单片机的硬件结构和原理资料
第2章 89C51单片机硬件结构和原理 (单片机原理课件)
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单片机原理及接口技术
1、准双向 当I/O口作为输入时，应先向此口锁存器写入 全1， 此时该口引脚浮空，可作高阻抗输入。
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2、P0口：
P0口可作为一个8位数据准双向输入/输出口；
在CPU访问片外存储器时，P0口为分时复用的
低8位地址总线和8位数据总线。
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3、片内4KB程序存储器Flash ROM（4KB）: 用以存放程序、一些原始数据和表格。但有一些单片机内
部不带ROM/EPROM，如8031、8032、80C31等。
4、四个8位并行I/O（输入/输出）接口 P0~P3: 每个口可以用作输入，也可以用作输出。
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5、两个或三个定时/计数器: 每个定时/计数器都可以设置成计数方式，用以对外部 事件进行计数，也可以设置成定时方式，并可以根据 计数或定时的结果 实现计算机控制。 6、一个全双工UART的串行I/O口: 可实现单片机与单片机或其它微机之间串行通信。 7、片内振荡器和时钟产生电路: 但需外接晶振和电容。 8、五个中断源的中断控制系统。 9、具有节电工作方式：
（3）8位程序状态寄存器PSW： （4）8位寄存器B：
（5）布尔处理器： （6）2个8位暂存器：
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1）运算器 （1）8位的ALU： 可对4位、8位、16位数据进行操作。
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（2）8位累加器ACC（A）： • 它经常作为一个运算数经暂存器2进入ALU 的输入端，与另一个来自暂存器1的运算数 进行运算，运算结果又送回ACC。
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第2章8051单片机硬件结构和原理
指令寄存器IR及指令译码器ID
• 由PC中的内容指定ROM地址，取出来的指令经IR送至ID， 由ID对指令译码产生一定序列的控制信号，以执行指令所 规定的操作。
振荡器和定时电路
• 8051单片机片内有振荡电路，只需外接石英晶体 和频率微调电容（2个30pF左右），其频率范围为 1.2MHz~12MHz。该信号作为8051工作的基本节拍
片外程序存储器
从程序员角度看存储器
程序存储器保留地址
（1）0000H～0002H三个单元：
• 用作上电复位后引导程序的存放单元。因
为复位后PC的内容为0000H，CPU总是从
0000H开始执行程序。将转移指令存放到 这三个单元，程序就被引导到指定的程序 存储器空间去执行。
程序存储器保留地址
（2）0003H～002AH单元：
使用。
SFR之 程序状态寄存器PSW(D0H)
• PSW是一个8位特殊功能寄存器，它的各位包含
了程序执行后的状态信息，供程序查询或判别之
用。各位的含义及其格式如表2－6所列。
• PSW除有确定的字节地址(D0H)外，每一位均有
位地址
Psw中的位
• CY(PSW.7)： 进位标志位。在执行加法(或减法)运算 指令时，如果运算结果最高位(位7)向前有进位(或借 位)，则CY位由硬件自动置1；如果运算结果最高位无 进位(或借位)，则CY清0。CY也是89C51在进行位操作 (布尔操作)时的位累加器，在指令中用C代替CY。 • AC(PSW.6)： 半进位标志位，也称辅助进位标志。当 执行加法(或减法)操作时，如果运算结果(和或差)的 低半字节(位3)向高半字节有半进位(或借位)，则AC位 将被硬件自动置1；否则AC被自动清0。 • F0(PSW.5)： 用户标志位。用户可以根据自己的需要 对F0位赋予一定的含义，由用户置位或复位，以作为 软件标志。
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。
第2章 89C51单片机硬件结构和原理
2．累加器A 使用最频繁的寄存器，可写为Acc。“A”与“Acc” 书写上 的差别，将在第3章介绍。
