第2章 单片机硬件结构及其特点
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2012-2-16 12
2. 专用寄存器的字节寻址
注意： 注意： 21个可字节寻址的专用寄存器是不连续地分散在内 个可字节寻址的专用寄存器是不连续地分散在内 个可字节寻址的专用寄存器是不连续 单元之中， 个寄存器， 个可位 部RAM高128单元之中，共11个寄存器，83个可位 高 单元之中 个寄存器 寻址。尽管还剩余许多空闲单元，但用户并不能使用。 寻址。尽管还剩余许多空闲单元，但用户并不能使用。 个专用寄存器中， 在22个专用寄存器中，唯一一个不可直接操作的寄 个专用寄存器中 存器是PC。 不占据 不占据RAM单元，它的位置在 单元， 存器是 。PC不占据 单元 它的位置在CPU 内部，是独立的。 内部，是独立的。 对专用寄存器的访问既可使用寄存器符号， 对专用寄存器的访问既可使用寄存器符号，也可使用 寄存器单元地址。 寄存器单元地址。
2012-2-16 8
运算和数据地址寄存
CPU内部 I/O口控制数据寄存 口控制数据寄存 内部SFR 内部 中断系统控制
定时/计数器相关 定时 计数器相关 串行口相关
2012-2-16 9
1、SFR（80H～FFH）介绍： 、 （ ～ ）介绍：
字节地址： 21个有效（其中仅11个有位地址） 字节地址：只21个有效（其中仅11个有位地址） 个有效 11个有位地址 有2套地址 套地址 位地址： 83位有效 位地址：只83位有效
程序状态字PSW （8位）： (4) 程序状态字 位
存放ALU运算过程的标志状态。 运算过程的标志状态。 存放 运算过程的标志状态
位序 位符号
B7
CY
B6 AC
B5 F0
B4Βιβλιοθήκη BaiduB3 B2 RS1 RS0 OV
B1
F1
B0
P
(5)
数据指针DPTR （16位）： 数据指针 位
存放片外存储器地址，作为片外存储器的指针。 存放片外存储器地址，作为片外存储器的指针。 可分成两个8位寄存器DPH、 使用。 可分成两个 位寄存器DPH、DPL使用。
中的两位PSW.4和 用PSW中的两位 中的两位 PSW.3来切换工作寄存器区，选用 来切换工作寄存器区， 一个工作寄存器区进行读写操作。 一个工作寄存器区进行读写操作
2． 位寻址区 ： ．
字节地址为20H～2FH，既可 ～ 字节地址为 ， 作RAM，也可位操作。 ，也可位操作。 共有16个 单元， 共有 个RAM单元，共128 单元 位，位地址为00H～7FH。 位地址为 ～ 。
+5V
单片机
30µF F
3、电源及时钟引线 电源及时钟引线
工作电源： 工作电源：VCC、VSS 时钟输入： 时钟输入：XTAL1、XTAL2。 、 。
RESET 200 1K
RST
2.2 内部存储器
内部数据存储器高128 128单元 2.2.1 内部数据存储器高128单元 内部数据存储器低128 128单元 2.2.2 内部数据存储器低128单元 2.2.3 堆栈操作 2.2.4 内部程序存储器 2.2.5 存储器结构特点
80C51
2、控制线 控制线
ALE：地址锁存允许信号端 ： PSEN：外部程序存储器读选通信号端 ： EA/ VPP ：程序存储器选择信号端 程序存储器选择信号端/ 编程电源输入端
2、控制线
RST/VPD：复位信号端和后备电源输入端。 复位信号端和后备电源输入端。 输入10ms以上高电平脉冲，单片机复位。 以上高电平脉冲 输入 以上高电平脉冲，单片机复位。 VPD使用后备电源，可实现掉电保护 使用后备电源，可实现掉电保护。 复位电路： 复位电路： （1）上电复位 ） （2）外部信号复位 ）
2.2.4 内部程序存储器
80C51内有 内有4KB ROM，其地址为 内有 ，其地址为0000H～0FFFH其中 ～ 其中 0000H～0002H是系统的启动单元。 是系统的启动单元。 ～ 是系统的启动单元 系统复位后( ) 系统复位后(PC)＝0000H，开始取指令执行程序。 ，开始取指令执行程序。 如果不从0000H开始，应存放一条无条件转移指令， 如果不从 开始，应存放一条无条件转移指令， 开始 以便直接转去执行指定的程序。 以便直接转去执行指定的程序。 作用： 作用： （1）用来存放固化了的用户程序，取指令地址由程序计 ）用来存放固化了的用户程序， 数器PC给出 给出， 具有自动加 的功能； 具有自动加1的功能 数器 给出，PC具有自动加 的功能； （2）固化一片数据区，存放被查询的表格和参数等。 ）固化一片数据区，存放被查询的表格和参数等。
