单片机及基本结构
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振荡与时钟电路
XTAL1 (1.2M--12MHz)
石英晶体
XTAL2
C1
C2 (5pF--60pF)
石英晶振起振后，应能在XTAL2线上输出一个3V 左右的正弦波，以便使MCS-51片内的OSC电路按与 石英晶振相同频率自激振荡。
复位操作
复位是单片机的初始化操作。 复位的主要功能：
*把PC初始化为0000H，使CPU从0000H单元开始执行 程序；
32位单片机是单片机的顶级产品，具有极 高的数据处理能力和运算速度。
MCS-51系列性能
型号 片内ROM 片内RAM 并行口 串行口 中断 计数/定时器
8031
无
128字节 4＊8位
1
5
2个
8051 4K*8
128字节 4＊8位
1
5
2个
8751 EPROM4K 128字节 4＊8位
1
5
2个
*8
8052 8K*8
单片机在结构上与微型计算机十分相似， 是一种集微型计算机主要功能部件于同一芯片 上的微型计算机，并由此而得名。单片机特别 适用于控制领域，故又称为微控制器(MCU)。
一、单片机概述
• 单片机内部集成CPU、RAM、并行I/O端口 • 单片机内部集成了串行口、计数器和定时器 • 某些类型的单片机中还有一定容量的ROM
P1.4 5
P1.5 6
P1.6 7
P1.7 8
RST/VPD 9
Vcc 40 39 38 37 36 35 34 33 32
P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7
有较大的负载能力。 ①8051不带片外存 储器时，为通用 I/O 口 ， 传 送 输 入 / 输出数据。②带片 外存储器并访问时， 先传送低8位地址后 传送数据。
(8096,8098,8798等) *
M68300系列 32位
(M68331,M68332) *
MCS-48系列单片机
是低性能单片机阶段的代表产品，内部集 成了8位CPU、并行I/O口、8位定时器/计数 器、RAM和ROM等。 无串行口，中断处理比较简单，片内RAM （64个字节）和ROM（1K字节）容量较小， 且寻址范围不大于4K。
*当程序运行出错或操作错误系统处于死锁状态时， 为摆脱困境，也需要按复位键重新启动。
除PC之外，复位操作还对其它一些寄存器有影 响，但复位不影响内部RAM状态。
复位后的内部寄存器状态
专用寄存器 复位状态 专用寄存器 复位状态
PC
0000H
TMOD
00H
Acc
00H
TCON
00H
B
00H
TH0
00H
2、51系列单片机时序
S1 S2 S3 S4 S5 S6 XTAL2
ALE
周期性信号ALE在每个机器周期内 出 现 两 次 高 电 平 ，机出器现周时期刻 为 S1P2 和 S4P2，持续时间为一个状态S。
ALE每出现一次高电平，CPU就进 行一次取指操作(有时无效）。
3、振荡与时钟电路、复位电路
32位单片机
字长为32位，具有极高的运算速度。
单片机家族
Intel8048/49系列 8位 (1976年）
(8048,8748,8049等) *
Intel8051/52系列 8位(MCS-51系列) (80年代初)
(8031,8051,8751,8052,8752等) *
Intel8096/98系列 16位(MCS-96系列) (83年以后)
EA接高电位,访问内部程序存储器 EA接低电位,访问外部程序存储器
PSEN :片外ROM选通线。
• RST/VPD: 复位/备用电源线。 复位时高电位有效。
2、51系列单片机时序
单片机时序:
CPU在执行指令时所需控制信号的时间顺序。
CPU发出的两类时序信号：
片内功能部件控制时序信号; 片外存储器或I/O端口控制时序信号。
2、51系列单片机时序
1个状态含有2个振荡周期（时钟周期），称为P1和 P2两拍。 1个指令周期 = 1~4个机器周期 1个机器周期 = 6个状态 1个状态 = 2个振荡周期（时钟周期）
• 51系列单片机指令：
单周期指令(单字节单周期、双字节单周期） 双周期指令（单字节、双字节、三字节双周期） 四周期指令（单字节四周期）（乘法和除法指令）