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。为 解决“瓶颈堵塞”问题，AT89S51增加了一部分可以不经过 累加器的传送指令。
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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 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。
端（12-21V）。
4、I/O端口P0、P1、P2和P3 准双向的含义：
当I/O口作为输入时，应先向此口锁存器写入全1， 此 时该口引脚浮空，可作高阻抗输入。
1）P0口：用作通用的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。 2）P1口：用作通用的I/O口 3）P2口：用作通用的I/O口；当外扩存储器及I/O接口芯片时，P2口作为高8位地址 总线 4）P3口：用作通用的I/O口；每个引脚有第二功能
图2－6 高128字节RAM(SFR区)
1、堆栈指针SP
堆栈指针SP（8位），可指向片内RAM00H～7FH的任何单元。系统 复位后，SP指向07H的RAM单元，所以入栈的第一个数据位于08H单元。
堆栈：在片内RAM区专门开辟的一个区域，数据的存取是按“后进先
单片机原理及接口技术
单片机原理及接口技术单片机（Microcontroller）是一种集成了微处理器核心、存储器、输入/输出端口和定时器等功能于一体的计算机系统。
它具有成本低廉、体积小巧、功耗低等优点，广泛应用于各个领域。
本文将介绍单片机的原理及接口技术。
一、单片机原理1. 单片机的组成结构单片机通常由CPU、存储器、输入/输出口、定时/计数器、中断系统等组成。
其中，CPU是单片机的核心，负责执行程序指令；存储器用于存储程序和数据；输入/输出口用于与外部设备进行数据交互；定时/计数器用于计时和计数；中断系统可以处理外部事件。
2. 单片机的工作原理单片机工作时，先从存储器中加载程序指令到CPU的指令寄存器中，然后CPU执行指令并根据需要从存储器中读取数据进行计算和操作，最后将结果写回存储器或输出到外部设备。
3. 单片机的编程语言单片机的程序可以使用汇编语言或高级语言编写。
汇编语言是一种低级语言，直接使用机器码进行编程，对硬件的控制更加精细，但编写和调试难度较大。
而高级语言（如C语言）可以将复杂的操作用简单的语句描述，易于编写和阅读，但对硬件的控制相对较弱。
二、单片机的接口技术1. 数字输入/输出接口（GPIO）GPIO是单片机与外部设备进行数字信号交互的通道。
通过配置GPIO的输入或输出状态，可以读取外部设备的状态或者输出控制信号。
GPIO的配置包括引脚的模式、电平状态和中断功能等。
应根据具体需求合理配置GPIO，以实现与外部设备的稳定通信。
2. 模拟输入/输出接口单片机通常具有模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC），用于模拟信号的输入和输出。
ADC将模拟信号转换为数字信号，以便单片机进行处理。
而DAC则将数字信号转换为模拟信号，用于驱动模拟设备。
模拟输入/输出接口的配置需要考虑转换精度、采样率和信噪比等因素。
3. 串行通信接口串行通信接口允许单片机与其他设备进行数据交换。
常见的接口包括UART（通用异步收发器）、SPI（串行外设接口）和I2C（串行外设接口），它们具有不同的通信速率和传输协议。
单片机的结构及工作原理
单片机的结构及工作原理
单片机是一种集成电路芯片，它由CPU核心、存储器、I/O端口、定时器/计数器、中断控制器以及其他外围电路组成。
单片机的工作原理如下：
1. 开机复位：单片机通电后，会执行复位操作。
当复位信号触发时，CPU会跳转到预定的复位向量地址，开始执行复位操作。
2. 初始化：执行复位操作后，单片机会进行初始化。
这包括设置输入/输出端口的初始状态、初始化定时器和计数器等。
3. 执行指令：一旦初始化完成，单片机会开始执行存储器中的指令。
指令通常存储在Flash存储器中，单片机会按照程序计
数器（PC）的值逐条执行指令。
4. 控制流程：单片机执行程序时会根据条件跳转、循环、分支等控制流程操作来改变指令执行顺序。
5. 处理输入输出：单片机可以从外部设备（如传感器、键盘等）读取输入信号，并根据程序逻辑给出相应的输出信号。
6. 中断处理：单片机具有中断控制功能，可以在特定条件下立即中断当前程序，并执行中断服务程序。
中断通常用于及时响应外界事件。
7. 系统时钟：单片机需要一个时钟源来同步指令和数据的处理。