2.2.5 存储器结构特点
冯.诺依曼结构： 诺依曼结构： 程序和数据共用一个存 储器逻辑空间，统一编址。 储器逻辑空间，统一编址。
FFFF
哈佛结构： 哈佛结构： 程序与数据分为两个独立 存储器逻辑空间，分开编址。 存储器逻辑空间，分开编址。
FFFF
整 个 数据存储区 存 储 空 间 程序存储区
数 据 存 储 区
字 节 地 址
字 节 地 址
位地址
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18
2.2.3 堆栈操作
向地址增大的方向生成）： ）：MCS—51系列 向上生长型 （向地址增大的方向生成）： 系列 堆栈类型 向下生长型（向地址较低的方向生成）：MCS—96系列 向下生长型（向地址较低的方向生成）： ）： 系列 堆栈指针SP （8位）： 堆栈指针 位 是按“先进后出”原则存取数据的存储区。 是按“先进后出”原则存取数据的存储区。 堆栈设在片内 片内RAM区 堆栈设在片内RAM区。 数据入栈时： 自动加1，后写入数据， 始终指向栈顶地址 始终指向栈顶地址。 数据入栈时：先SP自动加 ，后写入数据，SP始终指向栈顶地址。 自动加 —— “先加后压” 先加后压” 先加后压 数据出栈时：先读出数据， 始终指向栈顶地址。 数据出栈时：先读出数据，后SP自动减 1，SP始终指向栈顶地址。 自动减 ， 始终指向栈顶地址 —— “先弹后减” 先弹后减” 先弹后减 但在程序设计时应将SP值初始化为 以后， 复位时 SP=07H。但在程序设计时应将 值初始化为 但在程序设计时应将 值初始化为30H以后， 以后 以免占用宝贵的寄存器区和位地址区。 以免占用宝贵的寄存器区和位地址区。
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中断入口：0003H～0023H 中断入口：0003H～
0003H～000AH ～ 000BH～0012H ～ 0013H～001AH ～ 001BH～0022H ～ 0023H～002AH ～
中断服务程序存放方法： 中断服务程序存放方法： （1）从中断地址区首地址开始，在中断地址区中直接存放； ）从中断地址区首地址开始，在中断地址区中直接存放； （2）从中断地址区首地址开始，存放一条无条件转移指令， ）从中断地址区首地址开始，存放一条无条件转移指令， 以便中断响应后，通过中断地址区， 以便中断响应后，通过中断地址区，再转到中断服务 程序的实际入口地址区去。 程序的实际入口地址区去。
累加器A（ 位 (2) 累加器 （8位）： 需要ALU处理的数据和计算结果多数要经过累加器 处理的数据和计算结果多数要经过累加器A。 需要 处理的数据和计算结果多数要经过累加器
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11
(3) 寄存器B （8位）： 寄存器 位
与A累加器配合执行乘、除运算。也可用作通用寄 累加器配合执行乘、除运算。 累加器配合执行乘 存器。 存器。
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2.1.2 信号引脚
1、I/O口线功能 口线功能
4个8位并行 I/O 接口引脚 个 位并行 P0.0～P0.7 、P1.0～P1.7 、 ～ P2.0～P2.7和 P3.0～P3.7 ～ ～ 为多功能引脚， 为多功能引脚，可自动切换用作数 据总线、地址总线、控制总线和或I/O 据总线、地址总线、控制总线和或 接口外部引脚。 接口外部引脚。
字节地址 可被8整除 可被 整除
专用寄存器： 专用寄存器： A、B、PSW、 、 、 、 DPTR、SP。 、 。 I/O接口寄存器：P0、 接口寄存器： 、 接口寄存器 P1、P2、P3、SBUF、 、 、 、 、 TMOD、TCON、 、 、 SCON …
字 节 地 址
位地址
