单片机硬件结构
单片机第二章MCS-51系列单片机硬件结构
3. P1口（P1.0~P1.7，1脚~8脚）
P1口仅用作I/O使用，它也是自带上拉电阻的8 位准双向I/O接口，每一位可驱动4个LSTTL负载。 当P1口作为输入接口时，应先向口锁存器写“1”。 4. P3口（P3.0~P3.7，10脚~17脚）
除了和P1口的功能一样外， P3口的每一引脚还具有第二功能。
第二章 单片机的硬件结构
2.1 MCS-51单片机的总体结构
2.2 微处理器 2.3 MCS-51存储器 2.4 MCS-51基本电路及引脚电路 2.5 实例演练
2.1MCS-51单片机的总体结构
一，8031芯片实照
二，MCS-51单片机外形是一个40脚的双列直插式集成块：
P10 P1.1 P12 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 RST/VPD RXD/P3.0 TXD/P3.1 INT0/P3.2 INT1/P3.3 T0/P3.4 T1/P3.5 WR/P3.6 RD/P3.7 XTAL2 XTAL1 Vss 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 Vcc P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 EA/VPP ALE/PROG PSEN P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0
ALE地址锁存使能信号输出端。存取 片外存储器时，用于锁存低8位地址。 PROG是对于EPROM型单片机，在 EPROM编程期间，此引脚用于输入编 程脉冲。
ALE/ PROG (30脚)
控制 引脚
C51单片机的硬件结构
输入/输出(I/O)接口
通用I/O端口
用于连接外部设备和输入/输出 信号。
定时器/计数器
用于产生定时信号和控制外部 事件。
A/D转换器
用于模拟信号转换为数字信号 。
D/A转换器
用于数字信号转换为模拟信号 。
时钟电路
时钟源
提供单片机工作所需的时钟信号。
振荡器
产生原始时钟信号。
定时器
用于产生各种定时/计数功能。
计数等功能。
定时器/计数器通常由一个或多 个计数器组成，可以配置为定时 模式或计数模式，以实现不同的
应用需求。
串行通信接口
串行通信接口是C51单片机中 用于与其他设备进行通信的硬 件设备。
它支持异步和同步两种通信方 式，可以与其他单片机、计算 机或其他设备进行数据传输。
串行通信接口通常包括一个发 送器和接收器，可以配置为不 同的波特率和数据格式，以满 足不同的通信需求。
04
C51单片机的硬件编程与开发
C51单片机的编程语言
C语言
C51单片机主要使用C语言进行编程， 因为C语言具有高效、易读、易维护 的特点，并且能够直接操作硬件。
汇编语言
在一些特殊情况下，如优化性能或访 问特定硬件功能时，以使用汇编语 言进行编程。
C51单片机的开发环境
Keil uVision
THANK YOU
存储容量
C51单片机内部集成了较大容量的Flash存储器，可存储更多的程序 代码和数据，同时支持外部扩展，满足大容量存储需求。
功耗
C51单片机采用低功耗设计，在保证性能的同时降低功耗，延长了产 品的使用寿命。
与其他微控制器的功能比较
定时器/计数器
C51单片机内置多个定时器/计数 器，支持定时/计数功能，适用于 各种时间控制和事件计数应用。
单片机的硬件结构和原理
单片机的市场和研究现状
随着物联网、人工智能等行业的不断发展，单片机市场需求呈现爆发式增长，各国学者和工程师也在不断探索 单片机的新技术、新应用。
晶体管
单片机内部开关，用于控制电路 和提供时钟信号。
电容器
用于存储电荷和调节电压，保证 单片机稳定运行。
电阻器
用于控制电流和电压大小，保护 单片机内部电路。
单片机的存储系统
1 ROM
只读存储器，用于存储程 序代码和固定数据。
2 RAM
随机存储器，用于临时存 储程序数据和运行状态。
3 Flash
闪存存储器，可擦写多次， 用于存储程序、数据和升 级信息。
中断优先级
设备优先级高的中断请求将 先得到处理。
单片机的定时器和计数器
定时器
在单片机内部生成一个基准信号，用于控制程序执 行时间。
计数器
用于记录和计算单片机产生的信号脉冲数目，可用 于计量和统计。
单片机的应用案例
1
电子钟
通过单片机控制时钟芯片，实现秒、分、时的精确显示。
2
温度计
通过单片机采集温度传感器的信号，实现温度的测量和显示。
3
遥控器
通过单片机处理按键输入信号，实现对电器设备的遥控操作。
单片机的不足和发展趋势
单片机虽然功能强大，但其成本、功耗和性能限制着应用场景。未来单片机 将会更小、更省电，集成更多功能和计算能力。
单片机的编程语言和调试工具
汇编语言
