单片机结构和工作原理

控制器电路包括程序计数器PC、PC加1寄存器、指令寄存 器、指令译码器、数据指针DPTR、堆栈指针SP、缓冲器以及 定时与控制电路等。控制电路完成指挥控制工作，协调单片 机各部分正常工作。
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2.2.1
CPU
微处理器是运算和指挥控制中心。包含有控制器、运算器。
4 并行I/O口 4个8位的并行I/O口。 P0～p3（分别取名为P0口、 P1口、P2口和P3口） 实现单片机与外界交换信 息 。这四个口均是由8位的 输入输出口线构成的，一共 有32个I/o口线
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MCS-51单片机的基本组成－串口
5 串行口 MCS-51具有一个可编程全双 工的串行口（RXD，TXD），以实 现单片机和其它的数据设备 （如上位计算机）之间的数据 传递。
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2.2.2
存储器－－ 程序存储器（续）
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2.2.2
存储器－－ 片内数据存储器（RAM）
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物理上分为两大区域： 00H-7FH即低128单元内RAM;80H-FFH即SFR区。
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2.2.2
存储器
MCS－51系列单片机的存储器包括程序存储 器和数据存储器，其主要特点是程序存储器和 数据存储器的寻址空间是相互独立的，物理结 构也不相同。
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2.2.2
存储器－－存储器结构
普林斯顿结构：程序和数据共用一个存储器逻辑空间，统一编址 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
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2.2.1 内部结构和功能－－ CPU
CPU即中央处理器的简称，是单片机的核心部件，它完成各种 运算和控制操作，CPU由运算器和控制器两部分电路组成。 （1）运算器电路 运算器电路包括ALU（算术逻辑单元）、ACC（累加器）、 B寄存器、状态寄存器、暂存器1和暂存器2等部件，运算器的 功能是进行算术运算和逻辑运算。 （2）控制器电路
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2.2.2
存储器－－ 程序存储器
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2.2.2
存储器－－ 程序存储器（续）
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2.2.2
存储器－－ 程序存储器（续）
ROM中七个具有特殊含义的单元是： 系统复位，PC指向此处
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MCS-51单片机的基本组成－中断
6 中断系统中断系统是为了使单片机具有 实时控制能力而设计的内部电路。 51系列 一共设计了5个中断源（2外，3 内），两个优先级嵌套中断结构。
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总线
总线: 即公用的一组信号线。能为多个部件服务的信息传送 线，在微机系统中各个部件通过总线相互通信。
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MCS-51单片机的基本组成－存储器
2 存储器 四个物理上相互独立的存储空间（8031三个） （1） 内部程序存储器（内部ROM） 51系列：4K字节(8031无)，52系列：8K字节。 51：地址范围0000H—0FFFH 。 用于存放程序代码和表格数据。 （2） 内部数据存储器（内部RAM）
2.2.2
存储器－－存储器结构（续） （P40）
从用户使用角度8051存储空间分为三类（即三个 逻辑存储器）： （1）片内片外统一编址0000H－FFFFH的 64KB 程 序存储器； （2）256B 片内数据存储器，地址从00H－FFH； （3）64KB 片外数据存储器或I/O口地址空间，地 址0000H－FFFFH
★ 算术和逻辑运算：半字节(4位)和单字节(8位)操作 算术运算：加、减、乘、除、加1、减1、比较等 逻辑运算：与、或、非、异或、求补等
★布尔处理器（位处理器）：51单片机的特点
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MCS-51单片机的基本组成－CPU
（2）控制器 包括程序计数器、指令寄存器、指令译码器、DPTR、SP、 定时控制、条件转移逻辑电路等 A 程序计数器PC （寄存器） PC存放即将执行的指令地址，16位，可对64k ROM直接 寻址。低8位：P0口输出；高8位：P2口输出。 B 指令译码器 将指令变成所需电平信号。 CPU执行指令过程： PC指向ROM中的指令地址→读ROM中的指令放入指令寄 存器→ PC指向下一条指令的地址→译码器译码→定时、控制 电路发出相应的控制信号，完成指令功能。
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MOV 28H,#59H 字节操作
位操作
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2.2.2
存储器－－ 片内数据存储器（RAM）（续）
字节地址是片内 RAM的单元地址， 而位地址是片内 RAM单元8位中的 某一位，也可 通过单元操作指令 和位操作指令加以 区分。
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2.2.2
总线结构可以减少单片机的外部连线和引脚，提高集成度 和可靠性。
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2.2
8051单片机内部结构和功能
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2.2 内部结构和功能－－单片机内部结构分析
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2.2 内部结构和功能－－单片机的内部结构图（P38图2－2）
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2.2.2
存储器－－存储器结构（续）
ROM片内外4KB地址重叠；RAM与ROM 64KB全 部重叠，RAM片内外低256字节重叠。但是采用不 同的指令以及控制信号EA、PSEN、WR、RD的 选择，不会发生混乱。（P40）
可位寻址区（20H～2FH）
