圖2.4（b）所示。片內(nèi)RAM為256字節(jié),地址范圍為00H~FFH,分為兩大部分:低128字節(jié)（00H~7FH）為真正的RAM區(qū);高128字節(jié)（80H~FFH）為特殊功能寄存器區(qū)SFR。在低128字節(jié)RAM中,00H~1FH共32單元是4個(gè)通用工作寄存器區(qū)。每一個(gè)區(qū)有8個(gè)通用寄存器R0~R7。寄存器和RAM地址對應(yīng)關(guān)系如表2.4。存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)圖表2.4寄存器與RAM地址對照表

存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)圖表2.5RAM中的位尋址區(qū)地址表

存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)圖表2.6SFR特殊功能寄存器地址表

存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)圖表2.6SFR特殊功能寄存器地址表

表2.6SFR特殊功能寄存器地址表

3.外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器一般由靜態(tài)RAM構(gòu)成，其容量大小由用戶根據(jù)需要而定,最大可擴(kuò)展到64KBRAM,地址是0000H~0FFFFH。CPU通過MOVX指令訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,用間接尋址方式,R0、R1和DPTR都可作間接寄存器。注意,外部RAM和擴(kuò)展的I/O接口是統(tǒng)一編址的,所有的外擴(kuò)I/O口都要占用64KB中的地址單元。存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)圖2.6單片機(jī)的引腳及其功能圖2.6MCS-51單片機(jī)引腳及總線結(jié)構(gòu)(a)管腳圖；(b)8031引腳功能分類(1)ALE/PROG(30腳)：地址鎖存有效信號輸出端。ALE在每個(gè)機(jī)器周期內(nèi)輸出兩個(gè)脈沖。在訪問片外程序存儲(chǔ)器期間，下降沿用于控制鎖存P0輸出的低8位地址；在不訪問片外程序存儲(chǔ)器期間，可作為對外輸出的時(shí)鐘脈沖或用于定時(shí)目的。但要注意，在訪問片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器期間，ALE脈沖會(huì)跳空一個(gè)，此時(shí)作為時(shí)鐘輸出就不妥了。對于片內(nèi)含有EPROM的機(jī)型，在編程期間，該引腳用作編程脈沖PROG的輸入端。(2)PSEN(29腳)：片外程序存儲(chǔ)器讀選通信號輸出端，低電平有效。當(dāng)從外部程序存儲(chǔ)器讀取指令或常數(shù)期間，每個(gè)機(jī)器周期該信號兩次有效，以通過數(shù)據(jù)總線P0口讀回指令或常數(shù)。在訪問片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器期間，PSEN信號將不出現(xiàn)。

(3)RST/VPD(9腳)：RST即為RESET，VPD為備用電源。該引腳為單片機(jī)的上電復(fù)位或掉電保護(hù)端。當(dāng)單片機(jī)振蕩器工作時(shí)，該引腳上出現(xiàn)持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平，就可實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作，使單片機(jī)回復(fù)到初始狀態(tài)。上電時(shí)，考慮到振蕩器有一定的起振時(shí)間，該引腳上高電平必須持續(xù)10ms以上才能保證有效復(fù)位。當(dāng)VCC發(fā)生故障，降低到低電平規(guī)定值或掉電時(shí)，該引腳可接上備用電源VPD(+5V)為內(nèi)部RAM供電，以保證RAM中的數(shù)據(jù)不丟失。2.5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.P1、P2和P3口

P1、P2和P3口為準(zhǔn)雙向口,在內(nèi)部差別不大,但使用功能有所不同。

P1口是用戶專用8位準(zhǔn)雙向I/O口,具有通用輸入/輸出功能,每一位都能獨(dú)立地設(shè)定為輸入或輸出。當(dāng)有輸出方式變?yōu)檩斎敕绞綍r(shí),該位的鎖存器必須寫入“1”,然后才能進(jìn)入輸入操作。

P2口是8位準(zhǔn)雙向I/O口。外接I/O設(shè)備時(shí),可作為擴(kuò)展系統(tǒng)的地址總線,輸出高8位地址,與P0口一起組成16位地址總線。對于8031而言,P2口一般只作為地址總線使用,而不作為I/O線直接與外部設(shè)備相連。表2.7P3口的第二功能說明：1.各個(gè)端口引腳在作輸入口之前，都要先向?qū)?yīng)的口寄存器中寫“1”，不然不能作輸入口用。2.P0口內(nèi)部沒有上拉電阻（其他都有），所以作通用IO口用時(shí)為“開漏”輸出，必須外加上拉電阻。在作總線使用時(shí)不需要加上拉。其他的口可加可不加。（上拉電阻的阻值確定，5.1K或者4.7K都可以）。3.P3口作第二功能使用時(shí)，相應(yīng)的口鎖存器必須為“1”狀態(tài)。4.如果使用了外部存儲(chǔ)器，不要再寫P0口。2.7單片機(jī)工作的基本時(shí)序