单片机的内部结构及其工作原理介绍

4K
2-2
Hale Waihona Puke Baidu
存 储 器 配 置
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
片内 ROM 8751
8031
8051
89C51
片内 RAM
40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 24 22 21
第 章 单 片 机 结 构 原 理
Single Chip Microcomputer
本章内容
单片机内部结构及引脚
单片机存储器配置 单片机输入输出口 单片机时序及接口
§2-1
MCS-51单片机内部结构及引脚
MCS-51系列单片机是英特尔公司1980推出的高档8位机 分为二个子系列，、三个版本：
存储器类型 单片机系列
IO引脚
P0.0 ~ P0.7 ； P1.0 ~ P1.7 ； P2.0 ~ P2.7 ；P3.0 ~ P3.7 四个I / O口，每口八条线；还兼作地址/数据线。
3、时钟电路与复位电路
(1)时钟振荡电路
几个工作周期的区别：
振荡周期 状态周期
机器周期
指令周期


时钟周期 ,T:时序中最小的时间单位.其值由外接晶体或外 输入时钟来决定，其值为石英振荡器频率的倒数。 例如:在单片机外接1MHZ的晶体,则单片机的系统时钟 的频率为1M, 时钟周期为1us. 机器周期:完成特定功能所需要的时间,在MCS-51单片机中 机器周期由12个时钟周期构成,并分为6个状态(S1-S6),每个 状态又分为P1和P2两拍.这样一个机器周期的12个震荡周 期可以表示为: S1P1,S1P2,S2P1,S2P2,S3P1,S3P2 … S6P1,S6P2 将12个震荡周期用6个状态和2拍来替代。
~
64KB。
SFR为特殊功能寄存器。其寻址空间：80H
~
FFH
其中，51子系列有18个寄存器，占有21个字节； 52子系列有21个寄存器，占有26个字节。
51子系列SFR的地址分配及位地址见下页表：
高128个单元
☆离散分布有21个 特殊功能寄存器SFR。 ☆ 11个可以进行 位寻址。 ☆特别提示：对 SFR只能使用直接 寻址方式，书写时 可使用寄存器符号， 也可用寄存器单元 地址。
中断入口地址
FFFFH
002BH 0023H
． ． ．
中断5 中断4 中断3 中断2 中断1 串行口中断 定时器1中断 外部中断1 定时器0中断 外部中断0 0000H是程序执行的起始单元, 在这三个单元存放一条 无条件转移指令
(64K)
001BH 0013H
0FFFH (4K) 0000H
内部
EA=1 0000H
EPROM
256B（字节）
冯.诺依曼结构
储存器结构
哈佛结构 改进哈佛结构/超级哈佛结构
物理上分为：4个空间，即片内ROM、片外ROM 片内RAM、片外RAM 逻辑上分为: 3个空间， 即程序内存（片内、外）统一编址 MOVC
数据存储器（片内）
数据存储器（片外）
MOV
MOVX
(1)程序存储器
0FFFH 0FFEH
寄存器 B ACC PSW IP P3 IE P2 SBUF A7 P2.7 A6 P2.6 A5 P2.5 F7 E7 D7 CY BF B7 P3.7 F6 E6 D6 AC BE B6 P3.6 F5 E5 D5 F0 BD B5 P3.5
位地址 / 位定义 F4 E4 D4 RS1 BC B4 P3. 4 F3 E3 D3 RS0 BB B3 P3.3 F2 E2 D2 OV BA B2 P3.2 F1 E1 D1 / B9 B1 P3.1 F0 E0 D0 P B8 B0 P3.0
21H 20H
0FH 0EH 0DH 0CH 0BH0AH 09H 08H 07H 06H 05H 04H 03H 02H 01H 00H
特殊功能寄存器SFR
MCS-51单片机内共有22个特殊功能寄存器，包括PC及SFR。 PC为程序计数器。它是一个双字节寄存器,寻址范围为: 0000H ~ FFFFH，即0
I/O口线 8×4 8×4 8×4 8×4 15
备 注
DIP 40脚 DIP 40脚 DIP 40脚 DIP 40脚
FLASH 4KB 128B+SFR FLASH 2KB 128B+SFR
简化DIP 20脚 增强多功能型
8XC552
8K
256B+SFR
8×6
掩膜ROM PROM/OTP-ROM EPROM EEPROM FLASH
1、8051单片机的基本组成
1. 2.
3.
4.
5. 6. 7.
8.
中央处理器CPU：8位，运算和控制功能 内部RAM：共256个RAM单元，用户使用前128个单元， 用于存放可读写数据，后128个单元被专用寄存器占用。 内部ROM：4KB掩膜ROM，用于存放程序、原始数据和表 格。 定时/计数器：两个16位的定时/计数器，实现定时或计数功 能。 并行I/O口：4个8位的I/O口P0、P1、P2、P3。 串行口：一个全双工串行口。 中断控制系统：5个中断源（外中断2个，定时/计数中断2 个，串行中断1个） 时钟电路：可产生时钟脉冲序列，允许晶振频率6MHZ和 12MHZ
7FH
(64K)
数据缓冲区/堆栈区
7F 78
30H 2FH 20H
可位寻址区
07 R7
R0 R7 R0 R7 R0 R7 R0
00
3区
外部
FFH 80H 7FH (低128B) 00H (高128B) 专用 寄存器 内部 RAM 0000H
1FH 18H 17H 10H 0FH 08H 07H 00H
2区
1区 0区
工作寄存器区
数据存储器
内部RAM存储器
位寻址区
位寻址区（20H—2FH）16个字节。 16*8=128位，每一位都有一个位地址，范围为：00H—7FH，位地址区 也可作为一般RAM使用。
单元地址
2FH 2EH
位地址
7FH 7EH7DH7CH 7BH7 AH 79H 78H 77H 76H 75H 74H 73H 72H 71H 70H
1 2 3 4 5 6 7 RAM 8 6264 9 10 11 12 13 14
28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15
64K
1 2 3 4 5 6 7 RAM 8 6264 9 10 11 12 13 14
28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15
T S1 S2 S3 S4 S5 S6
机器周期

