单片机硬件结构2-1单片机的基本结构

第 二 章 单 片 机 硬 件 结 构 2-1-1 MCS-51单 片 机 的 基 本 组 成2-1 单 片 机 的 基 本 结 构时 钟 电 路 SFR和 RAM ROMCPU 定 时 /计 数 器并 行 端 口 中 断 系 统串 行 端 口系 统 总 线时 钟 源 T0 T1 P0 P1 P2 P3 TXD RXD INT0 INT1（ 1） 一 个 8位 微 处 理 器 CPU； （ 5） 四 个 位 的 I/O并 行 端 口 ； （ 2） RAM和 特 殊 功 能 寄 存 器 SFR（ 6） 一 个 串 行 端 口 ； （ 3） 内 部 程 序 存 储 器 （ ROM） （ 7） 中 断 控 制 系 统 ； （ 4） 两 个 定 时 /计 数 器 ； （ 8） 内 部 时 钟 电 路 。 硬 件 基 本 配 置 ：1. 8位 CPU2. 片 内 ROM/EPROM、 RAM3. 片 内 并 行 I/O接 口4. 片 内 16位 定 时 器 /计 数 器5. 片 内 中 断 处 理 系 统6. 片 内 全 双 工 串 行 I/O口MCS-51系 列 基 本 产 品 型 号 ：8051、 8031、 8751称 为 51子 系 列 。不 同 型 号 MCS-51单 片 机 CPU处 理 能 力 和 指 令 系 统 完 全兼 容 ， 只 是 存 储 器 和 I/O接 口 的 配 置 有 所 不 同 。2-1-2 MCS-51硬 件 结 构 特 点 存 储 器 类 型单 片 机 系 列 掩 膜 ROM EPROM RAM 8031 / / 128B8051 4KB / 128B51子 系 列 8751 / 4KB 128B8032 / / 256B 8052 8KB / 256B MCS-51 52子 系 列 8752 / 8KB 256B 2-1-3 MCS-51单 片 机 内 部 结 构P2.0P2.7P0.0P0.7通 道 驱 动 器 通 道 驱 动 器RAM地 址锁 存 器 RAM 通 道 0锁 存 器 通 道 2锁存 器 ROM/EPROMB寄 存 器 程 序 地 址 寄 存 器缓 冲 器PC递 增 器 程 序 计 数 器 PCDPTR指 针VCCGND P1.0P1.7 堆 栈 指 针 SPACCTMP2PSW 通 道 3锁 存 器通 道 1锁 存 器通 道 1驱 动 器 通 道 3驱 动 器TMP1 SCON TMODPCON TCONTL0 TH1TH0 TL1IESBUF(TX/RX) IP中 断 、 串 行 口 和 定 时 器 逻 辑振 荡 器 P3.0P3.7RSTALEPSEN XTAL2XTAL1 ALU(+5V) 指令寄存器定 时和控 制逻 辑 指令译码器EA MCS-51 CPU 内 部 结 构CPU主 要 由 运 算 器 和 控 制 器 组 成1 运 算 器运 算 器 由 8位 算 术 逻 辑 运 算 单 元 ALU（ Arithmetic Logic Unit） 、 8位 累 加 器 ACC（ Accumulator） 、 8位 寄存 器 B、 程 序 状 态 字 寄 存 器 PSW（ Program Status Word） 、 8位 暂 存 寄 存 器 TMP1和 8位 暂 存 寄 存 器 TMP2等 组 成 。2 控 制 器控 制 器 主 要 由 程 序 计 数 器 PC、 指 令 寄 存 器 IR、 指 令译 码 器 、 堆 栈 指 针 SP、 数 据 指 针 DPTR、 时 钟 发 生 器 及定 时 控 制 逻 辑 等 组 成 。 一 、 P0口 的 结 构它 由 一 个 输 出 锁 存 器 、 两 个 三 态 输 入 缓 冲 器 和 输 出 驱 动及 控 制 电 路 组 成 。MCS-51单 片 机 有 4个 双 向 并 行 的 8位 I/O口 P0 P3。2-1-4 输 入 /输 出 （ I/O） 端 口 结 构 VCCP0.x锁 存 器读 锁 存 器 地 址 /数 据 控 制D 读 引 脚 写 锁 存 器内 部 总 线 QQ MUX T2T1CL（ 1） P0口 作 为 I/O口 。