PC 增量器 PC+1 程序计数器 PC
并行口
通道 3 锁存器 通道 3 驱动器
DPTR
特殊寄存器
P3.0 —— P3.7
1、8051/8031系列CPU管脚
8 位 双 向 三 态 I/O 口 ，
8位准双向I/O口， 用于传送输入/输出 数据。
P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4
MCS-51系列单片机
8031内含1个8位CPU、128个字节的RAM、4个 8位并行I/O口、1个全双工的串行口、2个16位 的定时器/计数器。
8051在8031基础上，增加了4K字节的ROM作为 程序存储器。常用于程序一定、批量大的单片 机产品中。
8751在8031基础上，增加了4K字节的EPROM， 用户可反复修改程序。
例如：在下面3+5的加法程序中 MOV A，#03H ；A←3 ADD A，#05H ；A←A+05H
通用寄存器B
是专门为乘法和除法设置的，是一个二进制8 位寄存器，有8个触发器组成。
在乘法或除法进行前，用于存放乘数或除数。 在乘法或除法完成后，用于存放乘积的高8位 或除法的余数。
例如：在下面的5*3乘法程序中
MOV A，#05H ；A←5 MOV B，#03H ；B←3
MUL AB
; BA ←A*B
程序状态寄存器(Program Status Word)
• PSW 是一个8位标志寄存器，用来存放指令执行 后的有关状态。
• PSW的格式：
PSW7
PSW0
CY AC F0 RS1 RS0 OV — P
P ——奇偶标志位 AC——半进位位
8位准双向I/O口。
XTAL2 18
可作普通I/O口和专 XTAL1 19
27 P2.6 26 P2.5 25 P2.4 24 P2.3 23 P2.2 22 P2.1
口，传送输入/输出 数据。 ②带片外存 储器并访问时，传 送高8位地址。
用口。
VSS 20
21 P2.0
P3口的第二功能
P3.0——RXD（串行输入口） P3.1——TXD（串行输出口） P3.2——INT0（外部中断0） P3.3——INT1（外部中断1） P3.4——T0（定时器0外部输入） P3.5——T1（定时器1外部输入）
OV——溢出标志位
Cy ——进位位
F0 ——用户标志位(用户根据程序执行的需要通过
传送指令确定）
程序状态寄存器(Program Status Word)
第一章 单片机及基本结构
一、单片机概述* 二、 MCS-51系列单片机内部结构* 三、存储器* 四、 I/O口一位锁存器和缓冲器结构* 五、定时器/计数器的结构* 六、串行口的结构* 七、单片机中断系统* 八、单片机的工作方式*
一、单片机概述
单片机即单片微型计算机，由单块集成电路 芯片构成，内部集成了计算机的基本功能部件 CPU（Central Processing Unit)、存储器和I/O 接口电路等。
PSW
00H
TL0
00H
SP
07H
TH1
00H
DPTR
0000H
TL1
00H
P0—P3 IP
FFH xxx0 0000B
SCON SBUF
00H xxxx xxxxB
IE
0xx0 0000B PCON 0xxx 0000B
复位电路
Leabharlann Baidu
+5V C
R
VCC RST/VPD VSS
+5V C
R
VCC RST/VPD VSS
程序计数器PC
PC是一个二进制16位的程序地址寄存器，专 门用来存放下一条需要执行指令的内存地址， 能自动加1。 8051程序计数器PC由16个触发器构成，其编 码范围为0000H~FFFFH，共64K。 可见，8051的寻址范围是64KB。
累加器A（Accumulator）
ACC是一个二进制8位寄存器，专门用于存 放操作数或运算结果。
256字节 4＊8位
1
6
3个
8752 EPROM8K 256字节 4＊8位
1
6
3个
*8
8032
无
256字节 4＊8位
1
6
3个
二、MCS-51系列单片机内部结构
P 0.0 —— P 0.7
内部RAM
Vcc 通道 0 驱动器
RAM
地址