时钟源可以是外部晶振、内部振荡器或者其他时钟源，它们提供基准频率给单片机。
单片机的工作基于时钟信号和电压供应，控制执行指令、处理输入输出等任务。
通过程序设计和外部电路连接，单片机可以应用于各种领域，如家用电器、自动化控制、通信等。
第1部分 89C51单片机硬件结构和原理
第1部分 89C51单片机硬件结构和原理1. 89C51单片机片内包含哪些主要逻辑功能部件?答：89C51单片机是个完整的单片微型计算机。
芯片内部包括下列硬件资源：（1）8位CPU；（2）4KB的片内Flash ROM。
可寻址64KB程序存储器和64KB外部数据存储器；（3）256B内部 RAM/SFR；（4）21个 SFR；（5）4个8位并行I/O口P0～P3（共32位I/O线）；（6）一个全双工uart的异步串行I/O口，用于实现单片机之间或单片机与PC机之间的串行通讯；（7）两个16位定时器/计数器；（8）5个中断源，两个中断优先级；（9）内部时钟发生器。
2. 89C51的ＥＡ端有何用途?答：作外部程序存储器地址允许输入端和固化编程电压输入端。
3. 89C51的存储器分哪几个空间?如何区别不同空间的寻址?答：89C51存储器包括程序存储器和数据存储器，从逻辑结构上看，可以分为三个不同的空间：（1）64KB的程序存储器地址空间：0000H~FFFFH，其中0000H~0FFFH为片内4KB的Flash ROM地址空间，1000H~FFFFH为外部ROM地址空间；（2）256B的内部数据存储器地址空间，00H~FFH，分为两大部分，其中00H~7FH（共128B单元）为内部静态RAM的地址空间，80H~FFH为特殊功能寄存器的地址空间，21个特殊功能寄存器离散地分布在这个区域；（3）64KB的外部数据存储器地址空间：0000H~FFFFH，包括扩展I/O地址空间。
MCS-51单片机存储器三类空间地址存在重叠，单片机设计了不同的数据传送指令符号来区分：CPU访问片内、片外ROM指令用MOVC，访问片外RAM指令用MOVX，访问片内RAM 指令用MOV。
4. 简述89C51片内RAM的空间分配。
答：89C51内部256B的数据RAM区，包括有工作寄存器组区、可直接位寻址区和数据缓冲区、特殊功能寄存器组区。
89C51单片机的硬件结构和原理
存放运算的中间结果、 数据暂存，堆栈
3.I/O接口
4个8位的并行口P0 P1P2 P3
§2-2 89C51单片机引脚及其功能
1.电源引脚 Vcc +5V
Vss 接地
2.时钟电路引脚 XTAL1（19PIN）和XTAL2（18PIN）
片内振荡器接法：XTAL1
XTAL2
1.2MHz-12MHz
外接时钟源接法：XTAL2浮空，XTAL1输入外部时钟脉冲
（2）外接时钟源 （较少采用）
2.指令周期、机器周期与状态周期 指令周期：执行一条指令所需的时间 机器周期：执行一个基本操作所需的时间 状态周期：一个状态周期由2个振荡周期组成 振荡周期：晶振的振荡周期，最小的时序单位
关系：一个指令周期由若干个机器周期组成, (1～4个） 一个机器周期由6个状态周期（ 12个振荡周期）组成
假如外接晶振12MHZ:则振荡周期=1/fosc=1/12=0.083us 机器周期=12/fosc=12/12=1us 指令周期=(1~4)机器周期
3.各种周期的相互关系
§2-5 复位操作
1. 复位操作： 系统处于正常工作状态时，振荡器稳定后，RST引脚上有一 个高电平并维持2个机器周期（24个振荡周期），CPU复位
D5 D4 D3
D2
D1 D0
位符号
SMOD
—
— — GF1 GF0 PD IDL
7）并行I/O端口P0～P3 8）串行数据缓冲器SBUF
9）定时器/计数器的专用寄存器T0和T1
§2-4 时钟电路及89C51CPU时序
系统时钟的作用： 微处理器、微控制器内部电路的工作基础。 晶振频率越高，系统时钟频率越高，单片机运
MCS51单片机和8051、8031、89C51等的关系
89C51单片机硬件结构和原理
需要指出的是，CPU的运算操作 在P1期间，数据传送在P2期间。
河南大学物理与电子学院
2.1.2 89C51单片机芯片内部结构
振荡周期 晶振的振荡周期，单片机的最小时间单位。
若时钟的晶体的振荡频率为fosc，则时钟周期 Tosc=1/fosc。如fosc=6MHz，Tosc=166.7ns。
ACC
PSW
可完成的操作：加减法及8位数的乘除法运算；与、或、异或、循环移位等逻辑操作。
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2.1.2 89C51单片机芯片内部结构