C语言
调试工具
直接操作机器指令，编写效率高， 但学习难度较大。
高级编程语言，易于学习和掌握， 编写效率高。
单片机的硬件结构和原理
单片机是现代电子技术中常用的控制器件，本次演讲将介绍单片机的基本原 理、硬件结构和应用领域。
MC51单片机的硬件结构
取指令
分析
执行
2.1 MCS - 51系列单片机旳基本构造
单片机是一种大规模集成电路芯片，其上集成有CPU、 存储器、I/O口(串行口、并行口)、其他辅助电路(如中断 系统，定时/计数器，振荡电路及时钟电路等)。
其基本构造框图如下：
VCC VS S
RAM地 址 寄存器
最终止果
原始数据
输入设备 与程序
数
中间成果/
据
最终成果
存储器 最终
成果
输出设备
程 序
控制器
计算机系统旳硬件构成框图
单片机 微机 返回
CPU
存储器
DB
AB CB I/O口
微机旳构造框图
单片机 计算机 返回
2.2 中央处理器CPU
DPTR RAM PC ROM
SP
A TMP B
PSW ALU
P0
P0
当A中1旳个数为奇数时， P =1； 当A中1旳个数为偶数时， P =0。
D0 P
返回
DPTR RAM PC ROM
P0
SP
A TMP B
P1
P2
PSW
P3
1、SP称为堆栈指针，8位寄存器
2、 SP用来存储堆栈栈顶旳地址。
X1 X2
振P 荡 L IDIR
A
串口
中断
定时
PSEN RST ALE EA
P2
P2
P3
P3
X1 X2
振P 荡 L IDIR
A
串口 中断
定时
PSEN RST ALE EA
80C51单片机旳内部构造
返回
DPTR RAM PC ROM
单片机原理及应用第2章AT89s51单片机的 硬件结构
AD0 控制 地址/数据
BUF2
D
Q
锁存器
C
Q
1 0
多路开关
读引脚
P0R2
BUF1
图1、P0口内部结构
Vcc
P00
说明： 1、当控制信号为0时，P0口做双 输向出I/锁O口存，器为漏极开路（三态） 2、两控个制输信入号缓为冲1时器，(BUPF01口和为BU地F2)址/ 推数拉据式复I/用O驱总线动器
2.2.3 I/O口引脚 P0：双向8位三态口，A7~A0/D7~D0，开漏输出，
作为输出口时，须外加上拉电阻，可驱动8个 TTL负载。
P1，P2,P3：
8位准双向口，片内有上拉电阻，作输入口 时，须先写入“1”，可驱动4个TTL负载。
P1：通用I/O
P2：I/O口/A15~A8
P3：I/O口/第二功能
多路开关
1) 功能：用于控制选通I/O方式
3、还P是0R地1为址读/数锁据存输器出信方号式， 2) 方执式行控“制AN：L由P内0,部#0控FH制”信时号
产该生信号有效
4、P0R2为读引脚信号，执行 “MOV A,P0”时该信号有效
6、读引脚（端口）时，输出 锁存器应为“1”
P0口：
作输出口时，外须接上拉电阻，才能输出“1” P0~P3作为输入口使用时，必须先向其锁存器写入
2.4.3 特殊功能寄存器（SFR）
26个:80H~FFH, 有些SFR可以进行位寻址
这里简单介绍一些SFR 1．堆栈指针SP
①SP:8位, 指示栈顶
7FH 片内RAM
SP
XX
②向上生长型
PUSH后，(SP)+1SP POP后，(SP)-1SP
堆栈
c51单片机基础知识
C51单片机是一种基于C语言的微控制器，具有强大的处理能力和灵活的编程特性。
以下是一些关于C51单片机的基础知识：
硬件结构：C51单片机采用冯·诺依曼结构，由运算器、控制器、存储器、输入输出设备等组成。
存储器：C51单片机内部有一个程序存储器（Flash ROM）、一个数据存储器（RAM）和一个特殊功能寄存器（SFR）。
程序存储器用于存储程序，数据存储器用于存储变量和临时数据，特殊功能寄存器用于控制各种外设和功能。
指令系统：C51单片机的指令系统类似于C语言，包括算术指令、逻辑指令、数据传输指令、程序控制指令等。
外设：C51单片机有多种外设，如定时器/计数器、串行通信接口、中断控制器、I/O端口等。
这些外设可以通过特殊功能寄存器进行配置和控制。
开发环境：C51单片机的开发环境通常包括编译器、调试器和集成开发环境（IDE）。
编译器将C语言代码转换为单片机可执行的机器码，调试器用于在单片机上进行程序调试和仿真，IDE提供了代码编写、编译、调试和下载的一体化环境。
应用领域：C51单片机广泛应用于各种嵌入式系统，如智能仪表、家电控制、通信设备、工业自动化等领域。
总之，C51单片机是一种功能强大、易于编程的微控制器，通过学习和掌握其基础知识，可以开发出各种高效的嵌入式应用系统。
单片机的硬件结构及原理
1．单片机应用的特点 软硬件结合、多学科交叉； 应用现场环境恶劣（电磁干扰、电源波动、 冲击振动、高低温湿度等）； 应用领域广泛且意义重大（硬件软化--微控 制技术）。
00H~07H
R0~R7
0
1
1组