程序计数器PC（ 位 (1) 程序计数器 （16位）： CPU总是按 的指示读取程序。PC是一个 位的计 总是按PC的指示读取程序 是一个16位的计 总是按 的指示读取程序。 是一个 数器。其内容为将要执行的指令地址（ 数器。其内容为将要执行的指令地址（即下一条指令地 执行程序一般是顺序方式。 址），可自动加 。因此 ），可自动加1。因此CPU执行程序一般是顺序方式。当 可自动加 执行程序一般是顺序方式 发生转移、子程序调用、中断和复位等操作， 被强制改 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。 程序执行顺序也发生改变。
0000
程 序 存 储 区
0000
冯.诺依曼结构
哈佛结构
物理上4个存储器地址空间： 物理上 个存储器地址空间： 个存储器地址空间 片内程序存储器 片外程序存储器 片内数据存储器 片外数据存储器
2
2.1.1 结构框图
8031无 无
MCS—51 CPU
CPU内部结构： 内部结构： 内部结构 （1）运算器电路：算术逻辑单元 ）运算器电路：算术逻辑单元ALU、 2个暂存器和累加 、 个暂存器和累加 寄存器B、程序状态字PSW等。 器A (ACC) 、寄存器 、程序状态字 等 算术逻辑运算单元ALU ( 8位 )： 算术逻辑运算单元 位 ： +、–、×、÷算术运算，与、或、非、异或逻辑运算，循 、 、 算术运算， 异或逻辑运算， 环移位、位处理。 环移位、位处理。 寄存器、 （2）控制器电路：程序计数器 、PC+1寄存器、指令寄 ）控制器电路：程序计数器PC、 寄存器 存器、指令译码器、定时与控制电路等。 存器、指令译码器、定时与控制电路等。
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外部中断0（ 外部中断 （INT0）中断地址区 定时器/记数器 （ 定时器 记数器0（T0）中断地址区 记数器 外部中断1（ 外部中断 （INT1）中断地址区 定时器/计数器 （ 定时器 计数器1（T1）中断地址区 计数器 串行（RI/TI）中断地址区 串行（ ）
程序存储器保留的单元： 程序存储器保留的单元：
字 节 地 址
位地址
3． 用户 ． 用户RAM区： 区
32个单元，地址为30H～7FH， 个单元，地址为 个单元 ～ ， 在一般应用中常作堆栈区。 在一般应用中常作堆栈区。
15
2012-2-16
2012-2-16
16
MCS-51的寄存器在片内 的寄存器在片内RAM都有映像地址。 都有映像地址。 的寄存器在片内 都有映像地址 寄存器名， 单元地址。 使用时，既可用寄存器名 也可用对应单元地址 使用时，既可用寄存器名，也可用对应单元地址。
2012-2-16
13
内部数据存储器低128 128单元 2.2.2 内部数据存储器低128单元 低128单元是单片机的真 单元是单片机的真 存储器。 正RAM存储器。 存储器
2012-2-16
14
分为三个区域： 分为三个区域： 1． 寄存器区： ． 寄存器区：
4组寄存器（寄存器阵列）。 组寄存器（寄存器阵列）。 组寄存器 个工作寄存器区0 即4个工作寄存器区 ～3区。每组 个工作寄存器区 区 8个寄存单元（每单元8位），以 个寄存单元（每单元 位），以 个寄存单元 R0～R7作寄存器名，暂存运算数据 作寄存器名， 和中间结果。 和中间结果。 字节地址为00H～1FH。 ～ 字节地址为 。
内部数据存储器高128 128单元 2.2.1 内部数据存储器高128单元
内部RAM的高 的高128单元 内部 的高 单元 ——专用寄存器 SFR) ——专用寄存器(SFR)区 专用寄存器( 地址为80H～FFH 地址为 ～ 也称特殊功能寄存器） （也称特殊功能寄存器） ——控制单片机内部部件 控制单片机内部部件
单片机原理及应用
第2 章
单片机硬件结构
2.1 单片机的逻辑结构及引脚 2.2 单片机的内部存储器 2.3 并行输入/输出口电路 并行输入/ 2.4 时钟电路及时序 2.5 复位操作及复位电路
2012-2-16 电信学院 1
2.1 逻辑结构及信号引脚
2.1.1 结构框图 2.1.2 信号引脚
2012-2-16
2. 专用寄存器的字节寻址