作 为 输 出 口 使 用 时 ， 内部 控 制 端 发 0电 平 使 与 门 输出 为 0， 场 效 应 管 T1截 止 ，此 时 多 路 开 关 MUX与 锁 存器 的 端 接 通 。 内 部 数 据 加在 锁 存 器 D端 ， 当 CL端 的写 脉 冲 出 现 后 ， 与 内 部 总线 相 连 的 D端 数 据 取 反 后 出现 在 端 ， 经 场 效 应 管 T2反向 出 现 在 P0的 引 脚 上 。当 作 输 入 口 时 ， 读 脉 冲将 图 中 下 方 的 三 态 输 入 缓冲 器 打 开 ， 这 样 端 口 上 的数 据 经 缓 冲 器 送 至 内 部 总线 。 图 中 上 方 的 缓 冲 器 并不 直 接 读 端 口 引 角 上 的 数据 ， 而 是 读 锁 存 器 Q端 的 数据 ， Q端 与 引 角 上 的 数 据 是一 致 的 。（ 2） 作 为 地 址 /数 据 总 线 。控 制 端 高 电 平 1， MUX将 CPU内 部 地 址 /数 据 经反 向 器 与 T2接 通 ， 与 门 开锁 。 输 出 信 号 通 过 与 门 驱动 上 拉 场 效 应 管 T1， 又 通过 反 向 器 驱 动 T2。作 输 入 数 据 口 时 ， 当“ 读 引 脚 ” 信 号 有 效 时 ，数 据 进 入 内 部 总 线 。 二 、 P1口 的 结 构P1端 口 是 单片 机 中 唯 一 仅有 单 功 能 的 I/O端 口 ， 输 出 信号 锁 存 在 端 口上 ， 故 又 称 为通 用 静 态 端 口 。P1口 是 通 用 I/O准 双 向 静 态 端 口 ， 输 出 的 信 息 有 锁 存 。 P1端 口与 P0端 口 的 主 要 区 别 在 于 ， P1端 口 用 内 部 上 拉 电 阻 代 替 了 场 效应 管 T1， 且 输 出 信 息 仅 来 自 内 部 总 线 。 若 输 出 时 D端 的 数 据 为 1，T截 止 输 出 为 1； 若 D端 数 据 为 0， 则 T导 通 ， 引 脚 输 出 为 低 电 平 。当 作 输 入 使 用 时 ， 必 须 向 锁 存 器 写 1， 使 场 效 应 管 截 止 ， 才 可 以作 输 入 用 。 VCCP1.x 锁 存 器读 锁 存 器 D读 引 脚 写 锁 存 器内 部 总 线 QQ T内 部 上 拉 电 阻CL 三 、 P2口 的 结 构和 P1口 比 较 ， P2口 多 了 转 换 控 制 部 分 。 当 P2口 作 通 用 I/O口使 用 时 ， 多 路 开 关 MUX连 接 锁 存 器 的 Q端 ， 构 成 一 个 准 双 向 口 。当 系 统 扩 展 片 外 程 序 存 储 器 时 ， P2端 口 就 用 来 周 期 性 地 输 出 从外 存 中 取 指 令 的 高 8位 地 址 （ A8-A15） ， 此 时 MUX在 CPU的 控制 下 切 换 到 与 内 部 地 址 总 线 相 连 。 因 地 址 信 号 是 不 间 断 的 ， 此时 P2口 就 不 能 用 作 I/O端 口 使 用 了 。 VCC P2.x锁 存 器读 锁 存 器 地 址 控 制D读 引 脚 写 锁 存 器内 部 总 线 QQ MUX T内 部 上 拉 电 阻CL 四 、 P3口 的 结 构当 处 于 第 二 功 能时 ， 锁 存 器 由 硬 件自 动 置 1， 使 与 非 门对 第 二 功 能 信 号 畅通 。 此 时 ， “ 读 引脚 ” 信 号 无 效 ， 左下 的 三 态 缓 冲 器 不通 ， 引 脚 上 的 第 二输 入 功 能 信 号 经 右 下 的 的 缓 冲 器 送 入“ 第 二 功 能 输 入端 ” 。和 P1口 比 较 ， P3口 增 加 了 一 个 与 非 门 和 一 个 缓 冲 器 ， 使 其 各端 口 线 有 两 种 功 能 选 择 。 当 处 于 第 一 功 能 时 ， 第 二 输 出 功 能 线为 1， 此 时 输 出 与 P1口 相 同 ， 内 部 总 线 信 号 经 锁 存 器 和 场 效 应 管输 出 。 当 作 输 入 时 ， “ 读 引 角 ” 信 号 有 效 ， 下 面 的 三 态 缓 冲 器打 开 （ 增 加 的 一 个 为 常 开 ） ， 数 据 通 过 缓 冲 器 送 到 CPU内 部 总线 。 