08H~0FH
R0~R7
1
0
2组
10H~17H
R0~R7
0
1
3组
18H~1FH
R0~R7
单片机复位时，RS1=RS2=00，默认为第0组
2.3.2 控制器
1. 时钟电路
图 2.2 单片机时钟电路（a） 内部时钟电路； （b） 外部振荡源一般地，取C1=C2=30pF, 晶振为6MHz或12MHz
6. 数据指针寄存器DPTR 数据指针DPTR是一个 16 位的专用寄存器, 其高位字节寄存器用DPH表示,低位字节寄存器用DPL表示。既可作为一个 16 位寄存器DPTR来处理, 也可作为两个独立的 8 位寄存器DPH和DPL来处理。 DPTR 主要用来存放 16 位地址, 当对 64 KB外部数据存储器空间寻址时, 作为间址寄存器用。在访问程序存储器时, 用作基址寄存器。
(2) PSEN(29脚)：片外程序存储器读选通信号输出端，低电平有效。当从外部程序存储器读取指令或常数期间，每个机器周期该信号两次有效，以通过数据总线P0口读回指令或常数。在访问片外数据存储器期间，PSEN信号将不出现。 (3) RST/VPD(9脚)：RST即为RESET，VPD为备用电源。该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平，就可实现复位操作，使单片机回复到初始状态。上电时，考虑到振荡器有一定的起振时间，该引脚上高电平必须持续10 ms以上才能保证有效复位。 当VCC发生故障，降低到低电平规定值或掉电时，该引脚可接上备用电源VPD(+5 V)为内部RAM供电，以保证RAM中的数据不丢失。
单片机的硬件结构
22
第二章 单片机的硬件结构
2.2 外部引脚功能
2024/4/9
23
MCS－51系列单片机 采用40个引脚的双列 直插式塑料封装的芯 片。
共可分为四个部分：
1、电源2个
2、外接晶体振荡器2个
3、控制信号引脚4个
4、I/O引脚32个
2024/4/9
24
一、主电源引脚
• VDD：接＋5V电源
• VSS：接地端
其中乘（MUL）、除（DIV）运算是执行时 间最长的指令。
2）累加器ACC
累加器ACC是最常用的专用寄存器。进入 ALU作算术操作和逻辑操作的操作数很多来 自ACC，操作的结果也常送回ACC。
3）B寄存器
是ACC的辅助寄存器，在乘除时，ACC不够
用便使用B寄存器。
2024/4/9
7
2、控制器
控制器是CPU的大脑中枢，它以定时控制逻辑为中 心，按照人们预先给定的计算步骤，即预先编写好 的已经输入到计算机存储器中的程序发出一系列控 制信号，控制计算机各个部件的工作，如运算、存 储等。
高128B地址空间的RAM 称为特殊功能寄存器SFR。 但SFR18个寄存器只占用了21B供用户使用。其 他的107B系统保留。
2024/4/9
13
2024/4/9
14
1)片内RAM（00～ 7FH）
工作寄存器区：（32B）
字节地址：00H～1FH
位寻址区：（16B） 字节地址：20H～2FH 位地址为：00H～7FH
它实际上是一个完整的1位微处理器，这个1位 机有自己的CPU、位寄存器、I/O口和指令集。可 提供17条位操作指令，硬件有自己的“累加器” （进位位C）和自己的位寻址RAM和I/O空间，所 以是一个独立的位处理机。
单片机的结构及原理
单片机的结构及原理单片机（Microcontroller Unit，简称MCU）是一种小型、低成本且功能强大的微处理器。
它集成了中央处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入/输出端口（I/O）、时钟电路以及各种外设接口等组成部分，可广泛应用于各个领域，如家用电器、工业自动化、汽车电子等。
一、单片机的结构单片机的基本结构包括如下组成部分：1. 中央处理器（CPU）：负责处理各种指令和数据，是单片机的核心部件。
它通常由控制单元和算术逻辑单元组成，控制单元用于控制指令的执行，算术逻辑单元用于执行各种算术和逻辑运算。
2. 存储器（Memory）：包括随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。
RAM用于存储临时数据和程序运行时的变量，ROM用于存储固定的程序指令和常量数据。
3. 输入/输出端口（I/O）：用于与外部设备进行数据交互，包括输入口和输出口。
输入口用于接收来自外部设备的信号或数据，输出口则用于向外部设备输出信号或数据。
4. 时钟电路（Clock）：提供单片机运行所需的时钟信号，控制程序的执行速度和数据的处理。
5. 外设接口（Peripheral Interface）：用于连接各种外部设备，如显示器、键盘、传感器等。
通过外设接口，单片机可以与外部设备进行数据交换和控制操作。
二、单片机的工作原理单片机的工作原理如下：1. 程序存储：单片机内部ROM存储了一段程序代码，也称为固化程序。