累加器ACC
CPU 中 使 用 最频 繁 的 寄 存 器 ， 简 称 ACC或A寄存器。
其作用为： ALU的数据输入源之一，同时在ALU 运算结束后，其结果经内部总线又 送回ACC存放。 数据传送中转站，在某些情况下， 数据必须经过寄存器A进行中转。如 变址寻址指令： movc a,@a+dptr movc a,@a+pc
程序计数器PC变化的轨迹决定了程序的流程。
程序计数器PC是一个16位的计数器，故可以对64KB程序存储器进行寻址。 程序计数器PC的基本工作方式： PC自动加1，这是最基本的工作方式，也是被称为计数器的原因。 执行条件或无条件转移指令时，PC将被置入新值，程序流向发生变化。 在执行调用指令或响应中断时： PC的当前值，即下一条将要执行的指令的地址，被送入堆栈。 将子程序的入口地址或者中断矢量地址送入PC，程序流向发生变化， 执行子程序或中断服务程序。待子程序或中断服务程序结束后，将栈 顶的内容送到PC中，程序流程又返回到原来的地方，继续执行。
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2.1.2 89C51单片机芯片内部结构
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。
第2章 单片机的硬件结构及工作原理
也可以由 XTAL1端接 入外部时钟，此时应 将 XTAL2接地：
外部时钟 XTAL1 XTAL2 XTAL2
15～45pfx2
பைடு நூலகம்
1～12MHz（MCS-51） 0～24MHz（Atmel-89C）
2. 控制引脚 提供控制信号，有的引脚还具有复用功能。 (1) RST/VPD(9脚)：复位与备用电源。 (2) ALE/PROG*（30脚）：地址锁存允许/片内EPROM 编程脉冲 第一功能 :ALE 为地址锁存允许，用来锁存 P0 口送 出的低8位地址,可驱动8个LS型TTL负载。 第二功能 :PROG* 为编程脉冲输入端 , 片内有 EPROM 的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。
3.
I/O口引脚(32个)
MCS-51共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，
共32个引脚。P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输 出和控制信号（属控制总线）。 表2.1
P3口引脚
P3.0 P3.1
P3口的第二功能定义
第 二 功 能
RXD（串行输入口） TXD（串行输出口）
INT0（外部中断0）
40只引脚按功能分为3类： 1）电源及时钟引脚（4个）: Vcc、Vss；XTAL1、XTAL2。 2）控制引脚（4个）： PSEN* 、 EA* 、 ALE 、 RESET （即RST）。 （3）I/O口引脚（32个）： P0 、 P1 、 P2 、 P3 ，为 4 个 8 位 I/O 口的外部引脚
P3.2
P3.3 P3.4
INT1（外部中断1）
T0（定时器0外部计数输入）
P3.5
P3.6 P3.7
T1（定时器1外部计数输入）
2 MCS-51系列单片机的结构和原理
0023H~002AH
地址去执行程序
串行中断地址区
中断响应后，系统能按中断种类，自动转到各中断区的首
但8个单元难以存下一个完整的中断服务程序， 故一般在中断地址区首地址开始存放一条无条件转移指令
JMP、 AJMP以便中断响应后，通过中断地址区，转到
中断服务程序的实际入口地址去
2.3.4 堆栈操作 堆栈只允许在其一端进行数据插入和数据删除操作的线性表 数据写入堆栈称为插入运算（入栈），PUSH 从堆栈中读出数据称为删除运算（出栈），POP
地址：80H~FFH 存放相应功能部件 的控制命令、状态 或数据 21个专用寄存器
（SFR）
（1）累加器A （Accumulator） 累加器A是8位寄存器，又记做ACC，是一个最常用的专用 寄存器。在算术/逻辑运算中用于存放操作数或结果。
（2）寄存器B 寄存器B 是8位寄存器，是专门为乘除法指令设计的，也 作通用寄存器用。
I/O口P0、P1、P2、P3集数据输入缓冲、数据输出驱动及锁
存等多项功能于一体
• 字节地址为90H，位地址为90H～97H，只作通用I/O口使用. • 由一个数据输出锁存器、两个三态输入缓冲器和输出驱动电 路组成。 内有电阻， 输出时无需 外接上拉电 阻 P1口作输出口 使用时: 内部总线 输出数据给输 出数据锁存器 的输入数据线 D.
