单片机-第2章单片微机的基本结构
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第2章 AT89S51单片机硬件结构PPT课件
图2-2 AT89S51双列直插封装方式的引脚
14
2．时钟引脚 （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，此脚电平应 ≤ 0.5V。
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；
9
（4）增加断电标志； （5）增加掉电状态下的中断恢复模式。 片内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，
目的：本章学习，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
继承下来。用学习微机的思路来学习单片机。
2.1 AT89S51单片机的硬件组成 片内硬件组成结构如图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尺寸有限的集成电路芯片上。 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）
； （5）1个全双工的异步串行口； （6）2个可编程的16位定时器/计数器；
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2．时钟引脚 （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，此脚电平应 ≤ 0.5V。
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；
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（4）增加断电标志； （5）增加掉电状态下的中断恢复模式。 片内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，
目的：本章学习，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
继承下来。用学习微机的思路来学习单片机。
2.1 AT89S51单片机的硬件组成 片内硬件组成结构如图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尺寸有限的集成电路芯片上。 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）
； （5）1个全双工的异步串行口； （6）2个可编程的16位定时器/计数器；
第2章-STC15单片机的内部结构
单片机原理与接口技术————基于STC15系列的51单片机
第2章 STC15单片机的内部结构
一、 总体结构
图2.2 STC15W4K32S4单片机详细结构图
单片机原理与接口技术————基于STC15系列的51单片机
第2章 STC15单片机的内部结构
二、 引脚功能
图2.3 STC15W4K32S4的PDIP40引脚图
程序计数器PC用于在CPU运行过程中，保存下一条要执行的指令在程序存储器中的 地址，一般情况下，它总是自动加一，只在运行转移类或子程序调用类指令时，才会 改变为相应的目标地址，这些概念和普通微处理器中的概念是相同的。PC的位数是 16位，所以，51单片机程序存储器的空间大小是64KB。当单片机复位时，PC初始化 为0000H，这也是51单片机上电复位以后，所执行的第一条指令的地址。
单片机原理与接口技术————基于STC15系列的51单片机
第2章 STC15单片机的内部结构
一、 总体结构
3．并行I/O口
并行开关量（数字量）的输入/输出，是微控制器最基本的功能。STC15系列单片机， 提供了最多8个可编程的并行I/O口（根据封装的不同，端口数也不同），大部分I/O口 是8位的，有些口不足8位。如图Port0-Port7所示。这些I/O口命名为P0~P7，既可以 将它们分别作为一个整体，用于8位开关量的输入与输出（若是8位端口的话），也可 以将它们的各位口线分别独立地用于1位的开关量输入与输出。当这些口线单独使用 时，它们被命名为Px.y，其中x代表其所在的并行口，可为0-7；y代表相应的位，可 为0-7，例如P0.7，代表P0口的D7位。
单片机原理与接口技术————基于STC15系列的51单片机
第2章 STC15单片机的内部结构
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。
17:43
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单片机原理及接口技术
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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单片机原理及接口技术
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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单片机原理及接口技术
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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单片机原理及接口技术
（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。
17:43
微电子技术单片机教程第二章
钟时，用于外接时钟脉冲信号。