当单片机上电或复位时，程序从ROM中开始执行。
2. 取指令：控制单元从ROM中读取指令，并将其送入指令寄存器。
3. 指令译码：指令寄存器将读取的指令传递给控制单元，控制单元根据指令的类型和操作码进行译码，确定指令需要执行的操作。
4. 指令执行：控制单元执行译码后的指令，包括算术逻辑运算、数据传输、输入输出等操作。
5. 中断处理：单片机可响应外部中断信号，当发生中断时，单片机会中止当前的程序执行，转而处理中断请求。
单片机的结构原理
单片机的结构原理单片机（Microcontroller Unit，MCU）是一种集成电路，具备处理器核心、存储器、外设接口以及时钟源等功能，能够完成各种计算和控制任务。
它在现代电子设备中广泛应用，如家用电器、汽车电子、通信设备等。
一、单片机的内部结构1. 处理器核心：单片机的处理器核心是其最基本的部分，通常包括中央处理器（Central Processing Unit，CPU）、寄存器（Registers）以及指令集（Instruction Set）。
处理器核心负责执行程序指令，进行数据处理和控制操作。
2. 存储器：单片机需要存储程序代码和数据，因此内部通常集成了不同类型的存储器。
其中，闪存（Flash）用于存储程序代码，随机存储器（Random Access Memory，RAM）用于存储临时数据。
有些单片机还会集成非易失性存储器（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM），用于存储常驻数据。
3. 外设接口：单片机通过外设接口与外部器件进行通信和控制。
常见的外设接口包括通用输入输出口（General Purpose Input/Output，GPIO）、串行通信接口（Serial Communication Interface，SCI/UART）、并行通信接口（Parallel Communication Interface，PCI）等。
不同的单片机可能具备不同的外设接口，以适应各种应用需求。
4. 时钟源：单片机需要时钟信号来同步处理器核心和外设操作。
时钟源可以是外部晶体振荡器或者内部振荡电路产生的振荡信号。
时钟源决定了单片机的运行速度，通常以赫兹（Hz）为单位表示。
二、单片机的工作原理单片机的工作原理主要包括四个阶段：初始化（Initialization）、执行（Execution）、中断（Interrupt）和休眠（Sleep）。
单片机硬件构成
单片机硬件构成单片机是一种集成电路芯片，是现代电子设备中智能控制的核心部件。
它采用高度集成的设计和先进的制程工艺，集成了微处理器核心、存储器、输入输出接口、时钟电路等多个功能模块，实现了计算、存储、控制等多种操作。
单片机的硬件构成是其功能实现的基础，下面我们将介绍单片机硬件构成的一些重要组成部分。
一、中央处理器（CPU）中央处理器是单片机的核心部件，负责数据处理和指令执行。
它包括运算器和控制器两个功能模块。
运算器用于进行算术和逻辑运算，控制器用于解码指令并控制其他部件的工作。
中央处理器的性能和功能决定了单片机的计算能力和控制能力。
二、存储器单片机内部集成了多种存储器，包括程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）和特殊功能寄存器等。
程序存储器用于存储程序代码，常用的有闪存和EEPROM等。
数据存储器用于存储数据，包括变量、寄存器等。
特殊功能寄存器用于存储特定功能的配置信息和控制状态。
三、输入输出接口单片机通过输入输出接口与外部设备进行通信和控制。
输入接口用于接收外部信号，常见的输入接口包括数字输入口、模拟输入口、串行通信接口等。
输出接口用于向外部设备发送信号，常见的输出接口包括数字输出口、模拟输出口、PWM输出等。
四、时钟电路时钟电路是单片机运行的基础，它提供稳定的时钟信号用于控制和同步各个模块的操作。
单片机的时钟电路一般由晶体振荡器、时钟分频电路和时钟源等组成。
时钟信号的频率决定了单片机的运行速度，常见的频率有8MHz、16MHz等。
五、复位电路复位电路用于将单片机从初始状态恢复到稳定的工作状态。
当单片机上电或发生异常情况时，复位电路可以自动将其复位，并清除各个模块的寄存器值，确保单片机的可靠运行。
复位电路通常由复位检测电路和复位发生器组成。
六、外设接口单片机通过外设接口与外部设备进行连接和控制。
外设接口包括通用输入输出口（GPIO）、串行通信接口（UART/SPI/I2C）、模拟输入输出口（ADC/DAC）等。
单片机的硬件结构和原理
仿真器
硬件仿真器
硬件仿真器是一种基于硬件的仿真工具，通过模拟单片机的各种硬件特性，可以实现单片机的仿真和调试。
软件仿真器
软件仿真器是一种基于软件的仿真工具，通过模拟单片机的软件运行环境，可以实现单片机的仿真和调试。