1. 芯片封装形式
双列直插式DIP（Dual In line Package） 44引脚方形扁平式QFP（Quad Flat Package）
2. 芯片引脚介绍
1）输入/输出口线 4个8位双向口线
2）ALE 地址锁存控制信号 • 在系统扩展时，用于控制把P0口输出的低8位地址
送入锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的分
单片机结构原理
单片机结构原理单片机是一种集成电路，在一个芯片上包含了中央处理器（CPU）、存储器和各种输入输出设备。
它通常由控制器、运算器、存储器和各种输入输出接口组成。
控制器是单片机的核心部件，用于控制整个系统的运行。
它包含指令寄存器、程序计数器和指令译码器等功能模块。
指令寄存器用于存储当前执行的指令，程序计数器则用于存储下一条将要执行的指令的地址。
指令译码器用于解析指令，并将其转换为对应的操作。
运算器是负责执行算术和逻辑运算的模块。
它包含算术逻辑单元（ALU）和状态寄存器等组件。
ALU能够执行加法、减法、乘法、除法等算术运算，同时也能够执行逻辑运算，如与、或、非等。
状态寄存器用于存储运算结果的状态信息，如溢出、进位等。
存储器用于存储程序和数据。
主要包括程序存储器和数据存储器。
程序存储器用于存储单片机的程序指令，常见的有闪存（Flash）和只读存储器（ROM）等。
数据存储器用于存储程序的数据，通常包括随机存取存储器（RAM）和特殊功能寄存器等。
单片机还包含各种输入输出接口，用于与外部设备进行交互。
常见的包括通用输入输出口（GPIO）、串行通信接口（UART）、并行输入输出口（PIO）等。
GPIO用于连接各种输入和输出设备，如按键、LED灯等。
UART用于与外部设备进行串行通信，如连接计算机或其他设备进行数据传输。
PIO用于并行数据的输入输出，适用于连接并行设备。
使用单片机可以实现各种控制和数据处理功能，如嵌入式系统、工业自动化、家电控制等。
其结构原理的核心在于控制器的指令执行和运算器的运算能力，以及存储器和接口的协同工作。
通过编程和配置相应的硬件接口，可以实现对外部设备的控制和数据交换。
第2章 89C51单片机硬件结构和原理
及指令译码器ID （2）指令寄存器 及指令译码器 ）指令寄存器IR及指令译码器 （3）振荡器和定时电路 ）
（1）程序计数器 （16位） ）程序计数器PC（ 位 由两个8位计数器PCH、PCL组成。 由两个8位计数器PCH、PCL组成。 PCH 组成 PC用来存放下一条将要执行的指令地址。 PC用来存放下一条将要执行的指令地址。 用来存放下一条将要执行的指令地址 改变PC内容，改变执行的流向。 改变PC内容，改变执行的流向。 PC内容 PC可对64KB的ROM直接寻址 也可对89C51 可对64KB 直接寻址， PC可对64KB的ROM直接寻址，也可对89C51 片内RAM寻址。 RAM寻址 片内RAM寻址。
PC增1 增 PC DPTR
P1锁存器 锁存器
P3锁存器 锁存器 P3驱动器 驱动器 P3.0-P3.7
P1驱动器 驱动器 P1.0-P1.7
二、结构组成
（一）、中央处理单元（CPU） ）、中央处理单元（ 中央处理单元 ） （二）、存储器 ）、存储器 （三）、I/O接口 ）、 接口
（一）、中央处理单元（CPU） ）、中央处理单元（ 中央处理单元 ） 1．运算器 ．
PSEN（29脚）： （ 脚
程序存储器允许信号输出端。 程序存储器允许信号输出端。 在访问片外ROM时，定时输出负脉冲作为 在访问片外ROM时 ROM 读片外ROM的选通信号，接片外ROM ROM的选通信号 读片外ROM的选通信号，接片外ROM 的OE 端。 它的负载能力为8 LS型TTL负载。 它的负载能力为8个LS型TTL负载。 负载
31脚 EA/Vpp（31脚）：