Vss
锁存器
RAM M
通道 0 锁存器
B 寄存器
ACC TMP2
TMP1
上电复位电路
开关复位电路
4、特殊功能寄存器（SFR）
特殊功能寄存器是指有特殊用途的寄存器集 合。 8051有21个SFR ，每个SFR占有一个RAM单 元，他们离散地分布在80H~FFH地址范围内。 8051的专用寄存器通常包括：程序计数器PC、 累加器A、程序状态字PSW、堆栈指示器SP、 数据指针DPTR和通用寄存器B等。
ALU
/PSEN ALE /EA RST
定时和控 指令寄 制逻辑 存器
PSW 通道 1 锁存器
通道 1 驱动器
XTAL1
XTAL2
P1.0 —— P1.7
P2.0 —— P2.7 通道 2 驱动器
CPU
通道 2 锁存器
ROM/EPROM
程序地址寄存器
堆栈指针
缓冲器
PCON SCON TMOD TCON TH0 TL0 TH1 TL1 SBUF(TX,RX) IE IP 中断、串行通信和定时器逻辑
(两个16位可编程定时/计数器，分别由两个8位寄 存器拼装而成。最大计数值为216-1,即65535。)
P3.6——WR（外部数据存储器写控制） P3.7——RD（外部数据存储器读控制）
8051管脚的说明
XTAL1
:振荡器输入端（单片机内部反向放大器 的输入端）
XTAL2
:振荡器输出端（单片机内部反向放大器 的输出端）
（如87系列和89系列）
• 某些类型的单片机中还有A/D和D/A转换器
（如98/96系列）
单片机的内部结构
时钟
ROM
RAM
外部时间计数
计数/ 定时器
CPU
中断 系统
外部中断
可编程 并行口
并行口
可编程 串行口
串行通信
单片机家族
4位单片机
CPU一次只能处理4位二进制数，处理能力较弱。 常用于计算器、各种形态的智能单元以及作为家用 电器控制器。
时钟周期：
由单片机内振荡电路OSC产生，常定义为时钟脉冲频 率的倒数，是时序中最小的时间单位。
2、51系列单片机时序
机器周期： 实现特定功能所需的时间，通常有若干时钟周期T 构成。 指令周期： 执行一条指令所需的时间，是时序中的最大时间 单位。 51系列单片机的机器周期时间是固定不变的，均有 12个时钟周期T组成，分为6个状态（S1~S6）。
16位软件定时器； • 高速输入和高速输出部件可用于测量和产生分辨率为
2us的脉冲； • 一个脉冲宽度调制输出，可以用作8位D/A输出。
M68300系列单片机
内含一个32位CPU模块，和大量其它专用 模块。
内部地址总线是32位，外部地址总线是24 位，8个32位通用数据寄存器和7个32位通 用地址寄存器。
ALE/PROG :外部存储器地址锁存允许/编程线 8051CPU在P0口输出片外存储器低8位地址的同
时在该线上输出一个高电平脉冲，其下降沿用于控制 地址锁存。不访问片外存储器时，CPU自动在该线上 输出可用作外部时钟源的脉冲序列，频率为振荡器频 率的1/6。
8051管脚的说明
EA/VPP :允许访问片外程序存储器/编程电源线
8031外扩一片EPROM就相当于8751，价格低。
MCS-96系列单片机
• 内含1个可以直接面向256字节寄存器空间的16位CPU； • 16位乘16位和32位除以16位的指令，速度为6.25us； • 8路10位A/D转换器； • 可供用户使用的8个中断源； • 5个8位并行I/O口，一个8KB的ROM存储器； • 一个全双工串行口，一个专用串行口； • 两个16位定时器/计数器，一个16位监视定时器，4个
8位单片机
CPU是8位的，片内资源丰富且功能强大。 主要用于工业控制、智能仪表、家用电器和办公自 动化系统中。
单片机家族
16位单片机
CPU是16位的，运算速度普遍高于8位机，有的寻址 能力高达1MB，片内含有A/D和D/A转换电路，支持 高级语言。 主要用于过程控制、智能仪表、家用电器以及计算 机外设的控制器中。
RXD P3.0 10 TXD P3.1 11 INT0 P3.2 12 INT1 P3.3 13
31 30 29
EAPASLEE/N/VPPRPOG8①位8准05双1 不向带I/O片口外。存
28 P2.7 储器时，为通用I/O
T0 P3.4 14