06 单片机发展趋势与展望
低功耗设计
节能环保需求
降低散热需求
随着全球能源危机和环保意识的提高， 低功耗设计成为电子设备发展的必然 趋势。
寻址方式
寻址方式是指令中用于指定操作数所在位置的方式，包括 直接寻址、间接寻址、寄存器寻址等。不同的寻址方式会 影响单片机的执行效率和代码大小。
执行过程
取指 取指是指单片机从内存中取出指 令的过程。取指后，单片机将指 令解码并执行相应的操作。
回写 回写是指单片机的执行结果写回 到内存或寄存器中的过程。回写 过程中可能需要更新内存或寄存 器中的数据。
医疗设备
单片机可以用于实现各种医疗 设备的控制和数据采集，如监
护仪、医用分析仪等。
单片机的发展历程
01
02
03
初代单片机
早期的单片机采用8位处 理器，功能较为简单，主 要用于控制领域。
8051单片机
8051单片机是当前应用最 广泛的8位单片机之一， 具有简单易用、可靠性高 的特点。
ARM单片机
ARM单片机采用32位处 理器，具有高性能、低功 耗的特点，主要用于高端 应用领域。
集成开发环境（IDE）
Keil uVision
Keil uVision是一款流行的单片机集成开发环境，支持多种单片机 型号，提供代码编辑、编译、调试等功能。
IAR Embedded Workbench
IAR Embedded Workbench是一款专业的单片机开发工具，支持 多种单片机型号，提供丰富的库函数和中间件。
8051单片机硬件结构
8051单片机硬件结构
8051单片机是一款广泛应用于嵌入式系统设计中的微控制器。
它由英特尔公司于1980年推出，是目前应用最广泛的8位单片机之一、8051单片机的硬件结构包括中央处理器、存储器、输入/输出接口和定时器/计数器等模块。
1.中央处理器（CPU）：
8051单片机使用的是Harvard结构的CPU，包括一个8位的ALU（算术逻辑单元）、一个8位的累加器（Accumulator）和一个8位的程序计数器（PC）。
该CPU还包括4个通用寄存器（R0-R3）和1个存储器指针寄存器（DPTR）。
它还具有处理器状态字寄存器（PSW）和堆栈指针（SP），用于管理程序的执行状态和堆栈操作。
2.存储器：
3.输入/输出接口：
8051单片机提供了大量的输入/输出引脚，用于连接外部设备。
它支持多种输入/输出方式，包括双向I/O口、专用I/O口、串行口和中断端口等。
每个I/O口都可以配置为输入或输出，并且可以通过寄存器编程来控制。
4.定时器/计数器：
8051单片机内置了2个独立的定时器/计数器模块，用于生成精确的时间延迟和测量外部事件。
定时器模块可以配置为定时器或计数器，并具有可编程的预分频器和计数器。
它还可以通过中断机制触发中断请求，用于实现实时操作和时序控制。
5.中断控制器：
6.时钟源：
总之，8051单片机的硬件结构包括中央处理器、存储器、输入/输出接口、定时器/计数器、中断控制器和时钟源等模块。
这些硬件模块相互配合，实现了单片机的功能扩展和系统控制能力。
它广泛应用于各种嵌入式系统设计中，如家电控制、工业自动化、汽车电子等。
MCS51单片机的硬件结构
S3 S4 S5 S6 S1
例：MOV A,#09H
3、指令周期 是执行一条指令所需时间. 指令分为：单字节、双字节、三字节指令. 执行一条指令的时间：简单的1个机器周期,复杂的需2个或多
个机器周期.〔单、双字节指令为单机器周期；三字节都是双机器 周期；乘、除为4个机器周期〕
4、指令时序 执行指令,分为取指阶段和执行指令阶段.
2拍P1、P2,一个时钟周期时钟脉冲可表示为：S1P1,…S6P2〕 〔fosc=6MHz时,Tcy=2μs； fosc=12MHz时,Tcy=1μs 〕
一个机器周期
S1 S2 S3 S4 S5 S6 S1 S2 S3 S4 S5 S6
P1 P2
P1 P2
ALE
读操作码 S1 S2
读下一个操作码（丢弃 ） 单字节单周期指令
*输出电路有上拉电阻〔输出不是三态的,为准双向口〕,在输入数据时, 应先向其锁存器写入1,使输出驱动电路的FET截止.
P2口的位结构电路原理图
四、P3端口 字节地址B0H,位地址B0H~B7H. 作用：通用I/O口；第二功能口.
P3口的位结构电路原理图
2.6 时钟电路与时序
时钟电路→产生时钟控制信号→ 控制单片机严格地按照时序执 行指令.
一、P0端口 字节地址80H,位地址80H~87H. 结构：锁存器,输出驱动电路,输入缓冲器 工作过程： *地址/数据线；
*通用I/O口〔输入时,应先向锁存器写入1；输入分有读引脚、读端口； 输出时须外接上拉电阻〕；
读锁存器
地址/数据 控制 &
内部总线 写入
D锁存器Q CP Q
MUX
VCC P0.x
时序：单片机内的各种操作都是在一系列脉冲〔控制信号〕 控制下进行的,而各个脉冲〔控制信号〕在时间上是有先后顺序的, 这种顺序就称为时序.