89S51 时钟产生方式
内部时钟方式
C1
18（XTAL2）
外部时钟方式
悬空
18（XTAL2）
19（XTAL1）
C2
19（XTAL1）
外部时 钟
GND
AT89S51
GND AT89S51
3、I/O口引脚（32个引脚）
P0口（32脚～39脚）有两种使用方法：
作为普通I/O口使用，须外接上拉电阻
CPU总是按PC的指示读取程序。PC可自动加1。因此
CPU执行程序一般是顺序方式。当发生转移、子程序
调用、中断和复位等操作，PC被强制改写，程序执行
顺序也发生改变。
系统复位时，PC=0000H。
(7)程序状态寄存器PSW（Program Status Word）
位 PSW
位 7 6 5 4 3 2 1 0
单片机引脚说明
1、主电源引脚Vcc和 V ss VCC（40脚）: 接+4V~+5V电源正端;
VSS（GND 20脚）: 电源负极（接地）
2、振荡器外接晶体引脚XTAL1和XTAL2
XTAL1（19脚）、XTAL2（18脚）：当使用芯片内部时
钟时，此二引线用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时
中断 锁存器 定时/计数器 串行口
存储 器
锁存器
锁存器
控制 器
锁存器
B
SP
暂存器1
ACC
暂存器2
指令寄存器IR
运算 I/O 器 接口
缓冲器
双数据指针DPTR PC增量器
程序计数器PC
4K FLASH
指令译码器ID
PSW
第2章AT89S51单片机硬件结构
TXD
INT0 INT1 T0 T1 WR RD
串行数据发送
外部中断 0 申请 外部中断 1 申请 定时器/计数器 0 计数输入 定时器/计数器 1 计数输入 外部RAM写选通 外部RAM读选通
11
控制信号引脚
RST/VPD（9引脚）：RST为复位信号输入端。
当RST端保持2个机器周期以上高电平时，单片机完成复位操作。 第二功能VPD为内部RAM的备用电源输入端。当主电源VCC发生 断电，降到一定电压值时，可通过VPD为单片机内部RAM提供电 源，以保护片内RAM中的信息不丢失，上电后能继续正常运行。 ALE / PROG （30引脚） ： ALE为地址锁存允许信号 在系统扩展时，ALE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8位地址和数据的分时传送。
CPU是单片机内部的核心部件，完成运算和控制操作。包括运 算器、控制器以及若干寄存器等部件组成
运算器
以算术逻辑单元ALU为核心，加上累加器ACC、寄存器B、暂存器 TMP1和TMP2、 程序状态寄存器PSW、十进制调整电路及专门用
于位操作的布尔处理机组成的。
功能：实现数据的算术逻辑运算，位变量处理和数据传送操作。
可编程I/O
内中断
外中断 控制
并行口
4
89S51单片机的基本组成 一个8位 的微处理器CPU。 片内数据存储器(RAM128B/256B）:
用以存放可以读/写的数据，如运算的中间结果、最终 结果以及欲显示的数据等。
片内程序存储器Flash ROM（4KB/8KB）:
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。
第2章 AT89S52单片机的片内硬件结构(1)内部结构及引脚
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（2）EA/ VPP (Enable Address/Voltage Pulse of Programming，31脚)
第一功能：
当EA接高电平时，在PC值不超出1FFFH （即不超出片内8KB Flash存储器的地址 范围）时，单片机读片内程序存储器 （8KB）中的程序，但PC值超出1FFFH （即超出片内8KB Flash地址范围）时， 将自动转向读取片外60KB（2000H-FFFFH）
Port 0
P1.2 P1.3
P0.0～P0.7统称为P0口。
P1.4 P1.5
❖ 地址/数据总线复用
P1.6 P1.7
❖ 地址总线低8位
RST/VPD RXD/P3. 0
（2）P2口（21脚～28脚）:
TXD/P3.1 INT0/ P3.2
P2.0～P2.7统称为P2口,
一
INT1/ P3.3 T0/ P3.4
EA ALE PSEN
P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2. 0
16
补充知识： 210=1024=1K =0000 0011 1111 1111B =03FFH 216=65536=64K =1111 1111 1111 1111B =FFFFH 213=8192=8K =0001 1111 1111 1111B =1FFFH
储器中的内容，读取的地址范围为
T0/ P3.4
12 13 14
29 28 27
0000H～FFFFH，片内的8KB Flash 程序存 T1/P3.5 15
26
储器不起作用。 第二功能： 对片内Flash编程，接编程电压。
WR/P3.6 26
25
RD/P3.7 17
（2）EA/ VPP (Enable Address/Voltage Pulse of Programming，31脚)
第一功能：
当EA接高电平时，在PC值不超出1FFFH （即不超出片内8KB Flash存储器的地址 范围）时，单片机读片内程序存储器 （8KB）中的程序，但PC值超出1FFFH （即超出片内8KB Flash地址范围）时， 将自动转向读取片外60KB（2000H-FFFFH）
Port 0
P1.2 P1.3
P0.0～P0.7统称为P0口。
P1.4 P1.5
❖ 地址/数据总线复用
P1.6 P1.7
❖ 地址总线低8位
RST/VPD RXD/P3. 0
（2）P2口（21脚～28脚）:
TXD/P3.1 INT0/ P3.2
P2.0～P2.7统称为P2口,
一