T1 P3.5 15
WR P3.6 16
RD P3.7 17
XTAL1 (1.2M--12MHz)
石英晶体
XTAL2
C1
C2 (5pF--60pF)
石英晶振起振后，应能在XTAL2线上输出一个3V 左右的正弦波，以便使MCS-51片内的OSC电路按与 石英晶振相同频率自激振荡。
复位操作
复位是单片机的初始化操作。 复位的主要功能：
*把PC初始化为0000H，使CPU从0000H单元开始执行 程序；
32位单片机是单片机的顶级产品，具有极 高的数据处理能力和运算速度。
MCS-51系列性能
型号 片内ROM 片内RAM 并行口 串行口 中断 计数/定时器
8031
无
128字节 4＊8位
1
5
2个
8051 4K*8
128字节 4＊8位
1
5
2个
8751 EPROM4K 128字节 4＊8位
1
5
2个
*8
8052 8K*8
单片机在结构上与微型计算机十分相似， 是一种集微型计算机主要功能部件于同一芯片 上的微型计算机，并由此而得名。单片机特别 适用于控制领域，故又称为微控制器(MCU)。
一、单片机概述
• 单片机内部集成CPU、RAM、并行I/O端口 • 单片机内部集成了串行口、计数器和定时器 • 某些类型的单片机中还有一定容量的ROM
P1.4 5
P1.5 6
P1.6 7
P1.7 8
RST/VPD 9
Vcc 40 39 38 37 36 35 34 33 32
P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7
有较大的负载能力。 ①8051不带片外存 储器时，为通用 I/O 口 ， 传 送 输 入 / 输出数据。②带片 外存储器并访问时， 先传送低8位地址后 传送数据。
(8096,8098,8798等) *
M68300系列 32位
(M68331,M68332) *
MCS-48系列单片机
是低性能单片机阶段的代表产品，内部集 成了8位CPU、并行I/O口、8位定时器/计数 器、RAM和ROM等。 无串行口，中断处理比较简单，片内RAM （64个字节）和ROM（1K字节）容量较小， 且寻址范围不大于4K。
*当程序运行出错或操作错误系统处于死锁状态时， 为摆脱困境，也需要按复位键重新启动。
除PC之外，复位操作还对其它一些寄存器有影 响，但复位不影响内部RAM状态。
复位后的内部寄存器状态
专用寄存器 复位状态 专用寄存器 复位状态
PC
0000H
TMOD
00H
Acc
00H
TCON
00H
B
00H
TH0
00H
2、51系列单片机时序
S1 S2 S3 S4 S5 S6 XTAL2
ALE
周期性信号ALE在每个机器周期内 出 现 两 次 高 电 平 ，机出器现周时期刻 为 S1P2 和 S4P2，持续时间为一个状态S。
ALE每出现一次高电平，CPU就进 行一次取指操作(有时无效）。
3、振荡与时钟电路、复位电路
32位单片机
字长为32位，具有极高的运算速度。
单片机家族
Intel8048/49系列 8位 (1976年）
(8048,8748,8049等) *
Intel8051/52系列 8位(MCS-51系列) (80年代初)
(8031,8051,8751,8052,8752等) *
Intel8096/98系列 16位(MCS-96系列) (83年以后)
EA接高电位,访问内部程序存储器 EA接低电位,访问外部程序存储器
PSEN :片外ROM选通线。
• RST/VPD: 复位/备用电源线。 复位时高电位有效。
2、51系列单片机时序
单片机时序:
CPU在执行指令时所需控制信号的时间顺序。
CPU发出的两类时序信号：
片内功能部件控制时序信号; 片外存储器或I/O端口控制时序信号。
2、51系列单片机时序
1个状态含有2个振荡周期（时钟周期），称为P1和 P2两拍。 1个指令周期 = 1~4个机器周期 1个机器周期 = 6个状态 1个状态 = 2个振荡周期（时钟周期）
• 51系列单片机指令：
单周期指令(单字节单周期、双字节单周期） 双周期指令（单字节、双字节、三字节双周期） 四周期指令（单字节四周期）（乘法和除法指令）