单片机的硬件结构基本框架
单片机的硬件结构基本框架概述单片机是集成在一个芯片上的微型计算机系统，具有独立的处理器、内存、输入输出接口等，常用于各种嵌入式系统中。
单片机的硬件结构是实现其功能的基本框架，本文将介绍单片机的硬件结构基本框架。
基本组成单片机的硬件结构基本包括以下几个组成部分：1.中央处理器（CPU）：中央处理器是单片机的核心部分，负责执行指令和控制系统的各种操作。
CPU通常由运算器、控制器和寄存器组成。
2.存储器（Memory）：存储器用于存放程序代码和数据，其中程序代码存放在只读存储器（ROM）中，数据可以存放在随机存储器（RAM）、输入输出接口中的寄存器等地方。
3.输入输出接口（IO）：输入输出接口用于与外部设备进行数据交换，常见的接口有通用输入输出口（GPIO）、串口、并口、定时器等。
4.时钟（Clock）：时钟提供给CPU和其他模块进行同步操作，单片机的运行速度以时钟频率为单位。
5.复位电路（Reset Circuit）：复位电路用于在单片机上电或复位时将其状态恢复到初始状态，确保系统正常启动。
6.电源（Power）：电源提供给单片机所需的电压和电流，保证其正常工作。
具体说明中央处理器（CPU）中央处理器是单片机的核心，负责执行指令和控制系统的各种操作。
CPU通常由运算器、控制器和寄存器组成。
•运算器：运算器负责进行数据的加减乘除和逻辑运算等操作。
•控制器：控制器负责对指令进行解码执行，并控制系统的各种操作。
•寄存器：寄存器用于存放数据和指令，如程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、累加器（ACC）等。
存储器（Memory）存储器用于存放程序代码和数据，包括只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM）等。
•只读存储器（ROM）：只读存储器用于存放程序代码，其中的内容在制造时就被固定下来，无法被修改。
•随机存储器（RAM）：随机存储器用于存放数据，可以读写操作。
RAM中的数据会在断电时丢失，因此需要外部电源供电来保持其中的数据。
详解51单片机基本硬件结构
详解51单片机基本硬件结构51单片机是一种非常常见的单片机，其基本硬件结构包括中央处理器、存储器、输入/输出端口、定时器/计数器和串行通信接口等几个主要部分。
首先是中央处理器，它是整个单片机的核心部分，负责控制和执行指令。
51单片机采用的是基于哈佛结构的架构，具有8位宽的数据总线和16位宽的地址总线。
它包括一个累加器和一组通用寄存器，用于存储临时数据和运算结果。
中央处理器还包括指令寄存器和程序计数器，用于存储当前执行的指令和指向下一条指令的地址。
其次是存储器部分，51单片机包括程序存储器和数据存储器。
程序存储器用于存储程序的指令，通常是只读存储器，常见的是闪存。
数据存储器则用于存储程序执行过程中的数据，可以是随机存取存储器（RAM）或者只读存储器（ROM）。
接下来是输入/输出端口，它是单片机与外部设备进行数据交换的接口。
51单片机通常有多个输入/输出端口，每个端口包含8个引脚，可以通过编程控制这些引脚的电平状态。
输入/输出端口可以连接各种外设，如按键、LED灯和液晶显示屏等。
定时器/计数器是51单片机中非常重要的功能模块之一。
它可以用来生成精确的时间延迟和周期性的定时信号。
定时器/计数器可以由中央处理器编程控制，通常用于实现各种定时、计数和脉冲宽度调制等功能。
最后是串行通信接口，它是51单片机与外部设备进行串行数据传输的接口。
常见的串行通信接口有UART（通用异步收发器）和SPI （串行外设接口），它们可以实现单片机与计算机、传感器、显示器等设备之间的数据通信。
除了以上几个主要部分之外，51单片机还包括一些辅助功能模块，如时钟电路、复位电路和电源管理电路等。
时钟电路用于提供单片机的时钟信号，控制指令的执行速度。
复位电路用于将单片机恢复到初始状态，以便重新启动程序。
电源管理电路则用于提供稳定的电源电压，保证单片机正常工作。
51单片机的基本硬件结构包括中央处理器、存储器、输入/输出端口、定时器/计数器和串行通信接口等几个主要部分。
MCS-51单片机的基本组成
RST/VP D（9脚）
EA/VPP （31脚）
电源端，接＋5 V。
RST即为RESET，VPD为 备用电源。
2）晶体振荡器接入或外部振荡信号输入引脚 （1）XTAL1（19脚）：晶体振荡器接入的一个引脚。采用外部
振荡器时，此引脚接地。 （2）XTAL2（18脚）：晶体振荡器接入的另一个引脚。采用外
方式可以分成两大类：一类是随机存取存储器（random access memory， RAM），主要用于存放暂存数据及调试程序,所以又称为数据存储器；另 一类是只读存储器（read only memory，ROM），主要用于存放常数及固 定程序，又称为程序存储器。
存储器内部结构
Hale Waihona Puke 3.定时器/计数器 8051单片机有两个16位的可编程定时器/计数器T0和T1，用于精
部振荡器时，此引脚作为外部振荡信号的输入端。 3）地址锁存及外部程序存储器编程脉冲信号输入引脚
ALE/PROG（30脚）：地址锁存允许信号输出/编程脉冲输入引 脚。ALE为地址锁存允许信号输出引脚，当8051单片机上电正常工 作时，自动在该引脚上输出六分之一晶振频率（fOSC/6）的脉冲序 列。当CPU访问外部存储器时，此信号作为锁存低8位地址的控制信 号。PROG为编程脉冲输入引脚，在对片内ROM编程写入时，作为编 程脉冲输入端。
