第三章单片机的结构及原理分析

10
时钟电路
产生单片机工作所需的时钟脉冲序列。
11
中断系统
主要作用是对外部或内部的中断请求进行管
理与处理。 AT89S51有5个中断源。
12
3.1.2 引脚定义及功能
13


主电源引脚Vcc和GND XTAL1(19脚)：接外部石英晶体的一端。在单片机内部，它是一个反相 放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部时钟时， 对于HMOS单片机，该引脚接地；对于CHMOS单片机，该引脚作为外 部振荡信号的输入端。 XTAL2（18脚）：接外部晶体的另一端；它是片内振荡电路反向放大器 的输出端，振荡电路的频率就是晶体固有频率。若需采用外部时钟电路 时，此引脚悬空不用。
本章目录
单片机的结构 3.2 单片机的工作原理 3.3 80C51的存储器 3.4 输入/输出端口 3.5 CPU时序及时钟电路 3.6 复位和复位电路 3.7 80C51系列单片机的低功耗方式
3.1
1
单片机结构与原理
教学目的：了解80C51系列单片机的内部结
构、工作原理 、存储器结构、时序及复位电 路等硬件内容。 教学重点：1.内部主要组成及工作原理 ； 2.存储器结构特点； 3. I/O 的复用结构,及应用特点； 4 .时序及复位电路的作用。 教学难点：1 .特殊功能寄存器的作用； 2 .堆栈及堆栈指针的作用。
码，并通过定时和控制电路，在规定的时刻 发出各种操作所需的全部内部控制信息及 CPU外部所需的控制信号，使各部分按照一 定的节拍协调工作，完成指令所规定的各种 操作。
18
程序计数器PC
PC用于存放CPU下一条要执行的指令地址, 是一个 16 位的专用寄存器,由两个8位计数器PCH、PCL组 成，可寻址范围是0000H~0FFFFH共 64 KB。 程序中的每条指令存放在ROM区的某一单元, 并都 有自己的存放地址。 CPU 要执行哪条指令时, 就把 该条指令所在的单元的地址送上地址总线。 PC具有自动加1功能， 在顺序执行程序中, 当PC的 内容被送到地址总线后, 会自动加 1, 即(PC)← (PC)+1, 又指向CPU 下一条要执行的指令地址。 改变PC内容，改变执行的流向。
XTAL1
XTAL2
图3.2 AT89S51/S52内部结构框图
4
中央处理器（CPU）
中央处理器是单片机最核心的部分，主要完
成运算和控制功能； 80C51系列的CPU是一个字长为8位的中央处 理单元，它对数据的处理是以字节为单位进 行的。
5
数据存储器（内部RAM）
用于存放变化的数据；
B寄存器
暂存器1 ALU
暂存器2
ACC
SP
Biblioteka Baidu
程序地址 寄存器 缓冲器 PC增1
PSEN ALE EA RST
定 时 和 控 制 电 路 OSC
指 令 译 码 器
指 令 寄 存 器
PSW
中断、串行口和定时器 PC 双DPTR
P3锁存器 看门狗 P3驱动器 P3.0～P3.7
P1锁存器
ISP端口
编程逻辑
P1驱动器 P1.0～P1.7
15
3.2 单片机的工作原理
3.2.1 指令与程序
指令是规定计算机执行某种操作（如加、减
等）的命令； 指令通常分为操作码和操作数两部分
操作码：规定操作的类型； 操作数：给出参加操作的数据或存放数据的地址；
计算机全部指令的集合成为指令系统； 程序是根据任务要求有序地编排指令的集合。
80C51单片机中，通常将专用寄存器在逻辑
上划分在内部RAM中，因为其地址与RAM是 连续的； AT89S51中数据存储器的地址空间为256个 RAM单元，其中能作为数据存储器供用户使 用的仅有前面的128个，后128个被专用寄存 器占用。
6
程序存储器（内部ROM）
存放程序和固定不变的常数等；通常采用只


RST：复位信号输入端，高电平有效。当此输入端保持两个 机器周期的高电平时，就可以完成复位操作。
ALE/PROG ALE：地址锁存允许信号端。正常工作时，该引脚以振荡频率的1/6 固定输出正脉冲。CPU访问片外存储器时，该引脚输出信号作为锁 存低8位地址的控制信号。它的负载能力为8个LS型TTL负载。 PROG：是对片内程序存储器编程写入时的编程脉冲输入端。
2
3.1 单片机的结构
3.1.1 标准型单片机的组成与结构
外部中断源 定时器2 中断控制 程序 存储器 数据 存储器 总线控制 定时器1 定时器0 内部总线 计数器 输入
内部中断源 CPU
振荡器
看门狗
SPI 串行端口
I/O端口
UART 串行端口
TXD RXD
MISO MOSI CLK P 0 P 2 P1 P 3
14

PSEN：片外程序存储器选通控制信号端。在访问 片外ROM时，定时输出负脉冲作为读片外ROM的选 通信号，接片外ROM 的OE端。 EA/Vpp：内、外程序存储器选择/编程电源输入端

EA：当该引脚接高电平时，CPU访问片内EPROM/ROM并执
行片内程序存储器中的指令，但当PC值超过0FFFH（片内 ROM为4KB）时，将自动转向执行片外ROM中的程序。当 该引脚接低电平时，CPU只访问片外EPROM/ROM并执行外 部程序存储器中的程序。 Vpp：对片内闪存固化编程时，编程电压输入端
读存储器； 89系列单片机中全部采用闪存。
7
定时/计数器
实现定时和计数功能。
8
并行I/O口
AT89S51/S52共有4个8位并行I/O口。
主要用于实现与外部设备中数据的并行输入/
输出。
9
串行口
AT89S51/S52有1个UART全双工异步串行口，
用以实现单片机和其他具有相应接口的设备 之间的异步串行数据传送。 AT89S51/S52还有一个ISP串行口，用于实 现串行在线下载程序。
地址 / 数据
特征：将组成计算机的基本部件集成在一块芯片上。中央处理器、并行可编程I/O、 可编程串行口、定时器/计数器、定时电路及元件等，各部分通过内部总线相连
3
P0.0～P0.7 VCC GND RAM地址 寄存器 RAM P0驱动器
P2.0～P2.7 P1驱动器
P0锁存器
P1锁存器
ROM 内 部 总 线
16
3.2.2 CPU的工作原理
CPU主要由控制器和运算器两大部分组成；
控制器根据指令码产生控制信号，使运算器、
存储器、输入输出端口之间能自动协调地工 作； 运算器用于进行算术、逻辑运算以及位操作 处理等。
17
1、控制器
用来统一指挥和控制计算机工作的部件。
功能：从存储器中逐条取指令，进行指令译