PC 增量器 PC+1 程序计数器 PC
并行口
通道 3 锁存器 通道 3 驱动器
DPTR
特殊寄存器
P3.0 —— P3.7
1、8051/8031系列CPU管脚
8 位 双 向 三 态 I/O 口 ，
8位准双向I/O口， 用于传送输入/输出 数据。
P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4
MCS-51系列单片机
8031内含1个8位CPU、128个字节的RAM、4个 8位并行I/O口、1个全双工的串行口、2个16位 的定时器/计数器。
8051在8031基础上，增加了4K字节的ROM作为 程序存储器。常用于程序一定、批量大的单片 机产品中。
8751在8031基础上，增加了4K字节的EPROM， 用户可反复修改程序。
例如：在下面3+5的加法程序中 MOV A，#03H ；A←3 ADD A，#05H ；A←A+05H
通用寄存器B
是专门为乘法和除法设置的，是一个二进制8 位寄存器，有8个触发器组成。
在乘法或除法进行前，用于存放乘数或除数。 在乘法或除法完成后，用于存放乘积的高8位 或除法的余数。
例如：在下面的5*3乘法程序中
MOV A，#05H ；A←5 MOV B，#03H ；B←3
MUL AB
; BA ←A*B
程序状态寄存器(Program Status Word)
• PSW 是一个8位标志寄存器，用来存放指令执行 后的有关状态。
• PSW的格式：
PSW7
PSW0
CY AC F0 RS1 RS0 OV — P
P ——奇偶标志位 AC——半进位位
8位准双向I/O口。
XTAL2 18
可作普通I/O口和专 XTAL1 19
27 P2.6 26 P2.5 25 P2.4 24 P2.3 23 P2.2 22 P2.1
口，传送输入/输出 数据。 ②带片外存 储器并访问时，传 送高8位地址。
用口。
VSS 20
21 P2.0
P3口的第二功能
P3.0——RXD（串行输入口） P3.1——TXD（串行输出口） P3.2——INT0（外部中断0） P3.3——INT1（外部中断1） P3.4——T0（定时器0外部输入） P3.5——T1（定时器1外部输入）
OV——溢出标志位
Cy ——进位位
F0 ——用户标志位(用户根据程序执行的需要通过
传送指令确定）
程序状态寄存器(Program Status Word)
第一章 单片机及基本结构
一、单片机概述* 二、 MCS-51系列单片机内部结构* 三、存储器* 四、 I/O口一位锁存器和缓冲器结构* 五、定时器/计数器的结构* 六、串行口的结构* 七、单片机中断系统* 八、单片机的工作方式*
一、单片机概述
单片机即单片微型计算机，由单块集成电路 芯片构成，内部集成了计算机的基本功能部件 CPU（Central Processing Unit)、存储器和I/O 接口电路等。
PSW
00H
TL0
00H
SP
07H
TH1
00H
DPTR
0000H
TL1
00H
P0—P3 IP
FFH xxx0 0000B
SCON SBUF
00H xxxx xxxxB
IE
0xx0 0000B PCON 0xxx 0000B
复位电路
Leabharlann Baidu
+5V C
R
VCC RST/VPD VSS
+5V C
R
VCC RST/VPD VSS
程序计数器PC
PC是一个二进制16位的程序地址寄存器，专 门用来存放下一条需要执行指令的内存地址， 能自动加1。 8051程序计数器PC由16个触发器构成，其编 码范围为0000H~FFFFH，共64K。 可见，8051的寻址范围是64KB。
累加器A（Accumulator）
ACC是一个二进制8位寄存器，专门用于存 放操作数或运算结果。
256字节 4＊8位
1
6
3个
8752 EPROM8K 256字节 4＊8位
1
6
3个
*8
8032
无
256字节 4＊8位
1
6
3个
二、MCS-51系列单片机内部结构
P 0.0 —— P 0.7
内部RAM
Vcc 通道 0 驱动器
RAM
地址
Vss
锁存器
RAM M
通道 0 锁存器
B 寄存器
ACC TMP2