INT1/ P3.3 T0/ P3.4
EA ALE PSEN
P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2. 0
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补充知识： 210=1024=1K =0000 0011 1111 1111B =03FFH 216=65536=64K =1111 1111 1111 1111B =FFFFH 213=8192=8K =0001 1111 1111 1111B =1FFFH
储器中的内容，读取的地址范围为
T0/ P3.4
12 13 14
29 28 27
0000H～FFFFH，片内的8KB Flash 程序存 T1/P3.5 15
26
储器不起作用。 第二功能： 对片内Flash编程，接编程电压。
WR/P3.6 26
25
RD/P3.7 17
第2章 MCS-51单片机
（4）可寻址外部程序存储器和数据存储器，各64KB；
（5）两个16位定时器／计数器； （6）32位可编程并行I／O口； （7）一个可编程全双工串行I／O口； （8）二十多个特殊功能寄存器； （9）5个中断源，两个优先级嵌套中断结构。
2. 微处理器 8051微处理器的组成如下所示：
累 加 器 ACC（ Accumulator） 程 序 状 态 字 寄 存 器 PSW（ Program Status Word） 运算器 暂存寄存器 CPU 寄存器B 指 令 寄 存 器 IR 控制器 指 令 译 码 器 ID 程 序 计 数 器 PC
(2)位寻址区
内部RAM的0x20～0x2F为位寻址区，这16个字节的每
一位都对应一个8位地址，位地址范围为0x00～0x7F。该区 域可按字节读写，也可按位读写，位地址从0x20单元最低位 开始，共有16×8位，即128个位地址。 如果系统需要位操作，最好保留0x20～0x2F单元的部分
或全部，作为位存储区，以支持位处理操作。位寻址区的每
一位都可以直接进行位操作。通常把各种程序状态标志位控 制变量，设在位寻址区内，同时，位寻址区的RAM单元也 可以作一般的数据缓冲器使用。RAM寻址区位地址映象如 表2-5所示。
位 寻 址 区 地 址 映 象
(3)缓冲器区
内部RAM的0x30～0x7F的地址区，可作为数据缓冲器 使用，存放数据，由于该区有丰富的操作指令，使用十分 方便。 2.外部数据存储器 在51系列中，允许用户扩展外部数据存储器和I/O接口， 用户可以通过P0、P2口最多扩展连接64K个外部单元（每
片机系统。
MCS-51的典型产品是8051、8031、8751。8051是ROM型单片 机，内部有 4KB 掩膜 ROM ； 8031 无片内 ROM ， 8751 片内有
《单片机原理及应用》第二章 89C51单片机的结构和原理2012
• 片内容量为4KB，地址范围为0000H～0FFFH。 • 片外最多可扩至64KB ROM/EPROM，地址范围为 1000H～FFFFH。 • 片内外统一编址。 • ROM的寻址方式： • 1）当 EA=“1”时：
– 在0000～0FFFH范围内执行片内ROM中的程序，当指令地址超 过0FFFH 后就自动转向片外ROM中取指令。
• 四个8位并行I/O（输入/输出）接口P0~P3 • 两个定时/计数器
– 每个定时/计数器都可以设置成计数或定时方式
• 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
• 五个中断源的中断控制系统
MCS-51系列单片机的性能
表中型号带“C”表示所用的是CMOS工艺，具有功耗低的优点。
什么是入口地址？
0023H
2 数据存储器 • 一般将随机存储器（RAM）用做数据存储器。可寻址空 间为64KB。MCS-51数据存储器可分为片内和片外两部 分。片内、片外独立编址。 片外RAM： 最大范围：0000H～FFFFH， 64KB；用指令MOVX访问。 片内RAM： 最大范围：00H～FFH，256B； 用指令MOV访问。 又分为两部分：低128B（00～ 7FH）为真正的RAM区，高128B （80～FFH）为特殊功能寄存器 （SFR）区。如右图所示。
第二章 89C51单片机的结构和原理
• • • • • 2.1 89C51单片机的结构 2.2 89C51的引脚及其功能 2.3 CPU时序 2.4 复位操作 2.5 89C51单片机的低功耗工作方式
2.1 89C51单片机的结构
89C51单片机内部结构示意图如下所示： 外部时钟源 外部事件计数输入
振荡器和时序 OSC
单片机的基本构成
单片机（Microcontroller）是一种包含处理器核心、内存、输入/输出设备以及定时器等基本功能的集成电路。
它通常被用于嵌入式系统中，以执行特定的任务。
以下是单片机的基本构成要素：
1. 中央处理器（CPU）：单片机的核心，负责执行指令和控制计算机的操作。
它可以是不同架构的，如ARM、AVR、PIC等。
2. 存储器：
- 程序存储器（Flash Memory）：用于存储单片机的程序代码。
- 数据存储器（RAM）：用于存储程序执行时的临时数据。
3. 输入/输出设备（I/O Devices）：
- 数字输入/输出口：用于连接数字设备，如开关、LED等。
- 模拟输入/输出口：用于连接模拟传感器或设备。
4. 定时器和计数器（Timers and Counters）：用于产生精确的时间延迟和计数操作。
5. 串行通信接口（Serial Communication Interface）：用于与其他设备进行串行通信，如UART （通用异步收发器）、SPI（串行外设接口）、I2C（Inter-Integrated Circuit）等。
6. 中断系统（Interrupt System）：用于处理紧急事件和实时响应。
7. 时钟电路（Clock Circuit）：产生单片机的时钟信号，驱动其内部操作。