注意： 注意： 21个可字节寻址的专用寄存器是不连续地分散在内 个可字节寻址的专用寄存器是不连续地分散在内 个可字节寻址的专用寄存器是不连续 单元之中， 个寄存器， 个可位 部RAM高128单元之中，共11个寄存器，83个可位 高 单元之中 个寄存器 寻址。尽管还剩余许多空闲单元，但用户并不能使用。 寻址。尽管还剩余许多空闲单元，但用户并不能使用。 个专用寄存器中， 在22个专用寄存器中，唯一一个不可直接操作的寄 个专用寄存器中 存器是PC。 不占据 不占据RAM单元，它的位置在 单元， 存器是 。PC不占据 单元 它的位置在CPU 内部，是独立的。 内部，是独立的。 对专用寄存器的访问既可使用寄存器符号， 对专用寄存器的访问既可使用寄存器符号，也可使用 寄存器单元地址。 寄存器单元地址。
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运算和数据地址寄存
CPU内部 I/O口控制数据寄存 口控制数据寄存 内部SFR 内部 中断系统控制
定时/计数器相关 定时 计数器相关 串行口相关
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1、SFR（80H～FFH）介绍： 、 （ ～ ）介绍：
字节地址： 21个有效（其中仅11个有位地址） 字节地址：只21个有效（其中仅11个有位地址） 个有效 11个有位地址 有2套地址 套地址 位地址： 83位有效 位地址：只83位有效
程序状态字PSW （8位）： (4) 程序状态字 位
存放ALU运算过程的标志状态。 运算过程的标志状态。 存放 运算过程的标志状态
位序 位符号
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数据指针DPTR （16位）： 数据指针 位
存放片外存储器地址，作为片外存储器的指针。 存放片外存储器地址，作为片外存储器的指针。 可分成两个8位寄存器DPH、 使用。 可分成两个 位寄存器DPH、DPL使用。
中的两位PSW.4和 用PSW中的两位 中的两位 PSW.3来切换工作寄存器区，选用 来切换工作寄存器区， 一个工作寄存器区进行读写操作。 一个工作寄存器区进行读写操作
2． 位寻址区 ： ．
字节地址为20H～2FH，既可 ～ 字节地址为 ， 作RAM，也可位操作。 ，也可位操作。 共有16个 单元， 共有 个RAM单元，共128 单元 位，位地址为00H～7FH。 位地址为 ～ 。
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3、电源及时钟引线 电源及时钟引线
工作电源： 工作电源：VCC、VSS 时钟输入： 时钟输入：XTAL1、XTAL2。 、 。
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2.2 内部存储器
内部数据存储器高128 128单元 2.2.1 内部数据存储器高128单元 内部数据存储器低128 128单元 2.2.2 内部数据存储器低128单元 2.2.3 堆栈操作 2.2.4 内部程序存储器 2.2.5 存储器结构特点
80C51
2、控制线 控制线
ALE：地址锁存允许信号端 ： PSEN：外部程序存储器读选通信号端 ： EA/ VPP ：程序存储器选择信号端 程序存储器选择信号端/ 编程电源输入端
2、控制线
RST/VPD：复位信号端和后备电源输入端。 复位信号端和后备电源输入端。 输入10ms以上高电平脉冲，单片机复位。 以上高电平脉冲 输入 以上高电平脉冲，单片机复位。 VPD使用后备电源，可实现掉电保护 使用后备电源，可实现掉电保护。 复位电路： 复位电路： （1）上电复位 ） （2）外部信号复位 ）
2.2.4 内部程序存储器
80C51内有 内有4KB ROM，其地址为 内有 ，其地址为0000H～0FFFH其中 ～ 其中 0000H～0002H是系统的启动单元。 是系统的启动单元。 ～ 是系统的启动单元 系统复位后( ) 系统复位后(PC)＝0000H，开始取指令执行程序。 ，开始取指令执行程序。 如果不从0000H开始，应存放一条无条件转移指令， 如果不从 开始，应存放一条无条件转移指令， 开始 以便直接转去执行指定的程序。 以便直接转去执行指定的程序。 作用： 作用： （1）用来存放固化了的用户程序，取指令地址由程序计 ）用来存放固化了的用户程序， 数器PC给出 给出， 具有自动加 的功能； 具有自动加1的功能 数器 给出，PC具有自动加 的功能； （2）固化一片数据区，存放被查询的表格和参数等。 ）固化一片数据区，存放被查询的表格和参数等。