指令周期:这是时序图中最大的时间单位,既执行一条指令所 需要的时间.在MCS-51系统中,不同的指令它所包含的机器 周期数不同.它们分别是: 1,单机器周期指令; 2,双机器周期指令; 3,四机器周期指令 我们知道:一个机器周期包含了12个震荡周期.如果我们使用一 个12M的晶体震荡器,那么: 一个机器周期为1us, 两个机器周期为2us, 四个机器周期为4us. 可见一条指令的运算速度与它所包含的机器周期数有 关.机器周期数越少,执行的速度就越快.在MCS-51单片机的 指令系统中,除了乘、除法指令为四个机器周期外,其余都是 单周期和双周期指令. 返回
0023H —— 串口中断入口
002BH —— T2溢出中断入口
PSW位地址
CY
AC
F0
RS1
1
1 0 0 0 1 0
RS0
1
OV
F1
P
第3区 第2区 第1区
18H~1FH
10H~17H 08H~0FH 00H~07H 片内RAM地址
(2)数据存储器
FFFFH
第0区
寄存器区
RS1 RS0
工作寄存器区选择位RS0、RS1
外部
EA=0
0FFFH (4K) 0000H
(PC)
000BH 0003H 0002H 0001H 0000H
8位
程序存储器
程序存储器资源分布
七个具有特殊含义的单元是：
0000H —— 系统复位，PC指向此处；
0003H —— 外部中断0入口 000BH —— T0溢出中断入口 0013H —— 外中断1入口 001BH ——T1溢出中断入口
9C REN 94 P1.4
9B TB8 93 P1.3
2、MCS-51单片机信号引脚简介
P1. 0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 RST RXD/ P3. 0 TXD/ P3.1 INT0/ P3.2 INT1/ P3.3 T0/ P3.4 T1/ P3.5 WR/ P3.6 RD/ P3.7 XTAL2 XTAL1 VSS 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 24 22 21 VCC P0. 0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 EA ALE PSEN P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2. 0
1、电源线：VCC(+5V)、VSS(地) 2、振荡电路：XTAL1、XTAL2
8031
8051 8751 89C51
3、复位引脚：RST
4、并行口：P0、P1、P2、P3
5、EA：访问程序存储控制信号 6、PSEN：外部ROM读选通信号 7、ALE：地址锁存控制信号
P3口线的第二功能
ALE / PROG —— 地址锁存控制端，访问外部存储器用来锁 存由P0口送出的低8位地址；不访问外存时，提供1/6 fosc振 荡频率；PROG用于对8751片内的EPROM输入编程脉冲 ； PSEN —— 外部程序存储器的读选通信号端 EA / Vpp —— 内\外ROM选择端 EA = 1 时，访问内部程序存储器,即内ROM EA = 0 时，只访问外部程序存储器,即外ROM 对于8751单片机编程时，该端施加编程电压
MCS-51单片机硬件结构
T0 T1
时钟电路
ROM
RAM
定时计数器
CPU
并行接口 串行接口 中断系统
P0 P1 P2 P3
TXD RXD
INT0 INT1
结构框图
• 并行I/O口：4个 • 8 中央处理器 位的I/O口P0、 CPU ： 8P3 位， P1 、P2 、 。 • 内部ROM： 运算和控制 • 串行口：一个全 4KB掩膜ROM， 功能 • 中断控制系统： 双工串行口。 • 时钟电路：可 用于存放程序、 5 个中断源（外 产生时钟脉冲 原始数据和表 2个，定 • 部中断 内部RAM ：共 • 序列，允许晶 定时 / 计数器： 格。 时 /计数中断 2 256 个RAM单 两个166MHZ 位的定 振频率 和 个，串行中断 1 元，用户使用 时/计数器，实 12MHZ 个） 前128个单元， 现定时或计数 用于存放可读 功能。 写数据，后 128个单元被 专用寄存器占 用。
8031 8051 8751 8032 8052
掩膜 ROM
/ 4KB / / 8KB
EPROM
/ / 4KB / /
MCS51
51子系 列 52子系 列
型号 8031 8051 8751 89C51 89C2051
片内ROM 无 掩膜4KB EPROM 4KB
片内RAM 128B+SFR 128B+SFR 128B+SFR
(2)、控制或复位引脚
RST / VPD — 当出现两个机器周期高电平时，单片机复位 。 复位后，P0 - P3 输出高电平；SP寄存器为07H；
其它寄存器全部清0；不影响RAM状态。
参考复位电路如下：
(2)谁知道 复位电路 复位电路怎么起到复位的作用?
单片机复位条件:
必须使RST引脚持续10 us以上高电平(外部时钟12MHz)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
2764
28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15
EPROM
2764
64K
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15
地址 F0H E0 D0H B8H B0H A8H
A4 P2.4
A3 P2.3
A2 P2.2
A1 P2.1
A0 P2.0
A0H 99H
SCON P1 TH1 TH0 TL1 TL0 TMOD TCON PCON DPH DPL SP P0
9F SM0 97 P1.7
9E SM1 96 P1.6
9D SM2 95 P1.5