8. 电源管理电路：用于提供适当的电源电压和电流。
这些基本组件共同构成了单片机系统，使其能够执行特定的任务或控制应用。
不同型号和品牌的单片机具有不同的规格和功能，适用于各种应用领域。
第2章--AT89S52硬件结构S52
2
2.4.3 特殊功能寄存器 2.4.4 位地址空间 2.4.5 存储器结构总结 2.5 AT89S52的并行I/O端口 2.5.1 P0口 2.5.2 P1口 2.5.3 P2口 2.5.4 P3口 2.6 时钟电路与时序 2.6.1 时钟电路设计
3
2.6.2 时钟周期、机器周期、指令周期与指令时序 2.7 复位操作和复位电路
25
（3）P2口：P2.7～P2.0引脚 准双向I/O口，引脚内部接有上拉电阻，可驱动4个LS型TTL负载。 当AT89S52访问外部存储器及I/O口时，P2口作为高8位地址总线使用，
输出高8位地址。 当P2口不作为高8位地址总线时，可作为通用的I/O口使用。
26
（4）P3口：P3.7～P3.0 准双向I/O口，具有内部上拉电阻。 P3口的第一功能是作为通用的I/O口使用，可驱动4个LS型TTL负载。 P3口还可提供第二功能。第二功能定义见表2-1，应熟记。 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
6
图2-1 AT89S52单片机片内结构
7
（7）中断系统具有6个中断源、6个中断向量； （8）特殊功能寄存器（SFR）32个； （9）1个看门狗定时器； （10）低功耗模式有空闲模式和掉电模式，且具有掉电模式
下的中断恢复模式。
片内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。
复位，使程序恢复正常运行。 AT89S52完全兼容AT89C51/AT89S51单片机，使用AT89C51/
AT89S51单片机的系统，在保留原来软硬件的基础上，可用AT89S52直接 代换。
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2.2 AT89S52的引脚功能
2.4.3 特殊功能寄存器 2.4.4 位地址空间 2.4.5 存储器结构总结 2.5 AT89S52的并行I/O端口 2.5.1 P0口 2.5.2 P1口 2.5.3 P2口 2.5.4 P3口 2.6 时钟电路与时序 2.6.1 时钟电路设计
3
2.6.2 时钟周期、机器周期、指令周期与指令时序 2.7 复位操作和复位电路
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（3）P2口：P2.7～P2.0引脚 准双向I/O口，引脚内部接有上拉电阻，可驱动4个LS型TTL负载。 当AT89S52访问外部存储器及I/O口时，P2口作为高8位地址总线使用，
输出高8位地址。 当P2口不作为高8位地址总线时，可作为通用的I/O口使用。
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（4）P3口：P3.7～P3.0 准双向I/O口，具有内部上拉电阻。 P3口的第一功能是作为通用的I/O口使用，可驱动4个LS型TTL负载。 P3口还可提供第二功能。第二功能定义见表2-1，应熟记。 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
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图2-1 AT89S52单片机片内结构
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（7）中断系统具有6个中断源、6个中断向量； （8）特殊功能寄存器（SFR）32个； （9）1个看门狗定时器； （10）低功耗模式有空闲模式和掉电模式，且具有掉电模式
下的中断恢复模式。
片内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。
复位，使程序恢复正常运行。 AT89S52完全兼容AT89C51/AT89S51单片机，使用AT89C51/
AT89S51单片机的系统，在保留原来软硬件的基础上，可用AT89S52直接 代换。
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2.2 AT89S52的引脚功能
《单片机原理与接口技术》第2章 MCS-51单片机的基本结构
高等职业教育 计算机类课程规划教材
大连理工大学出版社
第2章
MCS-51单片机的基本结构 MCS-51单片机的基本结构
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 单片机内部组成及引脚功能 中央处理器 MCS-51单片机的存储结构 MCS-51单片机的存储结构 输入/ 输入/输出端口 时钟电路与时序 单片机工作过程 MCSMCS-51 单片机工作方式 MCSMCS-51 单片机的最小应用系统
8051/8751 都共有64KB程序存储器空间，片内 ROM/EPROM的容量为 4KB，地址为0000H～0FFFH; 片外最多可扩展至64KB的ROM/EPROM，地址 为1000H～FFFFH，片内外是统一编址的。 当引脚EA接高电平时，8051的PC在0000H～0FFFH范围内执行片内ROM 中的程序; 当指令超过0FFFH时，就自动转向片外ROM取指令。 当EA接低电平时，8051片内ROM不起作用，CPU只能从片外ROM/EPROM 中取指令。对于8031芯片，因其片内无ROM，故应使EA接低电平，这样才 能直接从外部扩展的EPROM中取指令。 3.程序运行的入口地址 3.程序运行的入口地址 实际应用时，程序存储器的容量由用户根据需要扩展，而程序地址 空间原则上也可由用户任意安排，但程序最初运行的入口地址是固定的, 用户不能更改。