1.2 单片机的片外总线与引脚功能
1.MCS-51单片机的引脚分布
MCS-51系列单片机引脚图和逻辑图
2.MCS-51单片机的引脚功能 1）电源及复位引脚
接地端。
VCC（40 脚）
VSS（20 脚）
EA为片内外程序存储器选用端。 该引脚为低电平时，只选用片外 程序存储器；该引脚为高电平 时，先选用片内程序存储器，然 后选用片外程序存储器。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
当看门狗定时器溢出输出时，该脚将输出长达96个时钟振荡 周期的高电平。
（2）EA*/VPP (Enable Address/Voltage Pulse of Programing，31脚) EA*：引脚第一功能：外部程序存储器访问允许控制端。 EA*=1，在PC值不超出0FFFH（即不超出片内4KB Flash存储器的地址范围）时，单片机读片内程序存储器 （4KB）中的程序，但PC值超出0FFFH （即超出片内4KB Flash地址范围）时，将自动转向读取片外60KB（1000HFFFFH）程序存储器空间中的程序。
出锁存器写入1。可驱动4个LS型TTL负载。 P3口还可提供第二功能。第二功能定义如表2-1，应熟记。
17
RIWNDRT01
18
综上所述，P0口可作为总线口，为双向口。作为通用的 I/O口使用时，为准双向口，这时需加上拉电阻。P1口、P2 口、P3口均为准双向口。
注意：准双向口与双向口的差别。准双向口仅有两个状态 。而P0口作为总线使用，口线内无上拉电阻，处于高阻“悬 浮”态。故P0口为双向三态I/O口。
片内20KB），如片内容量不够，片外可外扩至64KB。 （4）中断系统 具有6个中断源，2级中断优先权。 （5）定时器/计数器 2个16位定时器/计数器（52子系列有3个），4种工作方式。
7
（6）1个看门狗定时器WDT
当CPU由于干扰使程序陷入死循环或跑飞时，WDT可使程序恢复 正常运行。
（7）串行口
14
（4） PSEN* （Program Strobe ENable，29脚） 片外程序存储器读选通信号，低有效。
2.2.3 并行I/O口引脚 （1）P0口：8位，漏极开路的双向I/O口 当外扩存储器及I/O接口芯片时，P0口作为低8位地址总线及
数据总线的分时复用端口。 P0口也可作通用的I/O口用，需加上拉电阻，这时为准双向
Special Function Register）的集中控制方式。 介绍图2-1中片内各功能部件。 （1）CPU（微处理器） 8位的CPU，与通用CPU基本相同，包括了运算器和控制器两
大部分，还有面向控制的位处理功能。
6
（2）数据存储器（RAM） 片内为128B（52子系列为256B），片外最多可扩64KB。 （3）程序存储器（Flash ROM） 片内集成有4KB的Flash存储器（AT89S52 则为8KB；AT89C55
EA*=0，只读取外部的程序存储器中的内容，读取的地址 范围为0000H～FFFFH，片内的4KB Flash 程序存储器不起作 用。 VPP：引脚第二功能，对片内Flash编程，接编程电压。 （3）ALE/PROG*（Address Latch Enable/PROGramming，30 脚）
ALE为CPU访问外部程序存储器或外部数据存储器提供地 址锁存信号，将低8位地址锁存在片外的地址锁存器中。
数据输入、输出和移位脉冲引脚。 （3）P2口：8位，准双向I/O口，具有内部上拉电阻。 当AT89S51扩展外部存储器及I/O口时，P2口作为高8位地址总
线用，输出高8位地址。
P2口也可作为普通的I/O口使用。当作为通用I/O输入时， 应先向端口输出锁存器写1。P2口可驱动4个LS型TTL负载。
（4）P3口：8位，准双向I/O口，具有内部上拉电阻。 可作为通用的I/O口使用。作为通用I/O输入，应先向端口输
13
此外，单片机正常运行时，ALE端一直有正脉冲信号输出，此
频率为时钟振荡器频率fosc的1/6。可作外部定时或触发信
号用。 注意，每当AT89S51访问外部RAM时（执行MOVX类指令），要
丢失一个ALE脉冲。 如需要，可将特殊功能寄存器AUXR（地址为8EH，将在后面介
绍）的第0位（ALE禁止位）置1，来禁止ALE操作，但执行 访问外部程序存储器或外部数据存储器指令“MOVC”或 “MOVX”时，ALE仍然有效。即ALE禁止位不影响对外部存 储器的访问。 PROG*：引脚第二功能，对片内 Flash编程，为编程脉冲输入
的状态，供程序查询和判断。格式如图2-3。
图2-3 PSW的格式
22
PSW中各个位的功能： （1）Cy（PSW.7）进位标志位
可写为C。在算术和逻辑运算时，若有进位/借位，Cy＝ 1；否则，Cy＝0。在位处理器中，它是位累加器。 （2）Ac（PSW.6）辅助进位标志位
在BCD码运算时，用作十进位调整。即当D3位向D4位产 生进位或借位时，Ac＝1；否则，Ac＝0。 （3）F0（PSW.5）用户设定标志位
1个全双工的异步串行口，4种工作方式。可进行串行通信，扩 展并行I/O口，还可与多个单片机构成多机系统。
（8） P0 、口P1口、P2口和P3口
4个8位并行I/O口。