2.2.5 存储器结构特点
冯.诺依曼结构： 诺依曼结构： 程序和数据共用一个存 储器逻辑空间，统一编址。 储器逻辑空间，统一编址。
FFFF
哈佛结构： 哈佛结构： 程序与数据分为两个独立 存储器逻辑空间，分开编址。 存储器逻辑空间，分开编址。
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整 个 数据存储区 存 储 空 间 程序存储区
数 据 存 储 区
字 节 地 址
字 节 地 址
位地址
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2.2.3 堆栈操作
向地址增大的方向生成）： ）：MCS—51系列 向上生长型 （向地址增大的方向生成）： 系列 堆栈类型 向下生长型（向地址较低的方向生成）：MCS—96系列 向下生长型（向地址较低的方向生成）： ）： 系列 堆栈指针SP （8位）： 堆栈指针 位 是按“先进后出”原则存取数据的存储区。 是按“先进后出”原则存取数据的存储区。 堆栈设在片内 片内RAM区 堆栈设在片内RAM区。 数据入栈时： 自动加1，后写入数据， 始终指向栈顶地址 始终指向栈顶地址。 数据入栈时：先SP自动加 ，后写入数据，SP始终指向栈顶地址。 自动加 —— “先加后压” 先加后压” 先加后压 数据出栈时：先读出数据， 始终指向栈顶地址。 数据出栈时：先读出数据，后SP自动减 1，SP始终指向栈顶地址。 自动减 ， 始终指向栈顶地址 —— “先弹后减” 先弹后减” 先弹后减 但在程序设计时应将SP值初始化为 以后， 复位时 SP=07H。但在程序设计时应将 值初始化为 但在程序设计时应将 值初始化为30H以后， 以后 以免占用宝贵的寄存器区和位地址区。 以免占用宝贵的寄存器区和位地址区。
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中断入口：0003H～0023H 中断入口：0003H～
0003H～000AH ～ 000BH～0012H ～ 0013H～001AH ～ 001BH～0022H ～ 0023H～002AH ～
中断服务程序存放方法： 中断服务程序存放方法： （1）从中断地址区首地址开始，在中断地址区中直接存放； ）从中断地址区首地址开始，在中断地址区中直接存放； （2）从中断地址区首地址开始，存放一条无条件转移指令， ）从中断地址区首地址开始，存放一条无条件转移指令， 以便中断响应后，通过中断地址区， 以便中断响应后，通过中断地址区，再转到中断服务 程序的实际入口地址区去。 程序的实际入口地址区去。
累加器A（ 位 (2) 累加器 （8位）： 需要ALU处理的数据和计算结果多数要经过累加器 处理的数据和计算结果多数要经过累加器A。 需要 处理的数据和计算结果多数要经过累加器
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(3) 寄存器B （8位）： 寄存器 位
与A累加器配合执行乘、除运算。也可用作通用寄 累加器配合执行乘、除运算。 累加器配合执行乘 存器。 存器。
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2.1.2 信号引脚
1、I/O口线功能 口线功能
4个8位并行 I/O 接口引脚 个 位并行 P0.0～P0.7 、P1.0～P1.7 、 ～ P2.0～P2.7和 P3.0～P3.7 ～ ～ 为多功能引脚， 为多功能引脚，可自动切换用作数 据总线、地址总线、控制总线和或I/O 据总线、地址总线、控制总线和或 接口外部引脚。 接口外部引脚。
字节地址 可被8整除 可被 整除
专用寄存器： 专用寄存器： A、B、PSW、 、 、 、 DPTR、SP。 、 。 I/O接口寄存器：P0、 接口寄存器： 、 接口寄存器 P1、P2、P3、SBUF、 、 、 、 、 TMOD、TCON、 、 、 SCON …
字 节 地 址
位地址