MCS-51系列单片机的内部结构 图2-1 MCS-51系列单片机的内部结构
MSC-51系列单片机内部结构简化框图 图2-2 MSC-51系列单片机内部结为21个）特殊功能寄存器SFR （5）4个8位并行输入输出I/O接口 （6）1个串行I/O接口，完成单片机与其他微机之间的串行通信。 （7）2个（MCS-52子系列为3个）16位定时器/计数器T0、T1。
大连理工大学出版社
第2章
MCS-51单片机的基本结构 MCS-51单片机的基本结构
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 单片机内部组成及引脚功能 中央处理器 MCS-51单片机的存储结构 MCS-51单片机的存储结构 输入/ 输入/输出端口 时钟电路与时序 单片机工作过程 MCSMCS-51 单片机工作方式 MCSMCS-51 单片机的最小应用系统
8051/8751 都共有64KB程序存储器空间，片内 ROM/EPROM的容量为 4KB，地址为0000H～0FFFH; 片外最多可扩展至64KB的ROM/EPROM，地址 为1000H～FFFFH，片内外是统一编址的。 当引脚EA接高电平时，8051的PC在0000H～0FFFH范围内执行片内ROM 中的程序; 当指令超过0FFFH时，就自动转向片外ROM取指令。 当EA接低电平时，8051片内ROM不起作用，CPU只能从片外ROM/EPROM 中取指令。对于8031芯片，因其片内无ROM，故应使EA接低电平，这样才 能直接从外部扩展的EPROM中取指令。 3.程序运行的入口地址 3.程序运行的入口地址 实际应用时，程序存储器的容量由用户根据需要扩展，而程序地址 空间原则上也可由用户任意安排，但程序最初运行的入口地址是固定的, 用户不能更改。
MCS-51系列单片机的内部结构 图2-1 MCS-51系列单片机的内部结构
MSC-51系列单片机内部结构简化框图 图2-2 MSC-51系列单片机内部结为21个）特殊功能寄存器SFR （5）4个8位并行输入输出I/O接口 （6）1个串行I/O接口，完成单片机与其他微机之间的串行通信。 （7）2个（MCS-52子系列为3个）16位定时器/计数器T0、T1。
第二章 MCS-51 单片机基本知识
CPU
特殊功能寄存器SFR 特殊功能寄存器 （Special Function Register） ）
MCS-51单片机的引脚功能 2.1.2 MCS-51单片机的引脚功能
MCS-51单片机芯片共40脚 I/O端口引脚32条 端口引脚32 MCS-51单片机芯片共40脚，I/O端口引脚32条、控制引 单片机芯片共40 电源引脚2 时钟引脚2 如图2 脚4条、电源引脚2条、时钟引脚2条，如图2-1、2-4 所示。 所示
通用I/O I/O口 无片外存储器时，P2口可作通用I/O口使用 口可作通用I/O口使用； ① 通用I/O口：无片外存储器时，P2口可作通用I/O口使用； ② 地址口：在访问外部存储器时，传送ROM/RAM高低8位地址。 地址口：在访问外部存储器时，传送ROM/RAM高低8位地址。 ROM/RAM高低
CPU
算术逻辑单元ALU 算术逻辑单元ALU (Arithmetic Logic Unit) 定时控制器 定时控制器 程序计数器PC 程序计数器PC Counter） （Program Counter） 累加器ACC 累加器ACC (Accumulator) (Accumulator) 程序状态字PSW 程序状态字PSW Word) (Program Status Word) 堆栈指针SP 堆栈指针SP Pointor) (Stack Pointor) 数据指针DPTR 数据指针DPTR Pointer） （Data Pointer） 寄存器B 寄存器B
中央处理单元CPU 2.1.1 中央处理单元CPU
算术逻辑单元ALU 算术逻辑单元ALU (Arithmetic Logic Unit) 加法器 2个暂存器TMP1和TMP2 个暂存器TMP1和 TMP1 布尔处理器 定时控制逻辑 定时控制器 定时控制器 指令寄存器IR 指令寄存器IR (Instruction Register ) 振荡器OSC 振荡器OSC (Oscillator) 特殊功能寄存器 特殊功能寄存器SFR （Special Function Register） ）
第2章 单片机的内部结构及工作原理
（9）定时器0和定时器1寄存器 TCON：定时器控制寄存器。 TMOD：定时器方式寄存器。 TL0、TH0：定时器0寄存器。 TL1、TH1：定时器1寄存器。 （10）P0～P3端口寄存器 （11）栈指针SP寄存器 栈指针SP寄存器指示出堆栈顶部在内部数据存储器 中的位置。系统复位后，SP初始化为07H，如果不重新 设置，就使得堆栈由08H单元开始。但08H～1FH单元属 于工作寄存器区，所以在程序设计中，最好把SP的值 设置的大一些，一般将堆栈开辟在30H～7FH区域中。 SP的值越小，堆栈容量就越大，但最大为128字节。
专用寄存器（Special Function Registers）也叫特殊功能寄存 器，就是将内部RAM的高128单元作为特殊功能寄存器使用。 其单元地址为80H～FFH。
寄存器 0 F8H F0H E8H E0H D8H D0H C8H C0H B8H B0H A8H A0H 98H 90H
88H 80H
P3口的特殊功能 口的特殊功能
引脚 1（80C52） 2（80C52） 10 11 12 13 14 15 16 17 特殊功能符号 P1.0/ T2 P1.1/ T2 P3.0/ RXD P3.1/ TXD P3.2/ INT0 P3.3/ INT1 P3.4/ T0 P3.5/ T1 P3.6/ WR P3.7/ RD 功能说明 定时/计数器 T2 计数输入端 T2 的捕捉/重新加载的触发输入 串行数据输入端 串行数据输出端 外部中断 0 申请信号 外部中断 1 申请信号 定时/计数器 T0 计数输入端 定时/计数器 T1 计数输入端 外部数据 RAM 写控制信号 外部数据 RAM 读控制信号