EA： 外部程序存储器地址允许输入端。 EA： 外部程序存储器地址允许输入端。 当该引脚接高电平时，CPU访问片内 访问片内EPROM/ROM 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 PC值超过 并执行片内程序存储器中的指令，但当PC值超过 0FFFH（片内ROM 4KB） ROM为 0FFFH（片内ROM为4KB）时，将自动转向执行片 ROM中的程序 中的程序。 外ROM中的程序。 当该引脚接低电平时，CPU只访问片外 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 并执行外部程序存储器中的程序。 EPROM/ROM并执行外部程序存储器中的程序。 8751片内EPROM固化编程时 片内EPROM固化编程时， Vpp：对8751片内EPROM固化编程时，编程电压输入 12-21V）。 端（12-21V）。
教学课件第2章89C51单片机硬件结构和原理
当ROM容量不够时，尽量选择高容量存储器空间的单片机，如 89C52、89C54、89C58等，应避免外扩程序存储器，因为会增加 硬件负担。
程序存储器
FFFFH
(64K)
0FFFH (4K)
0000H
内部
EA=1
外部
EA=0 0000H
0FFFH (4K)
1
28
2
27
EPROM
3
26
4
25
5
24
6
23
7
22
8
21
9
20
10 2764 19
11
18
12
17
13
16
14
15
1
28
2
27
EPROM
3
26
4
25
5
24
6
23
7
22
8
21
9
20
10 2764 19
11
18
12
17
13
16
14
15
64K
3. 程序存储器
通过16位PC寻址，最大可寻址64kB地址空间
程序存储器资源分布
4. 数据存储器
片内、片外分开编址
如何区分0000-00FFH的地址空间是片内RAM还 是片外RAM？
片内RAM：
• 低128B片内RAM ① 高128B片内RAM
0000-007FH 0080-00FFH
SFR：特殊功能寄存器区
PSW位地址
数据存储器
FFFFH
CY AC F0 RS1 RS0 OV F1 P
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嵌套和多重中断处理中是必不可少的。为保证逐级正确返回,
进入栈区的“断点”数据应遵循“先进后出”的原则。SP用 来指示堆栈所处的位置, 在进行操作之前, 先用指令给SP赋值, 以规定栈区在 RAM 区的起始地址（栈底层）。当数据推入 栈区后, SP的值也自动随之变化。MCS - 51 系统复位后, SP
2）累加器A ： 地址E0H，可以位寻址。 3）寄存器B：地址F0H，可以位寻址。 4）程序状态字PSW：存放各种标志。
5）. 堆栈指针SP（Stack Pointer）
堆栈操作是在内存 RAM 区专门开辟出来的按照“先进 后出”原则进行数据存取的一种工作方式 , 主要用于子程序 调用及返回和中断处理断点的保护及返回 , 它在完成子程序
表 2.6 SFR特殊功能寄存器地址表
表 2.6 SFR特殊功能寄存器地址表
1）. 程序计Leabharlann 器PC（Program 物理上独立。
Counter）
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, 可寻址范围是0000H~0FFFFH共 64 K.。
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。 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。
片外数据存贮器
64KB片外RAM
图 2.2 MCS - 51 单片机的存储器结构
1. 程序存储器P41
对 于 8051 来 说 , 程 序 存 储 器 （ ROM ） 的 内 部 地 址 为
0000H~0FFFH, 共 4 KB; 外部地址为 1000H~FFFFH, 共 60
KB。 当程序计数器由内部 0FFFH执行到外部 1000H 时, 会自 动跳转。对于 8751 来说, 内部有 4 KB的EPROM, 将它作为内 部程序存储器; 8031 内部无程序存储器, 必须外接程序存储器。 8031 最多可外扩 64 KB程序存储器, 其中 6 个单元地址具有特