TMP1
上电复位电路
开关复位电路
4、特殊功能寄存器（SFR）
特殊功能寄存器是指有特殊用途的寄存器集 合。 8051有21个SFR ，每个SFR占有一个RAM单 元，他们离散地分布在80H~FFH地址范围内。 8051的专用寄存器通常包括：程序计数器PC、 累加器A、程序状态字PSW、堆栈指示器SP、 数据指针DPTR和通用寄存器B等。
ALU
/PSEN ALE /EA RST
定时和控 指令寄 制逻辑 存器
PSW 通道 1 锁存器
通道 1 驱动器
XTAL1
XTAL2
P1.0 —— P1.7
P2.0 —— P2.7 通道 2 驱动器
CPU
通道 2 锁存器
ROM/EPROM
程序地址寄存器
堆栈指针
缓冲器
PCON SCON TMOD TCON TH0 TL0 TH1 TL1 SBUF(TX,RX) IE IP 中断、串行通信和定时器逻辑
(两个16位可编程定时/计数器，分别由两个8位寄 存器拼装而成。最大计数值为216-1,即65535。)
P3.6——WR（外部数据存储器写控制） P3.7——RD（外部数据存储器读控制）
8051管脚的说明
XTAL1
:振荡器输入端（单片机内部反向放大器 的输入端）
XTAL2
:振荡器输出端（单片机内部反向放大器 的输出端）
（如87系列和89系列）
• 某些类型的单片机中还有A/D和D/A转换器
（如98/96系列）
单片机的内部结构
时钟
ROM
RAM
外部时间计数
计数/ 定时器
CPU
中断 系统
外部中断
可编程 并行口
并行口
可编程 串行口
串行通信
单片机家族
4位单片机
CPU一次只能处理4位二进制数，处理能力较弱。 常用于计算器、各种形态的智能单元以及作为家用 电器控制器。
时钟周期：
由单片机内振荡电路OSC产生，常定义为时钟脉冲频 率的倒数，是时序中最小的时间单位。
2、51系列单片机时序
机器周期： 实现特定功能所需的时间，通常有若干时钟周期T 构成。 指令周期： 执行一条指令所需的时间，是时序中的最大时间 单位。 51系列单片机的机器周期时间是固定不变的，均有 12个时钟周期T组成，分为6个状态（S1~S6）。
16位软件定时器； • 高速输入和高速输出部件可用于测量和产生分辨率为
2us的脉冲； • 一个脉冲宽度调制输出，可以用作8位D/A输出。
M68300系列单片机
内含一个32位CPU模块，和大量其它专用 模块。
内部地址总线是32位，外部地址总线是24 位，8个32位通用数据寄存器和7个32位通 用地址寄存器。
ALE/PROG :外部存储器地址锁存允许/编程线 8051CPU在P0口输出片外存储器低8位地址的同
时在该线上输出一个高电平脉冲，其下降沿用于控制 地址锁存。不访问片外存储器时，CPU自动在该线上 输出可用作外部时钟源的脉冲序列，频率为振荡器频 率的1/6。
8051管脚的说明
EA/VPP :允许访问片外程序存储器/编程电源线
8031外扩一片EPROM就相当于8751，价格低。
MCS-96系列单片机
• 内含1个可以直接面向256字节寄存器空间的16位CPU； • 16位乘16位和32位除以16位的指令，速度为6.25us； • 8路10位A/D转换器； • 可供用户使用的8个中断源； • 5个8位并行I/O口，一个8KB的ROM存储器； • 一个全双工串行口，一个专用串行口； • 两个16位定时器/计数器，一个16位监视定时器，4个
8位单片机
CPU是8位的，片内资源丰富且功能强大。 主要用于工业控制、智能仪表、家用电器和办公自 动化系统中。
单片机家族
16位单片机
CPU是16位的，运算速度普遍高于8位机，有的寻址 能力高达1MB，片内含有A/D和D/A转换电路，支持 高级语言。 主要用于过程控制、智能仪表、家用电器以及计算 机外设的控制器中。
RXD P3.0 10 TXD P3.1 11 INT0 P3.2 12 INT1 P3.3 13
31 30 29
EAPASLEE/N/VPPRPOG8①位8准05双1 不向带I/O片口外。存
28 P2.7 储器时，为通用I/O
T0 P3.4 14
T1 P3.5 15
WR P3.6 16
RD P3.7 17