单片机引脚
（9）ALE/PROG（30脚）：地址锁存允许信号。 有以下三个作用： 当外接存储器（RAM/ROM）时，ALE（允许地 址锁存）的输出用于锁存地址的低8位。一般 ALE接锁存器的EN端。 当没有外部存储器时，ALE端可输出脉冲信号， 此频率为石英振荡频率的1/6。因此，它可用作 对外部芯片提供输出的时钟，或用于定时的目 的。 （10）（29脚）：外部程序存储器的读选通 信号
第2章 AT89S51单片机的内部结构
（10）低功耗模式有空闲模式和掉电模式，且具有掉电模式
下的中断恢复模式；
（11）3个程序加密锁定位。
与AT89C51相比，AT89S51有更突出的优点：
（1）增加在线可编程功能ISP（In System Program），字 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；
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。第二功能定义见表2-1，应熟 记。
单片机原理及. 应用
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RIWNDRT 01
单片机原理及. 应用
21
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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。
单片机原理及. 应用
14
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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）E A /VPP (Enable Address/Voltage Pulse of
Programing，31脚) E A ：引脚第一功能：外部程序存储器访问允许控制端。 E A =1，在PC值不超出0FFFH（即不超出片内4KB Flash存
2.5节后，将会有深刻的理解。
单片机原理及. 应用
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2.3 AT89S51的微处理器
由图2-1可见，CPU由运算器和控制器构成。
2.3.1 运算器
对操作数进行算术、逻辑和位操作运算。主要包括算术 逻辑运算单元ALU、累加器A、位处理器、程序状态字寄存器 PSW及两个暂存器等。
第2章 MCS-51单片机
• 外部数据存储器
在单片机内部数据存储器容量不够的情况下，可 扩展外部数据存储器。 ① 用于存放随机读写的数据。 ② MCS-51外部数据存储器和外部I/O口统一编址。
③ MCS-51最大扩展空间为64KB，地址范围为 0000H~FFFFH。
2.3.5 特殊功能寄存器 MCS-51单片机共有21个字节的特殊功能寄 存器SFR （Special Fuction Register）。 1.用途：
1. 运算器
算术运算：加、减、乘、除、加1、减1、比较 BCD码十进制调整等 逻辑运算：与、或、异或、求反、循环等逻辑操 作 位操作：内部有布尔处理器，它以进位标志位C 为位累加器，用来处理位操作。可对位置 “1” 、对位清零 、位判断等。 操作结果的状态信息送至状态寄存PSW。
2.程序计数器PC 程序计数器PC是16位的寄存器，用来存放即将 要执行的指令地址，可对64KB程序存储器直接寻 址。执行指令时，PC内容的低8位经P0口输出，高 8位经P2口输出。
例：单片机外接晶振频率12MHZ时的各种时序 单位： 振荡周期=1/fosc=1/12MHZ=0.0833us
状态周期=2/fosc=2/12MHZ=0.167us
机器周期=12/fosc=12/12MHZ=1us 指令周期=(1～4)机器周期=1～4us
2.5
复位状态与复位电路
2.5.1 复位状态
各个引脚的功能:
2.2.1 电源引脚 GND：接地端。 Vcc：电源端，接+5V。 2.2.2 时钟信号引脚 XTAL1，XTAL2: 接外部晶体或外部时钟。
2.2.3 控制信号引脚 RST/VPD： ①复位信号输入。 ②接备用电源，VCC掉电后，在低功耗条件下保持内部RAM中 的数据。 PSEN：程序存储器允许。输出读外部程序存储器的选通信号。 ALE/PROG： ①ALE 地址锁存允许。 ALE输出脉冲的频率为振荡频率的 1/6。 ②PROG 对8751单片机片内 EPROM 编程时，引入编程脉冲。 EA/VPP： ① EA =0，单片机只访问外部程序存储器。 EA =1，单片机访问内部程序存储器。 ②在8751片内EPROM编程期间，引入21V编程电源VPP。
第2章 MCS-51单片机的结构和原理
89C51/S51单 片机 内部结构图
RAM地址 寄存器
存储器
P0.0-P0.7 P0驱动器
P2.0-P2.7 I/O接口
P2驱动器
128B RAM
P0锁存器
P2锁存器
4KBROM
程序地址 寄存器
B寄存器 运算器
暂存器1
暂存器2
ACC
SP 缓冲器
ALU
PC增1 中断、串行口和定时器 PSW PC
DPTR
DSP芯片的诞生及发展对近20年来通信、计算机、控制
等领域的技术发展起到十分重要的作用。
典型的DSP算法
Algorithm Finite Impulse Response Filter Equation
y(n)
a
k 0
M
M
k
x( n k )
Infinite Impulse Response Filter
8051片内有ROM(程序存储器，只能读)和RAM(数据存储器， 可读可写)两类，它们有各自独立的存储地址空间，与一般微机