16个字节，128位，每一位都有一个位地址(范围：00H～7FH)。 字节操作（作一般RAM使用），可位操作。
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可
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2.2.2
存储器－－ 片内数据存储器（RAM）（续）
0
SETB 42H CLR 43H
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P0.0～P0.7 P2.0～P2.7
Vcc （＋5V） Vss RAM地址 寄存器 RAM （128×8）
端口0驱动器
端口2驱动器
端口0锁存器
端口2锁存器
ROM （4K×8）
程序地址寄存器
缓冲器 ACC PCON 堆栈指示器SP PC加1寄存器 B寄存器 暂存器2 ALU
PSEN ALE EA RST
暂存器1
SCON
TMOD
TCON 程序计数器PC
状态寄存器 定时 指令 与 寄存 控制 器 端口1锁存器 端口1驱动器
TH0 TL0 TH1 TL1 SBUF SBUF IE IP （TX）（RX） 中断、串行口和定时器
数据指针DPTR 端口3锁存器 端口3驱动器
XTAL1
XTAL2 P1.0～P1.7 P3.0～P3.7
存储容量 ＝ 2地址线条数 X 数据线的条数 bit
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2.2.2 存储器－－存储器结构（续）
F F F F 外 部 1 0 0 0 0 F F F 0 F F F F F F F
内 部 外 部 F F 专 用 寄 存 器 （ ＝ 1 ） （ ＝ 0 ） 8 0 7 F 0 0 0 0 内 部 R A M0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 程 序 存 储 器
51系列：128字节； 52系列：256字节。 51系列地址范围： 0—7FH 存放可以读写的数据，例如运算的中间结果等。
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MCS-51单片机的基本组成－存储器 （3） 外部程序存储器（外部ROM） 64K字节，地址范围0000H—FFFFH 。 功能：等同于内部ROM，存放程序和常量。 （4） 外部数据存储器（外部RAM） 64K字节； 地址范围： 0—FFFFH 功能：等同于内部RAM，存运算的中间结果等。
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2.2.2
存储器－－ 片内数据存储器（RAM）－－高128单元
b) 高128字节RAM（80H～FFH）
高128字节RAM中，除程序计数器PC外，还有21个 特殊功能寄存器（SFR，专用寄存器），离散的 分布在80H～FFH单元中。具体功能：锁存器、定 时器，串行口数据缓冲器、各种控制寄存器、状 态寄存器。 注：1、21个SFR离散的分布，空闲地址物理上存在， 但对用户来说无意义。
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MCS-51单片机的基本组成－CPU C 定时和控制部件
时钟电路：为单片机产生时钟脉冲序列，但是需要外 接石英晶体和微调电容，系统允许的最高晶振频率为 12MHz。 通常范围为：1.2MHZ～12MHZ 两种时钟生成方式：内部，外部。
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存储器－－ 片内数据存储器（RAM）（续）
a) 片内低128单元
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2.2.2
存储器－－ 片内数据存储器（RAM）（续）
工作寄存器区（P39）
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2.2.2
存储器－－ 片内数据存储器（RAM）（续）
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2.2.1 CPU－－运算器（红色部分），其余属于控制器
运算器在控制器的控制下对二进制进行算术或逻辑运算。
组成：算术逻辑运算单元ALU、累加器ACC、寄存器B、暂存 器TMP、程序状态字PSW、布尔处理器、十进制调整电路。
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内 部 数 据 存 储 器 外 部 数 据 存 储 器
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2.2.2
存储器－－存储器结构（续） 8051的存储器在物理结构上分ROM和RAM，有四个物理 上互相独立的存储空间，即
片内ROM 片外ROM
片内RAM
片外RAM
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2.2.2
存储器－－存储器结构（续）
A0 A1
0000B 地 址 寄 存 器 地 址 译 码 器 1111B …… 存 储 阵 列 数 据 寄 存 器 D0 16 X 8 ……
D1
… D7
A2
A3
RD WR
（P6）图1－2 16 X 8bitRAM的内部结构框图
2、对SFR只能直接寻址，书写即可以用单元地 址，也可以用寄存器符号。 MOV A，P0； MOV A，80H； 相同
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2.2.2
存储器－－ 片内数据存储器（RAM）－－高128单元（续）
21个SFR分类：
I 算术运算寄存器： A，B，PSW
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MCS-51单片机的基本组成－定时器/计数器
3 定时／计数器 51系列：两个16 位的定时器／计数 器 52系列：3个。 实现定时和计数 功能。并可以根据 定时和计数结果对 单片机进行控制。
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MCS-51单片机的基本组成－I/O口
第2章 MCS－51单片机的结构和工作原理
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2.1 MCS-51系列单片机的结构
2.1.1 MCS-51单片机的结构框图
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MCS-51单片机的基本组成－CPU 1 中央处理单元CPU
单片机的核心，由运算器、控制器、寄存器等部件组 成，完成运算和控制操作。 （1）运算器
存储器－－ 片内数据存储器（RAM）（续）
内部RAM位寻址的位地址
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2.2.2
存储器－－ 片内数据存储器（RAM）（续）
用户RAM区（30H～7FH）：
数据缓冲区，供用户使用的一般RAM区。 共80个单元，一般用于存放用户数据及堆栈区 使用。 用户只能以存储单元（字节）形式使用该区域