初始化为07H。
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
殊用途, 是保留给系统使用的。0000H是系统的启动地址, 一般
在该单元中存放一条绝对跳转指令。0003H、000BH、 000BH、 001BH和 0023H对应 5 种中断源的中断服务入口地址。
2. 内部数据存储器 MCS-51 单片机片内RAM的配置如图 2.4（b）所示。 片内RAM为 256 字节, 地址范围为00H~FFH, 分为两大部分: 低 128 字节（ 00H~7FH ）为真正的 RAM 区 ; 高 128 字节
（80H~FFH）为特殊功能寄存器区SFR。
在低 128 字节RAM中, 00H~1FH共 32 单元是 4 个通用
工作寄存器区。每一个区有 8 个通用寄存器R0~R7。寄存器
和RAM地址对应关系如表 2.4。
表 2.4 寄存器与RAM 地址对照表
表 2.2 RS1、 RS0与片内工作寄存器组的对应关系
2.6 单片机的引脚及其功能
图 2.6 MCS - 51 (a) 管脚图； (b) 8031 引脚功能分类
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
2并行输入/输出口
1. P0口
图 2.5 P0 口内部一位结构图
2. P1、P2和P3口
P1、P2 和P3 口为准双向口, 在内部差别不大, 但使用功能 有所不同。 P1口是用户专用 8 位准双向I/O口, 具有通用输入/输出功 能, 每一位都能独立地设定为输入或输出。当有输出方式变为
图 2.1 MCS - 51单片机结构框图
8031：无内部ROM 8051：内部4KB掩膜ROM 8751：内部4KBEPROM
2.4 MCS-51 存贮器组织
普林思顿结构：
哈佛结构：
51单片机的存贮器组织是哈佛结构。 物理上：片内程序存贮器 片外程序存贮器 片内数据存贮器 64KB程序存贮空间 256B片内RAM 逻辑空间
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。
7）I/O端口（P0~P3）
8）SBUF
9）定时器/计数器T0，T1 10）其他控制寄存器 IE，IP中断 SCON：串行口
TMOD，TCON：定时/计数器
PCON：供电方式
3. 外部数据存储器
外部数据存储器一般由静态 RAM构成，其容量 大小由用户根据需要而定 , 最大可扩展到 64 KB RAM , 地址是 0000H~0FFFFH。 CPU通过MOVX 指令访问外部数据存储器 , 用间接寻址方式 , R0 、 R1和 DPTR都可作间接寄存器。注意, 外部RAM和 扩展的I/O接口是统一编址的, 所有的外扩I/O 都要占用 64 KB中的地址单元。 口
输入方式时, 该位的锁存器必须写入“1”, 然后才能进入输入操
作。 P2口是 8 位准双向I/O口。外接I/O设备时, 可作为扩展系 统的地址总线, 输出高8位地址, 与P0 口一起组成 16 位地址总 线。 对于 8031 而言, P2 口一般只作为地址总线使用, 而不作为 I/O线直接与外部设备相连。
第2章 单片机的硬件结构和原理
2.1 MCS -51单片机内部结构
2.4 存储器的结构
2.3 单片机的引脚及其功能
2.7 单片机工作的基本时序
2.1 MCS - 51单片机硬件结构
2.2.1 MCS - 51系列单片机的分类
表 2.1 MCS - 51 系列单片机配置一览表
2.2.2 MCS - 51单片机的内部结构
RS1
0 0 1 0
RS0
0 1 0 1
片内PAM 通用寄存器 寄存器组 地址 名称 00H~07H R0~R7 0组 08H~0FH R0~R7 1组 10H~17H R0~R7 2组 18H~1FH R0~R7 3组
表 2.5 RAM中的位寻址区地址表
表 2.6 SFR特殊功能寄存器地址表