的存储器配臵方式不同。
8051有四个8位并行接口，即P0-P3．它们都是双向端口，每 个端口各有8条I／O线，均可输入／输出。P0-P3口四个锁存器同 RAM统一编址，可以把I／O口当作一般特殊功能寄存器来寻址
冯· 诺曼（Van Neuman）结构
控制命令 程序存储器 地址线
CPU
数据存储器
数据线
哈佛结构 控制命令 地址线 程序总线 程序存储器
CPU
控制命令 地址线 数据总线
数据存储器
8051／8751／8031芯片的外部引脚和指令系统完全兼容，其 内部结构除ROM／EPROM不同外，其余完全相同。
第2章_单片机的基本结构与工作原理
个不同的逻辑空间时， ③在访问这3个不同的逻辑空间时，应选用 在访问这 个不同的逻辑空间时 不同形式的指令： 不同形式的指令： MOVC、MOV、MOVX 、 、 ① 在物理上 设有4个存储 设有 个存储 器空间 ② 在逻辑上 设有3个存储 设有 个存储 器地址空间
52系列单片机 系列单片机80H~ FFH 系列单片机 是数据存储器和特殊功能 寄存器地址重叠空间
要求：高电平持续时间>2个机器周期。 fosc=12MHz时>2us， fosc=6MHz时>4us。
37
2.6.2 程序执行方式
0000H 0003H 0030H ORG 0000H AJMP MAIN ORG 000BH AJMP INT0 ORG 0030H MAIN：MOV R3，#00H ...... ORG 0100H INT0: CLR C ......
5
2.2.2 内部结构框图和组成
ALU ACC（A） （ ） ROM RAM 指令寄存器IR 指令寄存器 地址寄存器 PC DPTR T/C I/O PSW 定时控制逻辑 80C51的内部结构框图 图2-3 80C51的内部结构框图
6
2.3 80C51 CPU的结构和特点
7
2.3.1 中央控制器
30
（三）字节寻址区（30H~7FH）
注意：对于MCS-52系列 单片机，80H~FFH RAM 区只能采用间接寻址方式 访问。讲完SFR后举例。
（四）堆栈区
特点：先进后出，进栈时 SP加1，出栈时SP减1。 功能：调用子程序和中断时 保护现场。 系统复位时，SP=07H。使 使 用时要特别小心。 用时要特别小心
3
2.2 80C51单片机的引脚功能和结构框图
52系列单片机 系列单片机80H~ FFH 系列单片机 是数据存储器和特殊功能 寄存器地址重叠空间
要求：高电平持续时间>2个机器周期。 fosc=12MHz时>2us， fosc=6MHz时>4us。
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2.6.2 程序执行方式
0000H 0003H 0030H ORG 0000H AJMP MAIN ORG 000BH AJMP INT0 ORG 0030H MAIN：MOV R3，#00H ...... ORG 0100H INT0: CLR C ......
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2.2.2 内部结构框图和组成
ALU ACC（A） （ ） ROM RAM 指令寄存器IR 指令寄存器 地址寄存器 PC DPTR T/C I/O PSW 定时控制逻辑 80C51的内部结构框图 图2-3 80C51的内部结构框图
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2.3 80C51 CPU的结构和特点
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2.3.1 中央控制器
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（三）字节寻址区（30H~7FH）
注意：对于MCS-52系列 单片机，80H~FFH RAM 区只能采用间接寻址方式 访问。讲完SFR后举例。
（四）堆栈区
特点：先进后出，进栈时 SP加1，出栈时SP减1。 功能：调用子程序和中断时 保护现场。 系统复位时，SP=07H。使 使 用时要特别小心。 用时要特别小心
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2.2 80C51单片机的引脚功能和结构框图
教学课件第2章89C51单片机硬件结构和原理
与ROM密切相关的两个引脚 EA 、 PSEN
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
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EPROM
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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
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)
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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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内部结构（2）
程序存储器
– 采用只读存储器（ROM） – 几种结构形式
• 片内只读存储器 • 片内可编程的ROM
– EPROM － needs programmer – EEPROM （ Flash ROM ） － ISP （ In System
Programmable） – OTP （ One-time Programmable, v.s.