程序计数器PC（ 位 (1) 程序计数器 （16位）： CPU总是按 的指示读取程序。PC是一个 位的计 总是按PC的指示读取程序 是一个16位的计 总是按 的指示读取程序。 是一个 数器。其内容为将要执行的指令地址（ 数器。其内容为将要执行的指令地址（即下一条指令地 执行程序一般是顺序方式。 址），可自动加 。因此 ），可自动加1。因此CPU执行程序一般是顺序方式。当 可自动加 执行程序一般是顺序方式 发生转移、子程序调用、中断和复位等操作， 被强制改 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。 程序执行顺序也发生改变。
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程 序 存 储 区
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冯.诺依曼结构
哈佛结构
物理上4个存储器地址空间： 物理上 个存储器地址空间： 个存储器地址空间 片内程序存储器 片外程序存储器 片内数据存储器 片外数据存储器
2
2.1.1 结构框图
8031无 无
MCS—51 CPU
CPU内部结构： 内部结构： 内部结构 （1）运算器电路：算术逻辑单元 ）运算器电路：算术逻辑单元ALU、 2个暂存器和累加 、 个暂存器和累加 寄存器B、程序状态字PSW等。 器A (ACC) 、寄存器 、程序状态字 等 算术逻辑运算单元ALU ( 8位 )： 算术逻辑运算单元 位 ： +、–、×、÷算术运算，与、或、非、异或逻辑运算，循 、 、 算术运算， 异或逻辑运算， 环移位、位处理。 环移位、位处理。 寄存器、 （2）控制器电路：程序计数器 、PC+1寄存器、指令寄 ）控制器电路：程序计数器PC、 寄存器 存器、指令译码器、定时与控制电路等。 存器、指令译码器、定时与控制电路等。
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外部中断0（ 外部中断 （INT0）中断地址区 定时器/记数器 （ 定时器 记数器0（T0）中断地址区 记数器 外部中断1（ 外部中断 （INT1）中断地址区 定时器/计数器 （ 定时器 计数器1（T1）中断地址区 计数器 串行（RI/TI）中断地址区 串行（ ）
程序存储器保留的单元： 程序存储器保留的单元：
字 节 地 址
位地址
3． 用户 ． 用户RAM区： 区
32个单元，地址为30H～7FH， 个单元，地址为 个单元 ～ ， 在一般应用中常作堆栈区。 在一般应用中常作堆栈区。
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MCS-51的寄存器在片内 的寄存器在片内RAM都有映像地址。 都有映像地址。 的寄存器在片内 都有映像地址 寄存器名， 单元地址。 使用时，既可用寄存器名 也可用对应单元地址 使用时，既可用寄存器名，也可用对应单元地址。
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内部数据存储器低128 128单元 2.2.2 内部数据存储器低128单元 低128单元是单片机的真 单元是单片机的真 存储器。 正RAM存储器。 存储器
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分为三个区域： 分为三个区域： 1． 寄存器区： ． 寄存器区：
4组寄存器（寄存器阵列）。 组寄存器（寄存器阵列）。 组寄存器 个工作寄存器区0 即4个工作寄存器区 ～3区。每组 个工作寄存器区 区 8个寄存单元（每单元8位），以 个寄存单元（每单元 位），以 个寄存单元 R0～R7作寄存器名，暂存运算数据 作寄存器名， 和中间结果。 和中间结果。 字节地址为00H～1FH。 ～ 字节地址为 。
内部数据存储器高128 128单元 2.2.1 内部数据存储器高128单元
内部RAM的高 的高128单元 内部 的高 单元 ——专用寄存器 SFR) ——专用寄存器(SFR)区 专用寄存器( 地址为80H～FFH 地址为 ～ 也称特殊功能寄存器） （也称特殊功能寄存器） ——控制单片机内部部件 控制单片机内部部件
单片机原理及应用
第2 章
单片机硬件结构
2.1 单片机的逻辑结构及引脚 2.2 单片机的内部存储器 2.3 并行输入/输出口电路 并行输入/ 2.4 时钟电路及时序 2.5 复位操作及复位电路
2012-2-16 电信学院 1
2.1 逻辑结构及信号引脚
2.1.1 结构框图 2.1.2 信号引脚
2012-2-16