VCCP3.x锁 存 器读 锁 存 器 第 二 输 出 功 能D读 引 脚 写 锁 存 器内 部 总 线 Q T内 部 上 拉 电 阻第 二 输 入 功 能CL P3口 的 第 二 功 能 表 位 线 引 脚 第 二 功 能 P3.0 10 RXD（ 串 行 输 入 口 ） P3.1 11 TXD（ 串 行 输 出 口 ） P3.2 12 INT0（ 外 部 中 断 ） P3.3 13 INT1（ 外 部 中 断 ） P3.4 14 T0（ 定 时 器 的 计 数 输 入 ） P3.5 15 T1（ 定 时 器 的 计 数 输 入 ） P3.6 16 WR（ 外 部 数 据 存 储 器 写 脉 冲 ） P3.7 17 RD（ 外 部 数 据 存 储 器 读 脉 冲 ） 2-2 MCS-51单 片 机 引 脚2-2-1MCS-51单 片 机 引 脚 描 述1 I/O口 线 功 能4个 8位 并 行 I/O 接 口 引 脚 P0.0 P0.7 、 P1.0 P1.7 、 P2.0 P2.7和 P3.0 P3.72 控 制 线ALE： 地 址 锁 存 允 许 信 号 端PSEN： 外 部 程 序 存 储 器 读 选 通 信号 端EA/V PP： 程 序 存 储 器 选 择 信 号 端和 编 程 电 源 输 入 端RST/VPD： 复 位 信 号 端 和 后 备 电源 输 入 端 。为 多 功 能 引 脚 ， 可 自 动 切 换用 作 数 据 总 线 、 地 址 总 线 、 控制 总 线 和 或 I/O 接 口 外 部 引 脚 。 2-2-2 MCS-51单 片 机 的 片 外 总 线 结 构 和 所 有 微 机 一 样 ， MCS-51单 片 机 是 通 过 总 线 来 传 输 各 种 信 息 的 。所 谓 总 线 ， 是 微 机 中 的 一 组 公 用 导 线 ， 是 传 输 信 息 的 公 共 通 道 。各 种 器 件 都 须 通 过 三 态 门 隔 离 再 连 接 到 总 线 上 。微 型 计 算 机 中 的总 线 通 常 分 为 地址 总 线 （ AB） 、数 据 总 线 （ DB）和 控 制 总 线（ CB） 。 MCS-51单 片 机 按 引 脚功 能 分 类 的 片 外总 线 结 构 示 意 图如 右 。 2-3 MCS-51存 储 器 配 置物 理 上 4个 存 储 器 地 址 空 间 ：片 内 /片 外 程 序 存 储 器 空 间片 内 /片 外 数 据 存 储 器 空 间 逻 辑 上 3个 存 储 器 地 址 空 间 ：64KB 程 序 存 储 器256B 片 内 数 据 存 储 器64KB 片 外 数 据 存 储 器 2-3 MCS-51存 储 器 配 置 一 、 程 序 存 储 器64KB 程 序 存 储 器 空 间EA不 同 电 平 ， 选 择 片 内 或 片 外 低 位 存 储 单 元 二 、 数 据 存 储 器1 64KB片 外 数 据 存 储 器 空 间 (与 扩 展 I/O接 口 共 用 )2. 256B片 内 数 据 存 储 器 : 1) 片 内 RAM 2) 特 殊 功 能 寄 存 器 SFR 特 殊 存 储 单 元 ：复 位 入 口 : 0000H中 断 入 口 : 0003H 0023H 1)片 内 RAM工 作 寄 存 器 区 ：字 节 地 址 ： 00H 1FH位 寻 址 区 ：字 节 地 址 ： 20H 2FH位 地 址 为 ： 00H 7FH数 据 缓 冲 区 /堆 栈 区 ：字 节 地 址 ： 00H 7FH一 般 使 用 30H 7FH 2)特 殊 功 能 寄 存 器 SFR占 用 字 节 地 址 ： 80H FFH位 寻 址 寄 存 器 ： 其 字 节 地 址 可 被 8整 除 。专 用 寄 存 器 ：A、 B、 PSW、 DPTR、 SPI/O接 口 寄 存 器 ： P0、 P1、 P2、 P3、 SBUF、TMOD、 TCON、 SCON 几 个 常 用 的 SFR A 累 加 器 。 是 一 个 最 常 用 的 专 用 寄 存 器 ， 其 自 身 带 有 全 零 标 志 Z，若 A=0则 Z=1； 若 A 0则 Z 0。PSW 程 序 状 态 字 寄 存 器 。 其 格 式 如 下 ：SP 堆 栈 指 针 。 DPTR 数 据 地 址 指 针 寄 存 器 。 