OSC
PSW
P1口 寄存器 P1口驱动器
堆栈 指针
PCON SC SBUF (TX) (RX)
IE
IP
中断、串行口
和定时器模块
P3口 寄存器
P3口驱动器
地址锁存器 缓冲器
PC增量器 程序计数器 数据指针
P1.0-P1.7
P3.0-P3.7
I/O口
– P0.0~P0.7、 P1.0~P1.7、 P2.0~P2.7、 P3.0~P3.7
– 某些专用功能（P0、P2） – 替代功能（P3）
控制线
– RST、EA/VPP、ALE/PROG、PSEN
80C51 CPU的结构和特点
单片微机内部的核心部件 主要包括
– 控制器 – 运算器 – 工作寄存器 – 时序电路
内部结构（1）
中央处理器
– 单片微机中的中央 处理器（CPU）是 单片微机的核心， 主要完成运算和控 制功能，又增设了 “面向控制”的处 理功能，增强了实 时性
程序存储器
– 根据内部是否带有 程序存储器而形成 三种型号：内部没 有程序存储器的称 80C31 ， 内 部 带 ROM 的 称 80C51 ， 内部以EPROM代替 ROM的称87C51
在单片微机中，工作寄存器（即通用寄存器） 属于数据存储器RAM的一部分，在后面与片内 数据存储器一起介绍
这里仅介绍控制器、运算器及时序电路的基本 组成、功能与特点
中央控制器
作用
– 译码，发出控制信号
包括
– PC、IAR、IR、ID、Branch、Timing
功能
– Fetch－decode－execute
• 内部条件－如进位、溢出、结果为零等 • 外部条件－用户（设计者）自定义
运算器
主要完成
– A、L、b运算 – 算术运算：加、减、乘、除、比较、BCD等 – 逻辑运算：与、或、异或等；移位、置位、
80C51单片微机的内部结构
80C51系列单片机主要包括中央处理器 CPU （ 算 术 逻 辑 部 件 ALU 、 控 制 器 等） 、只读存储器 ROM、 随机存取存 储器RAM、定时器/计数器、并行 I/O 口 P0～P3、串行口、中断系统以及定 时控制逻辑电路等
这些部件通过内部总线连接起来，基本 结构仍然是通用CPU加上外围芯片的结 构模式，但功能单元上的控制与先前相 比有重大变化，采用了特殊功能寄存器 （SFR） 进行集中控制的方法
定时电路及元件
– 计算机的整个工作是在时钟信号的驱动下， 按照严格的时序有规律地一个节拍一个节拍 地执行各种操作
– 单片微机内部设有定时电路，只需外接振荡 元件即可工作
– 外接振荡元件一般选用晶体振荡器，或用价 廉 的 RC 振 荡 器 ， 也 可 用 外 部 时 钟 源 ， 作 为 振荡元件
– 近来有的单片微机将振荡元件也集成在芯片 内部
PC
– 不是SFR – 存放下一条指令地址 – 变化：反映程序流程 – 宽度：决定程序空间大小 – 如何变化
中央控制器
DPTR
– 16位的SFR – 主要作用
• 访问外部RAM或I/O • 亦可用于查表
– 可分成2个8位SFR：DPH和DPL – 与PC的区别
IR、ID及控制逻辑
– 关于条件转移
单片微型计算机原理 与接口技术 之
单片微机的基本结构
计算机学院 赵传申
80C51单片微机的内部结构
微型计算机的基本组成有三部分，即中 央处理器CPU（通常包括运算器和控制 器）+存储器+输入/输出（I/O）接口。 若将组成计算机的基本部件集成在一块 芯片上，则俗称为单片微机
一台典型的单片微机的基本组成结构， 主要包报中央处型器（CPU）、存储器 （RAM和ROM）、并行I／O口、串行I／ O口、定时器／计数器、定式电路及元件 等
并行I/O口
– 功能强、使用灵活、多功能、驱动能力大
内部结构（4）
串行I/O口
– 全双工串行I/O口 – 与某些终端设备进行串行通信 – 和一些特殊功能的器件相连 – 用多个单片微机相连构成多机系统
定时器/计数器
– 精确定时 – 对外部事件计数
中断系统
– 中断源 – 优先级
内部结构（5）
Protel99SE 的PCB库中的 几种封装形式
Footprint
关于元件封装（Package）
非总线型单片机引脚图
PDIP－Plastic Dual In Line Package SOIC －Small Outline Integrated Circuit
引脚功能
电源和晶振
– VCC、VSS、XTAL1、XTAL2
Multiple-time）
– 片外只读存储器
内部结构（3）
数据存储器
– RAM，存放运行期间的工作变量和数据 – 一般片内有一定容量的RAM（64B～384B） – 常把寄存器（如工作寄存器、特殊功能寄存
器、堆栈等）在物理或逻辑上划分在片内 RAM空间中，所以可将单片微机内部RAM看 成是寄存器堆，有利于提高运行速度 – 片外RAM
80C51单片微机的内部结构图
80C51单片微机的内部结构图 P0.0-P0.7
P2.0-P2.7
P0口驱动器
P2口驱动器
Vcc GND
RAM地址 寄存器
RAM
P0口 锁存器
P2口 锁存器
ROM
PSEN ALE/PROG
EA/Vpp
RST
寄存器B
ACC TMP2
TMP1
ALU
定时 指令 和控制 寄存器
80C51单片微机的引脚
关于元件封装（Package）
DIP－Dual In Line PLCC－Plastic Leaded Chip Carrier PQFP（TQFP）－Plastic（Thin）Quad Flat Pack SSOP － Shrink Small Outline Pack PGA（BGA） － Pin（Ball）Grid Array 右图是