（9）特殊功能寄存器（SFR）
26个，对片内各功能部件管理、控制和监视。是各个功能部件
的控制寄存器和状态寄存器，映射在片内RAM区80H～FFH内
时及控制逻辑电路等。功能是控制指令的读入、译码和执行 ，从而对各功能部件进行定时和逻辑控制。
程序计数器PC是一个独立的16位计数器，不可访问。单片 机复位时，PC中的内容为0000H，从程序存储器0000H单元取 指令，开始执行程序。
PC工作过程是：CPU读指令时，PC的内容作为所取指令的 地址，程序存储器按此地址输出指令字节，同时PC自动加1。
第2章 AT89S51单片机 硬件结构
1
内容概要 AT89S51片内硬件基本结构、引脚功能、存储器结构、特
殊功能寄存器功能、4个并行I/O口的结构和特点， 复位电路和时钟电路的设计,节电工作模式。
目的：为AT89S51系统的应用设计打下基础。 在原理和结构上，单片机把微机的许多概念、技术与特点都
节和页编程，现场程序调试和修改更加方便灵活； （2）数据指针增加到两个，方便了对片外RAM的访问过程； （3）增加了看门狗定时器，提高了系统的抗干扰能力；
5
（4）增加断电标志； （5）增加掉电状态下的中断恢复模式； 片内的各功能部件通过片内单一总线连接而成（见图2-1）
，基本结构依旧是CPU 加上外围芯片的传统微机结构。 CPU对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器（SFR，
26
PC中内容变化轨迹决定程序流程。当顺序执行程序时自动 加1；执行转移程序或子程序、中断子程序调用时，自动 将其内容更改成所要转移的目的地址。
。
8
AT89S51完全兼容AT89C51，在充分保留原来软、硬件条件下 ，完全可以用AT89S51直接代换。 2.2 AT89S51的引脚功能
先了解引脚，牢记各引脚的功能。 AT89S51与51系列中各种型号芯片的引脚互相兼容。目前 多采用40只引脚双列直插，如图2-2。此外，还有44引脚的 PLCC和TQFP封装方式的芯片。 引脚按其功能可分为如下3类： （1）电源及时钟引脚—VCC、VSS；XTAL1、XTAL2。 （2）控制引脚— PSEN*、ALE/PROG*、EA*/VPP、RST（RESET） （3）I/O口引脚——P0、P1、P2、P3，为4个8位I/O口
20
ALU还有位操作功能，对位变量进行位处理，如置“1”、清 “0”、求补、测试转移及逻辑“与”、“或”等。
2．累加器A 累加器A是CPU中使用最频繁的一个8位寄存器，在使用汇编语
言编程时，有些场合必须写为Acc。 作用如下： （1）ALU单元的输入数据源之一，又是ALU运算结果存放单元 （2）数据传送大多都通过累加器A，相当于数据的中转站。
RS1 RS0
所选的4组寄存器
00 01
0区（内部RAM地址00H～07H） 1区（内部RAM地址08H～0FH）
10 11
2区（内部RAM地址10H～17H） 3区（内部RAM地址18H～1FH）
25
2.3.2 控制器 任务识别指令，并根据指令的性质控制单片机各功能部件
，从而保证单片机各部分能自动协调地工作。 控制器包括：程序计数器、指令寄存器、指令译码器、定
（6）PSW.1位 保留位
（7）P（PSW.0）奇偶标志位 指令执行完，累加器A中“1”的个数是奇数还是偶数。
24
P=1，表示A中“1”的个数为奇数。 P=0，表示A中“1”的个数为偶数。
此标志位对串行通信有重要的意义，常用奇偶检验的 方法来检验数据串行传输的可靠性。
表2-2 RS1、RS0与4组工作寄存器区的对应关系
由用户使用的一个状态标志位，可用指令来使它置 “1”或清“0，控制程序的流向。用户应充分利用。
23
（4）RS1、RS0（PSW.4、PSW.3）4组工作寄存器区选择 选择片内RAM区中的4组工作寄存器区中的某一组为当前工 作寄存区。如表2-2。
（5）OV（PSW.2）溢出标志位 当执行算术指令时，用来指示运算结果是否产生溢出。如 果结果产生溢出，OV=1；否则，OV=0。
继承下来。用学习微机的思路来学习单片机。
2
2.1 AT89S51单片机的硬件组成 片内结构如图2-1所示。把作为控制应用所必需的基本功能部
件都集成在一个集成电路芯片上。 有如下功能部件和特性：
（1）8位微处理器（CPU）； （2）数据存储器（128B RAM）； （3）程序存储器（4KB Flash ROM）； （4）4个8位可编程并行I/O口（P0口、P1口、P2口、P3口）
9
2.2.1 电源及时钟引脚 1．电源引脚 （1）VCC（40脚）：+5V电源。 （2）VSS（20脚）：数字地。
图2-2 AT89S51双列直插封装方式的引脚
10
2．时ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ引脚 （1）XTAL1（19脚）：片内振荡器反相放大器和时钟发生器电
路输入端。用片内振荡器时，该脚接外部石英晶体和微调电 容。外接时钟源时，该脚接外部时钟振荡器的信号。 （2）XTAL2（18脚）：片内振荡器反相放大器的输出端。当使 用片内振荡器，该脚连接外部石英晶体和微调电容。当使用 外部时钟源时，本脚悬空。 2.2.2 控制引脚 （1）RST (RESET，9脚) 复位信号输入，在引脚加上持续时间大于2个机器周期的高电 平，可使单片机复位。正常工作，此脚应 ≤ 0.5V。