它 由 DPL（ 低 8位 ） 和 DPH（ 高 8 位 ） 两 个 寄 存 器 组 成 ， 字 节 地 址 分 别 为 82H、 83H， 用 来 存 放 16位 地 址 值 ， 以 便 对 外 部 RAM进 行 读 写 操 作 ， 它 们 既 可 整 体 赋 值 ，也 可 分 开 赋 值 。Cy AC F0 RS1 RS0 OV P CY： 进 借 位 标 志 。 在 运 算 时 有 进 、 借 位 时 ， CY=1； 否 则 CY=0。 AC： 辅 助 进 借 位 标 志 。 当 D3向 D4有 进 、 借 时 ， AC =1； 否 则 AC =0。 F0： 用 户 标 志 。 可 由 用 户 根 据 需 要 自 行 设 定 其 含 义 。 RS1、 RS0： 工 作 寄 存 器 组 选 择 。OV： 溢 出 标 志 。 当 运 算 结 果 超 出 -128 +127的 范 围 时 为 1； 否 则 为 =0。P： 奇 偶 校 验 标 志 。 每 条 指 令 执 行 完 后 ， 根 据 累 加 器 A中 的 个 数 来 决定 ， 当 有 奇 数 个 时 P=1， 否 则 P=0。 2.4 MCS-51的 时 序 及 辅 助 电 路2-4-1 单 片 机 的 时 钟 电 路 。1 内 部 时 钟 方 式 ： 内 部 一 个 高 增 益 反 相 放 大 器 与 片外 石 英 晶 体 或 陶 瓷 谐 振 器 构 成 了 一 个 自 激 振 荡 器 。晶 体 振 荡 器 的 振 荡 频 率 决 定 单 片 机 的 时 钟 频 率 。2 外 部 时 钟 方 式 ： 外 部 振 荡 器 输 入 时 钟 信 号 。 2-4-2 振 荡 周 期 、 状 态 周 期 、 机 器 周 期 和 指 令 周 期1.振 荡 周 期 ： 是 指 为 单 片 机 提 供 时 钟 信 号 的 振 荡 源 的 周 期 。思 考 题 ： 设 应 用 单 片 机 晶 振 频 率 为 6MHz， 问 机 器 周期 为 多 少 ？ 指 令 周 期 分 别 为 多 少 ？3.机 器 周 期 ： 完 成 一 个 基 本 操 作 所 需 要 的 时 间 。一 个 机 器 周 期 由 6个 时 钟 周 期 组 成 。4.指 令 周 期 ： 一 条 指 令 的 执 行 时 间 。以 机 器 周 期 为 单 位 ： 指 令 可 分 为 单 周 期 、 双 周 期 和 四周 期 指 令 。2.时 钟 周 期 ： 是 振 荡 源 信 号 经 二 分 频 后 形 成 的 时 钟 脉冲 信 号 。 2-4-3 单 片 机 复 位 电 路 及 复 位 状 态单 片 机 常 采 用 上 电 复 位 和 按 键 复 位 两 种 方 式 。 按 键 复 位 又 分 为 按 键 电 平 复 位 和 按 键 脉 冲 复 位 ， 按 键电 平 复 位 是 将 复 位 端 通 过 电 阻 与 V CC相 连 ， 按 键 脉 冲 复位 是 利 用 RC微 分 电 路 产 生 正 脉 冲 来 达 到 复 位 目 的 。 上 电 复 位 电 路 ， 在 通 电 瞬 间 ， 在 RC电 路 充 电 过 程 中 ，RST端 出 现 正 脉 冲 ， 从 而 使 单 片 机 复 位 。 单 片 机 复 位 后 的 状 态 复 位 使 单 片 机 进 入 初 始 化 状 态 ， 其 中 包 括 使 程 序 计 数器 PC的 内 容 为 0000H， 这 表 明 单 片 机 从 0000H地 址 单 元开 始 执 行 程 序 。 单 片 机 冷 启 动 后 ， 片 内 RAM的 内 容 为随 机 值 ， 运 行 中 的 复 位 不 改 变 片 内 RAM的 内 容 。 21个特 殊 功 能 寄 存 器 复 位 后 的 状 态 为 确 定 值 ， 见 下 表 所 示 。 特 殊 功 能 寄 存 器 初 始 状 态 特 殊 功 能 寄 存 器 初 始 状 态A 00H TMOD 00H B 00H TCON 00HPSW 00H TH0 00H SP 07H TL0 00HDPL 00H TH1 00H DPH 00H TL1 00HP0-P3 FFH SBUF B IP 00000B SCON 00HIE 0 00000B PCON 0 B